基于实例推理的高速动车组总体方案设计

张海柱，黎 荣，邹益胜，阎开印，丁国富

（西南交通大学 机械工程学院，成都 610031）

0 引言

随着我国高速铁路的快速发展和成熟车型型号的增多，为使高速动车组满足多样化需求，满足不同地理环境条件、线路条件、供电条件、信号条件以及旅客个性化需求等，如何运用既有成熟的高速动车组设计经验和实例知识，形成一套快速响市场变化和个性化需求的高速动车组设计方法成为一个发展方向。

以知识工程的观点而言，高速动车组总体设计是一个沿袭已有动车组平台对设计知识的重用、继承、创新、集成和管理的复杂设计过程。在传统的车辆总体设计领域中[1～3]，很多关键设计参数的确定原理复杂，很大程度上依赖经验的积累，要不断去调整方案，每一次的调整都要重新计算、仿真、分析、评审，影响设计质量和效率，研发周期又受到快速市场响应的制约，并且动车组总体方案设计知识种类繁多，设计知识结构化程度差，分散性大，因此缺乏对已有车辆设计实例知识的表达和重用技术的研究，使得车辆总体设计难以提高设计效率及结果的可靠性。基于实例推理（Case Based Reasoning，CBR）是采用过去求解类似问题的成功经验和实例来获取当前设计问题的一种类比推理模式[4]，该技术可以充分的利用和组织现有动车组设计实例知识，并且有效的应用到新实例设计中。

因此将基于实例推理的设计思想引入到动车组的总体方案设计中。本文提出基于实例推理的动车组总体方案设计的实现方法，首先对动车组总体方案设计实例知识进行表达，形成动车组总体方案设计实例库，然后结合层次分析法与基于最邻近的相似度计算方法来检索相似实例，在选取相似实例的基础上进行修改重用，并开发相应的用户界面，提高总体方案设计的可视性，最后以某型动车组总体方案设计为例验证该方法。

图1 动车组总体方案设计内容及流程

1 动车组总体方案设计

总体方案设计是新产品设计的首要核心环节，动车组总体技术方案内容包括主要运用条件、主要技术参数、总体与关键子系统模块的技术方案等。总体方案设计任务是确定动车组的编组方式、平面布局、结构型式、牵引与制动性能、主要参数和各组成部件的设计要求等[5]。动车组总体方案设计内容及流程如图1所示。

2 设计实例知识表示

动车组总体方案设计实例的表示应包括问题描述和解决方案两部分，问题描述是动车组主要运用条件的集合，即是设计要求的结构化组织；解决方案是在满足运用条件下所获得的主要技术参数和总体方案设计结果的集合，即设计结果的结构化组织。

设计实例知识表示关键在于实例属性主要特征的提取。动车组总体方案设计需对运行环境和路网条件进行适应性设计，也要满足设计速度、列车长度、舒适性等结构和性能，除此之外还要满足旅客功能需求。因此以环境、路网、性能、结构、功能需求特性作为设计实例表示问题描述的属性，解决方案部分主要包括动车组总体设计的组成方式、结构型式、平断面布局和主要参数等属性。因此以环境、路网、性能、结构、功能、方案设计六种特性来描述实例的属性内容如表1所示。其中，环境主要描述动车组对运行的自然环境适应性包括温度、海拔等；路网主要描述动车组运行的系统环境适应性包括站台、轨距、供电条件、通信信号等；性能主要描述动车组运输能力、安全性、舒适性等；结构主要描述动车组列车及车辆等尺寸参数等；功能主要描述动车组旅客界面及特殊需求等；方案设计主要描述动车组主要技术参数及组成方式等。

表1 动车组总体方案设计中的实例属性

续(表1)

因此，动车组总体方案设计实例知识可以形式化描述为：

其中，i表示动车组总体设计方案实例库中的实例编号；j表示问题描述部分属性的个数；k表示解决方案部分属性的个数。

3 基于实例推理的动车组总体方案设计流程

利用基于实例的推理技术，在已有的相似设计实例的基础上做适应性变型设计，避免了从最初开始设计，减少重复工作，提高设计效率。基于CBR的动车组总体方案设计主要任务是：分析用户需求，识别出设计参数和评价参数，采用相似度计算来匹配检索相似实例，得到初步的动车组总体设计方案，然后对设计参数完全匹配的方案进行评价，依据评价结果，有满足设计指标要求的实例则直接重用并输出该方案，若不满足设计指标要求则提取相似方案实例进行修改直至满足设计指标要求，若方案的设计参数不完全匹配，则输出最相似动车组总体方案设计实例进行方案修改，最后通过评审输出最终方案并作为新的实例存储于方案实例库中。基于实例推理的动车组总体方案设计流程如图2所示。

3.1 实例检索

实例检索的关键在于属性权重的确定和实例相似度的计算。本文首先运用基于指数标度的层次分析法来确定动车组总体方案设计实例中属性的权重，然后采用基于最邻近的相似度计算方法，来检索相似动车组总体方案设计实例。

图2 基于实例推理的动车组总体方案设计流程

1）属性权重

采用基于指数标度bn的层次分析法[6]。首先，确定比例标度，其中n=0～8，b=1.316，从而确定判断矩阵标度如表2所示。

表2 判断矩阵标度

然后，构造判断矩阵。利用指数标度通式计算动车组总体方案设计实例中属性i和属性j的重要性之比为bijn，并利用互反性原则，即判断矩阵中的元素bijn与bjin互为倒数。对方案设计实例属性分别进行两两比较，最终得到判断矩阵K=（bij）mxm，m为参与权重计算属性的个数。求出判断矩阵的最大特征值λmax，并进行随机一致性检验，若满足一致性要求则进行属性权重计算，否则调整判断矩阵直到满足为止。

最后，提取最大特征值λmax所对应的特征向量并归一化，即得到参与权重计算属性的权重系数ωi。

2）相似度计算

本文采用在CBR系统中应用最为广泛的最邻近法来进行动车组总体方案设计实例的检索，实例整体相似度与属性的数量和局部相似度大小密切相关。通过海明距离[7]来度量实例属性的相似性，则新目标方案（caseobj）与已有实例方案（casei）之间的相似度计算公式为：

式中：d为新实例中属性数量，l为已有实例属性数量，m为二者用来做相似性度量的属性数量。sim（aij，aobjj），dist（aij，aobjj）分别为aij与aobjj的相似度值和距离，ωj为第j（j=1，2，…，m）个实例属性的权重。

3.2 实例的重用

根据实例检索相似度计算结果，当sim（caseobj，casei）=1时，表示目标动车组总体方案实例与最相似实例完全匹配，则形成初步方案，评价满足设计要求该方案实例可以直接完全重用。当0＜sim（caseobj，casei）＜1时，表示目标动车组总体方案实例与最相似实例不完全匹配，则该方案实例可以部分重用，对不满足的部分进行修改调整直到通过评审满足目标方案的设计要求。

实例包含了大部分的事实性知识、规则性知识和实例性知识，实例修改即重用实例知识的过程[8]，对于动车组总体方案设计实例的修改调整方式主要是根据设计要求对方案实例进行设计参数的修改和零部件的替换调整形成新实例或基于设计经验规则驱动进行适应性修改等方式。

4 应用实例

本文以某型动车组总体方案设计（称为目标实例）为例，首先在动车组总体方案问题描述部分选取几个主要运用条件包括速度等级（a9）、最大轴重（a11）、加速度（a12）、定员（a24），并利用上述权重计算方法得到各属性权重。然后根据此动车组设计需求，从动车组总体方案实例库中检索相似实例，推断动车组总体设计方案。实例库中的典型动车组总体方案实例参照文献[9]进行归纳整理出case1、case2、case3、case4四个实例。应用本文提出的基于CBR方法求解，开发的用户界面如图3所示。

按照相似度从大到小进行排序sim（caseobj，case4）＞sim（caseobj，case3）＞ sim（caseobj，case1）＞sim（caseobj，case2），从计算结果可知，推理出case4为最相似实例，将作为参考方案，与实际项目中该动车组总体方案设计的技术基础方案实例一致。根据case4实例的方案设计和目标动车组方案设计用户需求中的环境、线路、功能、性能、结构需求可以得到目标动车组的初始方案，对初始方案中不满足需求的部分进行修改调整，速度等级、旅客界面等根据运用特点进行适应性调整，车体结构、转向架、制动、空调等系统结构和参数进行相应优化，修改后通过评审直到满足目标方案的设计需求，确定为最终方案。

图3 基于实例推理的动车组总体方案设计用户界面

5 结束语

对于高速动车组总体方案设计，将基于实例推理思想引入到动车组总体方案设计领域，提出一种基于CBR的动车组总体方案设计方法。在分析高速动车组总体方案设计内容的基础上，提出基于CBR的高速动车组总体方案设计流程，为动车组的总体方案设计研究提供了新的思路，有助于克服当前设计效率不高的问题，并实现设计实例知识和经验的重用。但该方法还存在着一定的不足，如在实例相似度计算方法和实例的重用设计方面还需深入研究。

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