基于Web的飛機復合材料典型構件設計知識庫系統研究

李 晨，梅中義

LI Chen, MEI Zhong-yi

（北京航空航天大學 機械工程及自動化學院，北京 100191）

0 引言

隨著網絡技術和數字化設計制造技術的發展，飛機的構件的設計趨向于無紙化和數字化，我國航空企業里對企業內部網（Intranet）的使用越來越普遍。

知識庫是知識工程中結構化的，易利用且易操作，全面而有組織的知識集群，是根據某一（或某些）領域求解問題的需要，采用某種或若干知識表示方式在計算機存儲器中存儲、組織、管理和使用的相互聯系的知識片集合[1]。采用知識庫系統進行飛機復合材料典型構件設計可以幫助飛機設計人員檢索、參考以往相關成功實例，在此基礎上開發新產品，可以有效提高產品設計效率。

本文利用知識庫系統和網絡技術，開發了一個基于web的飛機復合材料典型構件設計知識庫系統，它歸納總結了某航空企業內部以往典型構件設計經驗和實例模型，初步實現了企業內部網絡層面的信息共享和部門間協同設計，對航空產品開發具有明顯的現實意義。

1 知識庫系統總體設計

1.1 知識庫系統邏輯結構

復合材料典型構件設計知識庫系統根據面向對象的思想特點結合企業工業生產對降低系統升級與維護成本和工作量的要求，采用B/A/S結構，即由瀏覽器、邏輯應用層和服務器三層組成，其邏輯結構如圖1所示。

圖1 復合材料典型構件設計知識庫邏輯結構圖

1.2 知識庫系統框架結構

復合材料典型構件設計知識庫系統框架結構如圖2所示，系統包括數據知識庫、實例檢索調用模塊、輔助設計客戶端和CATIA軟件系統、知識庫維護模塊四個部分。

1）實例檢索調用模塊

實例由構件的基本屬性數據集和.CATPart格式的模型文件構成。實例檢索調用模塊根據現有的企業內部總結的飛機典型構件實例添加到數據庫中，用戶通過網頁界面輸入檢索條件，后臺算法通過比較數據庫中現有的實例選取相似度最高的實例從而進行篩選和調用，為設計人員進行新的設計提供參考。

圖2 復合材料典型構件設計知識庫系統框架

2）輔助設計客戶端和CATIA軟件系統模塊

該模塊是系統與C A T I A 軟件交互和運用CATIA軟件進行二次開發的模塊。主要作用是輔助設計人員快速準確的對典型構件進行建模，生成模型和圖紙文件。設計人員可以根據客戶端界面的提示輸入構件相應的尺寸數據或者直接在CATIA軟件界面中自行修改屬性，建模完成后，經系統管理人員審核通過將.CATPart文件和構件的基本屬性數據集一并保存上傳到網絡服務器端，生成新的實例。

3）知識庫維護模塊

知識庫維護模塊供系統維護人員對庫中實例進行修改、刪除、新增操作。將構件的基本屬性數據如編號、尺寸、應用機型等數據和相應的.CATPart格式模型文件存入知識庫的過程定義為入庫過程。系統維護人員通過對構件實例的屬性進行修改或者更新操作，新增實例或刪除實例完成維護。

2 知識庫實例信息組織形式

飛機復合材料典型構件指用戶所歸納的結構上比較相似的飛機復合材料構件，典型構件不同于標準件，具有數量多，使用率高和在改型機上可重用的特點[2]。本文根據飛機復合材料典型構件的主要形狀特征將其分為六大類：包括Ω型材、O型材、工字梁、T形梁、Z型梁和槽型梁。

復合材料典型構件的實例信息是對典型構件的具體描述和數據化，以特定的數據集形式存儲于系統數據庫中。為了唯一確定某個構件的實例信息，這里我們引入主鍵的定義：構件實例數據庫中對所有構件的信息的總結組成一張數據表定義為Am×n=(aij)m×n(i=1,2,…,m；j=1,2,…,n)，數據表中某行amj(j=1,2,…,n)表示某一個構件的全部信息；某列ain(i=1,2,…,m)表示構件的屬性信息，有一個列ain或列的組合{aij}（j為任意可能的小于n的正整數），其值能唯一地標識表中的每一行amj，這樣的一列或多列稱為表的主鍵K。依據典型構件信息的特點，本文設定“構件編號”屬性作為主鍵K。

完整的實例信息不僅包括構件編號、構件類型等基本參數信息，與構件設計相關如鋪層情況和鋪層材料的綜合設計信息，還包括可表達構件三維造型的模型圖和典型構件設計規則等附件信息。本文中實例庫中采用具體實例信息描述如圖3所示。

圖3 飛機復合材料典型構件實例信息表達

后臺數據庫的存儲采用混合模式，即構件的基本參數信息和綜合設計信息兩類數據和文字信息存儲采用數據庫存儲模式。構件的附件信息如模型圖和設計規則利用數據庫和文件保存模式：通過數據庫存儲附件文件的保存路徑，附件通過文件保存的方式將上傳至服務器端。

3 知識庫推理機制與算法

3.1 知識庫推理機制

知識庫的推理機制是系統的重要支撐。知識庫系統的推理機制包括完全匹配推理、投影匹配推理、最大連接匹配推理、和基于模糊邏輯的不確定性推理[3,4]。結合飛機典型構件知識庫的特點，本文采用基于模糊邏輯的不確定性推理機制[5]。多檢索條件單結論的模糊產生式規則可表示如下：

1）上式中R表示各子前提間邏輯組合關系，包括析去關系和合取關系等。

2）上式中ωm表示子前提Pm，(m=1，2，…，n)的權重，依據對Pm影響的程度決定ωm的大小，影響程度越大ωm越大，并且一般規定0≤ωm≤1，m=1, 2, …, n，權重應滿足歸一化條件即Tj(0≤Tj≤1)為子前提Pm的真值。

3）CF(r)為規則強度，λ(0≤λ≤1)為規則的閾值，即對規則使用作出了限制。

3.2 實例檢索模糊匹配算法

其中匹配度與權重ωn（n為正整數，表示作為檢索條件的屬性個數）和各屬性子集匹配度相關，m表示對應的某屬性。可用于檢索的屬性包括構件名稱、所屬組件、構件類型、使用環境、應用機型。本文規定根據加入檢索的屬性數量多少決定ωn的值，設定ωn=1/n。例如設計人員同時選擇構件類型為“梁類”，使用環境為“濕熱環境”，其他屬性不做限定時n=2，ωn=0.5，后臺算法將梁類和濕熱環境作為匹配目標在后臺實例數據庫中進行檢索，定義若實例庫中第k條記錄的構件類型屬性為梁類時否則為0，使用環境屬性匹配于此類似，由此根據上面式（2）可以計算出總的匹配度依據匹配度值的大小供設計人員選擇。

4 基于Web的數據庫訪問

該系統運用ASP.NET技術實現網頁前臺用戶界面與后臺Oracle數據庫的交互。通過ADO.NET數據接口實現ASP.NET與Oracle數據庫的連接，ADO.NET是在NET編程環境中優先使用的數據訪問接口也是一個COM組件庫[7]。對系統中數據庫的調用編輯則使用結構化查詢語言（SQL語言）。SQL語言是高級的非過程化編程語言，允許用戶在高層數據結構上工作，它不要求用戶指定對數據的存儲方法，用戶也不需要了解具體的數據存放方式，所以具有完全不同底層結構的不同數據庫系統，可以使用相同的結構化查詢語言作為數據輸入與管理的接口，同時SQL具有極大的靈活性和強大的功能。

5 Web環境下的構件參數化設計

該系統設計在企業內聯網上運行，設計人員通過網頁調用客戶端的CATIA軟件進行實例建模，主要存在兩方面的問題：一方面由于通過網頁腳本進行CATIA二次開發無法實現實時的參數交互，不能使用網頁直接對實例的參數值修改，無法滿足設計人員的設計要求；另一方面由于網絡瀏覽器安全性的限制，在網頁用戶界面上無法直接啟動客戶端本地的應用程序。

針對以上的問題復合材料典型構件設計知識庫系統構件的參數化設計通過采用VB.NET進行CATIA的二次開發，生成可與CATIA實時交互進行參數化設計的可執行文件，作為構件參數化設計的主體。該系統要求用戶預先通過網頁下載VB.NET開發的與本地CATIA軟件交互的可執行文件模塊，保存到系統指定存儲位置，通過ActiveX控件技術實現從網頁啟動已保存至本地的可執行文件，進而通過其間接調用CATIA軟件進行參數化設計。構件具體參數化設計流程如圖4所示。

ActiveX是微軟公司對于一系列策略性面向對象程序技術和工具的稱謂。ActiveX控件是一種可重用的軟件組件（COM），通過使用ActiveX控件，可以很快地在網址、臺式機應用程序、以及開發工具中加入特殊的功能。應用ActiveX控件可實現網頁用戶命令與本地應用程序的交換。

6 系統功能模塊的實現

復合材料典型構件設計知識庫系統可供設計人員檢索查詢以往成熟的設計實例，在其基礎上對構件信息或模型圖進行修改或重新設計，具體設計流程如圖5所示。

圖4 典型構件參數化設計流程

圖5 復合材料典型構件設計知識庫使用流程圖

設計人員可以對設計成功的構件實例進行存儲、修改或刪除等維護操作也可進行全新設計。例如需要新建“蒙皮件一”，輸入所屬組件名、構件類型等構件參數信息；輸入鋪層順序和角度、材料牌號等復合材料參數信息并上傳模型圖和鋪層圖，確認后提交保存入庫。設計人員也可通過檢索實例信息修改或刪除包括模型圖等圖形文件的整個實例，運行界面如圖6所示。

圖6 復合材料典型構件實例維護界面（主要信息）

在進行重新設計時，設計人員可以通過輸入單項或多項檢索條件對知識庫中現有實例進行檢索，查看實例信息和下載構件相應模型圖文件。例如檢索時，設計人員單獨選擇所屬組件“尾段”作為條件或者選擇其他如構件名稱、使用環境、機型等信息多重條件均可進行檢索。點擊選擇，實例的詳細信息將出現在各個屬性后面的文本框中。檢索結果界面如圖7所示。

圖7 復合材料典型構件檢索結果界面

以典型結構件槽型梁為例進行設計，在客戶端輸入槽形梁相應的約束尺寸參數如梁厚度等參數，單擊確認即生成模型文件。參數輸入界面如圖8所示，生成模型文件如圖9所示。

圖8 輸入構件相應參數信息界面

圖9 槽型梁輔助建模運行結果

7 結束語

飛機復合材料典型構件設計知識庫系統實現了Web環境下飛機復合材料典型構件的輔助設計和快速建模，人機交互，知識總結建庫和設計信息分享交流。可以為航空企業內部不同部門間協同設計與并行工程的開展提供幫助，有效減少設計人員工作量，提高產品設計效率。

[1] 梅中義,周俊,梅立,范玉青.復合材料構件設計實例庫的研究[J]. 現代制造工程,2008(05):92-95.

[2] 張開富,李麗萍,楊海成.基于國產數據庫的飛機典型結構件庫設計與實現[J].計算機輔助設計與圖形學學報,2006(03):470-474.

[3] 王睿,杜靜,何玉林,楊顯剛.一種模糊知識庫系統及其推理機制研究[J].計算機技術與發展,2007(03):112-115.

[4] 王共冬,王軍,王巍.粗糙集在復合材料成型工藝事例推理中應用[J].武漢理工大學學報,2012(06):27-31.

[5] 張俊,高燕,于素華.模糊邏輯在數據庫信息檢索中的應用研究[J]. 計算機科學,2013(10):183-189.

[6] 丁雪峰,嚴洪森,薛朝改.基于近似匹配的知識化制造系統自重構研究[J].控制與決策,2008(01):70-74.

[7] Mei Zhongyi, Zhu Sanshan, Muhammad Younus, Amir Saleem. Research on Knowledge-based System for Typical Aircraft Composite Component Design[J].Procedia Engineering,2011, 15, 1431-1435.