基于知识的枪管CAD系统的研究与开发

基于知识的枪管CAD系统的研究与开发基于知识的枪管CAD系统的研究与开发摘要: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。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...

基于知识的枪管CAD系统的研究与开发摘要: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。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—application program interface)，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。 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 THEN 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 integrated production system)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、Prolog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 (deftemple〈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 (defrule〈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外部外部构造内膛内膛设计强度强度设计构造框架框架框架设计外部枪管枪管尾部枪管枪管外形枪口枪口形状构造尾部设计框架外形设计框架形状设计框架 „ „ „ „ „ „ „ „ „ „ „ „ „ „ 枪管尾端面尾端面形状尾部形状设计规划 „ „ „ „ „ „ „

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