事例推理的汽车前照灯方案设计范文

《工程设计学报》2014年第四期

1关键技术

CBR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：id为对象模型实例的唯一标识；A为属性集合；M为方法集合；R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；C为约束对象集合，用于表达对象的属性之间的约束关系．要完整地表达事例，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象和答案对象，从而构成事例对象模型。式中：index为事例索引对象，表达事例检索的索引信息和检索方法；solution为事例答案对象，描述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，这为问题的描述、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2所示．利用车灯包围盒，可以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放位置，定义图2中的YOZ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，利用布置坐标系可以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Z轴的平面，该平面与车灯包围盒一起形成前照灯的空间约束，能满足不与发动机舱的其他部件干涉的要求．。

1.1.3事例表达在式（2）所示的事例对象模型中，属性集A主要存储事例的问题定义与描述信息，如车型、车灯包围盒尺寸和车灯布置坐标系等．方法集M主要存储事例的定义与描述方法，如建立车灯包围盒和布置坐标系的方法．关系对象R描述设计方案包含的部件，由于事例的部件数目可能不一致，采用链表结构存储事例中的关系对象．约束对象C用来存储设计的约束关系，约束可以用规则（rule）表示，既可以用来限制对象中属性的取值范围，也可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index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solu－tion存储事例解，采用式（1）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3所示，前照灯方案事例表达模型分为4层．第1层（最底层）扩展对象类作为层次结构中大多数类的基类，并引用约束对象类和关系对象类的实例；第2层是索引类、事例类和答案类，后2类派生自扩展对象类；在第3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4层中，布置类派生远近光整体式等光区组合形式类及其变体类，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（称为目标事例）相似的事例（称为源事例）．本文采用加权特征的最近邻法计算源事例和目标事例的相似度，检索出具有一定相似度的源事例．最近邻法参见文献［12］．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，索引属性的定义比较困难．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YOZ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1级根据车灯包围盒尺寸和灯罩投影面积，采用最近邻法检索；第2级检索根据光区组合形式，可以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，根据相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，必须匹配目标事例以求得设计方案．匹配过程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4所示．1）前照灯光区组合方案．根据远近光的组合特点，通常可以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．不同的光区组合形式，设计参数、设计知识稍有不同，可以根据光区组合形式，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合适的灯丝型号时，一般地，远／近光灯采用H4双丝灯泡，远光灯采用H1灯泡，近光灯采用H7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YOZ投影基面上进行分区，如图5所示．远、近光的分区轮廓可以作为出光口的设计约束。2）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6所示，抛物基面出光口直径AB、抱角与反射镜长度OC等参数互相约束．由于抛物基面出光口直径和灯罩大小有关，而且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标事例的抛物基面出光口直径和出光口至灯罩距离。3）反射镜基面安放位置．反射镜基面的安放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，可以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放位置．但在后续的设计中经常需要调整该位置，因此该安放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，根据该原理可以建立反射镜基面中心轴的安放区域搜索算法．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，可以采用下式计算。式中：L，H，W分别为前照灯的长度、高度和宽度；lE为基准面与灯泡插脚间的距离，lF为插接器高度，lC为防尘盖的高度，这3项可取自参考事例；HM为远／近光最大反射镜高度，HC为调整空间（一般为30mm），HE为灯罩拔模高度（一般为30mm），HF为反射镜联动尺寸间隙（一般为10mm），HS为造型要求尺寸；WY为远光反射镜宽度，WJ为近光反射镜宽度，WZ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，应校核是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赖性，涉及的问题也很复杂，目前尚缺少特别有效的通用事例修改方法［14］．在UG／KF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知识和经验确定，如果修改了其中某些参数，所有这些参数必须满足设计约束．约束满足问题（constraintsatisfactionproblem）的求解是将设计要求与限制看成对变量的约束，而设计则要使结果满足约束条件［15］．本文把约束满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1）参数值替换．2）匹配与修改参数相关的约束，若匹配约束数为0，转步骤5）．3）提取与修改参数的约束相关的其他约束．4）建立设计变量约束网络，利用约束满足方法求解约束．5）参数检查，判断相关设计参数的改变是否合理．6）更新相关设计参数．7）尺寸驱动求解．

1.3.2约束满足求解约束满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相互制约、整体协调的，因而各约束之间必然具有相互依存关系和因果关系．通过深度优先搜索和拓扑排序算法，去掉各约束之间的相互依存关系，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，这样可以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，说明约束满足问题求解过程．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是否容易加工等，这个参数和式（7）、（9）表示的2个约束相匹配，分别称之为约束f1和f2．约束f1与抱角、焦距f有关，f2与反射镜长度lY、焦距f有关．还需要提取与约束f1，f2相关的其他约束，与上述2个约束组成约束网络进行求解．约束f3根据光区组合形式选择光源型号从而确定焦距，f3与焦距f有关；约束f4表示抛物基面中心轴的位置确定约束，该约束与抱角、抛物基面中心轴位置（yY，zY）有关；约束f5为式（10）表示的约束；约束f6为式（4）表示的约束；约束f7，f8，f9分别为式（11）、（12）和（13）表示的约束．上述9个约束仅仅是提取的部分约束，为说明求解过程，需要假定上述9个约束能够满足求解．根据上述约束关系可以建立约束网络的二分图，如图7（a）所示，左侧为约束方程，右侧为待求解的设计变量．然后可利用增广路径法求二分图的最大匹配，如图7（b）所示．二分图的最大匹配提供了一种从符号上判定系统约束状况的方法，如果第k个方程fk未获变量匹配，那么fk将是冗余的，系统将是过约束的；反之，如果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相互依存关系，使之只存在单向的因果关系，因此通过深度优先搜索和拓扑排序算法，找出求解上述约束的可行路径，即图7（c）所示的因果关系图．按照（c）图所示的求解序列，可依次求解f，，lY，（yY，zY），lD，lB，L，H，W变量，这是约束满足问题的一般求解算法。

2应用实例

图8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30／40／30，远光选用H1光源，近光选用H7光源，其焦距分别为27．52mm和27．25mm．通过匹配事例，由式（3）可得到远光灯的抛物基面直径为157mm，近光灯的反射镜基面直径为155mm．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140mm，近光反射镜到灯罩的距离为150mm。经过对设计方案的评价及修改，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160，180mm，远、近光反射镜基面到灯罩的距离分别为140，150mm．根据设计参数和裁剪后的远、近光抛物面，在ReflectorCAD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9所示，根据参考事例在UG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10为近光基面划分的5个子面，经过调整子面并叠加得到如图11所示的效果良好的配光图．表1为近光各测试点及区域的照度仿真结果．图12为前照灯远光的照明效果模拟，100m远处仍有部分光线可以照射到，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13为前照灯近光的照明效果模拟：位于25m线处的平面与光线交点密集，这说明车灯对路面右侧的物体照明效果良好，司机能够清晰地辨别路边的标识牌以及人行道上的行人动态；位于50m线处的平面与光线相交形成约为15°的斜向上的明暗截止线，这样可以防止对向车辆的驾驶员感到眩目；位于75m线处的平面与光线交点比较密集，说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前预判的时间．

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，快速地确定满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，然后根据最近邻事例检索方法，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，最后建立了约束满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，能够有效地克服工程要求与造型设计的冲突，减少设计过程的反复，缩短开发周期．

作者：李迪郭鹏伟吕庆龙单位：山东理工大学交通与车辆工程学院