（航空宇航制造工程专业论文）基于cbr的工程机械快速设计系统的研究与开发.pdf

南京航空航天大学硕士学位论文 摘要 与国外跨国公司相比，我国工程机械生产企业在新产品研制方面存在自主创 新能力差，产品开发周期长、成本高、可靠性低等问题，导致这些问题的重要原 因在于企业用于产品开发的设计理念较落后，缺乏有效的且适合企业特点的设计 工具。在国家高技术计划( 8 6 3 ) 、江苏省高科技项目的资助下，课题组开展了 对支持工程机械快速设计的工具集和专用系统的研究，课题组在充分调研国内工 程机械企业设计共性需求的基础上，结合先进的设计理念和三维c a d 技术，研究 并开发了面向工程机械产品研制的快速设计系统，本文的研究作为该课题的一个 重要组成部分进行了以下几方面的工作。 首先，对产品的开发方法和技术进行了总结和概括，分析了我国工程机械行 业产品设计的现状和发展趋势，提出将基于案例的设计方法( c a s eb a s e d r e a s o n i n g ，c b r ) 应用在工程机械产品的设计中；其次，结合工程机械产品的 特点，研究了c b r 技术的原理和关键技术，主要包括c b r 的设计流程、案例的表 示检索修正学7 维护等；再次，通过建立扩展对象模型实现了对工程机械产 品的设计案例完整信息的表示和存储。并结合基于装配分解的层次树索引构建了 工程机械产品案例库：然后，重点研究了面向工程机械案例库的案例检索以及推 理算法，提出并实现了一种能够满足基于装配关系约束的基本数据、复合数据以 及案例对象的相似度计算方法：最后，应用以上研究成果，结合镇江华晨华通路 面机械厂的水泥摊铺机产品，在c a x a 三维实体设计平台上开发了基于c b r 的 工程机械r 陕速设计原型系统，该系统不仅通过了软件测试，并且在实践中取得了 预期的效果。 关键词；c b r ，工程机械，基于案例推理，案例库，c a x a 实体设计平台 支持工程机械快速设计的c a d 系统关键技术研究 a b s t r a c t c o m p a r e d w i t hs o m ef a m o u s t r a n s c o r p o r a t i o n s ，d o m e s t i cm a n u f a c t u r i n g e n t e r p r i s e so fc o n s t r u c t i o nm a c h i n e r yh a v es o m ep r o b l e m si nt h ep r o c e s so fn e w p r o d u c td e v e l o p m e n t s ( e g ，d e f i c i e n ti n d e p e n d e n t i n n o v a t i o n a b i l i t y ，l o n g d e v e l o p m e n tc y c l e ，h i 曲c o s t sa n de t c ) t h e s ep r o b l e m sc a l lm a i n l yb ea s c r i b e dt o o u t d a t e dd e s i g nc o n c e p ta n dal a c ko fa ne f f e c t i v ea n ds u i t a b l ed e s i g nt o o l s a i d e db y n a t i o n a lh i t e c h t e c h n o l o g yp r o j e c t ( 8 6 3 ) a n dt h e h i t e c h p r o j e c t o fj i a n g s u p r o v i n c e ，a n db a s e do n as u f f i c i e n ti n v e s t i g a t i o na n dr e s e a r c ho nt h ed e m a n d so ft h e e n t e r p r i s e s ，o u rt e a m h a d d e v e l o p e dc o m p l e t e l yar a p i dd e s i g ns y s t e mf o rc o n s t r u c t i o n m a c h i n e r yp r o d u c t sw i t ha d v a n c e dd e s i g nt h e o r ya n d3 dc a dt e c h n o l o g i e s a sa n i m p o r t a n tc o m p o n e n t o f t h ea b o v es t u d i e s ，t h et h e s i sh a sf i n i s h e da sf o l l o w i n g s ： f i r s t l y , r a p i dp r o d u c td e v e l o p m e n t m e t h o d sa n dt e c h n o l o g i e sw e r es u m m a r i z e d ， a n dd o m e s t i ca c t u a l i t ya n dt r e n do fc o n s t r u c t i o nm a c h i n e r yp r o d u c td e s i g nw e r e a n a l y z e d ，a n d ad e s i g nm e t h o db a s e do nc b r ( c a s eb a s e dr e a s o n i n 曲w a s p u tf o r w a r d t o a p p l y t oc o n s t r u c t i o nm a c h i n e r yp r o d u c t s d e s i g n s e c o n d l y , a c c o r d i n g t ot h e c h a r a c t e r i s t i c so fc o n s t r u c t i o nm a c h i n e r yp r o d u c t s ，p r i n c i p l ea n dk e yt e c h n o l o g i e so f c b rw e r e s t u d i e d ，i n c l u d i n g t h e d e s i g np r o c e s s b a s e do n c b r ，a n d e x p r e s s i o n r e t r i e v e r e v i s e o fc a s e sa n de t c t h i r d l y ，t h r o u g hc o n s t r u c t e de x t e n d e d o b j e c tm o d e l e x p r e s s i o na n ds t o r a g eo f 她li n f o r m a t i o no fc o n s t r u c t i o nm a c h i n e r y p r o d u c t c a s e sw e r er e a l i z e d a n d a c c o r d i n g t oah i e r a r c h yt r e ei n d e xb a s e do n a s s e m b l e ，ac a s ed a t a b a s eo f t h ep r o d u c t sw a sb u i l t t h e n ，t h es e a r c h i n gm e t h o d so f c o n s t r u c t i o nm a c h i n e r yp r o d u c tc a s e sa n di t sr e a s o n i n ga l g o r i t h ma r ee m p h a s i z e di n t h et h e s i s ，a n da na l g o r i t h mw a sb r o u g h tf o r w a r d ，w h i c hc o u l dg i v eas a t i s f y i n gr e s u l t a sc a l c u l a t i n gt h es i m i l i t u d ea m o n gb a s i cd a t at y p e ，c o m p o u n dd a t at y p ea n dc a s e o b j e c t sb a s e do na s s e m b l ec o n s t r a i n t s f i n a l l y , a c c o r d i n g t ot h er e s u l t sa b o v e ，ar a p i d d e s i g np r o t o t y p es y s t e mb a s e do nc b r f o rc o n s t r u c t i o nm a c h i n e r yw a sd e v e l o p e d c o m p l e t e l yo nc a x a s o l i dp l a t f o r m ，a n di th a sb e e na p p l i e dt oc o n c r e t ep a v i n g m a c h i n ed e s i g ni nz h e n j i n n gh u a c h e nh u a t o n gr o a dm a c h i n e r yc o ，l t d t h es y s t e m n o t o n l yp a s s e d at h i r d p a r t y s o f t w a r et e s t ，b u ta l s or e w a r d e di n p r a c t i c e a s a n t i c i p a t e d k e yw o r d s ：c b r ，c o n s t r u c t i o nm a c h i n e r y , c a s ed a t a b a s e c a s er e a s o n i n g a l g o r i t h m ，c a x a s o l i dd e s i g np l a t f o r m 承诺书 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容 外，本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本 论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明 确方式标明。 本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件，允 许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 作者签名：丝 日期：鲨! ： 南京航空航天大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 产品的结构、功能、质量、成本、交货时间、可制造性、可维修性、报废后 的处理以及人、机、环境关系等等，原则上都是在产品的设计阶段确定的i ”，可 以毫不夸张的说“产品设计就是企业的灵魂”。据统计，产品生命周期成本的3 整个产品交货期的6 0 以上。随着现代科学的迅速发展和技术更新换代的频率提 高，现代机械产品的市场寿命( 一个产品从投放市场到退出市场被淘汰所经历的 时间) 不断缩短，因此要求企业具有快速响应市场的能力，具备从捕捉产品信息 到及时投放市场的全面快速响应能力1 2 】，主要包括：快速捕捉产品市场动态需求 信息及决策机制、产品快速设计、产品快速制造工程，其中产品快速设计是企业 快速响应市场的关键。 我国企业对市场的快速响应能力与发达国家相比具有非常显著的差距，据对 我国约2 0 0 0 种机械新产品的抽样调查，产品开发周期平均为1 8 个月，由此导致 的产品交货周期长已成为我国企业在国内外市场竞争中失利的重要原因，与此形 成鲜明对比的是美国在1 9 9 0 年就实现了新产品设计周期3 个星期，试制周期也 仅为3 个月1 3 1 的产品开发能力。 1 2 快速产品开发方法和技术的研究进展 1 2 1 支持快速产品开发的现代设计理论与方法 现代设计理论的方法技术主要有并行设计( c o n c u r r e n td e s i g n ) 1 4 】、协同设计 ( c o l l a b o r a t i v ed e s i g n ) 、虚拟设计( v i r t u a ld e s i g n ) 、快速原型技术( r a p i d p r o t o t y p et e c h n o l o g y ) 、面向大批量定制的设计以及基于产品全生命周期管理 ( p r o d u c t d a t a m a n a g e m e n t p r o d u c t l i f e m a n a g e m e n t ，p d m p l m ) 的设计等等， 这些现代设计方法较多注重设计活动的外延，而对设计活动的内涵，设计的本质， 比如如何重用企业及行业已有的设计资源、如何改进提高产品开发过程等关注不 够。 事实上，产品设计过程中，设计人员常常是以一种不自觉的形式借鉴、重用 已有的设计，但重用已有的设计主要依赖于设计人员的经验。目前的设计软件缺 乏重用环境，产品开发过程中由于没有有效的借鉴、重用已有的设计，常常造成 设计过程中重复以往类似( 或同样) 的错误，延长产品开发时间，降低产品可靠 性，增加了产品成本。机械产品设计开发是复杂的系统，需要大量多学科人员的 支持工程机械快速设计的c a d 系统关键技术研究 协作参与，由于缺乏对产品开发过程的内在结构和规律认识，产品开发过程缺乏 有效的执行、控制，常常造成多次设计反复，延长产品开发时间，增加产品开发 成本。因此，如何在网络化、数字化环境下研究基于计算机技术的设计重用、研 究产品开发过程的执行与控制，以支持产品快速设计开发，降低产品成本，提高 产品的可靠性和质量，节省资源，实现可持续发展。 1 2 ，2 设计重用研究进展 p a h l 和b e 池将产品设计分为三种设计形式，即变形设计、适应性设计和创 新性设训5 1 。据估计9 0 的设计为变型设计或自适应设计，这意味着大多数的没 计工作可重用以前的产品设计知识：新产品开发中完全重用现有的或供应商提供 的零部件占4 0 ，修改后重用的零部件占4 0 ，完全全新设计的零部件仅占 2 0 【6 】n 由此可见设计重用在新产品开发中的重要作用。 1 9 9 8 年在英国b r u n e lu n i v e r c i t y 首次召开了以设计重用为主题的工程设计会 议。会议认为设计重用就是将过去的设计知识和设计经验用于当前的设计中。设 计重用可有效缩短产品的设计开发周期，提高设计质量，从而实现快速响应。 f i n g e r 详细研究了设计过程，即设计者在设计过程中想要什么以及他们怎样 使用过去的信息。设计者可能根据功能、行为、形状甚至环境t 上下文) 来检索 已有的设计，但还没有针对这些属性的形式化表达。f i n g e r 的研究表明，目前 c a d 工具对支持设计重用的作用是非常有限的，要丌发支持设计重用的计算机 环境，必须研究产品信息资源的计算机表示。 d u 卧等提出了设计重用的过程模型，该模型包括六个知识部件和三个主要 过程。六个知识部件是：领域知识、领域模型、重用库、设计需求、进化的设计 模型、完整设计模型；三个主要过程是：基于重用韵设讨、面向重用的设计及领 域探索。d u 厨的设计重用过程模型用六个知识部件和三个主要过程的交互作用 描述了设计重用的整个过程，构成了知识进化循环。 s i v a l o g a n a t h a n 认为设计重用的研究应在以下几个方面进行深入研究捧j ： ( 1 ) 产品创新开发； ( 2 ) 设计重用的认知研究； ( 3 ) 设计重用的计算机建模； ( 4 ) 标准零部件的使用； ( 5 ) 设计重用方法及工具： ( 6 ) 设计重用系统； ( 7 ) 设计重用可能带来的问题。 知识的建模和重用是设计重用的重要方面。文 9 】提出了三种知识建模方法： 基于案例的推理( c a s e b a s e dr e a s o n i n g ，c b r ) 、基于模型的推理( m o d e l b a s e d 南京航空航天大学硕士学位论文 r e a s o n i n g ，m b r ) 和计划重用( p l a nr e u s e ) ，其中案例表示具体的知识，模型 表示通用的知识，而计划重用是主动重用。 s h a h i n 研究基于设计功能分配的设计重用系统【1 们，该重用系统模型支持设 计人员在不同设计阶段重用过去产品设计知识。 王玉等【i i j 就机械产品设计重用的策略、框架及模型进行了探索性研究；蔡波 等 1 2 j 研究了基于功能行为结构框架的概念设计重用信息模型，并将p d m 系统 作为概念设计重用的平台。 以上研究从不同的角度和出发点对设计重用进行了探讨，但仍然缺乏系统的 理论和方法。研究表明知识模型和设计重用模型的相容是设计重用的关键，设计 重用方法、工具、系统需要进一步研究。 1 2 3 已有设计资源重用建模研究进展 钟廷修研究了快速响应工程及快速响应设计，提出有效利用产品信息资源是 实现快速响应的关键，采用变型设计实现快速响应的策略【2j ：陈满意等提出了一 个面向快速响应的机械产品集成设计系统体系结构 ”。文 1 4 提出了一个初步的 设计资源管理方法，通过扩展产品c a d 模型成为可重用资源单元，并提供网络 化的开放的存取机制，从而最大化的重用公司或世界范围的设计资源。 n i k o l a u s 等建立了基于i n t e m e t 的电子产品目录库，提供包括多供应商和基 于设计内容等的搜索策略，客户化添加和客户化使用功能，以及适应不同c a x 的模型库表示等功能；r e i n e m u t h 建立多媒体产品目录来准备和处理供货零部件 信息，实现供应商和用户的数据交换和共享：美国p t c 公司的w e b 服务器保存 了上百万零件信息及多种格式的3 d 模型，提供上百家世界级零件供应商，根据 标准，向客户提供服务，这是一个巨大的知识资源库：美国s o l i d w o r k s 公司也提 供在线3 d 产品目录( 3 dp a r t s t r e a r n n e t ) ；美国a g i l e 公司的w e b 服务器提供 基于a s p 的面向制造商、供应商及合同承包商等协同集成的商业解决方寨。 基于案例的推理( c a s e b a s e dr e a s o n i n g ，c b r ) 系统能用过去的案例或经 验来解决新的问题【1 5 1 。c b r 极大程度地解决了传统的知识工程中知识获取的“瓶 颈”问题【1 6 1 。基于案例的设计( c a s e b a s e dd e s i g n i n g ，c b d ) 是重用已有设计 的推理模式。机械产品设计是一个复杂的、弱理论支持的过程，设计知识和经验 很难用规则来表示，因此，c b r 在机械设计领域的研究、应用具有可行性，且 有很好的发展势头。有关c b r 的研究主要集中在案例库设计和维护、案例检索 等方面 1 7 - 1 8 】，在机械产品设计领域，主要集中在夹具、模具等领域有大量应用研 究 1 9 - 21 】，但对于复杂产品设计的c b r 应用研究有待进一步展开。 产品设计知识是企业的核心资产，设计知识的共享和重用可以节省资源并提 高产晶的可靠性和质量。知识管理矢口识工程( k n o w l e d g em a n a g e m e n t 支持工程机械快速设计的c a d 系统关键技术研究 k n o w l e d g e b a s e de n g e n e e r i n g ，k m k b e ) 就是研究如何获取、组织、存储知识。 c o m m o n k a d s 提出了一套完整全面的知识工程知识管理方法学，包括知识管 理、知识分析和知识工程的全过程，该方法已经在许多知识管理知识工程项目 中得到应用；美国n i s t 的设计知识仓库( d e s i g nr e p o s i t o r i e s ) 项目提出一个信 息建模框架以支持下代产品设计系统中产品建模，支持基于知识设计的方法， 这个建模语言以对象和关系集来表达产品；欧洲w i s e 工程知识管理项目建立基 于w e b 的计算机支持的协同工程设计知识管理平台，支持设计知识的进化，有助 于设计人员获得它所需要的知识【2 2 j ；欧洲m o k a 项目研究两阶段知识建模，实 现工程知识管理与k b e 应用的集成；韩国l g 公司资助的设计知识管理研究；访f 友柏院士将设计知识的来源划分为六个方面：已有知识、市场信息、数字仿真或 虚拟现实、物理模型试验、样机试验及已有产品运行中的表现( 用户反映) ：王 英林等 2 3 】研究了基于本体的可重构知识管理平台，用户可以创建不同类别知识， 并可对知识处理模板进行定制：潘旭伟等 2 4 1 研究了面向知识管理的知识建模技 术，包括知识载体、知识内容信息和知识情境的知识建模技术。 以上从不同方面对已有设计资源的管理和重用技术进行了归纳和总结，新的 设计资源的管理和重用技术正在不断涌现，结合信息技术、数字化设计技术的最 新发展，针对复杂产品的设计对象的设计重用特征，系统研究开发已有设计资源 的重用建模技术方法、工具及集成系统，满足产品快速设计的需要成为进一步研 究的方向。 1 - 3 工程机槭行业产品设计现状和发展趋势 1 3 1 工程机械行业及其产品设计开发的共性特征 工程机械是现代制造业的基础产业，为国民经济各行业提供先进的技术装 备。一般来说，工程机械包括土方机械( 挖掘机、推土机、装载枫) 、建筑机械、 路面机械、起重机械、采掘机械、桩工机械、高空作业车等。 工程机械产品一般为满足不同市场、用户的需求进行设计，具有典型的多品 种、小批量特征。根据产品设计特征，工程机械产品设计一般也可分为三种设计 形式，即变型设计、适应性设计和创新性设计。据对企业实际产品开发工作的统 计表明变型设计和适应性设计占企业9 0 以上的设计工作量。 工程机械产品的变型设计，通常是以成熟的基型产品为原型，向横向和纵向 进行扩展设计，形成横向和纵向系列产品型谱。横向系列产品通常是为满足对产 品价格敏感的用户提供主要性能参数相同而产品价格有一定差异的产品，横向系 列的确定是依据产品的技术性能、零部件配置档次和价格水平所决定。也就是说 南京航空航天大学硕士学位论文 横向系列产品开发是为了适应不同用户的需求，开发出产品主要性能参数相同而 产品价格档次不同的产品。纵向系列产品通常是为满足用户对产品的主要性能参 数的不同要求，纵向系列产品的主要性能参数的确定以最小纵向产品系列覆盖多 数的用户需求为标准。 工程机械产品的适应性设计，通常为适应市场进一步细分的需要，进行适应 性设计，形成产品适应性系列。适应性系列产品表示产品能适应特殊的作业环境 工况，如环保型( 环境保护要求) 、高原型( 旖工场合的要求) 等。 随着技术的发展以及市场竞争的需要，产品通常进行持续的改进设计，较大 的改进设计通常采用更新系列代号表示。对产品结构、性能有重大改进、重新设 计试制、鉴定后的产品，用更新代号加以区别。更新代号般按大写英文字母a 、 b 、c 、顺序表示，为保持系列的一致性，对于主要技术和外观造型相类似 的产品，可直接采用相同的更新系列代号。 1 3 2 我国工程机械行业产品设计开发现状及存在的突出问题 国内工程机械产品开发一般为基于经验和摸仿设计，采用串行过程，从市场 调研、方案设计、详细设计、试制、修改设计到批量生产。企业普遍采用c a d 工 具，有些引入了产品数据管理( p d m ) 系统。但产品开发周期长、成本高、问 题多、可靠性低等问题依然存在，产品开发与市场需求仍有较大差距。工程机械 行业产品设计开发存在的突出问题主要表现在以下两个方面： ( 1 ) 产品开发周期长，企业对市场的快速反应能力差 目前我国工程机械企业新产品( 这里指变型产品) 开发试制周期一般都比较 长，约需一年半左右，个别企业在一年左右，因此，对用户的特殊要求很难做出 快速反应；而在国外一般不超过6 个月，有的甚至更短，如美国c a t e r p i l l a r 、日 本小松、德国l i e b h e r r 的新产品开发试制周期仅为4 个月左右。国外企业产品开 发制造周期是3 3 3 制，即3 周设计，3 个月试制，3 年寿命。工程机械属多品 种、小批量，市场竞争激烈，产品更新换代快，要求新产品的开发试制周期要尽 可能缩短。 ( 2 ) 企业自主创新能力差 国外知名工程机械企业在新产品设计开发上普遍采用“三代”产品开发策略， 即研究一代，开发一代，生产一代。直至二十世纪末，国内企业产品开发基本上 是模仿设计，缺乏自主创新开发能力。因此，各个企业产品差异化不大，没有形 成自身的特色，造成产品在低水平形成恶性价格竞争。但随着企业市场主体地位 的确立，企业普遍重视自主创新能力，成立企业技术中心等研发机构，加强对市 场和用户的需求信息快速获取与决策，与大学等科研机构联合开展关键技术攻 关，重视产品、零部件试验，加强知识积累，逐步形成自主创新开发能力。 支持工程机械快速设计的c a d 系统关键技术研究 进一步研究表明造成产品开发试制周期长的主要原因可以归结为： ( 1 ) 产品设计过程中。设计人员要花费大量的时间收集所需的知识和信息， 设计人员缺乏有效的设计知识和信息获取的快捷工具。 ( 2 ) 产品设计活动大多是基于己有产品的设计，有经验的设计人员总是善于 利用过去成功的设计经验、吸取失败的教训，但企业多年来积累的产品设计知识、 设计经验和产品试验、制造、使用、维护知识等无形资产没有给予系统有效的收 集归纳和整理，很难在新产品开发中重用，造成产品设计过程中经常重复发生类 似的设计错误，增加了产品开发成本，降低了产品设计开发质量，延长了产品开 发时间。 ( 3 ) 工程机械产品开发包含许多设计活动，并涉及多方人员的复杂系统工程， 不仅技术复杂，而且管理与协调困难，产品开发活动中设计任务迭代( 耦合) 、 资源分配、开发团队的建立均是影响产品开发时间、开发质量的重要因素。产品 开发过程缺乏有效的控制，造成多次设计反复，延长产品开发时间。 ( 4 ) 企业产品开发中虽然大量应用c a d 技术，但基于特征的参数化c a d 软 件只是在实体几何模型层提供几何处理，无法实现设计意图、设计原理的记录与 获取，因此，产品设计过程中非常重要的方案设计、评价决策等创造性活动，在 很大程度上还依赖于设计者自身的经验和知识，也就是说将c a d 更多的是作为 二维绘图与三维建模工具；而且许多企业应用通用的c a d 软件，尤其是三维c a d 软件应用效率低，二次开发困难，影响c a d 技术的深化应用。 ( 5 ) 产品设计缺乏符合国际、国家和行业标准的三维参数化标准件库的支持， 缺乏具有行业特色的方便、快捷的设计工具和信息特征库。 面对严峻的竞争形势，企业迫切需要适合工程机械产品特点、具有自主知识 产权的支持产品快速御新开发的方法与平台。 1 3 3 工程机械行业产品设计开发发展趋势与研究应用概述 工程机械跨国公司如美国c a t e r p i l l a r 、日本小松、德国l i e b h e r r 、韩国大宇 等利用自身专有知识技术和最新的三维c a d 技术持续不断开展产品结构、外观 及数字化样机创新设计工作，结合电子、液压及信息等领域的新技术，提升产品 性能和产品竞争力。 国内工程机械c a d 研究开发应用推动y n - 程机械产品设计的发展。高广德 等【2 5 1 给出了面向装载机变型设计的知识表达模式l v d o 的设想；孙彩虹等应用 事物特性表技术形成规范化、标准化的产品资源表示，支持起重机产品变型设计； 成凯【2 6 1 、李卫民脚1 、殷晨波【2 8 】分别开发装载机和起重机产品总体( 部件) 计算 等专用软件，弥补通用c a d 的不足；王少梅等建立基于案例的门机设计系统， 研究了门机案例库建立、案例检索；冯培恩等研究数字化虚拟样机技术在挖掘机 南京航空航天大学硕士学位论文 产品开发上的应用；徐美刚等应用通用三维c a d 软件建立挖掘机实体模型，并 提出基于实体模型的有限元分析。 以上这些研究应用主要是围绕具体产品设计计算进行的，以弥补通用c a d 的不足，没有从行业的角度研究通用的设计开发工具。 1 4 课题来源及主要内容 在国家高技术计划( 8 6 3 ) “面向行业典型产品的三维数字化设计专用系统及 工具集”( 项目编号：2 0 0 2 a a 4 1 1 0 3 0 ) 和江苏省高科技项目“支持快速设计的工 程机械三维c a d 设计工具集研究”( 项目编号：b 0 2 0 0 3 0 2 3 ) 的资助下，课题组 开展了对支持工程机械快速设计的工具集和专用系统的研究，课题组在充分调研 国内工程机械企业设计现状和行业需求的基础上，结合先进的设计理念和三维 c a d 技术，研究并开发了面向工程机械产品研制的快速设计系统，本文的研究 作为该课题的一个重要组成部分主要包含以下几方面的内容： 首先，对产品的开发方法和技术进行了总结和概括，分析了我国工程机械行 业产品设计的现状和发展趋势，提出将基于案例的设计方法( c a s eb a s e d r e a s o n i n g ，c b r ) 应用在工程机械产品的设计中；其次，结合工程机械产品的 特点，研究了c b r 技术的原理和关键技术，主要包括c b r 的设计流程、案例的 表示检索修正学习维护等；再次，通过建立扩展对象模型实现了对工程机械产 品的设计案例完整信息的表示和存储，并应用基于装配分解的层次树索引构建了 工程机械产品案例库。然后，重点研究了面向工程机械案例库的案例检索以及推 理算法，提出并实现了一种能够满足基于装配关系约束的基本数据、复合数据以 及案例对象的相似度计算方法。最后，应用以上研究成果，结合镇江华晨华通路 面机械厂的水泥摊铺机产品，在c a x a 三维实体设计平台上开发了基于c b r 的 工程机械快速设计原型系统，该系统不仅通过了软件测试，并且在实践中取得了 预期的效果。 1 5 论文的组织 全文共六章，论文的组织结构如图1 1 所示。 第一章绪论介绍了产品快速设计概念及发展简况。简要介绍了我国工程机 械行业的设计现况，指出本文研究的重要意义在于提高工程机械产品的设计质量 和效率，增强企业的竞争力。 第二章c b r 基本原理和关键技术对c b r 技术的基本原理和实现技术进行 了研究，重点研究并分析了c b r 中的关键技术，如案例的表示、存储、检索和 重用策略，本章内容为全文研究工作的奠定了理论基础，本文的第三章、第四章、 支持工程机械快速设计的c a d 系统关键技术研究 第五章的研究都是建立在此基础上。 第三章面向工程机械的案例库设计在分析工程机械设计知识集成的基础 上，根据工程机械的产品信息特点，应用面向对象的技术，建立了基于特征的工 程机械案例模型和相应的数据结构，这是系统实现的关键技术。 第四章案例推理及修正研究了基于工程机械案例表示模型的检索算法和案 例修正方法，通过权值迭代解决漏选案例和误选案例。 第五章系统实现介绍了运用上面关键技术的开发的超人工程机械系统工具 集的原型系统。 第六章总结与展望对全文进行总结及指出需要进一步完善的工作和以后的 研究方向。 图11 全文组织结构 南京航空航天大学硕士学位论文 第二章c b r 原理及关键技术 2 1c b r 技术的发展简况 2 1 1c b r 的起源 基于案例的推理( c a s eb a s e dr e a s o n i n g ，c b r ) 技术起源于7 0 年代，是人 工智能发展过程中涌现的一个分支，是种基于过去的实际经验或经历的推理。 传统的推理观点把推理理解为通过前因结果链( 如规则链) 导出结论的一个过程， 许多专家系统使用的就是这种规则链的推理方法。基于案例的推理则是另一种不 同的观点。它使用的主要知识不是规则而是案例( 注：中文文献针对c a s e 一词 存在不同的译词，如案例、示例、实例、范例、援例等，本文中统一称为案例) 。 通常，在c b r 中一个问题的状态描述及其求解策略用一个案例( c a s e ) 表示。 案例按一定的模式组织并存储在案例库中，当新问题出现时，系统根据索引策略 和匹配策略以及相似性度量指标，从案例库中检索出与当前问题最相似的案例 ( 集) ，并对其求解策略进行修改，使之达到适合当前问题韵求解要求，最后把 新问题与求解策略当作一个新的案例存入案例库中，备以后所需。 基于案例的推理的研究源于从认知科学的角度对人类的推理和学习机制的 探索【29 1 。从小孩的简单活动到专家的慎重决策，人类借助有意识或无意识的回忆 完成各种事务。事实上人类擅长并普遍使用基于案例的推理。c b r 就是将这种 基于经验的推理方法用于人工智能的研究和应用上。正因如此，c b r 己成为a i 领域的一项重要的孵题方法与技术。f e i g e n b a u m 教授认为其前景非常诱人，雨 日本东京工业大学的小林重信教授认为这种推理将是2 1 世纪知识系统的基础技 术。 总体来说，c b r 对人工智能做出了如下贡献： ( 1 ) 知识获取：这是基于知识的系统的瓶颈问题。开发基于规则的知识系 统时，获取规则或模型是最繁杂的事务，需要领域专家和知识工程师的密切合作， 有的领域甚至很难找到合适的规则。c b r 不仅依赖于领域内的通用知识，而且 通过建立问题描述之间的抽象关系，应用以往特定设计环境下的具体经验，完成 当前的设计任务。领域专家的工作更多地倾向于描述设计的经验而不是抽象出设 计的规则，因而采用c b r 技术更有利于系统设计者与领域专家的交流。另外， c b r 系统的自扩充能力较强，随着案例的积累，系统的求解能力将不断提高。 ( 2 ) 知识维护：随着系统的运行，由于初始的知识不完整，知识系统常常 需要更新，新的知识可能会与原有的知识产生冲突，导致非常大的系统变动。基 塞堑三塑塑塑堡垄堡盐塑! ! ! 墨箜差壁垫查婴塞 于案例推理则不存在这些问题。 ( 3 ) 改进问题求解效率：基于案例推理通过复用过去的解答，无需像常规 推理那样从头做起。特别是，由于记录了过去求解的失败或成功信息，使得求解 新问题时可避开的途经。 ( 4 ) 规矩问题的求解质量：过去求解失败的经历可以指导当前求解，避开 失败。 ( 5 ) 提高用户接受度：只有当用户清楚知道系统得出的结论是合理地推出 的，他才相信该结论。基于案例推理的根据是历史事实，事实胜于雄辩，因此对 用户有说服力。 2 1 2c b r 应用发展简况 从七十年代开始，就出现了一些体现c b r 思想的计算机系统，比较典型的 有h a c k e r ( s u s s m a n ，1 9 7 5 ) ，s a m ( g u l l i n g f o r d ，1 9 7 8 ) ，c y r u s 和i p p ( k o l o d n e l 1 9 8 0 ，s c h a n k & k o l o d n c r1 9 7 9 ) 等p 。这个时期对情景记忆加以模拟的研究主要 是自然语言理解领域，而此时基于规则的专家系统己取得了巨大的发展，并表现 出越来越明显的缺点。基于案例推理作为克服基于规则系统不足的新选择，在 8 0 年代迅速得到发展。c h e f 系统全面讨论了案例的表示、检索、修改、测试及 从失败中学习等问题，标志着c b r 的基本框架己经形成，建造c b r 的技术已经 相对成熟。进入9 0 年代，人工智能的理论进入了一个相对稳定的阶段，其发展 更注重于应用方面。随着c b r 技术的逐步成熟和推广，涌现了大量的c b r 系统， 广泛应用于商贸、医疗诊断、法律诉讼、工程设计、系统诊断及软件工程等领域。 部分典型的c b r 系统和其应用领域见表2 1 。 表2 ，l 典型的c b r 系统和其应用领域 领域系统功能 要点 帮助人类专家实 知识获取 r e f 仆i e r 现领域知识的提 采用寨例祁规则推理，对冲突进行分 类并提出消解办法 ( k n o w l e d g e 取 a c q u i s i t i o n ) g e n e r a l泛化案铡、精化知 案例表示成特征表，系统从特征表中 提起共性特征，组成源范例库的一个 i z e r识库、挖掘新知识 抽象层次 流程分解释、检索。差异分析，应用， j u d g e司法判决 修正和泛化五步，解释过程形成索引 法律( l e g a l 工作场所工人受采用规则和分类样本案例竞选新案例 r e a s o n i n 动 g r e b e 伤害的法律条文分类，用语义网络表示案例基于样本 理解的推理，评判相似性等 自然语言理解 对人、动物异常死采用解释案例库，替换耨问题发生的 ( e x p l a n a t i o n s w l e 亡现象的解释实际环境，找出合理解 o f a n o m a l i e s ) 南京航空航天大学硕士学位论文 表2 1 ( 续) 典型的c b r 系统和其应用领域 p a k a r 建筑缺陷预测，提 诊断( d i a g n o s i s ) 出补救措施 将文本信息于c a d 幽纸相结合 根据病人症状，构造因果网，产生病 c a s e y心脏疾病诊断 因与病症的中间状态，并诊断心脏病 仲裁调解p e r u a d e 劳资争执调解 当无相似案例时，系统利用备用计划 ( a r b i t r a t i o n ) r 自动生成全新调解方案 将当前问题分解为必要的约束和成本 j u l l a菜单设计 约束，利用约束满足进行旧案例改写 将对设备设计要求的抽象描述转化为 c a d e t机械设计辅助 能对一系列满足设计规范的设计方案 进行检索和生成的描述 分类进行案例信息描述：设计目的、 a r c h l e建筑物概念设计计划、目标及约束满足的程度，应注 设计 意的问题等。 ( d e s i g n )基于案例的电路 k r i t i k 将m b r ( 电路模型) 与c b r 结合 设计 基于案例的机械 采用黑板结构作为系统框架，分类树 f i r s t定义距离表示相似程度，类比变换进 再设计 行案例改写 将新问题分解为熟悉的子问题，结合 o p a m p电路没计 c b r 与m b r 根据病人情况提 b o l e r oc b r 与r b r 系统相绱台 供诊断计划 计划复杂产品加j ：f ： 采用动态记忆结构进行案例存储，层 ( p l a n n i n g ) t o t l e c次化基于案例的计划力法，采j j 一一阶 艺计划 段递增式相似案例检索 简单机械零件的将基r 特征的零件描述作为案例库关 c b p l a n n c 代码生成键字，利j ： jc b r 生成n c 代码 教育 d e c i o e r 帮助学生理解或 采用数据库进行案例管理 ( t u t o r i n g ) 解决教学问题 对表2 1 分析可以看出，c b r 系统呈现了如下的特点和发展趋势： ( 1 ) 应用领域不断扩大，解决问题的复杂程度不断提高。 ( 2 ) 系统规模逐步增大，应用的智能程度不断提高。 ( 3 ) 多机制的集成( r b r 、c b r 、m b r ) 正在兴起并成为一种趋势，混合 系统具有更好鲁棒性及问题求解能力。 ( 4 ) c a s e 表示、检索、修改、管理等细节技术不断发展并出现多技术集成 的趋势。 在设讨领域，尽管c b r 技术的应用系统时有报道，但现有资料表明：目前 的绝大多数c b r 系统为学术研究的原型系统，真正具有实用性的系统少之又少， 这主要是由于这些系统一般都以“自主型”为目标，而结果却总是达不到期望的 支持工程机械快速设计的c a d 系统关键技术研究 程度。c b r 创始人之一k o l o d n e r 为此提出人机互补的观点，指出：人擅长从 例子中形成预测及修改例子，但人是健忘的，而机器可帮助人类记住大量的例子， 按一定索引组织后可随时取用，因此k o l o d n e r 建议建立人机协作系统进行优势 互补，从而减少开发自主型系统的难度，发展真正实用的系统。 2 2c b r 技术基本原理 2 2 1c b r 基本流程 c b r 中，案例库模拟人脑的记忆，存储了一些过去的相关经历( 案例) ，这 些案例按一定的方式组织，以便在需要的时候能及时取出。回忆过程对应了c b r 中从案例库中检索出相关案例的过程。被检索出的候选案例可能与新的情形不完 全一致，这时需要对该候选案例的某些特征进行修改，以适应新的情况。修正后 的案例是否适合新的情况，还需要经过检验。如果发现不符合实际情况，还需要 进行修正，最后新的案例按一定的策略加入案例库中，其求解过程见图2 1 。 图2 1 c b r 求解过程图 根据不同的操作性质和操作目的，我们可以把基于案例的推理划分为4 个不 同的组成阶段，它们分别为：案例检索、案例修正、案例重用( 问题求解) 、案 例库保存( 更新) 。这4 个连贯的阶段组成一个循环，称作c b r 循环【3 2 】，如图 2 2 所示。 南京航空航天大学硕士学位论文 图22 c b r 循环 案例检索：就是从案例库中搜索出与当前问题最相似的案例。检索得到的案 例质量和数量直接影响着问题的解决效果。他通过三个子过程：特征识别、初步 匹配和最佳选定来实现1 。 ( 1 ) 特征识别：是指对问题进行分析