CN105138802B - 一种枪管智能设计系统及设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种枪管智能设计系统及设计方法，该系统包括实例知识管理子系统、智能推理与决策子系统及设计工具管理子系统；智能设计系统依据输入的设计目标，通过智能推理引擎从实例知识库中获取相似实例集和关联知识集，经过方案评价排序从中得到最优设计方案，利用基于规则的设计参数修改机制，以及关联知识的辅助决策对最优方案的设计参数进行相应的修改以满足新的设计目标，并借助可执行模板封装功能实现“方案‑模型”的自动生成，最终形成完整的设计方案报告。本发明利用计算机自动、智能地完成枪管设计各环节，具有研制周期短、设计开发质量好、设计效率高等优点。

Description

一种枪管智能设计系统及设计方法

技术领域

本发明属于枪管设计技术领域，特别涉及一种枪管智能设计系统及设计方法。

背景技术

轻武器是我军装备系统中的重要组成部分，是陆海空三军、预备役、公安、武警等部队的基础装备。在其设计过程中，设计人员往往通过修改已有的设计方案使其满足新的设计需求，以缩短设计时间并保证设计质量。枪管作为轻武器中重要组成部分，其设计过程对以往的设计参考较多，而且枪管的设计中会需要遵循大量的设计规则，并依靠设计人员的经验进行决策，导致其设计过程需要耗费大量的时间，设计效率较低，同时对领域知识也缺乏科学有效地继承。因此对于枪管设计，传统的枪管设计模式和方法已经不能满足现代武器装备研制的需要，特别需要一种自动化、智能化的设计方法来代替。

研究开发枪管智能设计系统，通过计算机自动、智能地完成枪管的方案设计、模型生成、仿真分析和计算，同时可以对枪管设计领域知识进行合理、高效地管理与运用，是实现提高枪管设计效率和知识传承性的迫切需求，也是实现现代化武器装备研制开发的需要。

作为人工智能在设计领域的重要应用，设计型专家系统是最具代表性的一种智能系统，它主要借助基于实例推理(CBR)的方法来实现对设计方案的智能推理，其在一定程度上可以实现对设计问题的智能处理；但随着产品复杂性的增加，其设计过程涉及多学科、多领域知识，在这种密集型异构知识环境下，现有的智能设计系统和方法无法满足设计需求；另一方面现有的基于CBR的智能设计系统，缺少实现“方案——模型”的智能设计过程，即智能设计过程不能覆盖整个产品设计过程，“方案——模型”的耦合度不高。同时针对枪管，目前的研究基本都缺少实际设计情景下的枪管智能设计系统与方法，满足不了枪管研制开发的需求。

发明内容

为了解决目前枪管设计以人类专家为主导设计，对设计人员技术经验要求较高、设计效率低的不足，以及现有基于CBR的智能设计模式缺乏在异构设计环境下的设计重用问题，本发明提供一种克服上述缺陷的、面向异构设计环境并模拟实际设计情景的支持可配置知识库枪管智能设计系统及方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种枪管智能设计系统，该系统包括智能推理与决策子系统、实例知识管理子系统及设计工具管理子系统；

所述智能推理与决策子系统用于实现满足设计目标方案的相似实例匹配、方案评价择优、方案参数修改以及最终方案生成四个功能；根据这四个功能的实现，智能推理与决策子系统包括用于相似实例匹配的方案匹配模块、用于方案评价择优的方案评价模块、用于方案参数修改的方案修改模块、以及用于方案最终生成的方案生成模块；智能推理与决策子系统还包括用于管理支持参数修改的规则数据的规则管理模块、以及用于存储语义检索和实例特征检索出来的结果数据的动态数据存储器；

所述方案匹配模块又包括用于封装语义检索相似度计算引擎的语义检索单元、以及用于封装实例相似度计算引擎的特征检索单元；

所述方案修改模块又包括用于配置经过语义检索得出的与当前设计任务相关联的领域知识的领域知识配置单元、以及用于封装规则修改引擎的规则推理单元；

所述规则管理模块又包括用于增加、删除、编辑、查询方案修改规则的规则管理单元、以及存储方案修改规则的规则库；

所述实例知识管理子系统包括用于存储、管理枪管设计领域知识的实例知识管理模块和支撑语义检索和领域知识辅助决策的知识服务模块；实例知识管理模块又包括用于增加、删除、编辑、查询枪管实例知识的实例知识库管理单元、以及用于存储相关数据的实例技战术指标库、枪管结构参数库、枪弹结构参数库、领域知识库；

所述知识服务模块包括构建枪管设计领域本体的本体构建单元、以及基于所述枪管设计领域本体对文档进行语义标注的语义标注单元；

设计工具管理子系统包括用于增加、删除、编辑、查询可执行模板的可执行模板管理模块、用于封装可执行模板驱动引擎的可执行模板运行模块、用于调用三维建模和仿真设计工具的设计工具应用接口模块、以及用于存储可执行模板的可执行模板库。

一种枪管智能设计方法，包括如下步骤：

步骤S100，根据设计任务要求相应输入设计指标，并对各指标设置相应的权重和阈值，用于系统的方案匹配模块进行实例检索；

步骤S200，方案匹配模块中根据输入的设计指标中信息的类型进行实例知识的检索匹配，所述检索匹配过程分为下面步骤S210和步骤S220；

步骤S210，语义检索单元通过对设计指标中概念和段落的分词处理，与领域知识库中存储的并经过语义标注单元标注的知识条目中的关键词，进行语义相似度匹配计算；

步骤S220，特征检索单元根据输入的设计指标信息及相应的权重和阈值，与战技术指标库中存储的实例特征信息进行相似度匹配计算；

步骤S300，根据步骤S210和步骤S220的匹配计算过程，获得领域知识库中与设计任务相关的关联领域知识集，获得枪管结构参数库中的与设计要求相似的实例集；

步骤S310，根据步骤S300获取到的关联领域知识集，自动将其存储在动态数据存储器中；

步骤S320，根据步骤S300获取到的相似实例集，自动将其存储在动态数据存储器中；

步骤S400，根据步骤S320存储在动态存储器中的相似实例集，方案评价模块对其进行基于熵值权重的灰色关联方法的评价排序，从中获取到最优设计方案；

步骤S500，基于规则库存储的规则知识，并通过规则推理单元中的推理引擎，对最优设计方案的各设计参数进行校验，检查最优设计方案的实际达到设计指标；

步骤S510，规则推理单元判断最优设计方案实际达到的设计指标是否满足输入的设计要求，当不满足设计要求时，分别执行步骤S520、S530，否则执行步骤S600；

步骤S520，领域知识配置单元读取动态数据存储器中的关联领域知识集，并根据各设计参数变量名称概念，将关联知识集中对应的知识条目配置并展示出来，以实现对设计参数修改的辅助决策；

步骤S530，规则推理单元根据步骤S500的校验结果，获取最优设计方案中需要修改的设计参数集合；

步骤S531，针对步骤S530中获取的需要修改的设计参数集合，规则推理单元按照规则库存储的设计流程规则顺序，结合枪弹结构参数库中的参数对所述设计参数集合进行修正；

步骤S532，规则推理单元判断步骤S531中设计参数之间的修正是否存在冲突，如果冲突，执行步骤S533，否则执行步骤S534；

步骤S533，规则推理单元根据步骤S100中设置的各指标所对应的权重，确定步骤S532中因修改产生冲突的设计参数的修改优先级，按照所述优先级完成参数修改；

步骤S534，获取最终设计参数修改后的最优设计方案，并返回步骤S510；

步骤S600，获取最优设计方案的设计参数集，并将数据注入到可执行模板运行模块；

步骤S700，可执行模板运行模块调用可执行模板库中枪管三维建模模板，通过设计工具应用接口模块调用三维建模设计工具，将可执行模板运行模块中的设计参数集，注入到所调用的枪管三维建模模板中，完成设计方案三维模型自动生成，并将结果返回到方案生成模块；

步骤S800，通过设计工具应用接口模块调用仿真计算设计工具，完成设计方案三维模型的仿真分析，并将结果返回到方案生成模块；

步骤S900，方案生成模块获取规则推理单元返回的满足所述设计要求的最优设计方案，获取设计工具应用接口模块返回的建模仿真结果，最后根据已经制定好的报告格式自动生成设计方案报告，完成枪管智能设计。

有益效果

本发明与现有技术相比具有以下优点：利用可配置知识库和基于本体的语义建模技术有效解决了异构知识环境下的知识管理与集成，同时使设计系统具有语义理解功能，为设计方案的修改提供有效的辅助决策作用；将基于实例推理和基于规则推理相结合组成混合推理模式，并合理安排两者推理的次序，根据各自优势完成对实例的检索、修改等活动，有利于提高设计方案的重用率，使得智能推理在实现快捷准确推理的前提下，得到的设计方案更符合实际设计目标要求；利用基于XML的可执行模板封装技术将设计工具进行集成，使得设计方案可自动生成模型并完成仿真，加强了设计过程的完整性。

附图说明

图1是本发明枪管智能设计系统的基本架构示意图。

图2是本发明的枪管智能设计方法工作流程示意图。

图1中：100.智能推理与决策子系统、110.方案匹配模块、111.语义检索单元、112.特征检索单元、120.方案修改模块、121领域知识配置单元、122.规则推理单元、130.规则管理模块、131.规则库、132.规则管理单元、140.方案评价模块、150.动态数据存储器、160.方案生成模块、200.实例知识管理子系统、210.实例知识管理模块、211.实例知识库管理单元、212.技战术指标库、213.枪管结构参数库、214.枪弹结构参数库、215.领域知识库、220.知识服务模块、221.本体构建单元、222.语义标注单元、300.设计工具管理子系统、310.可执行模板管理模块、320.可执行模板运行模块、330.设计工具应用接口模块、340.可执行模板库。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明的枪管智能设计系统和设计方法的工作流程进一步描述。

如图1所示，本发明的种枪管智能设计系统，该系统包括智能推理与决策子系统100、实例知识管理子系统200及设计工具管理子系统300。

本发明智能推理与决策子系统100用于实现满足设计目标方案的相似实例匹配、方案评价择优、方案参数修改以及最终方案生成四个功能；根据这四个功能的实现，智能推理与决策子系统100的组成对应包括用于相似实例匹配的方案匹配模块110、用于方案评价择优的方案评价模块140、用于方案参数修改的方案修改模块120、以及用于方案最终生成的方案生成模块160；同时，为了保障上述模块正常运行，智能推理与决策子系统100还包括用于管理支持参数修改的规则数据的规则管理模块130、以及用于存储语义检索和实例特征检索出来的结果数据的动态数据存储器150。

本发明方案匹配模块110中为了实现推理功能，其又包括用于封装语义检索相似度计算引擎的语义检索单元111、以及用于封装实例相似度计算引擎的特征检索单元112。

本发明方案修改模块120为了实现方案的参数修改和知识库中的领域知识对设计人员的辅助决策作用，其又包括用于配置经过语义检索得出的与当前设计任务相关联的领域知识的领域知识配置单元121、以及用于封装规则修改引擎的规则推理单元122。

本发明规则管理模块130又包括用于增加、删除、编辑、查询方案修改规则的规则管理单元131、以及存储方案修改规则的规则库132。

本发明实例知识管理子系统200一方面用于存储、管理(增加、删除、编辑、查询)枪管设计领域知识和枪管实例数据，实例数据包括技战术指标、枪管结构参数、枪弹结构参数，枪管设计领域知识包括枪管设计的相关国家、行业、企业的标准规范、枪管设计专家经验、枪管相关专利、文献情报、枪管设计相关的设计手册；另一方面，实例知识管理子系统200为语义检索和领域知识辅助决策这两个知识服务功能提供支撑。

本发明实例知识管理子系统200的功能组成包括用于存储、管理枪管设计领域知识的实例知识管理模块210和支撑语义检索和领域知识辅助决策的知识服务模块220，具体实例知识管理模块210又包括用于增加、删除、编辑、查询枪管实例知识的实例知识库管理单元211、以及用于存储相关数据的实例技战术指标库212、枪管结构参数库213、枪弹结构参数库214、领域知识库215。

本发明知识服务模块220包括构建枪管设计领域本体的本体构建单元221、以及对文档语义标注单元222。

本发明设计工具管理子系统300用于对枪管辅助设计工具(UG、Pro/E、MATLAB/SIMULINK)的封装、调用，经过可执行模板运行引擎的驱动，实现方案三维模型的自动生成、仿真分析功能；设计工具管理子系统300组成包括用于增加、删除、编辑、查询可执行模板的可执行模板管理模块310、用于封装可执行模板驱动引擎的可执行模板运行模块320、用于调用三维建模和仿真设计工具的设计工具应用接口模块330、以及用于存储可执行模板的可执行模板库340，可执行模板即是通过XML对设计工具执行的元代码文件(如UG模型的macro文件、MATLAB运行的m文件等)参数化封装形成的模板文件。

本发明枪管智能设计系统是一个ES/CAX/KM集成系统，为分布式、浏览器/服务器体系结构。其中，智能推理与决策子系统100的方案匹配模块110，其推理机制有两类：一是基于设计目标特征的实例检索，二是基于设计目标语义的知识检索；方案修改模块120的修改机制也有两类：一是基于规则集的设计参数修改、二是基于关联知识的辅助决策；方案修改模块120的基于规则推理单元得推理引擎采用JBoss的Drools Expert系统框架。实例知识管理子系统200中的知识库为可配置知识库，即根据知识类型的不同配置相应的知识库属性。

如图2所示，本发明一种枪管智能设计方法，包括如下步骤：

步骤S100，根据设计任务要求相应输入设计指标，即技战术指标，并对各指标设置相应的权重和阈值，用于系统的方案匹配模块110进行实例检索；

步骤S200，方案匹配模块110中根据输入的设计指标中信息(如文字、数值)的类型进行实例知识的检索匹配，所述检索匹配过程分为下面步骤S210和步骤S220；

步骤S210，语义检索单元111通过对设计指标中概念和段落的分词处理，与领域知识库215中存储的并经过语义标注单元222标注的知识条目中的关键词，进行语义相似度匹配计算；

步骤S220，特征检索单元112根据输入的设计指标信息及相应的权重和阈值，与战技术指标库212中存储的实例特征信息进行相似度匹配计算；

步骤S300，根据步骤S210和步骤S220的匹配计算过程，获取领域知识库215中与设计任务相关的关联领域知识集，获得枪管结构参数库213中的与设计要求相似的实例集；

步骤S310，根据步骤S300获取到的关联领域知识集，自动将其存储在动态数据存储器150中；

步骤S320，根据步骤S300获取到的相似实例集，自动将其存储在动态数据存储器150中；

步骤S400，根据步骤S320存储在动态存储器150中的相似实例集，方案评价模块140对其进行基于熵值权重的灰色关联方法的评价排序，从中获取到最优设计方案；

步骤S500，基于规则库131存储的规则知识，并通过规则推理单元122中的推理引擎，对最优设计方案的各设计参数进行校验，检查最优设计方案的实际达到设计指标；

步骤S510，规则推理单元122判断最优设计方案实际达到的设计指标是否满足输入的设计要求，当不满足设计要求时，分别执行步骤S520、S530，否则执行步骤S600；

步骤S520，领域知识配置单元121读取动态数据存储器215中的关联领域知识集，并根据各设计参数变量名称概念，将关联知识集中对应的知识条目展示出来，方便设计人员查看，以实现对设计参数修改的辅助决策；

步骤S530，规则推理单元122根据步骤S500的校验结果，获取最优设计方案中需要修改的设计参数集合；

步骤S531，对步骤S530中获取的需要修改的设计参数集合，规则推理单元122按照规则库131存储的设计流程规则顺序，结合枪弹结构参数库中的参数对所述设计参数集合进行修正；

步骤S532，规则推理单元122判断步骤S531中设计参数之间的修正是否存在冲突，如果冲突，执行步骤S533，否则执行步骤S534；

步骤S533，规则推理单元122根据步骤S100中设置的各指标所对应的权重，确定步骤S532中因修改产生冲突的设计参数的修改优先级，即优先修改顺序，按照所述优先级完成参数修改；

步骤S534，获取最终设计参数修改后的最优设计方案，并返回步骤S510；

步骤S600，获取最优设计方案的设计参数集，并将数据注入到可执行模板运行模块320；

步骤S700，可执行模板运行模块320调用可执行模板库340中枪管三维建模模板，通过设计工具应用接口模块330调用三维建模设计工具，将可执行模板运行模块320中的设计参数集，注入到所调用的枪管三维建模模板中，完成设计方案三维模型自动生成，并将结果返回到方案生成模块160；

步骤S800，通过设计工具应用接口模块330调用仿真计算设计工具，完成设计方案三维模型的仿真分析，并将结果返回到方案生成模块160；

步骤S900，方案生成模块160获取规则推理单元122返回的满足所述设计要求的最优设计方案，获取设计工具应用接口模块330返回的建模仿真结果，最后根据已经制定好的报告格式自动生成设计方案报告，完成枪管智能设计。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种枪管智能设计系统，其特征在于：该系统包括智能推理与决策子系统(100)、实例知识管理子系统(200)及设计工具管理子系统(300)；

所述智能推理与决策子系统(100)用于实现满足设计目标方案的相似实例匹配、方案评价择优、方案参数修改以及最终方案生成四个功能；根据这四个功能的实现，智能推理与决策子系统(100)包括用于相似实例匹配的方案匹配模块(110)、用于方案评价择优的方案评价模块(140)、用于方案参数修改的方案修改模块(120)、以及用于方案最终生成的方案生成模块(160)；智能推理与决策子系统(100)还包括用于管理支持参数修改的规则数据的规则管理模块(130)、以及用于存储语义检索和实例特征检索出来的结果数据的动态数据存储器(150)；

所述方案匹配模块(110)又包括用于封装语义检索相似度计算引擎的语义检索单元(111)、以及用于封装实例相似度计算引擎的特征检索单元(112)；

所述方案修改模块(120)又包括用于配置经过语义检索得出的与当前设计任务相关联的领域知识的领域知识配置单元(121)、以及用于封装规则修改引擎的规则推理单元(122)；

所述规则管理模块(130)又包括用于增加、删除、编辑、查询方案修改规则的规则管理单元(131)、以及存储方案修改规则的规则库(132)；

所述实例知识管理子系统(200)包括用于存储、管理枪管设计领域知识的实例知识管理模块(210)和支撑语义检索和领域知识辅助决策的知识服务模块(220)；实例知识管理模块(210)又包括用于增加、删除、编辑、查询枪管实例知识的实例知识库管理单元(211)、以及用于存储相关数据的实例技战术指标库(212)、枪管结构参数库(213)、枪弹结构参数库(214)、领域知识库(215)；

所述知识服务模块(220)包括构建枪管设计领域本体的本体构建单元(221)、以及基于所述枪管设计领域本体对文档进行语义标注的语义标注单元(222)；

设计工具管理子系统(300)包括用于增加、删除、编辑、查询可执行模板的可执行模板管理模块(310)、用于封装可执行模板驱动引擎的可执行模板运行模块(320)、用于调用三维建模和仿真设计工具的设计工具应用接口模块(330)、以及用于存储可执行模板的可执行模板库(340)。

2.如权利要求1所述的枪管智能设计系统，其特征在于，所述智能设计系统是一个ES/CAX/KM集成系统，为分布式、浏览器/服务器体系结构。

3.如权利要求1所述枪管智能设计系统，其特征在于，所述方案修改模块(120)的修改机制有两类：基于规则集的设计参数修改和基于关联领域知识的辅助决策。

4.如权利要求1所述枪管智能设计系统，其特征在于，所述实例知识管理子系统(200)的知识库为可配置知识库，即根据知识类型的不同配置相应的知识库信息属性。

5.如权利要求1所述枪管智能设计系统，其特征在于，所述方案匹配模块(110)的推理机制有两类：基于设计目标特征的实例检索和基于设计目标语义的关联领域知识检索。

6.如权利要求1所述枪管智能设计系统，其特征在于，所述规则推理单元(122)中的推理引擎采用JBoss的Drools Expert系统框架。

7.一种枪管智能设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S100，根据设计任务要求相应输入设计指标，并对各指标设置相应的权重和阈值，用于系统的方案匹配模块(110)进行实例检索；

步骤S200，方案匹配模块(110)中根据输入的设计指标中信息的类型进行实例知识的检索匹配，所述检索匹配过程分为下面步骤S210和步骤S220；

步骤S210，语义检索单元(111)通过对设计指标中概念和段落的分词处理，与领域知识库(215)中存储的并经过语义标注单元(222)标注的知识条目中的关键词，进行语义相似度匹配计算；

步骤S220，特征检索单元(112)根据输入的设计指标信息及相应的权重和阈值，与技战术指标库(212)中存储的实例特征信息进行相似度匹配计算；

步骤S300，根据步骤S210和步骤S220的匹配计算过程，获得领域知识库(215)中与设计任务相关的关联领域知识集，获得枪管结构参数库(213)中的与设计要求相似的实例集；

步骤S310，根据步骤S300获取到的关联领域知识集，自动将其存储在动态数据存储器(150)中；

步骤S320，根据步骤S300获取到的相似实例集，自动将其存储在动态数据存储器(150)中；

步骤S400，根据步骤S320存储在动态数据存储器(150)中的相似实例集，方案评价模块(140)对其进行基于熵值权重的灰色关联方法的评价排序，从中获取到最优设计方案；

步骤S500，基于规则库(131)存储的规则知识，并通过规则推理单元(122)中的推理引擎，对最优设计方案的各设计参数进行校验，检查最优设计方案的实际达到设计指标；

步骤S510，规则推理单元(122)判断最优设计方案实际达到的设计指标是否满足输入的设计要求，当不满足设计要求时，分别执行步骤S520、S530，否则执行步骤S600；

步骤S520，领域知识配置单元(121)读取动态数据存储器(150)中的关联领域知识集，并根据各设计参数变量名称概念，将关联知识集中对应的知识条目配置并展示出来，以实现对设计参数修改的辅助决策；

步骤S530，规则推理单元(122)根据步骤S500的校验结果，获取最优设计方案中需要修改的设计参数集合；

步骤S531，针对步骤S530中获取的需要修改的设计参数集合，规则推理单元(122)按照规则库(131)存储的设计流程规则顺序，结合枪弹结构参数库214中的参数对所述设计参数集合进行修正；

步骤S532，规则推理单元(122)判断步骤S531中设计参数之间的修正是否存在冲突，如果冲突，执行步骤S533，否则执行步骤S534；

步骤S533，规则推理单元(122)根据步骤S100中设置的各指标所对应的权重，确定步骤S532中因修改产生冲突的设计参数的修改优先级，按照所述优先级完成参数修改；

步骤S534，获取最终设计参数修改后的最优设计方案，并返回步骤S510；

步骤S600，获取最优设计方案的设计参数集，并将数据注入到可执行模板运行模块(320)；

步骤S700，可执行模板运行模块(320)调用可执行模板库(340)中枪管三维建模模板，通过设计工具应用接口模块(330)调用三维建模设计工具，将可执行模板运行模块(320)中的设计参数集，注入到所调用的枪管三维建模模板中，完成设计方案三维模型自动生成，并将结果返回到方案生成模块(160)；

步骤S800，通过设计工具应用接口模块(330)调用仿真计算设计工具，完成设计方案三维模型的仿真分析，并将结果返回到方案生成模块(160)；

步骤S900，方案生成模块(160)获取规则推理单元(122)返回的满足所述设计要求的最优设计方案，获取设计工具应用接口模块(330)返回的建模仿真结果，最后根据已经制定好的报告格式自动生成设计方案报告，完成枪管智能设计。