智能設(shè)計(jì)系統(tǒng)中的實(shí)例推理應(yīng)用

摘要：該文介紹了實(shí)例推理技術(shù)在甘蔗收割機(jī)智能設(shè)計(jì)系統(tǒng)（SHIDS）中的應(yīng)用，包括采用ART網(wǎng)絡(luò)縮小檢索范圍，以最近鄰法計(jì)算相似度提取實(shí)例，引進(jìn)置信度的概念量化實(shí)例評(píng)價(jià)結(jié)果，并輔以規(guī)則推理完成實(shí)例修改等一系列步驟。

關(guān)鍵詞：智能設(shè)計(jì)；實(shí)例推理；甘蔗收割機(jī)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP18文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1009-3044(2008)36-3055-03

Application of Case-based Reasoning in Intelligent Design System

ZONG Feng

(Institute of Computer Engineering， Shandong Yingcai University， Ji'nan 250104， China)

Abstract: This paper introduces the application of case-based reasoning technology in the sugarcane harvester intelligent design system(SHIDS)，including the use of ART network to reduce the search scope， the introduction of nearest neighbor algorithm to calculate the similarity and abstract the case， introducing the degree of confidence concept to measure the evaluated results of case， then accomplish case modification by rule-based reasoning and a series of steps.

Key words: intelligent design; case-based reasoning; sugarcane harvester

1 引言

智能設(shè)計(jì)系統(tǒng)屬于設(shè)計(jì)型專(zhuān)家系統(tǒng)，其任務(wù)是根據(jù)給定的要求形成所需的方案或圖形描述，利用計(jì)算機(jī)全部或部分輔助代替人類(lèi)設(shè)計(jì)師從事“初始設(shè)計(jì)——評(píng)價(jià)——再設(shè)計(jì)——……”的設(shè)計(jì)過(guò)程。[1]推理機(jī)是智能設(shè)計(jì)系統(tǒng)中的核心部件之一，采用實(shí)例推理技術(shù)（CBR）能夠模擬人類(lèi)工程師的思維，避免重復(fù)勞動(dòng)，從而減輕設(shè)計(jì)師的工作量，縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期。本論文以國(guó)家自然基金資助項(xiàng)目甘蔗收割機(jī)智能設(shè)計(jì)系統(tǒng)——SHIDS(Sugarcane Harvester Intelligent Design System)為例，介紹其推理機(jī)模塊中的實(shí)例推理技術(shù)應(yīng)用。

2 SHIDS系統(tǒng)實(shí)例推理模塊

SHIDS系統(tǒng)首先針對(duì)用戶(hù)提出的設(shè)計(jì)要求和使用條件（比如甘蔗破頭率、切割損傷、損耗功率等）完成甘蔗收割機(jī)各部件的功能設(shè)計(jì)和選型設(shè)計(jì)，并返回給用戶(hù)若干個(gè)可行設(shè)計(jì)方案，用戶(hù)可根據(jù)各方案的實(shí)例評(píng)價(jià)及置信度建議進(jìn)行選擇或修改，直至得到滿意方案并以文本輸出，再以設(shè)計(jì)獲得的主參數(shù)驅(qū)動(dòng)生成數(shù)字樣機(jī)。系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)庫(kù)、知識(shí)庫(kù)、推理機(jī)、人機(jī)接口、CAD/CAE/CAM/PDM等幾個(gè)模塊組成，其中知識(shí)庫(kù)和推理機(jī)是專(zhuān)家系統(tǒng)中必不可少的組成部分，是基于知識(shí)推理的基礎(chǔ)和核心。

本論文是在知識(shí)庫(kù)構(gòu)建完成的基礎(chǔ)上，基于該知識(shí)庫(kù)中的成功案例，實(shí)現(xiàn)其推理模塊。實(shí)例推理能夠模擬設(shè)計(jì)師的設(shè)計(jì)過(guò)程，其核心就是利用已經(jīng)設(shè)計(jì)好的方案，根據(jù)新的需求，找出最合適的方案進(jìn)行改進(jìn)。利用基于實(shí)例的推理，也有一些固有不足，例如缺乏比較好的實(shí)例改進(jìn)方法，這就需要和規(guī)則推理結(jié)合使用。在進(jìn)行實(shí)例修改的步驟中，利用廣泛的行業(yè)知識(shí)，大量設(shè)計(jì)師的共同經(jīng)驗(yàn)構(gòu)建規(guī)則庫(kù)，對(duì)實(shí)例推理出來(lái)的實(shí)例進(jìn)行規(guī)則化，讓其首先滿足一般設(shè)計(jì)需求，從而減輕設(shè)計(jì)師手工修改的工作量。因此，該推理機(jī)采用規(guī)則推理對(duì)實(shí)例推理進(jìn)行有益的補(bǔ)充，以取得更強(qiáng)的推理能力。本系統(tǒng)即采用實(shí)例推理和規(guī)則推理相結(jié)合的方法，首先進(jìn)行實(shí)例推理，然后將規(guī)則推理應(yīng)用到實(shí)例的改進(jìn)步驟中，其推理流程如圖1所示。

3 SHIDS系統(tǒng)實(shí)例推理流程

3.1 指定索引

本論文采用ART網(wǎng)絡(luò)算法將實(shí)例庫(kù)中的部件按其特征進(jìn)行分類(lèi)，劃分為若干小的子集，檢索時(shí)只需在相應(yīng)的子集中進(jìn)行，從而不用檢索整個(gè)部件的實(shí)例庫(kù)，提高檢索效率。層次組織關(guān)系如圖2所示。

其層次算法可描述如下：

Step1.根據(jù)實(shí)例特征取值時(shí)，特征存在取1不存在取0的方法，對(duì)實(shí)例特征編碼，構(gòu)成原始索引；

Step2.將原始索引輸入網(wǎng)絡(luò)，設(shè)置適當(dāng)警戒參數(shù)，提取一級(jí)索引；

Step3.從原始索引中剔除一級(jí)索引公共成分，輸入網(wǎng)絡(luò)提取二級(jí)索引，依此類(lèi)推，獲得滿意的N級(jí)索引，并存取各級(jí)結(jié)構(gòu)參數(shù)；

Step4.根據(jù)層次索引和結(jié)果，建立實(shí)例庫(kù)。

2.2實(shí)例檢索

實(shí)例檢索的關(guān)鍵是檢索算法的選取，本論文采用最近鄰法，根據(jù)計(jì)算所得的相似度在實(shí)例庫(kù)中尋找最佳實(shí)例。具體做法如下[2]：

Step1.把用作索引的各項(xiàng)表示為 R（R1，R2，……Rn），以剝?nèi)~子模塊為例，取含雜率，滾筒轉(zhuǎn)速與剝?nèi)~功率。

Step2.對(duì)每項(xiàng)設(shè)定一個(gè)權(quán)值W（W1，W2，……Wn），其中權(quán)值Wi和索引項(xiàng)Ri一一對(duì)應(yīng)，權(quán)值在0-1之間，各索引項(xiàng)權(quán)值和為1，其大小由設(shè)計(jì)工程師根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)定。

Step3.對(duì)于實(shí)例庫(kù)中的實(shí)例，取出相應(yīng)于索引項(xiàng)的值，表示為F（f1，f2……fi），計(jì)算其相似度，本論文中采用改進(jìn)后的加權(quán)最近鄰算法，公式如下：

其中，Rangei是知識(shí)庫(kù)所有的實(shí)例在第i個(gè)索引項(xiàng)的最大值和最小值之差。該算法考慮了實(shí)例庫(kù)中取值范圍的影響，用相對(duì)位置而不是絕對(duì)值來(lái)判斷兩者的相似程度。

Step4.重復(fù)Step3，直到該實(shí)例庫(kù)子集中所有實(shí)例相似度都已求解，表示為Simarity={Sim1，Sim2……Sim m}，m是所有實(shí)例數(shù)。可以找出Simarity中前N個(gè)實(shí)例，即Sim1>Sim2>……>Simn，本論文中n取3。

Step5.實(shí)例提取階段列出的候選實(shí)例中，通過(guò)計(jì)算得出的每個(gè)實(shí)例相似度（Simi），當(dāng)Simi≥0.9時(shí)， 接受該實(shí)例作為新設(shè)計(jì)的一個(gè)解，當(dāng)Simi∈[0.2，0.9]，該實(shí)例應(yīng)加以修改，當(dāng) Simi<0.1時(shí)認(rèn)為無(wú)相似實(shí)例。

3.3 實(shí)例評(píng)價(jià)

對(duì)于被接受的實(shí)例（提議解），只能說(shuō)明它與用戶(hù)需求相似，并不能肯定其工作性能良好，可通過(guò)實(shí)例評(píng)價(jià)模塊進(jìn)行性能驗(yàn)證，SHIDS系統(tǒng)具有專(zhuān)門(mén)的評(píng)價(jià)模塊，調(diào)用該模塊可以對(duì)提議解進(jìn)行模糊推理和BT預(yù)測(cè)的雙重評(píng)價(jià)。評(píng)價(jià)后的最終結(jié)果，引進(jìn)置信度的方法將其量化，如果置信度較高，則說(shuō)明該實(shí)例滿足實(shí)際工作中的設(shè)計(jì)要求，認(rèn)定為成功實(shí)例，以文本形式輸出并保存于相應(yīng)文件夾內(nèi)，且提供給用戶(hù)圖形顯示（前提：數(shù)據(jù)庫(kù)中存在該圖形）；反之，則認(rèn)為該實(shí)例失敗，不符合實(shí)際工作性能要求，建議修改，修改時(shí)從評(píng)價(jià)模塊返回推理界面，調(diào)用實(shí)例修改模塊。

3.4 實(shí)例修改

在實(shí)例修改模塊中，給出用戶(hù)需求與該實(shí)例的索引項(xiàng)之間的對(duì)比，以及該實(shí)例的各主要性能參數(shù)，由設(shè)計(jì)工程師根據(jù)本系統(tǒng)中的規(guī)則推理模塊(RBR)所提供的參考方案及實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)自行手動(dòng)修改，修改后的實(shí)例是否可行，有無(wú)改進(jìn)，則需要再次調(diào)用評(píng)價(jià)模塊對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)評(píng)價(jià)，并且仍采用置信度算法衡量其成敗，成功則輸出保存，失敗則重復(fù)上述步驟，直至成功。

4 SHIDS系統(tǒng)應(yīng)用舉例

以剝?nèi)~模塊為例，根據(jù)系統(tǒng)要求模擬用戶(hù)輸入，甘蔗根數(shù)（根）：1，滾筒轉(zhuǎn)速（rpm）：850，剝?nèi)~功率（KW）：2.6，含雜率（%）：0.7。點(diǎn)擊“確定”，系統(tǒng)推理后給出三個(gè)候選方案，提供缺省方案（缺省狀態(tài)下為相似度最大的方案）的專(zhuān)家解釋?zhuān)c(diǎn)擊“實(shí)例輸出”按鈕，可進(jìn)入實(shí)例輸出界面，通過(guò)界面左下方“評(píng)價(jià)”按鈕再進(jìn)入實(shí)例評(píng)價(jià)界面，在這里可以點(diǎn)擊“模糊推理”和“BP評(píng)價(jià)”兩個(gè)按鈕分別進(jìn)行實(shí)例的性能驗(yàn)證，并可通過(guò)“置信度”按鈕打開(kāi)置信度界面對(duì)其量化分析，如置信度較高則直接以文本形式輸出并保存于SHIDS目錄下的“CaseReasoning”子目錄中，反之則通過(guò)相應(yīng)按鈕調(diào)用實(shí)例修改模塊進(jìn)行修改。SHIDS實(shí)例推理，實(shí)例評(píng)價(jià)，文本輸出，實(shí)例修改界面分別如圖3、圖４、圖５、圖６所示：

圖3 SHIDS實(shí)例推理界面圖4 SHIDS實(shí)例評(píng)價(jià)界面

圖5 SHIDS文本輸出界面圖6 SHIDS實(shí)例修改界面

5 結(jié)論

實(shí)例推理成功與否以及推理質(zhì)量的優(yōu)劣，關(guān)鍵取決于實(shí)例庫(kù)中已有實(shí)例的數(shù)量和質(zhì)量，然而國(guó)內(nèi)外技術(shù)成熟的小型甘蔗收獲機(jī)械實(shí)例較少，缺乏高質(zhì)量的成功實(shí)例，故本論文采用了降低成功實(shí)例量化標(biāo)準(zhǔn)的手段以保證推理順利完成，系統(tǒng)所依托的實(shí)例知識(shí)庫(kù)有待進(jìn)一步擴(kuò)充和完善。

參考文獻(xiàn)：

[1] 蔣占四，李尚平，鄧勁蓮.甘蔗收割機(jī)械智能設(shè)計(jì)系統(tǒng)的研究開(kāi)發(fā)[J].計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與圖形學(xué)學(xué)報(bào)，2004，16(12):1754-1757.

[2] 劉黎，馬利莊，譚武征.產(chǎn)品概念創(chuàng)新設(shè)計(jì)系統(tǒng)—CIDS[J].計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與圖形學(xué)學(xué)報(bào).2006，18(1):114-119.

注：“本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請(qǐng)以PDF格式閱讀原文。”