产生式规则在岸桥电动机选型中的应用研究

　引言

　　岸边集装箱起重机(简称为岸桥)是在码头前沿进行集装箱装卸作业的专业起重机。由于岸桥价格昂贵，体积庞大，需要投资成本巨大，而岸桥结构尺寸和作业参数选择的不同都将对码头作业效率和能耗产生直接影响，因此，岸桥选型越来越受学者重视。李美贞从经济性、可靠度、前瞻性、装卸效率和舒适性5个方面来建立岸桥选型的综合评价体系，选出最优的岸桥方案;符敦鉴等对岸边集装箱起重机的基本参数、金属结构、基本配置等进行全面介绍，总结ZPMC岸桥的设计制造经验，为岸桥设计者和验收者提供参考。目前，岸桥选型工作较为复杂，计算依据和选择繁多，涉及众多技术参数，如外伸距、额定起重量、起升速度等。实际操作中，主要根据客户需求定制，凭借设计师与工艺师的经验，对岸桥进行选型设计，其弊端为计算复杂，设计周期较长，且容易出现失误。近年来，知识工程被广泛应用于各个科研领域，如：严伟等用框架式知识表示方法表示港口重大件装卸技术要求，并设计了一个方案制定系统;王立舒等将产生式系统运用到农业专家系统中;吴志先等以知识工程为理论基础，应用参数化设计技术，设计出基于知识的岸桥大车机构参数化设计系统;SungHo Ha将知识工程运用到服务行业的顾客分析中;Kulon J等将知识工程运用到模具设计中。本文采用产生式知识表示的方法，将知识工程应用到岸桥选型问题中去，建立知识推理的模型，以岸桥电动机选型为实例，并对其效果的可行性进行验证。

　　1 岸桥起升机构电动机选型分析

　　岸桥主要包括起升机构、俯仰机构、小车牵引机构、大车行走机构。四大机构主要零部件均包含电动机，且不同机构所需要电动机参数不同，选型方式也不同。岸桥起升机构用于实现集装箱或者吊具吊梁升降运动，是岸桥最主要和最基本的工作机构。本文以起升机构电动机选型为研究对象，其运行特点是：起重时惯性载荷较小，所需的加速转矩很小，只有满载稳定运行转矩的10%～20%，而电动机的平均起动转矩通常为额定转矩的1.6～1.8 倍，使得起动时间短。影响电动机的选型因素众多，而其中最重要的是电机的绝缘等级、工作制度JC、防护等级的选择和电机的功率计算。

　　(2)电动机的发热校核：电动机在持续工作过程中，其本身的功率损耗将转变为热能，从而使电机的温度提高，在起动的过程中，电动机的电流大于额定运行时的电流，其功率的消耗比额定功率消耗要大。同时，电动机的起动过程是一个从速度为零达到额定转速的逐步加速的过程，因此其冷却效果也较额定转速时低。为了使电动机不超过其允许温升，电动机发热效率校核按照均方根功率(等效功率)方法进行校核。

　　(3)电动机的防护等级也要达到要求，这是由相应的工作环境决定，例如在室内安装，保护等级不低于IP23，其中IP 代表防护等级标志字母，后面两位数字分别代表防尘防水等级。

　　(4)电动机使用的绝缘材料的耐热程度(称为绝缘等级)决定了其允许达到的最高温度，分为A、E、B、F、H 五种，根据电机所处工作环境温度做出选择。例如在高温环境中作业，应选用F 级绝缘。

　　中国岸边起重机大多采用交流电动机。绕线式感应电动机的转子电路可以外接起动电阻实现起动调速，起动平稳、起动电流通常不超过额定电流的2～2.5 倍，且有较高的过载能力，因而一般岸桥的起升机构，常用这种电动机，其型号以YZR 开头。

　　2 知识表示及推理

　　2.1 产生式规则理论

　　知识表示是将知识符号化并输入到计算机，恰当的数据结构(知识结构)用于存储求解问题、中间结果、最终解答以及与问题求解有关的描述。从工程的角度，知识可以划分为事实知识、规则知识、控制知识以及元知识这四类。不同的知识类型宜采用不同的方法表示，从岸桥起升机构电动机选型分析可以看出，其知识类型属于规则性知识。产生式表示法是规则表示的主要方法，它符合人类的思维方式，基本形式为P→Q或者是：IF P THEN Q其中 P 是产生式规则的条件，Q 是利用产生式得出的结论。

　　产生式表示形式与人类的判断性知识基本一致、自然，便于推理;产生式规则是基本的知识单元，不能相互调用，通过综合数据库相联系;产生式规则的模块性好，具有相同的结构，便于规则库中的规则统一处理。

　　2.2 起升机构电动机选型知识表示设计

　　岸桥起升机构电动机选型主要包含计算类规则和非计算类规则，其中计算类主要有初选电动机型号的确定，以及电动机热能校核;而非计算类的规则主要有防护等级和绝缘等级的确定。

　　根据前文所述选型计算要求，初选电动机型号确定主要由电动机功率确定，公式的选择与该电动机属于岸桥机构相关。为了便于存放规则，按照组别编号，例如分为“电动机功率”、“热能校核”等，每组都从“01”开始依次增加编号，便于规则按组增加，而每一个规则组对应一个固定的编号，以便于规则查找。将这些规则输入到岸边起重机电动机选型的知识库中，在知识推理时便可调用这些规则。

　　将由计算类规则计算得出的数值都存到相应的数据库中，对每个数据值都进行编号，以便于知识推理时存储查找，对于重复的也可以快速查找出，相同的知识也能够快速得出结果，不需要重复进行推理。在电动机型号库中，包含的主要参数有“型号名称”、“额定功率(kW)”、“转速(转/min)”、“工作方式”这四项。根据计算所得的值，在库中查找符合要求的电动机型号，作为初选电动机，再进行电动机热能校核。

　　电动机防护等级与绝缘等级都属于非计算类规则，以防护等级为例：

　　Rule 1： IF“电动机安装在室外”OR“电动机工作环境潮湿”OR“电动机工作环境多尘埃”THEN“防护等级应达到IP54”。

　　把规则按照拓扑模型从节点处分离，分解为三条线性规则，如下所示：

　　Rule 301：IF“电动机安装在室外”THEN“防护等级应达到IP54”。

　　Rule 302：IF“电动机工作环境潮湿”THEN“防护等级应达到IP54”。

　　Rule 303：IF“动机工作环境多尘埃”THEN“防护等级应达到IP54”。

　　这样一来，一条规则被分解为三条，使得知识表示更为清楚，逻辑更为清晰，也更有利于知识的存储，便于知识推理。

　　2.3 产生式知识推理模型

　　推理模型。具体步骤如下：

　　Step1 读取选型的事件，为了便于推理过程的进行和结束，因而在这边设定一个组别的编号参数i，并设i=1，代表从第一个规则组开始，规则组总数记为n;

　　Step2 判断读取的事件是否属实，不属实则返回Step1，属实则进行Step3;

　　Step3 判断是否匹配该编号规则组的规则，符合则进行Step4，不符合则转到Step7;

　　Step4 对应相应的规则进行计算或者校核;将结果存到计算的数据库中，判断是否有相同数值存在，若有的话，则转到Step7，没有的话进行Step5;

　　Step5 将结果储存到数据库中，且进行下一个规则库的匹配验证。转到Step6;

　　Step6 判断一下此时i 是否大于n，是，输出选型结果到结果库，并结束推理;否，则转到Step3;

　　Step7 对数据库中已经存在的数据，从选型结果库中选出对应编号数值的结果，记为新的推理结果，并结束推理。

　　2.4 知识利用及实现

　　本研究用PowerBuilder11.5 作为设计平台，即设计信息输入及结果展示平台。

　　以YZR-355L1 型号电动机选型为实例，将设计基本参数信息如“额定起重载荷”、“额定起升速度”等填入界面，且勾选相应的电动机工作环境要求及绝缘要求。再对初选的电动机进行发热校核，即可推出所选机型是否符合要求。

　　在该选型实例中，根据提供的额定起重载荷以及起升速度等基本参数，人工计算得出的机型也为YZR-355L1 型，且发热校核符合要求。但不难发现在计算过程中参数的选择查找都会耗费一定的时间和精力，且容易出现失误。运用该系统则较好的避免了此类麻烦，在前期设计时，设计好数据库与规则库，能较快的得出结果，且结果与实际计算吻合，也符合实际选型方案。此系统也可为其他型号电动机选型提供参考方案，设计师可以在此基础上进行微调，得出最佳的选型方案。

　　比较该系统与实际人工计算制定方案发现：运用产生式表示法，只要对计算类规则和非计算类规则分类合理，就可以通过一定的推理实现对不同岸桥机构电动机以及不同输入参数选出合理的电动机型号，满足实际要求。且该系统选型周期短，避免了容易出现失误等不足。

　　3 结论

　　(1)通过上文的研究可知，运用知识工程的方法来对岸边集装箱起重机电动机进行选型是可行的。采用产生式的表示方法对电动机选型问题来说也是较为合适的，知识推理模型是合理的，能实现对知识的运用。最终得出的方法也是符合实际可行的，避免了人工操作的复杂化和失误率高等不足，对岸桥电动机选型问题有重要的意义。

　　(2)但对于岸桥选型的大系统来说，产生式方法也存在不足，需要结合框架式表示方法等其他表示方法，这也是未来研究的重点之一。