１绪论（Ｉ）美国华盛ｉ顷大学的机械工程专家ＤａｌｅＥ．Ｃａｌｋｉｎｓ教授坚持认为：ＫＢＥ是一种设计方法学，并将与下一代新的ＣＡＤ技术紧密结合。它是一种使用启发式的设计规则，涵盖构件、装配和系统的开发方法。（２）上交大模具计算机辅助设计国家工程研究中心认为：基于知识工程是通过知识驱动和繁衍，对工程问题和任务提供最佳解决方案的计算机集成处理技术１５１。也就是说，ＫＢＥ给设计经验不足者导引，并以最大限度减少繁重的、复杂的重复性设计工作，同时，综合利用各种设计方法和技术理论，在已存有的大量的知识与经验的基础上，通过知识获取与表达、知识推理与重用，为解决机械领域、建筑领域等问题，提供必要的优化方案的计算机处理技术。基于知识的工程已成为当前国内、外系统领域研究的热点，英［］Ｃｏｖｅｎｔｒｙ大学、Ｃｒａｎｆｉｅｌｄ大学以及美国华盛顿大学机械工程系等都在开展有关基于知识的工程应用工具的研究。目前已开发的ＫＢＥ应用工具有很多，如Ｃａｍｓｏｆｔ的ＤＣＬＡＳＳ和ＮＡＳＡ的ＣＬＩＰＳ以及ＨａｌｅｙＥｎｔｅｒｐｒｉｓｅ的ＥＣＬＯＰＳＥ等，特别是Ｔｃｃｈｎｏｓｏｆｔ的ＡＭＬ、Ｃｏｎｅｅｎｔｒａ的ＩＣＡＤ等，它们可把几何拓扑图形与结构拓扑模型的相关规则知识进行结合，方便用于基于知识工程系统的开发。在１９８４年，在中国第五代计算机专家讨论会上，史忠植教授提出：“知识工程是研究知识信息处理的学科，提供开发智能系统的技术，是人工智能、数据库技术、数理逻辑和认知科学、心理学等多学科交叉发展的结果”１６Ｊ。从此，知识工程作为以知识为研究对象的新兴学科，将具体的智能系统研究中的那些共同的基本问题集中起来，并作为知识工程的核心内容，使之成为指导具体研制各类智能系统的一般方法和基本工具。期间，华东理工大学、长春工业大学和上海交通大学以及同济大学分别就汽车模具设计、车门设计和齿轮设计等多个特定领域的基于知识的工程系统应用进行了研究与开发。如同济大学研究了基于ＵＧ平台开发的齿轮工程向导（Ｇｅａｒ计向导（ＤｏｏｒＷｉｚａｒｄ）系统【７１。最后，随着人工智能技术的发展而不断发展的的基于知识的工程，在促进计算机辅助设计的自动化和实用化方面与提高产品设计质量有着十分重要的指导意义与应用价值【８Ｊ。ＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＷｉｚａｒｄ）系统和汽车车门设随着传统设计活动的延伸与发展和设计经验的积累，现代产品设计是一种逐步发展起来的设计理念，并经历了直觉设计阶段、经验设计阶段、半理论半经验阶段等多个阶段。随着产品复杂性的提高，产品的设计逐渐走向层次化、社会化３１绪论和系统化。信息技术的快速发展使得产品设计进一步成为一种跨领域、跨区域的分布式的复杂性的系统工作。随着现代产品日益增长的个性化需求和不断加快的更新换代速度，各种产品设计技术都得到了快速的发展，未来的设计技术也将朝着模块化、数字化、智能化、绿色设计、网络协同等多个方向发展。产品设计是从需求出发，寻求最优设计解的一系列活动过程，它具有复杂性、创造性和不确定性等特点。研究解决产品设计问题的一般理论就是各种设计方法学。产品设计理论就是一门研究产品设计的科学，它涉及产品的设计目标、设计过程、可用资源、设计者、领域知识等多个方面。目前，生命周期设计、可靠性设计、稳健设计、创新设计、反馈设计、优化设计、并行设计、有限元设计、绿色设计、机电一体化设计技术方法是当今二十一世纪最流行的现代产品设计方法。现代设计理论与方法是指不同予强度、刚度等传统设计理论的新兴的设计理论与方法，特别是利用计算机进行优化分析、辅助设计和可靠性计算等的设计理论与方法。其中，计算机辅助设计通过使用计算机内部处理算法，进行工程和产品的辅助性设计工作，计算机则承担着信息存储和绘图等重要工作。通过计算机对不同的方案进行大量论证、分析与比较，并结合优化设计决定最优方案，保证能够快速的检索与输出【９Ｊ。综合已有的大量设计相关方面文献，现代设计方法的研究可以为划分以下三大主题：（１）关于设计本质的研究。也就是对人类设计所做活动的认知模型的深层次的研究。这些研究相对侧重于从认知学与哲学的角度来探讨人类的设计活动的本质，其中所使用的方法主要包括受控试验（ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ）、实例研究（ｃａｓｅｓｔｕｄｉｅｓ）和协议研究（ｐｒｏｔｏｃｏｌｓｔｕｄｉｅｓ）等。如何找到对试验数据的客观分析标准是该研究的难点所在，而试验本身的客观性则由于过多的不确定因素，而存在很多困难。（２）关于设计过程的研究。英国Ｃｒｏｓｓ将这些模型分为规定型（ＰｒｅｓｃｒｉｐｔｉｖｅＭｏｄｅｌｓ，ＰＭ）与描述型（ＤｅｓｃｒｉｐｔｉｖｅＭｏｄｅｌｓ，ＤＭ）两大类。描述类过程模型，是通过简单表示在设计过程中产生的特定活动序列，进一步强调其设计问题相关求解方法的重要性，也就是说在设计过程中思维方法，既需要有面向解的一方面，又要同时关注设计者在设计过程中的动作。自八十年代以来，又相继出现了较丰富的计算模型，而计算模型为计算机系统实现设计过程自动化提供了具体方法，同时，为支持ＣＡＤ系统开发和对产品设计理论与方法学的研究，要充分利用先进的计算技术和人工智能技术。４１绪论规定型过程模型则是要制定出有关设计过程中所有必须的活动，以便于使设计活动程序化、规范化和科学化。例如，公理化设计（ＡｘｉｏｍａｔｉｃＤｅｓｉｇｎ，ＡＤ）、Ｋｏｌｌｅｒ的四阶段进程、通用设计理论（Ｇｅｎｅｒａｌ提出的综合模型等。（３）设计理论的研究。关于具体实现方法的深入研究，主要包括设计服务的相关基本理论与技术（如系统设计、功能设计、产品数据交换、产品建模、人工智能理论和仿真技术等）和设计手段与工具（如基于实例的设计、田口设计法、参数化设计、模块化设计、仿生设计、反馈设计、可靠性性设计和计算机辅助设计等）。ＤｅｓｉｇｎＴｈｅｏｒｙ，ＧＤＴ）、Ｐａｈｌ和Ｂｅｉｔｚ１．４论文的研究意义及研究内容随着现代工业技术的飞速发展，工业生产相关部门在国民经济和国防建设方面的发挥的作用越来越大，而起重机械在工业生产中在解放劳动力和提高劳动效率方面有着不可替代的作用，被广泛应用于水利、化工、船舶、建筑等各行各业，使生产过程实现极大程度的机械化和自动化。在起重机的设计方面，应更多地采用可靠性设计、稳健设计、创新设计、反馈设计、优化设计、并行设计、有限元设计、绿色设计、智能机器人等先进设计方法与制造技术，不断地减少产品设计所费周期。但急需解决的是企业大量已有图纸和大量的设计知识资源得不到充分的利用，不能将零散的档案资料集中起来等问题。因此，需要开发基于知识工程技术的起重机计算机辅助设计系统，用以减少繁重的、大量的、重复性的设计任务，同时降低设计的失误率，并设计优化参数提供设计方案。本课题就是研究基于知识工程的起重机计算机辅助设计系统的设计与开发来解决上述问题。预期目标就是利用庞大的规则知识库和实例知识库中存储的大量设计经验、方法、标准、法规、推荐参数和实例等知识，通过ＣＡＤ／ＣＡＥ技术、人工智能技术、知识表示技术、数据交换技术和数据库管理技术等模仿领域专家进行桥式起重机设计。系统可以根据输入起重机械的运行状态和选择的前提条件，指导并帮助设计人员完成桥式起重机桥架设计，力求得到符合要求的设计成果，从而提高基于知识工程的桥式起重机桥架系统的设计效率和质量。同时，系统还可以对总体设计结果进行性能评估。当最终评估结果满足设计要求时，生成最终设计方案并更新实例库，为后续的产品设计积累知识和经验，以待进一步完善系统设计。５２基于模块化的桥架设计过程分析２基于模块化的桥架设计过程分析随着现代工业的发展，起重机械在机械、电力、国防等重大工业部门中的应用越来越广泛。起重机械在生产过程中起了重大作用，而且在批量生产方面和流水作业中，己成为非常重要的组成部分。如今，起重机械已成为实现机械自动化，提高劳动生产率，极大程度减轻体力劳动的重要工具。根据国民经济各部门的工程要求，设计而且有能力制造出大起重量、多种类、性能好、寿命较长的起重机，成为未来起重机械进一步发展的重中之重。为此，本文在总结起重机设计手册、起重机设计规范等其他重要起重设计资料的基础上，认真总结了起重机设计相关知识，为系统的开发提供了积极提供了较为成熟和完整的技术资料。其中，模块化设计知识是知识工程的重要体现之一。２．１基于功能与结构的桥架模块划分２．１．１技术理论二十世纪初，模块化设计原理与方法最早是在欧洲被提出。首先，最早按模块化原理设计的产品是在德国的某一家具公司诞生的。随后，模块化设计原理和方法就在众多领域中得到广泛的应用，在机床生产领域的应用层次较深。直至２０世纪中期，人们才正式给出模块化设计的概念，其定义为：模块化设计是基于对一定范围内的不同功能的产品或相同功能、不同性能和规格的产品进行功能分析，并设计和划分出一系列的功能模块，再通过模块的选择与组合来构成不同的产品，以满足市场的不同需求的一种设计方法【Ｉｏｌ。模块同时也是系统中结构独立的，相互之间存在定义良好的标准接口，并具有某些特定功能的零件、部件或组件。按照特定领域模块化设计的特点，可将其分为基本的模块部分（也就是说系统实现主要功能的部分）、辅助的模块部分（也就是说封装基本的模块部分，并能保证系统能正常实现所有功能的模块部分）和可选的模块部分（也就是说可根据客户需求灵活调整的模块部分）。在这些模块部分的组合下，系统可完成在特定领域范围内的多种不同功能或同功能不同性能的产品设计。模块化设计，是将结构复杂和功能复杂的产品分解为易于重用结构或者易于重用功能的模块或者构件。模块化设计能够实现的产品设计有很多种，例如起重机械、乘用车、医疗器械等。模块化设计同时也是双赢设计，既能实现零、部件６