基于CATIA的飞机结构设计知识模板库建设研究

【摘要】知识工程模板库，集合知识工程理论并与具体软件工具相结合，使典型结构的设计过程简单化、规范化、标准化，可以大幅提升飞机结构设计效率。本文阐述了基于CATIA V5知识工程技术，进行飞机结构设计知识模板库建设的方法，同时结合实践对知识模板库建设的过程进行了优化设计。

【关键词】CATIA 知识工程；模板；飞机；结构设计

0.前言

随着国内航空制造业的飞速发展，企业对研发周期要求越来越短，对设计质量和效率要求越来越高。三维设计的环境下，如何更进一步提升设计效率，成为众多企业不得不面临的一个课题。CATIA V5的知识工程功能，使得企业可以将自己的智能资源以知识模板的方式，快速重用于新的设计，从而大幅提升设计效率，并提高设计质量。笔者所在单位，就是这一技术应用的受益者。通过笔者所在部门多位同事的共同努力，企业结构设计知识模板库成为提升结构设计效率的有力保障。

1.与知识工程有关的概念

1.1知识工程概念

知识工程(knowledge engineering, KE)的概念和技术由美国斯坦福大学计算机科学系费根鲍姆(FE IGENBAUM E A)教授于1977年第五届国际人工智能联合大会上第一次提出。它是以知识本身为处理对象,研究如何使用人工智能的原理和方法来设计、构造和维护知识型系统的一门学科。

1.2 CAITA V5 知识工程的实质

CATIA V5知识工程是将一些诸如经验公式、分析算法、优化计算、条件控制等智能知识打包到一个盒子中，只留出几个条件输入参数接口。设计人员在进行设计时，不需要关心盒子中到底有哪些内容，而只需要知道目标模型所属的类型及确定目标模型具体细节的关键几个输入参数即可。调用模型时，通过输入参数，调用打包在模型内部的一系列计算公式及判断条件，自动进行一系列的内部运算与调整，快速生成符合用户设想的几何模型。这是CATIA V5知识工程的实质。

知识库中的模型在创建过程中所包含的智能信息，通过参数、公式、反应、检查、规则等知识工程对象进行表达，各种对象组合应用，构成了知识库中智能知识的主体内容。这部分被打包的智能知识，在创建知识库时可以设定为用户可见与用户不可见。作为不可见的对象，对企业智能资产是一种很好的保护策略。

这种简单的类似于面向对象的操作，使得设计人员在设计时不需要关心建模的具体过程，而将更大的精力投入到真正的设计及创新中。

1.3 应用益处

CATIA V5通过一系列知识工程模块，为用户提供了方便易用的知识工程环境，从而可以创建、访问及应用企业的知识库，在保存企业知识的同时，充分利用这些宝贵经验。大量成功的应用案例表明，CATIA V5知识工程的应用至少可以为企业带来以下几方面的效益：

①通过大量包含历史经验的组件征用，可以大幅减少设计重复，缩短设计周期，降低错误率。

②知识库的创建过程中，已经将制造知识集成于设计模型中，从而可以优化设计，减少后期因为工艺问题带来的设计更改。

③知识库创建的过程也是企业标准化的过程，通过知识工程的实施，促进了企业的标准化，从而有利减少库存，提升设计质量，统一设计风格。

④知识库将企业以往的设计经验、参数等智能资产总结打包，可以最大幅度地降低人员流动带来的冲击，有利于新人的培训与快速成长，同时有利于企业技术知识的保密。

2.知识模板库内容规划原则

2.1内容的选取原则

根据飞机结构设计过程中的各类零件相对于历史参照件的差异特性，总结出下表所示的知识模板库内容选取原则。

依据上表所述划分原则，将其中第二、三类零件纳入到知识工程模板库的建设内容中。以下所列内容均包括在此列：型材、系统支架、翼肋、接头、剪切角片、Z型框缘对接条带、下陷、缺口等。

2.2模板的类别划分

根据设计模板所应用的零件及产品级别不同，将设计模板进行了三级划分，分别是：

①特征模板：对零件中某一处的特征进行抽象、优化、封装表达，暴露出此特征创建的输入元素，从而可以快速创建用于自定义的“特征”。

②零件模板：对某类零件进行抽象、优化、封装表达，暴露出该零件具体实例化时所需要的引用元素或参数，从而可以快速生成新的零件对象。

③装配模板：对某典型机构的装配结构进行抽象、优化、封装表达，从而可以通过简单的输入元素变换，实现整个机构的快速建模。

2.3内容-类别矩阵

综合考虑模板的内容与类别，形成以下的矩阵，用于指导实际的建库工作（示例）。

3.知识模板库的建设过程

知识模板库的建设是一项复杂的工作，其不仅涉及到内容规划、模板组织架构设计、内容建设等重要工作，由于其作为模板的特殊性，给产品质量提出了更高的要求。因此，能够充分考虑各方面影响因素，并将质量保证策略贯穿其中的建设过程，对于建设工作的成功至关重要。

实践证明，在做知识工程方案规划时，应当遵循以下步骤。

(1)梳理企业的设计操作流程，分析出若干关键结点，整理出《企业设计操作关键节点示意图》。

(2)对《企业设计操作关键节点示意图》中分析出的关键结点做进一步分析，哪些结点可以通过宏命令代替，哪些结点可以通过对标准模型的修改实现，整理出《企业设计关键操作分析对照表》。

(3)对《企业设计关键操作分析对照表》中的可以通过宏命令代替的操作列入二次开发规划，将可以通过标准模型修改实现的操作列入知识工程的开发计划，整理出《企业知识工程及二次开发功能需求清单》。

(4)根据列入《企业知识工程及二次开发功能需求清单》知识工程部分的操作类型及数量等因素，制定知识库的管理、调用方案，形成《企业知识库管理方案》。

(5)制定建模标准、参数命名规范、规则的注释说明要求、CATIA环境设置要求、知识库中元素的表达方式要求、建模自检表等知识库创建规范，整理出《企业知识工程建库操作指导手册》（含标准示例文件）。