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基于案例的液壓動力回路設計 Chi-Man Vong, Pak-Kin Wong, Weng-Fai Ip, and Zhi-Xin Yang 科學與自然，香港大學，香港 {cmvong,fstpkw,andyip,zxyang}@umac.mo 摘要： 本文介紹了設計和實現自動基于案例的推理（CBR）為一體的液壓系統(tǒng)回路設計成功的人工智能典范。在此領域內，對基于推理和液壓回路的設計進行了簡要回顧。然后提出了自動回路設計和使用CBR學習的方法。最后通過應用實例說明了選擇CBR在學習工業(yè)液壓回路的設計的應用價值。 關鍵詞：基于案例的推理（CBR），適應的案例，液壓回路設計。 1. 介紹 計算機在工程設計中的使用已成為行業(yè)的一大趨勢。今天，不同的商業(yè)自動化的計算機輔助設計（CAD）軟件可應用在許多工程的自動化設計過程中。然而，CAD軟件在液壓系統(tǒng)的設計不像在許多其他工程設計領域一樣突出。這主要是由于壓力分析的復雜性和在設計過程中缺少最合適的協(xié)調方法。在最近的多年來，許多智能CAD專家系統(tǒng)的液壓回路的研究已在文獻中找到。大多數CAD系統(tǒng)的構建從生產規(guī)則[1]設計的知識表示或基于和面向對象的集成[2]，降低液壓子回路的復雜性和技術構件表示。雖然該方法是有效的，收購和維護規(guī)則的問題，不僅是軟件工程師面臨的問題，還有利用該軟件的設計師。此外，靜態(tài)學習的另一個問題是傳統(tǒng)的基于規(guī)則的系統(tǒng)。為解決傳統(tǒng)的繼承問題，基于規(guī)則的專家系統(tǒng)，人工智能社區(qū)提出了另一種推理范式，被稱為基于案例的推理（CBR）。CBR支持新的學習方式，知識可以附加到知識庫中沒有廣泛的重新編譯系統(tǒng)。這是一個CBR維護知識的主要優(yōu)點，花費更少的時間。本文研究了CBR在液壓系統(tǒng)中的應用設計和一種原型液壓回路自動設計系統(tǒng)的開發(fā)來驗證所提出的方法。 ______________________________ 1當規(guī)則被更新，整個系統(tǒng)必須被重新編譯。 吳越（主編）：ICHCC2011年，CCIS163，第269-275頁，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)現類比當前的工作情況和過去的經驗（參考案例）的方法。CBR可以直接利用過去的經驗來解決新問題，即確認其相似性與特定的已知問題，來尋找一種解決當前現狀的方案。 CBR已開發(fā)出許多系統(tǒng)應用于各種領域[4，5，6，7，8，9，10]，包括制造，設計，法律，醫(yī)學，和規(guī)劃。基本的CBR構成有以下四條： ●檢索 - 檢索匹配以往類似的情況下，針對目前存在的問題； ●重用 - 利用基于過去的案例的解決方案以解決目前存在的問題； ●REVISE - 修改過去的解決方案，如果出現任何矛盾時，要適用于目前存在的問題； ●保留 - 隨著問題保留最終的解決方案，因為最終的解決方案在將來可能是有用的。 當用戶輸入一個問題時，該問題被解釋并轉換為一個新的案例推理系統(tǒng)的特定格式。轉換后的新情況進入檢索的階段，在新的情況下，再對以前匹配的案例庫中推理系統(tǒng)案例。CBR通常在檢索階段通過一個簡單的相似函數來找到最相近的作為當前案例的參考。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。對于符號的特征值， 2.2液壓回路設計 液壓動力是一種動力傳動系統(tǒng)和控制。它可以把液壓能轉化為機械能，以用于有用的生產工作，如壓制或提升。液壓系統(tǒng)設計的主要任務是回路設計。一般過程如下： I.回路根據客戶所提供的信息，例如：回路最大工作壓力，最大負載，執(zhí)行器速度，工作周期和應用等。 II.根據最大工作壓力、最大負載和載荷-位移來決定線性或旋轉執(zhí)行機構的尺寸。 III.將計算出的執(zhí)行器的尺寸轉換為標準尺寸。 IV.系統(tǒng)參數，如液壓油的流量，壓力切換等被確定。 V.根據系統(tǒng)參數和設計規(guī)格選擇適當的執(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)液壓回路設計中的應用 在2.2節(jié)步驟V，液壓工程師們通常習慣于修改現有的回路，然后設計一個新的回路來為了適應不同情形下的使用。這是因為液壓回路的設計通常是相似甚至不同的情況，所以液壓工程師必須手動查找通過許多現行有效的電路，然后選擇一個類似的和合適的并進行修改。 在檢索過程的階段是重復和繁瑣的，因為工程師要逐一審查每一個回路。然而，檢索現有的回路和使它更好地適應當前的情況，可以強烈支持CBR。如果現有的回路在計算機數據庫中（案例收集庫），每個回路隨著其功能和應用程序特定的存儲輸出要求，這些參數可以作為案例（回路設計）索引、指標。每當液壓工程師想要從案例庫檢索過去的案例，他只需要輸入相應的功能和應用程序的特定要求，和CBR的使用（1）計算最相似的案例。如果工程師不滿意推薦的案例，那么下一個最相似的案例繼續(xù)出現。要做到這一點，因為案件相似水平的實例相似度的計算排名不同。 在那之后，工程師能夠適應或修改手動檢索的情況下，由以上過程或應用提供CBR適應規(guī)則。那些適應規(guī)則的具體生產規(guī)則來自專家或工程師自己的經驗。最后，工程師可以決定此案例是否足夠好存儲庫到案例庫，以備將來使用。 液壓回路的設計不同，不僅是因為回路圖的不同，而且與他們的功能屬性也有關。為了適應回路，如果某些組件更換，那么屬性將也可以通過插入或刪除進行修改。 CBR允許的情況下，這樣的結構修飾的屬性可以添加或刪除。例如，一個工程師檢索過去的案例，并執(zhí)行回路設計的修改，然后數的屬性將改變根據，他的子回路通過添加或修改預定義的屬性，刪除不必要屬性的子回路。 4.應用實例 實現系統(tǒng)能夠提供基于回路規(guī)格最相似的回路設計。工作環(huán)境和前段用戶界面回路設計系統(tǒng)如圖1所示。系統(tǒng)的學習能力這部分中顯示出的一個例子與援助。表1顯示的部分屬性在圖2所顯示液壓子回路實例的表示。 圖1.工作環(huán)境和回路設計系統(tǒng)前端用戶界面 表1.液壓子回路的部分屬性 繪圖名稱 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 ● ● ● ● 每當檢索到過去類似的案例，就可以重復利用已有的案例。然而，并不是每一個案例都是適應當前系統(tǒng)的，作為任何系統(tǒng)設定的規(guī)則，往往是不完整的。在這一刻，用戶干預是必要的，以補償系統(tǒng)的無法適應。用戶將會利用自己的專業(yè)領域知識來修改案例。為了學習領域知識，由用戶執(zhí)行的操作是通過記錄回答問題的步驟。當一個用戶要尋找一個合適案例的時候，系統(tǒng)會詢問用戶執(zhí)行的操作。一旦用戶已經選擇了該操作，相應的操作提供給用戶選擇。在記錄操作時，系統(tǒng)可以學習從用戶尋找相應的知識。博學的知識被封裝稱為案例，因為它是用來引導。隨后，當出現類似的問題出現時，系統(tǒng)將變得能夠擁有通過參照適應個案處理的適應能力。 4.1系統(tǒng)實現學習 首先，隨著它們各自的屬性，現有液壓子回路的標準功能塊圖構建，如上面列出的。在訓練階段的系統(tǒng)，顯示出了現有圖紙預覽列表。用戶可以選擇一種父子回路，進而推導出一種新的回路。例如，考慮道上述例子，如果用戶更改“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、一個能夠支持流量350L/分鐘。這是借助于生產由用戶提供的規(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規(guī)則，以適應未來的情況。每當子回路最大流量大于33L/分鐘，它必須選擇一個特定的泵組件。由于減壓閥組件的變化，一個尺寸較大的泄壓閥符號應插在子回路如圖2所示。附圖的變化也可以通過與系統(tǒng)集成基于AutoCAD平臺。 圖 2.推薦系統(tǒng)回路設計使用CBR的組件的一個例子 4.2 設計實例和結果討論 對于一個110噸的臥式液壓木質輸入規(guī)格壓縮站如表2所示。由于回路中沒有標準的解決方案設計，所以設計的評價將集中在設計的有效性?！皬脑拖到y(tǒng)回路設計產生的結果被證實按照規(guī)定的規(guī)格，由專家從兩個演出變化-結構圖變化結構 - 速度變異領先的液壓工程公司。該回路的主要貢獻是設計系統(tǒng)的設計時間減少。非專家通常花3、4天時間完成回路設計。手工設計的主要困難是要找到適當的組件和組件之間的連接。這是因為缺乏通用設計理論，從而發(fā)現和理解電路中組件的屬性是一個非常費時的任務，即使是專家。 利用CBR，過去許多回路可重復使用和重新考慮選擇的時間滿意的電路規(guī)格的組件可以被保存。余下的工作主要是回路的設計是如何適應到一個新的適合現有的回路，是比從頭開始設計一個全新的回路要簡單得多。 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)行器組數目 1（柱塞式油缸擠壓） 最大負載（噸） 100 行程長度（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 擠壓過程中的負荷壓力的變化階段的數目 1 控制擠壓動作的類型 位置感測 執(zhí)行器的速度階段 2 可接受的噪音等級 60分貝 預計使用壽命 5年 機床操作小時/天 12小時/天 原動機額定轉速 1450轉 最大系統(tǒng)額定壓力 210巴 5. 結論 CBR是一個在AI的方法，可以極大地支持決策過程人類。 CBR的最重要的部分是重復使用過去的經驗，目前的問題，所以，目前的問題相同的部分可以直接再利用比喻使用的相似，缺失部分的問題是可以解決的專家適應規(guī)則。這項工作是一個新的嘗試，應用CBR方法液壓系統(tǒng)電路設計與建設學習能力。該電路設計系統(tǒng)可以極大地減少不必要的時間消耗反復類似的液壓回路設計，通過重用過去的案例。此外，計劃重新編譯由于是不必要的修改電路知識基礎學習能力的CBR。工業(yè)液壓自動設計系統(tǒng)的原型控制電路已建成使用推薦的方法，它一直驗證能夠成功。 參考文獻 1. 伯頓，RT，薩金特，CM：使用專家系統(tǒng)的設計單，母體樂電路。 ：第二屆國際會議流體傳動及控制，第605-610頁（1989年） 2. 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