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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(xiàn)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(shù)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(xiàn)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(xiàn)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?；镜腃BR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(xiàn)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(shù)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(jù)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(jù)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(shù)，如液壓油的流量，壓力切換等被確定。
V.根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)和設計規(guī)格選擇適當?shù)膱?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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)有的回路在計算機數(shù)據(jù)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(shù)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(xiàn)。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(shù)的屬性將改變根據(jù)，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(xiàn)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(xiàn)類似的問題出現(xiàn)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(xiàn)學習
首先，隨著它們各自的屬性，現(xiàn)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(xiàn)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。“從原型系統(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?；?、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?shù)慕M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(xiàn)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(xiàn)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(shù)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(shù)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
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