構(gòu)建基于實例的三維PIC模型研究批量定制汽車配件的配置技術(shù),機械工程論文

構(gòu)建基于實例的三維PIC模型研究批量定制汽車配件的配置技術(shù),機械工程論文大規(guī)模定制既有大規(guī)模生產(chǎn)的低成本優(yōu)勢，又能夠在一定程度上知足客戶的需求，因而遭到越來越多的公司的關(guān)注.產(chǎn)品配置設計作為能夠知足個性化客戶需求并有效支持產(chǎn)品快速定制設計手段，已經(jīng)成為大規(guī)模定制的核心設計方式方法.當前，對于解決大規(guī)模定制產(chǎn)品配置的研究內(nèi)容主要有產(chǎn)品配置成本評估,產(chǎn)品配置知識獲取,產(chǎn)品配置動態(tài)驅(qū)動,產(chǎn)品配置性能預測,并獲得了一定的成果。但是上述研究多集中在產(chǎn)品配置規(guī)劃方面，對產(chǎn)品微觀配置經(jīng)過牽涉不多。對于產(chǎn)品配置知識的表示，近年來的研究熱門有基于約束知足的知識表示,基于資源的知識表示和基于描繪敘述邏輯的知識表示,并獲得了一定進展，解決了一些實際問題。但是對于像汽車這樣復雜的產(chǎn)品，這些方式方法都有一定的缺乏：①產(chǎn)品知識獲取困難；②忽略了過去已有的很有價值的設計知識和經(jīng)歷體驗；③利用配置模板對產(chǎn)品從頭開場配置設計，既耗時又易出錯。基于實例推理〔case-basedreasoning,CBR〕的產(chǎn)品配置方式方法能夠充分考慮過去已有的有價值的設計知識和經(jīng)歷體驗，已成為產(chǎn)品設計開發(fā)的一種有效實現(xiàn)方式.據(jù)調(diào)查，產(chǎn)品設計活動中有大約75%的設計是基于實例的產(chǎn)品設計.對于基于實例推理的產(chǎn)品配置技術(shù)，有學者從不同方面進行了研究。AHN等將CBR與基于知識的技術(shù)相結(jié)合來實現(xiàn)定制經(jīng)過中多種類型經(jīng)過知識的分享與重用；王新等提出了產(chǎn)品組需求類和需求匹配模板的概念，通過二級實例匹配求解實現(xiàn)產(chǎn)品配置；CHENG等提出將CBR與產(chǎn)品生命周期建模技術(shù)結(jié)合，應用于綠色產(chǎn)品配置開發(fā)。這些配置設計方式方法在解決產(chǎn)品的快速響應設計問題時具有一定優(yōu)勢，但是對于大規(guī)模定制下汽車的設計還存在下面缺乏：產(chǎn)品配置模型并沒有全面表示出像汽車這樣復雜產(chǎn)品配置模塊之間多層次的復雜約束信息和三維信息等，由于缺少這些重要的設計信息，可能導致最終得出的BOM無法或很難造型、布局或裝配；對于客戶的需求，多是對其進行分解和分析，然后轉(zhuǎn)化為各種設計參數(shù)，作為產(chǎn)品配置的輸入，而客戶并沒有實際介入到產(chǎn)品的設計中，像汽車這種很難量化的產(chǎn)品，假如客戶沒有實際介入到產(chǎn)品的設計經(jīng)過中，很難得到令其滿意的結(jié)果。因而，針對以上問題，筆者提出一種基于實例的PIC模型，將汽車的部件、三維和約束信息整合為一個整體，然后利用交互式遺傳算法進行產(chǎn)品配置的求解，并建立基于PIC模型的汽車操控臺定制設計系統(tǒng)進行驗證。1.基于實例推理的PIC模型產(chǎn)品配置知識的表示是解決產(chǎn)品配置問題的基礎(chǔ)，其本質(zhì)是對企業(yè)擁有的設計實例資源的整合，使其構(gòu)造化、規(guī)范化，便于產(chǎn)品的快速定制。筆者提出了一種基于實例的PIC3層模型，將企業(yè)擁有的設計實例資源整合為一個整體，以知足產(chǎn)品配置求解的要求，如此圖1所示。圖1基于實例推理的PIC模型〔1〕P〔parts〕層為部件層，是PIC3層模型的基礎(chǔ)層，本質(zhì)為產(chǎn)品的各個組成部分的模塊化樹狀模型。其能夠表示為P=〔NUM,NAME,F,PA〕。NUM為各部件模塊的標識；NAME為各部件模塊的名稱；F={f1,f2,，fq}〔q0〕為各部件模塊的功能屬性；PA={pa1,pa2,，pau}〔u0〕為各部件模塊的特征參數(shù)。〔2〕I〔information〕層為信息層，是P層的實例化，包含有P層各個部件的不同實例的三維信息、裝配信息和拓撲信息，能夠表示為I=〔NUM,PNUM,3Dinfo,Tinfo,Ainfo〕。華而不實：NUM為該實例信息模塊的標識；PNUM為該實例信息模塊對應的P層部件模塊的標識；3Dinfo為該實例的3D信息，能夠描繪敘述出該實例模塊的基本空間位置和幾何形狀，并不牽涉詳細的尺寸與設計細節(jié)；Tinfo為該實例模塊的拓撲信息，即在產(chǎn)品組裝時與該實例模塊相鄰的上級、下級和同級的模塊位置信息；Ainfo為該實例的裝配信息，能夠描繪敘述該實例模塊在產(chǎn)品組裝時本身的特征參數(shù)以及對相鄰各模塊的參數(shù)要求。〔3〕C〔constrains〕層為約束層，是對于P層和I層約束信息的提取和整合，包括來自P層的非構(gòu)造性約束和來自I層的構(gòu)造性約束，能夠表示為C=〔NUM,NAME,TYPE,IF,THEN〕。華而不實：NUM為該約束的標識；NAME為該約束的名稱；TYPE為該約束的類型，TYPE=0,則該約束為構(gòu)造性約束；TYPE=1,該約束為非構(gòu)造性約束；IF為該約束的條件輸入項；THEN為該約束的結(jié)論輸出項。2.基于交互式遺傳算法的產(chǎn)品配置求解對于產(chǎn)品配置問題的求解，充分考慮用戶的個性需求，對于汽車的評價，不同的人有不同的看法，主觀性很強，難以量化，因而筆者應用交互式遺傳算法來解決產(chǎn)品配置問題。交互式遺傳算法是將傳統(tǒng)進化計算與人的智能評價有機結(jié)合，是一種解決隱式性能指標優(yōu)化問題的有效方式方法。交互式遺傳算法需要用戶的評價來實現(xiàn)進化，因而能使用戶積極地介入到產(chǎn)品定制設計中，最大限度地知足其要求。傳統(tǒng)的交互式遺傳算法流程如此圖2所示。圖2交互式遺傳算法的流程欲使用IGA進行產(chǎn)品配置求解，還需要對汽車的各個模塊實例進行編碼，使之成為IGA能夠辨別的基因.筆者根據(jù)PIC模型用二進制來對汽車操控臺進行編碼。如此圖3所示，一條染色體代表一個設計產(chǎn)品，以汽車操控臺為例，總體分為6個部分，分別對應操控臺的5大模塊和顏色模塊，每一部分又進一步根據(jù)PIC模型中P層分為若干基因，每一個基因的二進制代碼均代表一個詳細的實例。圖3中中控臺的編碼001001001即代表第一類GPS導航、DVD音響系統(tǒng)、液晶顯示屏的實例。將汽車的各個模塊轉(zhuǎn)變?yōu)镮GA能夠辨別的基因之后，就能夠根據(jù)IGA的算法流程對其進行遺傳操作，經(jīng)過進化最終得到用戶滿意的個體。圖3基于PIC模型的編碼形式3.基于PIC模型的操縱臺定制設計系統(tǒng)3.1系統(tǒng)的設計原理與構(gòu)造筆者提出的基于改良的交互式遺傳算法的汽車操控臺定制設計系統(tǒng)采用3層體系構(gòu)造，分別為資源層、應用層和用戶層，如此圖4所示?！?〕資源層是系統(tǒng)的基礎(chǔ)層，為應用層以及用戶層的各個功能的實現(xiàn)提供基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)和參考。資源層建立在包括硬件平臺、數(shù)據(jù)庫、PDM和網(wǎng)絡等基礎(chǔ)設施上，通過數(shù)據(jù)庫服務器與應用層的各個客戶端連接。資源層的數(shù)據(jù)涵蓋了基于改良的交互式遺傳算法的汽車操控臺定制設計系統(tǒng)所需要的所有數(shù)據(jù)，包括產(chǎn)品實例庫、三維信息庫、拓撲信息庫和配置約束庫等?！?〕應用層是系統(tǒng)的核心層，由配置知識表示單元、配置知識管理單元，以及產(chǎn)品配置求解單元組成。來自資源層的數(shù)據(jù)首先通過配置知識表示單元轉(zhuǎn)化為基于PIC模型的配置知識，進入到PIC模型數(shù)據(jù)庫，再由配置知識管理單元進行維護。然后產(chǎn)品配置求解單元根據(jù)配置知識，通過與用戶層交互，最終得出配置結(jié)果。每次的配置結(jié)果都會由配置知識管理單元自動添加到PIC模型數(shù)據(jù)庫中，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時更新?！?〕用戶層是整個系統(tǒng)的關(guān)鍵，由客戶、設計人員、系統(tǒng)維護人員和其別人員構(gòu)成。用戶層通過人機交互界面與應用層的應用服務器連接，使得客戶對IGA算法產(chǎn)生的個體進行評價，促使種群進化，最終得出滿意個體。設計人員、系統(tǒng)維護人員和其別人員負責系統(tǒng)的正常運行和對客戶提出的問題進行解答。圖4基于PIC模型的汽車操縱臺定制設計系統(tǒng)3.2系統(tǒng)的實現(xiàn)將資源層中的各種數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為能夠用來配置求解的知識，其經(jīng)過通過PIC模型來實現(xiàn)。下面針對汽車操控臺，講明PIC模型的施行經(jīng)過?！?〕汽車操控臺的P層模型。P層本質(zhì)為產(chǎn)品的各個組成部分的模塊化樹狀模型，因而，將汽車操控臺分為5大模塊：方向盤、中控臺、儀表盤、變速桿和空調(diào)出口。然后，每一模塊又進一步向下細分，進而得出模塊化樹狀模型，如此圖5所示。每一層級的模塊均有不同的實例與其對應，而每一個實例均有三維信息、裝配信息和拓撲信息，進而引出I層模型。圖5〔2〕汽車操控臺的I層模型。I層是P層的實例化，包含P層各個部件的不同實例的三維信息、裝配信息和拓撲信息。以方向盤為例，它的某一個詳細實例的三維信息〔3Dinfo〕如此圖6所示，由若干曲線、曲面和基準特征幾何構(gòu)造組成，能夠描繪敘述出該實例模塊的基本空間位置和幾何形狀；拓撲信息〔Tinfo〕以二維表的形式表示出該實例與上級〔操控臺整體〕、下級〔喇叭按鈕、音量調(diào)節(jié)鍵等〕和同級〔操控臺〕的位置信息；裝配信息〔Ainfo〕描繪敘述該方向盤實例在產(chǎn)品組裝時本身的特征參數(shù)以及對相鄰各模塊〔儀表盤〕的參數(shù)要求。圖6〔3〕汽車操控臺的C層模型。C層是對于P層和I層約束信息的提取和整合。操控臺的C層部分約束如表1所示。表1操控臺的C層部分約束圖7圖7為系統(tǒng)的交互界面，左側(cè)能夠顯示這一代的個體〔每代9個個體〕，右側(cè)顯示當前最優(yōu)個體和上代最優(yōu)個體以供參考，用戶能夠通過該界面來對系統(tǒng)產(chǎn)生的個體進行評價，促使種群進化，最終產(chǎn)生滿意的個體。初始界面上顯示的個體均為2D形式，假如對某一個體感興趣，能夠點擊3D來查看該個體的3D圖像。在用戶發(fā)現(xiàn)自個滿意的個體時，能夠點擊best來結(jié)束進化，系統(tǒng)則會自動輸出最優(yōu)個體對應的BOM.4.結(jié)論針對現(xiàn)有的汽車產(chǎn)品大規(guī)模定制中的產(chǎn)品配置方式方法存在的一些缺乏，提出一種基于實例推理的PIC模型來進行產(chǎn)品知識的表示，成功地解決了傳統(tǒng)知識表示方式