基于KBE的施工升降機導軌架快速設計系統開發

朱春陽，王紫媛，李昌冉

(長安大學道路施工技術與裝備教育部重點實驗室，陜西西安710064)

在施工升降機運行過程中，導軌架用來支撐和引導吊籠沿著導軌升降。由于導軌架結構復雜，設計參數較多，計算量大，而當前施工升降機的設計仍采用傳統的CAD技術，運用基本的計算理論及個人經驗進行幾何設計，缺乏設計規范與知識的支持，所以設計周期長，成本高。本文將KBE技術運用到施工升降機導軌架三維設計中，開發施工升降機導軌架快速設計系統，實現知識驅動設計，快速應對市場需求，降低研發成本，為施工升降機的創新設計邁出積極的一步，進而為工程機械設計研發提供實現智能化思路。

1 施工升降機導軌架的設計

1.1 設計特點

導軌架由多個標準節通過螺栓聯結而成，用來支撐和引導吊籠沿著導軌升降，完成施工任務，在施工升降機工作過程中，起著至關重要的作用。

研究導軌架結構，主要對標準節結構進行分析[1]。標準節由主弦管、斜腹桿、齒條、角鋼框架、螺栓、螺母和銷等組成，其端面尺寸有180 mm×180 mm、500 mm×500mm、650 mm×200mm、650 mm×650 mm、700 mm×700 mm、900 mm×650 mm等類型，同時，不同的類型的施工升降機，具有不同規格的標準節。因此，其結構十分復雜，參數又多，如果每設計一種導軌架都用三維軟件重新建模，需要人工輸入的數據很多，工作量大，很容易出錯。而各種標準節主要組成部分基本相同，設計過程中的大部分工作都是重復的。

1.2 現行設計存在的問題

1)在傳統的導軌架設計計算時，許多參數的取值都在一定的范圍內，設計人員只需參考國家標準并根據經驗進行合理選擇即可，但在后期分析計算和計算機繪圖時，需要重復工作，這無疑導致設計效率低下，造成人力物力的的損耗。

2)當前施工升降機的設計仍然采用傳統的CAD技術，停留在二維、三維軟件的初級使用階段，運用一些基本的計算理論進行幾何上的設計。而安全系統評價、新型方案設計等創新性設計，很大程度上還是依賴于設計者的自身經驗和知識，缺乏設計規范與知識的支持，造成設計質量和效率很難再上一個新的臺階。

2 基于KBE設計的關鍵技術

知識工程(KBE)技術是一種面向工程開發全過程的設計方法[2]。企業發展實現信息化進程，KBE技術是不可或缺的前進動力，其可以在設計、制造生產和維護階段得到應用，從而提升企業競爭力。

2.1 KBE系統中知識的獲取

知識獲取的步驟一般是先認識問題的特征，通過總結、了解、尋找問題求解的相關概念，進行知識梳理，最終建立起知識庫系統進行測試。知識的獲取方法有手工、自動和半自動知識獲取三種方式[3]。其中，半自動知識獲取是一種人為輸入知識數據和計算機從知識庫中獲取知識的相結合的過程，NX軟件推出的知識熔接模塊能夠很好地和數據庫結合，實現半自動獲取知識過程。施工升降機導軌架的設計知識大都是從設計計算書、標準準則、安全規范書以及試驗數據書搜集并通過人工方法輸入到計算機數據庫中，同時結合知識熔接技術把施工升降機相關的設計規則、原理以及技術專家交流中的經驗知識表述出來，存儲在知識庫中，融入到施工升降機零件設計中，因此本文采用半自動知識獲取方法。

2.2 KBE系統中知識的表示

知識表示利用計算機能夠識別的語言表達出來，將客觀世界的知識轉換為合適的數據形式。知識表示是知識繼承的載體，是知識獲取和知識推理的首要條件[4]。知識的表示方法多種，本文針對知識熔接技術和數據庫技術相結合的工程技術要求，利用基于規則的表示法和面向對象表示法相結合的方法來描述施工升降機相關知識?；谝巹t的表示法自然靈活、通用性強，允許利用領域知識直接演繹推理，有利于描述一個事件的存在而導致另一個事件的發生并且符合人類的思維模式。但是對于復雜多變的知識概念難以描述。規則表示法分為確定性規則和不確定性規則兩種表述形式。施工升降機導軌架的規則知識大都是直線形確定性事件設計，所以本文在施工升降機導軌架設計過程中主要采用確定性規則的表示形式。

面向對象的表示法具有良好的繼承性、系統易維護、表達能力強等優點，可以將靜態描述特性和動態描述特性的知識同時表達出來和知識的繼承的能力，方便知識的存儲和修改。對于機械設計而言可以將每個特征看成一個對象，將其中相關的屬性規則抽取為可被計算機描述的知識語言。對于一個零件可以歸為一個類用Class進行表述，將共同特征的屬性知識描述類對象之前供類中每一個對象抽取使用。

2.3 KBE系統中的知識推理

知識推理是實現知識驅動設計的動力核心，針對設計的規則和原理知識被描述為機器語言，根據已知條件利用推理機制推出相對應的結果。按照推理方法，知識推理可分為基于規則的推理(RBR)、基于模型的推理(MBR)和基于實例的推理(CBR)[5]。因為施工升降機相關的設計知識規則和理論已經成熟，趨于穩定狀態且比較完善，所以本文采用了基于規則的推理表示方法來描述施工升降機導軌架三維設計規則與事實?；谝巹t的推理是采用if-then形式的推理機制，比較適用于知識體系完整的知識庫系統，將知識和理論抽取為具有前后因果關系的規則模式。

2.4 KBE系統集成技術

本文的KBE系統集成技術包括知識集成和系統集成。KBE系統與之前的傳統專家系統相比在產品設計時更加偏重于知識集成，可以實現在產品設計過程中，充分調動和利用各種知識資源；系統集成方式將KBE系統集成到CAD系統，增加KBE系統的功能，使其變得更加完善。NX系統為KBE系統提供了一個可視化環境，能夠利用面向對象語言對設計的三維模型進行建立和修改，利用數據庫和電子表格來存儲知識信息，以及編輯Dfa文件實現知識的傳遞和規則庫的建立。本文為了方便實現知識的集成，采用統一數據庫，不需要知識數據的轉換，將知識管理系統集成到NX系統中，實現知識庫中數據的添加、刪除和更新以及KF模塊知識的獲取。

3 施工升降機導軌架知識庫建立

知識庫由數據庫、規則庫和實例庫組合而成，具有信息數據處理和利用的功能。對于施工升降機導軌架快速設計系統，知識庫是最核心的一部分，是實現知識為動力的基礎。施工升降機零件的知識庫結構圖如圖1。

圖1 施工升降機導軌架設計知識庫構成圖

3.1 工程數據庫的建立

工程數據庫主要用于存儲施工升降機導軌架零件工程數據。數據庫主要由導軌架的物理性能、常規力學性能以及幾何參數等組成。物理性能主要包括施工升降機導軌架材料、適用范圍、彈性模量、泊松比、剪切模量、質量、熱處理方式、應用實例等。常規力學性能主要包括屈服強度、重力、強度極限、硬度、工作狀態、受力情況等。幾何參數主要包括長度、寬度、高度、面積、體積等幾何信息。將這些信息存儲在Access數據庫中，用ODBC數據庫的形式表達，即可實現數據快速傳遞和共享。

3.2 規則庫的建立

規則庫是知識庫的重要部分，用于存放施工升降機導軌架設計的工程規則[6]。對于設計過程的知識和設計的約束都采用嵌入式源程序法方式表達規則知識。采用基于規則的表達方式將施工升降機零件的相關設計準則和設計方案用KF語言描述出來嵌入到Dfa文件中。對于施工升降機導軌架的標準節的選取部分規則如下：

規則1：if (適用范圍和技術要求)=(單籠升降機，懸臂高度不超出4.5m)

then(標準節規格)=(650×200×1508圓管)

規則2：if (適用范圍和技術要求)=(懸臂高度不超出7.5m)

then(標準節規格)=(650×650×1508圓管)

......

3.3 實例庫的建立

建立實例庫，需要將已有幾何參數、力學性能等完善的知識融入到施工升降機導軌架零件中生成實例模型。這些模型主要由Dfa文件的實例化建立，少數復雜模型可直接建立零件模型。在NX/KF中Dfa文件的獲取方法有兩種，一種是利用NX/KF語言直接編輯而成，比如施工升降機標準節的一些零件如主弦管、斜腹桿、螺栓等零件的建立。另一種方法是幾何采用機制，利用已建好的導軌架零件模型使用知識融合模塊中的Adoption來反求零件模型的知識，然后將零件模型轉化為KF類，用戶可以在KF導航器中添加數學公式、產生式規則、外部數據庫等，進一步修改使其符合KF語法規則，然后保存為新的Dfa文件。

4 導軌架快速設計系統

4.1 導軌架快速設計系統結構

基于KBE的施工升降機導軌架快速設計系統的結構如圖2，主要分為四層，分別是設計知識資源層，設計系統層，集成平臺層和用戶界面層。設計知識資源層主要是施工升降機導軌架的知識庫，包括實例庫、數據庫和規則庫。設計系統層是施工升降機導軌架系統的開發工具，是設計實例模型的核心、知識驅動的動力載體和系統實現運行的中流支柱。集成平臺層實現以NX軟件為平臺，將其他的系統集成到NX平臺中，方便系統操作。用戶界面層將用戶分為知識領域專家、設計人員和系統管理人員，知識領域專家負責將設計過程中的知識進行知識表示，不斷擴充知識庫；設計人員通過交互界面使用系統，輔助整個設計任務的完成；系統管理員負責整個系統的正常運營。

圖2 系統結構框架

4.2 系統用戶界面的開發

(1)用戶菜單界面

在NX軟件平臺，利用Menu Script工具編輯滿足用戶的菜單樣式。設計人員用記事本創建和編輯擴展名為*.men的文件，即可得到相應的菜單形式。

圖3 模塊下拉菜單

本文利用Menu Script工具對施工升降機導軌架系統進行菜單界面設計，在stratup文件中創建caidanlan.men，結合施工升降機導軌架實例設計菜單腳本程序，得到施工升降機導軌架系統菜單界面如圖3。

(2)用戶操作界面

NX的UI Styler應用模塊提供給用戶可視化建立NX風格對話框的功能。用戶可根據需求選擇合適的控件，在屬性編輯器中設置對話框名稱和提示信息實現數據傳輸，同時調整控件位置，實現合理布局。本文對于施工升降機導軌架零件的設計界面采用UI Styler中提供的UI樣式編輯器定制系統操作界面對話框。所創建系統界面對話框見下節實例。

4.3 系統應用實例

以SC型施工升降機導軌架的組成部件標準節的設計為例，說明該系統的實現過程。運行施工升降機導軌架設計系統，點擊菜單欄導軌架零件設計中的標準節，即可加載標準節設計操作界面如圖4，運行結果如圖5。選擇需要建立的標準節類型，生成三維實體模型。

圖4 標準節設計對話框

圖5 標準節設計實例

標準節相關知識分為三類，第一類是幾何參數，包括標準節規格、主弦管規格、角鋼規格、斜腹桿規格、齒條規格、聯結螺栓、聯結螺母以及墊圈規格等，選擇所需這些零件的規格建立標準節模型。第二類是物理性能，選取設計所需材料，讀取知識庫中相對應材料的密度、質量、熱處理方式，為力學計算打下基礎。第三類力學性能，針對上述兩類知識的選取，計算得到相關的力學知識，節約計算時間。

5 結論

本文針對施工升降機導軌架知識的特點，充分獲取現有的設計知識建立知識庫，結合知識工程技術，開發基于KBE的施工升降機導軌架快速設計系統。通過標準節實例驗證，本文設計開發的系統，實現了在設計過程中獲取知識，動態擴充知識庫等功能，極大地方便了設計人員建立三維模型和積累知識，縮短了施工升降機導軌架的開發周期，提高了設計效率。