人工智能产品配置方法研究

人工智能产品配置方法研究

0产品配置方法现在，市场用户的需求是多样化和个性化的，因此，公司希望根据巨大的生产成本和交货日期提供定制产品。企业生产在很大程度上面向用户定单需求进行,许多企业开始采用模块化设计方法和大批量定制的生产模式。这种模式先设计和制造好大量的产品构件模块,然后根据用户需要,选出其中一些模块,通过配置生成满足用户需求的产品。大批量定制生产需要灵活的配置生成方法提供强有力支持。由于用户需求及配置约束的复杂性,使得产品配置方案的生成是一个非常复杂的过程,对配置人员的要求非常高。配置生成的方便性、智能化是产品配置方法研究的主要内容。CON是Digital公司开发的一个基于规则的配置系统,用于验证用户订单的技术正确性,并指导订单的实际装配,但它在系统的可维护性上有严重不足。Lavency针对软件产品提出了基于知识的配置管理思想,用于解决不同软件的兼容性问题。美国密西根大学的Kota提出了产品变量配置设计的通用方法,将该方法应用于一个水力系统的配置设计。Hiroya提出了一个产品配置框架,该框架集成基于CBR的约束满足问题求解器,并将配置框架应用到某在线销售系统。Paul研制了基于Web的配置约束管理系统Pconfig,用于管理计算机产品的复杂配置需求。Alexander指出产品配置系统面临着知识库不断增长的复杂性问题。有效的知识获取方法有助于配置知识库的建构,Surya提出了配置领域的知识获取方法:Expect方法。由于实际配置问题的复杂性,配置知识库建模和维护困难,配置求解过程复杂,从而使配置系统难于实现。基于目前国内外对产品配置的研究,提出了基于产品模型的智能化配置框架,将配置规则和约束与特定产品模型相关,这样不同模型的配置知识具有独立性,降低了配置知识库的复杂度。1基于产品模型的产品配置过程1.1零部件排列行为“配置管理”一词的英文“Configurationman-agement”含义是“Theactofmanagingthearrangementofpartsofaproduct”,表示管理产品中零部件排列的行为。将产品内部的所有零部件按照数量、性质及相互关系编组,称为产品配置。产品配置的相关对象包括零部件、零部件版本以及构件。(1)零部件的属性分析零部件是产品配置管理中最重要的对象之一,是进行配置管理的基础。零部件作为一个对象有自己的属性集,这些属性描述了零部件的不同方面,如工程几何属性、供应商、价格、体积和重量等,其中比较重要的两类属性是装配接口和功能接口属性。(2)多部件版本设计在产品设计过程中为了充分考虑零部件的加工条件和用户需求的不同,往往会同时设计多个零部件版本。同一零部件的多个版本具有相同的装配接口和功能接口属性,亦即就可装配性和功能有效性而言,不同版本具有互换性。版本是零部件的实例化。零部件版本也有自己的属性集,这些属性描述版本的有效性、状态等。(3)关系的一个零部件构件是零部件的抽象,它代表了具有相似形状、功能和装配关系的一个零部件系列。这些零部件具有相同或者相似的功能。构件具有一组接口和功能参数,但并没有具体取值。构件的实例化是零部件,实例化时通过限定参数取值确定构件实例。1.2“发动机”的功能文中用产品模型来表示产品的功能结构,模型中的节点用构件表示。构件表示产品的某个功能单元,如汽车产品要求具有动力驱动的功能特性,在汽车设计中,用“发动机”来代表这个功能要求。“发动机”就是一个构件,表示产品中完成动力驱动的部分。产品模型是配置的基础,它包含了多种可能的配置。产品模型代表了具有相似结构和功能的一系列产品的集合,可以在新产品开发时建立,也可以通过对企业现有产品系列进行归纳整理从而建立模型。产品模型并不是一成不变的,在企业实际生产过程中可以不断对模型进行修正,使之更完善。建立企业产品模型,使得设计人员更容易开发出一系列个性化产品,而且为产品配置过程奠定了基础。1.2.1在产品模型中，结构因素之间的关系分析设计者将产品分解成一系列构件,构件再分解为下级构件,这样就形成了产品模型的装配层次关系。构件关系可分为装配数量关系和装配约束关系。(1)构件的装配关系装配数量关系表明相关的两个构件在数量上的搭配。有3种基本的数量关系:1:1、1:N、N:M。1:1表示某构件的1个实例与另一构件的1个实例相关;1:N表示一个构件的实例可以和另一构件的多个实例装配在一起;同理,N:M表示一个构件的多个实例与另一构件的多个实例之间存在装配关系。产品模型中虚线表示选装件,若装配数量为0则表示不选装。选装件是否选装一方面取决于用户对产品的功能要求,另一方面则由模型中其他相关构件的实例化取值来决定。(2)物理及功能约束构件之间的装配约束关系分为物理约束和功能约束。物理约束一方面指构件几何拓扑方面的要求,这可以通过一些CAD系统进行验证,另一方面是指构件之间的物理装配接口规则。功能约束主要指构件之间的功能接口规则。这里主要讨论物理及功能接口规则。构件之间接口规则定义了构件之间的连接条件,即如何实现构件之间的衔接。装配接口一般通过接口参数来对两个装配在一起的构件进行限定。例如:有C1和C2两个构件,分别具有接口参数a1及a2,二者的装配约束关系可表示为1.2.2广义产品模型如前所述,产品模型代表了一类产品的产品结构,其每个节点都是构件。如果产品模型的某些构件节点已经实例化为零部件,也就是说该构件的功能确定由某零部件来完成,故将部分实例化的产品模型称为广义产品模型。这时产品模型节点既有构件,也有零部件。1.3零件的实例化产品配置的生成过程实质上就是产品模型的具体化、实例化过程。从产品模型到具体配置需要经过以下步骤。(1)确定选装件是否选择产品模型中一般定义有选装构件,在生成产品配置时应该根据用户的功能需求以及模型中构件之间的配置约束关系确定是否选装。(2)模型构件的实例化将构件实例化为零部件。实例化的依据是用户的配置需求以及产品配置规则。实例化过程只针对模型树上的叶子节点构件,由于中间节点构件由叶子节点装配而成,因此当叶子节点实例化完成以后,中间节点(包括根节点)也随之实例化。(3)零部件的实例化将模型中的零部件具体化为零部件版本,因为只有具体版本才是可用于制造的具体对象。实例化的依据是用户需求以及企业制定的版本有效性规则。(4)产品配置验证企业中每个产品都存在一些配置约束,产品配置完成以后,必须进行验证,确保配置结果的完整性和一致性。另外,用户的某些需求也可能存在潜在矛盾之处,都需要检验配置结果的正确性。2基于产品模型的智能配置结构2.1可行性解的生成产品配置的生成过程实质上是一个基于产品模型的配置约束求解的过程,随着用户需求条件的不同,可行解可能不是唯一的。产品配置的目标就是找出满足约束条件的可行解。配置求解模型主要涉及两个方面。(1)用户配置条件设定企业产品模型确定以后,可以针对该模型定义一些产品特征变量,以此作为用户的输入配置条件。例如对于轿车可以定义诸如最高时速、耗油量/公里、总价格等配置变量。(2)构件cii方面的问题产品配置过程的约束条件主要包括:①模型构件实例化的取值范围。显然,构件实例化需要零部件库的支持。②构件的装配约束。③变量配置规则。④零部件版本的有效性规则。假定某产品有m个特征配置变量,记为x=[x1,x2,…,xm]T;产品模型中存在n个独立构件(独立构件指模型中叶子节点,包括选装构件),记为C=[C1,C2,…,Cn]T;构件Ci(i=1,…,n)实例化取值范围为零部件集合{pi,1,pi,2,…,pi,ti},ti是第i个构件所对应零部件集合的元素个数。配置结果中Ci的取值为某一满足用户需求条件和有效性规则的零部件版本。另外用Q=[Q1,Q2,…,Qn]T表示每个构件实例的装配数量,若Qi=0则表示该构件为选装件,且不选装。假定变量配置规则集为Rcon{r1,r2,…,rs};装配约束规则集为Rc{r1,r2,…,rt};版本有效性约束规则集为Reff{r1,r2,…,ru},其中s、t、u为规则数量。基于上述假定,产品配置问题的求解模型如下目标变量记为产品配置过程可表示为x、M、Bck、P的函数如下式中f——配置求解过程2.2明确的验证依据由第1.3节中的配置过程得知,配置生成的关键在于构件、零部件的实例化过程,这个过程需要一定的经验和规则支持;在产品配置生成的过程中也需要对结果的正确性进行验证,而验证的依据是产品配置规则和约束。对于一个普通用户或配置人员来说,他不太可能了解产品的所有方面以至于能够确定产品中某个零件具体是什么型号,尤其对于如汽车这样具有非常复杂装配结构的产品更是如此。另外,第2.1节的产品配置求解模型表明,配置过程是一个在给定输入条件下基于配置知识库的推理求解过程。图1为基于产品模型的智能配置框架,该框架以产品模型为基础,在配置知识库和零部件库的支持下,通过知识推理与求解过程得出满足需求的配置方案。3基于产品模型的产品库3.1配置知识社会需要规则构建目前经常使用的知识表示方法有四种:产生式规则、谓词逻辑、语义网络以及框架。配置规则和装配约束是最主要的配置知识。文中的配置知识库主要采用规则来构建,这是基于产生式规则的如下特点:①有效表达过程性知识。规则提供的“if-then”型的表达方式恰好表达了一个过程的操作,因此过程性知识用规则表示非常方便。②用产生式规则构造知识库便于知识获取,而且易于理解。③规则的独立性。知识库中每一条规则为一个基本的知识单元,彼此独立,从而使知识库易于修改和更新。3.2配置特征集和变量集在以产品模型为基础,基于知识的配置过程中,用户以何种方式输入其个性化需求或配置条件显得非常重要。由于用户的需求千差万别,因此必须将配置条件规范化、参数化,便于在产品配置求解过程中被求解器所识别。一般来说,每个产品都会具有很多关键特征,例如轿车产品的颜色、耗油量/公里、最高时速以及价格等等。特征是某产品区别于其他产品的重要标志。产品特征组合在一起构成特征集,用户可以通过特征集来识别不同产品。产品特征集描述如下式中m——产品特征数量用户在配置之前,可以根据产品的特征集提交配置需求,即设定特征的取值。为便于进行配置推导运算,根据特征集导出一组配置变量,构成配置变量集,描述如下式中n——配置变量个数特征与配置变量是一种多对多的关系,有可能某个特征用几个变量来描述,也可能某个变量同时与多个特征有关,它们的关系如图2所示。用户根据产品特征集输入一组特征作为配置条件,然后智能配置系统自动映射为一组配置变量。这样用户需求体现为一系列配置变量的取值,从而将配置需求形式化。3.3产品配置规则配置规则表达产品模型中各功能构件、零部件以及零部件版本之间的存在性约束,通过限制产品配置过程中构件、零部件以及版本的选择和组合来确保产品配置的正确性。配置规则的定义实际上是对产品信息和产品知识的获取、加工和抽象。产品配置规则分为如下几种类型。3.3.1第4类:gaolge由第3.2节可知,用户需求最终可映射为一组配置变量的取值,在配置产品时根据配置变量的取值来实例化产品模型中的构件,而对象实例化的依据就是变量配置规则。发动机是汽车产品模型的基本构件模块。假定有“Gasoline”和“Diesel”两种可供选择的发动机型号,并定义一个配置变量:“最高时速”。相应的变量配置规则如下。如果“最高时速”>160km/h那么“发动机”=“Gasoline”当用户要求的“最高时速”为180km/h时,则根据规则自动将“发动机”构件实例化为“Gasoline”。在变量配置规则的运算中可以采用多种逻辑运算法则,例如:“=”、“<”、“>”、“<>”、“LIKE”、“AND”、“OR”等等,并且可以综合多种逻辑运算。配置变量既可以是字符型,也可以为数字、日期、逻辑等类型。3.3.2零件约束关系在一个复杂产品中,由于零部件种类繁多,零部件之间存在较复杂的装配关系,这些关系需要装配约束规则来表达。装配约束可分为两个层次,一是零部件层次,该层次的规则表达了具体两个零部件的组合与互斥关系。其二是装配及功能接口参数层次,该层次并未说明具体零部件的约束关系,而是通过限定相关构件实例的接口参数取值来表达零部件之间的约束。如果模型构件Ci和Cj之间存在关联关系,则零部件层次的装配约束关系如下。(1)组合关系如果Ci=pi则Cj=pj,表示pi、pj这两个零部件的组合关系。其中Ci、Cj表示构件,pi、pj表示零部件。(2)互斥关系如果Ci=pi则Cj≠pj,表示pi、pj这两个零部件的互斥关系。(3)数量关系如果Q(Ci)=p则Q(Cj)=q,其中Q(Ci)、Q(Cj)表示构件Ci和Cj的装配数量,p、q≥0,当p、q为0时表示Ci或Cj为可选构件,且配置时不选装。接口参数层次的装配约束表达如下如果F(Ci.ati)则G(Cj.αtj)式中F,G——条件判别表达式α——接口参数3.3.3版本选择的依据产品模型构件全部实例化为零部件以后,产品配置过程还没有全部完成,零部件需要进一步实例化为版本才可用于生产装配。由于零部件大都具有多个版本,这样就存在一个版本的选择问题。版本选择的依据是有效性规则。有效性规则可分为时间有效性、制造地点有效性及批次有效性。对于每个零部件应该为其定义一些有效性属性例如制造地点、有效时间段以及有效的批次。在配置时,系统根据配置变量的取值来确定零部件的哪一个版本为有效。有效性作为零部件版本的一个属性,描述了版本的有效范围。有效性有着广泛的应用,通过它可以确定具体版本是否用于某次生产(即有效)。为不同的版本设置有效性规则便于在实际配置过程中得到正确的配置。在一个配置生成过程中允许对一个对象同时实施多个有效性规则。3.4求解复杂度的问题配置知识库是智能化产品配置过程的基础。知识库建模的基本要求是:能够有效地、准确地表达特定领域的各种知识;能够与相应的推理机密切配合,方便知识的演绎;便于管理、解释以及维护。基于模型的配置知识库的主要特征是配置规则和约束均与特定产品配置模型相关,这样降低了知识库的复杂度,更容易推理求解。产品配置知识库的构建过程如图3所示,具体步骤如下。(1)根据产品的装配结构以及功能模块建立产品模型,确定必选构件和选装构件,并使构件与零部件库中的零部件实例建立关系。(2)根据用户需求以及产品功能建立产品特征集{f1,f2,f3…,fn},然后映射为一组配置参数变量。(3)根据模型构件之间的接口关系建立构件兼容性及装配约束规则集Rc,用来保证构件实例化为零部件之后能够满足几何和功能上的兼容性及可装配性要求。(4)根据零部件库中具体零部件版本的适用范围建立有效性规则集Reff。(5)根据用户需求及产品特征建立变量配置规则集。(6)将多种配置规则合成,构成配置知识库。在合成过程中,应检验多个规则集的一致性。配置知识库建立以后,它并不是静止不变的。市场需求的不断变化迫使企业不断开发新产品来满足用户的需要,随着产品的不断改进完善,配置知识库也将逐步得到修正与更新。3.5用户配置作出匹配结果的前提c知识库构建完成以后,就可将其用于产品的配置求解,求解推理过程如图4所示,图中采用正向推理求解方法。在正向推理中,用户首先提供一批事实亦即配置条件,并将其放入初始事实库中,正向推理将这些事实与规则的前提条件进行匹配,把匹配成功规则的结论作为新事实加入事实库,并继续上述过程,将更新的事实库中的所有事实再与规则相匹配,直到没有可匹配的规则为止。如果同一目标变量在推理过程中被赋予了不同的值,则配置过程应该终止,交由用户处理,这是由于用户配置条件出现矛盾,从而不存在满足用户需求的配置方案。配置过程中,可能限于配置知识库的完善程度,有时需要进行人工交互,以确定模型中各构件的选择。4零件配置interpersonal可配置产品模型是建立产品智能配置系统的基础。产品模型不但表达了产品的装配拓扑结构,而且定义了构件选择约束及实例化规则等配置知识。如图5所示为某系列汽车的产品配置模型示意图,由于汽车产品非常复杂,为说明问题图中仅列出了少数几种构件,包括发动机、传动系统、车身框架以及音响等,其中音响构件可由子构件收