產(chǎn)品設(shè)計(jì)KBE實(shí)例

1、產(chǎn)品設(shè)計(jì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)2主講人：曾富洪攀枝花學(xué)院攀枝花學(xué)院211.4.5 知識繁衍知識繁衍 知識繁衍(Knowledge Evolving, KE)就是指從大量數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)新知識、總結(jié)新規(guī)律、建立數(shù)學(xué)模型的過程。KE與數(shù)據(jù)庫中知識發(fā)現(xiàn)(Knowledge Discovery in Database, KDD)和數(shù)據(jù)挖掘(Data Mining, DM)的研究緊密結(jié)合，是現(xiàn)代人工智能理論研究的熱點(diǎn)，是解決CAD, CAE雙向集成的重要途徑之一。 KDD是從數(shù)據(jù)集中識別出有效的、新穎的、潛在有用的以及最終可以理解的模式的高級處理過程。 其中數(shù)據(jù)集是指一個(gè)有關(guān)事實(shí)(F)的集合，它用來描述事物有關(guān)方面的信息，

2、是進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)知識的原材料 模式是一個(gè)用語言(L)來表示的表達(dá)式(E)，它可用來描述事物有關(guān)方面的特性。 311.4.5 知識繁衍知識繁衍2) 數(shù)據(jù)挖掘過程數(shù)據(jù)挖掘過程411.4.5 知識繁衍知識繁衍2) 數(shù)據(jù)挖掘過程數(shù)據(jù)挖掘過程(1) 數(shù)據(jù)選擇 根據(jù)相關(guān)領(lǐng)域的問題描述，從數(shù)據(jù)中提取相關(guān)的數(shù)據(jù)用于知識發(fā)現(xiàn)。 (2) 數(shù)據(jù)預(yù)處理 數(shù)據(jù)預(yù)處理主要是對前一階段產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，檢查數(shù)據(jù)的完整性和一致性，處理其中的無用數(shù)據(jù)，并補(bǔ)充丟失的數(shù)據(jù)。(3) 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換主要是根據(jù)數(shù)據(jù)挖掘算法的要求，進(jìn)行離散型數(shù)據(jù)與連續(xù)型數(shù)據(jù)間的相互轉(zhuǎn)換，對數(shù)據(jù)集進(jìn)行分類，對數(shù)據(jù)項(xiàng)進(jìn)行計(jì)算機(jī)組合等。511.4.5 知識繁

3、衍知識繁衍2) 數(shù)據(jù)挖掘過程數(shù)據(jù)挖掘過程(4) 數(shù)據(jù)挖掘數(shù)據(jù)挖掘是KE最關(guān)鍵的步驟，是技術(shù)的難點(diǎn)所在。它運(yùn)用選定的數(shù)據(jù)挖掘算法，從數(shù)據(jù)中提取需要的知識創(chuàng)建可能形成知識的模式，并用一種特定的方式表達(dá)出來。 (5) 知識解釋和評估 對于數(shù)據(jù)挖掘后得到的模型，有可能是沒有實(shí)用價(jià)值的，也有可能不能準(zhǔn)確反映數(shù)據(jù)的真實(shí)意義，甚至在某些情況下與事實(shí)相反，因此需要對其進(jìn)行評估，確定哪些是有效的模式 ，然后將發(fā)現(xiàn)的知識用易于理解的方式表示出來，同時(shí)對知識發(fā)現(xiàn)過程中的某些處理階段進(jìn)行優(yōu)化。 611.4.5 知識繁衍知識繁衍2) 數(shù)據(jù)挖掘過程數(shù)據(jù)挖掘過程(6) 知識運(yùn)用 發(fā)現(xiàn)知識是為了運(yùn)用知識。知識運(yùn)用有兩種方法：

4、一種是運(yùn)用知識本身所描述的關(guān)系和結(jié)果，實(shí)現(xiàn)決策支持；另一種是對根據(jù)數(shù)據(jù)產(chǎn)生新的問題，利用知識解決它。 數(shù)據(jù)挖掘從人工智能發(fā)展而來，因此人工智能中的技術(shù)成果都可以移植到數(shù)據(jù)挖掘中來。統(tǒng)計(jì)、聚類、因子分析等在數(shù)據(jù)挖掘中都有應(yīng)用。然而這些技術(shù)使用時(shí)必須根據(jù)數(shù)據(jù)本身的特點(diǎn)，采用多種技術(shù)相互集成的方法。711.4.6 知識集成與管理知識集成與管理1) 知識集成與管理的內(nèi)涵知識集成與管理的內(nèi)涵(1) 知識集成及其內(nèi)涵 知識集成的方式是多方面的，主要針對兩大類知識：顯性知識(編碼型知識)和隱性知識(會意型知識)，知識創(chuàng)新實(shí)質(zhì)上是顯性知識與隱性知識之間交互作用的一個(gè)螺旋式上升過程。知識集成有四種方式：會意型知

5、識之間的集成：編碼型知識之間的集成：從會意型知識到編碼型知識的集成：從編碼型知識到會意型知識的集成。這4類方式分別對應(yīng)了社會化、聯(lián)合、外化和內(nèi)化過程 811.4.6 知識集成與管理知識集成與管理1) 知識集成與管理的內(nèi)涵知識集成與管理的內(nèi)涵(1) 知識集成及其內(nèi)涵產(chǎn)品創(chuàng)新技術(shù)創(chuàng)新會意型知識編碼型知識從會意型知識到編碼型知識的集成從編碼型知識到意型知識到的集成會意型知識的集成編碼型知識的集成911.4.6 知識集成與管理知識集成與管理1) 知識集成與管理的內(nèi)涵知識集成與管理的內(nèi)涵(2) 知識管理及其內(nèi)涵 與知識集成相關(guān)的另一重要概念是知識管理。知識管理有著廣泛的內(nèi)涵，知識管理在本質(zhì)上包涵了知識的

6、組織發(fā)展過程，并尋求將信息技術(shù)所提供的對數(shù)據(jù)和信息的處理能力以及人的發(fā)明創(chuàng)造能力這兩方面進(jìn)行有機(jī)的結(jié)合。知識管理要求致力基于任務(wù)的知識創(chuàng)新、傳播并具體地體現(xiàn)在產(chǎn)品、服務(wù)和系統(tǒng)中。1011.4.6 知識集成與管理知識集成與管理2）知識集成和管理框架）知識集成和管理框架 有效的知識管理需要集成化的技術(shù)與工具來實(shí)現(xiàn)知識的獲取、表示、編碼、管理和傳遞，即建立一個(gè)高效的知識管理系統(tǒng)。知識管理系統(tǒng)研究的目標(biāo)是將基于計(jì)算機(jī)的知識管理系統(tǒng)和基于人際網(wǎng)絡(luò)的溝通系統(tǒng)進(jìn)行集成，形成具有認(rèn)知能力和創(chuàng)新能力的知識網(wǎng)絡(luò)。 獲取獲取應(yīng)用應(yīng)用分發(fā)分發(fā)存儲存儲知識管理知識管理11表格、語義詞組、邏輯短語、數(shù)據(jù)表、圖形、工程參數(shù)

7、、試驗(yàn)/實(shí)驗(yàn)曲線、配方和工藝訣竅的可視化表達(dá)工具，表達(dá)經(jīng)整理后的原始設(shè)計(jì)知識 建模工具 KBE系統(tǒng)軟件開發(fā)平臺 將設(shè)計(jì)知識和邏輯推理等功能嵌入CAD系統(tǒng)中，UGOpen+、objextARX，toolKit等 11.5 KBE系統(tǒng)開發(fā)工具系統(tǒng)開發(fā)工具1211.6 KBE系統(tǒng)開發(fā)實(shí)例系統(tǒng)開發(fā)實(shí)例例: 板料折彎機(jī)液壓系統(tǒng)的配置設(shè)計(jì)，具體要求為：折彎力106N，滑塊重量15000 N；快速空載下降180mm，速度23mm/s，工作折彎行程20mm，速度12mm/s，快速回程200mm，速度53mm/s。1311.6 KBE系統(tǒng)開發(fā)實(shí)例系統(tǒng)開發(fā)實(shí)例1液壓系統(tǒng)表述和建模 HPUs液壓原型單元是功能和行為

8、特性相似的可選液壓配置單元組成的集合，第i個(gè)液壓原型單元可表示為 ),(,(CNHCUHPUHPTHPSHPRHPAHPIDHPUii),(ssHCUHPUHPID液壓原型單元的標(biāo)識 HPA為液壓原型單元的屬性集合 HPR為液壓原型單元的選配規(guī)則集合 HPS為液壓原型單元的關(guān)聯(lián)資源集合 HPT為液壓原型單元的類型 HPUi(HCU)為第i個(gè)液壓原型單元可選液壓配置單元組成 CN為液壓原型單元所需要配置的液壓配置單元數(shù)目 1411.6 KBE系統(tǒng)開發(fā)實(shí)例系統(tǒng)開發(fā)實(shí)例1液壓系統(tǒng)表述和建模 ),(ssHCUHPU 液壓配置單元(Hydraulic Configuration Unit，HCU)是液壓

9、系統(tǒng)配置對象的明確的形式化的規(guī)范表示，可將其視為一個(gè)五元組 ),(HCSHCPHCCHCAHCIDHCU HCID為液壓配置單元的唯一標(biāo)識 HCA為液壓配置單元的屬性集合 HCC為液壓系統(tǒng)配置單元的結(jié)構(gòu)約束集合 HCP為液壓系統(tǒng)液壓配置單元選配參數(shù)集合 HCS為液壓配置單元的關(guān)聯(lián)資源集合 1511.6 KBE系統(tǒng)開發(fā)實(shí)例系統(tǒng)開發(fā)實(shí)例1液壓系統(tǒng)表述和建模 1611.6 KBE系統(tǒng)開發(fā)實(shí)例系統(tǒng)開發(fā)實(shí)例2 液壓系統(tǒng)配置設(shè)計(jì)的推理求解液壓系統(tǒng)配置設(shè)計(jì)的推理求解 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備滿足終止條件YN需求分析知識庫系統(tǒng)原理圖設(shè)計(jì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)錄入開始專家評價(jià)模糊數(shù)據(jù)處理主要參數(shù)計(jì)算參數(shù)匹配選擇編碼種群初始化個(gè)體適用度計(jì)

10、算選擇交叉變異得到新一代種群得到適合的配置方案結(jié)束第二階段：基于遺傳算法的配置求解第一階段：液壓元件參數(shù)匹配選擇1711.6 KBE系統(tǒng)開發(fā)實(shí)例系統(tǒng)開發(fā)實(shí)例2 液壓系統(tǒng)配置設(shè)計(jì)的推理求解液壓系統(tǒng)配置設(shè)計(jì)的推理求解 1) 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)錄入 將液壓原型單元和配置單元相關(guān)聯(lián)的各種信息，如屬性信息、參數(shù)信息、液壓系統(tǒng)組成信息、供應(yīng)廠家信息、關(guān)聯(lián)資源信息等，由知識工程師錄入知識庫，供相關(guān)人員使用。 一、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備一、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備 2）專家評價(jià) 由于三角模糊數(shù)綜合評價(jià)法更符合人們的思維習(xí)慣，本研究中專家對各配置單元的質(zhì)量水平和可靠度用三角模糊數(shù)來進(jìn)行評價(jià)，三角模糊數(shù)表示為（L，M，P） ，其中 L為最小值，

11、 M為最可能值， P為最大值。3）模糊數(shù)據(jù)處理 用公式來進(jìn)行計(jì)算。 4)2(PMLAON相關(guān)普通數(shù) 1811.6 KBE系統(tǒng)開發(fā)實(shí)例系統(tǒng)開發(fā)實(shí)例2 液壓系統(tǒng)配置設(shè)計(jì)的推理求解液壓系統(tǒng)配置設(shè)計(jì)的推理求解 二、液壓元件參數(shù)匹配選擇 1）需求分析 明確主機(jī)對液壓系統(tǒng)提出的要求，如主機(jī)的動作要求、性能要求、液壓系統(tǒng)的工作環(huán)境以及經(jīng)濟(jì)性、能耗方面的要求等。分析結(jié)果記入圖1中的“選配規(guī)則（HPR）”實(shí)體所對應(yīng)的表中。 2）主要參數(shù)計(jì)算 分析主機(jī)在工作過程中速度和負(fù)載的變化規(guī)律，計(jì)算出液壓系統(tǒng)的主要參數(shù)，如：系統(tǒng)的最大工作壓力，系統(tǒng)地最大流量等。計(jì)算結(jié)果記入圖1中的“選配規(guī)則（HPR）”實(shí)體所對應(yīng)的表中。

12、3）系統(tǒng)原理圖設(shè)計(jì) 根據(jù)液壓系統(tǒng)動能和性能的要求分別選擇和擬定基本回路，然后將各個(gè)回路組合成一個(gè)完整的系統(tǒng)，繪制成圖。圖上的液壓元件符號和HPU相對應(yīng)，圖完成時(shí)，將各HPU記錄入圖1中的“原型系統(tǒng)” 實(shí)體所對應(yīng)的表中。相應(yīng)文檔存入FTP文檔庫。1911.6 KBE系統(tǒng)開發(fā)實(shí)例系統(tǒng)開發(fā)實(shí)例2 液壓系統(tǒng)配置設(shè)計(jì)的推理求解液壓系統(tǒng)配置設(shè)計(jì)的推理求解 2011.6 KBE系統(tǒng)開發(fā)實(shí)例系統(tǒng)開發(fā)實(shí)例2 液壓系統(tǒng)配置設(shè)計(jì)的推理求解液壓系統(tǒng)配置設(shè)計(jì)的推理求解 二、液壓元件參數(shù)匹配選擇 4）參數(shù)匹配選擇 按照原型系統(tǒng)對原理圖的記錄，遍歷液壓單元，根據(jù)HPR中的選配規(guī)則，為每個(gè)液壓原型單元(HPU)選配出滿足要求

13、的液壓配置單元(HCU)，例如單向閥流量要求不低于69(l/min)，能承受的工作壓力不小于24.3MPa，通徑為25mm，質(zhì)量水平和可靠度的最小值不低于0.9，知識管理系統(tǒng)自動為其選配出5個(gè)供貨廠家生產(chǎn)的S25A型單向閥。選配時(shí)HPU如果沒有對應(yīng)的HCU，該HPU被定義為新設(shè)計(jì)元件，為新設(shè)計(jì)元件設(shè)計(jì)多個(gè)方案作為配置單元，并將領(lǐng)域?qū)＜覍ζ湓u判的結(jié)果存入知識庫中，供后續(xù)配置求解使用。 2111.6 KBE系統(tǒng)開發(fā)實(shí)例系統(tǒng)開發(fā)實(shí)例三、基于遺傳算法的配置求解三、基于遺傳算法的配置求解 遺傳算法(Genetic Algorithms，GA)是一種借鑒生物界自然選擇和自然進(jìn)化機(jī)制的、高度并行的，隨機(jī)的、

14、自適應(yīng)算法 1）編碼 液壓配置單元和液壓系統(tǒng)間的映射通過編碼來實(shí)現(xiàn)，編碼時(shí)，一個(gè)液壓系統(tǒng)對應(yīng)一個(gè)染色體個(gè)體，一個(gè)配置原型單元(HPUi)對應(yīng)一個(gè)基因位，一個(gè)配置單元(HCUij)的選定對應(yīng)一個(gè)基因表現(xiàn)型。染色體由基因位上的基因組成。染色體結(jié)構(gòu)編碼如圖所示。2211.6 KBE系統(tǒng)開發(fā)實(shí)例系統(tǒng)開發(fā)實(shí)例三基于遺傳算法的配置求解三基于遺傳算法的配置求解 2）種群初始化，在種群初始化前，先將染色體基因位上的可選配置單元進(jìn)行處理，使得每個(gè)基因位的可選配置單元數(shù)目Ni等于基于位上的最大可選配置單元數(shù)目Nmax，對于的NiNmax基因位，通過對基因位中的配置單元進(jìn)行復(fù)制操作使得NiNmax。在此基礎(chǔ)上，設(shè)定

15、的初始種群數(shù)目(popsize)，根據(jù)染色體長度(chromlength)隨機(jī)生成滿足約束條件的初始染色體(initalpop(N,:) 2311.6 KBE系統(tǒng)開發(fā)實(shí)例系統(tǒng)開發(fā)實(shí)例三、基于遺傳算法的配置求解三、基于遺傳算法的配置求解 3）個(gè)體適應(yīng)度計(jì)算 種群依據(jù)個(gè)體適應(yīng)度值fk進(jìn)行優(yōu)勝劣汰，fk通過適應(yīng)度函數(shù)進(jìn)行計(jì)算，適應(yīng)度函數(shù)和優(yōu)化目標(biāo)存在著一定的映射關(guān)系。采用加權(quán)和方法對多個(gè)目標(biāo)進(jìn)行處理，建立適應(yīng)度函數(shù)如式所示：kkkkRQVf321Vk第k個(gè)染色體的價(jià)值系數(shù) Qk第k個(gè)染色體的質(zhì)量水平 Rk第k個(gè)染色體的可靠度 2411.6 KBE系統(tǒng)開發(fā)實(shí)例系統(tǒng)開發(fā)實(shí)例三、基于遺傳算法的配置求解三、

16、基于遺傳算法的配置求解 4）選擇 將輪盤選種法和優(yōu)秀個(gè)體保存策略聯(lián)合使用，具體操作如下：將上代適度最大的5%的個(gè)體直接選出保存為下一代，并進(jìn)入交配池。用輪盤選種法從上代中選出45%的個(gè)體進(jìn)入交配池，輪盤選種是一種概率選種法，其原則是適應(yīng)度大的個(gè)體被選擇的概率越大。 2511.6 KBE系統(tǒng)開發(fā)實(shí)例系統(tǒng)開發(fā)實(shí)例三、基于遺傳算法的配置求解三、基于遺傳算法的配置求解 5）交叉 以隨機(jī)性質(zhì)的交叉率從交配池中選擇兩個(gè)個(gè)體，并對個(gè)體的基因進(jìn)行部分交換，得到新個(gè)體，當(dāng)新個(gè)體滿足約束要求時(shí)，被作為下一代保存，否則新個(gè)體被淘汰，當(dāng)交叉產(chǎn)生的滿足要求的新個(gè)體數(shù)達(dá)上代種群的95%時(shí)，交叉完成。為了避免出現(xiàn)死循環(huán)，可以根據(jù)交叉次數(shù)設(shè)定強(qiáng)制終止條件。 2611.6 KBE系統(tǒng)開發(fā)實(shí)例系統(tǒng)開發(fā)實(shí)例三、基于遺傳算法的配置求解三、基于遺傳算法的配置求解 6）變異 以突然變異率從上代種群中選出個(gè)體，并對個(gè)體隨