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

構(gòu)建基于實(shí)例的三維PIC模型研究批量定制汽車配件的配置技術(shù),機(jī)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(shè)計(jì)作為能夠知足個(gè)性化客戶需求并有效支持產(chǎn)品快速定制設(shè)計(jì)手段，已經(jīng)成為大規(guī)模定制的核心設(shè)計(jì)方式方法.當(dāng)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(yù)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(jìn)展，解決了一些實(shí)際問題。但是對于像汽車這樣復(fù)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(jià)值的設(shè)計(jì)知識和經(jīng)歷體驗(yàn)；③利用配置模板對產(chǎn)品從頭開場配置設(shè)計(jì)，既耗時(shí)又易出錯(cuò)。基于實(shí)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(jià)值的設(shè)計(jì)知識和經(jīng)歷體驗(yàn)，已成為產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)的一種有效實(shí)現(xiàn)方式.據(jù)調(diào)查，產(chǎn)品設(shè)計(jì)活動中有大約75%的設(shè)計(jì)是基于實(shí)例的產(chǎn)品設(shè)計(jì).對于基于實(shí)例推理的產(chǎn)品配置技術(shù)，有學(xué)者從不同方面進(jìn)行了研究。AHN等將CBR與基于知識的技術(shù)相結(jié)合來實(shí)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(shí)例匹配求解實(shí)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(yīng)用于綠色產(chǎn)品配置開發(fā)。這些配置設(shè)計(jì)方式方法在解決產(chǎn)品的快速響應(yīng)設(shè)計(jì)問題時(shí)具有一定優(yōu)勢，但是對于大規(guī)模定制下汽車的設(shè)計(jì)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(fù)雜產(chǎn)品配置模塊之間多層次的復(fù)雜約束信息和三維信息等，由于缺少這些重要的設(shè)計(jì)信息，可能導(dǎo)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(jìn)行分解和分析，然后轉(zhuǎn)化為各種設(shè)計(jì)參數(shù)，作為產(chǎn)品配置的輸入，而客戶并沒有實(shí)際介入到產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中，像汽車這種很難量化的產(chǎn)品，假如客戶沒有實(shí)際介入到產(chǎn)品的設(shè)計(jì)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(shí)例的PIC模型，將汽車的部件、三維和約束信息整合為一個(gè)整體，然后利用交互式遺傳算法進(jìn)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(shè)計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證。1.基于實(shí)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(shè)計(jì)實(shí)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(shí)例的PIC3層模型，將企業(yè)擁有的設(shè)計(jì)實(shí)例資源整合為一個(gè)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(shí)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(gè)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(biāo)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(shí)例化，包含有P層各個(gè)部件的不同實(shí)例的三維信息、裝配信息和拓?fù)湫畔?，能夠表示為I=〔NUM,PNUM,3Dinfo,Tinfo,Ainfo〕。華而不實(shí)：NUM為該實(shí)例信息模塊的標(biāo)識；PNUM為該實(shí)例信息模塊對應(yīng)的P層部件模塊的標(biāo)識；3Dinfo為該實(shí)例的3D信息，能夠描繪敘述出該實(shí)例模塊的基本空間位置和幾何形狀，并不牽涉詳細(xì)的尺寸與設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)；Tinfo為該實(shí)例模塊的拓?fù)湫畔?，即在產(chǎn)品組裝時(shí)與該實(shí)例模塊相鄰的上級、下級和同級的模塊位置信息；Ainfo為該實(shí)例的裝配信息，能夠描繪敘述該實(shí)例模塊在產(chǎn)品組裝時(shí)本身的特征參數(shù)以及對相鄰各模塊的參數(shù)要求?！?〕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(shí)：NUM為該約束的標(biāo)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(xiàng)；THEN為該約束的結(jié)論輸出項(xiàng)。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(gè)性需求，對于汽車的評價(jià)，不同的人有不同的看法，主觀性很強(qiáng)，難以量化，因而筆者應(yīng)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(jìn)化計(jì)算與人的智能評價(jià)有機(jī)結(jié)合，是一種解決隱式性能指標(biāo)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(jià)來實(shí)現(xiàn)進(jìn)化，因而能使用戶積極地介入到產(chǎn)品定制設(shè)計(jì)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(jìn)行產(chǎn)品配置求解，還需要對汽車的各個(gè)模塊實(shí)例進(jìn)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(jìn)制來對汽車操控臺進(jìn)行編碼。如此圖3所示，一條染色體代表一個(gè)設(shè)計(jì)產(chǎn)品，以汽車操控臺為例，總體分為6個(gè)部分，分別對應(yīng)操控臺的5大模塊和顏色模塊，每一部分又進(jìn)一步根據(jù)PIC模型中P層分為若干基因，每一個(gè)基因的二進(jìn)制代碼均代表一個(gè)詳細(xì)的實(shí)例。圖3中中控臺的編碼001001001即代表第一類GPS導(dǎo)航、DVD音響系統(tǒng)、液晶顯示屏的實(shí)例。將汽車的各個(gè)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(jìn)行遺傳操作，經(jīng)過進(jìn)化最終得到用戶滿意的個(gè)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(shè)計(jì)系統(tǒng)3.1系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)系統(tǒng)采用3層體系構(gòu)造，分別為資源層、應(yīng)用層和用戶層，如此圖4所示。〔1〕資源層是系統(tǒng)的基礎(chǔ)層，為應(yīng)用層以及用戶層的各個(gè)功能的實(shí)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(luò)等基礎(chǔ)設(shè)施上，通過數(shù)據(jù)庫服務(wù)器與應(yīng)用層的各個(gè)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(shè)計(jì)系統(tǒng)所需要的所有數(shù)據(jù)，包括產(chǎn)品實(shí)例庫、三維信息庫、拓?fù)湫畔旌团渲眉s束庫等。〔2〕應(yīng)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(jìn)入到PIC模型數(shù)據(jù)庫，再由配置知識管理單元進(jìn)行維護(hù)。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(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)更新?！?〕用戶層是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵，由客戶、設(shè)計(jì)人員、系統(tǒng)維護(hù)人員和其別人員構(gòu)成。用戶層通過人機(jī)交互界面與應(yīng)用層的應(yīng)用服務(wù)器連接，使得客戶對IGA算法產(chǎn)生的個(gè)體進(jìn)行評價(jià)，促使種群進(jìn)化，最終得出滿意個(gè)體。設(shè)計(jì)人員、系統(tǒng)維護(hù)人員和其別人員負(fù)責(zé)系統(tǒng)的正常運(yùn)行和對客戶提出的問題進(jìn)行解答。圖4基于PIC模型的汽車操縱臺定制設(shè)計(jì)系統(tǒng)3.2系統(tǒng)的實(shí)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(shí)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(gè)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(jìn)一步向下細(xì)分，進(jìn)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(shí)例與其對應(yīng)，而每一個(gè)實(shí)例均有三維信息、裝配信息和拓?fù)湫畔ⅲM(jìn)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(shí)例化，包含P層各個(gè)部件的不同實(shí)例的三維信息、裝配信息和拓?fù)湫畔?。以方向盤為例，它的某一個(gè)詳細(xì)實(shí)例的三維信息〔3Dinfo〕如此圖6所示，由若干曲線、曲面和基準(zhǔn)特征幾何構(gòu)造組成，能夠描繪敘述出該實(shí)例模塊的基本空間位置和幾何形狀；拓?fù)湫畔ⅰ睺info〕以二維表的形式表示出該實(shí)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(shí)例在產(chǎn)品組裝時(shí)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(gè)體〔每代9個(gè)個(gè)體〕，右側(cè)顯示當(dāng)前最優(yōu)個(gè)體和上代最優(yōu)個(gè)體以供參考，用戶能夠通過該界面來對系統(tǒng)產(chǎn)生的個(gè)體進(jìn)行評價(jià)，促使種群進(jìn)化，最終產(chǎn)生滿意的個(gè)體。初始界面上顯示的個(gè)體均為2D形式，假如對某一個(gè)體感興趣，能夠點(diǎn)擊3D來查看該個(gè)體的3D圖像。在用戶發(fā)現(xiàn)自個(gè)滿意的個(gè)體時(shí)，能夠點(diǎn)擊best來結(jié)束進(jìn)化，系統(tǒng)則會自動輸出最優(yōu)個(gè)體對應(yīng)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(shí)例推理的PIC模型來進(jìn)行產(chǎn)品知識的表示，成功地解決了傳統(tǒng)知識表示方式