基于CBR的汽車拆解信息模型及實例庫設(shè)計

李玉剛，徐清魁，韋小華

(安徽江淮汽車股份有限公司，安徽合肥230022)

1 引言

拆解是報廢汽車回收再利用的前提，是提高資源綜合利用效率，實現(xiàn)資源重復利用與環(huán)境保護的有效途徑。報廢汽車零部件拆解方法具有很大的相似性，如金屬零部件間約束關(guān)系多采用螺栓連接和焊接，內(nèi)飾件多采用卡扣連接和膠接，因此拆卸金屬零部件可采用扳手、套筒、絞磨機或氧氣切割機等工具，對內(nèi)飾件可采用撬開卡扣或撕扯予以拆解。因此報廢汽車可借鑒成功的拆解案例及經(jīng)驗實現(xiàn)零部件的拆解。Pitipong Veerakamolmal和 Surendra M.Gupta將實例推理(Casedbased Reasoning)運用于產(chǎn)品拆卸，文獻［1］將實例推理運用于產(chǎn)品拆卸規(guī)劃，得到了優(yōu)于其他方法獲得的拆解序列。文獻［2］主要介紹了運用于拆解的實例推理的推理過程及相似性的計算，文獻［3］主要介紹基于實例推理的產(chǎn)品拆解系統(tǒng)的開發(fā)。實例庫是實例推理的核心部分，而相關(guān)文獻對實例庫設(shè)計探討較少。良好的產(chǎn)品實例結(jié)構(gòu)不僅能夠提高實例的檢索速度，還能夠提高實例檢索的相似效率［4］，實例庫中的實例的存儲形式是汽車拆解信息模型的具體體現(xiàn)，因此研究汽車拆解信息模型對于實例存儲和實例庫設(shè)計都是至關(guān)重要的。

2 汽車拆解信息模型

汽車拆解信息模型是汽車零部件結(jié)構(gòu)信息的集合，是經(jīng)過抽象整理后建立的在結(jié)構(gòu)上具有一定形式的信息模型。信息模型的表達在拓撲上可分為圖結(jié)構(gòu)和樹結(jié)構(gòu)兩種［5］。汽車的拆解在很大程度上取決于其總成和零部件結(jié)構(gòu)，文獻［6］指出對于結(jié)構(gòu)復雜的產(chǎn)品，在建立起信息數(shù)據(jù)模型時，可以將該產(chǎn)品層層分解為部件、子部件和零件，然后分別建模。根據(jù)上述方法，可將汽車分為若干總成、部件和零部件，采用分層多叉樹結(jié)構(gòu)來建立汽車拆解信息模型。在汽車拆解過程中，為了保證零部件的完整性，方便零部件管理及以后回收利用，某些零部件必須同時拆解;而相互制約的零部件一定不能同時拆解。普通的樹結(jié)構(gòu)在表達拆解信息時就存在以下不足之處:①無法清楚的表達出汽車及其零部件的拆解序列;②沒有標注某些汽車零部件是否一定同時拆解。

為解決以上不足，本文采用拆解序數(shù)標記被拆解的零部件來表達拆解序列;定義同一拆解階段一定同時拆解的零部件為“協(xié)同兄弟”，同一拆解階段一定不同時拆解的零部件“互斥兄弟”。采用EER模型中的is_part_of和is_a關(guān)系分別表示“協(xié)同兄弟”和“互斥兄弟”。汽車零部件的拆解過程中，某些零部件之間沒有拆卸約束關(guān)系，通過互換拆解順序可以優(yōu)化拆解順序，標注協(xié)同和互斥關(guān)系后在一定程度上也方便了拆解序列的優(yōu)化?；谝陨?，本文建立的拆解樹模型如圖1所示。某部件由4個零件組成，其中零件A和B一定不可同時拆解，零件D和E一定同時拆解，T表示各個零件對應的拆解序數(shù)。

圖1 拆解樹結(jié)構(gòu)

由于汽車本身結(jié)構(gòu)的復雜，零部件眾多，因此汽車拆解樹是多層次分叉樹結(jié)構(gòu)。另一方面根據(jù)功能需求不同，汽車同一零部件有多種型號可供選擇，如發(fā)動機可按不同方式進行多種分類，不同類型發(fā)動機結(jié)構(gòu)差別較大，對拆解工藝影響較大。這些容易造成數(shù)據(jù)的冗余和混亂，使得發(fā)動機拆解樹的建立困難。為了便于拆解樹庫建立，可將發(fā)動機分解為按原型構(gòu)成和按類型分類。①按原型構(gòu)成。對于同種類型的發(fā)動機，因發(fā)動機自身結(jié)構(gòu)變化很小，因此可以抽象為一般通用的拆解樹模型。②按類型分類。不同類型的發(fā)動機，發(fā)動機結(jié)構(gòu)上有很大差別。對于這種情況，可以參考以往的實例，按類型分類建立發(fā)動機的拆解樹模型。

3 汽車拆解實例庫設(shè)計

3.1 拆解樹向關(guān)系模型的轉(zhuǎn)化

實例庫是實例空間的物理體現(xiàn)，表現(xiàn)為對產(chǎn)品實例的有序組織和管理庫，應包括產(chǎn)品實例的信息、索引和實例間的關(guān)聯(lián)［7］。汽車拆解實例之間的關(guān)聯(lián)是通過汽車及其零部件的結(jié)構(gòu)和內(nèi)在關(guān)系等信息實現(xiàn)的。而拆解樹與關(guān)系模型在拆解的面向?qū)ο蟮某潭壬嫌休^大差異［4］，因此采用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫來表達拆解樹時需要經(jīng)過必要的轉(zhuǎn)化。根據(jù)關(guān)系數(shù)據(jù)庫和拆解樹模型的特點，可得到以下幾個轉(zhuǎn)化規(guī)則:①如果某結(jié)點上面有父節(jié)點，則在“上一級序號”變量中填入父節(jié)點零部件對應的序號;②如果該結(jié)點有子節(jié)點，則在“下一級起始序號”變量中填入子節(jié)點零部件對應的起始序號;③零部件在拆解樹中所處層數(shù)即為該零部件的拆解階段(結(jié)構(gòu)樹的層數(shù)從上向下開始遞增);④零部件ID號由零部件在拆解樹上所對應的層數(shù)和該零部件在該層的列數(shù)兩部分構(gòu)成;⑤零部件是否同時拆解和拆解序數(shù)是否可換等信息在數(shù)據(jù)庫備注中表達。

3.2 汽車拆解實例庫設(shè)計

3.2.1 實例庫的總體設(shè)計及相互關(guān)系

實例庫是實例推理的基礎(chǔ)，它為以后基于實例推理的汽車拆解實例檢索、相似度計算、實例提取和實例修改等過程奠定數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。實例庫的建立包括兩個最重要的方面:實例存儲的內(nèi)容和組織形式［7］。汽車拆解實例庫的存儲內(nèi)容主要包括車型、零部件信息、拆解序列、拆解階段、拆解序數(shù)、拆解工具、拆解難度系數(shù)、拆解人數(shù)等。

實例庫的組織形式有一般兩種:線性結(jié)構(gòu)和漸近索引結(jié)構(gòu)。線性結(jié)構(gòu)是對實例庫中的每個元素進行檢索，不會遺漏任何相似實例，實例管理方便，但實例檢索的效率較低;漸近索引結(jié)構(gòu)將索引特征屬性組成一個層次結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)有利于實例的漸近層次性檢索，檢索效率高。汽車產(chǎn)品零部件眾多，為了提高檢索效率，汽車拆解實例庫采用漸近索引結(jié)構(gòu)。

根據(jù)拆解樹模型特點和零部件管理需要，汽車拆解實例庫設(shè)計為三類數(shù)據(jù)庫:主關(guān)聯(lián)庫、子案例庫和零部件管理庫。各個數(shù)據(jù)庫的存儲內(nèi)容如下:①主關(guān)聯(lián)庫主要用于存儲汽車信息及汽車以總成、組件或功能模塊為拆解單位的相關(guān)拆解信息;②子案例庫主要存儲某一總成、組件或部件的結(jié)構(gòu)和拆解信息;③零部件管理庫主要存儲汽車零部件清單，主要來源于汽車BOM表。

主關(guān)聯(lián)庫可以分別與子案例庫和零部件管理庫鏈接，子案例庫和零部件管理庫之間也可實現(xiàn)鏈接。主關(guān)聯(lián)庫是數(shù)據(jù)庫的“總綱”，對子案例庫和零部件管理庫起引導和控制作用，子案例庫和零部件管理庫是子關(guān)聯(lián)庫的補充和詳細化，子案例庫和零部件管理庫是相輔相成的，可以通過零部件管理庫中的零部件信息鏈接子案例庫查看其拆解信息，也可通過子案例庫被拆解的部件或組件查看其零部件清單。三類庫之間的鏈接通過零部件的序號(數(shù)據(jù)庫中的ID列的序號)和名稱等信息實現(xiàn)的。

3.2.2 各數(shù)據(jù)庫詳細設(shè)計

為了保證數(shù)據(jù)庫的安全、反應速度及穩(wěn)定性，本文采用的數(shù)據(jù)庫平臺是Microsoft公司推出的SQL Server 2008。

(1)主關(guān)聯(lián)庫設(shè)計。由于關(guān)聯(lián)庫中存儲的內(nèi)容的上一層節(jié)點對應的都是同一車型的汽車本身，因此數(shù)據(jù)庫中只記錄其下一層子節(jié)點零部件對應的起始序號。主關(guān)聯(lián)庫數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如表1所示。

表1 主關(guān)聯(lián)庫數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)表

(2)子案例庫設(shè)計。隨著拆解樹從頂端向下分解，汽車零部件分類越來越多，拆卸信息越來越紛雜，為存儲這些信息，可采用兩種方式來建立數(shù)據(jù)庫:分類存儲和匯總存儲。分類存儲即是對所有單一組件或部件分別建立對應的數(shù)據(jù)庫，該存儲方式層次清晰，實例檢索速度較快，但數(shù)據(jù)庫繁多，數(shù)據(jù)庫管理麻煩;匯總存儲即是在一個數(shù)據(jù)庫中將所有組件或部件的所有零件的拆卸信息按一定的層次順序排列記錄下來，該存儲方式數(shù)據(jù)庫單一，方便數(shù)據(jù)庫的管理，同時在實例檢索時可根據(jù)零部件的的上一級節(jié)點零部件對應的序號進行較快的檢索。本文子案例庫的設(shè)計采用第二種方法。其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如表2所示。

表2 子案例庫數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)表

(3)零部件管理庫設(shè)計。零部件管理庫有兩個作用，其一是對汽車拆解的零部件統(tǒng)一管理;其二是為瀏覽汽車零部件具體拆解信息提供導向作用。其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如表3所示。

表3 零部件管理庫數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

4 實例應用

本文以某款車發(fā)動機及其曲軸箱通風裝置為例建立子案例庫和零部件管理庫，并通過檢索驗證數(shù)據(jù)庫的有效性。發(fā)動機主要組件及其拆解序數(shù)如表4所示，由于篇幅限制，僅以曲軸箱通風裝置為例建立其子案例庫和零部件管理庫，其余組件可按類似方法進行建立。曲軸箱通風裝置BOM清單及拆解信息如表5所示。根據(jù)表中的信息，建立的發(fā)動機拆解信息模型如圖2所示，發(fā)動機數(shù)據(jù)庫如圖3所示(圖層從下到上依次為主關(guān)聯(lián)庫、子案例庫和零部件管理庫)。

表4 發(fā)動機組件及其拆解序數(shù)信息

表5 曲軸通風箱裝置BOM及拆解信息

本文檢索上文建立的數(shù)據(jù)庫中的發(fā)動零部件拆解信息驗證實例庫建立的合理性。實例檢索的目的是通過相似度的計算，從數(shù)據(jù)庫中搜索相似度值最大的零部件的所有信息。相似度的計算在程序設(shè)計的推理過程中，數(shù)據(jù)庫中檢索出相似度值最大的零部件信息可按照拆解樹結(jié)構(gòu)進行層次性檢索，即通過檢索上層父節(jié)點對應的組件或零部件信息，然后根據(jù)零部件ID號關(guān)系及子父節(jié)點號搜索下層子節(jié)點對應的零部件信息，按層次結(jié)構(gòu)一直檢索出所有有關(guān)最相似的零部件的信息。其檢索結(jié)果如圖4所示。

圖2 發(fā)動機拆解樹模型

圖3 發(fā)動機主關(guān)聯(lián)庫、子案例庫和零部件管理庫

5 結(jié)語

本文根據(jù)汽車拆解需求和特點，建立了汽車拆解信息模型——汽車拆解樹，提出了拆解信息模型向關(guān)系模型轉(zhuǎn)化的規(guī)則，根據(jù)拆解樹、BOM表和汽車零部件管理的需求建立了由主關(guān)聯(lián)庫、子案例庫和零部件管理庫組成的汽車拆解實例庫，并通過實例檢索驗證了案例庫的有效性，為基于實例推理的報廢汽車拆解系統(tǒng)的開發(fā)奠定了一定的基礎(chǔ)。

圖4 發(fā)動機零部件拆解信息檢索結(jié)果

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