基于KBE的汽车发动机快速设计技术与软件系统

李 婷，孙定华，李战国，李宝童，邱志惠，洪 军

（西安交通大学 机械学院，西安 710049）

0 引言

发动机作为汽车的心脏，却是我国汽车工业最薄弱的环节。现代发动机产品的开发过程有很强的继承性，主要是基于以往的知识和经验，所以以往的设计知识、经验和资源变就成为企业快速开发、赢得市场的保证。针对这些问题,本文以发动机设计流程为基础，通过对国外成熟发动机设计知识的发现、提取与集成，实现发动机关键零部件设计知识的共享及重用。论文针对复杂结构机械产品设计特性，研究了规则推理和实例推理，二者的结合方式。通过对产品结构分解技术、知识提取技术、实例检索技术、实例修改技术、实例库构建技术、参数驱动建模技术等KBE关键技术的研究与开发应用，提出基于KBE的汽车发动机快速设计指导系统。扩展了KBE技术的内涵，丰富了KBE技术的应用，为进一步研究KBE技术在机械产品设计中的应用提供理论与实践基础。

1 基于KBE的汽车发动机快速设计系统框架

汽车发动机快速设计系统面向汽车发动机的总体设计过程，其推理产生的结果作为引导与辅助后续结构设计及详细设计的依据。汽车发动机总体设计的领域知识由知识工程师向领域专家提取并汇总入知识库；推理机应用一定的控制策略对知识库中的知识进行推理运用，输出设计方案并提交给参数化设计系统，以进行三维建模及有限元分析验证；同时通过性能评价模块对所得到的设计方案进行检验并将评价结果存储到知识库中[1]。汽车发动机快速设计系统结构如图1所示：

图1 汽车发动机快速设计系统结构

基于上述工作部署，将汽车发动机快速设计系统分为推理系统、知识库、参数化设计、性能分析及评价等模块[1]。其中,参数化设计模块主要是利用专家系统推理出来的设计方案。选择合适的参数化驱动方式，将设计尺寸直接转化为控制产品图形的特征参数，直接驱动模型。性能分析模块则通过有限元分析软件对方案分析，并依照检查规则检验产品的几何模型，从而实现以知识驱动的建模与仿真分析。专家系统包括实例检索、基于规则推理的实例修复、分析检查与评价和设计方案产生四个模块。知识获取用于提取领域专家的经验、专业知识、规范准则、科研数据及已有的设计成果等，经归纳、总结,最终提炼抽象形成知识。知识库是领域知识的存储器，用于存储由知识获取所得到的知识，并为推理机制提供相应的知识，是设计系统的核心[2]。推理机根据用户输入的条件运用一定的控制策略检索知识库中的有关知识，通过推理得出结论，为仿真分析提供可供参考的设计方案。由于知识种类较多，其表示形式不一样，本文采用了实例推理和规则推理集成的推理模式，它能充分利用汽车发动机设计中的实例知识和产生式知识。

2 汽车发动机快速设计中的关键技术

2.1 面向对象的实例及设计知识表示

在复杂结构机械产品设计中，采用功能-结构循环映射对产品进行层次分解，体现功能视图和结构视图的融合，可使复杂产品从设计功能分解到零件结构分解，符合产品设计的思维逻辑，避免了功能设计与结构划分之间的冲突。汽车发动机功-构分解层次树（部分）如图2所示。

图2 汽车发动机功-构分解层次图

汽车发动机是典型的复杂结构产品，相关设计领域知识十分复杂，单一的方法不能很好地描述设计领域知识，所以本文采用面向对象的知识表达方法，以功能-结构分解模型树为指导，进行发动机产品模型建模和设计知识整理编目[3]。

产品建模包括三个方面：功能建模，结构建模，原理建模。由功能—结构树横向划分产品-机构-零件层次关系，构建深度为3的树型结构。将树中节点定义成一个通用节点类，当中设置节点id为按哈夫曼编码的节点标识。可赋值属性集合，主要记录节点本身的信息、父节点和子节点，以及属性操作方法集。

按照产品-机构-零件层次关系节点类可衍生出产品级节点、机构级节点和零件级节点。所有节点按树型数据结构进行存储，形成一个产品表示的基础树型数据结构，由此定义树型结构类。系统需要完成实例推理、规则推理和产品评估等工作，在对功能-结构树进行纵向调整，按照功能-结构-评估将其分解为关系平行、相互索引的三个方面。分别定义，功能类对用户提出的需求进行规范表示，结构类用于记录产品的实际设计数据，评价类记录发动机各部分的评估方法和结果。这三个类皆衍生于结构类,都是产品实例类的组成成员。功能-结构-评估三个映射层之间有三种映射索引关系：功能－结构映射，结构－评估映射，结构－功能映射。将这些映射定义为接口（interface），由相应的类来实现。

汽车发动机设计领域知识十分复杂，根据知识的类型，将其分为：1）基础知识：主要包括介绍发动机产品的经典书籍、文章，关于发动机设计的学术著作、文章等；2）推理规则：用以指导发动机零件结构选型、参数设计过程的规则，以产生式规则表示法表示；3）约束规则：用于对设计参数的约束，包括法律法规、常用的行业标准以及设计公式构建的设计参数之间的约束；4）检查规则：用于对初始设计的检查，包括各种参数的经验范围、实验数据、图表等，也包括CAE分析、运动仿真等数据结果。所以产品原理模型分为设计知识模型（基础知识、推理规则、约束规则）和评价知识模型（检查规则）两种类型。以树型结构类为父类，分别衍生出设计知识类和评价知识类。知识模型是一种知识库编目方式，只特定的设计和评价环节相关，不与产品实例相关。

综上所述，产品模型实例是一个四元组：

实例={功能模型，结构模型，评估模型，实例索引，原理索引}

其中，实例索引项有两种：功能索引，特征索引。功能索引是从功能属性中提取出描述设计问题的特征属性集，用于零件级以上的实例索引。特征索引是零件几何特征集，用于特征级索引。原理索引分为设计原理索引、评价原理索引，分别用于获取设计知识和评价知识。由此，定义产品实例类如图3所示：

图3 产品实例类类图

2.2 基于CBR和RBR的系统推理框架

寻找问题的解决方法依赖于归纳推理中详尽的领域知识和类比推理中丰富的经验知识。整合RBR和 CBR两种推理方法，各自发挥长处，产生一种复合式推理框架[4]。在这个结构中，CBR是主体，责实例获取和规则归纳，RBR负责设计实例评价和为实例修复提供规则依据。如下图4所示：

图4 复合式推理结构框架图

控制器负责根据问题的特性选择适合的推理形式，控制着工作流方向，以及用户信息交互。规则库和实例库分别存储了参考规则和各种实例，RBR提供逻辑推理方法，如向前推理，向后推理和双向推理；CBR提供实例推理系统，包括实例检索，结果转换以及结果保存。RBR和CBR独立工作和提供推理结果。二者的合作有助于理解带有RBR解释能力的CBR框架的推理结果。另外，CBR的学习能力还有助于它获取新知识，以不断充实规则库。所以这种合成的推理形式。

如结构-功能结构树所示，零件需记录自己的几何特征。所以在设计中，采用两阶段获取方法从实例库中获取最相似实例。在零件级以上，利用功能检索进行实例匹配。当设计进行到零件选型阶段利用特征索引进行匹配。两个匹配步骤均采用带权最邻近算法计算相似度，并对所得相似度进行归一化处理[5]。设相似度阈值b，若坐高相似度高于b，则直接采纳原实例设计数据，反之则进入实例修复。系统中提供一种手动实例修复方法。通过RBR推理机制，结合规则库操作，推导出符合要求的设计方案。系统整合来自两个推理引擎的结果，得到最终推理结果。

3 系统实现

系统主要包括概念设计模块、曲柄连杆机构设计模块和配气机构设计模块。曲柄连杆机构设计模块主要完成曲轴、连杆组、活塞和活塞销等零件的设计。配气机构设计模块主要完成曲轴、连杆组、活塞和活塞销等零件的设计。利用Automation技术对CATIA进行二次开发，旨在实现系统应用程序与CATIA的信息交互。在系统中,设计人员将实例的产品全局参数、零部件特征参数等静态属性和零部件尺寸关联和特征关联动态行为分别存储到数据库和规则库中。借助ADO和数据库技术构建与记录产品模型。

发动机概念设计阶段，根据用户提出的发动机功率、转矩、排放、应用车型及成本等产品目标（设计输入），依据经验初步确定发动机的主要结构参数、主要零部件的结构形式、发动机各系统的布置方案和参数等作为发动机实例的一般信息，并由此构建产品功能模型。用整机功能主参数构建索引项，从实例库中可获取符合用户需求的所有实例，如图5所示。

图5 整机功能级实例索引

以发动机曲轴设计为例，说明发动机关键零部件结构设计过程。进入曲轴连杆机构设计环节。从功能模型获得动力性指标，并以此构建功能索引，进一步筛选实例（如图6所示）。本系统实例获取的推理过程分功能索引和特征索引两个级别，获取曲轴设计所需的示例数据，是以其各零件特征索引项为依据，从实例库最终选出符合要求的实例（如图7所示）。完成基于相似度计算的实例检索，若最终获取的候选实例与求解实例的相似度达到阈值b，则将候选实例的设计方案应用于当前设计。当不满足阈值要求时，则利用产生式知识，通过RBR 方法给出辅助实际建议。

图6 机构级实例索引

图7 特征级实例索引

设计完成后进行“计算评价参数”及“检查设计参数”，若存在与设计规则不符的参数则给出不符合参数提示，反之则提示符合规则。进行曲拐建模，由设计参数驱动CATIA软件进行自动建模，建模结果如图8所示。

图8 曲拐模型和曲轴完整模型

4 结论

1）本文详细讨论了基于KBE的汽车发动机快速设计系统。目的在于通过设计重用和专家知识推理，减轻汽车发动机总体概念设计的负担。通过设计知识查询和方案推荐减缓产品设计过程对经验设计师的依赖。系统不仅是记录产品信息的数据库，且可以完成从实例库中提取知识。

2）通过分析产品功能-结构分解模型树，借助面向方面思想和面向对象技术，分别建立同构的产品功能模型、结构模型和原理模型。综合考虑系统的KBE功能，分析各功能模块之间的关系，结合产品模型，提出发动机产品实例建模方法。通过这种方法，系统将各种国外发动机成熟机型的技术资料和各种设计知识，以规范化形式收录入数据库中。

3）针对发动机设计过程特征，合理调整CBR和RBR两个推理框架的结合方式。CBR是主体，责实例获取和规则归纳。按照各设计环节所需信息的粒度不同，建立功能索引和特征所引两步结合的实例获取操作。RBR负责设计实例评价和为实例修复提供规则依据。其推理过程所使用的规则，一方面由专家提供，另外CBR会将从实例库中归纳出的规则存入规则库，供RBR推理使用。

[1] 代荣,何玉林,何显刚,等.摩托车智能设计的实例推理与规则推理集成应用研究[J].中国机械工程,2008,19(11):1363 -1368.

[2] 吴庆鸣,张志强.基于KBE的隧道掘进机主机智能设计系统[J].中国机械工程,2006,17(4):331-333.

[3] G.Chen.J.Chen.Z.Zhao.X.Y.Ruan.An object-oriented hierar chical case representation of automotive panels in a computer-aided process planning system [J].International Journal of Advanced Manufacturing Technology,(2005) 26: 1323-1330.

[4] Yangge Tian,Fuling Bian.The Spatial decision-supporting system combination of RBR & CBR based on artificial neural network and association rules[C].Proc.of SPIE Vol.6754 675435-2-9.

[5] 胡良明,徐诚,王永娟,刘刚.面向对象的机械产品设计实例表示方法及检索策略研究[J].南京理工大学学报(自然科学版),2009,(01):104-107.