基于知識工程下機(jī)械產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計原理與關(guān)鍵技術(shù)

林 放，盧幸偉，翁國洲

(江門職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 江門 529000)

0 引言

機(jī)械設(shè)計與制造過程中智能化設(shè)計可以極大地縮短機(jī)械產(chǎn)品研發(fā)周期，提高機(jī)械產(chǎn)品生產(chǎn)效率。傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)計專家系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中存在知識表達(dá)方式不統(tǒng)一、智能化程度低等問題，在實(shí)際應(yīng)用與發(fā)展中存在一定的局限性[1-3]。因此，為了提高機(jī)械產(chǎn)品智能化設(shè)計與效率，衍生出基于知識的工程(Knowledge Based Engineering，KBE)，是現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計的核心與關(guān)鍵。

KBE技術(shù)可以概括為，基于現(xiàn)代設(shè)計與制造技術(shù)、人工智能技術(shù)，以三維建模軟件、仿真系統(tǒng)和產(chǎn)品數(shù)字化管理技術(shù)為技術(shù)支撐，將知識表示、建模、挖掘、推理、集成和管理等工具集成應(yīng)用到機(jī)械設(shè)計與開發(fā)的各個階段[4-5]，對于提高機(jī)械工程設(shè)計的高效和精確具有重要發(fā)展意義[6]。

1 KBE概念與工作原理

1.1 定義

目前，針對KBE技術(shù)，國際上沒有一種準(zhǔn)確的定義。在英國Coventry大學(xué)KBE中心提出，KBE技術(shù)是一種存儲并處理與產(chǎn)品模型有關(guān)的知識，并基于產(chǎn)品模型的計算機(jī)系統(tǒng)，是目前促進(jìn)機(jī)械設(shè)計工程化、實(shí)用化開發(fā)的軟件工具。美國Washington大學(xué)認(rèn)為KBE是一種設(shè)計方法學(xué)，與CAD技術(shù)相互結(jié)合，在機(jī)械設(shè)計過程中可以存儲幾何和非幾何信息，描述機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計并分析研發(fā)過程中的工程準(zhǔn)則。上海交通大學(xué)提出，KBE技術(shù)主要是基于知識驅(qū)動和繁衍，對機(jī)械工程問題提出最佳解決方法，是領(lǐng)域?qū)＜抑R的集成、創(chuàng)新與管理，屬于機(jī)械設(shè)計領(lǐng)域與AI技術(shù)的集成。后期，美國Ford汽車公司認(rèn)為KBE技術(shù)是運(yùn)用特殊積累和存儲知識完成工程任務(wù)的計算機(jī)軟件，并且可以分為以下幾種類型。

1)產(chǎn)生式。通過將機(jī)械產(chǎn)品說明、設(shè)計規(guī)則、定義幾何約束條件等綜合生產(chǎn)機(jī)械設(shè)計結(jié)果。

2)指導(dǎo)型。基于相關(guān)機(jī)械設(shè)計與制造知識評估機(jī)械設(shè)計結(jié)果。

3)選擇型。將相關(guān)機(jī)械設(shè)計領(lǐng)域知識與用戶需求結(jié)合，幫助用戶在近似結(jié)果中做出選擇。

4)創(chuàng)成型。基于模型推理方法構(gòu)造一個較大的設(shè)計空間，并實(shí)現(xiàn)定位求解，完成機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計。

綜上所述，KBE技術(shù)可以概括為，基于現(xiàn)代設(shè)計與制造技術(shù)、人工智能技術(shù)，以三維建模軟件、仿真系統(tǒng)和產(chǎn)品數(shù)字化管理技術(shù)為技術(shù)支撐，將知識表示、建模、挖掘、推理、集成和管理等工具集成應(yīng)用到機(jī)械設(shè)計與開發(fā)的各個階段，是一種面向機(jī)械工程研發(fā)全過程的設(shè)計方法。對于提高機(jī)械工程設(shè)計的高效和精確具有重要發(fā)展意義。

1.2 技術(shù)體系結(jié)構(gòu)

KBE系統(tǒng)是一個典型的CAD/CAM/CAE/AI技術(shù)的集成體系。KBE技術(shù)在層次結(jié)構(gòu)上可以分為三個層次，分別為核心層、集成技術(shù)層和應(yīng)用層(圖1)。

圖1 KBE技術(shù)層次結(jié)構(gòu)示意圖

1)核心層。以智能技術(shù)為技術(shù)核心，主要包括領(lǐng)域知識學(xué)的獲取技術(shù)、表示方法、推理技術(shù)和領(lǐng)域知識的維護(hù)。

2)集成技術(shù)層。主要包括CAD、CAM、CAE、PDM技術(shù)的集成。

3)應(yīng)用層。反映KBE技術(shù)面向不同應(yīng)用領(lǐng)域時的應(yīng)用機(jī)制和管理體系。

2 KBE關(guān)鍵技術(shù)分析

在KBE技術(shù)結(jié)構(gòu)中，關(guān)鍵技術(shù)主要包括知識系統(tǒng)、知識獲取、機(jī)械產(chǎn)品建模和分析技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)。知識系統(tǒng)主要用于機(jī)械工程設(shè)計知識的表示和知識推理，面向機(jī)械設(shè)計人員，體現(xiàn)出KBE系統(tǒng)的智能化水平；知識獲取技術(shù)主要是用于機(jī)械工程知識的獲取，主要包括自動獲取和人工獲取，體現(xiàn)出KBE系統(tǒng)獲取知識的能力，及時更新并修正相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜业闹R內(nèi)容，不斷提高系統(tǒng)機(jī)械工程設(shè)計能力與分析能力，不斷達(dá)到設(shè)計目標(biāo)。基于知識獲取技術(shù)的支持，可以逐漸提高KBE系統(tǒng)的設(shè)計效率；機(jī)械產(chǎn)品建模和分析技術(shù)主要包括計算機(jī)輔助圖形技術(shù)(CAD)和計算機(jī)輔助工程技術(shù)(CAE)，是KBE系統(tǒng)的基礎(chǔ)技術(shù)。

2.1 知識系統(tǒng)

傳統(tǒng)專家系統(tǒng)要求應(yīng)用統(tǒng)一的知識表示語言，并且要求KBE系統(tǒng)基于該語言進(jìn)行正向和反向推理，但是在實(shí)際應(yīng)用過程中許多知識不能達(dá)到上述要求，因此，傳統(tǒng)專家系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中存在一定的缺陷與限制。KBE系統(tǒng)的主要目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)知識的統(tǒng)一表示，擴(kuò)大傳統(tǒng)專家系統(tǒng)的應(yīng)用范圍與生產(chǎn)效率，主要表現(xiàn)及其特點(diǎn)如下。

1)知識表示方法不同。KBE系統(tǒng)在傳統(tǒng)專家系統(tǒng)的規(guī)則和框架等知識表示的基礎(chǔ)上，集成多種表示方法，可以實(shí)現(xiàn)更加高效、充分和全面的表達(dá)專家知識，綜合應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和機(jī)遇模糊的知識表示；另一方面，KBE系統(tǒng)還增加了知識獲取技術(shù)，能夠表示相關(guān)領(lǐng)域深層知識，并且在處理大量知識的同時采用多層知識表達(dá)形式，類似于人類智能多層次、多分辨率的表達(dá)方式。

2)知識推理機(jī)制不同。KBE系統(tǒng)包括各種科學(xué)計算、演繹推理，并且可以加入各種基于不完全知識的推理，當(dāng)KBE系統(tǒng)遇到超出其知識領(lǐng)域推理時，系統(tǒng)推理性能逐步下降，此時可以采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等避免KBE系統(tǒng)出現(xiàn)崩潰。

綜上所述，KBE技術(shù)在功能和基本工作原理上與傳統(tǒng)專家系統(tǒng)類似，但是在實(shí)際應(yīng)用及本質(zhì)中存在一定的差異性，KBE系統(tǒng)追求采用多種方法實(shí)現(xiàn)所需的知識，并且不強(qiáng)求用統(tǒng)一的知識表示語言進(jìn)行表達(dá)。

2.2 知識獲取

在KBE系統(tǒng)中知識獲取主要是利用數(shù)據(jù)庫管理來存儲數(shù)據(jù)，用深度學(xué)習(xí)的方法分析、挖掘數(shù)據(jù)，從數(shù)據(jù)庫中挖掘的知識可以應(yīng)用于信息管理、過程控制和決策支持。

在機(jī)械設(shè)計工程領(lǐng)域一般都會存儲大量的設(shè)計實(shí)例以供參考，這些機(jī)械設(shè)計實(shí)例都可以存儲在數(shù)據(jù)庫中。目前，KBE系統(tǒng)開展數(shù)據(jù)挖掘算法與知識實(shí)際使用方法主要包括以下4種方法。

1)分類模式。能夠?qū)?shù)據(jù)集中的數(shù)據(jù)項(xiàng)映射到某個給定的類上。

2)回歸模式。與分類模式相似，主要區(qū)別在于回歸的預(yù)測值屬于連續(xù)的，但是分類模式是零散的。

3)聚類模式。能夠?qū)?shù)據(jù)劃分到不同的類中。

4)關(guān)聯(lián)模式。是各個數(shù)據(jù)項(xiàng)之間的關(guān)聯(lián)規(guī)則。

2.3 產(chǎn)品建模和分析方法

產(chǎn)品建模主要是基于CAD關(guān)鍵技術(shù)，同時也是KBE系統(tǒng)的核心技術(shù)，主要是機(jī)械設(shè)計過程中各個環(huán)節(jié)的知識和信息流動。目前，機(jī)械產(chǎn)品信息模型主要包括幾何模型、特征模型和集成化機(jī)械產(chǎn)品模型等發(fā)展階段。集成化機(jī)械產(chǎn)品模型主要是將專家設(shè)計經(jīng)驗(yàn)和設(shè)計過程的相關(guān)知識表示在機(jī)械產(chǎn)品信息模型中，實(shí)現(xiàn)機(jī)械設(shè)計過程的自動化和智能化水平。

3 基于KBE的機(jī)械設(shè)計方法

在傳統(tǒng)機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計過程中，設(shè)計過程主要以機(jī)械設(shè)計人員為中心，由于機(jī)械設(shè)計人員反復(fù)進(jìn)行重復(fù)性的設(shè)計任務(wù)，在后期設(shè)計過程中不可避免地會出現(xiàn)一定的設(shè)計瓶頸。基于KBE系統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計是以知識模型為中心，將各類機(jī)械產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫、知識庫和設(shè)計案例等與設(shè)計模型相互關(guān)聯(lián)，輸入機(jī)械設(shè)計相關(guān)設(shè)計要求，系統(tǒng)即可基于知識實(shí)現(xiàn)設(shè)計與方案決策，極大地提高了機(jī)械設(shè)計過程的智能化水平。

在進(jìn)行機(jī)械設(shè)計過程中，往往會涉及零部件的幾何結(jié)構(gòu)、裝配關(guān)系、材料性能和參數(shù)計算等多方面知識。設(shè)計知識不僅包括專家的經(jīng)驗(yàn)、還包括專家對設(shè)計對象的結(jié)構(gòu)特征、功能特征、行為特征等內(nèi)在性質(zhì)的認(rèn)識程度，因此往往采用面向?qū)ο蟮闹R表達(dá)方法，在計算機(jī)輔助設(shè)計過程中，根據(jù)不同的知識結(jié)構(gòu)，分別采取不同的方法來獲取和表達(dá)設(shè)計知識。

4 結(jié)論

基于知識的工程(Knowledge Based Engineering，KBE)是現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計的核心與關(guān)鍵。本研究以KBE系統(tǒng)為研究對象，基于其基本定義與開發(fā)特點(diǎn)，系統(tǒng)論述了KBE系統(tǒng)在機(jī)械產(chǎn)品生產(chǎn)與管理中的核心技術(shù)與應(yīng)用。研究表明，基于KBE系統(tǒng)可以提高機(jī)械產(chǎn)品生產(chǎn)效率，有利于提高機(jī)械設(shè)計研發(fā)過程的智能化水平，對機(jī)械設(shè)計與智能化發(fā)展具有一定的推動意義。