实例库设计（通用4篇）
实例库设计 篇1
0 引言
新产品设计往往借助于已有产品的技术成果—即实例,实例库就是一种基于实例的知识库。产品创新是企业得以生存和持续发展的内在动力,以知识为基础的新产品竞争是21世纪制造业竞争的核心[1]。产品创新需要更多跨学科的知识、更复杂的技术支撑和更完善的创新理论和方法。而已有的成功的设计案例是一种宝贵的财富,它包含了设计人员的智慧与经验,是宝贵的信息资源,如果能够充分合理地利用,可以有效地帮助企业实现创新设计、降低设计成本、减少设计时间、提高生产效率。目前应用较广泛的有Goldfire Innovator软件和Creax网站[2],Goldfire Innovator的实例库不是独立的,实例只是被用来对科学效应、发明原理进行解释说明。Creax网站的实例库是独立的,称为MoreInspiration,支持按不同方式进行搜索、浏览,但其在概念设计中对新产品的支持不充分而且检索浏览方式单一给用户快速获得有效实例带来了困难。国内目前网站缺乏专业创新知识的支持,仅仅是对方案进行了一些简单的分类,例如专利之家等。产品设计市场对创新支持软件有强烈的需求,这种需求与国内外在实例库这方面产品的不足形成鲜明对比。因此,十分有必有建造一套专业的面向创新的实例库系统。
1 实例库支持创新设计
产品的概念设计过程是产品设计过程中最重要、最复杂,同时又是最活跃、最富于创造性的设计阶段,创新设计主要在这个阶段完成[3]。从功能的角度看,可以将概念设计解释为产品开发需求到功能-原理解的映射过程。也就是说概念设计的最终结果是经过人类复杂思维过程后的原理解。
依据功能-行为-结构(function-behaviorstructure,FBS)设计理论[4],概念设计过程表达为功能建模(功能分解)、行为建模(F-B映射)和结构建模(B-S映射)三个核心阶段。通过实例库实现功能-结构的设计过程通过两个阶段:1)检索匹配出支持功能实现的实例集;2)通过设计者类比迁移实例并且结合设计约束,得到新的功能原理解。图1表明了实例库系统对产品概念设计的支持。
使用实例库系统辅助产品概念设计的作用有:1)实例来自不同领域和学科,可帮助设计者拓展思维,打破传统思维定式和专业局限,获得真正意义上的创新;2)实例可在培养设计者的类比迁移思想;3)实例来源广泛而且数量众多,实例库系统搜集管理实例可提高设计者的设计效率;4)实例不仅可以辅助行为建模和结构建模,也可为后续方案评估提供对比案例。
2 面向产品创新设计基于实例的推理
2.1 CBR概述
基于实例的推理(case based reasoning,CBR)是一种相似求解问题的方法。CBR依赖在过去实践中积累的解决实际问题的经验和方法来解决现实生活中的新问题,避开了知识获取的瓶颈问题,更加符合人们的思维方式。CBR应用一般包括4个步骤,即检索、重用、修正和保存[5]。
2.2符合产品创新设计的CBR模型
对于产品创新设计,关于检索-重用-修改-储存的一般CBR推理过程中的“重用”是不合理的,因为大部分实例来源于专利知识,直接重用已有案例中产品模型会造成法律问题和道德问题。所以创新设计不能应用原有CBR推理机制。本文结合创新设计服务平台特点提出了面向创新设计的基于实例的推理模型。
2.2.1实例表达的信息模型
在CBR模型实例库、数据库、规则库中最重要的是实例库,它包括实例的表达、分类、索引、归纳等,也就是对源问题的描述。面向原理创新的实例可以表达为CASEi={A,T,Q,M,Se,St,Xi},各项含义如表1所示。
产品创新一般包括原理创新和结构创新,本系统面向原理创新通过已知设计条件和约束输出可行创新方案。在实例的信息模型中,A,Q,T是决定CBR系统是否可以推理出有效原理的基础,它们把每个源实例描述成对象(A)——原理(T)——问题(Q)的映射关系,具体表示规则如下:
1)对象名称(A):包括中英文,别名等,集合领域内或跨领域该对象所有名称。
2)问题描述(Q):问题的描述必须形式规范统一,只包含功能,冲突等,不含对象名称,用语义单独表示。另外对问题文字描述内容要多样化,也就是同一问题在不同领域多种表示都要有。
3)原理表达(T):创新实例中解决问题的原理包含多种类型,包括科学效应,结构变化等,每个问题对应一个原理解。
2.2.2实例检索
CBR中第一步就是目标实例和源实例的匹配,目标任务是获得创新性原理解,首先确定目标任务中的对象和问题,进行对象描述和问题分析,通过用户界面输入信息在数据库中进行多层次检索,包括面向对象的检索和面向问题的检索两条线程。其目的不同,面向对象检索是对库中相同对象具有的不同功能收集,通过评价规则库评价分析功能集中是否有可提供给目标任务的新功能并返回用户界面进行新的问题分析,再加入到目标问题集当中;面向问题的检索则是为了得到与目标问题相似的源实例,目标问题的子问题Qi对应实例Ai。检索过程如图2所示。
2.2.3实例修改
由于通过检索得到的源实例中每个CASEi=(Ai,Qi,Ti),其中Qi是目标设计中要解决的子问题,Ti是作用于Ai解决Qi的原理解,但是A≠Ai。CASEi=(Ai,Qi,Ti),A≠Ai,含义是指不同对象具有相同或类似功能。实例的修改首先要根据目标任务对象A和Ai关系分成两类:
第一类:A和Ai结构用途相似,有相同部分,将相同部分定义为S(A,Ai)。例如汽车和机动摩托车。而且CASEi中Ti作用Ai的部分属于S(A,Ai),则T=Ti.
第二类:CASEi中Ti作用Ai的部分B不属于S(A,Ai),要对Ti进行知识迁移修改使其可应用目标对象A解决问题Qi。添加一个新的评价规则数据库,由具有创新理论经验的专家根据领域确定确定不同对象间属性、特征属性间的关系函数。通过评价规则库算出A和Ai之间关系β,输入类比推理系统中。也就是说,通过A与Ai可得到修改后的可应用于目标对象A的原理解。系统会验证并将结果方案输入到下一模块。原理解的验证在CBR系统中极其重要,通常每个问题通过检索得到的CASE为多个,评价规则和类比推理系统会对每个得到的原理解修改,对的验证应对照设计说明、技术实现难度、生产成本控制等因素。
2.2.4组合和储存
组合原理推理器检测获得的子问题原理解间关系从两方面进行:
1)是否存在某个原理解包含另外一个原理解,或某个原理解是否同时可以解决另外一个原理解对应的子问题。
2)是否存在技术冲突或物理冲突等。
返回CBR过程模型把得到的子原理解组合生成目标设计的最终原理,生成创新性方案,并将新方案储存到实例库中。
至此,面向创新设计的CBR模型可表示为检索——修改——组合——储存四个阶段,其中最关键的是实例的修改过程,它实现了知识跨领域跨学科的迁移。
3 系统应用实例
本实例库系统是通过两个方面实现用户需求,一是提供用户检索的有效实例辅助设计者进行知识迁移完成设计目标;二是输入问题系统实现基于实例的推理自动生成创新方法解决原理。下面以应用实例示范面向创新设计实例库辅助设计者知识迁移过程。
应用实例:孔加工工艺的改进。
第一步:实例检索,在面向创新设计实例库的关键词检索界面中输入“加工方法”:
第二步:返回搜索结果,如图3所示:
第三步:设计者浏览筛选搜索结果中实例,匹配可用实例进行详细浏览。
通过实例浏览可知采用滚压加工工艺与磨削加工相比可以提高生产效率零件使用性能,工艺简单。因此采用滚压加工工艺作为模板,分析滚压加工工艺进一步提高加工效率和精度。
第四步:分析滚压加工工艺缺点。
滚压加工是一种压力光整加工,是利用金属在常温状态的冷塑性特点,采用滚压工具对工件表面施加一定的压力,使工件表层金属产生塑性流动,填入到原始残留的低凹波谷中,降低工件表面粗糙值。由于被滚压的表层金属塑性变形,使表层组织冷硬化和晶粒变细,形成致密的纤维状,并形成残余应力层,硬度和强度提高,从而改善了工件表面的耐磨性、耐蚀性和配合性。
缺点分析:1)滚压工具需要单独制作;
2)对于盲孔圆弧部分无法运用滚压加工改善工件圆弧表面粗糙度;
3)滚压过程中产生粉尘影响加工精度,切削液配制比较麻烦;
第五步:将子问题返回实例库描述并返回创新实例库搜索实例并生成解决问题的原理解。
问题一解决方案:根据下图实例库中检索出的滚压加工原理图和在实例库中检索的“组合”原理方法集。可将车刀和精车刀具和滚压柱结合,采用适当径向尺寸是刀具组合在车床上完成不换刀将车-滚压内孔加工一次完成。
问题二的解决方案:根据搜索得到的专利“行星式内切圆滚压破碎机(专利号:CN94247997.1)”,设计行星式内孔滚压工具对盲孔滚压加工,方法就是在滚压柱前增加滚子,当滚子与待加工孔壁接触后,滚子在沿心轴锥面旋转的同时,还绕自身轴线转动,这样就可以使工件整个孔壁滚平压光。同时滚压体的径向尺寸可以作微量调节,以适应不同滚压量的需要。
问题三的解决方案:根据搜索得到的专利“无粉尘黑板装置(专利号:CN00200955.2)”,通过磁效应原理解决滚压过程中产生粉尘影响加工精度的问题。将滚压体的内轴部分附加磁性,滚压体表面增加细小缝隙,滚压过程中通过强磁性把金属粉尘吸附在滚压轴缝隙中,这样在无需滚压切削液的条件下就可以提高滚压加工精度,节约了生产成本。
第六步:根据得到的原理解进行详细设计。
4 结束语
本文研究了运用实例库支持创新设计的原理,提出了面向创新设计的知识库—实例库的系统模型。运用本体技术构建实例库,采用开放式建设思路,为作为创新设计服务平台的一个功能模块实例库系统和其他数据库例如科学效应库进行分布式推理等功能创造了条件,并基于本体实现了面向产品创新设计的基于实例推理技术。
参考文献
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实例库设计 篇2
近些年来, 随着《中华人民共和国人民防空法》的颁布实施及山西省政府相关文件的出台, 人防工程已纳入基本建设程序。大多数民用建筑按照人防办要求设计人防工程, 目的是有效地组织人民防空, 保护人民的生命和财产安全, 保障社会主义现代化建设的顺利进行。
1 工程概况
工程位于山西省长治市, 总建筑面积为24 858.43 m2。建筑层数为地下1层, 层高为6.6 m。结构形式为板柱结构。
本工程平时功能为Ⅰ类3层复式汽车库, 停车1 776辆。地下汽车库划分为12个防火分区, 每个防火分区设置排烟、排风井及补风井。
本工程战时功能为核六级常六级甲类二等人员掩蔽所及核六级常六级甲类人防物质库。设有8个防护单元, 4个人员隐蔽所防护单元和4个人防物质库防护单元, 掩蔽面积共为23 599.67 m2。
2 人防防护单元及车库防火分区划分的基本思路
防空地下室的通风设计, 战时应按防护单元设置独立的系统, 而平时宜结合防火分区设置系统。所以在设计时首先应该考虑防护分区尽量在防火分区内, 使平时的防火分区与战时的防护分区协调一致, 以减少平战转换工作量;其次, 满足防护单元独立设置通风系统的要求, 以免相邻单元破坏时影响其他防护单元的正常使用。
本工程为地下复式汽车库, 依据GB 50067-97汽车库、修车库、停车场设计防火规范中5.1.1要求, 防火分区最大面积为2 600 m2;而GB 50038-2005人民防空地下室设计规范表3.2.6中规定:人员掩蔽工程防护单元最大面积2 000 m2;人防物资库防护单元最大面积4 000 m2, 抗爆单元最大面积2 000 m2。由此看来, 人员掩蔽工程依据2 000 m2来定防护单元面积及车库防火分区面积是合理的;而人防物资库的抗爆单元正好与车库防火分区面积相适应, 最大2 000 m2, 物资库的防护单元是2个抗爆单元, 即最大4 000 m2。
本工程的防火分区及防护单元划分见图1, 图2。
3 复式汽车库平时通风与排烟设计
汽车库排风与排烟设计依防火分区呈独立系统, 且排风系统与排烟系统合用风机、风管;排风时进风系统与排烟时的补风系统共用风机、风管。
地下汽车库机械通风的主要目的是排除汽车废气, 保证空气中污染物浓度在容许范围内。本工程为住宅建筑的车库, 根据《全国民用建筑工程设计技术措施:暖通空调·动力》 (2009年版) 中4.3.2规定, 每辆汽车排风量300 m3/h, 停车172辆 (因本工程12个防火分区停车数量接近, 选择最多停车数量的防火分区来计算) , 每个防火分区的排风量为51 600 m3/h。
地下汽车库因密封性好, 不易疏散, 排烟量按换气次数不小于6次/h来计算。
本工程每个防火分区均小于2 000 m2, 设一套机械排烟系统。复式汽车库层高6.6 m, 净高6.1 m, 不需要划分防烟分区, 如果依实际层高计算排烟量, 排烟风机选型和风管尺寸会很大, 笔者用车库排风量、防火分区面积和换气次数6次/h来反算车库储烟高度, 达到4.5 m, 故排烟、排风选用同型号排烟风机, 考虑到车库停车数量并不总是在满负荷状态下, 采用了DTF-12-SI型双速高温消防排烟排风机, 在满负荷停车量和火灾时, 风机高速运行, 风量为59 253 m3/h;平时风机低速运行, 风量为44 137 m3/h。
每个防火分区设置机械进风系统, 进风量为排风、排烟量的80%, 为47 402 m3/h。
4 复式汽车库人防通风设计
4.1 防空地下室战时通风方式
战时功能为二等人员掩蔽所时, 战时通风系统包括清洁通风、滤毒通风、隔绝通风三种通风方式。
战时功能为物资库时, 战时通风系统包括清洁通风、隔绝通风两种通风方式。
清洁通风是室外空气未受到毒剂等物污染时的通风。
滤毒通风是室外空气受到毒剂等物污染, 需经过专用滤毒设备处理后的通风。
隔绝通风是室外空气受到毒剂等物严重污染, 超过了专用滤毒设备的清除能力, 室内外停止空气交换, 由通风机对室内空气实施内部循环的通风。
在敌人实施核、常规、生化武器袭击时, 清洁通风应立即转入滤毒通风;如果人防工事外空气污染浓度过高或过滤吸收器对毒剂失效时, 应进行隔绝通风。
4.2 防空地下室的进风系统
1) 战时功能为二等人员掩蔽所时, 进风方式应由消波装置、油网滤尘器、密闭阀、过滤吸收器、插板阀、通风机等设备组成。本工程清洁通风和滤毒通风合用进风机, 在设计时应该注意以下几方面:
清洁通风管路上, 必须设置增压管, 严防滤毒通风时出现透毒现象。
所选用的进风机性能必须同时满足清洁通风量和风压、滤毒通风量和风压的需要。
战时三种防护通风方式应能通过阀门进行转换。
选用过滤吸收器时, 必须使通过该器材的滤毒通风量不大于该器材的额定风量。
2) 战时功能为物资库时, 进风系统由防护密闭门、密闭门、油网滤尘器、插板阀、送风机等设备组成。
人防物资库的抗爆单元与车库防火分区一致, 而防护单元则涵盖了2个防火分区, 人防物资库进风系统需要把2个防火分区的风管串起来, 因此在防火分区隔墙处预留洞口, 平时采用200厚加气混凝土砌块将洞口填实, 人防时将加气混凝土砌块推倒, 将2个防火分区的风管连接起来成一套送风系统, 人防战时连通风管在人防施工时备好材料, 存放在指定地点, 以便于人防时及时转换。
4.3 防空地下室的排风系统
战时功能为人员掩蔽所时, 排风方式应由消波装置、密闭阀门、自动排气活门等设备组成。
战时功能为物资库时, 清洁通风时开启进出口处密闭通道处防护密闭门、密闭门进行超压排风。
4.4 防空地下室战时通风量计算
人防物资库清洁通风量按清洁区换气次数1次/h~2次/h计算;
二等人员掩蔽所清洁通风不小于5 m3/ (P·h) , 滤毒通风不小于2 m3/ (P·h) 。
本工程战时通风量统计见表1, 表2。
5 复式汽车库平战结合通风原理图
人防工程战时进风系统与平时车库排风、排烟系统共用风管、风口, 且风管尽量布置在车库走道内, 使车库停车数量达到最大化。
以人员掩蔽工程为例, 进风口部详细流程及与平时排风、排烟系统如何共用风管, 见图3。
6 复式汽车库作为人防工程的利弊
复式汽车库在有限的建筑面积内增加了停车位, 越来越得到开发商的认可。从停车数量方面来说, 复式汽车库的商业价值是无可替代的。但如果将战时人防功能添加于其中, 有以下方面的缺点:
1) 人员掩蔽工程以每个防护单元的掩蔽面积来确定掩蔽人数, 6.1 m净高的复式车库掩蔽人数不比3.6 m高的单层停车库的掩蔽人数多, 故复式车库作为人员掩蔽工程没有优势。
2) 人防物资库的进风量以换气次数来计算, 层高越高, 进风量越大, 进而造成进风机选型大, 风管截面大, 油网滤尘器片数增加, 整体上增加了人防费用。
3) 复式汽车库的平时排风、排烟、进风系统在人防时均要进行封堵, 本工程采用密闭通道、防护密闭门、密闭门的战时切断方式, 因防护单元多, 增加了人防费用。
4) 复式汽车库人防进风系统与平时排风、排烟系统合用风管、风口, 尽管减少了通风系统的造价, 但是却增加了平战转换的复杂度, 需要工作人员对通风系统理解透彻, 清楚每个阀门的开关状态。
参考文献
[1]全国民用建筑工程设计技术措施:暖通空调·动力[Z].2009.
[2]GB 50016-2006, 建筑设计防火规范[S].
[3]GB 50038-2005, 人民防空地下室设计规范[S].
实例库设计 篇3
建筑结构专业软件是土木工程专业学生进行结构设计的主要工具。大学本科阶段开设的相关课程, 如《PKPM软件应用》《结构分析的计算机方法》等, 不但提高学生应用专业软件的能力, 而且能让学生巩固结构设计的理论知识, 进一步提高解决实际问题的能力。然而, 在专业软件的教学课程中的教学案例通常为典型案例, 普遍存在教学材料与工程实际脱节等问题, 而且教学过程通常以讲授为主, 仅配合相应的简单练习题并无法让学生达到实际应用的水平。针对这一问题, 不少学者已经提出了各种案例教学法[1,2,3,4,5,6,7,8]。所谓案例教学法[1]是指围绕一定的教学目的, 将采集到的学校教育教学和管理实践中的真实事例加以典型化处理而形成的一种特定的教学案例, 以供学生们分析、思考、讨论并作出各自判断的一种教学模式。这种教学模式有助于启发学生思维, 提高分析问题解决问题的能力。
根据实际教学经验, 建立工程实例库并开展案例教学是土木工程专业软件课程教学的一种有效的方法。本文将对基于工程实例库的建筑结构专业软件教学的实施方法及教学效果等问题进行讨论。
1 工程实例库
实现基于工程实例库的专业软件教学, 首先要建立完善的工程实例库。工程实例库应满足以下要求:
1) 应包括不同建筑类型和不同层次的工程实例;
2) 应具备扩展和更新的功能;
3) 便于维护, 能随时添加工程实例使用情况和使用效果的功能, 能记录各工程实例的特点和难点;
4) 每个工程实例应有供参考的设计成果。
实例库中的工程实例来源于实际工程, 通过收集近期或已建成的建筑、结构施工图, 根据以下要求进行分类和整理。首先, 根据工程的复杂程度和建筑类型进行分类, 例如, 可以分为公共建筑、多层住宅、高层建筑、工业建筑等几个建筑类型, 在各建筑类型里, 根据建筑的复杂程度分为简单、中等难度和复杂等不同的等级。此外, 所选的案例应具有针对性和代表性, 一般应包含若干个重要知识点和设计难点, 而且尽可能将大部分常见的建筑形式包含在工程实例库中。再者, 对于所收集的建筑方案, 尽可能配有已完成的结构施工图, 以便于日后对学生的完成情况做对照和评价。
工程实例库的日常管理是发挥其教学作用的关键。实例库的管理项目包括实例更新、实例使用情况记录、学生设计成果归档等等。首先, 实例库定期更新, 例如, 每年在所收集的工程实例中选择适合的工程进入实例库, 淘汰一些不合适的工程。此外, 及时记录实例的使用情况非常重要, 例如, 设计题目、设计者以及设计成果和成绩评定等均需要及时在数据库中记录, 便于日后查询。再者, 在工程实例库的使用过程中, 还可进一步增加随机选题和自动评分等功能, 便于学生和教师的使用。
2 基于工程实例库的专业软件教学
2.1 PKPM软件课程教学
工程实例库可应用于PKPM软件应用课程的教学中。以往软件课的教学中, 学生以完成统一的典型案例的设计工作为主要任务, 通常忽略一些实际问题, 导致学生在开始从事设计工作时未能很好地适应社会需求。有效地利用工程实例库实施实例教学可改善这种情况。《PKPM软件应用》课程, 共32学时, 可将教学内容划分为3部分, 第一部分着重介绍PKPM软件的基本操作, 占12学时, 其中包括软件建模、计算参数设置、计算结果查看、模型调整方法以及施工图输出等部分的基本操作方法;第二部分为实例讲解, 占8学时, 选取一个典型的工程实例进行工程设计演示, 由于在第一部分中通常未能深入讲解关于结构布置和模型调整等方面的内容, 在第二部分中将结合结构设计的主要规范条文进行分析, 并让学生掌握模型调整的思路和方法, 让学生掌握实际工程结构设计的基本过程;第三部分为学生实际操作部分, 占12学时, 以分组形式进行, 通常以5名学生为一组, 从工程实例库中选取一个工程实例作为设计任务, 组员自行分配任务并在规定时间内完成设计工作。学生在课堂上可以与指导教师进行讨论, 课后组员相互讨论交流。设计完成后, 每小组提交一份设计报告和一套施工图纸。在第三部分工作中, 对于同一个工程实例, 可通过设定不同建设地点等基本条件, 让学生比较不同设防烈度引起的设计结果的差异。对于每组的设计成果, 指导教师检查后将组织该组学生进行点评, 主要目的是让学生认识到存在的不足以及进一步改进的方法。最后, 将工程实例库的使用情况做记录, 便于日后数据库的管理和材料归档。
2.2 实例库在毕业设计中的应用
工程实例库在土木工程专业毕业设计中也能发挥作用, 一方面, 其中的工程实例可以作为毕业设计的题目, 另一方面, 也能作为学生毕业设计的参考材料。作为毕业设计题目时, 可以根据学生的意愿, 随机分配不同难度等级的工程实例作为毕业设计题目, 给出建筑施工图, 要求学生完成结构设计部分, 最终提交相应的结构施工图和结构设计计算书。一般来说, 要求每个学生独立完成一个工程项目的设计工作, 而且实际操作中可以适当地将一个工程实例设定不同的基本条件, 例如设定某工程建设在不同设防烈度的地区, 以避免毕业设计题目的重复。毕业设计完成质量的要求比《PKPM软件应用》课程分组设计的要求高, 从结构方案的确定、PKPM建模、SATWE计算分析及模型调整、施工图绘制等主要过程均应有充分的讨论, 一般要求学生每周均需作进度回报, 以便于指导教师掌握学生的工作进度, 发现问题及时解决。为了进一步丰富实例库, 学生在设计中遇到的主要问题, 均应在工程实例库的相应案例中进行记录, 以便于更好地对案例的特点进行归纳总结, 日后能够更有效地利用这些案例。例如, 某高层建筑案例在学生设计中容易出现位移比不满足规范要求或者某局部容易出现超筋的情况, 应及时作好记录, 这样, 下次再使用此案例时可以更好地注意到这些问题。
3 案例教学方法教学效果及存在问题分析
3.1 发挥学生的主动性, 培养学生独立解决问题能力
传统的“灌输法”教学方式使学生学习的主动性受到很大程度的限制。基于案例库的教学方法让每个学生针对不同工程实例开展设计工作, 避免了以往对同一个工程进行设计所带来的问题。采用基于工程实例库的教学方法, 学生不再是旁观者, 他们必须针对各自实际工程中的问题, 主动地查阅相关资料, 独立地提出解决方案。学生们开展的是亲验式的学习, 所学的知识与经验均来自于实践。学生在分析和解决问题的过程中获得知识, 并培养了实际工程设计能力。学生之间可以相互交流设计经验, 不会直接照搬图纸, 每个同学都有发挥其自主性和创新性的空间。
3.2 案例教学法应注意的问题
实施基于案例库的教学方法仍需要注意以下问题。首先, 进行实际工程案例的设计必须以系统的理论知识和基本操作技能为基础。对于专业软件的学习, 仍需要对软件基本操作部分作介绍, 学生熟悉了软件的操作方法之后才能进一步展开工程实例设计。另外, 开展工程实例教学时, 所选用的案例材料十分重要, 案例应具有代表性, 不能过分简单或复杂。因此, 往往需要花费大量的时间和精力去收集案例和管理工程实例库。而且, 由于每个学生所做的工程实例均不相同, 往往需要一对一的教学指导, 这使教师的工作量大大增加, 因此, 如何分配教学和指导时间是需要进一步解决的问题。
4 结语
土木工程专业软件的学习是本专业学生走向社会的关键环节, 基于案例教学的方法已经受到关注和广泛应用, 而工程实例库的建立是实施案例教学的重要基础条件。在工程实例库这个平台上, 可以更好地组织教学材料, 也能让学生进一步接触实际工程, 更能发挥学生的学习协作性、积极性和主动性。将工程案例库与案例教学法联合, 并与其他教学方法有机结合起来能有效提高教学质量, 培养出符合时代发展要求的新型高素质人才。
摘要：针对建筑结构专业软件教学中的问题, 介绍了基于工程实例库的实例教学方法。教学实践证明, 工程实例库是案例教学的重要组成部分, 工程实例教学不仅提高了学生学习的积极性、主动性和协作性, 还培养了学生独立分析和解决问题的能力, 是适合土木工程专业课程的教学模式。
关键词：实例教学,工程实例库,专业软件
参考文献
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实例库设计 篇4
关键词：产品报价,实例库,权重优化,自主聚类
0 引言
随着现代市场的形成, 制造业也进入了以全球化竞争加剧、客户需求变化频繁、市场多极化、先进制造与信息技术集成为特征的后工业时代[1]。现代市场环境对制造业企业提出的核心要求是“快速响应客户需求”, 而如何根据客户需求进行快速报价是其中的重要环节之一。传统的企业报价要么是基于经验的随意估价, 要么需要等到产品设计完成后再计算价格, 存在报价慢、缺乏科学依据等缺点。为此, 各国学者对相关策略与算法展开了广泛的研究。
当前产品报价或成本估算主要包括统计法[2]、线性回归方法[3,4]、人工智能法[5,6,7]等, 自20世纪80年代以来, 更多研究方法集中在实例法 (case-based reasoning, CBR) 或参数法 (parameter-based) 。应保胜等[8]基于初始方案设计结果与实例的相似进行推理实现快速报价, 该策略在Internet上实现异地报价, 主要用于桥式起重机快速报价;王新等[9]通过建立报价规则与产品模块报价的映射实现快速报价, 并应用于电梯产品报价中;战培志等[10]根据初始设计方案的相似实例的产品制造清单模拟成本计算并实现产品快速报价;陈欢等[11]基于模糊聚类方法找出相似度最大的三个工程进行近似报价;姜少飞等[12]利用主参数进行聚类分析, 实现对新产品的成本区间估计;王明凤等[13]基于灰色关联预测模型实现待估工程报价的快速预测;Roy等[14]在概念设计阶段根据功能分解识别出与成本相关联的产品参数, 并根据先验知识和原有成本数据进行报价;An等[15]基于CBR实现成本估算, 并利用层次分析法 (analytic hierarchy process, AHP) 确定实例匹配中参数的权重设置。
综上所述, 大部分实例法或参数法[8,10,11,12,15]是根据产品初始方案中的主参数进行实例的相似性比对的。文献[9,14]带有一定的知识性, 通过建立结构或功能模块与成本之间的联系而直接得到近似成本从而实现报价。这些方法均需进行方案设计, 而文献[13]直接根据需求参数进行关联预测, 这对于装备型企业在招投标之前 (也是在方案设计之前) 快速得到合理报价有重要意义。无论哪种方法, 均需要实例库的支持, 而随着时间的推移, 同类产品因为原材料价格等因素的动态改变导致成本分布特性的动态改变, 这体现在不同实例库所对应的报价匹配参数的权重应该有所区别, 而传统快速报价算法采用同一实例库与同一权重向量难以主动适应成本分布特性的动态改变, 而这对于报价的准确程度有着重要影响。本文将详细探讨一种产品自适应快速报价策略与方法。
1 报价策略与算法
1.1问题的形式化描述
已知产品需求参数, 如何从企业现有产品资源库找到最相似的产品及相应的报价数据, 然后根据相似度及已知价格快速得到待估计的产品报价, 这正是产品快速报价的原始命题。为了更清楚地说明问题及求解策略, 下面对其进行形式化描述。
定义1 产品实例库C={ci|i=1, 2, …, n}。这里的实例库就是对需要报价的产品而言最适用的实例库。
定义2 产品参数集P={pi, S|i=1, 2, …, m}。这里的产品参数专指将用于报价的产品原始需求参数, 即用m个需求参数pi来描述一个产品, S表示产品价格属性。
定义3 定义R为C到P上的全域关系, 即R=C×P, 论域U为实数域, 定义函数关系f:R→U表示第i个实例ci的第j个属性pj的取值, 令
aij = f (ci, pj) j≤m
或
si=f (ci, S)
称
为实例库C在属性集P上的实例矩阵。
定义4 给定新产品ck, 其需求参数向量为V={vi, ek | i=1, 2, …, m}, 其中, vi为产品在参数pi的值, 而ek为待求的新产品报价。问题即转换为寻求某种函数或者过程h, 使满足ek=h (V, A) 。
1.2报价算法
基于上述形式化的问题描述, 下面给出产品快速报价的算法。
(1) 由于不同属性的量纲可能具有不同的含义, 同时其值也有很大差别, 因此在进行相似性匹配时可能会有很大偏差, 为了消除这种偏差, 首先将A归一化得
i=1, 2, …, n;j=1, 2, …, m
(2) 基于欧几里得贴近度[16], 计算待报价产品与各实例之间的相似度:
式中, wj为第j个参数的权重;di为待报价产品与第i个实例的相似程度。
(3) 设估价产品ck与第q个产品实例的相似程度为dq, 令dq=max (di|i=1, 2, …, n) , 即ck与第q个产品最相似, 其中相似产品cq的产品价格sq已知, 则由待估价产品ck得到的估算价格ek可按下式计算得到:
1.3参数权重的确定
匹配参数的权重设置适当与否对于估算精度有重要的影响, 文献[8,10,11,12]均采用主观设置, 结果严重依赖于报价师的经验, 文献[15]采用层次分析法AHP解决权重问题, 但仍然带有一定的主观性。为了确定合理的权重, 充分利用产品实例库即样本信息进行权重自学习, 为此建立如下优化模型:
上述优化模型的核心思想是:针对实例库的每个实例用剩余的实例按照1.2节的报价算法去估算其价格, 得到估计报价ei, 然后与其实际价格si作比较。当估算误差的总和最小且每个估算结果的相对误差小于等于事先给定的上限δ, 则对应的权重值即为最后结果。
1.4实例库自主聚类
然而, 在给定估算价格相对误差限δ的情况下, 并不能保证1.3节的优化模型都能找到满足约束的最优解, 而这恰好给实例库自主聚类提供了新的思路。具体而言, 根据具体情况可将优化结果中违反约束即其相对误差超过δ的实例划入待聚类库, 然后对剩下的实例继续按优化模型求解, 直到找到满足所有约束的权重值。对于待聚类库, 按同样的方法求权重。其详细算法步骤如下:
(1) 当前实例矩阵为A, 假设按步长step穷举权重, 则每个权重有n=1/step种类型, 则每一轮权重离散优化算法如下:
其中, QuotePrice () 函数表示1.2节所述的报价算法, e为n个估算价格向量, s为n个实例的实际价格向量, 第26、第30、第34行的省略号所表示的程序代码与第17～23行的代码相同。
(2) 每一轮权重离散优化算法中的perWC表示实例向量的相对估价误差, 若任意perWC[j] (j=1, 2, …, n) 小于等于δ, 记录实例库及对应的权重至数据库中, 转 (3) ;否则, 将perWC中大于δ的实例从A中去除, 放入待聚类库, 转 (1) 。
(3) 若待聚类库为空, 转 (4) ;否则, 将待聚类库放入实例矩阵A中, 转 (1) 。
(4) 结束, 则实例库自主聚类结果示意如图1所示。
2 应用实例
下面以浙江省某企业的桥式起重机快速报价为实例说明上述策略的应用。桥式起重机的主要需求参数集P={起吊质量 (t) , 跨度 (m) , 起升高度 (m) , 大车运行速度 (m/min) , 小车运行速度 (m/min) , 起升速度 (m/min) }, 通过收集整理该企业的产品资源数据, 可得到以这些需求参数及其真实价格表示的实例约43种。令δ=10%, 按1.3节的优化模型及1.4节的自主聚类策略, 实例库可分为两组, 如表1所示, 其中右边三列为优化结果。利用该实例库及对应的权重值及1.2节描述的报价算法对表2中订单上的起重机进行估价, 然后与该企业销售部提供的报价比较, 其相对误差均在5%以内, 说明估价算法具有一定的有效性。
根据起重机设计原理[17]及该企业设计师、生产制造人员的经验, 桥式起重机的成本主要决定于材料 (钢材) 及电气部分, 而起重机的总体结构主要由起吊质量、跨度决定, 大车与小车运行速度对电气部分如电动机、减速器等起着重要的影响, 在上面应用实例中, 这四者的权重在表1中的第1组实例库中分别被分配0.20、0.20、0.35与0.15, 第2组实例库中分别被分配0.40、0.35、0.10与0.10, 二者的区别在于, 第2组的产品比第1组的更新, 因为钢材价格上涨的原因, 第2组的起吊质量、跨度 (二者决定了起重机的总体结构) 权重远高于电气部分, 但总体来说两组的结构参数与电气参数权重占了主要部分, 基本符合桥式起重机的成本分布特性, 在一定程度上验证了报价策略的有效性。
3 结束语
根据需求参数估算产品价格可在预售阶段快速而直接地满足客户的询价, 这对于快速响应客户需求、提高企业响应速度从而增强竞争力有重要意义。利用优化的方法实现实例库的自主聚类及权重自学习, 使整个报价策略有着一定的自适应性。一方面, 随着原材料、人工费等因素的变化, 在相同需求参数情况其报价也会有所变化, 根据权重的优化模型可实现相同产品族的不同实例库聚类, 当利用相似实例进行报价时, 在实例参数相同或相似情况下可自动采用最近时间段的实例库及相应的权重进行价格预报, 这也是合理的, 因为在某一段时间范围内成本价格变化总是在一定范围内的;另一方面, 若将该策略进行扩展, 还可以实现需求参数相同的产品族的自主聚类, 如起重机系列可自动形成通用桥式起重机、龙门起重机等不同的实例库, 其相应的权重也不同, 在实际报价时, 根据需求参数的匹配情况会自动选择最接近的实例进行估算, 这是从横向上自主适应, 其策略将另文详述。
上述报价策略与方法适用于那些功能明确而只需知道需求参数即可实现粗略报价的产品, 这在浙江省某起重机厂的应用中得到了有效验证。
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