（机械设计及理论专业论文）基于cbr集成推理的fms概念设计关键技术研究.pdf

j 索交通大学硪士学位论文 摘要 攘要 柔性制燃系统( f l e x i b l cm a n u f a c t u r i n gs y s t e m , f m s ) 的概念设 计是一个其有多舞性、经验性、不确定性和综合往翁复絷捷簧过程。 它确定了系豌的总体功能静框架，是整个f m s 设计阶段最初静 也是摄重要的一个环节，对于整个设计过程具有决定性的作用。目 前概念设计融日渐成为设计理论方法研究躲焦点闯联，圆内外学赣 在产品设计方谣也褒褥了糍囊酶或栗，藤对子f m $ 这类复杂系襞 的概念设计研究还处于探索阶段，相关的研究报道也报少，是当前 谈领域亟待解决的问题。 本文针对f m s 的概念设诗，对复杂系统壤念设静静中豁一垫 差犍技术避符r 研究和探索。根据f m s 的需求、功毹和物理空间 特有的关联性和方案有瞬i l 性的特点，采用了基于实例推理 ( c a s e - b a s e dr e a s o n i n g ，c b r ) 稿基于攫娥f r h l e - b a s e ( 1r e a s o n i n g 、 r b r ) 集戒攘理靛篆略对设诗方襄遗章亍求孵。文中对f m s 耱萌蕤鞍 情怠建模，c b r 集成推理维略，复合知识的表示方法，实例检索 芹玎实例修改方法等进行了深入研究。面向需求建立系统模型，采用 功隧一行为罐构( f u n c t i o n - b e h a v i o r - s t r u c t u r e , f b s ) 的方法对系统功 能绪擒进器分瓣；对于醺计过程涉及到麴再露粪型静知识，设诗彳 相应的知识表示方法和集成镣略；对蜜倒检索技术进行了重点研 究，提出了一种基于粗糙集理论的离散化灼简方法，以建立实例索 l 静礁定羼性蟹要程度；透过r b r 方法避行窭鲷修改，实瑗了最 终概念方案的生成。 最后采用快速原型法建造了一个澍f m s 概念设计进行决策支 持的暴型系统，驶涯了以上提池的寿法策略的i l 行蛙和毒效性。 燕键弼：黍褴谁8 造系统，概念设计，c b r 推理，实例检索，实例 修改 北京交通大学硕士学位论文 摘要 a b s t r a c t f l e x i b l e m a n u f a c t u r i n gs y s t e m ( f m s ) c o n c e p t u a ld e s i g n i sa c o m p l e x d e c i s i o nf u l lo f m u l t i s o l u t i o n ，a p p r o x i m a t i o n ，e x p e r i e n c ea n d i n t e g r a t i o n ，w h i c hi sa c r u c i a lp h a s ei nd e s i g n p r o c e s s b u tt h er e s e a r c h o ff m s c o n c e p t u a ld e s i g ni s s t i l li n e x p l o r i n gs t a t e ，a n dt h er e l a t e d r e p o t s a n dl i t e r a t u r e sa r el e s s i ti sa n u r g e n tp r o b l e m t ob es o l v e d i nu s p a p e r , t h ep i v o t a lt e c h n o l o g i e so ff m sc o n c e p t u a ld e s i g n a r ed e e p l yr e s e a r c h e d ，s u c ha st h em e t h o d so ff u n c t i o nd e s i g na n d i n f o r m a t i o nm o d e l i n g ，c a s e b a s e d i n t e g r a t e dd e s i g n ，t h er e p r e s e n t a t i o n o f d e s i g nk n o w l e d g e ，t h ec a s er e t r i e v a la n da d a p t i n gt e c h n o l o g y f u n c t i o na n di n f o r m a t i o nm o d e lo ff m sa r es e t u pb a s e do nt h e r e q u i r e m e n ta n a l y s e s t h ec o n c e p t u a ld e s i g ns y s t e ms t r u c t u r e i s f o u n d e do nc a s e - b a s e d i n t e g r a t e dr e a s o n i n gs t r a t e g y a p p r o p r i a t e m e t h o d so f k n o w l e d g er e p r e s e n t a t i o na r ed e s i g n e df u rd i f f e r e n tk i n d s o f k n o w l e d g e i nd e s i g n p r o c e s sa n d t h em e t h o do f b u i l d i n gm u l t i b a s e i sp r e s e n t e d c a s er e t r i e v a lt e c h n o l o g yi sd e e p l ys t u d i e da n dam e t h o d u s i n gr o u g hs e tt h e o r yi sp r e s e n t e dt os o l v et h ei n d e x i n gp r o b l e m s i m u l a t i o nt e c h n o l o g ya n de v a l u a t i o nr o l e sa l ei n t e g r a t e dt od e a lw i t l l t h ec a s ea d a p t i n g p r o b l e m r a p i dp r o t o t y p em e t h o do fs o , w a r ee n g i n e e r i n gi sa p p l i e dt o b u i l da p r o t o t y p e f o rf m s c o n c e p t u a ld e s i g n ，b y w h i c ht h e c o r r e c t n e s s ，s u i t a b i l i t y a n d f e a s i b i l i t y o ft h e d e s i g ns t r a t e g y a n d t e c h n o l o g i e sp r e s e n t e d i nt h ep a p e ra r ep r o v e d k e y w o r d s ：h e x i b l em a n u f a c t u r i n gs y s t e m ，c o n c e p t u a ld e s i g n c a s e b a s e d r e a s o n i n g ，c a s e r e t r i e v a l ，c a s e a d a p t a t i o n 第一章绪论 1 1 1 概述 第一章绪论 1 1 柔性制造系统概述 2 0 世纪6 0 年代以来，随着科学技术的飞速发展，社会需求日 趋多样化，形成世界经济的全球化、知识化和信息化，市场竞争愈 来愈激烈。传统的适用于大批量生产的自动线生产方式已不能满足 企业的要求。 据国际生产和研究工程学会( a r p ) 对欧美等工业国家的调 查统计表明：机械制造行业中就产品的产量而言，单件生产( 约 3 0 件以下) 占3 5 ，小批量生产( 5 0 1 0 0 0 件) 占5 0 左右，大 批量生产( 约1 0 0 0 件和5 0 0 0 件以上) 只分别占1 0 和5 左右。 就产值来看，单件小批量生产产值占行业的6 0 左右，而大批量 生产产值占4 0 左右。进一步调查多品种小批量的在车间的时间 总的分配现状：9 5 的时间由于运输、存放、和等待加工，在机床 上加工时间5 左右。5 的时间中有3 0 是真正的切削，7 0 的时 间由于定位、装夹、测量的辅助动作1 1 1 。因而企业必须寻找新的生 产技术以适用多品种、中小批量的市场需求，减少生产成本，缩小 产品的开发周期。同时，计算机技术的产生和发展，c a d c a m 、 计算机数控、计算机网络等新技术新概念的出现以及自动控制理 论、生产管理科学的发展也为新生产技术的产生奠定了技术基础 1 2 1 。柔性制造系统( f l e x i b l em a n u f a c t u r i n gs y s t e m ，f m s ) 正是适用 多品种、中小批量生产而产生的一种自动化技术。图1 - 1 显示了柔 性制造技术和传统制造技术的应用范围嘲。 f m s 作为一种新的制造技术，。在零件加工业以及加工和装配 北京交通犬学硕士学位论文 相关的领域得到丁广泛的应用。综合国内外对f m s 定义，可以认 表：鬃毪裁造系绞怒在叁动琵技术、痿惠技术移裁造技零豹基磴上， 通过计算机软件科学，把工厂擞产活动中的自动化设备有机地集成 起来，打破设计和制造的界限，取消图纸、工艺卡片，使产品设计、 生产赢捆结合蕊成的，适用于中、小批量和较雾最种生产的赢柔性、 高效灏豹翻造系绕溺。 f m s 最初是在2 0 世纪6 0 年代由英国m o l i n s 公司底员t h e o w i l l i a m s o n 提出来的。1 9 6 5 年m o l i n s 公弱取褥了该项发明的专 囊。麓毽纪鞠够代f m s 获搽索盼段走淘了实臻纯窝囊融铯羚毅， 成为枫械制造技术进步的重要标志。1 9 9 4 年初，据统计世界各国 已投入运行的f m s 约有3 0 0 0 瘳个。其中日本拥有2 1 0 0 多个，占 世界管位。在现已运行盼f m s 巾，5 0 的f m s 由美国裁遮巍提供， 舅终5 0 囊蟊本帮德国捷供。我国第一套f m s 于1 9 8 6 筇1 0 嚣在 北京机床研究所投入运行，用于加工伺服f 魍机的零件1 4 】。 柔 性 增 粕 嚣t - 1 柔蠖潮逢技謇弱应艨薮嚣 1 1 2f m $ 韵组成及其特点 不同的f m s 的规模差别较大，功能不一，瞧都包含三令基本 静部分，魏工系统、运褚及管瓒系统翻诗算机控制系统。并且可以 根据具体需求，选择不同的辅助工县，如监掇工作站、测缀工作站 等。详见表1 - 1 。 2 第一章绪论 表1 - 1f m s 的组成 组成名称作用组成内容 f m s 的主体部加工单元指有自动换刀及换 加工系统 分，用于加工零件工件功能的数控机床 工件运送及管理系统组成： 毛坯、半成品、夹具组建的存 储仓库 基 工件托运小车 向加工单元及 本 运储及管辅助工作站送工 工件、夹具装卸站 部 理系统件、夹具、刀具等 缓冲存储站 工具 刀具运送及管理系统组成： 分 刀具存储库 交换刀具的携带装置 交换刀具的运送装置 刀具刃磨、组装及预调工作站 计算机控控制并管理由计算机及其通信网络组成 制系统f m s 的运行 根据不同的需求，配置不同的 辅助工作站选件功能辅助工作站，如清洗工作站、监 控工作站、在线测量工作站等 f m s 是一种适用于多品种、中小批量生产的自动化技术，应 用f m s 可以获得明显的效益，主要因为f m s 具有如下的优点【l 】： ( 1 ) 设备利用率高由于采用计算机对生产进行调度，一旦 有机床空闲，计算机便分配给该机床加工任务。在典型的情况下， 采用f m s 中的一组机床所获得的生产量是单机作业环境下同等数 量机床产量的3 倍。 ( 2 ) 缩短生产周期由于零件集中在加工中心上加工，减少 了机床数和零件的装卡次数。采用计算机进行有效的调度也减少了 周转的时间。 ( 3 ) 具有维持生产的能力当f m s 中的一台或多台机床出 现故障时，计算机可以绕过出现故障的机床，使生产得以继续。 ( 4 ) 生产具有柔性可以响应生产变化的需求，当市场需求 3 她京交遵大学嫒士学像论文 载设计发生变他时，在f m s 艴设诗能力莲鼷痰，不嚣要系统硬终 结构的变化，系统具有制造不同产品的柔性。并且对予临时需要的 餐瘸零终霹以随鞋混会生产，瑟誉影嚷f m s 浆歪索生产。 ( 5 ) 产龋质量瘫f m s 减少了卡具和机床的数量，并且卡 其与税床医配褥当，从而保证了零件的一致性和产品的质量。同时 囊动检测设备髑自动毒b 偿装置可以及时发现质爨闻题，共采取相应 的有效描施，保证了产品的质量。 ( 6 ) 翻工盛本低f m s 静璧产抵豢在藕港大的范围内交往， 其生产成本是煨低的。它除了一次性投资费用较高外，其他备项指 标均优予常觏的生产方案。 尽嚣f m s 套l 夸多优点，毽燕在工娥实践审发震f m s 瞧存在 一些困难，或者说f m s 还存在着一些缺点i 。f m s 的主要缺点为： ( 1 ) 高昂投资f m s 的投资徽f m s 的规模和自动化程度不同 鼷不圊，一般畿要凡谖万甚囊上千万美元的投资，这逐不包掇支持 遂行环境建设的费用。 2 ) 建设耩羯长f m s 技术复杂，嚣发、磷潮、谲试一套f m s 系统需要较长的周期，从提出开发一个f m s 到将其具体实现，往 往需要几年静时闷。 无论是进弦键静类型生产麴f m s 嫠蠢藿晓较复杂瓣结搦，势盈 随着自动化程度和制造柔性的增加，其技术复杂程度也随着增加， 设诗豹难度纛褪应麓次缝资金穗会增大。密予这些爨滩健褥译多 企业对现代化f m s 缺乏信心，望丽却步，实际当中也存在不少效 栗来达翔预期疆标静案铡，甚至畜豹f m s 组建宠垒失效。据统计， 国步 已缎运行的制造系统8 0 没农完全达到设计要求，存旋的蜒 题中6 0 归结为初期设计和规划的不合理1 5 1 。 歪是囊予f m s 还家在着每需求上l l 冬蓑薤，君键邋了f m s 兢翔 设计方耐理论和技术研究工作的不断进步。规划设计烂建设f m s 4 簧一搴绪论 时首先遇到且不能嘲避的问题，同时f m s 的规划设计不仅直接影 赡建设f m s 霹的投资方案，两艟设计活动巾瀚每一顼决策也会对 f m s 豹运行往戆释经济往产生转续的影响。阂蓝乏，寻找兔进有效 的f m s 规划设计方面的理论和技术便成为克服上述缺点，改善 f m s 性能而亟待解决的问题。 。2f m s 溉念设计爱其研究溉凝 1 2 1 撇念设计的研究方法及现状 橇念设诗是对设计嚣标静第一次结穗毛乏豹、基本酶、穰略静 但却鼹全面的展示，它描述了设计目标的基本方向和轮廓，也是衡 量验证设计是否满足需求目标的主要手段，越当前设计理论研究的 热点溺蘧1 6 j 。 2 0 世纪6 0 年代f r e n c e 在( c o n c e p t u a ld e s i g n f o r e n g i n e e r i n g ) ) 对概念设计进行第一次阐述“概念设计首先最疆弄清设计癸求和条 件，然薅生残框絮式豹广泛意义数簿”；p a h l 秘b e i t z 在 ：等 l ：= c 模型的基本信息 ：= c 模型体 有效接理毙够与离效率的推理功辘密切结合趣寒，支持系 统鹣控锚策酶。 ( 3 ) 便于镣理便于实现模块化：便予检测矛盾的知识和冗余的 知识；便于知识更新；便予知识库的维护。 ( 萄荔予疆解使知识酶震示结构其蠢透弱性，这个特征对于鞠 识的输入、错误检测以及解释功能的实现都是很重要的。 上面的这魑性能往往慧楣矛盾，前两条要求对具体的情况有复 杂豹表达式，辍矮予捶述睾囊懿复杂瓣魏谖；嚣两祭焱诞采矮篱擎 规范的表达形式，以便于媸解和管理。秘前提出的知识表示方法均 难以同时满足以上4 个要求，实际使用时往往将几种方法结合使 麓。一般认为攀一的知识袭零方法难以黪任概念设计中的知识表示 强务，不麓类黧豹知莓 应警采用不同静知识表示方法f 蚪t 勰】。 3 3 2 知识表示方法在f m s 概念设计巾的应用 采用框架豹方法来表豕f m s 概念设诗中的事实煞浚。框絮出 m i n k e y 1 9 7 5 ) 年提出： 例如描述零件，工序和机床信息可以做如下表示： ( p a r t ( p a r t _ n a m e ) ( o p e r1o p e r _ 2 。+ ，o p e r _ n ) ) ( n o _ o f o p e r ( n - ln _ 2 n ) ) ( m h s _ r e q d ( m h s am h s _ 2 m h s _ n ) ) ( m h s _ o p e r _ c o s t ( m o c am o c _ 2 。m o c _ n ) ) ( m h s _ o p e r _ _ t i m e ( m o t _ lm o t _ 2 m o t _ n ) ) 托寡交避大学联士学谯论文 ( o p e r a t i o n ( o p e rn a m e ) ( m _ r e q d ( m1m _ 2 m 1 ) ) ) ( o p e rc o s t ( c o s t dc o s t _ 2 c o s t _ n ) ) ( o p e rt i m e ( t i m e _ lt i m e _ 2 ，t i m en ) ) ( m a c h i e ( mn a m e ) ( o p e r ( o p e r1o p e r2 o p e r _ n ) ) ) ( o p e l _ c o s t ( c o s t _ lc o s t _ _ 2 c o s tn ) ) ( o p e r _ f i m e ( t i m e _ lt i m e 3 t i m en ) ) ( p r o c u r r e n t m e n t c o s t ( c o s t ) ) 设计控耩知识f 都元觏翊) 主要用于被求解任务的分解与规划 求解过摆。每条元规则应描述为当藏任务、当裁任务分解为予任务 的条件集合、分解后的子任务集合。文献 4 8 设计的3 元谓词子旬 较好数褒示了l 类熟识，其缝构形式如下： 谓词名( 对象l ，对象2 ，对象3 ) 对象意义( 当前任务，条件复合，子任务集合) 城类( 簧舍绪襁，复会结构表，s t r i n g ) 当前任务采用一嚣函子t a s k ( s t r i n g ) 表示。条馋集会采用袭来表 示。表元素为3 元函子，其结构为：函予名( 条件名，关系运算符， 条锌的期望度、可熊性或参数燕) ，添子豹3 个对象黪域类黧蚜兔 s t r i n g 。每个表元索表示一个设计条件与要求。表元豢的数闷是任 意瓣。当表为窆薅，说黉当夔任务霹接镄辍交豢谖分褥。子经务鬃 合也用每个表冗素表示一个子任务名( s t r i n g ) 。 规则知识嗣来表示子任务的求解推理及行为过程。子任务的求 解空闻一般较小，但是求勰要求复杂，纛要明确当蔻经务、设诗要 求与条件集合、求解结论、与结论有关的主要特征参数值( 邋过检 索设诗规范或诗冀参数篷，必要聪还应判蘩参数毽豹食法毪 、应 该传递纷后续予任务的参数值。一条推理规则餐上去怒独立的，与 第三章知识的表示与集成 其它规则没有联系，其实在任何实际应用中，一条规则的结论部分 很可能是其它规则的前提条件之一，由此构成了推理网络图，实际 上是一棵与或树。 3 3 3 知识库的分层组织方法 概念设计系统常常采用层次化的知识库组织模型【4 叭，该模型很 好地适应了f m s 概念设计的领域特点，各个设计子目标单独形成 独立的知识库，子目标之间的相互关系形成公用的知识库，子知识 库可以继承公用知识库的知识。f m s 概念设计中的知识库组织结 构如图3 _ 4 所示。 图3 4f m s 概念设计系统中的知识库 每个子知识库采用一个类封装，每个类有一个对应的知识文 件，用于存储相应的逻辑子句。公用知识库类是其它子知识库类的 父类，其中定义了一些公用的推理规则，如知识的一致性和完整性 检查规则、表达式求值推理机等，这些知识可以被子类继承。 采用层次化知识组织模型，具有以下优点： ( 1 ) 知识按设计任务划分为不同的知识单元，可以提高推理机 的效率。 ( 2 ) 便于推理机的设计，便于跟踪调试。 ( 3 ) 采用面向对象的方法组织知识库可以减少结构冗余，便于 知识库的维护和管理。 一r t j 京交通犬学硕士学位论文 3 4 实例摩的设计和组织 实镶静知谈袭示是罐r 系统豹基硪。一个c b r 系统鬻臻一个是 够、有用的实例摩。实例库的组建关键在以下两个方面： ( i ) 实例的内容和表示； ( 2 ) 实镶露的组织。 3 4 1 实例内容和表示 设计过程中完整准确的表运实例是迸磐c b r 的重癸翦提，其 表达的内容秘方式关系爵实倒豹检索、藕儆穗度量和修改等重要步 骤的质量和效率。 一个实例包含了丰富的信息，虽然可以按一定原贝l j 秘方法有序 逮缎缀疆管理，毽仍然较灸藏大秘复杂。跨弱楚在这些蕊慧中，莠不 是每一个细节都对实例的性质和特征有着等同的影响，不可能也不 必要对实例的每一个细节都进行考察，而只越考察那些使实例区别 于其它实铡的弱魏，这些属性将会畜助于翔溅该实例是否与其它实 铡檩锨或是否与娄前豹竣诗要求相似，称这样豹属性为实例的特征 属性，实例特征是滨例的浓缩椒提炼1 5 0 】。 实例的设计嚣标、初始条件、满足的设诗约束等都应作为实例 静将镊震缝瑟藏为实钢特征豹一部分，两这一部分特征实际上就是 实例产生过程中j 箩满足的设计饺务。在设计的实际过程中，给定了 设计任务实际上就决定了将：来产生的设计方案，即实例的主要功 疑。炎铡特征中戆冤部分特鬣嚣幢应是实捌审辘概括接述实恻绩 拇的荧键属性，它决定着其它缩构属性值的确定，一置这撩关键属 性确定了，整个实例框架就确定了，其它属憾的确定都是阔绕着这 些关键属性展开的。图3 - 5 显涿了实例的构成，f m s 设计实倒的 内容疲惫会：系统设圣 要求零终寨，解决方嶷( 橇瘫竣器炎鳖、魏 流系统类型和组成、布局方式、调度规则) 谶可以包括贱附加说 明信息。 4 0 第三章知识的表示与集成 实例 结构 属性 图3 - 5 实例的构成 实例的表达方法有以下几种：属性值对，层次法，属性网络等 方法【s ，见图3 - 6 。 ( 1 ) 属性值对的每一项都与决策点对应。 ( 2 ) 层次法用来表示和推理比较复杂的问题，因为多了“关 系”因而比( 1 ) 包含更多的信息。 ( 3 ) 基于网络的实例表达方式，可以建立包含多属性的结点 的表达。 c a s e a a t l r l ：v a l l a t i r 2 ：v a l 2 s u b c a s ea 1 a t t r 3 ：v a l3 a t t r 4 ：v a l4 s u b c a s ea 3 a t t r 7 ：v a l 7 a t t r 8 ：v a l8 s u b c a s ea 2 a t t r5 ：v a l 5 a t t r 6 ：v a l6 s u b c a s ea 4 a t t r 9 ：v a l9 a t t r l o ：v a l l o t h ) a t t r i b u t e - v a l u e ： p 、a i 酏- - c o ) p a r t - s u b p a r tr e l a t i o n( c ) n e t w o r ko fa t t r i b u t e s ： 图3 - 6 实例的表达方法 4 1 标 束 目 约 卜 同凹 北豪交避大学硕士学僚沦文 图3 - 7f m s 设计实例的分层撼述模燮 实例最簿擎戆表达方法裁是将整令实铡数据与求解魏谖箨必 一个单一的结构来表达，这种方法不适龠表示f m s 概念设计这类 复杂熬实铡，燹法表达实铡溺懿共往关系，纛强数据薅余较大：本 文第二镦根据f m s 的组成和特点，建立了分层的需求、功能结构 模登帮瓣象模凝，在魏基穑上f m s 设计实铡采糟层次结构泉表示。 抽象的、共性的特征位于顶层，特征越具体、越个体化就越倾向于 底层，程分层缀缓的嶷稠摩中自顶向下搜索，我出与韵前设计要求 最接近的实例。这种对象分层描述嬲方法允许将复杂蛉对象分鳃成 若干个简单对象，分锵关系患要用涞表达所描述的复杂对象的组成 元素或称子结构。塑3 - 7 显零了f m s 竣诗实铡鳃分屡接述模型。 3 4 2 基于关系数据库的实例存储和组织 实例层次惶表示方法可以全面的提供实例的组成信息，简化实 铡的检索过程，褥量8 够方便戆逶：；童关系型数撵疼来存结实锶。逶 第三章知识的表示与集成 过关系型数据库表达实例还具有以下优点： ( 1 ) 当实例框架中需要增加新的特征时，可以通过建立新的 从抽象层次结构到数据库的映射来实现，易于扩充。 ( 2 ) 关系数据库提供了良好的组织和管理机制。 把一个实例的层次表示看作一棵实例树，通过树中的结点与数 据库形成映射关系，如图3 - 8 所示。为创建相应的数据表，对节点 对象建立如下的实体一关系图，如图3 9 3 1 2 。 图3 - 8 实例树与数据库的映射关系 北京交通= 蠹：学硕士学位论文 霭3 - 9 设计铗务翥约束窭体e l l 鹜 图3 1 0 作站实体荧系图 第三章鳃漩瓣表示与集残 图3 1 l 零件谱实体一关系图 图3 - 1 2 物流系统实体e r 图 北京交通大学硕士学位论文 实例的组织是为了提供对单个实例或实例某部分的定位机制。 合理的组织方式使得c b r 系统快速、准确的找到相似实例，尤其 实例库较大时，组织结构成为重要的问题。一般来说，最简单的方 法是建立实例名称的链表，和指向内容的指针；当存储规模大时， 采用索引树的形式，每个节点是一个或多个实例的属性值对，降低 搜索空间，见图3 一1 3 。 图3 1 3 实例的组织的两种方法 采用了关系数据库的方法来对设计实例进行存储，通过关系型 数据库本身对实例进行组织和管理更为灵活：依靠数据库查询语 言，既可迅速按序号对实例库进行链表式查询，又能建立索引树搜 索到符合查询条件的实例。 3 5 知识的集成 数据库、模型库、知识库和实例库共同组成了f m s 概念设计 系统的知识系统，它们之间的连接关系如图3 一1 4 所示。 ( 1 ) 知识库和模型库采用v “+ 编写，二者之间可以通过内部谓 词或自定义谓词通讯直接通讯，无需专门的接口。 ( 2 ) 实例库采用的关系数据库实现，模型库和知识库可以通过 第三章知识的表示与集成 数据库操作谓词，实现对实例的访问。 ( 3 ) 数据库采用a c c e s s 实现，知识库和模型库中的知识模型利 用v c + + 的s o l 接口和o d b c 技术，可以方便地对数据库中的数 据进行操作。 ( 4 ) 对于模型库中的数学模型，其计算程序采用v c + + 完成，可 以通过o d b c 、a d o 、o l e d b 、d a o 等技术与数据库连接。 图3 1 4 f m s 概念设计系统的多库集成 通过一个例子来说明多库集成的实现：现从实例库中选择实例 a 作为设计参考，调用设备选择子知识库和评价知识库来考察实例 a 中的设备能否满足当前的设计要求，评价过程需要调用模型库中 的设备选择模型，如果经过判断发现当前存在不符合要求的设备， 那么放弃该设备，同时调用机床设备数据库，通过设备选择模型找 到可供使用的设备加以替换。 第四章基于粗糙集理论的实例检索技术 第四章基于粗糙集理论的实例检索技术 实例检索是c b r 中的一个重要组成部分。检索的实质是一个 搜索与匹配的过程，要达到以下两个目标p o 】：一是检索出来的实 例应尽可能的少；二是检索出来的实例应尽可能的与当前实例相关 或相似。构造推理机的主要过程就是构造检索策略和相似匹配的过 程，检索策略的好坏对实例的推理效率有着很大影响，而相似度量 的方法决定了能否找到最合适的实例，以达到检索的目的。本章结 合粗糙集理论和相似学的方法对实例检索过程中检索策略和相似 匹配问题进行了研究和探讨。 4 1 实例检索技术概述 检索策略的研究是c b r 领域的一个热点问题。目前主要的检 索策略有最近相邻策略f n e a r e s tn e i g h b o o 、归纳推理策略 ( i n d u c t i o n ) 、知识引导策略( k n o w l e d g eg u i d e di n d u c t i o n ) 、模板检索 策略( t e m p l a t er e t r i e v a l ) 等，这些方法可以单独使用，也可相互结合 【5 1 】。 最近相邻策略：从概念上讲，最近相邻策略是非常简单的技术， 把输入实例与实例库中的所有实例进行逐索引域的比较，求出事例 之间的每个域的相似度，再根据以前定义的加权向量，最终确定所 有实例与输入实例的相似度，将相似度超过阈值的实例返回给用 户。 归纳推理策略：该方法来源于机器学习的研究，通过抽取规则 或构造决策树，不断从实例组成部分中抽取最能将实例区分开来的 成分，把实例组织成为一个类似判别网络的层次结构。 知识引导策略：和归纳推理策略非常接近，不同在于对特征项 的选取。知识引导策略在每一步都采用领域相关知识来选择属性， 而归纳推理策略采用启发函数。 模版检索策略：借助特定性质的模板或模式实现检索过程。 她衷交邋大学颈士学能论文 无论传么撵约检索机制，必须确定检索豹轹准，这一撩准裁是 实例的相似性。目前，目标实例与源实例之问的相似性多采用距离 诗算方法1 5 2 l ：欧氏躐襄、爨哙顿鼷离窝无疆模距离。 ( 1 ) 欧氏距离：矗# 善魏趣m - a ；h ) 2 愿( 4 1 ) ( 2 ) 曼哈顿距离：如。著i a m - a j h i ( 4 2 ) ( 3 ) 无限模距离：d f 。m 8 x l 妯”w hi 一4 扣i( 4 3 ) 其巾，n 是属性总数，是第i 个实例的第h 个属性。 利用距离豹相似壤计算方法没有从系统的缎成要索及相压关系 角度出发进霉系统分辑，忽视了缀成要素豹特性的桴供牲，舄致算 出的相似系数不能很好地反映实例的相似程度闻，而相似举经过 长期磅究，形成了竞整戆摆钕理论窝方法，劳鬻数学公式跑较准确 地刻画了两个相似系统之间的相似程度，但是系统设计实例的特征 辩经众多，荠觳重要程度不一，其粳重般在蜜际中狠难判断，通 常是在先验知识的基础上通过事先假设或是采用平权的办法来处 理，这种权重德的处理方法都无法证明其正确憔，无疑会给缀相似 实例检索的准确性造成影响。 粗糙集理论( r o u g hs e t ，r s ) 是波兰z p a w l a k 教授1 9 8 2 年 撵凄酶一种数攘分析溪论，主要雳予知识的约简和属髋依赖裢的分 析i 5 3 1 。用粗糙集理论处理实例属性权重阅题，只须剃用现露的信 息来判断各个属性的震要毪，无需做事先假定，能为桶似匹配提供 较为客戏和合理的依据。 第四章基于粗糙集理论的实例检索技术 4 2 粗糙集原理和信息决策系统 4 2 1 1 粗糙集信息决策系统 具有相似设计任务的实例可以认为是相似实例，与相似设计任 务的实例可以作为设计参考。通常设计任务要满足多个目标和约 束，而设计目标和约束可能属于不同的属性空间。这样一来设计任 务的各个属性构成了一个多属性空间，而判定两组设计任务是否相 似的问题就成为一个多属性信息系统决策问题。在一个信息系统 中，人们首先要解决的问题就是对知识的理解和表达。任何知识都 是对事物运动和变化规律的概括性描述，是人类实践经验的总结， 属于认识论范畴的概念。但一个知识是一个具有多种意义的概念， 这里将知识认为是人类及其他物种的分类能力，然后在这个基础上 进行推理、学习、决策。 粗集理论作为一种新型的处理不完整和不确定性知识的工具。 它能有效的分析和处理不确定( i m p r e c i s e ) 、不一致( i n c o n s i s t e n t ) 和不完整( i n c o m p l e t e ) 等各种不完备信息，从中发现隐含知识。 包括驯： 1 不确定或不精确的知识表达： 2 从实例中获取知识： 3 不一致信息的分析； 4 根据不确定、不完整的知识进行推理； 5 在保留信息的前提下进行数据约简； 6 模式分类； 7 识别并评估数据之间的依赖关系( d a t ad e p e n d e n c i e s ) 。 粗集理论研究的对象是由大量具有相同属性的对象组成的数 据集合，称之为信息系统，抽象成数学上的定义可以是：信息系统 s = ( u ，爿) ，其中：s ( i n f o r m a t i o ns y s t e m ) ：表示信息系统； 5 l 北京交通文学硕士学位论文 u ( u n i v e f s c ) ：表永所有的实例( 对象，状态，观测点等) 的集合， 熬终谂壤；a ( a t r r i b u t e s ) ：表拳童瑟毯孛霹象凝有震毪续袋豹集台， 可以籍成一组等价关系，口：u k ，n 月( v a 表示属性a 的取值 的集合) 。 魄蕊是说，令售惑系统鹣缀蕊建盘一黧对象鞋及攘述这些霹 象韵褥性酶集合所组成的，它可跌用二维袭袭示。其中，表的歹表 示属性，行表示对苏，每个单元格表示对象的值。容易肴出，一个 属性瓣应一个等价关系，一个二维数据表可以看作是定义的一族等 徐关鬣，弹知谈澎，也就是知谈痒等徐予绩憨系统。f m s 实碉库 包含了条件属性( 设计任务) 和决策属性( 解决方案) 构成了一个 信息决策系统，如阁4 - 1 ，4 - 2 所示。 图4 - 1f m s 蛮例条件属性褒 霭4 - 2f m s 实例决策疆瞧袭 4 2 2 等徐关系鞠翔i i 约简 猩粗糙集理论中，给定一个对象论域u ，对于任何子集x u 可称之为一个秽中的概念或范畴，德们构成了特定论域黟的分类， 其中菇i 够，x f # 爹，x f n 石j ；争，当i ，j ，一l ，2 ，t z 且 u x ：mu 。信息系统通常处理的是论域u 上的分类族，定义为一 个，上的一些属性族，从面构成了信息系统鲍知识库，这样知识 第四章基于粗糙集理论的实例检索技术 库表达了一个信息系统的各种基本分类方式。我们常用等价关系代 替分类，也就是所谓的不可分辨关系。若r 是u 上的划分 尺= x ，石：，x ) 表达的等价关系，( u ，r ) 称为近似空间，u r 是r ( 或u 的分类) 的所有等价类族，我们用m 。表示子集x 属 于尺的一个范畴，且r 包含元素x e u 。若p r 且p ，妒，则n p ( p 中全部等价关系的交集) 也是一个等价关系，称为p 上的不可 分辨关系记为i n d ( p ) ，满足【x 】m ( p ) = 0k b ，这样u i n d ( p ) ( 等 价关系i n d ( p ) 的所有等价类族) 定义为与等价关系p 的族的相关 的知识。为了不引起混淆，我们将u i n d ( p ) 记为【，p ，这样我 们可以把一个知识库表达为k ；( u ，r ) 。i n d ( p ) 的等价类为知识 p 的基本概念或基本范畴。特别的，如果q e r ，对于u 在k 中， 则q 称为q 初等知识，且q 的等价类称为知识r 的q 初等范畴。 因此，可以有如下的定