基于KBE的施工升降机导轨架快速设计系统开发

朱春阳，王紫媛，李昌冉

(长安大学道路施工技术与装备教育部重点实验室，陕西西安710064)

在施工升降机运行过程中，导轨架用来支撑和引导吊笼沿着导轨升降。由于导轨架结构复杂，设计参数较多，计算量大，而当前施工升降机的设计仍采用传统的CAD技术，运用基本的计算理论及个人经验进行几何设计，缺乏设计规范与知识的支持，所以设计周期长，成本高。本文将KBE技术运用到施工升降机导轨架三维设计中，开发施工升降机导轨架快速设计系统，实现知识驱动设计，快速应对市场需求，降低研发成本，为施工升降机的创新设计迈出积极的一步，进而为工程机械设计研发提供实现智能化思路。

1 施工升降机导轨架的设计

1.1 设计特点

导轨架由多个标准节通过螺栓联结而成，用来支撑和引导吊笼沿着导轨升降，完成施工任务，在施工升降机工作过程中，起着至关重要的作用。

研究导轨架结构，主要对标准节结构进行分析[1]。标准节由主弦管、斜腹杆、齿条、角钢框架、螺栓、螺母和销等组成，其端面尺寸有180 mm×180 mm、500 mm×500mm、650 mm×200mm、650 mm×650 mm、700 mm×700 mm、900 mm×650 mm等类型，同时，不同的类型的施工升降机，具有不同规格的标准节。因此，其结构十分复杂，参数又多，如果每设计一种导轨架都用三维软件重新建模，需要人工输入的数据很多，工作量大，很容易出错。而各种标准节主要组成部分基本相同，设计过程中的大部分工作都是重复的。

1.2 现行设计存在的问题

1)在传统的导轨架设计计算时，许多参数的取值都在一定的范围内，设计人员只需参考国家标准并根据经验进行合理选择即可，但在后期分析计算和计算机绘图时，需要重复工作，这无疑导致设计效率低下，造成人力物力的的损耗。

2)当前施工升降机的设计仍然采用传统的CAD技术，停留在二维、三维软件的初级使用阶段，运用一些基本的计算理论进行几何上的设计。而安全系统评价、新型方案设计等创新性设计，很大程度上还是依赖于设计者的自身经验和知识，缺乏设计规范与知识的支持，造成设计质量和效率很难再上一个新的台阶。

2 基于KBE设计的关键技术

知识工程(KBE)技术是一种面向工程开发全过程的设计方法[2]。企业发展实现信息化进程，KBE技术是不可或缺的前进动力，其可以在设计、制造生产和维护阶段得到应用，从而提升企业竞争力。

2.1 KBE系统中知识的获取

知识获取的步骤一般是先认识问题的特征，通过总结、了解、寻找问题求解的相关概念，进行知识梳理，最终建立起知识库系统进行测试。知识的获取方法有手工、自动和半自动知识获取三种方式[3]。其中，半自动知识获取是一种人为输入知识数据和计算机从知识库中获取知识的相结合的过程，NX软件推出的知识熔接模块能够很好地和数据库结合，实现半自动获取知识过程。施工升降机导轨架的设计知识大都是从设计计算书、标准准则、安全规范书以及试验数据书搜集并通过人工方法输入到计算机数据库中，同时结合知识熔接技术把施工升降机相关的设计规则、原理以及技术专家交流中的经验知识表述出来，存储在知识库中，融入到施工升降机零件设计中，因此本文采用半自动知识获取方法。

2.2 KBE系统中知识的表示

知识表示利用计算机能够识别的语言表达出来，将客观世界的知识转换为合适的数据形式。知识表示是知识继承的载体，是知识获取和知识推理的首要条件[4]。知识的表示方法多种，本文针对知识熔接技术和数据库技术相结合的工程技术要求，利用基于规则的表示法和面向对象表示法相结合的方法来描述施工升降机相关知识。基于规则的表示法自然灵活、通用性强，允许利用领域知识直接演绎推理，有利于描述一个事件的存在而导致另一个事件的发生并且符合人类的思维模式。但是对于复杂多变的知识概念难以描述。规则表示法分为确定性规则和不确定性规则两种表述形式。施工升降机导轨架的规则知识大都是直线形确定性事件设计，所以本文在施工升降机导轨架设计过程中主要采用确定性规则的表示形式。

面向对象的表示法具有良好的继承性、系统易维护、表达能力强等优点，可以将静态描述特性和动态描述特性的知识同时表达出来和知识的继承的能力，方便知识的存储和修改。对于机械设计而言可以将每个特征看成一个对象，将其中相关的属性规则抽取为可被计算机描述的知识语言。对于一个零件可以归为一个类用Class进行表述，将共同特征的属性知识描述类对象之前供类中每一个对象抽取使用。

2.3 KBE系统中的知识推理

知识推理是实现知识驱动设计的动力核心，针对设计的规则和原理知识被描述为机器语言，根据已知条件利用推理机制推出相对应的结果。按照推理方法，知识推理可分为基于规则的推理(RBR)、基于模型的推理(MBR)和基于实例的推理(CBR)[5]。因为施工升降机相关的设计知识规则和理论已经成熟，趋于稳定状态且比较完善，所以本文采用了基于规则的推理表示方法来描述施工升降机导轨架三维设计规则与事实。基于规则的推理是采用if-then形式的推理机制，比较适用于知识体系完整的知识库系统，将知识和理论抽取为具有前后因果关系的规则模式。

2.4 KBE系统集成技术

本文的KBE系统集成技术包括知识集成和系统集成。KBE系统与之前的传统专家系统相比在产品设计时更加偏重于知识集成，可以实现在产品设计过程中，充分调动和利用各种知识资源；系统集成方式将KBE系统集成到CAD系统，增加KBE系统的功能，使其变得更加完善。NX系统为KBE系统提供了一个可视化环境，能够利用面向对象语言对设计的三维模型进行建立和修改，利用数据库和电子表格来存储知识信息，以及编辑Dfa文件实现知识的传递和规则库的建立。本文为了方便实现知识的集成，采用统一数据库，不需要知识数据的转换，将知识管理系统集成到NX系统中，实现知识库中数据的添加、删除和更新以及KF模块知识的获取。

3 施工升降机导轨架知识库建立

知识库由数据库、规则库和实例库组合而成，具有信息数据处理和利用的功能。对于施工升降机导轨架快速设计系统，知识库是最核心的一部分，是实现知识为动力的基础。施工升降机零件的知识库结构图如图1。

图1 施工升降机导轨架设计知识库构成图

3.1 工程数据库的建立

工程数据库主要用于存储施工升降机导轨架零件工程数据。数据库主要由导轨架的物理性能、常规力学性能以及几何参数等组成。物理性能主要包括施工升降机导轨架材料、适用范围、弹性模量、泊松比、剪切模量、质量、热处理方式、应用实例等。常规力学性能主要包括屈服强度、重力、强度极限、硬度、工作状态、受力情况等。几何参数主要包括长度、宽度、高度、面积、体积等几何信息。将这些信息存储在Access数据库中，用ODBC数据库的形式表达，即可实现数据快速传递和共享。

3.2 规则库的建立

规则库是知识库的重要部分，用于存放施工升降机导轨架设计的工程规则[6]。对于设计过程的知识和设计的约束都采用嵌入式源程序法方式表达规则知识。采用基于规则的表达方式将施工升降机零件的相关设计准则和设计方案用KF语言描述出来嵌入到Dfa文件中。对于施工升降机导轨架的标准节的选取部分规则如下：

规则1：if (适用范围和技术要求)=(单笼升降机，悬臂高度不超出4.5m)

then(标准节规格)=(650×200×1508圆管)

规则2：if (适用范围和技术要求)=(悬臂高度不超出7.5m)

then(标准节规格)=(650×650×1508圆管)

......

3.3 实例库的建立

建立实例库，需要将已有几何参数、力学性能等完善的知识融入到施工升降机导轨架零件中生成实例模型。这些模型主要由Dfa文件的实例化建立，少数复杂模型可直接建立零件模型。在NX/KF中Dfa文件的获取方法有两种，一种是利用NX/KF语言直接编辑而成，比如施工升降机标准节的一些零件如主弦管、斜腹杆、螺栓等零件的建立。另一种方法是几何采用机制，利用已建好的导轨架零件模型使用知识融合模块中的Adoption来反求零件模型的知识，然后将零件模型转化为KF类，用户可以在KF导航器中添加数学公式、产生式规则、外部数据库等，进一步修改使其符合KF语法规则，然后保存为新的Dfa文件。

4 导轨架快速设计系统

4.1 导轨架快速设计系统结构

基于KBE的施工升降机导轨架快速设计系统的结构如图2，主要分为四层，分别是设计知识资源层，设计系统层，集成平台层和用户界面层。设计知识资源层主要是施工升降机导轨架的知识库，包括实例库、数据库和规则库。设计系统层是施工升降机导轨架系统的开发工具，是设计实例模型的核心、知识驱动的动力载体和系统实现运行的中流支柱。集成平台层实现以NX软件为平台，将其他的系统集成到NX平台中，方便系统操作。用户界面层将用户分为知识领域专家、设计人员和系统管理人员，知识领域专家负责将设计过程中的知识进行知识表示，不断扩充知识库；设计人员通过交互界面使用系统，辅助整个设计任务的完成；系统管理员负责整个系统的正常运营。

图2 系统结构框架

4.2 系统用户界面的开发

(1)用户菜单界面

在NX软件平台，利用Menu Script工具编辑满足用户的菜单样式。设计人员用记事本创建和编辑扩展名为*.men的文件，即可得到相应的菜单形式。

图3 模块下拉菜单

本文利用Menu Script工具对施工升降机导轨架系统进行菜单界面设计，在stratup文件中创建caidanlan.men，结合施工升降机导轨架实例设计菜单脚本程序，得到施工升降机导轨架系统菜单界面如图3。

(2)用户操作界面

NX的UI Styler应用模块提供给用户可视化建立NX风格对话框的功能。用户可根据需求选择合适的控件，在属性编辑器中设置对话框名称和提示信息实现数据传输，同时调整控件位置，实现合理布局。本文对于施工升降机导轨架零件的设计界面采用UI Styler中提供的UI样式编辑器定制系统操作界面对话框。所创建系统界面对话框见下节实例。

4.3 系统应用实例

以SC型施工升降机导轨架的组成部件标准节的设计为例，说明该系统的实现过程。运行施工升降机导轨架设计系统，点击菜单栏导轨架零件设计中的标准节，即可加载标准节设计操作界面如图4，运行结果如图5。选择需要建立的标准节类型，生成三维实体模型。

图4 标准节设计对话框

图5 标准节设计实例

标准节相关知识分为三类，第一类是几何参数，包括标准节规格、主弦管规格、角钢规格、斜腹杆规格、齿条规格、联结螺栓、联结螺母以及垫圈规格等，选择所需这些零件的规格建立标准节模型。第二类是物理性能，选取设计所需材料，读取知识库中相对应材料的密度、质量、热处理方式，为力学计算打下基础。第三类力学性能，针对上述两类知识的选取，计算得到相关的力学知识，节约计算时间。

5 结论

本文针对施工升降机导轨架知识的特点，充分获取现有的设计知识建立知识库，结合知识工程技术，开发基于KBE的施工升降机导轨架快速设计系统。通过标准节实例验证，本文设计开发的系统，实现了在设计过程中获取知识，动态扩充知识库等功能，极大地方便了设计人员建立三维模型和积累知识，缩短了施工升降机导轨架的开发周期，提高了设计效率。