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智能孔型CAD知识库的建立
华东冶金学院 阎军 胡灶福 陈大宏
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摘要 本文分析了专家系统技术应用于孔型设计CAD的必要性，并根据角钢孔型设计的特点，提出了建立角钢孔型设计知识库的方法，并在孔型设计CAD中加以应用。
关键词 专家系统 孔型设计 CAD
1 前言
随着计算机的日益普及，计算机辅助孔型设计的研究愈来愈深入，孔型CAD的水平也在不断提高[1]。一般孔型设计CAD系统只是完成孔型的设计计算和工程图低的绘制，但孔型设计还有一个很重要的方面即概念设计，包括总体性能参数和总体结构方案的初步选择及方案决策，这需要运用专家的经验知识和启发性知识来完成，因而还涉及到专家系统的技术。专家系统是人工智能的一个分支，将人工智能技术和CAD技术结合起来形成智能CAD，是CAD发展的一个方向。
智能CAD是根据某些知识或法则去解决某一特定领域中工程或产品的设计问题。这种以知识库、规则库为基础的CAD技术把设计的内涵和设计的表示联系起来，并引导用户对设计的过程和表示形式做出选择和决定。其基本组成是用户接口、知识库、推理机构、工程数据库等，进而形成决策支持系统。智能CAD的一个重要特点是系统具有包含某一特定领域大量知识的知识库。因此，建立孔型智能CAD的一个重要工作就是收集、整理孔型设计CAD领域中的知识，形成知识库。本文通过对角钢孔型设计特点的分析，提出了角钢孔型设计知识库建立的方法。
2 孔型设计知识库的分析
孔型设计的重要特点是既需要经验知识也需要大量的设计计算。设计计算必然要涉及到计算模型和计算方法，这些模型和算法可用数学方法描述。数学模型描述的精确程度和计算方法选择是否得当直接影响设计结果的优劣。除此之外，孔型设计中还需要大量的经验数据和经验方法，即包括大量的孔型设计领域中的专家知识，而这些领域专家知识是难以用数学模型精确描述的，尤其在总体方案的确定中更是如此。如原料的选择、原料尺寸的确定、孔型系统的确定、机架道次的安排、孔型基本经验参数的选取、设计方法的确定、总体设计方案的类型和设计方案的评价等，这些知识对于孔型设计的总体方案的确定是非常重要的。总体设计方案选择不当，既使采用了精确的数学模型和正确的设计计算方法，也难以保证孔型设计达到最优的结果。这些知识的描述只能采用知识的表达技术，因此利用专家系统的功能，将这些领域专家的知识归纳整理，构成CAD的知识库是非常必要的。
孔型设计所涉及到的知识是非常错综复杂的，从现场实际中所使用的孔型来看，对同一问题或由于实际工艺设备条件不同，或设计者的观点、操作习惯不同也会有不同的看法，有些知识含有某种不确定性。很多参数指标都是互相联系相互影响，实际确定时应综合考虑各种因素选取恰当的数值。这些都给知识库的构成增加了难度。但从总体上看，经过长期的实践，对多数问题专家的认识是一致的，从大量实际孔型设计结果的分析中也能看到这一点。因此在构造知识库时应根据一般的规律，不必拘泥于一些局部经验。对有些问题，在工艺和设备条件相同时，会有不同的设计方案，如机架道次安排、孔型系统的确定等，对这些问题还应通过大量的分析计算，从多个指标的计算结果中分析优劣，结合实际生产情况进行综合评价。
总之，孔型设计知识的整理归纳是纷繁复杂的，应广泛调研、不断征询专家意见，才能使知识库不断完善。
3 孔型设计知识的整理和归纳
孔型设计CAD的知识包括陈述性和过程性两类知识。在进行总体方案确定时更多涉及到的是陈述性知识。构造的知识库主要用于解决下述问题。
1）原料选择及原料尺寸的确定；
2）总轧制道次数和各机架的道次安排；
3）孔型系统的选择（包括成品孔、蝶式孔、切分孔及延伸孔）；
4）孔型构成基本经验参数的确定；
5）设计方法和其它重要经验数据的选取。
要解决上述问题，必须对现场孔型设计的结果、应用场合及现场工艺设备情况进行分析归纳。首先根据角钢生产的实践，将轧机布置形式归纳为七种类型，如三架一列式、四架三列式、跟踪式、连轧方式等。机架的布置形式对原料尺寸确定、机架道次安排、孔型系统选取、尤其是延伸孔型系统的确定都有非常密切的影响。以轧机布置方式的七种类型为基本条件，将上述问题划为几个子问题，知识的表达和处理相对比较方便，有利于知识库的建立。现以机架道次安排和孔型系统选择为例进行分析。
3.1各机架的道次安排
轧机的布置方式、原料的断面形状及尺寸、总轧制道次数孔型系统对机架的道次安排都有影响。成品机架一般只安排一个成品道次，以利于轧机的调整和成品质量的提高。其余机架的道次安排则根据具体条件的不同而有所变化。在确定机架的道次安排时主要考虑下述问题。
3.1.1轧机的布置方式
根据对实际角钢生产车间轧机布置方式的分析，将轧机的基本布置方式分为7个类型。如三架一列式、四架三列式、五架三列式、跟踪式、连轧方式等，除连轧和跟踪方式外，其它类型轧机通常采用三辊轧机，轧件在上下轧制线交叉轧制。这7种基本类型中跟踪式的变化最多，如轧机数量、第一架粗轧机的轧制道次数等，这一类型的细致划分难以包罗万象。跟踪式布置机架数较多，多数机架采用单道次轧制，主要是使机架速度分配的更为合理，如将单道次的机架区分出来，剩下机架的布置类型就可以归类。这里还要注意剩余机架道次数的奇偶性的问题。
3.1.2轧制的总道次数
轧制总道次数由原料、成品和平均延伸系数确定。但轧机的排列方式不同，对总道次数会有奇偶数的不同要求，总道次数的调整，根据对大号及小号角钢平均延伸的要求的不同进行。大号角钢平均延伸系数较小，在不满足上述条件时可增加总道次数，小号角钢则相反。
3.1.3异型孔的数量
角钢异型孔主要指成品孔、碟式孔和切分孔。成品孔的数量是确定的，但蝶式孔和切分孔的数量则随成品角钢和金属的变形性质而有所变化。随角钢尺寸的不同，蝶式孔的数量可从2个增加到5个以上，切分孔也可为1个或2个，有时切分孔前还存在立压孔，小号角钢或有立辊的轧机通常采用这种形式。考虑到轧制角钢的尺寸即可确定异型孔的数量。
3.1.4延伸孔的类型
角钢延伸孔主要指箱形孔型。在整个轧制道次中至少应有一个延伸孔，多数情况下存在三个以上的延伸孔。分析实际中所用的孔型，为方便知识库的建立，将箱形延伸孔的类型分为9个类别。如平—平—立（方）、平—平—立（矩形）等。延伸孔型的这些类别不仅与轧机的布置方式，而且与翻钢装置的设置位置有很密切的关系。因此机架的7种布置方式还可以根据翻钢装置的设置情况进一步划分为若干子类型。基本条件分解的越清楚，就越有利于解决道次安排的问题。例如：原料为方坯，第一架粗轧机为三辊轧机，机后为升降台且不设翻钢装置，进入切分孔前要求立轧。如果延伸道次为4，则难以满足轧制要求，根据延伸孔的类型，应增加或减少一道延伸道次，在第一架粗轧机上安排3道，或在第二架轧机上再安排2道。如果进切分孔前不要求立轧，则可在第一架粗轧机上安排3道或5道。
综合上述问题，即可根据总道次数、轧机布置方式和孔型系统确定各机架的道次安排，机架道次安排确定后，还可根据数据库确定各道次的间隙时间，这在优化设计中计算轧机小时产量和进行电机校核是非常重要的，例如：
1）轧机的布置方式为第二类型，总道次数为10，异型孔的数量为5。则一般各架道次安排为5—3—1—1。
2）轧机的布置方式为第五类型，总道次数为15，异型孔的数量为5。则一般各架道次安排为7—5—1—1—1。
机架道次安排知识库的结构见图1。

（图片）

3.2孔型系统的确定
选择孔型系统是孔型设计中最重要的基础工作。此处所涉及的主要问题是异型孔的类型和数量；延伸孔的类型和轧件的压下方式。
成品孔有开口和闭口两类，蝶式孔和切分孔的数量随轧制条件不同而不同，切分孔还有几种不同的种类。箱形延伸孔的轧制和压下规程的编排类似，这里要注意翻钢的次数和位置，延伸孔的类型与轧机布置方式之间的关系相对于异型孔而言更为密切。确定孔型系统主要考虑下述问题。
3.2.1原料的断面形状
原料的断面一般有方坯和矩形坯两种，多数情况下采用方坯，有时为了减少道次也采用矩形坯。坯料这种形式的变化会影响到轧件在延伸孔中的轧制方式。采用矩形坯时，第一道次一般都是立轧进钢。为了保证轧件进入切分孔前的尺寸要求（中小型角钢切分孔前最好为立轧，以保证进入切分孔的轧件宽度，角钢号数较大时切分孔前可为平轧方式），延伸孔的数量和压下方式要与之相适应，这里涉及到翻钢装置的设置。对原料断面形状的判断也存在不精确推理的情况，何为矩形断面？从实际应用中可以看出，当原料断面的两边之比在1.2—1.35之间，这种坯料在轧制中与方坯有明显的差别，可以将其判断为矩形坯。根据所用原料的形状不同，又可将延伸孔的布置方式分为若干种类型。
3.2.2轧机布置方式和翻钢装置的设置
轧机布置方式和翻钢装置的设置对孔型系统的先以也有重要的作用。国内角钢生产一般没有立辊，采用连轧的也较少。在这种情况下，轧机布置和翻钢装置主要影响延伸轧中轧件的变形方式，如在延伸道次数为3时，可采用平—平—立延伸孔型。如果延伸道次数为5，原料为方坯，延伸道次在第一架轧机上完成，此时轧机后必须有翻钢装置才能保证切分孔前为立轧孔，用平—平—立—平—立形式。如果机后没有翻钢装置，则切分孔前只能是平轧孔。当然在连轧或有立辊时，异型孔的形式也会发生变化。在连轧中常采用开口式蝶式孔，在立辊轧机上采用立压孔等。为便于分析，我们将延伸道次从总道次中分离出来，然后根据延伸道次数、轧机布置和翻钢设备情况，在上述的类别中选取适当类别即可确定延伸孔的类型。
3.2.3成品规格的大小
一般角钢孔型设计中，为确定异型孔的数量和某些经验参数，笼统地将角钢分为大号、中号或小号，不同号数之间的限定并不是完全明确的。如大号角钢蝶式孔数目可多一些，小号角钢蝶式孔数目可少一些。此处的大小都是一些模糊的概念，这种模糊性表现在证据与假设本身的模糊，对这一问题的判断也是不精确的推理，关于这一问题文献[2]提出了一些处理方法，其应用也还处于探索阶段。为简单起见，可通过分析实用的角钢孔型，将角钢的大小分解得更为细致，同时辅之于数据库将实际中成功的设计结果提示给用户，供用户参考决策。
根据以上分析，可整理出大量的规则，例如：
1）轧机布置为第五类型，总道次数为15，粗轧机后没有翻钢装置，轧制角钢号数为＜6#，原料为方坯。
则采用闭口式蝶式孔，切分孔和成品孔各1，延伸孔采用一个第1类型加两个第2类型（第1类型：平—平—立—立；第2类型：平—平—立）。
孔型系统确定知识库（延伸孔部分）的结构见图2。

（图片）

4 知识的表达和知识库的建立
专家系统的主导思想是尽可能把任务领域的知识和处理这种知识的过程分开[3]。知识是命题、规则等的集和，知识的表示不仅要能表达清楚专门领域内的大量事实和规则，而且这种表示要能全面地体现出专家的经验和智慧。知识的表示有基于规则的表示法、语义网络表示法、框架表示法等。一般而言，不同的问题应用不同的知识表达方法，有时对同一问题也可用不同的知识表达方法。根据孔型设计知识的特点，采用基于规则的表达方式比较方便。
产生式规则是一条若某前提为真，则结论为真的断言。产生式规则的结构接近人类思维和会话的自然形式，可以充分表示各种知识，尤其适用于扩散型的、需要大量经验知识的领域，且该领域的问题可以被分解为一系列相对独立的求解操作，领域中的知识同使用这些知识的方式分离。孔型设计的知识就具有这些特点。本文用陈述性语言PROLOG编写专家系统模块，使产生式规则知识库易于实现。
将孔型设计总体方案的确定分解为多个子任务，即将问题空间分解为多个子问题空间，减少搜索空间，可以提高系统的推理效率和运行可靠性，同时避免知识组合爆炸。
知识库的建立，除选择合适的知识表达方法和搜集领域专家知识之外，一个知识获取工具也是不可缺少的。知识获取工具对知识库的建立可提供两种帮助。
1）可以使具有特定领域知识的专家与系统的交流更加容易。
2）可以对通过交流所获得的知识进行解释和实现操作化。
由于知识的自动获取尚处于探索阶段，目前大多数知识获取工具还是以半自动方式为主要形式。角钢孔型智能CAD系统的知识获取工具是一个具有初步指示学习能力的知识库编辑器。该编辑器是自动纳谏和辅助知识库维护两大功能的综合，可以用自然汉语与系统会话、系统接受知识并自动形成规则存入知识库。对已建立的知识库可以查阅、修改、添加、删除和进行全屏幕编辑。
5 结束语
通过对孔型设计特点的分析，本文对孔型设计CAD的知识库的建立进行了有益的探讨。知识库的完善还需要进行艰苦细致的工作，这对于提高孔型设计CAD的智能性是非常有意义的。 11/1/2005

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