基于知识组件的反后坐装置快速设计技术研究

羊 柳，钱林方，任俊新，刘太素

（1.南京理工大学机械工程学院，江苏南京 210094；2.南京信息职业技术学院计算机与软件学院，江苏南京 210023）

基于知识组件的反后坐装置快速设计技术研究

羊 柳1，钱林方1，任俊新2，刘太素1

（1.南京理工大学机械工程学院，江苏南京 210094；2.南京信息职业技术学院计算机与软件学院，江苏南京 210023）

现有反后坐装置设计方法难以有效地重用已有计算程序、设计经验等设计知识，为提高其设计质量与效率，提出一种基于知识组件的快速设计方法。通过确定反后坐装置设计知识的表示体系，提出反后坐装置设计本体的形式化定义，并给出反后坐装置设计知识组件的定义和开发策略，实现了反后坐装置设计知识的完整表示。在此基础上，确定了反后坐装置快速设计的流程，开发了专用设计系统，并通过一反后坐装置的设计实例验证了所提方法的可行性和有效性。

反后坐装置；知识组件；本体；快速设计

反后坐装置是火炮的主要零部件之一，它主要由制退机和复进机两部分组成。它的作用是减小火炮发射时的受力，在射击后使其自动回复到射前位置，并且控制火炮后坐部分按预定的受力和运动规律后坐和复进［1］。反后坐装置设计过程主要包括后坐运动诸元计算、复进机结构设计、制退机结构设计及反面问题计算等设计步骤，涉及大量复杂的分析计算，且不同类型反后坐装置设计过程间存在部分相似的分析计算过程。反后坐装置设计问题的求解主要依靠设计人员利用已有的设计计算程序，按照一定设计步骤开展设计计算；同时，设计计算程序未得到有效组织，难以共享，导致反后坐装置的设计对设计人员的经验有较大依赖，影响了其设计质量与效率。目前，针对反后坐装置的设计方法已开展了一定的研究，如文献［2］研究了基于I-DEAS Master Series的节制杆式制退机参数化设计方法；文献［3］研究了节制杆式制退机参数化设计及优化方法；文献［4］建立了火炮身管-反后坐装置集成优化设计模型，并采用两种优化方法进行优化，为火炮身管-反后坐装置一体化设计提供了新方法。但上述研究仍难以有效重用反后坐装置已有的设计计算程序、设计经验等设计知识，因此笔者提出将反后坐装置设计过程中涉及的设计计算程序封装成为知识组件，并构建反后坐装置设计本体，实现反后坐装置设计过程知识的有效表示；在此基础上，确定了一种基于知识组件的反后坐装置快速设计流程，通过开发专用设计系统，实现反后坐装置的快速设计。

1 反后坐装置设计知识表示

1.1 反后坐装置设计知识表示体系

反后坐装置设计知识包括描述性知识、设计过程知识和设计案例3类。描述性知识包括反后坐装置的定义、功能、组成、分类，不同类型反后坐装置的设计步骤、设计步骤中对应的计算过程等；设计过程知识是指围绕某一设计步骤开展的设计计算过程，如复进杆直径计算、节制杆初调程序、复进机筒强度校核等；设计案例包括案例描述、案例参数及三维模型等。

针对反后坐装置设计知识的特征及设计过程中知识的利用过程，采用的知识表示体系如图1所示。

反后坐装置设计本体用于对描述性知识和案例的概念声明进行表示；知识组件是将各设计计算过程进行针对性的开发形成的，用于对计算性知识进行表示；参数化模型是基于Pro／E对反后坐装置设计案例中的三维模型进行参数化建模［3］形成的，以便重用。分别建立知识组件和参数化模型与反后坐装置设计本体的映射关系，形成反后坐装置设计知识库，实现反后坐装置设计知识的完整表示。

1.2 反后坐装置设计本体

目前广泛被接受的本体正式定义为“本体是一套得到大多数人认同的、关于概念体系的明确的、形式化的规范说明”［5］。

反后坐装置设计本体是对反后坐装置设计领域内固有的各种设计对象、对象间关系及设计过程中抽象出的概念及概念间关系的一种详尽的特征化描述，可形式化定义为

A=（O，Oc，F，Kc，OP，DP）

其中：O=（O1，O2，…，On），为描述反后坐装置领域内核心概念的设计对象类的集合，如液体气压式复进机、弹簧式复进机、制退机等；Oc=（Oc11，Oc21，…，Ocij，…，Ocnm），为概念实例声明的集合，Ocij为Oi的第j个实例；F=（F1，F2，…，Fn），为设计步骤类的集合，如后坐运动诸元计算、复进机结构设计等；Kc=（Kc1，Kc2，…，Kcn），为设计知识组件类的集合，Kc1=（Kc11，Kc21，…，Kcn1），Kci1是F1中的第i个设计知识组件，如复进机结构设计中的复进杆直径计算；OP为描述任意Oi间、Fi间、Kci间，Oi与Fi间，Fi与K ci间联系的对象属性的集合，反后坐装置设计本体构建过程中利用的主要对象属性如表1所示；DP为描述Oi、Fi和K ci自身特征的数据属性的集合。

表1 部分对象属性

选用OWL［6］作为反后坐装置设计本体的建模语言，按照反后坐装置设计本体的定义，利用斯坦福大学的Protégé建模工具，实现了反后坐装置设计本体的建模，构建完成的设计本体存储于OWL文档中。图2为部分反后坐装置设计本体的可视化展示，图中“单筒液压式复进机设计”和“双筒液压式复进机设计”为设计步骤类，其对应的知识组件类均包括“复进机初力计算、复进机初压计算”等。

1.3 反后坐装置设计知识组件

反后坐装置设计知识组件是针对反后坐装置设计过程中的某个分析计算过程，将其对应的分析计算模型的基本信息、输入参数、核心计算程序及输出参数等封装成一体，形成具有统一交互界面的可执行文件，反后坐装置设计知识组件的组成如图3所示。知识组件中包含的人机交互界面供用户输入设计参数及显示计算结果，输入参数接口可读取其余知识组件的输出参数，输出参数接口可输出规范的设计输出以供其余知识组件读取，核心计算程序用于实现知识组件的实际计算过程，组件调用接口可便于专用设计系统对组件的调用。

知识组件的开发是基于JAVA实现的，其开发策略如下：

1）确定知识组件执行所需的输入参数，区分输入参数中的已知参数和未知参数。已知参数为开展该设计计算程序之前，已由其余知识组件计算得到或输入的，未知参数则为该设计计算程序执行所需的新的输入。

2）定义输入参数、输出参数的唯一代号，便于知识组件执行过程中数据的交互与传递。

3）利用JAVA编写设计计算执行过程所需代码，包括参数读入、参数计算及参数输出等过程，测试无误后并将其封装为JAVA包。

4）定义交互界面，交互界面包括未知参数的输入区域、计算结果的显示区域及组件的控制区域。

5）测试开发性能，形成知识组件。

开发完成的知识组件具有唯一名称和存储路径，将所有的知识组件存储于固定位置，即可形成自行火炮设计知识组件库。图4为针对复进机初体积计算过程开发的设计知识组件的界面图。

1.4 映射关系的建立

映射关系用于建立知识组件、参数化模型与反后坐装置设计本体之间的联系。经过封装的知识组件具有唯一存储路径，添加设计知识组件类的数据属性“HasCompent”（具有知识组件），并以知识组件的存储路径为其赋值；参数化模型均具有唯一的存储位置，以存储位置对本体中概念实例声明的数据属性“Has Model”（存储位置）进行赋值。通过反后坐装置设计知识本体的构建，建立其与知识组件和参数化模型间的映射关系，可建立完整的反后坐装置设计知识库。

2 反后坐装置快速设计系统开发

2.1 基于知识组件的反后坐装置快速设计方法

基于知识组件的反后坐装置快速设计方法如图5所示，通过分解反后坐装置的设计任务，确定反后坐装置的设计类型和主要设计指标；根据反后坐装置的类型，检索知识库中的设计本体，以得到对应设计流程及流程对应的知识组件；然后根据反后坐装置的主要设计指标，检索知识库中已有的案例，以得到相似设计案例供设计人员参考；最后，按照顺序依次执行各个知识组件，得到反后坐装置的设计计算结果。

2.2 专用设计系统开发

基于知识组件的反后坐装置快速设计系统的框架如图6所示，主要包括可视化界面、知识管理模块、知识组件模块、数据库系统和设计知识库等部分。

人机交互界面用于提供设计任务、设计参数的输入以及设计结果提示等；知识检索模块通过本体检索实现反后坐装置设计本体中各元素的检索，进而开展组件调用和案例检索；知识组件执行模块用于按照检索得到的设计流程，依次执行知识组件，开展设计计算；数据库系统用于存储知识组件执行过程中产生的各类设计参数；知识管理模块用于对反后坐装置设计知识库中的知识进行增加、修改及删除；设计知识库用于存储反后坐装置各类设计知识。

3 应用实例

现有一反后坐装置设计任务，复进机为双筒液体气压式复进机，制退机为节制杆式制退机，设计指标包括口径为155 mm，弹丸质量为47 kg，最大膛压为316 MPa，后坐部分质量为3 280 kg，炮口制退器效率为36%等。

利用反后坐装置快速设计系统，根据当前设计任务检索知识库，得到对应设计流程，包括：自由后坐运动诸元的计算、后坐正面问题设计、后坐反面问题计算、复进问题的正面设计计算及复进问题的反面计算等；检索与当前设计任务相似的设计案例，便于设计过程中参考；依次执行各设计流程对应的知识组件，得到设计结果，图7为部分知识组件的执行界面。

计算完成后得到的部分输出参数如表2所示。

表2 设计结果对应表

由表2可以看出，采用基于知识组件的快速设计方法，能实现反后坐装置的快速设计，得到的设计结果与原有设计结果基本相符，能够满足反后坐装置的设计要求。同时，通过专用设计系统的应用，能明显缩短反后坐装置的设计时间。

4 结束语

针对反后坐装置设计知识的特点，确定了一种基于本体和知识组件的知识表示方法，通过构建反后坐装置设计本体，实现了描述性知识和案例概念声明的表示；提出了知识组件的定义和开发策略，实现了计算性知识的表示。在此基础上，建立了知识组件和参数化模型与反后坐装置设计本体的映射关系，形成了反后坐装置设计知识库，实现了反后坐装置设计知识的完整表示。

笔者提出了一种基于知识组件的反后坐装置快速设计方法，开发了专用设计系统，并以一反后坐装置的设计实例验证了所提方法的可行性和有效性。

（Referenees）

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Study on Knowledge Component Based Rapid Design Teehnology for Reeoil Meehanisms

YANG Liu1，QIAN Linfang1，REN Junxin2，LIU Taisu1
（1.School of Mechanical Engineering，Nanjing University of Science＆Technology，Nanjing 210094，Jiangsu，China；2.School of Computer and Software，Nanjing College of Information Technology，Nanjing 210023，Jiangsu，China）

recoil mechanisms；knowledge component；ontology；rapid design

TJ302

A

1673-6524（2015）04-0045-05

2015- 04- 10；

2015- 06- 30

国防基础科研技术（A2620130003）

羊柳（1989－），男，博士研究生，主要从事现代设计方法研究。E-mail：ylnjust＠126.com

Abstraet：The design expertise such as calculation program and design experience cannot be reused effectively in current recoil mechanisms design method.To promote the quality and efficiency of recoil mechanism design，the rapid design method based knowledge component is proposed in this paper.The representation of recoil mechanisms design knowledge is fully accomplished by confirming the representation framework of recoil mechanisms design knowledge，proposing the formalization definition of recoil mechanisms design ontology，and offering the definition and development strategy of knowledge component.On this basis，the process of recoil mechanisms rapid design procedure is constructed，and the special system is developed.Finally，the feasibility and validity of the method proposed in this paper was demonstrated through recoil mechanisms design examples.