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摘要:由于數(shù)控機(jī)床方案設(shè)計(jì)實(shí)例的多樣性和復(fù)雜性，實(shí)例檢索和修改過程中很難獲取相關(guān)知識(shí)。針對(duì)此情況，結(jié)合數(shù)控機(jī)床方案多層次結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，運(yùn)用相似度的高低和遺傳算法對(duì)實(shí)例進(jìn)行檢索與修改。創(chuàng)建數(shù)控機(jī)床多層次結(jié)構(gòu)實(shí)例庫，通過計(jì)算實(shí)例相似度，檢索出實(shí)例庫中與目標(biāo)實(shí)例相似度較高的實(shí)例;利用遺傳算法對(duì)實(shí)例進(jìn)行修改，將檢索出的相似實(shí)例作為遺傳算法的初始種群，通過交叉、變異選擇出優(yōu)秀個(gè)體參與遺傳操作;以數(shù)控機(jī)床床身為例，通過編寫程序求取遺傳算法的最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。結(jié)果表明:運(yùn)用此方法可快速找到與設(shè)計(jì)問題相似度較高的方案。

關(guān)鍵詞:遺傳算法;數(shù)控機(jī)床;實(shí)例檢索;實(shí)例修改;相似度

0前言

基于實(shí)例推理(Case－BasedReasoning，CBR)與人類解決問題的思維方式相類似，是將已創(chuàng)建好的實(shí)例存入實(shí)例庫，根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)需求和特征，按照相似度的高低從實(shí)例庫中找出與新產(chǎn)品在結(jié)構(gòu)特征方面匹配度較高的實(shí)例，經(jīng)過一定的修改，使之成為能滿足設(shè)計(jì)要求的新方案，并將新方案作為新的實(shí)例保存到實(shí)例庫［1］。基于實(shí)例推理的核心是在對(duì)已有實(shí)例特征信息重用的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)對(duì)原有實(shí)例的修改及創(chuàng)新，最終得到匹配程度較高的實(shí)例。CBR主要由實(shí)例庫創(chuàng)建、實(shí)例檢索、實(shí)例修改和實(shí)例保存四部分組成［2］。實(shí)例庫的創(chuàng)建是CBR的基礎(chǔ)，將已經(jīng)開發(fā)好的實(shí)例存儲(chǔ)到實(shí)例庫中。實(shí)例檢索是CBR的關(guān)鍵問題，其檢索的準(zhǔn)確性決定了CBR的效果，常用的檢索方法有［3］:最近相鄰策略、歸納引導(dǎo)策略以及基于知識(shí)的神經(jīng)索引檢索法等。實(shí)例修改是CBR的技術(shù)關(guān)鍵，通過不斷的修改來保證已有實(shí)例的知識(shí)與新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)要求最大程度的可匹配性，它主要涉及實(shí)例參數(shù)的修改。參數(shù)修改的方法主要有基于模型推理技術(shù)、基于遺傳算法的修改、基于規(guī)則技術(shù)的應(yīng)用［4］。基于模型的推理是基于反映事物內(nèi)部規(guī)律的模型進(jìn)行推理修改的方法，主要將所創(chuàng)建的數(shù)學(xué)模型與新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)要求相結(jié)合，對(duì)實(shí)例做出推理、判斷以及對(duì)其不斷修改完善。基于遺傳算法的修改是對(duì)實(shí)例庫中實(shí)例進(jìn)行遺傳操作，計(jì)算其適應(yīng)度函數(shù)和檢查約束，最終完成實(shí)例修改，得到符合設(shè)計(jì)要求的新實(shí)例。基于規(guī)則技術(shù)的應(yīng)用是利用積累的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)和實(shí)例調(diào)整規(guī)則，按照新的設(shè)計(jì)要求搜索實(shí)例庫，檢索出相似度較高的實(shí)例，從而找到修改策略［5］。作者主要研究的是數(shù)控機(jī)床方案設(shè)計(jì)中的實(shí)例檢索與修改。由于數(shù)控機(jī)床具有多層結(jié)構(gòu)特征，這使得獲取實(shí)例的規(guī)則與特征約束非常困難［6］。最近相鄰策略和遺傳算法相關(guān)知識(shí)非常適用于數(shù)控機(jī)床實(shí)例的檢索與修改，因此，作者將最近相鄰策略和遺傳算法分別應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床方案設(shè)計(jì)中的實(shí)例檢索和修改中。

1實(shí)例庫的創(chuàng)建

實(shí)例庫是用來存儲(chǔ)設(shè)計(jì)實(shí)例相關(guān)信息的一種組織結(jié)構(gòu)，它為實(shí)例推理系統(tǒng)在實(shí)例檢索、實(shí)例修改和實(shí)例保存等操作中提供充分的數(shù)據(jù)信息。由于數(shù)控機(jī)床具有多層次結(jié)構(gòu)，因此需要按照多級(jí)實(shí)例的層次特性，通過一定的規(guī)則表達(dá)實(shí)例特征并存儲(chǔ)，從而形成實(shí)例庫。數(shù)控機(jī)床的方案設(shè)計(jì)具有多樣性和復(fù)雜性，首先將方案分解成多層次結(jié)構(gòu)，然后根據(jù)各模塊的邏輯關(guān)系將分解的方案按照一定規(guī)則入庫。對(duì)數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)方案進(jìn)行多層次分解如圖1所示，然后經(jīng)過規(guī)則來表達(dá)數(shù)控機(jī)床的多層次系統(tǒng)信息，并將方案信息存儲(chǔ)到實(shí)例庫中。

2實(shí)例檢索

實(shí)例檢索是實(shí)例推理的關(guān)鍵步驟，它按照設(shè)計(jì)要求從實(shí)例庫中選擇出與目標(biāo)實(shí)例相似度較高的實(shí)例［7］。其中難點(diǎn)就是實(shí)例庫中的實(shí)例與目標(biāo)實(shí)例相似度的計(jì)算，相似度的準(zhǔn)確性直接決定了實(shí)例檢索的效果。(1)檢索實(shí)例特征信息。分析目標(biāo)實(shí)例的特征信息，根據(jù)目標(biāo)實(shí)例的特征信息，判定實(shí)例庫中是否存在所需實(shí)例，如果存在，計(jì)算該實(shí)例特征信息的相似度，如果不存在，需要重新分析目標(biāo)實(shí)例。(2)計(jì)算實(shí)例特征相似度。文中實(shí)例特征相似度的計(jì)算采用距離計(jì)算，這種方法計(jì)算簡單，方便可行。(3)確定最終實(shí)例。判定是否存在其他實(shí)例，如果存在，需要計(jì)算其相似度;如果不存在，則分析所有實(shí)例的相似度值，確定最高相似度值，實(shí)例檢索結(jié)束。

3基于遺傳算法的實(shí)例

修改遺傳算法是一種借鑒生物自然選擇的隨機(jī)搜索優(yōu)化算法，能夠有效利用當(dāng)前信息來推測下一代信息，經(jīng)過不斷優(yōu)化，求得問題的最優(yōu)解［9］。遺傳算法的主要步驟包括初始種群的確定、選擇算子、遺傳算子的設(shè)計(jì)以及適應(yīng)度函數(shù)的選取等。

3.1初始種群的確定

初始種群個(gè)體數(shù)目太多會(huì)使搜索時(shí)間長，數(shù)目太少不利于種群基因的搜索。為了保證初始種群的可行性和遺傳算法的高效性，在數(shù)控機(jī)床床身實(shí)例庫中選取7個(gè)相似實(shí)例。把初始種群中的個(gè)體實(shí)例的特征屬性作為遺傳算法中的染色體處理，其表達(dá)形式為:X=［xi(1)，xi(2)，．．．．．．，xi(7)］。染色體中每個(gè)基因與實(shí)例的特征屬性一一對(duì)應(yīng)，保證了計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

3.2選擇算子設(shè)計(jì)

選擇算子又稱再生算子，它建立在個(gè)體適應(yīng)度的基礎(chǔ)上。選擇算子設(shè)計(jì)方法有:(1)適應(yīng)度比例法［10］，又稱賭輪選擇法或蒙特卡羅選擇法，在此方法中，個(gè)體每次被選中概率正比于個(gè)體在種群中的相對(duì)適應(yīng)度。2)最佳個(gè)體保留方法［10］。它先按照賭輪選擇法執(zhí)行遺傳算法的選擇操作，然后將選擇出的適應(yīng)度較高個(gè)體留給下一代。根據(jù)適應(yīng)度值可保留父代種群的優(yōu)秀個(gè)體，用保留的優(yōu)秀個(gè)體替代子代個(gè)體中的最后較差個(gè)體。該方法的優(yōu)點(diǎn)是保證遺傳算法終止時(shí)能選擇出具有最高適應(yīng)度的個(gè)體。

3.3遺傳算子設(shè)計(jì)

為了得到更優(yōu)秀的后代，采用交叉算子和變異算子。交叉是指兩個(gè)個(gè)體按照一定的規(guī)則交換部分基因生成新的個(gè)體，變異是指個(gè)體編碼上的基因用其他等位基因進(jìn)行替換，從而產(chǎn)生新的個(gè)體。

4實(shí)例保存

實(shí)例修改完成之后，根據(jù)設(shè)計(jì)需求，把滿足要求的優(yōu)秀實(shí)例保存，并將這些優(yōu)秀實(shí)例及其特征屬性保存到數(shù)據(jù)庫中，同時(shí)把累計(jì)的經(jīng)驗(yàn)值和特征屬性對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)要求保留下來存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫中，它們都可作為方案設(shè)計(jì)的依據(jù)。在存儲(chǔ)數(shù)據(jù)庫時(shí)一定要注意分類存儲(chǔ)，防止后續(xù)調(diào)用的過程中不產(chǎn)生混亂。

5實(shí)例驗(yàn)證

以數(shù)控機(jī)床的床身為研究對(duì)象，取實(shí)例庫中存在的20個(gè)數(shù)控機(jī)床床身實(shí)例。

6結(jié)論

針對(duì)數(shù)控機(jī)床方案設(shè)計(jì)實(shí)例的復(fù)雜性，首先對(duì)方案進(jìn)行多層次分解并建立實(shí)例庫，然后采用距離法計(jì)算實(shí)例相似度，根據(jù)相似度的高低從已建的實(shí)例庫中搜索出相應(yīng)的實(shí)例，使設(shè)計(jì)問題能快速找到實(shí)例庫中的相似實(shí)例;其次，運(yùn)用遺傳算法對(duì)實(shí)例修改并保留優(yōu)秀個(gè)體實(shí)例，包括初始種群的選擇、選擇算子的設(shè)計(jì)、遺傳算子的設(shè)計(jì)等過程，完成優(yōu)秀個(gè)體實(shí)例的篩選;最后通過實(shí)例驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:該方法減少了相似實(shí)例的修改難度，提高了數(shù)控機(jī)床方案設(shè)計(jì)的效率，為產(chǎn)品的順利開發(fā)提供了有力保障。

作者：栗江1；張慧2 單位：1.廣州南洋理工職業(yè)學(xué)院機(jī)電工程系，2.寧夏職業(yè)技術(shù)學(xué)院工業(yè)工程學(xué)院