一、起重機(jī)

起重機(jī)方案設(shè)計(jì)是整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程最復(fù)雜、最具有綜合性和創(chuàng)造性的階段，首先要分析起重機(jī)用戶的設(shè)計(jì)要求，提出系統(tǒng)所需要的詳細(xì)功能，然后通過(guò)設(shè)計(jì)或選擇一系列有效的結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)該功能，并對(duì)這些結(jié)構(gòu)進(jìn)行決策和再設(shè)計(jì)。長(zhǎng)期以來(lái)，方案設(shè)計(jì)一直是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵所在，具有以下難點(diǎn)：(1)方案設(shè)計(jì)的多層性與多目標(biāo)性；

(2)建模困難；

(3)方案設(shè)計(jì)的再設(shè)計(jì)特性。為此，在成功地開(kāi)發(fā)“港口門座起重機(jī)CAD”系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研制起重機(jī)方案設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)PCES(Portal?Crane?Expert System)。系統(tǒng)采用Turbo-Prolog語(yǔ)言，用產(chǎn)生式規(guī)則建立知識(shí)庫(kù)，用動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)過(guò)程控制策略，能有效地實(shí)現(xiàn)起重機(jī)方案的初步設(shè)計(jì)及再設(shè)計(jì)。

二、總體結(jié)構(gòu)與功能

PCES系統(tǒng)是一個(gè)以方案設(shè)計(jì)為主，同時(shí)包括優(yōu)化設(shè)計(jì)、決策理論、數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)、參數(shù)化繪圖、實(shí)體裝配和運(yùn)動(dòng)分析等技術(shù)的集成化系統(tǒng)。根據(jù)起重機(jī)方案設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)是在“方案設(shè)計(jì)——評(píng)價(jià)——再設(shè)計(jì)”的控制策略的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的。

PCES系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)，如圖1。各個(gè)模塊的功能分別如下：

(1)主控模塊。與各個(gè)模塊連接，可以調(diào)用任何一個(gè)模塊，控制整個(gè)系統(tǒng)并模仿設(shè)計(jì)者的設(shè)計(jì)步驟進(jìn)行工作。各個(gè)模塊之間不能直接調(diào)用，只能由主控模塊調(diào)用，通過(guò)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)信息交換。

(2)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)。它是系統(tǒng)的全局工作區(qū)，各模塊之間的信息交流通過(guò)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)。它的主要作用是存貯起重機(jī)初始設(shè)計(jì)條件、技術(shù)要求、中間設(shè)計(jì)結(jié)果以及最后的設(shè)計(jì)結(jié)果。解釋模塊、方案評(píng)價(jià)模塊和失敗處理模塊所需要的信息也是從動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)中獲得。

(3)知識(shí)庫(kù)。存儲(chǔ)的各種知識(shí)主要來(lái)源于文獻(xiàn)[1-3]以及上海江南造船廠設(shè)計(jì)二所起重機(jī)設(shè)計(jì)專家組，為了提高搜索效率減少推理時(shí)間，將知識(shí)庫(kù)分為若干個(gè)子知識(shí)庫(kù)，各子知識(shí)庫(kù)采用分類和分層組織。

(4)推理機(jī)。采用正向推理方式和反向推理方式。

(5)方案設(shè)計(jì)模塊。根據(jù)用戶的設(shè)計(jì)要求和提供的基本事實(shí)，完成起重機(jī)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和起升、變幅、旋轉(zhuǎn)、運(yùn)行機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)方式與制動(dòng)方式的設(shè)計(jì)等工作。

(6)方案評(píng)價(jià)模塊。對(duì)當(dāng)前輸出結(jié)果進(jìn)行綜合性能評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)的方法采用專家估測(cè)法。建立由若干評(píng)價(jià)指標(biāo)組成的體系，由多個(gè)專家分別對(duì)體系中的每個(gè)指標(biāo)作出權(quán)數(shù)判定，最后給出方案的綜合評(píng)價(jià)結(jié)果。

(7)失敗處理模塊。當(dāng)方案評(píng)價(jià)模塊對(duì)當(dāng)前結(jié)果作出不滿意的答案時(shí)，要調(diào)用失敗處理模塊進(jìn)行參數(shù)的調(diào)整，使系統(tǒng)得到較為滿意的結(jié)果。

(8)解釋模塊。系統(tǒng)在調(diào)用知識(shí)庫(kù)的數(shù)據(jù)、知識(shí)進(jìn)行推理。若成功則顯示推理過(guò)程中引用的規(guī)則和得到的結(jié)論；若不成功則顯示不可行的評(píng)價(jià)項(xiàng)目，提醒用戶修改不合理要求，并提示如何使用系統(tǒng)從而得到某一結(jié)論。

(9)用戶接口I/O。用戶通過(guò)該接口輸入起重機(jī)總體方案設(shè)計(jì)的初始條件及技術(shù)要求，系統(tǒng)按照一定的設(shè)計(jì)策略經(jīng)過(guò)推理計(jì)算后得到中間設(shè)計(jì)結(jié)果或最終設(shè)計(jì)結(jié)果，再經(jīng)接口I/O輸出給用戶。

(10)知識(shí)庫(kù)擴(kuò)充和維護(hù)模塊。完成建立、修改，擴(kuò)充和刪除知識(shí)庫(kù)的工作。

(11)門座起重機(jī)輔助設(shè)計(jì)模塊。本模塊是基于美國(guó)SDRC公司微機(jī)版I-DEAS支撐軟件，具有二維繪圖、三維造型裝配、機(jī)構(gòu)分析、優(yōu)化設(shè)計(jì)、有限元分析等功能，通過(guò)內(nèi)部接口與PCES系統(tǒng)各模塊連為一體。

圖1 PCES總體站構(gòu)

三、設(shè)計(jì)知識(shí)的表示

專家系統(tǒng)的能力取決于知識(shí)，同樣的知識(shí)可以有不同的表示形式，不同的表示形式產(chǎn)生不同的效果。通常，知識(shí)的表示有邏輯、規(guī)則、框架、語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)和過(guò)程等多種方式。PCES系統(tǒng)采用基于規(guī)則的產(chǎn)生式表示，其格式表示如下：

<規(guī)則定義>::=<規(guī)則號(hào)>IF<前提子句>THEN<結(jié)論子句>;

<前提子句>::=<概念>F<陳述>I<數(shù)學(xué)表達(dá)式><關(guān)系運(yùn)算符><數(shù)學(xué)表達(dá)式>l

<概念><關(guān)系運(yùn)算符><變量>I<概念><關(guān)系運(yùn)算符><常量>;

<數(shù)學(xué)表達(dá)>::=<運(yùn)算符+l-|*|/|…>(項(xiàng)[項(xiàng)，[項(xiàng)….]])；

<項(xiàng)>:;=<變量>|<常量>;

<關(guān)系運(yùn)算符>::=>|<l≥|≤|=3；

<結(jié)論子句>1:=<邏輯運(yùn)算符AND(OR(NOT><基本事實(shí)>|<可執(zhí)行語(yǔ)句>;

在起重機(jī)方案設(shè)計(jì)中，經(jīng)常出現(xiàn)因起重量增加而導(dǎo)致輪壓加大的情況，而輪壓的改變又影響著平衡梁的支撐形式和車輪布置方式，該知識(shí)用產(chǎn)生式規(guī)則表示如下：

(Rule-31(IF(實(shí)際輪壓<許用輪壓)；

THEN(機(jī)構(gòu)車輪數(shù)目增加));(Rule_32(IF(機(jī)構(gòu)車輪數(shù)目增加))；

THEN(AND選擇平衡梁支撐形式選擇車輪布置方式));

四、知識(shí)庫(kù)的構(gòu)造

系統(tǒng)知識(shí)庫(kù)構(gòu)造采用層次結(jié)構(gòu)，由事實(shí)庫(kù)、規(guī)則庫(kù)和數(shù)據(jù)庫(kù)三部分組成，如圖2示.事實(shí)庫(kù)相應(yīng)地分為兩個(gè)子庫(kù)，規(guī)則庫(kù)分為4個(gè)子庫(kù)，數(shù)據(jù)庫(kù)分為3個(gè)子庫(kù)。

圖2 PCES知識(shí)庫(kù)層次結(jié)構(gòu)

事實(shí)庫(kù)中的事實(shí)分為基本事實(shí)和邏輯結(jié)果?；臼聦?shí)是在推理前已經(jīng)設(shè)置好的。PCES中存放的各種系列的起重機(jī)型號(hào)、整機(jī)重量、起重量、變幅幅度、起升高度、工作速度、車輪數(shù)目、機(jī)構(gòu)工作類型、機(jī)構(gòu)載荷率和設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)等知識(shí)均為基本事實(shí)。邏輯結(jié)果是由基本事實(shí)經(jīng)推理得到的，如起重機(jī)的結(jié)構(gòu)形式、布置方式、制動(dòng)方式、傳動(dòng)方式和主動(dòng)輪/從動(dòng)輪的數(shù)目分配比例等等。規(guī)則庫(kù)分為起升機(jī)構(gòu)規(guī)則庫(kù)、變幅機(jī)構(gòu)規(guī)則庫(kù)、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)規(guī)則庫(kù)和運(yùn)行機(jī)構(gòu)規(guī)則庫(kù)四部分，主要存放的是四大機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)常識(shí)、有關(guān)規(guī)范、各種標(biāo)準(zhǔn)及專家設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。四大機(jī)構(gòu)常規(guī)的布置方案、傳動(dòng)方式、驅(qū)動(dòng)方式以及各種計(jì)算公式也存放于各自的規(guī)則庫(kù)中，數(shù)據(jù)庫(kù)分為標(biāo)準(zhǔn)件數(shù)據(jù)庫(kù)、材料數(shù)據(jù)庫(kù)和系數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)三部分。標(biāo)準(zhǔn)件數(shù)據(jù)庫(kù)主要用來(lái)存放軸承、電機(jī)、減速器等標(biāo)準(zhǔn)件各種數(shù)據(jù)。材料數(shù)據(jù)庫(kù)用來(lái)存放材料型號(hào)和力學(xué)性能等參數(shù)，系數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)則主要存放機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中所用到動(dòng)載系數(shù)、安全系數(shù)、風(fēng)載系數(shù)、摩擦系數(shù)等等。

五、應(yīng)用示例

現(xiàn)對(duì)16tX35m門座起重機(jī)進(jìn)行初步方案設(shè)計(jì)，初始條件和部分設(shè)計(jì)結(jié)果，如表1、2示。

表1部分初始條件

表2部分推理結(jié)果

起重機(jī)總體結(jié)構(gòu)采用對(duì)稱門架組合臂架。

六、結(jié)論

門座起重機(jī)總體設(shè)計(jì)是整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中經(jīng)驗(yàn)知識(shí)與智能最集中的階段.方案設(shè)計(jì)的多層次性、多目標(biāo)與多樣性，給設(shè)計(jì)工作帶來(lái)了很大的困難。PCES系統(tǒng)在充分利用人工智能和專家系統(tǒng)技術(shù)的基礎(chǔ)上，能有效地解決起重機(jī)在總體方案設(shè)計(jì)的困難，設(shè)計(jì)結(jié)果令人滿意。