基于实例的液压扳手设计型专家系统

黄立智，于忠海

(1.上海理工大学 机械工程学院，上海200093；2.上海电机学院 机械学院，上海201306)



基于实例的液压扳手设计型专家系统

黄立智1，于忠海2

(1.上海理工大学 机械工程学院，上海200093；2.上海电机学院 机械学院，上海201306)

为了解决液压扳手重复设计的问题。文中研究了液压扳手各部件的知识表达以及构建知识库系统，建立各部件参数化模型，以VC++为主要的设计语言、SQLServer2008数据库并在UG软件基础上进行二次开发，完成液压扳手快速设计型专家系统。该系统设计达到了提高效率、降低成本的作用。

液压扳手；专家系统；知识库；二次开发

液压扳手在螺纹连接拆卸和控制预紧力等方面是有一定的优点，在制造业、基础设施建设等行业应用广泛。一些大型设备的制造由于加工、装配、运输、维修等原因无法制成一体，必须制成几个分体或部件，然后通过高强度的大直径螺栓连接装配，使其完成预期的设计功能。其主要由旋转接头、反力臂、活塞和驱动架4部分构成。

专家系统是一种能够在一些专门领域，利用已有知识和推理方式，用专家的水准解决该领域里的难题的计算机程序。其性能体现在两个方面: 一是含有许多领域知识；二是运用领域知识进行推理的能力。本文通过分析液压扳手各部件参数，将各部件的设计方案及其相应的参数化三维模型存储于专家系统知识库中，利用基于实例的推理机制，实现液压扳手快速设计[1-2]。

1　系统的总体构建

液压扳手的设计型专家系统采用自顶向下的模式，系统以Windows为平台，采用SQLServer2008设计数据库系统，VC++设计系统推理机制，使用MFCODBC来完成推理机访问数据库系统，UG二次开发的参数化设计。系统的主要功能模块包括：人机界面、综合数据库系统、推理机制以及参数化设计等，其整体的结构如图1所示。

图1　液压扳手专家系统结构框图

系统主要部分功能说明如下：

(1)人机界面。液压扳手设计专家系统和外界沟通的渠道，用户和专家可以使用人机界面输入信息，系统通过人机界面将输入的信息导入系统内部进行运行，最后再通过人机界面输出设计方案[6]；

(2)综合数据库系统。作为专家系统的核心部分，主要包含规则库、实例库和知识库3个部分。实例库中存储了液压扳手实例的一些基本参数值以及相关图片和说明，用户可以通过设计要求从实例库中调取相似实例，同时，也能够将自己设计或改进的方案存储在实例库里。规则库中存储了大量液压扳手设计行业规则类知识。知识库里面则是存储了大量液压扳手设计的一般性知识以及专家经验类知识；

(3)推理机制。系统运行的程序规则，对于用户输入的设计要求，按照产生式规则等方式从知识库中选取适合的知识推理，并得出推理结果；

(4)参数化设计。该部分主要是通过对UG软件的二次开发，对于实例库中没有的实例，或者需要修改的实例进行快速设计，获得用户需求的方案。

2　综合数据库的构建

2.1知识的表示

目前专家系统中表示知识的方式有产生式、框架式、逻辑式、语义网络式、面向对象式等，本系统主要采取以面向对象式为基础，结合框架式以及产生式为一体的混合式知识表示法。根据液压扳手的主要结构分析得出，液压扳手的主要知识可分为元知识、规则类知识、实例类知识以及专家经验类知识[3-5]。

2.2规则类知识

液压扳手的规则知识主要包括一些公式、表格、国标等。系统采用框架式与产生式相结合的方法来表示，液压扳手主要分为液压动力源和驱动机构，而驱动机构又由活塞组件、驱动架组件、反力臂和旋转接头组成。框架式则是将其分为多个槽，每个槽对应多个侧面，液压扳手的框架式知识表示具体如图2所示。

图2　规则类知识框架图

产生式表示法在专家系统中使用较多，它的一般形式为P→Q或ifPthenQ，P为前提条件，Q为得出结论。设计中有许多的参数确定、设计规则类知识,都是明确的知识,当满足适当条件时能够得出一定结论[7],例如:螺栓的规格与所选液压扳手的外形尺寸和扭矩有关，对于重型机器设备，在国标为JB-T5000.10-2007中8.8级精度规格为M48的螺栓所需扭矩为4 236N·m，则选择输出扭矩>4 236N·m的液压扳手，可选额定输出扭矩5 000N·m，外形尺寸540×308×325的液压扳手。可以表示为：if螺栓规格=“M42”then选用额定输出扭矩5 000N·m,外形尺寸540×308×325的液压扳手。

2.3经验参数类知识

面向对象式知识表示法是目前比较新的一种知识表示法，对于初设计过程中的经验类知识，运用面向对象式的表示法来实现[8-9]。经验参数的值，储存在外部数据库里，当设计者输入液压扳手的外形尺寸、输出功率、工作压力等设计需求后，从数据库中读取这些经验参数，赋给类的属性，再进行如下参数求解。下面为活塞组件的类定义。

ClassYPiston

{

public:

doubleP_trip; //活塞行程

doubleP_area; //活塞缸面积

doubleP_press//活塞连杆压力

doubleP_inner-diameter//活塞内径

doubleP_speed//连杆速度

…//其他经验参数

}；

2.4实例类知识

液压扳手实例类的知识用面向对象的知识表示和框架式相结合，将液压扳手总体结构分为很多类模块，每个类模块则反映了每个部件的参数表示，通过对用户输入的不同设计要求，将不同类对象实例化，得出所要的设计案例。实例库是在UG二次开发的基础上实现零件的三维模型设计，当用户检测到相似实例后，使用实例库的数据来驱动参数化模型，在UG中完成零件建模。假如得出的实例不能满足需求，可在UG中修改其设计参数，快速完成所需零件的设计[10]。

2.5知识的存储

利用SQLServer2008数据库技术，将系统的所有知识存储于数据库中，下面列出了一些主要知识的存储方法。

(1)规则类知识的存储；

图3　内六角螺钉

(2)经验参数类知识存储；

图4　液压扳手经验参数知识

(3)实例类知识存储。

图5　反力臂部件参数

3　推理机制的实现

推理机作为专家系统中的重要环节，其实是用程序来实现知识库中知识的调用，并且使用知识来解决问题，得出合理方案[11]。系统采用基于实例的推理方法，其结构如图6所示。

本系统中推理机建立在类的基础之上，其主要类的声明如下

classYTuiliji:publicYObiect

{

public:

voidClearTemRule(); //初始化数据库

voidTuiliji(); //实现推理函数

YTuiliji(); //构造函数

virtual～YTuiliji() //析构函数

private:

YKnowledgen_KldSet; //声明知识库实例类

YTemRulen_TemRule;//激活知识库实例

YPutInn_PutIn; //声明用户输入实例

}；

图6　基于实例的推理机制

4　参数化建模

对于液压扳手的快速设计，系统采用对UGNX6.0软件的二次开发来实现。当用户输入的设计要求没有相似的实例时，用户可以通过系统按钮直接进入UG设计界面，对液压扳手主要部件进行快速设计。如果用户对于相似的实例需要修改时，也可以直接进入UG进行修改，具体的二次开发界面如图7所示。

图7　基于UG的液压扳手快速设计菜单

5　系统运行实现

基于实例的液压扳手设计型专家系统以VisualStudio2010为开发平台，SQLServer2008构建数据库存储知识，采用ODBC连接程序与数据库，实现对液压扳手的快速设计。其主要功能是根据现有实例进行推理改进得到用户需要的设计方案。

图8　液压扳手专家系统主界面

系统主界面如图9所示，用户登录后，系统自动连接SQLServer2008 数据库，用户可以对数据库中知识进行修改、维护并添加，也可以进入参数化设计板块，系统将自动连接并打开UGNX6的建模界面，用户可以直接进行快速设计。当进入实例推理模块时会出现如图10所示界面，用户可以输入需要的液压扳手技术参数，点击搜索实例则自动从数据库中调出与用户输入参数相似的实例。用户可根据需要对其修改，同时，将改好的实例存入数据库。

6　结束语

通过分析目前液压扳手设计效率比较低的问题，

研究开发了基于实例的液压扳手设计型专家系统。对于知识的表示，运用产生式、框架式与面向对象式相结合的方法，介绍各种知识的存储方式；阐述了基于规则的正向推理方法；基于VisualStudio2010实现UGNX6的二次开发；完成本系统的设计，对于提高效率、降低成本起到了推动作用。

[1]张永明，李和平.岸边集装箱起重机结构设计专家系统研究[D].武汉：武汉理工大学，2014.

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[3]金超宁,陈坚强,许瑛. 自动制孔系统智能设计专家系统的研究[J].机械设计与制造，2015(6):238-244.

[4]高景龙,程光辉.基于人工智能的榴弹设计专家系统的研究[D].四川：电子科技大学，2013.

[5]王飞,王军.基于实例与规则推理的斗式提升机设计专家系统研究[D].秦皇岛：燕山大学，2006.

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[8]周济.智能设计[M].北京：高等教育出版社，1998.

[9]尹朝庆.人工智能与专家系统[M].北京：中国水利水电出版社,2001.

[10]张煜东,吴乐南,王水花.专家系统发展综述[J].计算机工程与应用,2010(19)：43-47.

[11]郑丽敏.人工智能与专家系统原理及其应用[M].北京：中国农业大学出版社,2004.

Expert System of Hydraulic Wrench Based on Examples

HUANGLizhi1,YUZhonghai2

(1.SchoolofMechanicalEngineering,UniversityofShanghaiforScienceandTechnology,Shanghai200093,China; 2.SchoolofMechanics,ShanghaiDianjiUniversity,Shanghai201306,China)

Thecomponentsofhydraulicwrencharestudiedandtheparametermodelofeachcomponentisestablishedtosolvetheproblemofrepeateddesignofhydraulicwrench.AhydraulicwrenchrapiddesigntypeexpertsystemisdesignedusingVC+ +asthemaindesignlanguage,SQLServer2008databaseandesecondarydevelopmentonthebasisoftheUGsoftwaretoimprovetheefficiencyandreducethecost.

hydraulicwrench;expertsystem;knowledgedatabase;secondarydevelopment

2015- 12- 23

黄立智(1991-)，男，硕士研究生。研究方向：智能控制。于忠海(1958-)，男，博士，教授，硕士生导师。研究方向：数控技术等。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.09.033

TG333

A

1007-7820(2016)09-122-04