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基于案例的液壓動(dòng)力回路設(shè)計(jì)
Chi-Man Vong, Pak-Kin Wong, Weng-Fai Ip, and Zhi-Xin Yang
科學(xué)與自然，香港大學(xué)，香港
{cmvong,fstpkw,andyip,zxyang}@umac.mo
摘要：
本文介紹了設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)自動(dòng)基于案例的推理（CBR）為一體的液壓系統(tǒng)回路設(shè)計(jì)成功的人工智能典范。在此領(lǐng)域內(nèi)，對(duì)基于推理和液壓回路的設(shè)計(jì)進(jìn)行了簡(jiǎn)要回顧。然后提出了自動(dòng)回路設(shè)計(jì)和使用CBR學(xué)習(xí)的方法。最后通過(guò)應(yīng)用實(shí)例說(shuō)明了選擇CBR在學(xué)習(xí)工業(yè)液壓回路的設(shè)計(jì)的應(yīng)用價(jià)值。
關(guān)鍵詞：基于案例的推理（CBR），適應(yīng)的案例，液壓回路設(shè)計(jì)。
1. 介紹
計(jì)算機(jī)在工程設(shè)計(jì)中的使用已成為行業(yè)的一大趨勢(shì)。今天，不同的商業(yè)自動(dòng)化的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）軟件可應(yīng)用在許多工程的自動(dòng)化設(shè)計(jì)過(guò)程中。然而，CAD軟件在液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)不像在許多其他工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域一樣突出。這主要是由于壓力分析的復(fù)雜性和在設(shè)計(jì)過(guò)程中缺少最合適的協(xié)調(diào)方法。在最近的多年來(lái)，許多智能CAD專(zhuān)家系統(tǒng)的液壓回路的研究已在文獻(xiàn)中找到。大多數(shù)CAD系統(tǒng)的構(gòu)建從生產(chǎn)規(guī)則[1]設(shè)計(jì)的知識(shí)表示或基于和面向?qū)ο蟮募蒣2]，降低液壓子回路的復(fù)雜性和技術(shù)構(gòu)件表示。雖然該方法是有效的，收購(gòu)和維護(hù)規(guī)則的問(wèn)題，不僅是軟件工程師面臨的問(wèn)題，還有利用該軟件的設(shè)計(jì)師。此外，靜態(tài)學(xué)習(xí)的另一個(gè)問(wèn)題是傳統(tǒng)的基于規(guī)則的系統(tǒng)。為解決傳統(tǒng)的繼承問(wèn)題，基于規(guī)則的專(zhuān)家系統(tǒng)，人工智能社區(qū)提出了另一種推理范式，被稱(chēng)為基于案例的推理（CBR）。CBR支持新的學(xué)習(xí)方式，知識(shí)可以附加到知識(shí)庫(kù)中沒(méi)有廣泛的重新編譯系統(tǒng)。這是一個(gè)CBR維護(hù)知識(shí)的主要優(yōu)點(diǎn)，花費(fèi)更少的時(shí)間。本文研究了CBR在液壓系統(tǒng)中的應(yīng)用設(shè)計(jì)和一種原型液壓回路自動(dòng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)來(lái)驗(yàn)證所提出的方法。
______________________________
1當(dāng)規(guī)則被更新，整個(gè)系統(tǒng)必須被重新編譯。
吳越（主編）：ICHCC2011年，CCIS163，第269-275頁(yè)，2011。
施普林格出版社2011年柏林海德堡
2. 回顧
2.1基于案例的推理
CBR[3]是一種可以發(fā)現(xiàn)類(lèi)比當(dāng)前的工作情況和過(guò)去的經(jīng)驗(yàn)（參考案例）的方法。CBR可以直接利用過(guò)去的經(jīng)驗(yàn)來(lái)解決新問(wèn)題，即確認(rèn)其相似性與特定的已知問(wèn)題，來(lái)尋找一種解決當(dāng)前現(xiàn)狀的方案。 CBR已開(kāi)發(fā)出許多系統(tǒng)應(yīng)用于各種領(lǐng)域[4，5，6，7，8，9，10]，包括制造，設(shè)計(jì)，法律，醫(yī)學(xué)，和規(guī)劃?；镜腃BR構(gòu)成有以下四條：
●檢索 - 檢索匹配以往類(lèi)似的情況下，針對(duì)目前存在的問(wèn)題；
●重用 - 利用基于過(guò)去的案例的解決方案以解決目前存在的問(wèn)題；
●REVISE - 修改過(guò)去的解決方案，如果出現(xiàn)任何矛盾時(shí)，要適用于目前存在的問(wèn)題；
●保留 - 隨著問(wèn)題保留最終的解決方案，因?yàn)樽罱K的解決方案在將來(lái)可能是有用的。
當(dāng)用戶(hù)輸入一個(gè)問(wèn)題時(shí)，該問(wèn)題被解釋并轉(zhuǎn)換為一個(gè)新的案例推理系統(tǒng)的特定格式。轉(zhuǎn)換后的新情況進(jìn)入檢索的階段，在新的情況下，再對(duì)以前匹配的案例庫(kù)中推理系統(tǒng)案例。CBR通常在檢索階段通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的相似函數(shù)來(lái)找到最相近的作為當(dāng)前案例的參考。該公式中列出（1）其中是最重要的尺寸，和分別是在輸入和檢索的情況下的特征值。對(duì)于符號(hào)的特征值，
2.2液壓回路設(shè)計(jì)
液壓動(dòng)力是一種動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)和控制。它可以把液壓能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，以用于有用的生產(chǎn)工作，如壓制或提升。液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是回路設(shè)計(jì)。一般過(guò)程如下：
I.回路根據(jù)客戶(hù)所提供的信息，例如：回路最大工作壓力，最大負(fù)載，執(zhí)行器速度，工作周期和應(yīng)用等。
II.根據(jù)最大工作壓力、最大負(fù)載和載荷-位移來(lái)決定線(xiàn)性或旋轉(zhuǎn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的尺寸。
III.將計(jì)算出的執(zhí)行器的尺寸轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)尺寸。
IV.系統(tǒng)參數(shù)，如液壓油的流量，壓力切換等被確定。
V.根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)和設(shè)計(jì)規(guī)格選擇適當(dāng)?shù)膱?zhí)行器子回路，泵和泵的子回路。
VI.最終選擇其他在回路中使用的液壓元件。
3.CBR在工業(yè)液壓回路設(shè)計(jì)中的應(yīng)用
在2.2節(jié)步驟V，液壓工程師們通常習(xí)慣于修改現(xiàn)有的回路，然后設(shè)計(jì)一個(gè)新的回路來(lái)為了適應(yīng)不同情形下的使用。這是因?yàn)橐簤夯芈返脑O(shè)計(jì)通常是相似甚至不同的情況，所以液壓工程師必須手動(dòng)查找通過(guò)許多現(xiàn)行有效的電路，然后選擇一個(gè)類(lèi)似的和合適的并進(jìn)行修改。
在檢索過(guò)程的階段是重復(fù)和繁瑣的，因?yàn)楣こ處熞鹨粚彶槊恳粋€(gè)回路。然而，檢索現(xiàn)有的回路和使它更好地適應(yīng)當(dāng)前的情況，可以強(qiáng)烈支持CBR。如果現(xiàn)有的回路在計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)中（案例收集庫(kù)），每個(gè)回路隨著其功能和應(yīng)用程序特定的存儲(chǔ)輸出要求，這些參數(shù)可以作為案例（回路設(shè)計(jì)）索引、指標(biāo)。每當(dāng)液壓工程師想要從案例庫(kù)檢索過(guò)去的案例，他只需要輸入相應(yīng)的功能和應(yīng)用程序的特定要求，和CBR的使用（1）計(jì)算最相似的案例。如果工程師不滿(mǎn)意推薦的案例，那么下一個(gè)最相似的案例繼續(xù)出現(xiàn)。要做到這一點(diǎn)，因?yàn)榘讣嗨扑降膶?shí)例相似度的計(jì)算排名不同。
在那之后，工程師能夠適應(yīng)或修改手動(dòng)檢索的情況下，由以上過(guò)程或應(yīng)用提供CBR適應(yīng)規(guī)則。那些適應(yīng)規(guī)則的具體生產(chǎn)規(guī)則來(lái)自專(zhuān)家或工程師自己的經(jīng)驗(yàn)。最后，工程師可以決定此案例是否足夠好存儲(chǔ)庫(kù)到案例庫(kù)，以備將來(lái)使用。
液壓回路的設(shè)計(jì)不同，不僅是因?yàn)榛芈穲D的不同，而且與他們的功能屬性也有關(guān)。為了適應(yīng)回路，如果某些組件更換，那么屬性將也可以通過(guò)插入或刪除進(jìn)行修改。 CBR允許的情況下，這樣的結(jié)構(gòu)修飾的屬性可以添加或刪除。例如，一個(gè)工程師檢索過(guò)去的案例，并執(zhí)行回路設(shè)計(jì)的修改，然后數(shù)的屬性將改變根據(jù)，他的子回路通過(guò)添加或修改預(yù)定義的屬性，刪除不必要屬性的子回路。
4.應(yīng)用實(shí)例
實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)能夠提供基于回路規(guī)格最相似的回路設(shè)計(jì)。工作環(huán)境和前段用戶(hù)界面回路設(shè)計(jì)系統(tǒng)如圖1所示。系統(tǒng)的學(xué)習(xí)能力這部分中顯示出的一個(gè)例子與援助。表1顯示的部分屬性在圖2所顯示液壓子回路實(shí)例的表示。
圖1.工作環(huán)境和回路設(shè)計(jì)系統(tǒng)前端用戶(hù)界面
表1.液壓子回路的部分屬性
繪圖名稱(chēng)
變量
最大流量
33L/min
最大壓力
630巴
速度變化的階段
2
壓力變化的階段
1
●
●
●
●
每當(dāng)檢索到過(guò)去類(lèi)似的案例，就可以重復(fù)利用已有的案例。然而，并不是每一個(gè)案例都是適應(yīng)當(dāng)前系統(tǒng)的，作為任何系統(tǒng)設(shè)定的規(guī)則，往往是不完整的。在這一刻，用戶(hù)干預(yù)是必要的，以補(bǔ)償系統(tǒng)的無(wú)法適應(yīng)。用戶(hù)將會(huì)利用自己的專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域知識(shí)來(lái)修改案例。為了學(xué)習(xí)領(lǐng)域知識(shí)，由用戶(hù)執(zhí)行的操作是通過(guò)記錄回答問(wèn)題的步驟。當(dāng)一個(gè)用戶(hù)要尋找一個(gè)合適案例的時(shí)候，系統(tǒng)會(huì)詢(xún)問(wèn)用戶(hù)執(zhí)行的操作。一旦用戶(hù)已經(jīng)選擇了該操作，相應(yīng)的操作提供給用戶(hù)選擇。在記錄操作時(shí)，系統(tǒng)可以學(xué)習(xí)從用戶(hù)尋找相應(yīng)的知識(shí)。博學(xué)的知識(shí)被封裝稱(chēng)為案例，因?yàn)樗怯脕?lái)引導(dǎo)。隨后，當(dāng)出現(xiàn)類(lèi)似的問(wèn)題出現(xiàn)時(shí)，系統(tǒng)將變得能夠擁有通過(guò)參照適應(yīng)個(gè)案處理的適應(yīng)能力。
4.1系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)
首先，隨著它們各自的屬性，現(xiàn)有液壓子回路的標(biāo)準(zhǔn)功能塊圖構(gòu)建，如上面列出的。在訓(xùn)練階段的系統(tǒng)，顯示出了現(xiàn)有圖紙預(yù)覽列表。用戶(hù)可以選擇一種父子回路，進(jìn)而推導(dǎo)出一種新的回路。例如，考慮道上述例子，如果用戶(hù)更改“最大流量”屬性，從33L/分鐘到350L/分鐘，泵組件的父子回路必須被替換為新的、一個(gè)能夠支持流量350L/分鐘。這是借助于生產(chǎn)由用戶(hù)提供的規(guī)則：
如果最大流量≦33L/min，然后用舊的塊、其它使用新的塊
該系統(tǒng)可以保持所有這些生產(chǎn)規(guī)則，以適應(yīng)未來(lái)的情況。每當(dāng)子回路最大流量大于33L/分鐘，它必須選擇一個(gè)特定的泵組件。由于減壓閥組件的變化，一個(gè)尺寸較大的泄壓閥符號(hào)應(yīng)插在子回路如圖2所示。附圖的變化也可以通過(guò)與系統(tǒng)集成基于A(yíng)utoCAD平臺(tái)。
圖 2.推薦系統(tǒng)回路設(shè)計(jì)使用CBR的組件的一個(gè)例子
4.2 設(shè)計(jì)實(shí)例和結(jié)果討論
對(duì)于一個(gè)110噸的臥式液壓木質(zhì)輸入規(guī)格壓縮站如表2所示。由于回路中沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)的解決方案設(shè)計(jì)，所以設(shè)計(jì)的評(píng)價(jià)將集中在設(shè)計(jì)的有效性?！皬脑拖到y(tǒng)回路設(shè)計(jì)產(chǎn)生的結(jié)果被證實(shí)按照規(guī)定的規(guī)格，由專(zhuān)家從兩個(gè)演出變化-結(jié)構(gòu)圖變化結(jié)構(gòu) - 速度變異領(lǐng)先的液壓工程公司。該回路的主要貢獻(xiàn)是設(shè)計(jì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時(shí)間減少。非專(zhuān)家通?；?、4天時(shí)間完成回路設(shè)計(jì)。手工設(shè)計(jì)的主要困難是要找到適當(dāng)?shù)慕M件和組件之間的連接。這是因?yàn)槿狈νㄓ迷O(shè)計(jì)理論，從而發(fā)現(xiàn)和理解電路中組件的屬性是一個(gè)非常費(fèi)時(shí)的任務(wù)，即使是專(zhuān)家。 利用CBR，過(guò)去許多回路可重復(fù)使用和重新考慮選擇的時(shí)間滿(mǎn)意的電路規(guī)格的組件可以被保存。余下的工作主要是回路的設(shè)計(jì)是如何適應(yīng)到一個(gè)新的適合現(xiàn)有的回路，是比從頭開(kāi)始設(shè)計(jì)一個(gè)全新的回路要簡(jiǎn)單得多。
表2中.輸入規(guī)格的110噸臥式液壓木制壓榨站
屬性
值
執(zhí)行器組數(shù)目
1（柱塞式油缸擠壓）
最大負(fù)載（噸）
100
行程長(zhǎng)度（毫米）
300
最大行程速度（毫米/秒）
30
最大擠壓速度（毫米/秒）
10
安裝方法
前部與后部法蘭
擠壓過(guò)程中的負(fù)荷壓力的變化階段的數(shù)目
1
控制擠壓動(dòng)作的類(lèi)型
位置感測(cè)
執(zhí)行器的速度階段
2
可接受的噪音等級(jí)
60分貝
預(yù)計(jì)使用壽命
5年
機(jī)床操作小時(shí)/天
12小時(shí)/天
原動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速
1450轉(zhuǎn)
最大系統(tǒng)額定壓力
210巴
5. 結(jié)論
CBR是一個(gè)在A(yíng)I的方法，可以極大地支持決策過(guò)程人類(lèi)。 CBR的最重要的部分是重復(fù)使用過(guò)去的經(jīng)驗(yàn)，目前的問(wèn)題，所以，目前的問(wèn)題相同的部分可以直接再利用比喻使用的相似，缺失部分的問(wèn)題是可以解決的專(zhuān)家適應(yīng)規(guī)則。這項(xiàng)工作是一個(gè)新的嘗試，應(yīng)用CBR方法液壓系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)與建設(shè)學(xué)習(xí)能力。該電路設(shè)計(jì)系統(tǒng)可以極大地減少不必要的時(shí)間消耗反復(fù)類(lèi)似的液壓回路設(shè)計(jì)，通過(guò)重用過(guò)去的案例。此外，計(jì)劃重新編譯由于是不必要的修改電路知識(shí)基礎(chǔ)學(xué)習(xí)能力的CBR。工業(yè)液壓自動(dòng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的原型控制電路已建成使用推薦的方法，它一直驗(yàn)證能夠成功。
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