基于知识的枪管CAD系统的研究与开发

� 刘长毅 文章编号: 1003-8728( 2000) 01-0059-03 基于知识的枪管 CAD 系统的研究与开发 刘长毅,徐　诚,刘　震 (南京理工大学, 江苏　南京　210094) 摘　要: 知识的表示与数据库的构造是开发基于知识的枪管 CAD系统的关键。本文采用 规则与框架混合的方法表达 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 知识, 以面向对象的方法构造数据库,并在专家系 统工具 CLIPS 上加以实现。采用参数化设计的方法使设计结果实现了数据与图形 的结合。通过综合运用上述技术开发的基于知识的枪管 CAD系统较好地解决了枪 械主要零部件——枪管的自动化设计问题。 关　键　词: 枪械 CAD ;知识表示; 参数化;设计自动化 中图分类号: TP391　　　文献标识码: A 　　引　言 枪管是自动武器中最重要的零部件之一, 枪管设计是自 动武器设计中最基础的一环。当前枪管设计过程中主要是借 助一些通用 CAD 软件完成一些诸如绘图、三维实体建模等方 面的工作,计算机对设计人员的辅助作用非常有限, 设计的自 动化程度很低。为了提高枪管设计中 CAD 智能化的程度,解 决枪管设计自动化的问题, 本文采用 AI 技术和参数化设计技 术,对开发基于知识的枪管 CAD 系统进行了研究和实践。基 于知识的系统,是人工智能中最活跃的分支之一,旨在研究利 用计算来模仿人类专家的智能活动。在自动武器设计中引入 AI技术, 目的在于提高自动武器行业中CAD 智能化的程度。 参数化设计使设计人员通过变动某些参数来更新设计, 是基 于尺寸驱动,可变化几何图形的技术。 1　基于知识的枪管 CAD 系统总体结构及其功能 基于知识的枪管 CAD 系统的总体结构见图 1。 图 1　基于知识的枪管 CAD 系统结构示意图 ( 1) 知识获取模块　用于对知识库中的知识进行修正 和更新。其中添加功能可以使专家或用户把自己在设计过 程中发现的知识库中所缺乏的相应知识按一定的方式加入 知识库;删改功能有来删除不必要的或过时的知识;修改功 能则完成对知识不能完全反映设计的本质过程但仍有运用 价值的知识更新。通过该模块可以使知识库保持与用户或 专家交流,使系统中的知识更趋于合理。 ( 2) 系统总控模块　用于接受用户输入的最初设计要 求。依次调用初始 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 设计功能,评价与决策功能以及再设 计功能等,通过推理机激活知识库中与之匹配的知识,对设 计过程进行推理、运算,把各阶段所得设计结果存入数据 库,并通过解释机制向用户显示系统运行情况。 ( 3) 解释机制　旨在对系统运行过程、运行情况进行 说明。采用预置文本的方法,将每一问题求解方式的解释框 架采用自然语言事先组织好, 插入相应的程序段中。 ( 4) 知识库与数据库　知识库中存放进行初始方案设 计、评估与决策、方案再设计过程所需运用的各种专业知 识。这些知识包括经验性知识、原理性知识和常识性知识。 数据库中存放设计所需的原始数据、设计过程所产生的中 间数据、以及经再设计后的最终数据等。 ( 5) 图形处理模块　从数据库中读取推理、计算所得 出的枪管的参数, 并检索公差, 然后通过与商用 CAD 软件 的应用程序接口( API—applicat ion pr og ram inter face) ,来 对系统所求得的枪管方案进行二维、三维显示输出。 ( 6) 分析计算与规整　由枪管设计中需要依据一定的 公式、算法进行求解的规模比较大的子程序库组成。除进行 分析计算之外,还对计算所得结果进行规整。这类计算主要 包括求解内弹道和强度计算及校核等。 第 19 卷　第 1 期 2000 年　　1 月 机 械 科 学 与 技 术MECHANICAL SCIENCE AND T ECHNOLOGY Vol. 19　No . 1Jan 　2000 � 收稿日期: 1999 01 04作者简介:刘长毅( 1973- ) ,男(汉族) ,陕西西安人,南京理工大学机械学院博士研究生 2　系统中知识的表示 ( 1) 枪管设计的特点　枪管设计过程是把设计者的构 思、设想转化为现实的实践活动,其中不仅包含了公理性的 知识, 而且也包含了诸多经验性的知识。其目的是为了使设 计目标能够容纳枪弹、赋予弹头一定的方向和初速, 并符合 全枪外形设计要求, 具有足够的强度、刚度工和使用寿命 等。枪管设计的 内容 财务内部控制制度的内容财务内部控制制度的内容人员招聘与配置的内容项目成本控制的内容消防安全演练内容 见图 2。 图 2　枪管设计内容 ( 2) 系统中知识表示形式的选择　常用的知识表示形 式有产生式规则、框架表示、语义网络表示、一阶谓词逻辑 表示、过程表示等。枪管设计的知识是属扩散型的,其中包 括有大量经验性知识, 而设计又可以分解为外部构造设计、 内膛设计、强度设计这样一些可以相对独立进行的子问题, 子问题又可以分解为更细小的子问题, 如内膛设计又可以 分解为线膛设计与弹膛设计。最终的分解成为一些公式性、 规则性的知识。产生式规则是一种适合表示因果关系的表 示模式。它在语义上表示“IF A T HEN B”的因果关系。运 用产生式规则就可以基本上来表达一系列设计中可以分解 出来的最小的设计元素。框架表示则层次化、模块化地表示 客观事物所具有的属性或所处的状态, 以及它与其它事物 的关系。但是单一的产生式规则表示知识存在着不足, 这种 方法不宜于表达各规则之间的层次关系,因为这些规则在 概念上、功能上的层次深浅是不一样的。从这种层次深度出 发, 选择框架表示知识是必要的。从枪管设计知识结构的实 际出发, 选用产生式与框架相结合的知识表示体系。这里框 架的槽值可以为一产生式, 从而可以使所要表达的知识充 分、清晰、易懂。表 1 说明了用产生式与框架相结合来表示 的关于枪管设计的知识。 在构建本系统过程中, 选用了专家系统工具 CLIPS( C language integr ated production sy stem)作为专家系统的开 发软件。CLIPS 是美国航空航天局 ( NASA )推出的一种基 于产生式规则的通用型专家系统开发工具, 在 1997 年的 6. 0 版本中, 又加入了基于过程, 基于模块, 面向对象的方 法。用CLIPS 构建专家系统比用高级语言( C+ + 、Ada、Pro- lo g 等)具有更高的效率。CLIPS 是基于规则的系统,本文 采用 CLIPS 的结构命令 deftemple来定义框架。deftemple 命令表示框架的一般形式为 ( def tem ple〈框架名〉[〈功能描述〉] ( slot〈规则名〉) ( slot〈规则名〉) (⋯　⋯) ) 当定义规则时, 使用结构命令 defrule, 相当于 IF〈模 式〉THEN〈动作〉, 即 (d ef rule〈规则名〉[〈功能描述〉] 　　《模式》 � 　　《动作》 这样就可以实现规则/框架混合的知识表示。 表 1　产生式/框架相结合的枪管设计知识的表示 框架名 槽名 槽值 槽名 槽值 槽名 槽值 枪管设计 外部构造 外部构造框架 内膛 内膛设计框架 强度 强度设计框架 外部构造 枪管尾部 枪管尾部设计框架 枪管外形 枪管外形设计框架 枪口形状 枪口形状设计框架⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯枪管尾部 尾端面形状 尾端面形状设计规划⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ 3　系统数据库 枪管设计推理的启动参数, 如膛压、线膛的长度等;设 计过程中产生的各类过渡型参数;以及最终所选定的枪管 的尺寸、公差、材料等,都存放在系统数据库中。为了有效地 管理这些数据,采用了面向对象的方法。 面向对象的方法中有两个重要概念“类”和“对象”。在 CLIPS6. 0 中,分别称为“Class”、“Instance”。CLIPS 有一个 最高级的类 OBJECT ,它有一个子类 USER。USER类用来 定义用户自定义类。在本系统中类的定义如下: (d efclass BARREL( is-a U SER) ) (d efclass BORE( is-a BARREL) ) (d efclass CHAMBER( is-a BORE ) ) 对象的定义如下: (d ef instances NEW CHAM BER (n ew chamber of CHAMBER) ) 设计过程中所产生的各种参数, 都存放在各实例对象对应 的属性中。这种面向对象的数据库结构简单,一目了然。在系统 运行中只需对数据库中某一对象的属性进行读、写操作即可。 数据库中除了存放新的设计内容,还包括一些成熟的 设计实例。一些国内外装备过的制式枪械的枪管 ,如 56 冲、 M16 步枪的枪管等, 都放在数据库中。这样不仅使设计者 在设计过程中可随时调用以作参考, 而且可以适应基于实 例的推理方式。CLIPS 是以基于规则的推理为主, 但基于 实例的推理也是可以适当采用的。譬如在设计时采用某种 制式弹,那么在设计弹膛时 ,系统提出两套设计方法——基 于规则和基于实例。基于实例的设计使设计者在为制式枪 弹设计弹膛时,可以通过人机对话,选择一种制式枪械枪管 的弹膛作为新设计枪管的弹膛的原型, 新的设计可通过对 这种原型在满足一定条件(规则)的前提下进行修改而得 出。这样可以使设计过程得以简化。 4　设计计算及计算结果的规整 枪管设计中涉及计算的部分主要由三部分组成: 内弹 道计算、主要断面处壁厚的计算、安全系数的校核。 162 机 械 科 学 与 技 术 第 19卷 内弹道计算的目的在于计算出装填条件一定和弹头一 定的发射条件下膛压、弹头速度与弹头行程、时间的关系。 通过分析, 认为在枪弹已知的条件下,膛压的峰值 (最大膛 压)、该峰值出现的位置、线膛总长、膛口压力这四个量在枪 管设计中最为重要。 当膛压特性确定之后, 对膛压曲线进行处理, 就可以根 据膛压曲线确定枪管主要断面处壁厚。壁厚由下式计算: r 2 = r 1[ ( 3�s + 2np ) / ( 3�s - 4np ) ] 1/ 2 ( 1) 式中, r 1、r 2分别为枪管内、外半径; �s 为材料屈服极限; n 为 断面处完全系数; p 为断面处膛压。 由式( 1)计算得出主要断面处的外径、壁厚, 并形成枪管 的理论外形之后,还需要考虑与枪管结合零部件的大小和所 在位置, 工艺性要求, 壁厚差的容许量等, 并按这些因素对枪 管理论外形进行规整。本系统既可采用人机交互的方式进行 尺寸规整, 也可以采用知识库和推理机进行外形尺寸规整。 5　枪管参数化图形设计原理与应用 本系统中选用美国 SDRC 公司的微机版本 IDEAS MS6. 0 作为图形参数化模块的 CAD支撑平台。IDEAS 是 一个功能强大的 CAD/ CAE/ CAM 集成软件包。在 IDEAS 中, 物体的某些尺寸可以设置为参数关系式,以参数来控制 物体的几何元素。用户可以产生两种类型的参数: 驱动参数 型和等式参数型。驱动参数型的尺寸值是用户在产生该物 体时输入的初始值, 这种尺寸可以参数化,从而在等式参数 型中作为变量。等式参数型定义了物体上相关参数间的数 学等式关系。该等式由用户定义,其中包含有驱动参数或其 它等式参数。物体的关键尺寸、轮廓约束尺寸等设为参数变 量(可以赋一初始值)。物体的参数化过程实际上就给这些 参数赋予某个具体尺寸的过程。 本系统通过对 IDEAS 的二次开发来实现枪管图形的 参数化三维显示。系统中推理、计算所得的枪管的外形尺 寸、尺寸约束关系记录在数据库中。系统总控模块以一定的 顺序读取数据,并生成专用数据文件。之后通过 C 语言编 写的接口程序启动 IDEAS, 并执行一个相应的由 IDEAS 自带的高级语言编写的程序文件, 将数据文件中的数据赋 给预先建好的枪管三维实体参数化模型。 具体实现方法如下: ( 1) 参数化实体模型的建立　在 IDEAS 实体建模模 块中生成一个枪管实体模型, 存放在参数化模型库中。可以 手工建立模型, 并记录在程序文件中; 或者用 IDEAS 自带 的高级语言编写程序文件。这个模型包括了典型枪管所具 有的结构特征。该模型所具有的结构参数中有一部分可以 设置为驱动参数型变量, 定义、命名这些变量。之后定义、命 名与这些驱动参数型相关的等式参数型变量, 并给出约束 关系(尺寸链要求、联接件的形状约束等)。 ( 2) 几何尺寸与结构形式的确定　通过推理、计算所确 定的结构及尺寸存放在数据库中,以便于图形处理模块调用。 ( 3) 参数变量赋值　系统总控模块从数据库中读取数 据, 生成专用数据文件,并启动 IDEAS。数据读取的顺序依 据前面所产生的数据文件的 格式 pdf格式笔记格式下载页码格式下载公文格式下载简报格式下载 确定。依次读取各段的数 据,放入指定的数据结构中。读取完成后,将读取成功的枪 管的尺寸、结构参数数据传给参数化实体模型,在屏幕上输 出显示,并生成二维 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 图。 6　结论 知识的表达与数据库的构造是运用专家系统工具 CLIPS 过程中的两个最基本的问题, 也是该系统能否有效 运行的关键。在系统中采用规则与框加混合的知识表达体 系,允许框加的槽值为一组产生式, 将产生式局部化, 比单 一的产生式有更高的效率。数据库的构造中运用了面向对 象的方法以及基于实例的方法, 使得数据库中数据间的关 系表达易于理解,便于维护。参数化设计思想可以实现数据 与图形的结合,有效地解决了设计结果向图形的转化。综合 运用上述技术开发的智能化枪管 CAD 系统, 较好地解决 了枪械主要零部件——枪管的自动化设计问题。 [参考文献] [ 1] 《步兵自动武器及弹药设计手册》编写组. 步兵自动武器及弹 药设计手册[ M ] .北京:国防工业出版社, 1997 [ 2] 吴鹤龄.专家系统工具 CLIPS及其应用[ M ] . 北京:北京理工 大学出版社, 1991 [ 3] Hauser M , et al . 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By using such techniques, the know ledge- based gun bar r el CAD sy st em fairly solv es the ques- tion of automat ic design of t he fir earm s key par t—— barr el. Key words: Firearms CAD; Know ledge r epresentation; Pa rametr ization; Design automation 163第 1 期 刘长毅等: 基于知识的枪管 CAD系统的研究与开发