基于实例的汽车零部件产品开发中关键技术研究

陈 君

(湖北理工学院机电工程学院，湖北黄石435003)

汽车零部件产品开发是在相关研究成果的基础上进行修改和创新，是继承性和适应性的开发。在利用前期研究成果的过程中，由于相关的技术成果海量，在应用中往往会遇到难以查找到与开发项目高度匹配的成果或查找到了不知如何使用等困难。本文试图从实例知识的角度，建立实例数据库并使用该库来解决工程实际问题。

1 汽车零部件产品开发中实例数据库的建立

1.1 实例知识的表达

实例的推理(CBR)是一种基于记忆、利用过去的实例和经验来解决新问题的一种方法。实例的表达方式有多种，如语义网、数据库、原型、神经网络等形式［1］。一般认为采用面向对象的思想来进行实例知识的表达，能比较全面地表达出问题求解时所需要的各类知识，且具有模块化结构，便于实例库的维护。采用面向对象的方法来表示实例，包含2 个基本内容:数据的描述和方法的描述，并将这2 种描述封装在一起，使其更加结构化、模块化。产品设计实例中有结构和内容2 个方面，故一个实例描述要有:①实例类别，即对实例进行分类;②实例属性，即设计属性和辅助属性，用于在实例检索和决策时描述具有因果关系的属性;③决策结果，即在求解实例时所采用的方法与措施;④结论;⑤一般知识和领域知识。

1.2 实例知识表达数据库的建立

以某汽车零部件企业生产的齿轮齿条式EPS 中的齿轮设计为例。在产品开发的设计过程中，项目技术人员只需根据其所关心的特征属性查找出与项目设计要求最接近的实例，而不需要对产品所有的数据重新进行计算。设EPS 转向器齿轮为斜齿圆柱齿轮，其特征参数如输入功率、输入扭矩、传动比、中心距等，是不能轻易改动的产品参数，我们将其称为基本设计属性。对齿轮设计影响较大的参数，是项目技术人员必须考虑的参数，称之为辅助设计属性。在建立数据库时，将基本设计属性和辅助设计属性作为实例的索引项。齿轮的其他参数如齿宽、齿形、齿面硬度、材料及热处理要求等，其取值在设计完成之前无法精确预见，故不参与实例检索，只是存储在实例库中，当该实例被检索到时，各项特征值就会详细显示，项目设计人员再根据需要进行选择［2］。同时，在实例中，还包含实例结果显示的特征属性。EPS 的实例属性如图1所示。

图1 EPS 的实例属性

从上述实例分析中可知，要完整、准确地表达实例，其特征属性必须能够表达多种类型的数据和信息，包括数字信息、符号信息、定量和定性的信息、准确的和模糊的信息等。所以，对于企业已有的设计实例，要建立对企业产品开发项目中具有设计参考价值的实例库，必须要建立统一的知识模型框架来表达出产品设计过程中所涉及到的各类知识，能让设计者根据不同设计阶段所需要的内容，快速有效地调用出最有价值的知识和信息，满足客户定制需要［3］。

2 实例检索流程及模式

实例的检索通过相似性判别来实现，目标是尽快找到与问题描述最相似的设计实例，其一般流程如图2所示。

图2 检索一般流程

当项目给定一个新的设计要求时，索引的目标是在对己有实例库进行索引后。如果实例库中有与该实例相关的实例［2］，则可以根据索引找到那些相关的实例［3］。索引过程重点要解决的是如何提高检索效率。本文设计的索引结构模式如图3所示。

图3 索引结构模式

以转向器为例，将转向器按照不同的设计部件进行实例信息存储。针对转向器产品结构，可以分为转向管柱、齿轮、齿条、ECU、电机等部件，每一个设计部件又有自己特定的设计特征属性。当有新产品开发设计项目时，首先确定设计的对象并进行设计需求分析，确定设计特征属性值。进行检索时，则进入相应的设计部件单元进行检索，从而避免了整体检索的繁琐。

3 实例检索的相似度算法

3.1 特征属性赋值

在实例相似度计算前要确定特征相似度计算方法。特征相似度是指2 个实例特征的相似程度，其取值范围为0～1。0 表示2 个特征完全不同，1 表示2 个特征完全一致。特征相似度计算的数据类型有数值型、文本型等［4－5］，即实例特征之间的相似度有的能定量表述，而有的只能定性描述。例如，载荷特性一项，可以将载荷的不平稳特性设定成定量表述，设定剧烈震动时的值为1，均匀平稳时的值为0，根据实际的载荷不平稳程度选定0～1之间的数值来表示。

对于能定量表述的特征赋值有以下的计算方法:

其中pmn表示第m 个实例的第n 个属性的赋值，fmn表示第m 个实例的第n 个属性的取值，minfn表示第n 个属性取值的最小值，maxfn表示第n 个属性取值的最大值。

3.2 实例相似度计算

常用的实例检索算法有最近相邻策略、TC相似法、归纳推理策略、知识导引策略和模板检索策略等。本文选取最近相邻算法作为相似度检索的算法。根据特征属性赋值算法，首先计算出各个实例每一个属性的相似度值。例如第m 个实例的第n 个属性相似度表示为pmn，并存储于数据库中。用户根据设计需求，输入对应第n 个属性的相似度值pn，则两者之间的距离为:

实例间的整体距离为:

其中，wn表示第n 个属性的权重值。

则设计问题与实例m 之间的相似度ηm为:

以转向器的齿轮设计为例，齿轮设计属性要求与某一项目实例的设计属性如表1所示。

根据上面设计要求与项目实例的初值和特征赋值规则，求解出对应的特征属性相似度值，并为每一项设计属性添加权重，结果如表2所示。

由表2 可知，齿廓形状的渐开线选项的赋值为0.67，载荷特点的平稳振动赋值为0.67。根据公式，则实例整体距离为:

可求得设计要求与项目实例的相似度为:

η =1－0.04 =0.96，则该实例为目标实例。

表1 基于实例的齿轮设计属性要求

表2 齿轮设计的实例属性

4 实例检索系统设计

结合转向器生产企业的特点，本文的检索系统有以下的功能及相应要求:

1)设计部件模块。检索过程首先确定设计问题所属的部件模块。选定相应的部件之后，在对应实例库中进行检索，节省了检索的时间，提高了检索的效率。在系统数据库设计过程中，应将实例信息按照设计的对象(部件)的不同而分类存贮。

2)定性特征属性赋值。定性的或者定量的特征属性值域为［0，1］。所以在设计系统中，系统对于定性的特征属性只提供相应选项。

3)相似度计算。相似度的计算是检索的核心，其检索结果以事先设定的最小相似度值为判断依据。

4)权限设置。企业技术成果属于内部资源，对于增强企业的市场竞争力有很重要的意义。所以，实例检索系统只对特定的群体开放，且需要身份认证。同时，当项目成果鉴定完毕之后，需要将此项目实例添加进数据库中时，为了确保技术成果的科学性、准确性，往往需要专门的技术人员进行数据库的实例知识更新，故需设置实例添加或者修改权限。

本文在前面设计索引模式的基础上，提出了实例信息按类存储在数据库中，运用C#语言编程实现检索算法和检索用户界面。实例知识信息按照部件类型分类存储在Access 表中。由于实例检索的目的是为了体现技术的共享，作为协同创新体系的一个部分，检索系统体现数据信息的共享。本文中企业技术开发人员与数据库的数据交流采用C/S 模式，网络形式为LAN。实例检索系统结构如图4所示。

当新产品开发时，首先要进行检索的初步分析，主要是为了确定设计特征属性及其初值。进入检索系统，选取要设计部件的模块。将设计特征属性初值通过用户界面输入后，设计系统根据每个属性的取值范围自动生成此设计特征属性在［0，1］范围内的赋值，然后依次计算设计要求与相应部件实例库中各个实例的相似度，最终根据设定的最小相似度值来选取符合条件的实例。实例知识信息在检索过程中的调用形式如图5所示。

图4 实例检索系统结构

图5 检索过程数据调用流程

通过相似度算法，确定最佳相似实例，并找出与设计要求不相符的特征属性，选用适当的方法对不相符的特征属性进行修改调整，对修改后的新的设计结果进行检验，看是否全部满足设计的各项约束条件，如果各项约束条件都满足，则该项设计完成;如果尚有不满足的约束条件，需进一步进行修改，直到全部满足为止。

5 结束语

本文通过对汽车零部件产品开发中实例数据库的建立，构建实例检索流程及模式，通过实例特征属性的划分，运用最近相邻算法作为实例检索的相似度算法，并根据企业特点设计实例检索系统，为汽车零部件产品开发提供实例运用的解决方案。

［1］任海涛.基于案例的推理及其在农业专家系统中的应用［D］.太原:山西大学，2004.

［2］孟妍妮.基于实例的齿轮设计应用技术研究［D］.西安:西北工业大学，2006.

［3］凌卫青，赵艾萍，谢友柏.基于实例的产品设计知识获取方法及实现［J］.计算机辅助设计与图形学学报，2002，14(11):1014－1018.

［4］李慧清.机械产品设计知识建模及应用［D］.杭州:浙江大学，2011.

［5］齐峰.产品设计信息可重用性及产品设计资源管理关键技术研究［D］.杭州:浙江大学，2004.