（机械电子工程专业论文）液压传动方案计算机辅助选优技术研究与开发.pdf

摘要 摘要 液压传动系统作为现代机械设备实现传动与控制的重要技术手段， 在诸多领域应用广泛；随着液压系统研究的不断深入和应用的日益普及， 液压系统设计已成为某些机械系统设计的主要方面。液压系统传动方案 设计时一般都使用传统的设计方法，而传统的设计方法往往需要较多的人 力和较长的设计周期，设计效率非常低。 如何在液压传动方案设计过程中有效利用过去的成功案例和设计经 验，用于帮助设计人员对传动方案进行选优，己成为液压传动系统设计 中一个具有实际意义的课题。基于此，本文将案例推理技术引入到液压 传动方案的选优中来，围绕液压系统和典型液压回路的特征描述，根据 液压传动方案的基本设计组织形式，将已有传动方案和典型液压回路案 例化，随后通过案例推理技术，实现对新方案的开发和选优，既可以有 效地整合和利用已有的案例和工程实践经验，又可以实现案例的最相似 应用，结合计算机辅助技术，可以在人们初步构思、判断和决策的基础 上，利用计算机对大量资料进行检索，并根据相应的技术要求进行计算、 分析和优化，辅助人们完成工作。 文章首先论述了c b r 的基本原理，并结合液压传动系统就c b r 实现 与运用上关于案例表达、检索、重用、存储和维护以及案例的评价与学 习等一系列关键技术进行了深入探讨；而后重点研究了液压系统和典型 液压回路的特征描述，为已有设计实例的案例化提供案例表达的依据； 随后，进一步对液压传动方案的基本设计组织形式进行了详细的研究， 为案例表达提供了规则化的支持；最后，在此研究基础上设计开发了一 个液压传动方案选优原型系统，并利用实际工程案例对该系统进行了验 证。 论文的主要内容包括： 1 ) 分析论文的研究背景和国内外相关理论的研究现状，研究了液压 c a d 技术和c br 技术的发展现状和趋势； 2 ) 分析和总结了c b r 技术的基本原理和关键技术，研究了基于c b r 技术的液压系统特征描述和数据库的开发，研究了c b r 案例表达、 检索、提取、重用和修改等的实现； 3 ) 研究了液压传动方案原理图绘制的实现方式，开发相应的用于快 速实现原理图绘制的液压元件和典型液压回路图库； 广东t 业人学工学硕j j 学位论文 4 ) 在上述理论方法研究的基础上，研究开发了液压传动方案计算机 辅助选优的原型系统，并就该系统的具体功能和操作进行分析。 最后通过两个推理实例演示了系统的运行，验证了本文研究理论 的可行性和实用性。 关键词：案例推理，液压传动，选优，计算机辅助案例检索案例重用匹 配算法相似度 a b s t r a c t a bs t r a c t a sa ni m p o r t a n tt e c h n o l o g ya n dm e t h o d ，h y d r a u l i ct r a n s m i s s i o ns y s t e m h a sb e e ng e t t i n gi n t e n s i v ea p p l i c a t i o ni nm a n ya r e a s a tt h es a m et i m e ， t o g e t h e rw i t ht h ed e e pe x p l o r i n go ft h e o r i e sa n dt h eg r a d u a lp o p u l a r i t yo f a p p l i c a t i o n s ，t h ed e s i g no fh y d r a u l i cs y s t e mh a sc o m et ob eap r i m a r yp a r t i ns o m em a c h i n e r ys y s t e md e s i g n h o w e v e r ，t od e v e l o pa ne x c e l l e n td r a f t ， t h ed e s i g n e ri sa l w a y sr e q u i r e dt on o to n l yh a v eag o o dm a s t e r yo fb a s i c h y d r a u l i cs y s t e mk n o w l e d g e 。b u ta l s oh a v ea ne n o u g ho fe x p e r i e n c e s w h e n d e v e l o p i n g ad r a f t ，t h e r es h o u l dd e a lw i t hm a n yg r a p h s ，d a t a ，d e s i g n s p e c i f i c a t i o n b a s i cc o m p o n e n t so rb a s i cs t a n d a r dc i r c u i t sa n dt e s tr e s u l t s a n dt r a d i t i o n a ld e v e l o p i n gm e t h o di sf u l f i l l e db yam a n u a lr e t r i e v a l0 f i n f o r m a t i o na n dc o m p u t a t i o na n dd r a f t i n g i tn e e d sm u c ho fh u m a n r e s o u r c e sa n dl o n gp e r i o do fd e s i g nc y c l e ，a n dt h ee f f e c ti sv e r yl o w w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt e c h n o l o g y ，ag o o da m o u n to f s o f t w a r ei su s e di nt h ee n t e r p r i s e s ，e s p e c i a l l yt h o s ef o re n g i n e e r i n gd e s i g n c a s e b a s e dr e a s o n i n g ，a b b r e v i a t e db yc b r ，i sar e a s o n i n gm e t h o du s i n go l d a n dp a s te a s e so r e x p e r i e n c e s t os o l v et h ec u r r e n tn e wp r o b l e m s t h i s m e t h o dc a nn o to n l ye f f e c t i v e l yo r g a n i z ea n du t i l i z et h eo c c u p i e dc a s e sa n d p r a c t i c e s ，b u ta l s o f u l f i l lt h ea p p l i c a t i o no ft h eb e s ts i m i l a r i t yo fc a s e s i n c o r p o r a t e dw i t hc o m p u t e ra i d e dt e c h n o l o g y ，b a s e do n t h ep r e l i m i n a r y c o n c e i v i n g ，ju d g m e n ta n dd e c is i o n ，i t c a nr e t r i e v ef r o mh u g ei n f o r m a t i o n a n dc o m p u t ea n da n a l y z ea n do p t i m i z ea c c o r d i n gc o r r e s p o n d i n gt e c h n i c a l r e q u i r e m e n t s ，a n dt h e nh e l pp e o p l ef i n i s ht h ed e s i g n w h a th o wt o e f f e c t i v e l y u t i l i z et h es u c c e s s f u l d e s i g n c a s e sa n d e x p e r i e n c e sw h e nd e v e l o p i n gah y d r a u l i ct r a n s m i s s i o nd r a f ta n dt h e nu s i n g t h e mt o h e l p t h ed e s i g n e ro p t i m i z eh i sd e s i g ni s t ob eap r a c t i c a l l y i m p o r t a n ts u b je c t j u s tr o o tt h i si d e a w ew i l lf o c u so nt h ed e t a i la p p l i c a t i o n o fc b ri nh y d r a u l i ct r a n s m i s s i o nd r a f to p t i m i z a t i o n ，a n dt h e nd e v e l o pa s y s t e m j u s tb a s e do nc b r t h e o r i e sa n de x a m p l e so fh o m ea n da b r o a da n d t h es t u d ya n da n a l y s i so nt r a d i t i o n a lh y d r a u l i ct r a n s m i s s i o nd r a f td e s i g n ，w e s u m m a r i z et h ef e a t u r ee x p r e s s i o no fh y d r a u l i ct r a n s m i s s i o ns y s t e m ，a n d d e v e l o pa no p t i m a lm o d e lo nc b r f o rt h es y s t e md e s i g n t o g e t h e r ，w ep u t e m p h a s i so n t h eo p t i m i z a t i o no fb a s i cs t a n d a r dh y d r a u l i cc i r c u i t s ，a n d d e v e l o pap r o t o t y p es y s t e mw i t hi n p u t ，s e a r c h i n ga n dr e a s o n i n ga b i l i t i e s h e r ew ew i l ld i s c u s sa n dr e s e a r c h ： 1 ) t h eb a c k g r o u n d a n ds t a t e o f a r to fr e l a t e dt h e o r i e sa th o m ea n d a b r o a d ，t o g e t h e rw i t h t h eh i s t o r i e sa n dt r e n d so fh y d r a u l i cc a d i i i 广东工业人学t 学硕十学位论文 t e c h n o l o g ya n dc b r ； 2 ) t h eb a s i cp r i n c i p l e sa n d c r i t i c a lt e c h n o l o g i e so fc b r ，t o g e t h e rw i t h t h ef e a t u r ee x p r e s s i o n o f h y d r a u l i cs y s t e m a n di t sd a t a b a s e d e v e l o p m e n t a l s ot h e f u l f i l l m e n to fc a s ee x p r e s s i o n ，r e t r i e v a l ， r e u s ea n dm o d i f i c a t i o ni ss t u d i e d ； 3 ) h o wt od r a wt h ep r i n c i p a lc i r c u i t s o fh y d r a u l i ct r a n s m i s s i o nd r a f t ， a n dt h ed e v e l o p m e n to fc o m p o n e n t s a n db a s i c s t a n d a r dc i r c u i t s c a dd r a w i n gl i b r a r y ； 4 ) a n dt h ed e v e l o p m e n t o fp r o t o t y p eo p t i m i z a t i o n p l a t f o r m f o r h y d r a u l i c t r a n s m i s s i o n d r a f t a f o r e m e n t i o n e ds t u d i e s ，a tt h es a m et i m e ，t a k ea c o m p u t e r a i d e d j u s t b a s e do n d e t a i ld i s c u s s i o n o na l lf u n c t i o n sa n do p e r a t i o no fi t f i n a l l y ，u t i l i z et w oe n g i n e e r i n g e x a m p l e st oh a v ead e m oo ft h i ss y s t e ma sac h e c ko ff e a s i b i l i t ya n d p r a c t i c a b i l i t y k e y w o r d s ：c a s e b a s e d r e a s o n i n g ( c b r ) ，h y d r a u l i c t r a n s m i s s i o n ， o p t i m i z a t i o n ，c o m p u t e ra i d e d ，c a s er e t r i e v a l ，c a s er e u s e ， m a t c h i n ga l g o r i t h m ，s i m i l a r i t y i v 广东t 业人学t 学硕i j 学位论文 独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我 个人在导师的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或致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，不包含本人或其他用途使用过的成果。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的 兑明，并表 示了谢意。 本学位论文成果是本人在广东工业大学读书期间在导师的指导下取 得的，论文成果归广东工业大学所有。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任，特此申 明。 7 0 髟 眵 如一褂 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 液压传动系统( 常简称为液压系统) 作为现代机械设备实现传动与 控制的重要技术手段，在诸多领域应用广泛；并且随着液压系统研究的 不断深入和应用的日益普及，液压系统设计己成为某些机械系统设计的 主要方面。然而，要设计一个优秀的液压系统传动方案，往往要求设计 师不仅具有扎实的基本理论知识，也应具有丰富的工程实践经验。液压 系统传动方案设计时要遇到大量的图表、数据、设计规范、元件或标准 回路和试验结果，传统的设计方法往往是利用人工进行资料检索，手工 进行计算和方案的拟定，这需要较多的人力和较长的设计周期，设计效 率非常低。 随着计算机技术的迅速发展，越来越多的软件应用于企业，特别是 针对于工程设计的软件更是应用广泛。自从上世纪7 0 年代美国麦道飞机 公司率先开发出预测液压元件和系统工作性能的a f s s ( a d v a n c e df l u i d s y s t e ms i m u l a t i o n ) 仿真程序软件包开始，计算机技术便在液压领域逐渐 展开了广泛的应用。但毋庸置疑，主要的液压c a d 技术大多都是以单个 系统或系统的子系统为研究对象来进行的，在液压传动方案设计方面尤 其如此。直到上世纪8 0 年代初基于案例推理( c a s e b a s e dr e a s o n i n g ，c b r ) 技术的出现，人们便逐渐转为将某一个或几个领域范畴作为对象进行研 究，把已有的专家知识组织起来用以解决工作中遇到的新问题陟u s 】。c b r 是一种类比推理方法，它旨在利用过去的案例或经验进行推理来求解新 问题，既可以有效地整合和利用已有的案例和工程实践经验，又可以实 现案例的最相似应用，结合计算机辅助技术( c o m p u t e ra i d e d t e c h n o l o g y ) ，可以在人们初步构思、判断和决策的基础上，利用计算机 对大量资料进行检索，并根据相应的技术要求进行计算、分析和优化， 辅助人们完成工作【，j 】。 目前，c b r 技术在液压工程领域的应用日益广泛而深入，但主要还 只限于液压系统故障诊断的研究方向上，至于如何在液压传动方案设计 过程中有效利用过去的成功案例和设计经验，用于帮助设计人员对传动 方案进行选优，还很少见到这方面的研究，这也成为液压传动系统设计 中一个具有实际意义的课题。 广东t 业人学工学硕- 1 j 学位论文 1 2 液压c a d 技术的发展现状和发展趋势 液压c a d 的研究开始于7 0 年代，美国麦道飞机公司率先开发出预 测液压元件和系统工作性能的a fs s ( a d v a n c e df l u i ds y s t e ms i m u l a t i o n ) 仿真程序软件包，使液压设计从经验估计上升到定量分析的阶段。 8 0 年代初，德国亚琛工业大学研制成功d s h ( d i g i t a ls i m u l a t i o no f h y d r a u l i cs y s t e m ) 仿真系统。该系统采用模型库解决液压系统各种常用 液压元件的动态模型，用户使用该系统前应预先根据系统所规定的特殊 规则，建立仿真对象的描述文件，输入到程序中，程序可根据描述文件 自动建模，并完成模型求解、结果数据处理和输出曲线绘制等工作。同 期另一个影响较大的仿真软件是英国巴斯大学的h a s p 软件包，该包除 具有d s h 所有的性能外，还可以进行静态仿真。进入8 0 年代后，交互 式图形学逐渐进入液压领域，在绘图方面取得了更大的进步。德国斯图 加特大学首次推出计算机设计液压原理图的程序包。g u l l i c kd o b s o n 有限 公司推出了适用于采矿机械的液压c a d 的专用软件包，该包除具有设计 原理图功能之外，还可以生成三维阀块、绘制零件图及简单部件的装配 图。亚琛工业大学还研制出个设计液压阀块的h y k o n 软件包，包含 有一个多种液压软件结构数据的数据库，能根据设计人员输入的信息， 布置阀块上的元件及连接螺孔，自动进行阀块管道的设计和校核。美国 v i c k e r s 公司利用c a d 技术进行液压系统原理图的绘制和计算，进行液 压泵、马达、阀和集成阀块的方案设计及零、部件绘制【引。 国内液压界的c a d 研究起步约在8 0 年代初开始。最初只是在用计 算机对特定的液压系统或元件进行仿真，也有些研究涉及有限元分析、 参数辨识和优化设计，后来才发展到设计和绘图。浙江大学19 8 4 年移植 成功d s h 程序并作了二次开发，扩充了液压管道静、动态性的功能，并 对软件的算法、提高软件效率、本地化、国产化作了有效的尝试，推动 了计算机c a d 技术的进步。北航与西北工大在8 0 年代初，对美国麦道 公司的a f f s 软件进行了移植取得了一定的效果【卜2 1 。 七五期间，由机电部北京自动化所负责，联合浙江大学、大连理工、 上海交大等院校和专业厂家共同完成了“液压元件及系统的计算机辅助 设计”的公关项目，该项目建立了一个基本的液压c a d 系统，包括基础 理论、液压元件设计、图纸管理及液压系统设计的液压c a d 系统。 一个完善的液压c a d 系统是一个以工程数据库为中心，以图形为主 要手段，包括设计计算、绘图、工程数据处理、动态仿真和优化等功能 在内的集成的、结构开放的系统【：】。总的说来，液压系统c a d 一般在以 下几个方面有所应用【卜：，】： 2 第一章绪论 1 )设计液压系统原理图。根据设计要求和选定的系统结构类型， 得出液压系统原理和元件明细表。 2 )专用液压元件的设计。根据给定的设计参数，寻找专用液压件 的满意图形、数据或结果。例如：进行液压缸、液压阀、油箱 等元件的性能或结构设计；进行集成块孔道的设计和校验等。 3 )液压系统管道安装图的设计。根据主机总装配图( 或有关数据) 、 以设计好的液压系统原理图和元件明细表，绘制两维或三维的 液压系统管路安装图。 4 )分析液压系统的静态特性。根据设计参数对系统负载特性、能 源利用率、发热与温升等技术特性进行分析，并可反复修改设 计参数，直到获得满意结果时为止。 5 )分析和预测液压系统的动态特性。根据初步设计好的液压系统 建立起数学模型，进行稳定性分析或动态相应数学仿真，通过 数据或图形曲线显示其结果。并可反复修改系统参数，直到获 得满意结果为止。 目前液压c a d 软件的发展方向是设计、仿真、绘图一体化。在今后 的研究中，以下几个方面值得关注： l1 智能化它体现在以下几个方面：根据不同的工况要求自动推荐 符合设计要求的液压系统原理图设计方案；根据不同的系统原理设计和 工况要求，自动生成常规的可以借鉴的技术参数和要求，用以指导系统 的施工。 2 1 集成化液压系统c a d 设计平台的开发目前主要还只是针对原 理图绘制的实现，在系统的仿真分析方面虽然已有一定的进展，但还有 待于进一步完善。 3 ) 网络化目前的液压系统设计平台还只能支持单机的操作，大型 系统的设计开发往往是按不同的功能模块单独设计而后在进行整合来实 现的。随着网络技术的发展，液压设计领域也需要借助基于网络的协同 设计来完成大型液压系统的设计和性能分析。目前的商用平台还没有提 供这方面的功能，具体的还有待于进一步研究。 4 ) 三维化和虚拟化这主要是面向系统的仿真分析而言的。目前的 系统仿真分析主要是面向系统性能的二维数学分析，不能表达出诸如油 液的流向、各油路压力的变化、各液压元件的动作顺序及其工作机理等 重要内容，用户在使用、维护过程中，难以凭借这种二维数学分析结果 快速查找和排除故障。三维化和虚拟化的目的是要在二维数学分析的基 础上，开发出液压系统虚拟现实的工作空间，用以指导系统的设计、使 用和维护。 3 广东t 业大学t 学硕：l ：学位论文 1 3c b r 技术的国内外研究现状 基于案例推理( c a s e b a s e dr e a s o n i n g ，简称c b r ) 是近年来人工智 能领域中兴起的一项重要的推理技术，是支持直接重用部分的或可能不 全的经验知识( 以案例的形式储存) 以解决复杂问题的一种计算方法。 c b r 出现的主要原因是传统的基于规则的系统在知识获取问题上存在困 难。不能做实例的例外处理。基于实例推理来自认知科学中记忆在人们预 期和决策时所扮演的角色，知识源是已经存在的实例，而不是规则i 8 9 1 。 案例推理技术起源于美国耶鲁大学r o g e rs c h a n k 于1 9 8 2 年在 d y n a m i cm e m o r y 一书中的描述，是人工智能领域中较新崛起的一种 重要的基于知识的问题求解和学习方法，它解决问题是通过重用或修改 以前解决相似问题的方案来实现的】。 最早的一个c b r 应用系统是c y r u s ，由j a n e tk o l o d n e r 在耶鲁大学 开发。它是基于r o g e rs c h a n k 的动态存储器模型( 认知模型) ，主要用于 处理对活动安排的查询，如各种旅行和会议等。这成了后来许多c b r 系 统的基础。另一个重要基础是19 8 9 年b r u c ep o t e r 在德克萨斯州立大学 提出并发展的机器分类学习的概念。他提出把领域知识和特殊的案例综 合成为一个统一的表达方式，这种表达方式在19 91 年开发的g r e b e 系 统中得到了进一步的发展】。8 0 年代后期，美国r e m i n d 系统的产生， 被认为是c b r 从认知科学向人工智能方向转变的标志。另一个对c b r 做出重要贡献的系统是h y p o ，它是由麻萨诸塞州立大学的e d w i n a r i s s l a n d 小组开发的一个法律案例系统。在这个系统中案例不仅用来得 出结论，而且还用来解释和评估结论；19 86 年出现的c h e f 系统全面讨 论了实例的表达、检索、修改、测试及从失败中学习等问题，标志着c b r 基本框架已经形成；而19 87 年h y p o 法律系统的成功开发，则丰富了 c b r 的应用范围5 1 。表1 1 给出了几个c b r 发展历程上典型的c b r 系 统。 表1 1 早期的典型c b r 系统 t a b l e3 - 1p r e v i o u st y p i c a lc b rs y s t e m 系统名称发表年份研究领域核心主题 c y r u s19 8 0 外交记忆组织案例的获取 恐怖主义案例内容的呈现与案例 i p p19 8 0 学习 4 第一幸绪论 m e d i a t o r19 8 5 调停案例式问题的解决能力 j u d g e19 86 法律案例式评估 c h e f19 8 6 烹饪案例式计划学习 h y p o19 8 7 法律案例式推理 相对于国外，国内真正运用到生产或商业化的c b r 系统还很少，目 前主要集中在大学和科研院所的研究应用。中国科学院计算技术研究所 在这方面曾进行了一系列的研究。如，19 91 年李保东、史忠植提出了记 忆网模型和案例检索算法：l9 9 3 年周涵研制了基于案例学习的内燃机油 产品设计系统e o f d s ；19 9 4 年徐众会开发了基于案例推理的天气预报系 统；19 9 5 年赵钢开发了基于案例推理技术的降水过程预测系统；19 9 6 年 王军开发了基于案例推理的淮河王家坝洪水预报调度系统f o r e z ；2 0 0 0 年叶施仁等研制了鱼情分析案例专家系统等。中国科学院合肥智能机械 研究所也曾做过此方面的应用研究。如，熊江天等研究了作物病虫害案 例诊断与预测系统；乔克智等研制了基于案例推理的螟虫测报系统；李 绍稳等研究了基于案例模糊推理作物病害预测系统；杭小树等研究的基 于c b r 的农作物病虫害预报专家系统等；此外，一些大学如中国科技大 学、华中科技大学、吉林大学等也曾对c b r 做过研究应用叫。】。 当前在液压工程领域，基于案例推理技术主要应用在液压设备的故 障诊断上。广东工业大学的黄志坚教授在其博士论文m ，中详细论述了各 种推理技术及其在轧机液压故障诊断与监测上的应用，开发出热轧机活 套液压故障诊断系统1 ，并协同机电液智能控制研究室在2 0 05 年的广州 市科技计划项目大型薄板连轧机组自动轧钢智能监测系统的系统开 发中进行了成功应用。文献【l8 】以基于案例推理的专家系统为内核，开发 出了用于液压挖掘机故障诊断的系统平台；文献【19 则针对液压活套系统 的特点，将系统的特征信号作为案例推理的特征对活套系统进行故障诊 断，构造出了诊断系统的结构，并在实践应用中取得了良好的效果。而 在液压设计方面，基于案例推理技术目前也主要应用在液压零件的智能 设计系统的开发上，如文献 2 0 】以液压缸产品族为研究对象，结合基于规 则推理技术，开发出了面向液压缸产品族的智能设计系统，给出了设计 系统的总体功能结构和工作流程、实例数据库和三维实例模型库的构建 方法和推理过程，不仅可以实现产品的快速设计，还可以提高设计的自 动化、智能化水平。 目前，随着人们对c b r 研究和应用的逐渐深入，使得c b r 的应用范 围和领域还在不断扩大。先后在通用问题求解、法律案例、医药医疗、 天气预报、机器故障诊断、企业咨询决策等方面获得应用，并证明了c b r 5 厂不1 业人学工学坝l 学位论义 方法的有效性和实用性。在网络和电子商务方面的应用也在不断展开。 例如，网上商店智能向导、网上信息智能咨询系统、网上c br 开发工具 等。但就总的说来，c b r 的各种应用在美国和欧洲已经得到相当发展， 居世界领先，而国内还相对落后，尤其是在工程设计领域方面，真正具 有实用性的c b r 系统还很少。 表1 2 简要介绍液压c a d 技术和人工智能专家系统在液压工程中应 用领域和特点。 表1 2 液压c a d 及人工智能与专家系统在液压工程中的应用 t a b l e1 2h y d r a u l i cc a da n da r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e ( a i ) & e x p e r t s y s t e m ( e s ) a p p l i c a t i o ni nh y d r a u l i ce n g i n e e r i n g 应用类应用领域说明 型 液压绘制液压系统原理图完善的液压c a d 系统 c a d是一个以工程数据库 液压元件及系统的设计、计算和信 为中心、以图形为主 息存储 要手段，包括设计计 零、部件图自动绘制 算、绘图、工程数据 液压集成块的辅助设计和校核处理、动态仿真和优 化等功能在内的集成 有限元分析和动态仿真 的系统。 人工智液压回路的设计、监控与维修结合以往知识规则或 能与专 实现重载车辆位置、速度、加速度 案例实现需要大量经 家系统验才能解决的复杂问 智能控制的液压阀结构设计 题求解。 液压系统智能设计 液压系统原理图、装配图智能制作 等 6 第一章绪论 1 4 本文内容 1 4 1 课题来源 本课题源白天津布柯玛公司，该公司是一家专门从事液压传动与控制 成套设备及其相关元件设计、制造的中、小型企业，主要业务包括生产 国内外规格的蓄能器及配件、液压系统的设计制造。在该公司的实际设 计过程中，设计工作往往是在完成前期的论证工作之后，由设计人员在 c a d 系统下来完成的。这一过程不能极大限度地利用已有的设计案例和 经验，设计效率也不高，随着公司的发展，迫切需要一个具有智能化程 度的液压系统设计平台，辅助工程设计人员以高效、快速地进行系统设 计等工作。 1 4 2 研究目的与意义 在对传统液压传动方案设计流程和典型液压系统案例研究与分析的 基础上，本课题旨在对液压传动方案的基于案例推理的选优技术展开研 究，并在此基础上开发相应的选优系统，用于帮助设计人员完成液压传 动设计方案的选择、缩短液压系统设计的周期、提高液压系统设计的效 率，并在实践中加以应用和改进。 液压传动方案的设计是整个液压系统设计流程中相当重要的一个环 节，其设计质量对于整个系统乃至主机的设计周期长短、技术经济性能 优劣有着举足轻重的作用。本课题的意义在于通过对专家系统和优化技 术基础理论的研究，将液压系统设计流程与经典案例和设计经验有效结 合，并充分整合到系统设计开发的过程中，能在液压传动方案的设计过 程中，为设计人员提供最佳方案，可有效提高液压系统的设计效率、缩 短了设计周期、也能极大地方便系统设计的修改与更新。本课题有较大 的实用意义和经济效益。 1 4 3 主要研究内容 本课题主要研究c b r 技术在液压传动方案计算机辅助选优中的具体 应用，并据此开发出相应的选优系统。在综述国内外c b r 理论和实例的 基础上，通过对传统液压传动方案设计的研究与分析，总结液压传动系 统的特征描述，提出了基于c b r 技术的液压传动方案计算机辅助选优系 7 广东t 业大学t 学硕上学位论文 统模型。重点研究了典型液压回路选优过程的实现，并且开发了一个具 有数据输入、信息查询和案例推理能力的原型系统。 主要内容包括： 1 )分析研究背景和国内外相关理论的研究现状，研究液压c a d 技术和c b r 技术的发展现状和趋势； 2 )分析和总结c b r 技术的基本原理和关键技术，研究基于c b r 技术的液压系统特征描述和数据库的开发，研究c b r 案例表达、 检索、提取、重用和修改等的实现； 3 )研究液压传动方案原理图绘制的实现方式，开发相应的用于快 速实现原理图绘制的液压元件和典型液压回路图库； 4 )在理论方法研究的基础上，研究开发液压传动方案计算机辅助 选优的原型系统，并就该系统的具体功能和操作进行分析。通过 推理实例演示系统的运行，验证本文研究理论的可行性和实用性。 8 第二章c b r 的基础理论0 关键技术 2 1 概述 第二章cbr 的基础理论与关键技术 基于案例推理( c a s e b a s e dr e a s o n i n g ，简称c b r ) 是近年来人工智 能领域中兴起的一项重要的推理技术，是支持直接重用部分的或可能不 全的经验知识( 以案例的形式储存) 以解决复杂问题的一种计算方法。 与基于规则的推理模式不同的是，基于案例推理模式通过访问案例库中 的同类案例( 源案例) 的求解从而获得当前问题( 目标案例) 的解决方 法 lo l 。基于案例推理首先是由美国耶鲁大学罗杰沙克( r o g e rs c h a n k ) 在研究动态存储器技术中发现的，并在19 8 2 年所著d y n a m i cm e m o r y 一书中提出了动态记忆理论，这被认为是最早关于c b r 的思想。经过二 十多年的发展，目前c b r 已成为人工智能与专家系统的一种非常具有生 命力的推理技术，广泛应用于诸多领域，并受到越来越多的重视。 本章将首先简要论述c b r 的基本原理，而后结合液压传动系统就 c b r 实现与运用上的几个关键技术进行探讨，并对c b r 今后的发展进行 展望。 2 2c b r 的基本原理 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 达，而案例本身则可用规则、框架、语义网络或面向对象的方法实现。 案例按一定的模式在知识库中组织，般来说，基于案例推理具有如下 推理步骤： ( 1 ) 提出问题输入待解决问题的要求、初始条件及其它相关信息。 ( 2 ) 提取案例根据问题要求及初始条件，从案例中提取一组与当 前问题相似的案例。 ( 3 ) 修改案例从相似案例中找出最相似的案例或通过多个案例的 组合，形成目标问题解决方案，并通过对目标方案的修改来满足当前的 要求。 ( 4 ) 存储案例问题解决之后，当前的解即可作为新的案例存入案 例库中。 9 广东工业人学t 学倾r 1 学位论文 一般来说，一个简单c b r 推理循环由案例检索( r e t r i e v e ) 、案例重用 ( r e u s e ) 、案例修改( r e v i s e ) 和案例保存( r e t a i n ) 四个部分组成，这也是通常 所说的“4 r ”循环，如图2 1 所示。作业时，由使用者先厘清当前问题 条件，随后据此在案例库中进行搜索，选择出与当前条件最为相似的案 例用以对当前问题进行求解，并对求解方案进行评估，最后将新求解的 案例添加到案例库中以对案例库进行更新_ 1 。 p r o b l e m 了 c o n f i r m e d s o l u u o l a 了 s u g g e s i e d s o l u t i o n 图2 1c b r 推理循环 f i g 2 1c b rr e a s o n i n gc y c l e 案例检索是从案例库中查找一个与当前问题相匹配的案例进行案例 重用，如果该案例满足设计要求，则将相应的结果输出，否则根据设计 要求，对检索出的案例进行修改。案例检索过程中需要解决两个问题， 一个是案例的表示，另一个就是案例之间相似度的计算。 案例重用是从检索出的一组案例中获得求解方案，判别是否符合要 求，若符合，则重用这些方案( 或多个方案的合并解) ，否则需要修正。 案例修改是从相似案例中修正求解方案，使之适合于求解当前问题， 得到当前问题的新求解方案。 1 0 第二章c b r 的基础理论j 关键技术 案例保存用于将新案例及其求解方案根据一定的策略存入案例库 中，用于解决后续可能面临的待解问题。 2 3c b r 实现的关键技术 c b r 实现的关键技术主要包括案例表达、案例检索、案例重用、案 例储存与维护等。 2 3 1 案例表达 任何一个智能系统的核心都是知识，知识获取、知识表达、知识处 理是构造人工智能系统的三大支柱，而知识表达处于中心地位，直接对 智能系统的知识库操作产生最主要的影响。在c b r 中，案例表达与组织 是基于案例设计面临的首要问题。采用怎么样的表达形式和结构，使得 案例能被充分、灵活、方便的应用，一直是研究的热点之一。 知识表达是关于如何描述事物所作的一组约定，是知识的符合化过 程。知识表达方法学的主要问题就是设计各种数据结构，即知识形式的 表达方法，它研究表达与控制的关系、表达与推理的关系以及知识表达 和其他领域的关系。一般地，任何一个给定的问题都有多种等价的表达 方法，其能力也各不相同。案例表达是知识表达的一种，案例( c a s e ) 是关 于某一段经历的上下文相关的知识描述，案例描述内容、方式等与检索、 评价和修改等过程有着密切的联系，因而直接关系到推理的效率和解的 优劣。 1 、案例表达的方法 案例表达目前尚无统一的方法。c b r 主要是s c h a n k 提出用脚本 ( s c r i p t s ) 来表达c a s e ，脚本用于记录与某一特定情景相关联的特定信息， 即用特定结果的一系列特征来描述实例。基于这一思想，目前知识系统 中采用了产生式规则( r u l e s ) 、框架( f r a m e ) 、特征对( f e a t u r ep a i r ) 、 谓词、属性向量、数据库、语义网络、面向对象的结构化表达等多种方 法【2 2 _ 2 3 】。 案例库中的每一个案例都包括两方面的内容，即包括过去求解问题 的描述和解决方案。案例的内容随具体求解领域不同可能略有差异，对 于简单的情况，一个案例就是导致特定结果的一系列特征。但对于一个 复杂的问题，案例所含的内容就很复杂，一个复杂的案例甚至可以是若 干个子案例的组合。在具体实现案例时，可用案例特征属性、框架或语 广东工业人学t 学硕十学位论义 义网络等形式表示 2 4 】。 1 ) 案例特征属性表示法 案例特征属性表示方法是最简单的案例表示方法，它用一个或者是 多个集合来表示一个案例，这个集合是由这个案例的各个特征属性组成 的。这种表达方式的特点就是方法十分简单，表达明了，但是它的缺点 是检索很不方便，不利于进行案例检索。 2 ) 框架表示法 框架( f r a m e ) 理论首先是19 7 4 年由m i n s k y 在其论文“af r a m e w o r kf o r r e p r e s e n t i n gk n o w l e d g e 中提出的一种知识表示方法【2 5 】。他从心理学的观 点出发，认为人们在日常生活的认知过程中，使用了大量前人的经验而 获得许多新的知识，这种知识以一种类似框架的结构存储在人脑中。当 遇到一个新事物时，就从记忆中找出一个合适的框架，并根据新的情况 对其细节加以修改、补充，从而形成对这个新事物的认识。这种通用知 识设计表达的机制称为框架，又称为画面理论。很明显，框架的建立思 想与c b r 的思想相一致，所以比较适合表达c b r 推理技术的知识表示即 案例表示。 框架表示法是一种适应性强、概括性好、结构化好、推理方式灵活、 能把陈述性知识和过程性知识相结合的知识表示方法。一个框架通常由 框架名和若干个称为“槽”的结构组成，每一个槽又可以根据实际情况 拥有若干个侧面，每一个侧面也可以拥有若干个侧面值。框架的槽值和 侧面值，既可以是数字、字符串、布尔值，也可以是一个在满足某个给 定条件时需执行的动作或过程，甚至还可以是另外一个框架的名字。 框架一般用b n f ( b r d c k u s 范式) 表示，下面是一个3 层框架的表示结 构： ：= ：= ) ：= ：= i i l 在框架的一般表示中，一个框架是由框架名和若干个槽组成，每个 槽又包括若干个侧面，每个侧面又包括若干个值，框架的各个槽中存放 着对象的属性名，也可以是一个子框架名，侧面用于存放对象的属性， 侧面值存放属性值。有一些约束条件，主要是为了给框架、槽或侧面附 加说明信息，这些说明信息用来指出什么样的值才能填入到槽或侧面中 去。 1 2 第二审c b r 的暴础理论j 关键技术 3 ) 语义网络表示法 语义网络是知识的图解表示，语义网络是一种带有标志的有向图， 它由节点和弧组成，与框架结构相类似，适宜表示物体间的关系及相互 作用。但它有非有效性和非清晰性的缺点，也不适用于表示过程型的知 识。 虽然实例表达目前尚无统一的方法，但在建立一个具体的专家推理 系统