基于实例推理的水泵设计

摘 要：近些年来，随着我国综合国力与科学技术水平的不断提高，机械设计与制造技术亦取得了较大的进步。由于传统的设计方法不能完成全部的设计工作任务，因此研究基于实例推理的设计理论具有很大的现实意义。文章简要介绍了基于实例的推理与设计相关理论，阐述了实例检索理论的相关内容，重点分析了基于实例推理的水泵设计过程，对设计实例的改写与保存方法做了简要的说明。

关键词：实例推理；检索理论；水泵设计；改写保存

引言

根据机械产品不同的性能需求和物理约束条件，结合工程领域定的知识并参考创新性的要求来进行机械产品的设计，是一种崭新的设计理念。机械产品的设计方法主要有三种，即常规机械设计、创新机械设计和变型机械设计。常规机械设计是依据理论和经验的设计方法，而创新机械设计则是突破常规的理论与经验进行设计。变型机械设计方法的主体思想是在原有设计基础上，结合相关需求，对设计进行修改，其与上述两种从头至尾的设计方式相比具有明显的优越性，因此在机械设计中得到了普遍应用。水泵某些部分的结构复杂程度较高，运用传统基于规则与模型的设计方法进行水泵设计的工作难度很大，而使用基于实例推理的设计方法可以高质量地完成设计任务。因此，研究并发展基于实例推理的机械设计技术具有很大的现实意义。

1 基于实例的推理与设计相关理论

1.1 实例推理与设计的内涵

实例推理简称CBR（Case-based reasoning），是一种基于记忆进行推理的认知行为，其心理学基础为情景与记忆等相关理论。简单来说，就是依靠过去有记忆的实例指导新的设计，是一种具有类比性质的设计方法。实例推理的关键在于依靠过去的实例与相关经验，利用以往的相关数据进行推理与设计，如此便极大地减少了设计过程的工作量，提高了设计效率。

1.2 实例推理设计的过程

基于实例推理的设计方法的主要组成部分是实例库的组成、实例的检索、实例设计修正和存储，其设计过程较为简单，具体的过程为：（1）用关键字标记当前问题的主要特征；（2）在已有实例中检索符合条件的实例；（3）根据新需求，调整过去实例的设计方案；（4）判定其所提出的设计方案是否合格，若合格则将其引入实例库，若否则查找相关原因；（5）修改设计方案；（6）验证修改后的设计方案是否满足要求；（7）如合格，则将该实例存入设计实例库中，以备引用与查询。

2 实例检索理论

2.1 实例检索的定义

实例检索是基于实例推理设计过程中的重要组成部分。在设计中遇见相关问题时，依据检索信息在实例库中查找并选择与设计问题类似的实例的过程称为实例检索。实例检索是基于实例推理设计的重要影响因素，其直接关系到CBR设计过程效率的高低。通常来说，实例指派索引与检索是实例检索的两个重要过程。

2.2 指派索引与检索

指定特定的用于检索的设计需求信息被称为指派索引，其最终目的是为了获得接近设计要求的实例。通常情况下，判断索引实例的是否合格，需要考虑其设计推理的难易程度、是否全面体现实例特征、是否体现了实例的特殊要求和可修改性四个方面的因素。索引的实现方式主要是人机交互与编程。常用的索引方法包括基于清单和差异索引、基于解释方法的索引和引导学习法索引等。

检索是依靠实例索引在实例库中匹配选择几个相似实例的过程。其依靠实例索引和实例的具体组织结构进行相似实例的选择，最近邻检索、归纳检索与知识引导检索法是目前较为常用的检索方法。最近邻检索法的核心是在实例库中选择出与设计实例距离最近的实例；归纳法是对目标实例的特征进行总结归纳，将其作为索引的特征进行检索；知识导引检索的关键点在于依靠知识经验确定主要的索引特征进行检索。

3 水泵设计实例分析

3.1 水泵设计中的主要问题

水泵设计的主要内容是根据给定的流量、最大转速、最大扬程和效率等参数，并且结合特定的工作条件要求确定水泵的未知几何参数。在实际设计过程中，可以通过理论计算得出部分设计数据，但是无法得出全部数据，其他参数需要相关设计人员结合设计经验进行确定。因此，设计人员采用基于实例的设计方法，即基于以往的设计实例进行水泵的设计工作，具有很大的现实意义。

3.2 水泵设计实例分析

根据水泵的流量、最大转速、最大扬程和效率等基本参数，结合水泵的性能曲线，计算水泵设计中的重要数据，如叶轮尺寸、轴功率和比转数等。由于篇幅有限，文章以叶轮出口直径的设计为例进行分析，表1给出了不同实例与设计目标的主要参数。

表1 设计目标与实例的主要参数

（1）确定语义距离值

（2）根据模糊相识优先比矩阵进行排序

（3）设计结果

根据（2）步骤中的方法对水泵的其他参数进行分析，可以得到出口直接的相似程度排序为T2={A3 A1 A3}，效率的相似程度排序为T3={A1 A2 A3}，比转数的相似程度排序为T4={A1 A3 A2}。

综上可知，A1的相关数据与目标设计条件的相似程度最高，应该基于A1的相关数据指导进行水泵的设计工作。

4 设计实例的改写与保存方法

设计实例的改写是基于实例推理设计工作中的重要环节。改写的一般步骤为：评价目标实例与检索实例的不同点；根据设计目标确定具体的差异变量与元素；根据相关要求修改此类变量与元素；评价改写的最终结果，若不合格重复上述过程至合格为止。得出符合条件的实例后必须进行保存操作，实际情况中合格实例的保存有三种情况：替换新实例保存、不替换与旧实例并列保存、新实例与原来旧实例进行合并后保存。

5 结束语

利用基于实例推理的设计方法进行水泵的设计，可以得出依数值计算无法得出的参数数值，为设计工作开辟了一条崭新的道路。依据以往具体的设计实例来解决水泵设计过程中遇到的问题，可以明显提高设计工作者的设计效率。实例的检索是基于实例推理设计工作中的重要组成部分，最近邻检索法、归纳检索法和知识引导检索法是三种较为常用的检索方法。实例的改写亦是基于实例推理设计中的一项重要工作，其中可能涉及到重复改写的过程。实例的保存工作的目的是便于后期的实例查找。基于实例推理设计方法的计算过程工作量较大，其过程也有一定的繁琐性，仍然需要在今后的实践中不断改进。

参考文献

[1]张斌.基于实例推理的产品再设计策略研究[D].武汉：武汉科技大学，2004：15-27.

[2]杜伟明.基于实例推理的齿轮减速机三维CAD设计系统设计与实现[D].四川：电子科技大学，2012：23-48.