（车辆工程专业论文）汽车总体方案设计智能决策支持系统的开发技术研究.pdf

摘要 汽车总体方案设计是一个复杂的非结构化设计问题具有推理和计算交错进行、决策空间人 的特点。结合我国汽车设计的现状，根据汽车总体方案设计阶段的特点，建造了汽车总体方案设 计的智能决策支持系统。 系统建立在面向对象知识库系统和综合型协同式推理器等模块集成基础之上，使用了基于 c b r 、r b r 相结合的推理方案生成技术，便于设计协作和设计知识的系统化。采用了模糊综合评 判的数学模型，建立汽车总体方案设计模糊综合评判子系统。 通过大量的研究工作最后开发了汽车总体方案设计智能决策支持系统原型。原型系统的功 能是：将输入的用户对汽车的性能要求，生成具体的总体设计方案，并对生成的方案进行评价。 原型系统中主要包括的模块有：设计的实现模块、性能评价模块、方案评判模块、实例库的管理 模块、总成库的管理模块和知识学习模块。通过实例库和知识库的管理模块，可以实现知识的学 习。知识的学习能力是智能决策支持系统最关键的部分，体现了系统的实用性。 系统采用u m l 语言建立模型；在w i n d o w s 环境下，使用v i s u a lc + + 6 0 和a c c e s s 2 0 0 0 开发 系统软件。 关键词：汽车，总体方案设计，智能决策支持系统，知识学习，基于实例推理 a b s t r a c t a u t o m o b i l eo v e r a l ll a y o u td e s i g ni sap r o c e s ss o l v i n gc o m p l i c a t e dn o n s t r u c t u r i z a t i o n i s s u e s ，h a v i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c st h a tt h er e a s o n i n ga n dc a l c u l a t i o na r ec o m b i n e da n dh a v i n g t h ew i d e rd e c i s i o ns p a c e c o m b i n i n gt h ec u r r e n ts i t u a t i o no fo u rc o u n t r ya u t o m o b i l ed e s i g n s a n da c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fa u t o m o b i l ed e s i g n s ，t h ei n t e l l e c t u a ld s so ft h e a u t o m o b i l eo v e r a l ll a y o u td e s i g ni sb u i l t t h i ss y s t e mi ss e tu pb yt h eb l a c k b o a r dc o n t r o ls y s t e m ，t h eo b j e c to r i e n t e dk n o w l e d g e b a s e ss y s t e m ，t y p i c a lr e a s o n i n gd e v i c e su s i n gt h ec o m p r e h e n s i v er e a s o n i n gt e c h n i q u e c o m b i n i n gt h ec a s e - b a s e dr e a s o n i n gw i t ht h er u l e b a s e dr e a s o n i n gt e c h n i q u e s ，w h i c hi sv e r y s u i t a b l ef o rt h ec o o p e r a t i o nd e s i g n sa n ds y s t e m a t i z a t i o no ft h ek n o w l e d g eo fa u t o m o b i l e d e s i g n s a d o p t i n gt h es y n t h e t i c a lj u d g i n gm o d e lo f t h ef u z z ym a t h e m a t i c s ，t h ej u d g i n gs y s t e m o ft h ea u t o m o b i l eo v e r a l ll a y o u td e s i g ni ss e tu p a f t e rt h et h o r o u g hr e s e a r c h e s ，t h ei d s sp r o t o t y p eo ft h ea u t o m o b i l eo v e r a l ll a y o u td e s i g n i sd e v e l o p e df i n a l l y i t sf u n c t i o ni s ：t ot u r nt h ed e s i g nr e q u i r e m e n t so fu s e g si n t ot h ec o n c r e t e o v e r a l ll a y o u to ft h ea u t o m o b i l ea n dt oe v a l u a t et h ep e r f o r m a n c eo ft h el a y o u t i tm a i n l y i n c l u d e st h ed e s i g nm o d u l e ，p e r f o r m a n c ee v a l u a t i n gm o d u l e ，l a y o u tj u d 酉n gm o d u l e ，c a s e d a t a b a s em a n a g e m e n tm o d u l e ，a u t o m o b i l ea s s e m b l y m a n a g e m e n tm o d u l ea n dk n o w l e d g e l e a r n i n gm o d u l e b yt h em a n a g e m e n ti n t e r f a c eo ft h ec a s ea n dt h ek n o w l e d g eb a s e s ，i tc a n r e a l i z et h ek n o w l e d g el e a r n i n g t h es y s t e mi sb u i l tb yu m l l a n g u a g ea n dv i s u a lc + + 6 0a n da c c e s s 2 0 0 0 w h i c hc a nr u n u n d e rt h ee n v i r o n m e n to fw i n d o w s ， k e y w o r d s ：a u t o m o b i l e ，o v e r a l ll a y o u td e s i g n ，i d s s ，k n o w l e d g el e a r n i n g ，c b r i i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国农业大学或其它教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 弗吼 时间：埘年弓月2 1 同 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存、汇编学位论文。同意中国农业大学可以用不同方式在不同媒体上发表、 传播学位论文的全部或部分内容。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名：毕毋无喧 导师签名： 时间：厶。厂年月习日 阂艺 时间：伽箩年3 月 第一章绪论 1 1 研究的目的和意义 1 1 1 汽车总体方案设计的重要性 汽车的设计开发工作，根据不同的工作阶段，可以分为以下三个层次：总体设计，将社会需 要转化为汽车性能及如何将总体性能分配到总成性能的问题，既有物与物的联系，又有人与物的 联系，是工程科学、社会科学和其它知识( 如美学) 的内容；总成设计，解决功能和布置问题； 零件的设计和开发，解决强度寿命和生产技术问题。 后两个层次属于物与物的联系性质，是以力学、热力学等为基础的工程科学a 汽车的总体方 案设计是指第一层次的总体设计，它处丁汽车设计的最顶层，决定了汽车的主要性能，是汽车设 计的最关键部分。 汽车性能的优劣不仅取决于组成汽车的各零部件的性能，而且在很大程度上取决于各部件的 协调和配合，取决于汽车总体设计。总体设计水平的高低对汽车的设计质量、使用性能和产品的 生命力起着决定性的作用。总体设计的主要任务应该是协调各总成与总体的关系以及备总成之间 的关系，即总体参数的选择和各总成及部件在总体系统中的布置。 1 1 2 汽车总体方案设计概述 汽车总体方案设计是将市场需求、领导决策等发展成产品设计的主导思想，使其结晶为以技 术语言形态对产品的定义。汽车总体方案设计主要内容如下： ( 1 ) 产品的综合技术参数和指标； ( 2 ) 构成产品的主要总成的类型及其技术参数和指标； ( 3 ) 总成互相连接方式和位置关系。 这些内容将作为以后阶段设计的依据。设计过程是一个可逆的过程，所以会出现很多方案。 在方案设计过程中，应对各种方案进行研究和对比，选择最可行的方案。所以汽车的总体方案设 计不仅包括设计方案的形成，还包括方案的优选，是一个广义的决策过程。 汽车总体方案设计是一个复杂的非结构化设计问题，具有以下特点：汽车总体方案设计是一 个推理和计算交错进行的过程；汽车总体方案设计的决策空间大；汽车总体方案设计一般属于变 型设计。 汽车总体方案设计可以按照q u i n t 模型，划分为5 个阶段，各个阶段的主要任务如下： ( 1 ) 功能设计阶段根据汽车市场的需求，用数量最少的要素来构筑汽车所需要的各个性能 模型”。今天，对汽车的要求已不仅局限于一些基本功能，而且要求更高的性能、和更好地与社 会环境相协调等。在建立了汽车的性能模型后，还要通过质鼍功能部署( q u a l i t yf u n c t i o n d e p l o y m e n t ，简称q f d ) 方法确定用户对各项性能的关注程度”1 。 ( 2 ) 结构设计阶段在确定了汽车的功能特征后，设计师根据以往的设计经验和设计实例确 定各总成形式，即确定了汽车的组成结构，并且将设计问题划分成发动机选型、传动系设计、悬 架设计、制动系设计、转向系设计等子问题。 ( 3 ) 参数设计阶段进行主要部件总成的选型，如确定发动机的主要参数和指标、变速器的 各档变速比、主减速比、悬架参数、轮胎型号等，这些参数决定了汽车的主要性能，为下一步分 析设计总体方案提供了条件。 ( 4 ) 殴计方案的分析经过( 2 ) 、( 3 ) 两个阶段，可能产生多个设计方案，因此需要对各个方 案的性能进行分析。它包括动力性、燃油经济性等指标的模拟计算。通过该阶段的分析计算，可 以得到可行方案，否则转入再设计过程。 ( 5 ) 设计方案的评价该阶段首先需要建立汽车的评价指标体系，由于汽车的方案评价是多 人、多层次、多目标的决策问题。可以采用专家打分法、层次分析法、模糊评价法、灰色关联决 策等方法进行评价，从而选出最优设计方案”1 。 i 、1 3 智能决策支持系统在汽车总体方案设计中的应用 随着人工智能( a r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e ，简称a i ) 学科的发展以及人们对于设计活动内在规律 的进一步认识为了探索更为有效的求解途径。现代i c a d 系统中往往采用了更为广泛的灿方法， 如知识工程( k n o w l e d g ee n g i n e e r i n g ，简称k e ) 中的e s 和基丁实例的推理( c a s e - b a s e dr e a s o n i n g 简称c b r ) 、计算智能( c o m p u t a t i o n a li n t e l l i g c e ，简称c i ) 中的人工神经网络( a r t i f i c i a ln e u r a l n e t w o r k ，简称a n n ) 和遗传基因算法( g e n e t i ca l g o r i t h m ，简称g a ) 等”。上述4 种a l 方法各 有所跃，彼此互补，因此综合各种方法，形成智能设计的集成求解策略势在必行，同时这也是目 前i c a d 研究的重点和难点。 决策支持系统( d e c i s i o ns u p p o r ts y s t e m ，简称d s s ) 是综合利用大量数据，有机组合众多模 型( 数学模型和数据处理模型等) ，通过人机交互。辅助各级决策者实现科学决策的工具。d s s 是在管理信息系统( m a n a g e m e n ti n f o r m a t i o ns y s t e m ，简称m i s ) 和运筹学的基础之上发展起来的， 它的出现是为了解决由计算机自动组织和协调多模型运行，对数据库中大量数据的存取和处理， 达到更高层次的辅助决策能力。d s s 的新特点就是增加了模型库和模型库管理系统，把众多的模 型有效的组织和存储起来，并将模型库和数据库有机结合。它不同于m i s 数据处理，也不同于模 型的数值计算而是它们的有机集成。 智能决策支持系统( i n t e l l i g e n td e c i s i o ns u p p o r ts y s t e m ，简称i d s s ) 是a i 技术与d s s 相结合 的产物，是d s s 发展的高级阶段。由于a i 技术，特别是e s 技术引入到d s s 中，为d s s 的发展 注入了新的血液，使d s s 焕发了新的生机。i d s s 已成为当今复杂问题求解不可缺少的辅助工具， 它能使经验不丰富的决策者在专家的水平上进行工作。 d s s 主要是以人机交互系统( 由语言系统和问题处理系统组成) 、模型库系统( 由模型库管 理系统和模型库组成) 、数据库系统( 由数据库管理系统和数据库组成) 组成。e s 主要由知识库、 推理机和动态数据库组成。d s s 和e s 集成的i d s s 具有以下特点和功能： ( 1 ) i d s s 具有推理结构，能模拟决策者的思维过程，所以能根据决策者的需求，通过会话、 2 分析问题、应用有关知识引导决策者选择合适的决策模型。 ( 2 ) i d s s 的推理机构能跟踪问题的求解过程，从而可以证明模型的正确性，增加了决策者对 决策方案的可信度。 ( 3 ) 决策者使用d s s 解决半结构化或非结构化的问题时有时对问题的本身或问题的边界条 件不是很明确，i d s s 却可以通过询问决策者来辅助诊断问题的边界条件和环境。 ( 4 ) i d s s 能跟踪和模拟决策者的思维方式和思路，所以它使决策者不仅可以知道结论，而且 知道为什么会产生这样的结论。 ( 5 ) 综合运用人工智能中的各种技术，对整个i d s s 实行统一协调、管理和控制。 i d s s 对模型库实现模型自动选择和生成；对于人机界面部分，使其更容易使用和可以理解 决策者的思维，具有学习功能；对于数据库部分，数据仓库、联机分析处理和数据挖掘技术的应 用，可以对数据进行复杂的分析处理，同时可从数据仓库中挖掘出臆含的知识，增强原来的知识 库，以达到增强系统智能决策的目的。 汽车总体方案设计是一项综合分析与计算的复杂工程设计过程。为了得出一个比较满意的设 计方案，设计师需要参阅大量的有关知识及经验材料，进行综合性的分析、比较、计算、推理和 评价。目前常见的c a d 系统已经能较好地完成设计计算类的工作，而对于分析、评价和推理的 _ _ l = 作则显得无能为力。决策是针对某一具体问题，根据确定的目标及当时的实际情况制定多个候 选方案，然后按照标准从中选择出最佳方案的思维过程。 i d s s 充分发挥了e s 以知识推理形式解决定性问题的特点，又发挥了d s s 以模型计算为核 心解决定量分析问题的特点，充分做到定性分析和定量分析的有机结合，使解决问题的能力和范 围得到了一个大的发展。因此，采用i d s s 技术来开发汽车产品方案设计系统是十分适宜的。 本课题研究的目的是结合我国汽车设计的现状，根据汽车总体方案设计阶段的特点，利用人 工智能技术结合数据库技术以及面向对象的软件开发技术，建造汽车总体方案设计智能决策支持 系统( o v e r a l li d s so f c o n c e p t u a ld e s i g no f t h ea u t o m o b i l e ，简称a o c d i d s s ) 。 意义在丁：研究汽车总体方案设计的理论和技术，完善汽车总体方案设计方法：利用a l 、 i d s s 、软件工程、数据库等领域的最新研究成果。对于新技术起到了推广和促进作用；汽车总体 方案设计i d s s 系统的开发，将会使产品方案设计和i d s s 相互促进。 1 2 国内外研究现状 汽车行业使用c a d 技术是2 0 世纪7 0 年代初以车身的内外扳设计为中心开展起来的，然后 扩展到发动机、悬架系统等零部件的设计与模型制造领域，后来又逐渐发展到汽车总体的方案设 计。大体可划分为以下儿个阶段。 1 2 1 基于几何处理的设计方法阶段 较早的c a d 主要是用来解决产品设计中的计算和二维绘图问题，而对设计过程中的反复决 策则无能为力。二维c a d 技术无法很好地解决设计中复杂的投影线生成、机构儿何关系和运动 3 关系、设计的更新与修改等问题，无法满足确定总体总布置方案设计的要求。 2 0 世纪7 0 年代初，汽车总体方案设计开始使用c a d ，c a m ( 计算机辅助制造) 技术，使得 油泥模型反映出的车型线面形状数据计算机化，然后使用这些数据直接进行数控模具加工。在采 用c a d 技术进行汽车总体方案设计时，通常的过程是设计人员首先确定总体的结构型式、性能 参数，然后才开始利用c a d 系统设计车辆总体结构草图。在此基础上，从数据库或数据文件中 读取总体的轴距、轮距、长度和高度等数据，并进行造型设计和工程分析等。c a d 技术的应用 还只是局限丁几何处理上，而方案设计、评价决策等创造性活动，在很大程度上还依赖于设计者 的自身经验和知识。 这时，专家系统也已逐渐在汽车设计方面得到应用。较甲| 研制的设计专家系统有美国克莱斯 勒汽车公司与德克萨斯州的a m 大学合作研制的用于冷却系统设计的专家系统。专家系统与 c a d 系统的结合，可以完善c a d 系统的功能，使之完成普通c a d 系统难以完成的任务，设计 准确率高达9 0 以上。 1 2 2 基于特征及专家系统的设计方法阶段 到2 0 世纪9 0 年代，总体设计由过去以制作比例模型为主转变到以计算机辅助设计的数据模 型为主的阶段。在此阶段，体现三维设计思想的各种软件层出不穷。通过构造特征和实体造型， 三维状态f 的c a d 模型有效地克服了在二维状态下无法清晰、直观表达零部件几何关系和运动 关系的弊端，产品开发周期普遍缩短，设计质量也得到很人提高。 同时，日本、美国等汽车工业大国争相研制用于汽车设计的专家系统，不仅研究用于零部件 设计的专家系统，还研究支持总体方案设计的专家系统。在国内，同济大学开展了汽车总体设计 专家系统的研究工作。整个系统在大型c a d c a m 软件o n i g r a p h i c s 基础上。通过其二次开发工 具u g o p e n 进行二次开发，这样研制出的系统克服了通用c a d c a m 软件不能很好地支持工程 设计的弊端，经专家评审达到国际先进水平。 1 2 3 开展基于知识的汽车总体设计方法阶段 当今时代是一个信息时代，知识经济正逐渐成为占主导地位的经济形式。产品技术创新和新 产品开发能力是一个l 国家综合实力的表现。以知识为基础的产品创新竞争已逐渐成为全球制造业 竞争的核心。建立以知识t 程为基础的产品开发体系己成为摆在我们面前迫在眉睫且必须解决的 重大问题。汽车总体设计的质量决定了汽车产品的最终使用性能及制造成本。汽车总体设计必须 建立在对现有汽车设计知识，包括设计标准、手册、规范和专家经验、科研成果等的充分消化、 合理运用的基础上，汽车总体设计必须是基于知识的智能化设计。 目前，各大c a x p d m 软件公司和很多其他公司都十分重视基于知识的工程( 1 a 3 e k n o w l e d g eb a s e de n g i n e e r i n g ) 技术与传统c a d 技术的结合应用。美国u g s 公司将i n t e n t 智能推理语 言应用到其c a x p d m 软件u n i g r a p h i c s 中，并成立了全美k b e 研究开发项目组。项目组成员单 位包括波音飞机公司、美国通用汽车公司等。其主要目的是利用信息技术，提高产品技术创新和 开发能力，使其更具竞争力。我国在该领域做的工作不多，但在各领域开发设计专家系统方面， 4 拥有很多应用开发基础。同时，我国在各类产品开发中也积累了大虽的开发经验，建立了全套的 各学科领域的设计开发手册、标准及软什，但还需要进行归纳、汇总、分析和综合研究a 同济人 学率先在国内进行k b e 在汽车领域的虑用研究工作，为u g 公司完成了齿轮设计k b e 项目，并 正进行车身设计k b e 开发项目。如果把k b e 技术进一步用于总体开发，一定能显示其在汽车领 域的巨人应用价值。 1 3 研究内容和方法 1 3 1 研究的内容 由丁总体开发是很_ 人很复杂的系统下程，不可能把整个开发系统做成一个大的整体。其原因 为：第一、总体设计中所包括的各总成设计，几乎都有了比较成熟和独立的设计方法和设计系统； 第二、进行设计的人员也是分j 二很细，不可能一个人进行多项设计；第三、只要各个设计模块之 间留有接e l 就可以实现数据的交流。所以，我做的只是一个总体的方案设计系统，最终能够给出 方案设计的结果，实现总体设计方案的评价和存储。 论文重点研究汽车总体方案设计i d s s 的开发技术，并开发一个汽车总体方案设计i d s s 的实 验原型系统，用于验证开发技术的正确性和可行性。因此，论文的题目是汽车总体方案设计智 能决策支持系统的开发技术研究，主要对以下关键技术进行研究： ( 1 ) 研究汽车总体方案设计的领域知识，把相关的理论知识和经验以适应计算机求解的方式 表示。 ( 2 ) 研究m s s 的开发策略、开发过程；系统的设计方法。 ( 3 ) 模仿人类专家的思维特点，采用c b r ( e a s e b a s e dr e a s o n i n g ，简称c b r ) 和基于规则的推 理( r u l e b a s e dr e a s o n i n g ，简称r b r ) 相结合的推理决策方式。 ( 4 ) 针对设计问题的复杂性，采用分布式问题求解策略，将问题分解为多个子问题，由多个 独立的智能体协作完成任务的求解。 ( 5 ) 采用面向对象的方法组织i d s s 中的模型库和知识库。 ( 6 ) 针对方案设计i d s s 的特殊性，研究推理与计算的集成问题。 ( 7 ) 研究面向对象的程序设计语言、数据库系统软件之间的集成问题。 ( 8 ) 研究实验原型系统的开发方法。 1 3 2 研究的方法 本系统是针对汽车总体方案设计开发基于知识的智能化设计支持系统。它建立在黑板控制系 统、面向对象知识库系统、和综合型协同式推理器等模块集成基础之上，适合设计的协作和设计 知识的系统化。本系统采用u m l ( u m l ：u n i f i e dm o d e l i n gl a n g u a g e ) 语言建立模型，使用v i s u a l c + + 6 0 ( v c ) 和a c c e s s 2 0 0 0 系统开发软件，可运行在w i n d o w s 环境f 。但是，要做出切实可用的 系统还需要汽车生产厂家提供人量准确的汽车设计资料和现行的相芙汽车设计规范和标准等。 第二章系统体系结构及开发的方法和过程 2 1 智能决策支持系统的系统结构 把智能决镱支持系统的基本构件的功能进行不同的取舍或者进行不同的组合，就可以构成用 于不同决策支持目标的智能决策支持系统。下面是两种常用结构”： ( 1 ) 四库结构所谓四库是指数据库、模型库、方法库、知识库，四库结构是指以此四库及 其相应的软件系统为基本构件所组成的智能决策支持系统，这是目前比较流行的种结构模式。 在这种结构模式中，由于具有知识库及其推理系统，因而使它对决策者的支持大大增强。 在此结构模式中，根据用户的不同需求和环境条件的不同，可采用不同的设计方案，常用的 有两种：多库并列型和知识主导型。多库并列这种结构模式中，各库的地位平等，不分主次。其 中，多库协同是在各库管理系统的基础上，对各库进行协同调度、相互通信、总体控制、实现资 源共享、协同运行的软件系统。知识主导型这种结构模式中，以知识库为主导，对数据库、模型 库、方法库进行调度管理，实现多库协同。可以把多库协同系统、知识库及知识库管理系统看成 是个准专家系统，由它对数据库、模型库、进行管理，以协同实现智能决策任务。该模式适合 于以知识处理为主的决策问题。 ( 2 ) 融合结构智能决策支持系统是人工智能技术与传统的决策支持系统相结合的产物，结 合的方式除了上面讨论的四库结构外，还可以把人_ t 智能的各有关技术分别应用与传统的决策支 持系统的各部分中。例如：模型库系统中，可用基于知识的表示方法来表示模型，并以此为基础 实现模型的智能管理，这对于描述含有定性、定量、半结构化和非结构化的决策模型具有重要意 义。再如，可把人工智能中模式识别及自然语言以及印刷文字或某些特定的图像与计算机交互， 在问题求解策略方面，人工智能中关于状态空间的启发式搜索以及把一个复杂的问题分解为子问 题的方法，可使决策支持系统处理以前难以处理的问题。另外，人工智能中关于不精确、模糊的 知识表示与处理技术将有助于扩大决策支持系统处理问题的范围，提高其处理能力。 2 2 系统的设计原则与要求 在汽车总体方案设计过程中使用方案设计i d s s 是现代汽车企业适应瞬息万变的国际化市场 的一种趋势，其最终目的是给汽车企业带来更多的用户和最大的经济效益，因此对汽车总体方案 设的i d s s 提出了以下基本要求： ( 1 ) 有效地支持不同层次的决策活动汽车总体方案设计活动包括总体型式的确定、主耍总 成选型、性能评价、方案优选等内容，整个活动的核心就是不断综合和反复决策。这种决策主要 分为：设计过程决策、技术方案决策和可接受性决策三个不同层次。这就要求i d s s 能够支持不 同层次的决策活动。 ( 2 ) 有效地支持不同类型的决策活动汽车总体方案设计涉及的决策问题是多种多样的，依 据这些问题本身的结构化程度，大致可划分为结构化、半结构化和非结构化三种类型。理想的i d s s 应具备二种不同类型的决策支持功能，这就意味着必须采用a i 技术。 ( 3 ) 注重求解效能建立a o c d i d s s 的目的是缩短汽车的开发周期，提高市场竞争力，因此 a o c d i d s s 必须注重求解效能。 ( 4 ) 对环境和用户的动态适应性汽车产品的品种繁多，用户需求不一，a o c d i d s s 设计中 必须考虑各种可能的设计条件，灵活地适应各种设计情况。 ( 5 ) 求解形式的多样性系统必须能够提供多种求解方式，如c b r ，r b r ，数值计算等。 ( 6 ) 透明性与其它智能系统一样，a o c d i d s s 必须提供解释功能，对推理行为和求解结果 做出台理的说明。 ( 7 ) 方便性和可维护性a o c d i d s s 的用户是汽车设计人员，因此必须提供友善的人机界面 和帮助系统。a o c d i d s s 的功能是运行中逐渐加强和完善的因此系统的可维护显得很重要。 ( 8 ) 知识学习性汽车设计的知识和经验会不断的进步和完善，软件的使片j 厂家可以把得到 的新经验和知识丰富到软件的知识库中，这样的设计软件就具有了进步性、实用性。 2 3 系统的总体构思 2 3 1 系统的功能设计 a o c d i d s s 是一个面向实际设计问题的综合型i d s s ，主要用来提供对汽车总体方案设计的 决策支持，系统的功能由系统功能用况图2 - 1 表示如下： 知识库立件 输出设各 图2 - 1系统功能用况囤 7 ( 1 ) 系统提供的输入信息：设计过程中，需要用户参与提供的设计输入信息；从其他软什输 入系统分析决策需要的信息例如动力性、经济性分析数据等。 ( 2 ) 系统提供的输出信息：输出可行设计方案的总体型式、主要参数、主要总成的型号以及 主要性能指标；解释方案的生成过程：查询相关的总体和零部件信息。 ( 3 ) 系统提供的决策分析功能：对系统输山方案进行分析，做出可行性决策；对所有可行方 案进行排序和优选。 ( 4 ) 系统管理部分：该部分允许系统维护人员和知识工程师进入；该部分包括模型库管理、 数据库管理、实例库管理和知识库管理。 2 3 2 系统的组成 由于本系统是用于汽车设计，所以它要按照汽车设计的流程来组织a o c d i d s s 的结构，它采 用并行分层、开放式集成化智能软件结构作为系统总体结构。 ( 1 ) 上层为人机接口即是一个智能系统的人机交互界面，设计师通过它提交待解决的问题， 显示并输出过程和结果，且可对知识进行浏览、查询和建立维护。 ( 2 ) 中层为问题处理系统 问题处理系统，由问题生成系统和问题求解系统组成，是整个系 统的核心。问题生成系统主要用于输入用户的设计意向，通过有关知识进行推理、判断、方案求 解将决策意向转化为一个明确的设计任务；由于汽车总体方案设计是一个复杂系统，求解问题时 应考虑各个子问题之间的影响和约束利用方案设计经验、设计知识和设计实例，能选择、组合 和利用设计模型，循环产生多个设计方案，并进行方案优选。 ( 3 ) 底层为知识系统直接决定了系统的问题求解能力，包括知识库、模型库、实例库、数 据库及各自的管理系统。知识库是广泛意义上的知识库，它存放了系统耍用到的设计经验、设计 知识、设计规范和设计实例。模型库存放两类模型，即推理模型和数学模型，前者就是a i 中推 理机；后者是算法、优化、决策分析等数学模型以及设计领域的计算模型。数据库中存储模型要 用得的数据信息。 ( 4 ) 外部软件接口系统单纯实现方案设计过程中需要其他系统提供的数据和信息，并且 为了以后的功能扩展，它应当留有与其他软件，如图形软件、有限元计算软件等的接口。 2 3 3 原型系统的结构设计 根据以上分析，论文在i d s s 基本结构和四库三功能结构的基础上，设计了a o c d i d s s 原型 系统的总体结构，如图2 2 所示。系统采用v c 作为主语言开发，主要采用了以下策略： ( 1 ) 多库集成的系统结构d s s 是一个多库系统，如何将它们有机的结合起来作为一个统一 的整体，即实现多库集成，是实现i d s s 的关键技术。论文在a o c d i d s s 的设计中采用了多库集 成模型。系统采用v c 作为主语言开发，模型库中的推理模型由v c 实现；知识库和数学模型库 由v c 和m i c r o s o f t a c c e s s 2 0 0 0 相结合实现；实例库和数据库均采用m i c r o s o f t a c c e s s 2 0 0 0 实现， 可以利用v c 来实现它们之间的协调控制。v c 和数据库管理系统，利用o d b c 接口可以实现两 者之间的连接。 8 ( 2 ) 模型库与方法库合一模型和方法是同一个问题的两个侧面，只是表现形式不同而己， 人机接口 滩 外 部 软 什 问题牛成系统 问题求解系统 瓣 罔丽图 由2 2a o c d i d s s 原型系统的总体结构 一般前者表现为数学方程，后者表现为求解算法。从宏观上看，可以把模型和方法统一看成模型。 特别是在计算机中，模犁的方程形式不是主要的，模型的算法才是主耍的。一般将模型的方程形 式以文本形式作为模型的说明文件，而将模型的算法编制成计算机程序，用以完成模型的计算， 达到模型的求解目的。d s s 中模型库和方法库同时存在，不但增加了各自库管理系统，而且为两 库之间的联系增加了困难。对于d s s 而言，除非有特殊需要外，一般把模型库和方法库合为一个 ”。由于模型和方法在宏观上是统一的方法库就可以完全省略了。 ( 3 ) 增加实例库在a o c d i d s s 中引入了c b r 技术，因此需要在图2 2 所示的结构上有一 个实例库。 ( 4 ) 增加问题生成系统a o c d i d s s 中问题处理系统由问题生成系统和问题求解系统两部分 构成。汽车总体方案设计往往是所谓的“意向性决策”问题”1 ，设计者经常对设计问题有一个意 图或想法，但对所涉及到的目标、约束、可能得到的结果往往又不完全清楚，整个问题处在一个 模糊的环境中。传统的d s s 对这种意向无能为力，无法进入问题求解过程，从而不能为这类决策 问题的解决提供有效的决策支持。问题生成系统就是帮助设计者理清思路，将设计者的“决策意 向”逐步明确为d s s 能够处理的问题。 2 4 系统的开发方法 研究和建造一个实用的汽车总体方案设计i d s s 是一项复杂而艰巨的任务，通常需要不同专 业背景的跨学科研究人员的通力合作，需要几个人到几十个人几年的工作量。因此，在建造这样 的i d s s 系统时，需要应用软件工程学的理论和方法，使得建造工作系统化、规范化，从而缩短 开发周期，提高系统质量。 软件_ 程自6 0 年代形成以来，出现了一系列的理论和技术，其中最具有代表性的是结构化 方法和面向对象方法。习惯上将面向对象方法出现以前的各种软件工程方法称为传统软件工程方 9 舴偃 数一全局黑板一 法。 面向对象的方法认为：客观世界是由许多各种各样的对象组成的，每个对象都有各自的内部 状态和运动规律，不同对象之间的相互作用和联系就构成了各种各样的不同系统，构成了我们面 对的客观世界。面向对象方法吸收了结构化的基本思想和主要优点：面向对象的方法将数据与操 作放在一起，作为一个相互依存、不可分割的整体来处理：面向对象的方法综合了功能抽象和数 据抽象，采用数据抽象和信息隐蔽技术，将问题看成是一个分类演绎过程。与结构化方法相比， 面向对象方法更接近人们认识事物和解决问题的思维过程，采用该方法开发的软件系统在稳定 性、可修改性和可重用性都有明显的提高。面向对象方法最初主要用在程序编码中，以后又逐渐 出现了面向对象分析( o b j e c i o r i e n t e da n a l y s i s ，简称o o a ) 到面向对象的设计( o b j e c t - o r i e n t e d d e s i g n ，简称o o d ) ，再到面向对象的编程( o b j e c t - o r i e n t e dp r o g r a m m i n g ，简称o o p ) 、面向对象 的测试( o b j e c t - o r i e n t e dt e s t 简称o o t ) 紧密衔接，填平了传统软件工程方法中自然语言到编程语 言之间的鸿沟。面向对象方法己成为当前软件方法学的主要方向。 面向对象方法是一种运用了对象、类、继承、封装、聚合、消息传送、多态性等方案来构造 系统的软件开发方法。目前在i d s s 开发中应用面向对象方法的研究还刚月开始，已经出现了面 向对象数据库、面向对象知识库、面向对象模型库的研究报道。 通过对面向对象的工程方法的特点的了解、对总体方案设计的知识的分析，我认为将面向对 象方法应用于总体方案设计的1 d s s 的知识系统和问题处理系统的设计之中是十分合理的。所以 本系统拟采用面向对象的方法来建造i d s s 。 2 5 系统的开发过程 2 5 1 统一建模语言( u m l ) 概述 统一建模语言( u m l 是用来对软件密集系统进行描述、构造、可视化和文档编制的一种工业 标准化语言”。它是一种定义良好、易于表达、功能强大且普遍适用的建模语言。它溶入了软件 t 程领域的新思想、新方法和新技术。它的作用域不限于支持面向对象的分析与设计，还支持从 需求分析开始的软件开发的全过程。 2 5 2 标准的开发过程 开发一个具有一定规模和复杂性的软件系统和编写一个简单的程序大不一样。其间的差别， 借用g b o o c h 的比喻，如同建造一座大厦和搭个狗窝的差别。大型的、复杂的软件系统的开发 是一项工程，必须按t 程学的方法组织软件的生产与管理，必须经过分析、设计、实现、测试、 维护等一系列的软件生命周期阶段。这是人们从软件危机中获得的最重要的教益。这一认识促使 了软件工程学的诞生。编程仍然是重要的，但是更具有决定意义的是系统建模。只有在分析和设 计阶段建立了良好的系统模型，才有可能保证工程的正确实施。正是由于这一原因，许多在编程 领域首先出现的新方法和新技术，总是很快地被拓展到软什生命周期的分析与设计阶段。 1 0 r a t i o n a lu n i f i e dp r o c e s s ( 以下简称r u p ) 是一套软件上程方法，主要由l v a r j a c o b s o n 的t h e o b j e c t o r y a p f r o c h 和t h er a t i o n a l a p p r o c h 发展而来。同时，它又是文档化的软件t 程产品，所有 r u p 的实施细节及方法导引均以w e b 文档的方式集成在一张光盘上，由r a t i o n a l 公司开发、维 护并销售，当前版本是5 0 。 r u p 又是一套软件工程方法的框架，各个组织可根据自身的实际 情况，以及项目规模对r u p 进行裁剪和修改，以制定出合乎需要的软件工程过程a r u p 的核心思想认为软件开发是一个迭代、递增式的开发过程，是一个用例驱动的开发过程， 是一个以体系结构为中心的开发过程。以此为基础，r u p 把一个系统的开发周期按时间和核心工 作流划分为一个二维空间。在时间维上从组织管理的角度划分为四个阶段，每个阶段以相应目标 ( 里程碑) 的完成为结束。这四个阶段又划分为各自相对独立的子阶段，通过子阶段的实施，最 终达到规范地、有步骤地完成整个系统的开发。 软件生命周期在时问上被分解为四个顺序的阶段，分别是：初始阶段( i n c e p t i o n ) 、精化阶段 ( e l a b o r a t i o n ) 、构建阶段( c o n s t r u c t i o n ) 和交付阶段( t r a n s i t i o n ) 。每个阶段结束于一个主要的里程 碑( m a j o rm i l e s t o n e s ) ：每个阶段本质上是两个里程碑之间的时间跨度。在每个阶段的结尾执行一 次评估以确定这个阶段的目标是否已经满足。如果评估结果令人满意的话，可以允许项目进入f 一个阶段。 咀下简单描述这些工作流的目的： ( 1 ) 商业建模( b u s i n e s sm o d e l i n g ) ：理解待开发系统的组织结构及其商业运作，确保所有参与 人员对待开发系统有共同的认识。 ( 2 ) 需求分析( r e q u i r e m e n t s ) ：定义系统功能及用户界面，使客户知道系统的功能，开发人员 知道系统的需求，为项目预算及计划提供基础。 ( 3 ) 分析与设计( a n a l y s i sa n dd e s i g n ) ：把需求分析的结果转化为实现规格。 ( 4 ) 实现( i m p l e m e n t a t i o n ) ：定义代码的组织结构、实现代码、单元测试、系统集成。 ( 5 ) 测试( t e s t ) ：校验各自子系统的交互与集成。确保所有的需求被正确实现并在系统发布前 发现错误。 ( 6 ) 发布( d e p l o y m e n t ) ：打包、分发、安装软件，升级旧系统；培训用户及销售人员，并提 供技术支持。制定并实施b e t a 测试。 ( 7 ) 配置管理( c o n f i g u r a t i o na n dc h a n g em a n a g e m e n t ) ：跟踪并维护系统所有产品的完整性和 一致性。 ( 8 ) 项目管理( p r o j e c tm a n a g e m e n t ) ：为计划、执行和监控软件开发项目提供可行性的指导： 为风险管理提供框架。 ( 9 ) 环境( e n v i r o n m e n t ) ：为组织提供过程管理和工具的支持。 其中，前六个核心工作流的名字，很可能使人们同瀑布模型的顺序工作阶段相混淆。但我们 知道核心t 作流并不是具体的实现，而核心工作流中的某些行为有可能在软件开发周期中，一遍 又一遍地在迭代上作流中得咀细化。传统的项目组织是顺序通过每个工作流，每个工作流只有一 次。也就是我们熟悉的瀑布生命周期。这样做的结果是到实现末期产晶完成并开始测试，在分析、 设计和实现阶段所遗留的隐藏问题会大量出现，项目可能要停止并开始一个漫长的错误修正周 期。 2 5 3 本系统的开发过程 上面讲述了基于u m l 的开发过程所具有的一般特点，在实际开发中，我们可以根据每个项 目的不同特点，制定相应的开发过程。下面介绍我在总体方案设计支持系统建模中所采用的过程 咀及各个阶段中所产生的模型( 图) 。 ( 1 )