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《工程設(shè)計(jì)學(xué)報(bào)》2014年第四期
1關(guān)鍵技術(shù)
CBR方法的關(guān)鍵技術(shù)包括事例表示、事例檢索和事例修改等．
1.1事例表示事例的表示是事例推理系統(tǒng)的基礎(chǔ)，事例檢索、修改的效率與事例的表達(dá)方式很有關(guān)聯(lián)．本文采用面向?qū)ο蟮氖吕磉_(dá)方法．
1.1.1事例的對象模型由屬性和方法組成的傳統(tǒng)對象模型很難表達(dá)設(shè)計(jì)對象之間的約束關(guān)系和設(shè)計(jì)知識，需要采用擴(kuò)展對象模型。式中：id為對象模型實(shí)例的唯一標(biāo)識；A為屬性集合；M為方法集合；R為關(guān)系對象集合，用于表達(dá)設(shè)計(jì)方案與部件之間的構(gòu)成關(guān)系；C為約束對象集合，用于表達(dá)對象的屬性之間的約束關(guān)系．要完整地表達(dá)事例，同時(shí)也為了便于檢索和修改事例，還需要在擴(kuò)展對象模型的基礎(chǔ)上增加索引對象和答案對象，從而構(gòu)成事例對象模型。式中：index為事例索引對象，表達(dá)事例檢索的索引信息和檢索方法；solution為事例答案對象，描述了該事例的問題解決方法．
1.1.2預(yù)處理輸入前照燈方案設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)為燈罩曲面，這為問題的描述、輸入以及檢索屬性的定義帶來了困難．為此，建立車燈包圍盒，即包含燈罩曲面而且各邊平行于車身坐標(biāo)系坐標(biāo)軸的最小六面體線框，如圖2所示．利用車燈包圍盒，可以建立車燈布置坐標(biāo)系，原點(diǎn)在包圍盒的頂點(diǎn)，坐標(biāo)軸平行于車身坐標(biāo)系的坐標(biāo)軸．同時(shí)，為便于為前照燈光區(qū)分區(qū)和確定遠(yuǎn)近光燈拋物基面軸的安放位置，定義圖2中的YOZ面為投影基面．通過建立車燈包圍盒，既便于建立車燈建模需要的特征點(diǎn)、線、面和表達(dá)周圍約束，也便于本文在后續(xù)內(nèi)容中確定檢索屬性、遠(yuǎn)近光分區(qū)、反射鏡基面空間位置．例如，利用布置坐標(biāo)系可以方便地建立前照燈在發(fā)動機(jī)艙的最后位置約束，在設(shè)計(jì)初期可建立一個(gè)平行于Z軸的平面，該平面與車燈包圍盒一起形成前照燈的空間約束，能滿足不與發(fā)動機(jī)艙的其他部件干涉的要求．。
1.1.3事例表達(dá)在式（2）所示的事例對象模型中，屬性集A主要存儲事例的問題定義與描述信息，如車型、車燈包圍盒尺寸和車燈布置坐標(biāo)系等．方法集M主要存儲事例的定義與描述方法，如建立車燈包圍盒和布置坐標(biāo)系的方法．關(guān)系對象R描述設(shè)計(jì)方案包含的部件，由于事例的部件數(shù)目可能不一致，采用鏈表結(jié)構(gòu)存儲事例中的關(guān)系對象．約束對象C用來存儲設(shè)計(jì)的約束關(guān)系，約束可以用規(guī)則（rule）表示，既可以用來限制對象中屬性的取值范圍，也可以用來約束有關(guān)聯(lián)關(guān)系的對象屬性，或是表達(dá)設(shè)計(jì)知識．索引對象index存儲事例檢索所需的索引屬性和檢索方法，采用傳統(tǒng)對象模型表示索引對象．答案對象solu－tion存儲事例解，采用式（1）擴(kuò)展對象模型表示答案對象，在約束集中定義事例的設(shè)計(jì)約束，通常是范圍約束，答案對象中的關(guān)系集置為空，以避免與事例的關(guān)系集重復(fù)存儲．如圖3所示，前照燈方案事例表達(dá)模型分為4層．第1層（最底層）擴(kuò)展對象類作為層次結(jié)構(gòu)中大多數(shù)類的基類，并引用約束對象類和關(guān)系對象類的實(shí)例；第2層是索引類、事例類和答案類，后2類派生自擴(kuò)展對象類；在第3層中，方案索引類派生自索引類，布置類和部件類派生自事例類，布置方案類和部件方案類派生自答案類；在第4層中，布置類派生遠(yuǎn)近光整體式等光區(qū)組合形式類及其變體類，部件類派生燈罩、反射鏡、燈泡、插接器、防塵蓋等子類。
1.2事例檢索與匹配
1.2.1事例檢索事例檢索是指利用索引信息，從事例庫中檢索出與待求解事例（稱為目標(biāo)事例）相似的事例（稱為源事例）．本文采用加權(quán)特征的最近鄰法計(jì)算源事例和目標(biāo)事例的相似度，檢索出具有一定相似度的源事例．最近鄰法參見文獻(xiàn)［12］．索引信息和檢索方法定義在索引類中．由于設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)僅僅是自由曲面燈罩，索引屬性的定義比較困難．為此利用已建立的車燈包圍盒工具，定義索引類的索引屬性為：車燈包圍盒的長、寬、高尺寸，燈罩曲面在YOZ投影基面上的投影面積（簡稱燈罩投影面積）與光區(qū)組合形式．采用兩級檢索：第1級根據(jù)車燈包圍盒尺寸和燈罩投影面積，采用最近鄰法檢索；第2級檢索根據(jù)光區(qū)組合形式，可以檢索不同的前照燈光區(qū)組合方案及其變體．
1.2.2事例匹配在檢索出源事例后，根據(jù)相似度選擇某一源事例作為參考事例．由于參考事例不可能完全符合要求，必須匹配目標(biāo)事例以求得設(shè)計(jì)方案．匹配過程需要確定光區(qū)組合形式、光源參數(shù)、反射鏡參數(shù)以及前照燈的輪廓尺寸等．匹配流程如圖4所示．1）前照燈光區(qū)組合方案．根據(jù)遠(yuǎn)近光的組合特點(diǎn)，通常可以將前照燈的光區(qū)組合形式分為遠(yuǎn)近光整體式、遠(yuǎn)近光分體水平組合式和遠(yuǎn)近光分體上下組合式等，考慮轉(zhuǎn)向燈和位置燈，尚有其他幾種變體，如遠(yuǎn)／近光燈＋遠(yuǎn)光燈＋轉(zhuǎn)向燈＋位置燈、近光燈＋遠(yuǎn)光燈＋轉(zhuǎn)向燈＋位置燈．前照燈光區(qū)組合方案需要根據(jù)造型要求設(shè)計(jì)，通常設(shè)計(jì)幾種前照燈的組合形式，供造型師挑選、修改．不同的光區(qū)組合形式，設(shè)計(jì)參數(shù)、設(shè)計(jì)知識稍有不同，可以根據(jù)光區(qū)組合形式，分別建立設(shè)計(jì)約束．根據(jù)配光要求、經(jīng)濟(jì)性與組合形式等挑選合適的燈絲型號時(shí)，一般地，遠(yuǎn)／近光燈采用H4雙絲燈泡，遠(yuǎn)光燈采用H1燈泡，近光燈采用H7燈泡．針對這些組合形式，利用車燈包圍盒工具，開發(fā)了參數(shù)化分區(qū)工具．以遠(yuǎn)近光分體水平組合式為例，以遠(yuǎn)、近光區(qū)，轉(zhuǎn)向區(qū)的分區(qū)比例作為設(shè)計(jì)參數(shù)，在車燈布置坐標(biāo)系中，把燈罩曲面投影到Y(jié)OZ投影基面上進(jìn)行分區(qū)，如圖5所示．遠(yuǎn)、近光的分區(qū)輪廓可以作為出光口的設(shè)計(jì)約束。2）反射鏡基面參數(shù)．自由曲面前照燈的反射鏡通常采用旋轉(zhuǎn)拋物面作為基面，如圖6所示，拋物基面出光口直徑AB、抱角與反射鏡長度OC等參數(shù)互相約束．由于拋物基面出光口直徑和燈罩大小有關(guān)，而且出光口至燈罩的距離與前照燈的散熱、空間約束等有關(guān)，本文利用下式分別計(jì)算目標(biāo)事例的拋物基面出光口直徑和出光口至燈罩距離。3）反射鏡基面安放位置．反射鏡基面的安放位置包括反射鏡基面中心軸位置與基面的前后位置．在將前照燈光區(qū)分區(qū)后，可以計(jì)算封閉投影輪廓曲線的幾何中心，作為反射鏡基面中心軸的初始安放位置．但在后續(xù)的設(shè)計(jì)中經(jīng)常需要調(diào)整該位置，因此該安放位置是一個(gè)區(qū)域更符合要求．由于反射鏡基面在分區(qū)面上的投影圓應(yīng)包含在分區(qū)輪廓曲線中，根據(jù)該原理可以建立反射鏡基面中心軸的安放區(qū)域搜索算法．反射鏡基面前后位置需要根據(jù)出光口與燈罩的距離等參數(shù)確定，可以采用下式計(jì)算。式中：L，H，W分別為前照燈的長度、高度和寬度；lE為基準(zhǔn)面與燈泡插腳間的距離，lF為插接器高度，lC為防塵蓋的高度，這3項(xiàng)可取自參考事例；HM為遠(yuǎn)／近光最大反射鏡高度，HC為調(diào)整空間（一般為30mm），HE為燈罩拔模高度（一般為30mm），HF為反射鏡聯(lián)動尺寸間隙（一般為10mm），HS為造型要求尺寸；WY為遠(yuǎn)光反射鏡寬度，WJ為近光反射鏡寬度，WZ為轉(zhuǎn)向燈寬度．在計(jì)算出前照燈的前后長度、寬度和高度尺寸后，應(yīng)校核是否在預(yù)處理確定的前照燈范圍約束之內(nèi)．
1.3事例修改
事例的修改是事例推理系統(tǒng)的技術(shù)關(guān)鍵，但由于事例的修改具有領(lǐng)域依賴性，涉及的問題也很復(fù)雜，目前尚缺少特別有效的通用事例修改方法［14］．在UG／KF模塊中集成了基于尺寸驅(qū)動的修改方法，部分設(shè)計(jì)參數(shù)可直接利用尺寸驅(qū)動求解．然而，在前照燈設(shè)計(jì)方案中，光源型號及其焦距、拋物基面直徑、遠(yuǎn)光與近光的分區(qū)比等參數(shù)需要根據(jù)知識和經(jīng)驗(yàn)確定，如果修改了其中某些參數(shù)，所有這些參數(shù)必須滿足設(shè)計(jì)約束．約束滿足問題（constraintsatisfactionproblem）的求解是將設(shè)計(jì)要求與限制看成對變量的約束，而設(shè)計(jì)則要使結(jié)果滿足約束條件［15］．本文把約束滿足求解和基于尺寸驅(qū)動的參數(shù)修改結(jié)合起來，建立前照燈設(shè)計(jì)方案的事例修改方法．
1.3.1事例修改策略1）參數(shù)值替換．2）匹配與修改參數(shù)相關(guān)的約束，若匹配約束數(shù)為0，轉(zhuǎn)步驟5）．3）提取與修改參數(shù)的約束相關(guān)的其他約束．4）建立設(shè)計(jì)變量約束網(wǎng)絡(luò)，利用約束滿足方法求解約束．5）參數(shù)檢查，判斷相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)的改變是否合理．6）更新相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)．7）尺寸驅(qū)動求解．
1.3.2約束滿足求解約束滿足問題的常用求解方法要求必須建立設(shè)計(jì)變量之間的約束網(wǎng)絡(luò)．汽車前照燈設(shè)計(jì)參數(shù)是相互制約、整體協(xié)調(diào)的，因而各約束之間必然具有相互依存關(guān)系和因果關(guān)系．通過深度優(yōu)先搜索和拓?fù)渑判蛩惴ǎサ舾骷s束之間的相互依存關(guān)系，使之只存在單向的因果關(guān)系．在輸出節(jié)點(diǎn)層就由只存在因果關(guān)系的設(shè)計(jì)參數(shù)組成，這樣可以根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)的因果關(guān)系依次求解．以修改遠(yuǎn)光拋物基面直徑參數(shù)為例，說明約束滿足問題求解過程．遠(yuǎn)光拋物基面直徑參數(shù)影響反射光線的照射范圍、檢測屏上的總光通量以及自由曲面反射面是否容易加工等，這個(gè)參數(shù)和式（7）、（9）表示的2個(gè)約束相匹配，分別稱之為約束f1和f2．約束f1與抱角、焦距f有關(guān)，f2與反射鏡長度lY、焦距f有關(guān)．還需要提取與約束f1，f2相關(guān)的其他約束，與上述2個(gè)約束組成約束網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行求解．約束f3根據(jù)光區(qū)組合形式選擇光源型號從而確定焦距，f3與焦距f有關(guān)；約束f4表示拋物基面中心軸的位置確定約束，該約束與抱角、拋物基面中心軸位置（yY，zY）有關(guān)；約束f5為式（10）表示的約束；約束f6為式（4）表示的約束；約束f7，f8，f9分別為式（11）、（12）和（13）表示的約束．上述9個(gè)約束僅僅是提取的部分約束，為說明求解過程，需要假定上述9個(gè)約束能夠滿足求解．根據(jù)上述約束關(guān)系可以建立約束網(wǎng)絡(luò)的二分圖，如圖7（a）所示，左側(cè)為約束方程，右側(cè)為待求解的設(shè)計(jì)變量．然后可利用增廣路徑法求二分圖的最大匹配，如圖7（b）所示．二分圖的最大匹配提供了一種從符號上判定系統(tǒng)約束狀況的方法，如果第k個(gè)方程fk未獲變量匹配，那么fk將是冗余的，系統(tǒng)將是過約束的；反之，如果存在某一變量沒有約束方程與之匹配，則系統(tǒng)是欠約束的．為便于求解，必須去掉各約束之間的相互依存關(guān)系，使之只存在單向的因果關(guān)系，因此通過深度優(yōu)先搜索和拓?fù)渑判蛩惴ǎ页銮蠼馍鲜黾s束的可行路徑，即圖7（c）所示的因果關(guān)系圖．按照（c）圖所示的求解序列，可依次求解f，，lY，（yY，zY），lD，lB，L，H，W變量，這是約束滿足問題的一般求解算法。
2應(yīng)用實(shí)例
圖8所示為某車型燈罩的造型曲面．通過預(yù)處理工具建立車燈包圍盒、布置坐標(biāo)系和空間約束，檢索得到參考事例，根據(jù)車型的造型特點(diǎn)選擇前照燈光區(qū)組合方案為遠(yuǎn)近光分體水平組合式，光區(qū)（遠(yuǎn)光／近光／轉(zhuǎn)向）分區(qū)比為30／40／30，遠(yuǎn)光選用H1光源，近光選用H7光源，其焦距分別為27．52mm和27．25mm．通過匹配事例，由式（3）可得到遠(yuǎn)光燈的拋物基面直徑為157mm，近光燈的反射鏡基面直徑為155mm．為了最大限度地提高光源的效率，本文采取矩形出光口代替圓形出光口．初步確定遠(yuǎn)光反射鏡到燈罩的距離為140mm，近光反射鏡到燈罩的距離為150mm。經(jīng)過對設(shè)計(jì)方案的評價(jià)及修改，最終確定該型前照燈的部分設(shè)計(jì)參數(shù)為：遠(yuǎn)、近光反射鏡基面直徑分別為160，180mm，遠(yuǎn)、近光反射鏡基面到燈罩的距離分別為140，150mm．根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)和裁剪后的遠(yuǎn)、近光拋物面，在ReflectorCAD軟件中進(jìn)行遠(yuǎn)、近光自由曲面反射鏡的設(shè)計(jì)．該型前照燈的裝配模型如圖9所示，根據(jù)參考事例在UG軟件中設(shè)計(jì)了后蓋等部件，圖中為顯示清楚隱去了遠(yuǎn)光燈的燈泡。為節(jié)省篇幅，僅給出近光的配光圖和照度仿真結(jié)果．圖10為近光基面劃分的5個(gè)子面，經(jīng)過調(diào)整子面并疊加得到如圖11所示的效果良好的配光圖．表1為近光各測試點(diǎn)及區(qū)域的照度仿真結(jié)果．圖12為前照燈遠(yuǎn)光的照明效果模擬，100m遠(yuǎn)處仍有部分光線可以照射到，對道路兩側(cè)的照明輻射范圍較大，表明車燈遠(yuǎn)光對路面的照射情況良好．圖13為前照燈近光的照明效果模擬：位于25m線處的平面與光線交點(diǎn)密集，這說明車燈對路面右側(cè)的物體照明效果良好，司機(jī)能夠清晰地辨別路邊的標(biāo)識牌以及人行道上的行人動態(tài)；位于50m線處的平面與光線相交形成約為15°的斜向上的明暗截止線，這樣可以防止對向車輛的駕駛員感到眩目；位于75m線處的平面與光線交點(diǎn)比較密集，說明車燈對較遠(yuǎn)距離的本車道的照明效果良好，使得駕駛員能夠?qū)^遠(yuǎn)處物體的運(yùn)動有提前預(yù)判的時(shí)間．
3總結(jié)
本文將基于事例推理的方法引入自由曲面型汽車前照燈的方案設(shè)計(jì)中，在車身造型的同時(shí)，根據(jù)燈罩的造型曲面，快速地確定滿足配光要求的自由曲面型前照燈的設(shè)計(jì)方案．根據(jù)基于事例推理方法的基本原理，結(jié)合前照燈方案設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，在建立車燈包圍盒和布置坐標(biāo)系等預(yù)處理工具的基礎(chǔ)上，首先提出了基于擴(kuò)展對象模型的前照燈事例表達(dá)模型，然后根據(jù)最近鄰事例檢索方法，利用車燈包圍盒建立了前照燈事例索引模型，并提出了前照燈事例匹配方法和匹配流程，最后建立了約束滿足和尺寸驅(qū)動求解相結(jié)合的前照燈事例修改方法．應(yīng)用實(shí)例表明，所提出的方法能在前照燈方案設(shè)計(jì)中引入工程設(shè)計(jì)要求，能夠有效地克服工程要求與造型設(shè)計(jì)的沖突，減少設(shè)計(jì)過程的反復(fù)，縮短開發(fā)周期．
作者：李迪郭鵬偉呂慶龍單位：山東理工大學(xué)交通與車輛工程學(xué)院