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1、事例推理的汽车前照灯方案设计（工程设计学报）2014年第四期1关键技术方法的关键技术包括事例表示、事例检索和事例修改等1.1事例表示事例的表示是事例推理系统的基础，事例检索、修改的效率与事例的表达方式很有关联本文采用面向对象的事例表达方法1.1.1事例的对象模型由属性和方法组成的传统对象模型很难表达设计对象之间的约束关系和设计知识，需要采用扩展对象模型。式中：为对象模型实例的唯一标识；为属性集合；为方法集合；为关系对象集合，用于表达设计方案与部件之间的构成关系；为约束对象集合，用于表达对象的属性之间的约束关系要完好地表达事例，同时也为了便于检索和修改事例，还需要在扩展对象模型的基础上增加索引对
2、象和答案对象，进而构成事例对象模型。式中：为事例索引对象，表达事例检索的索引信息和检索方法；为事例答案对象，描绘了该事例的问题解决方法1.1.2预处理输入前照灯方案设计的基础为灯罩曲面，这为问题的描绘、输入以及检索属性的定义带来了困难为此，建立车灯包围盒，即包含灯罩曲面而且各边平行于车身坐标系坐标轴的最小六面体线框，如图所示利用车灯包围盒，能够建立车灯布置坐标系，原点在包围盒的顶点，坐标轴平行于车身坐标系的坐标轴同时，为便于为前照灯光区分区和确定远近光灯抛物基面轴的安顿位置，定义图中的面为投影基面通过建立车灯包围盒，既便于建立车灯建模需要的特征点、线、面和表达周围约束，也便于本文在后续内容中确
3、定检索属性、远近光分区、反射镜基面空间位置例如，利用布置坐标系能够方便地建立前照灯在发动机舱的最后位置约束，在设计初期可建立一个平行于轴的平面，该平面与车灯包围盒一起构成前照灯的空间约束，能知足不与发动机舱的其他部件干预的要求。1.1.3事例表达在式所示的事例对象模型中，属性集主要存储事例的问题定义与描绘信息，如车型、车灯包围盒尺寸和车灯布置坐标系等方法集主要存储事例的定义与描绘方法，如建立车灯包围盒和布置坐标系的方法关系对象描绘设计方案包含的部件，由于事例的部件数目可能不一致，采用链表构造存储事例中的关系对象约束对象用来存储设计的约束关系，约束能够用规则表示，既能够用来限制对象中属性的取值范
4、围，可以以用来约束有关联关系的对象属性，或是表达设计知识索引对象存储事例检索所需的索引属性和检索方法，采用传统对象模型表示索引对象答案对象存储事例解，采用式扩展对象模型表示答案对象，在约束集中定义事例的设计约束，通常是范围约束，答案对象中的关系集置为空，以避免与事例的关系集重复存储如图所示，前照灯方案事例表达模型分为层第层最底层扩展对象类作为层次构造中大多数类的基类，并引用约束对象类和关系对象类的实例；第层是索引类、事例类和答案类，后类派生自扩展对象类；在第层中，方案索引类派生自索引类，布置类和部件类派生自事例类，布置方案类和部件方案类派生自答案类；在第层中，布置类派生远近光整体式等光区组合形
5、式类及其变体类，部件类派生灯罩、反射镜、灯泡、插接器、防尘盖等子类。1.2事例检索与匹配1.2.1事例检索事例检索是指利用索引信息，从事例库中检索出与待求解事例称为目的事例类似的事例称为源事例本文采用加权特征的近期邻法计算源事例和目的事例的类似度，检索出具有一定类似度的源事例近期邻法参见文献索引信息和检索方法定义在索引类中由于设计的基础仅仅是自由曲面灯罩，索引属性的定义比拟困难为此利用已建立的车灯包围盒工具，定义索引类的索引属性为：车灯包围盒的长、宽、高尺寸，灯罩曲面在投影基面上的投影面积简称灯罩投影面积与光区组合形式采用两级检索：第级根据车灯包围盒尺寸和灯罩投影面积，采用近期邻法检索；第级检
6、索根据光区组合形式，能够检索不同的前照灯光区组合方案及其变体1.2.2事例匹配在检索出源事例后，根据类似度选择某一源事例作为参考事例由于参考事例不可能完全符合要求，必须匹配目的事例以求得设计方案匹配经过需要确定光区组合形式、光源参数、反射镜参数以及前照灯的轮廓尺寸等匹配流程如图所示前照灯光区组合方案根据远近光的组合特点，通常能够将前照灯的光区组合形式分为远近光整体式、远近光分体水平组合式和远近光分体上下组合式等，考虑转向灯和位置灯，尚有其他几种变体，如远近光灯远光灯转向灯位置灯、近光灯远光灯转向灯位置灯前照灯光区组合方案需要根据造型要求设计，通常设计几种前照灯的组合形式，供造型师挑选、修改不同
7、的光区组合形式，设计参数、设计知识稍有不同，能够根据光区组合形式，分别建立设计约束根据配光要求、经济性与组合形式等挑选适宜的灯丝型号时，一般地，远近光灯采用双丝灯泡，远光灯采用灯泡，近光灯采用灯泡针对这些组合形式，利用车灯包围盒工具，开发了参数化分区工具以远近光分体水平组合式为例，以远、近光区，转向区的分区比例作为设计参数，在车灯布置坐标系中，把灯罩曲面投影到投影基面上进行分区，如图所示远、近光的分区轮廓能够作为出光口的设计约束。反射镜基面参数自由曲面前照灯的反射镜通常采用旋转抛物面作为基面，如图所示，抛物基面出光口直径、抱角与反射镜长度等参数相互约束由于抛物基面出光口直径和灯罩大小有关，而且
8、出光口至灯罩的距离与前照灯的散热、空间约束等有关，本文利用下式分别计算目的事例的抛物基面出光口直径和出光口至灯罩距离。反射镜基面安顿位置反射镜基面的安顿位置包括反射镜基面中心轴位置与基面的前后位置在将前照灯光区分区后，能够计算封闭投影轮廓曲线的几何中心，作为反射镜基面中心轴的初始安顿位置但在后续的设计中经常需要调整该位置，因而该安顿位置是一个区域更符合要求由于反射镜基面在分区面上的投影圆应包含在分区轮廓曲线中，根据该原理能够建立反射镜基面中心轴的安顿区域搜索算法反射镜基面前后位置需要根据出光口与灯罩的距离等参数确定，能够采用下式计算。式中：，分别为前照灯的长度、高度和宽度；为基准面与灯泡插脚间
9、的距离，为插接器高度，为防尘盖的高度，这项可取自参考事例；为远近光最大反射镜高度，为调整空间一般为，为灯罩拔模高度一般为，为反射镜联动尺寸间隙一般为，为造型要求尺寸；为远光反射镜宽度，为近光反射镜宽度，为转向灯宽度在计算出前照灯的前后长度、宽度和高度尺寸后，应校核能否在预处理确定的前照灯范围约束之内1.3事例修改事例的修改是事例推理系统的技术关键，但由于事例的修改具有领域依靠性，涉及的问题也很复杂，目前尚缺少十分有效的通用事例修改方法在模块中集成了基于尺寸驱动的修改方法，部分设计参数可直接利用尺寸驱动求解然而，在前照灯设计方案中，光源型号及其焦距、抛物基面直径、远光与近光的分区比等参数需要根据
10、知识和经历确定，假如修改了其中某些参数，所有这些参数必须知足设计约束约束知足问题的求解是将设计要求与限制看成对变量的约束，而设计则要使结果知足约束条件本文把约束知足求解和基于尺寸驱动的参数修改结合起来，建立前照灯设计方案的事例修改方法1.3.1事例修改策略参数值替换匹配与修改参数相关的约束，若匹配约束数为，转步骤提取与修改参数的约束相关的其他约束建立设计变量约束网络，利用约束知足方法求解约束参数检查，判定相关设计参数的改变能否合理更新相关设计参数尺寸驱动求解1.3.2约束知足求解约束知足问题的常用求解方法要求必须建立设计变量之间的约束网络汽车前照灯设计参数是互相制约、整体协调的，因此各约束之间
11、必然具有互相依存关系和因果关系通过深度优先搜索和拓扑排序算法，去掉各约束之间的互相依存关系，使之只存在单向的因果关系在输出节点层就由只存在因果关系的设计参数组成，这样能够根据设计参数的因果关系依次求解以修改远光抛物基面直径参数为例，讲明约束知足问题求解经过远光抛物基面直径参数影响反射光线的照射范围、检测屏上的总光通量以及自由曲面反射面能否容易加工等，这个参数和式、表示的个约束相匹配，分别称之为约束和约束与抱角、焦距有关，与反射镜长度、焦距有关还需要提取与约束，相关的其他约束，与上述个约束组成约束网络进行求解约束根据光区组合形式选择光源型号进而确定焦距，与焦距有关；约束表示抛物基面中心轴的位置确
12、定约束，该约束与抱角、抛物基面中心轴位置，有关；约束为式表示的约束；约束为式表示的约束；约束，分别为式、和表示的约束上述个约束仅仅是提取的部分约束，为讲明求解经过，需要假定上述个约束能够知足求解根据上述约束关系能够建立约束网络的二分图，如图所示，左侧为约束方程，右侧为待求解的设计变量然后可利用增广途径法求二分图的最大匹配，如图所示二分图的最大匹配提供了一种从符号上断定系统约束状况的方法，假如第个方程未获变量匹配，那么将是冗余的，系统将是过约束的；反之，假如存在某一变量没有约束方程与之匹配，则系统是欠约束的为便于求解，必须去掉各约束之间的互相依存关系，使之只存在单向的因果关系，因而通过深度优先搜
13、索和拓扑排序算法，找出求解上述约束的可行途径，即图所示的因果关系图根据图所示的求解序列，可依次求解，变量，这是约束知足问题的一般求解算法。2应用实例图所示为某车型灯罩的造型曲面通过预处理工具建立车灯包围盒、布置坐标系和空间约束，检索得到参考事例，根据车型的造型特点选择前照灯光区组合方案为远近光分体水平组合式，光区远光近光转向分区比为，远光选用光源，近光选用光源，其焦距分别为和通过匹配事例，由式可得到远光灯的抛物基面直径为，近光灯的反射镜基面直径为为了最大限度地提高光源的效率，本文采取矩形出光口代替圆形出光口初步确定远光反射镜到灯罩的距离为，近光反射镜到灯罩的距离为。经过对设计方案的评价及修改，
14、最终确定该型前照灯的部分设计参数为：远、近光反射镜基面直径分别为，远、近光反射镜基面到灯罩的距离分别为，根据设计参数和裁剪后的远、近光抛物面，在软件中进行远、近光自由曲面反射镜的设计该型前照灯的装配模型如图所示，根据参考事例在软件中设计了后盖等部件，图中为显示清楚隐去了远光灯的灯泡。为节省篇幅，仅给出近光的配光图和照度仿真结果图为近光基面划分的个子面，经过调整子面并叠加得到如图所示的效果良好的配光图表为近光各测试点及区域的照度仿真结果图为前照灯远光的照明效果模拟，远处仍有部分光线能够照射到，对道路两侧的照明辐射范围较大，表明车灯远光对路面的照射情况良好图为前照灯近光的照明效果模拟：位于线处的平
15、面与光线交点密集，这讲明车灯对路面右侧的物体照明效果良好，司机能够明晰地辨别路边的标识牌以及人行道上的行人动态；位于线处的平面与光线相交构成约为的斜向上的明暗截止线，这样能够防止对向车辆的驾驶员感到眩目；位于线处的平面与光线交点比拟密集，讲明车灯对较远距离的本车道的照明效果良好，使得驾驶员能够对较远处物体的运动有提早预判的时间3总结本文将基于事例推理的方法引入自由曲面型汽车前照灯的方案设计中，在车身造型的同时，根据灯罩的造型曲面，快速地确定知足配光要求的自由曲面型前照灯的设计方案根据基于事例推理方法的基本原理，结合前照灯方案设计的特点，在建立车灯包围盒和布置坐标系等预处理工具的基础上，首先提出了基于扩展对象模型的前照灯事例表达模型，然后根据近期邻事例检索方法，利用车灯包围盒建立了前照灯事例索引模型，并提出了前照灯事例匹配方法和匹配流程，最后建立了约束知足和尺寸驱动求解相结合的前照灯事例修改方法应用实例表明，所提出的方法能在前照灯方案设计中引入工程设计要求，能够有效地克制工程要求与造型设计的冲突，减少设计经过的反复，缩短开发周期