机械结构设计知识重用机制

1设计知识模型

机械结构设计过程中，设计过程首先受到设计规范知识的制约，所有的设计必须遵循国家、行业、部门的规范。在结构的设计与调优过程中，还应充分领用领域知识引导设计与调优，从而提高设计效率与优化质量。专家经验知识是结构设计过程中必不可少的知识，丰富的专家经验知识引导能够缩短设计周期，保证结构的性能。此外，借鉴历史实例，从成功实例中挖掘吸取精华，充分利用历史实例知识引导设计，也是提高设计效率的有效手段。在设计方案成形后，还应采用强度评价知识、刚度评价知识、外观评价知识等对结构进行评价。若结构满足评价要求，则设计过程结束；否则，应重新利用领域知识、设计规范知识、专家经验知识等引导设计过程对设计方案进行修改，直至结构的评价满足要求。因此，从知识构成上，结构设计过程中的知识包含领域知识、设计规范知识、专家经验知识、历史实例知识、强度评价知识、刚度评价知识、外观评价知识等。各知识构成贯穿整个设计周期，且在不同的设计阶段，角色不尽相同。为便于结构设计知识的表达、处理和重用，提出复杂机械结构设计知识模型。设计知识模型包含符号知识、样本知识和评价知识等3部分。设计知识模型的符号知识是指用规范化的符号语言进行描述的知识，主要包括领域知识、设计规范知识和专家经验知识。符号知识不仅便于经验的总结和归纳，也便于计算机实现。符号知识的求解依靠基于规则推理的求解技术，这种求解技术属于逻辑思维，具有简单、灵活和易于理解、解释机制良好、便于实现知识库和推理机相分离等优点，但同时也存在知识的任务依赖性较强、知识难以维护、推理耗时长等缺点。设计知识模型的样本知识是对历史成功样本的规范化描述，能够表达符号知识难以描述的知识。样本知识的处理采用基于实例推理的求解机制进行求解，推理过程与设计人员的类比思维过程相吻合，推理效率高，且能实现知识的自动获取，知识库创建简单、快速，维护方便，能够弥补基于规则推理求解机制的不足。设计知识模型的评价知识主要包含用于评价结构的数学模型和逻辑规则。评价知识用于结构设计过程中，评价结构的外观、刚度、强度等性能，主要包含外观评价知识、刚度求解知识、强度求解知识。通过评价知识的评价，保证结构在具有足够的刚度、强度的同时，外形美观。

2设计知识重用机制

设计知识贯穿于整个设计过程中，设计知识的处理、重用机制不仅影响着设计质量，也决定了设计效率。设计知识模型的样本知识包含了历史成功实例，应用基于实例推理的处理机制能够模仿人类专家设计的类比思维，设计效率高，因此用于设计初期快速生成初始设计方案。设计知识模型的领域知识、设计规范知识、专家经验知识等符号知识处理效率较低，主要用于类比设计后的结构合理化微调及类比设计失败时的重新设计。设计知识模型的评价知识作为评价结构性能的主要手段，实现在结构初始方案设计完成后对结构性能进行评价并给出改进依据。评价知识主要为结构强度、刚度评价模型和结构外观评价模型。其中，刚度、强度主要通过有限元分析方法进行计算，外观采用符号推理的方式实现。基于上述分析，构建复杂机械结构设计知识重用机制。设计时，设计人员通过系统人机界面对设计任务进行描述，将相关设计要求传递给系统。系统获取设计任务后，首先调用基于实例推理的推理模块，在样本知识库的基础上，模拟设计专家的类比思维，从历史成功实例中，查找与设计任务最匹配的历史实例。如果查找成功，则基于成功的历史实例对设计任务要求的结构进行类比设计，并在设计完成后调用基于规则推理的模块，在符号知识库的基础上对设计方案进行微调，是结构更加符合设计任务要求，从而生成初始设计方案。若查找失败，则在符号知识库的基础上调用基于规则推理的模型根据设计任务从头开始进行结构方案设计，生成初始设计方案。当初始设计方案生成后，系统调用结构性能评价模块，基于评价知识库对结构进行刚度、强度和外观评价。若评价结构满足设计要求，则输出设计方案。若评价结果不满足设计要求，则重新调用基于规则推理的符号知识处理机制，对结构方案进行微调直至结构方案满足设计要求。

3小结

探讨了复杂机械结构设计中，充分利用领域知识、设计规范知识、专家经验知识、历史实例知识等知识引导设计方向的必要性，提出了基于符号知识、样本知识、评价知识的设计知识模型，并综合利用基于规则推理和基于实例推理的机制，构建了复杂机械结构设计中知识的重用机制，提高了复杂机械结构设计的效率和智能化水平。

作者：黄昕龙 吴新江 单位:福建江夏学院