84应用实例之三 —水电机组方案设计系统 841水电机组方案设计系统概述 大型水轮发电机组的生产类型具有单件、小批、大成套的特点 因而,对于大型水轮发电机组的生产厂家来说,方案设计显得尤其 重要,因为,这种生产类型,决定了制造商必须频繁出去进行招投 标。但不同的机组,其结构具有很大的相似性。以水轮机为例,尽 管对于不同的水电站,由于电站特征参数的不同,其水轮机都需要 进行新的设计,而不同型号的水轮机之间还存在着很大的相似性 特别是在一级部套、二级部套和三级部套上,不同的水轮机基本相 同,也就是说,不同型号的水轮机在一级部套、二级部套和三级部 套的组成上基本相同。因而,目前,水轮机的设计都是以部套为单 位进行的。当然,不同型号的水轮机其对应的一级部套、二级部套 和三级部套的内部结构尺寸还是有很大的差别的。水轮发电机也是 类似。因而,新水电机组的设计基本都是在原有水电机组的基础上 的改型设计。这样,在进行水电机组产品设计时,既存在许多共性 的设计知识和设计方法,不同机组的设计,又有许多不同之处。如 果将水电机组的产品设计知识(包括通用知识和设计人员经过长期 实践总结出来的经验)和设计实例加以总结、分析和归类,并在此基 础上,建立有序的产品部套库和智能化的水电机组产品方案设计支 持系统,以辅助产品开发人员的产品方案设计,将对水电设备制造 企业快速响应市场、贏得更多的市场机会有着重要的现实意义。水 电机组包括水轮机和水轮发电机两部分,下面将重点介绍水轮机的 方案设计系统,水轮发电机方案设计与水轮机方案设计的基本原理 类似。该水电机组方案设计系统是国家863CIMS重点应用示范工 程——“HEC- CIMSII工程”的一个重要的子系统
183 8.4 应用实例之三 ——水电机组方案设计系统 8.4.1 水电机组方案设计系统概述 大型水轮发电机组的生产类型具有单件、小批、大成套的特点， 因而，对于大型水轮发电机组的生产厂家来说，方案设计显得尤其 重要，因为，这种生产类型，决定了制造商必须频繁出去进行招投 标。但不同的机组，其结构具有很大的相似性。以水轮机为例，尽 管对于不同的水电站，由于电站特征参数的不同，其水轮机都需要 进行新的设计，而不同型号的水轮机之间还存在着很大的相似性。 特别是在一级部套、二级部套和三级部套上，不同的水轮机基本相 同，也就是说，不同型号的水轮机在一级部套、二级部套和三级部 套的组成上基本相同。因而，目前，水轮机的设计都是以部套为单 位进行的。当然，不同型号的水轮机其对应的一级部套、二级部套 和三级部套的内部结构尺寸还是有很大的差别的。水轮发电机也是 类似。因而，新水电机组的设计基本都是在原有水电机组的基础上 的改型设计。这样，在进行水电机组产品设计时，既存在许多共性 的设计知识和设计方法，不同机组的设计，又有许多不同之处。如 果将水电机组的产品设计知识(包括通用知识和设计人员经过长期 实践总结出来的经验)和设计实例加以总结、分析和归类，并在此基 础上，建立有序的产品部套库和智能化的水电机组产品方案设计支 持系统，以辅助产品开发人员的产品方案设计，将对水电设备制造 企业快速响应市场、赢得更多的市场机会有着重要的现实意义。水 电机组包括水轮机和水轮发电机两部分，下面将重点介绍水轮机的 方案设计系统，水轮发电机方案设计与水轮机方案设计的基本原理 类似。该水电机组方案设计系统是国家 863/CIMS 重点应用示范工 程——“HEC-CIMSII 工程”的一个重要的子系统
842水轮机方案设计系统总体方案 1.模块化技术与基于实例的设计技术的结合 模块化设计是以功能分析为基础,通过模块的互换,组合成各 种基型产品和变型产品。模块化设计使产品具有很大的灵活性和适 应性,能较好地满足用户多品种的需求,并且由于交货期短、成本 低,使产品具有很强的市场竞争力。模块化设计技术的发展和应用 为现代制造业的产品设计与制造提供了一套有效的理论和技术方 法。当然,从大型水轮机组的产品特点和现行的系列化程度来看, 要全面实现模块化还有困难,但进行部分零部件的系列化、模块化 设计还是可能的,如主轴密封、水导轴承、主轴、接力器和导水零 件等,都有可能实施模块化的设计思想。人工智能技术也是一项新 技术,特别是人工智能技术与CAD技术的结合,产生了智能化的 产品设计支持系统,它能有效地克服传统的CAD系统的许多不足 使CAD系统具有较大的可变性,并促进设计过程的自动化。智能 化产品开发支持系统能辅助产品设计人员的设计工作,特别是经验 不够丰富的产品设计人员的设计工作。由于不同型号大型水电机组 之间存在着很大的相似性,新型号的水电机组的设计往往是在原型 号机组基础上的改型设计,也就是说,在实际设计中,设计人员己 经广泛采用了基于实例的产品设计技术。如果能将企业多年积累的 主件(部件、部套)和它们相应的使用知识加以归纳和整理,组成相 应的实例库和知识库,并采用基于实例的产品设计技术对实例库中 的历史数据加以有效的利用,无疑是十分有意义的事。这也是本系 统建造的出发点和根本思想 2.部套模型定义与编码技术 为了便于部套的组织、管理、检索和变异设计等,必须根据部 套的功能、基型机组的类型、部套规格及其结构特征信息等,确定 部套的定义模型和统一的部套编码原则。这点在大型的方案设计中 更为重要 个完整的部套模型定义应包含部套的外部特征和部套的内
184 8.4.2 水轮机方案设计系统总体方案 1.模块化技术与基于实例的设计技术的结合 模块化设计是以功能分析为基础，通过模块的互换，组合成各 种基型产品和变型产品。模块化设计使产品具有很大的灵活性和适 应性，能较好地满足用户多品种的需求，并且由于交货期短、成本 低，使产品具有很强的市场竞争力。模块化设计技术的发展和应用， 为现代制造业的产品设计与制造提供了一套有效的理论和技术方 法。当然，从大型水轮机组的产品特点和现行的系列化程度来看， 要全面实现模块化还有困难，但进行部分零部件的系列化、模块化 设计还是可能的，如主轴密封、水导轴承、主轴、接力器和导水零 件等，都有可能实施模块化的设计思想。人工智能技术也是一项新 技术，特别是人工智能技术与 CAD 技术的结合，产生了智能化的 产品设计支持系统，它能有效地克服传统的 CAD 系统的许多不足， 使 CAD 系统具有较大的可变性，并促进设计过程的自动化。智能 化产品开发支持系统能辅助产品设计人员的设计工作，特别是经验 不够丰富的产品设计人员的设计工作。由于不同型号大型水电机组 之间存在着很大的相似性，新型号的水电机组的设计往往是在原型 号机组基础上的改型设计，也就是说，在实际设计中，设计人员已 经广泛采用了基于实例的产品设计技术。如果能将企业多年积累的 主件(部件、部套)和它们相应的使用知识加以归纳和整理，组成相 应的实例库和知识库，并采用基于实例的产品设计技术对实例库中 的历史数据加以有效的利用，无疑是十分有意义的事。这也是本系 统建造的出发点和根本思想。 2.部套模型定义与编码技术 为了便于部套的组织、管理、检索和变异设计等，必须根据部 套的功能、基型机组的类型、部套规格及其结构特征信息等，确定 部套的定义模型和统一的部套编码原则。这点在大型的方案设计中 更为重要。 一个完整的部套模型定义应包含部套的外部特征和部套的内
部特征两部分,如图8-14所示。部套的外部特征主要包括部套的 编码、基型机组的特征信息、部套的功能、结合特性、制造特性等, 它是部套检索的根据:部套的内部特征主要包括部套本身的结构型 式和结构尺寸参数,它是部套设计必须确定的。如对于轴流式水轮 机转轮,一般包括如下几何参数 设计工况和最优工况; 转轮轮毂比 ●转轮叶栅的稠密度 转轮叶片数 为了同企业标准化工作相一致,拟采用项目代码来作为部套的 编码。本系统的部套的划分和编码采用HEC-CIMS企业标准化编 导则(试行)中“水轮机部套划分标准”一节 部套模型定义 部套外部特征 部套内部特征 图8-14部套模型的定义 部套的外部特征是部套检索的特征数据,部套的内部特征是部 套设计要确定的具体参数。通过相似部套的检索,即获得新设计对 应部套参数的初始值,并以此为基础,对该部套进行改型设计。这 样,既保证了设计质量,又提高了设计效率,同时,还符合设计专 家的思维习惯。方案设计实际上就是要根据用户的要求,获取这些 特征参数。 3.部套的检索与综合技术 部套的检索是根据部套的外部特性,从部套库中检索出与需要 设计的部套的功能相似的部套,它是在部套检索知识的辅助下,利 用实例的检索策略,在人机交互的方式下完成的:部套综合是对检
185 部特征两部分，如图 8-14 所示。部套的外部特征主要包括部套的 编码、基型机组的特征信息、部套的功能、结合特性、制造特性等， 它是部套检索的根据；部套的内部特征主要包括部套本身的结构型 式和结构尺寸参数，它是部套设计必须确定的。如对于轴流式水轮 机转轮，一般包括如下几何参数： ⚫ 设计工况和最优工况； ⚫ 转轮轮毂比； ⚫ 转轮叶栅的稠密度； ⚫ 转轮叶片数。 为了同企业标准化工作相一致，拟采用项目代码来作为部套的 编码。本系统的部套的划分和编码采用 HEC-CIMS 企业标准化编码 导则（试行）中“水轮机部套划分标准”一节。 部套模型定义 部套外部特征 部套内部特征 图 8-14 部套模型的定义 部套的外部特征是部套检索的特征数据，部套的内部特征是部 套设计要确定的具体参数。通过相似部套的检索，即获得新设计对 应部套参数的初始值，并以此为基础，对该部套进行改型设计。这 样，既保证了设计质量，又提高了设计效率，同时，还符合设计专 家的思维习惯。方案设计实际上就是要根据用户的要求，获取这些 特征参数。 3.部套的检索与综合技术 部套的检索是根据部套的外部特性，从部套库中检索出与需要 设计的部套的功能相似的部套，它是在部套检索知识的辅助下，利 用实例的检索策略，在人机交互的方式下完成的；部套综合是对检
索出的相似部套进行裁剪和组合,产生满足用户要求的产品方案, 因而,同其它基于实例的产品设计过程一样,部套的检索和综合是 水轮机方案设计的两个重要内容。部套的检索和综合分为以下几个 步骤 (1)利用QFD理论,根据用户的设计要求,进行功能分解,确 定各组成部套的具体要求。具体来说就是,根据电站的设计参数, 确定各组成部套和主件的具体要求,也即确定部套和主件的外部特 征 (2)从部套库中检索出相似的部套。水轮机的设计是以部套为 单位进行的,部套的设计也大多是在原有部套基础上的改型设计。 当部套的功能要求确定后,即可在现有部套库中,选出与要设计的 部套较为相似的现有部套。 (3)对检索出的部套进行裁剪和组合,产生满足设计要求的产 品方案。当产生的方案难于满足设计要求时,必须在其基础上进行 优化设计。 图8-15是部套检索和综合过程。当检索出的相似部套满足设计 要求时,该相似部套即作为新设计所要求的对应部套,但多数情况 下,检索出的部套一般同实际设计要求有一定的差别,这时,就要 对检索出的部套进行必要的修改。当检索出的相似部套有多个时, 还必须对它们进行评价和排序。当然,对现有的部套进行修改、评 价和排序是需要丰富的经验和知识的。为了实现方案设计系统的自 动化和智能化,必须收集专家的设计知识,并将其进行有机组织, 以辅助产品设计人员特别是经验不丰富的设计人员较好地完成部 套评价和修改工作。此外,在进行部套的评价时,还要从刚强度、 功能、部套的可装配性、零件的可加工性和制造成本等方面去综合 考虑,显然,其中有许多是模糊属性。因而,候选部套和候选方案 的评价是一个多目标的评价问题( Multiple Attribute Evaluation或称 多准则评价问题( Multiple Criteria Evaluation),并且,是一个模糊综 合评价问题。因而,必须使用多目标模糊综合评价理论来进行实例 的评价
186 索出的相似部套进行裁剪和组合，产生满足用户要求的产品方案， 因而，同其它基于实例的产品设计过程一样，部套的检索和综合是 水轮机方案设计的两个重要内容。部套的检索和综合分为以下几个 步骤： (1) 利用 QFD 理论，根据用户的设计要求，进行功能分解，确 定各组成部套的具体要求。具体来说就是，根据电站的设计参数， 确定各组成部套和主件的具体要求，也即确定部套和主件的外部特 征。 (2) 从部套库中检索出相似的部套。水轮机的设计是以部套为 单位进行的，部套的设计也大多是在原有部套基础上的改型设计。 当部套的功能要求确定后，即可在现有部套库中，选出与要设计的 部套较为相似的现有部套。 (3) 对检索出的部套进行裁剪和组合，产生满足设计要求的产 品方案。当产生的方案难于满足设计要求时，必须在其基础上进行 优化设计。 图 8-15 是部套检索和综合过程。当检索出的相似部套满足设计 要求时，该相似部套即作为新设计所要求的对应部套，但多数情况 下，检索出的部套一般同实际设计要求有一定的差别，这时，就要 对检索出的部套进行必要的修改。当检索出的相似部套有多个时， 还必须对它们进行评价和排序。当然，对现有的部套进行修改、评 价和排序是需要丰富的经验和知识的。为了实现方案设计系统的自 动化和智能化，必须收集专家的设计知识，并将其进行有机组织， 以辅助产品设计人员特别是经验不丰富的设计人员较好地完成部 套评价和修改工作。此外，在进行部套的评价时，还要从刚强度、 功能、部套的可装配性、零件的可加工性和制造成本等方面去综合 考虑，显然，其中有许多是模糊属性。因而，候选部套和候选方案 的评价是一个多目标的评价问题(Multiple Attribute Evaluation)或称 多准则评价问题(Multiple Criteria Evaluation)，并且，是一个模糊综 合评价问题。因而，必须使用多目标模糊综合评价理论来进行实例 的评价
机组性能 部套 部套 部套功能要求检索 价【机组方客 部套库部套检索部套评价部套综合方案评价 知识库J(知识库J(知识库J知识库 图8-15部套检索和综合过程 4.模糊综合评价技术的应用 方案的评价和排序是水轮机方案设计必不可少的一个组成部 分,对候选方案的评价将从机组的功能满足标书的情况、刚强度 稳定性(振动、摆度)、目标成本和制造的难易程度等方面综合去评 价,图8-16是方案评价的指标体系。当方案不符合设计要求时,必 须对部套进行修改。在进行方案评价时,存在着许多模糊的概念和 信息,为了处理这些模糊的概念和信息,在方案评价和排序时采用 本书介绍的基于重心的模糊综合评价技术。 总目标 功能 刚度 稳定性 目标成本可制造性 图8-16评价指标体系 由此可知,本系统所采用的评价指标体系为: (功能,刚度,稳定性,目标成本,可制造性),i=1,2,…,5 权重分配为: A=(a12a2,a5)
187 部套 检索 机组性能和 部套功能要求 部套检索 知识库 部套库 部套 评价 部套评价 知识库 部套 综合 方案 评价 部套综合 知识库 方案评价 知识库 机组方案 图 8-15 部套检索和综合过程 4.模糊综合评价技术的应用 方案的评价和排序是水轮机方案设计必不可少的一个组成部 分，对候选方案的评价将从机组的功能满足标书的情况、刚强度、 稳定性(振动、摆度)、目标成本和制造的难易程度等方面综合去评 价，图 8-16 是方案评价的指标体系。当方案不符合设计要求时，必 须对部套进行修改。在进行方案评价时，存在着许多模糊的概念和 信息，为了处理这些模糊的概念和信息，在方案评价和排序时采用 本书介绍的基于重心的模糊综合评价技术。 总目标 功能 刚度 稳定性 目标成本 可制造性 图 8-16 评价指标体系 由此可知，本系统所采用的评价指标体系为： ( , ,..., ) U = u1 u2 u5 = (功能，刚度，稳定性，目标成本，可制造性)，i =1,2,…, 5 权重分配为： ( , ,..., ) A = a1 a2 a5