基于知识工程的斜梯快速设计

引言

    当下，随着市场的竞争日趋激烈，各船舶企业需要提高其产品的设计效率以在市场中取得胜利。国内外各船舶企业将知识工程(KBE)技术作为研究的热点，开展了大量的研究工作，基于知识工程技术的设计已经成为全球造船业发展的一种趋势。TRIBON系统是成熟的专业造船软件之一，它是一步一步、交互式的建模过程，其重复的操作和设计者的经验、知识是限制建模的质量和效率的主要因素。因此，将知识工程与TRIBON的二次开发融合在一起很有必要，以进一步的拓宽软件系统的外延，并在舾装件产品设计过程中重复利用设计数据，辅助设计者准确快速的完成标准化建模，提高的设计效率和质量。

    在TRIBON系统中，创建斜梯的过程繁琐、效率低下；因为参数较多，在建模过程中，产品物料信息、零件几何信息很容易遗失；且设计中容易产生命名不规范的情况，极易造成后期统计困难。基于此，通过知识工程技术和二次开发对斜梯建模的研究和实现，将改变创建斜梯的传统方式，从之前的手工、多步骤的设计到现在的参数化一键生成，实现了斜梯的快速设计和模型的创建。

一、知识工程技术及参数化设计

    1.知识工程概述

    知识工程(KBE)是研究如何利用计算机表示知识，并进行问题的智能求解，它是人工智能在知识信息处理方面的发展。知识工程的根本目的是以研究的知识为基础，开发出入工智能系统，对大脑的功能进行补充和扩大，开创出入机共同思考的时代。知识工程的三个关键技术为：知识获取、知识表示以及知识推理，知识工程的重点在于利用知识库中的提供的检索和利用知识的方法将以一定形式放置在数据库中的知识重新应用，帮助用户在更短的周期内，更好的完成工作。

    2.参数化设计

    参数化设计（也叫尺寸驱动）的驱动基础是拓扑约束、尺寸约束以及工程约束，是通过赋予参数的形式对相似件加以控制，设计对象的控制尺寸和参数之间有显式的对应关系，通过对某些参数进行修改就可以快速地建立工程模型。应用Python API技术对TRIBON系统进行二次开发，通过可视化界面的建立，利用程序对模型的参数进行传递、修改以及存储，从而实现参数化程序设计。针对斜梯结构形式相似性高和设计过程重复性强等特点，采用参数化的设计从而实现设计过程的简单、高效和合理。

二、基于知识工程的斜梯参数化设计系统的结构

    斜梯参数化设计系统的核心是知识工程理论，它以知识工程库为支撑，提供了一个设计平台，让设计人员可以不断的使用和更新企业已有的知识、模型、经验以及数据等资源。这个平台的知识表示语言是面向对象的Python开发工具，并采用混合推理的方式，在程序中封装规则、经验、原理和方法，以实现斜梯设计过程中的知识表示。基于知识工程的斜梯参数化设计系统的框架如图1所示。

图1 斜梯参数化设计系统框架

    斜梯的数量巨大，在船用斜梯的标准手册中，因为国家标准、行业标准和企业标准的不同，斜梯可以被分为几大类，而每个大类中又会因为标准、材质的不同，再分为几十种；而这其中的每一次类，又因为宽度、角度、梯长又分别衍生出十几种不同的斜梯，而通过建立斜梯标准知识库，通过科学有效的录入界面，将关键技术参数保存起来，使设计人员在斜梯建模过程中．科学有效的利用这些数据，只需要录入斜梯的标准名称，就可以获取该标准斜梯的技术参数，而不需要重复的翻阅纸质标准，这样通过一次输入，就能避免既繁琐又机械的重复劳动，这样不仅利于斜梯的管理，更有利于其标准建模，提高建模效率。

    知识工程库集合了合理组织的关于某一特定领域的陈述性知识和过程性知识。它包含了大量的简单事实和关系、明显表达的常识、模糊的相关推理、经验在内的领域知识、模糊的经验和不确定的事实和规则。斜梯知识工程库的结构如图2所示，它是斜梯参数化设计系统重要的组成部分，其结构如图2所示。

图2 知识工程库的结构

    本系统中规则库和标准库的构建是应用Python编程语言来实现的，Python是一种高级的程序设计语言，它的语句简单易懂并且功能强大，类似于自然语言。本文以船用标准钢质斜梯GB 4444-84设计规范为设计标准，对斜梯相关的信息进行归纳总结，通过Python编程语言对其进行描述，并将其封装到程序中从而构成标准库，在后续计算设计中方便程序的调用。根据设计人员和专家的经验，本文通过Python编程语言将斜梯设计过程中的标准件选型经验性和过程性知识和相关计算设计方法及原理进行描述并封装到程序中以构成规则库。

    (1)数据库：系统构建数据库的工具为SQLServer2008，通过它对斜梯设计中的数据及知识进行管理。数据库中包含了各标准斜梯的物理属性和装配尺寸，斜梯结构及性能参数。通过Python访问数据库中的数据，以实现快速存储、检索和编辑。

    (2)标准库：包括标准船用斜梯的设计规范，CB/T 81-1999船用钢质斜梯设计规范；GB 4444-84船用钢质斜梯设计规范，CB/T 801-2001货舱斜梯设计规范；CB/T833-1998机舱斜梯设计规范；CB 738-77铝质斜梯设计规范。

    (3)规则库：主要存储了斜梯的设计规则等知识，这些规则都由Python语言编程而来，以py文件的形式存在。规则库中的设计规则库集合了产品的造型规则和工程规则等，这些规则是用来确定舾装件结构和造型的主要规则，主要由条件语句编写而成。