1、7機電系統(tǒng)的智能設計理論和方法7 1 人工智能概述人工智能 (Artificial Intelligence) 簡稱 AI ，它是計算機科學的一個重要的研究領域。近 40 年以來獲得了迅速的開展，在很多領域都獲得了廣泛的應用。7 11 什么是人工智能斯坦福大學人工智能研究中心的 Nilsson 教授認為：“人工智能是關于知識的科 學 怎樣表示知識以及怎樣獲得知識并使用知識的科學。 MIT 的 Winston 教授指出：“人工智能就是研究如何使計算機去做過去只有人才能做的智能的工作。 這些 定義反映了人工智能學科的根本思想和根本 X 圍。事實上，一般認為用計算機模擬 人的智能行為就屬于人工智能的

2、 X 疇。7 12 人工智能的研究途徑從不同的途徑認識和模擬人類的智能行為，產生了不同的人工智能的理論和技 術為，模擬人類智能的途徑有以下幾種：1. 心理學途徑心理學的途徑就是考察人類在解決各種問題時采取的方法，總結人們思維活動的規(guī)律，由此產生了人了智能的符號機制 (symbolisms)。符號機制認為認識的根本元 素是符號，人的認識過程就是一種符號處理過程。人類的思維過程可以用某種符號 來描述，因此人工智能的核心就是“表示問題。 40多年以來人工智能的巨大進 展主要就是在這種思想的指導下取得的。2生理學途徑這種途徑直接模擬人和動物的大腦， 由此產生了人工智能的連接機制(connectioni

3、sm),即人工神經網絡方法。連接機制認為認識的根本元素就是神經元本 身，認識過程就是大量神經元的整體活動，本質上是并行分布的模式。因此，連接 機制就是建立人工神經網絡, 模擬人類的智能行為。 自從 80 年代以來, 連接機制的 研究獲得了很大的開展。3生物演化途徑生物演化途徑的研究者認為,人類的智能就是從生物的演化中得到的,從對生物演化的模擬產生了演化算法 (evolutional programming)。從70年代開場，演化算法 的研究也取得了很大的開展。目前,將演化計算、連接計算、模糊計算(符號機制中的模糊邏輯方法 )和最近開展起來的混沌計算統(tǒng)稱為計算智能 (putational int

4、elligenee)。計算智能是人工智能研 究的一個新的方向,使人工智能從傳統(tǒng)的符號計算向符號計算和數(shù)值計算的綜合集 成的方向開展。4社會學途經 社會學選徑注重研究人征社會中的行為,將人模擬成由多種智能品質構成的有機的 整體一Age nt,，綜合考察Age nt本身及其在Age nt環(huán)境中的行為，這就是智能 Agent 理論。近年來智能 Agent 根底理論也成為人工智能界最引入注目的研究課題之一。7 13 人工智能學科的開展“人工智能這一術語，是在1956年由McCarthy和Minsky等人發(fā)起的關于用機器模擬智能的學術討論會上提出的，這就標志著人工智能這一學科的誕生。1957 年Rose

5、 nblatt研制了感知機，這是一種將神經元用于識別的系統(tǒng)，它的學習功能引起了廣泛的興趣，推動了連接機制的研究。但是很快發(fā)現(xiàn)了感知機的局限性，不能解決 復雜的識別問題，從而連接機制的研究進入低潮。從 60年代到 70年代，符號機制 的研究獲得了很大的開展。 特別是 DENDRAL 、MYCIN 和 PROSPECTOR 等有名的 專家系統(tǒng)的研制成功，使人工智能開場走向實際的應用。70年代 H0lland 提出了遺傳算法， 標志著演化計算研究的開場。 在80年代， 連接機制的研究也有了突破性的 進展，特別是Hopfield提出的網絡模型和 Rumelhart等人提出的多層網絡學習算法， 又把連接

6、機制的研究推向高潮。在這一時期，符號機制和演化計算的研究也有了很 大的進展。在90年代，智能Age nt的研究開場引起人工智能界的廣泛注意，并迅速 成為一個熱門的研究課題。目前，人工智能的研究在上述各個分支都取得了很大進 展。隨著知識在人類社會的開展中占有越來越重要的位置，人工智能的研究和應用 也就越來越受到重視。 1962 年美國普林斯頓大學的馬克盧普教授提出了“知識產 業(yè)的概念。所謂知識產業(yè)，就是生產和提供知識的產業(yè)。它是以知識為主體形成 的，知識產業(yè)不同于知識密集型產業(yè)。知識密集型產業(yè)主要生產物質產品，而知識 產業(yè)是以信息為中心的關聯(lián)企業(yè)，主要產品是信息，其主要形式包括研究成果、軟 件、

7、咨詢報告、產品設計與工程設計等。到了 90 年代，世界經濟開場進入知識經濟的時代。 1996 年西方國家的經濟合 作開展組織 (OECD) 發(fā)出了一份年度報告， 題目就是 “以知識為根底的經濟。 根據(jù) 其定義， 知識經濟是以知識為根底的經濟， 這種經濟直接依賴于知識和信息的生產、 分配和使用。目前，西方知識經濟是以信息產業(yè)為代表的迅速開展的高科技產業(yè)。 世界首富、微軟公司總裁比爾蓋獲被公認為知識經濟時代的代表人物。因此，知 識經濟也稱為信息經濟。但嚴格來說，知識經濟包含更多的內容。信息科學、遺傳 工程、新能源、新材料、空間技術、海洋科學、環(huán)境科學及現(xiàn)代管理等知識成為興 旺國家經濟投入的重要資本

8、， 形成了一些以知識、 智力等無形資產投人為主的企業(yè)。 知識經濟的出現(xiàn)， 標志著人類社會正在步入一個以知識資源為主要依托的經濟時代。 因此，研究知識的表示、獲取與應用的科學人工智能，就變得越來越重要了。7 14 人工智能的應用目前，人工智能的主要應用領域包括：(1) 專家系統(tǒng)。模擬人類專家的問題求解過程，解決那些只有專家才能解決的 復雜問題。(2) 知識庫系統(tǒng)。對人類的知識進展存儲、加工、管理，并根據(jù)需要對知識進 展處理和應用。(3) 決策支持系統(tǒng)。利用模型和知識，通過模擬和推理等手段，為人類的話動 進展輔助決策。(4) 自然語言理解。理解人類的自然語言，以實現(xiàn)人和計算機之間自然語言的 直接通

9、訊，從而推動計算機更廣泛的應用。(5) 智能機器人。具有感覺、識別和決策功能的機器人。(6) 模式識別。模擬人類的聽覺、視覺等感覺功能，對聲音、圖像、景物、文 字等進展識別。(7) 自動程序設計。由計算機完成程序的驗證和綜合，實現(xiàn)程序設計自動化。當前，人工智能員主要的應用就是建造專家系統(tǒng)。7 2 智能 CAD 概述設計一般包括兩類工作：一類為數(shù)值計算，包括計算、分析、繪圖等，主要依靠建立涉及對象的數(shù)學模型并進展數(shù)值處理；另一類為符號推理，包括方案設計、 評價、決策、構造設計等，它們均屬于創(chuàng)造性活動，必須依靠思考與推理，因此這 類工作主要依靠建立設計對象的知識模型并進展處理。傳統(tǒng)的 CAD 技術

10、都以數(shù)值計算為根底， 處理第二類工作很困難， 可是在實際的 設計工作中，第二類工作有著舉足輕重的地位，例如， 方案構思將對設計的優(yōu)劣有 決定性影響。 因此必須引入人工智能的原理與方法， 采用專家系統(tǒng)技術， 將 CAD 開 展為智能 CAD 技術，以適應創(chuàng)造性設計的要求。7 21 智能 CAD 的形成智能 CADIntelligent CAD, ICAD 概念的形成經過了一個較長時間的醞釀才逐 漸形成。1. 單一專家系統(tǒng)向協(xié)同式專家系統(tǒng) Cooperative expert system, CES的開展CES的目標是在網絡及分布式數(shù)據(jù)庫環(huán)境下，用多個獨立智能體agenE進展集群推理，通過相互協(xié)作

11、與通訊求解復雜問題。CES的根本思想是：1) 智能體的自主性 即每個智能體有自己的知識，能進展自己的推理、規(guī)劃與 通訊。2) 智能體的分布性 指數(shù)據(jù)、知識和控制在邏輯上或地理上的分布性，各個智 能體間是一種松耦合的關系，以保證將更多的時間用于內部事務的處理， 而不作相互間過多的通訊。3) 智能體之間的協(xié)作 指任務共享、知識共享及中間結果等問題的處理。2. 專家系統(tǒng)與傳統(tǒng) CAD 系統(tǒng)向高度集成的復雜系統(tǒng)開展進入 90 年代， 市場的劇烈競爭導致了各種先進制造模式的出現(xiàn)， 例如計算機集 成制造系統(tǒng)以及并行工程等等。它們的共同目標都是追求T、Q、C、S、E,即產品上市快、質量高、本錢低、效勞好以及

12、環(huán)境清潔。眾所周知，如果只有先進的制造 手段而沒有先進的產品設計，那么先進制造就會成為“無源之水。先進的產品設 計方法及手段必須納入這種復雜系統(tǒng)中加以統(tǒng)一考慮，其中要解決的核心技術之一 就是集成?？紤]到專家系統(tǒng)與傳統(tǒng) CAD 系統(tǒng)集成以解決復雜產品設計的迫切需求，早在1987年荷蘭的和美國的J.Pohl就提出ICAD的概念，認為ICAD本 身是一個系統(tǒng)，它將專家系統(tǒng)內嵌于 CAD 中， ICAD 依靠知識庫、數(shù)據(jù)庫、專家系 統(tǒng)等來解決各種設計問題。他們認為 ICAD 是一個通用的設計軟件或是一種支持環(huán) 境，不應該是某種產品專用的設計軟件。 隨后， 1990年， V.Akman 和 等提出了集成

13、的交互式智能 CAD (Interactive integrated intelligent CAD, IIICAD) 系統(tǒng)。 近幾年來，我國的一些學者相繼提出了智能工程和智能設計等，其出發(fā)點均是要采 用集成的方法將專家系統(tǒng)、人工智能與傳統(tǒng) CAD 技術有機結合起來，形成智能化、 集成化 CAD 系統(tǒng)，為復雜工程及產品設計提供支持。3 ICAD 的應用開發(fā)促進了 ICAD 的開展 近幾年來，國內外在開發(fā) ICAD 方面作了大量工作，應用領域普及建筑、工程 設計、機械產品設計、加工等。在開發(fā)中針對具體問題，對設計過程、知識表示、 知識庫建立、信息集成、信息管理、用戶接口等提出了一些新的方法和思路

14、。這些 工作有力地促進了 ICAD 的開展。綜上所述，近十年來由于協(xié)同式專家系統(tǒng)的開展，由于 CIMS 、并行工程、敏捷 制造等復雜大系統(tǒng)對新產品設計的迫切需求，設計集成環(huán)境的開展以及眾多實際應 用系統(tǒng)的開發(fā)實踐，逐漸促成了 ICAD 的形成。7 22 智能 CAD 的根本概念迄今為止，對 ICAD 還沒有一個完整的統(tǒng)一定義，根據(jù)上面對 ICAD 形成的表 達，可以表述為 : ICAD 是一種由多個智能體或稱專家系統(tǒng)與多種 CAD 功能模 塊有機集成的支持產品設計的復雜系統(tǒng)。ICAD 的概念包含了一下內容：1) ICAD 是傳統(tǒng) CAD 技術與專家系統(tǒng)技術的有機集成，這種有機集成表現(xiàn)為ICAD

15、 是一個完整的系統(tǒng)；2) ICAD 中一般包含多個專家系統(tǒng)，它們單獨負責解決某個單一領域的設計問 題，但它們又是分布式的，通過協(xié)同工作，解決涉及多個領域的復雜設計問 題；3) ICAD 應該為復雜產品的創(chuàng)新設計、革新設計或變型設計提供功能強大、可 靈活變化的支持環(huán)境或工作平臺，不應該是針對某類產品設計的專用系統(tǒng)；4) ICAD 支持復雜產品設計的 X 圍應包括產品需求分析、方案設計、裝配構造設計、可裝配性分析、可制造性分析、工程分析、優(yōu)化設計、運動仿真等。7 23 智能 CAD 研究的根本問題在智能 CAD 的研究與應用開發(fā)中，要解決三個根本問題：1 設計知識模型的表示與建模方法設計知識模型的

16、內容包括兩個方面：第一，設計對象的知識模型，即對設計對 象本身所涉及的各種知識建立相應的模型；第二，設計過程的知識模型，即建立設 計過程的規(guī)劃、協(xié)同控制及評價決策等模型。在知識模型的內容確定后，必須研究 模型的表示方法，這種表示方法既能對知識模型進展邏輯描述，又能對知識模型的 計算機化進展可操作性描述，同時必須研究相應的建模方法。2 知識利用 在知識利用方面，要研究各種搜索方法、約束滿足方法、基于規(guī)那么的推理方法、 基于實例的推理方法以及基于原型的設計方法等3 ICAD 的體系構造體系構造是 ICAD 的重要研究內容， 因為它必須表達 ICAD 的根本思想與特點， 例如集成的思想、多智能體協(xié)同

17、工作的思想、人機協(xié)同以人為本的思想等。7 3 智能 CAD 的關鍵技術智能 CAD 系統(tǒng)的關鍵主要表現(xiàn)為兩個方面， 一是如何表達設計中各種各樣的設 計知識，即知識的表示問題，二是如何利用這些知識正確地獲取設計的結果。第二 個問題的關鍵是知識推理。7 31 知識表示知識的自動化處理技術是 ICAD 的核心技術，知識處理包括知識表示、知識利 用和知識獲取，智能 CAD 首先必須處理知識表示問題。所謂知識表示就是要確定知識符號化的一種描述法那么，以便把這種描述方便 的、有效地變成計算機能處理的某種數(shù)據(jù)構造。知識表示與其后的知識推理密切相 關，什么樣的知識表示決定了什么樣的推理機制。知識表示的方法很多

18、，常見的有：產生式規(guī)那么、框架、謂詞邏輯、語義網絡、 面向對象、實例等，它們各有特點，各自適用于一定的 X 圍。7 32 知識推理推理是 ICAD 的另一個關鍵技術，它關系到知識處理的效率和質量。推理方法 很多，而且和知識的表示密切聯(lián)系。常用的推理方法有：1演繹推理和歸納推理2準確推力和不準確推理3單調推理和非單調推理7 4 設計型專家系統(tǒng)741 專家系統(tǒng)的特點與類型1專家系統(tǒng)的特點什么是專家系統(tǒng)？專家系統(tǒng)是在特定領域中的一套計算機程序，它具有專家工 作時利用知識和推理解決問題的能力。專家系統(tǒng)是人工智能的重要應用領域。它具有如下特點：1啟發(fā)性 它除了能利用大量專業(yè)知識外， 還能利用經歷知識作出

19、假設和判斷， 引導推理的正確進展。2透明性 專家系統(tǒng)能將其工作過程顯示給用戶，能對用戶的提問作出必要的 解釋，并能為用戶提供咨詢等。3靈活性 正如人類專家可以修改自己擁有的知識和學習新的知識一樣，專家 系統(tǒng)也能增加和修改它所擁有的知識，以適應逐漸復雜化的問題求解。2專家系統(tǒng)的類型可劃分為以下幾種主要類型：1解釋型專家系統(tǒng) 根據(jù)獲得的數(shù)據(jù)去分析問題的構造或狀態(tài)。這類系統(tǒng)的困 難是數(shù)據(jù)常帶噪音和誤差，甚至相互矛盾。2預測型專家系統(tǒng) 根據(jù)過去及現(xiàn)在的情況推斷將來的情況。例如，天氣預報、 人口預測、交通預報等。3診斷型專家系統(tǒng) 根據(jù)觀測到的事實推斷對象系統(tǒng)的功能故障。如醫(yī)療、電 子、機械或軟件等的診斷

20、。4設計型專家系統(tǒng) 構造對象模型方案 ，而且滿足約束條件，如機械設計、 電子電路設計和建筑設計等。這類系統(tǒng)主要問題是：設計評價問題，再設計過程中 回溯點確實定問題，多目標與約束協(xié)調問題等等專家系統(tǒng)的分類不是唯一的，有時將專家系統(tǒng)又區(qū)分為分析型決策支持系統(tǒng)和 設計型決策支持系統(tǒng)。一般認為，處理設計問題比處理分析問題更困難，正如在機 械設計中綜合問題常比分析更困難一樣，原因是設計型問題的求解結果往往是不確 定的，因而推理更復雜，需要的知識更豐富。7 42 專家系統(tǒng)的根本構造一個較為完善的專家系統(tǒng)的根本構造如圖 7-1 所示，它包括七個局部：1知識庫 存放領域專家提供的專家知識。它們包括書本知識理論

21、知識 、常 識性知識以及憑經歷得到的啟發(fā)式知識。一個專家系統(tǒng)性能的優(yōu)劣完全取決于系統(tǒng) 所具有的知識的質量和數(shù)量，因此，知識庫的建立是專家系統(tǒng)的中心工作，也是最 困難的工作，這涉及到知識工程是從領域專家那兒采集知識，進展整理、抽象及形 式化稱知識獲取 ，然后以計算機能承受的形式知識表示將這些知識存放在知 識庫中，以及知識庫的管理問題等。2上下文 它與數(shù)據(jù)庫相類似，動態(tài)地反映或存放求解領域問題時的原始數(shù)據(jù)及 事實，以及中間結果信息，類似于“黑板。3推理機 在一定的控制策略下， 針對上下文中的當前信息， 選取知識進展推理， 以求解問題的結果。有各種推理控制方式，常見的有：數(shù)據(jù)驅動的正向推理、目標 驅

22、動的反向推理、正反向結合的混合推理等。針對知識的準確與否，又可以分為準 確推理和不準確推理兩種。4知識獲取模塊 知識獲取分為人工方式、智能編輯及自動方式三種。5知識庫維護模塊 實現(xiàn)對知識庫中知識的矛盾、冗余檢查，新知識參加后對 已有知識的調整檢查，以及對知識庫的 X 瀾、增、刪和修改等操作。6解釋機制 答復用戶的提問，對求解過程及求解狀態(tài)進展說明。幫助用戶了 解求解的過程，判斷求解的正確性，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的錯誤，增強對所得結果的信任度。7人機接口 一方面將專家或用戶的輸入信息翻譯成計算機可承受的內部信息 形式；另一方面將系統(tǒng)的反應信息如解釋、結果等輸出顯示。人機接口還包括 界面設計，以實現(xiàn)系統(tǒng)的操作

23、友好性。從上面的描述可以看出，構成一個專家系統(tǒng)，核心技術集中在三個方面，即知 識獲取、知識表示及知識利用。7 43 機械設計型專家系統(tǒng)的特點如果對機械設計過程進展仔細分析，那么發(fā)現(xiàn)機械設計是一個反復進展各種決策的過程。這個決策過程可以分為：設計決策過程，即決定下一步設計應該做什 么，是材料選擇還是應力計算，即決定設計步驟；技術問題決策，即對某個具體 技術問題在經過某些分析、計算或比擬后，決定是否可以承受，例如材料、幾何形 狀、構造大小、加工工藝性等；評價性決策，即對整個設計進展綜合評價，確定 可承受的標準，并在滿足所有約束條件及目標要求的情況下選擇一個較優(yōu)的設計。根據(jù)以上表達，機械設計型專家系

24、統(tǒng)具有以下特點： 1時常采用“設計評價再設計的過程決策模型見圖71- . wordzl.圖7-1中首先根據(jù)所給的設計要求產生一個初始設計，然后進展必要的分析、 計算或 比擬，這時可以采用有限元分析、面向對象的工程分析或經歷比擬等手段，獲得一個或幾個改良的方案。在此根底上運用系統(tǒng)工程學和模糊數(shù)學等理論進展評 價，決定方案能否承受，為此必須建立有關評價體系及評價準那么的知識。如果方 案不能承受，那么必須進展再設計，根據(jù)再設計知識確定回溯點及相應參數(shù)的修改。 如果還不成功，那么原先規(guī)定的設計要求必有不合理成分，需改良后重新開場設計。這樣的過程決策模型亦即總控模型是機械設計型專家系統(tǒng)的特點之一。2.

25、設計過程決策、技術問題決策及評價性決策要多種資源支持圖7 2中給出了所需的各種資源，它們大多數(shù)也是當前CAD中所用的資源,因此有關決策與相應 CAD資源的密切結合是機械設計型專家系統(tǒng)的又一特點。圖7 1 “設計一評價一再設計的過程決策模型圖7 2決策所需的資源3. 機械設計型專家系統(tǒng)具有的特殊困難(1) 大的決策空間解決方法是合理地劃分為幾個決策子空間，使有關的決策在相應的 子空間中有效地進展。(2) 機械設計的多目標性及解的不唯一性目標不僅涉及使用性能，還常常涉及經 濟性等多方面的要求，致使?jié)M足目標的方案可能有多個，給評價決策帶來困難。(3) 機械設計知識的多樣性、病態(tài)構造及其模糊性機械設計

26、知識不僅有啟發(fā)式知 識，而且有大量的數(shù)據(jù)、設計參數(shù)、計算公式、圖表處理等，許多經歷知識帶有模 糊性，因此對這些不同類型的知識與數(shù)據(jù)要進展合理分類與組織，并進展有效管理。(4) 設計變量、設計子任務和設計目標的相關性它們之間常常存在著一定的聯(lián) 系，有時甚至是相互矛盾的，因此相互協(xié)調及解決各種沖突的能力應加以考慮。(5) 接口技術的綜合性接口應能處理多種運行環(huán)境、多種語言并存以及與圖形系 統(tǒng)。數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)或其它應用系統(tǒng)的集成問題。7. 4. 4設計型專家系統(tǒng)的控制與求解策略本節(jié)首先介紹一般機械設計型專家系統(tǒng)的總控策略及具體的過程控制策略，并 由此引出相應的系統(tǒng)構造。接著介紹機械產品方案設計專家系統(tǒng)的

27、求解策略及其系 統(tǒng)構造。1總控策略機械設計過程可用圖 7- 4表示，該過 程簡單概括為“設計一評價一再設計的 有限次迭代，它是大多數(shù)機械設計所采用 的總體求解策略，實質上是人工智能中“規(guī) 劃一生成一測試的控制策略。在圖7-5中有五個主要的功能模塊， 現(xiàn)分別表達如下：1初始設計模塊一般完成方案設 計，通常需要豐富的知識與經歷，其本身 往往成為一個子專家系統(tǒng)。2分析模塊目的是為評價提供局部 依據(jù)，評價的另外依據(jù)來自專家的啟發(fā)式 知識。分析模塊的內容是針對領域對象的， 內容十分廣泛，主要是各種各樣的分析計 算工作，包括有限元計算。圖7 4機械設計過程以便對以前完成的工作有定量的評估。這些指標確實定涉

28、 及系統(tǒng)工程學、價值工程學、決策論、運籌學、模糊數(shù)學等，也依賴于經歷。具體3評價模塊目的是要擬訂出具體的 評價指標共計算其數(shù)值 對象將有不同的評價指標。評價除為承受性決策提供信息來源外，還為再設計的回 溯決策提供依據(jù)。4可承受性決策模塊由多個評價指標綜合建立起可承受性指標。通俗地講即 對每個設計打分，一方面，決定當前設計能否被承受，另一方面存儲所有可行設計， 然后評出一個最正確設計，從而表達了設計的優(yōu)化。5再設計模塊根據(jù)評價及決策給出的信息，運用專家知識，決定如何修改設 計。例如，如果軸的撓度太大導致了軸設計的失敗，那么根據(jù)再設計知識，作出諸 如減少跨距、增加軸徑、改變軸構造形式等可能的修正方

29、法，并由此決定再設計的 回溯點。將上述設計過程從構造上加以形式化，就可得出圖7 5所示的模塊化系統(tǒng)構造。圖74設計過程的五個功能模塊中的有 關知識，組成了圖7 5知識庫中相應的五個 知識子庫。其中的另外兩個模塊，即黑板與控 制模塊，那么用于設計信息的存儲與設計過程的 管理。1黑板模塊黑板可視作一個工作存 儲器，或相當于一個動態(tài)數(shù)據(jù)庫，存儲設計所 需的公共信息及設計過程中產生的信息，包括卑譏庫而世蛍亟決霞卻乳星J*翠果冉說汁肚譏中間設計結果和最終設計結果， 實現(xiàn)在系統(tǒng)控圖7 5控制的模塊化系統(tǒng)構造制下各模塊門的信息傳遞。另一方面黑板的當 前信息也反應給控制模塊，使它能根據(jù)反應信息和自身所存儲的行

30、為決策知識，決 定系統(tǒng)的下一步行動。2控制模塊起控制調度作用，由它實現(xiàn)設計過程的控制，詳見幾.2, 2的表達。2. 過程控制策略常用的過程控制策略有：推理；問題歸納，即用與/或圖描述一個復雜的 設計問題，也就是將復雜的設計問題分解為具有與/或關系的許多簡單的設計子問 題；日程表，即執(zhí)行任務的排序表，該排序表考慮了各任務的優(yōu)先級別，且在執(zhí) 行過程中可動態(tài)地改變；菜單，通過選擇菜單靈活地調度設計過程。在實際系統(tǒng) 中往往采用多種控制策略，以下表達的是一個基于黑板的采用兩級控制的設計型專 家系統(tǒng)的控制構造，在這個構造中，既包含了前一節(jié)所討論的總控策略，也表達了 本節(jié)所討論的過程控制的策略。在論述這個具

31、體的控制構造前，有必要對黑板構造作簡要介紹?！昂诎鍢嬙熳钤缡窃?9721977年關于自然語言理解的專家系統(tǒng)HEARSAY I和II提出的，后來被廣泛應用到許多具有很大搜索空間和多種知識類型的系統(tǒng)中。前面的圖7 5就是一個基于黑板的控制構造。現(xiàn)在每當人們提到黑板構造時，總是 指這種構造具有以下根本特點：(1) 知識常常被劃分為假設干相互獨立的知識源，每個知識源對應一個特定 的求解任務。(2) 黑板相當于全局數(shù)據(jù)庫，也即為工作存儲器，它記錄了各于任務求解時 的輸入、輸出信息，以及各子任務問的交換信息和共享信息。(3) 黑板構造中控制的根本任務就是要選擇和激活適當?shù)闹R源，以便系統(tǒng) 能利用最優(yōu)數(shù)據(jù)和

32、最有希望的解決問題的方法。圖76是在圖7 5的根底上考慮了過程控制設計而形成的。在該構造中采用 了兩級控制，即元級控制與目標級控制，現(xiàn)解釋如下：1元級控制元級控制的工作原理是啟動元推理機，對無知識庫中的元知識進展推理，產生 日程表，用于對設計過程進展控制?？珊唵伪磉_為：元推理機無知識日程表。（ 1） 無知識是關于領域知識的知識， 是管理和使用領域知識的知識。 元知識 通常由通訊標準化知識，子系統(tǒng)特征知識、方法優(yōu)選知識、沖突決策知識和設計任 務規(guī)劃知識等組成。顯然這些知識可用于對整個系統(tǒng)進展管理、協(xié)調、維護、控制 和使用。無知識的表達仍然可以采用常用的知識表示法，例如規(guī)那么表示、框架表 示或面向

33、對象的類框架表示等。（ 2） 元推理機用來對無知識進展推理，它的實現(xiàn)取決于元知識的表示方法。 由于元知識的表示常常采用多種知識的表示方法，因此元推理機也不僅僅只有一種 推理方式，時常由多種形式的推理機組成，例如有基于規(guī)那么的推理機和框架推理 機等。就每種推理機而言，與前述相關推理機在原理上并無區(qū)別。（ 3） 日程表是元推理的結果， 描述了需要進展目標推理的各個子問題的優(yōu)先 級排序。日程表的作用是：規(guī)劃目標級推理，使之有條不紊地進展將一復雜的 設計目標分解為假設干個子目標或稱子問題，子任務 ，以利于提高目標推理的效 率。某一設計問題的日程表可能是這樣的：日程表：初始設計 強度分析 評價決策 再設

34、計 工藝參數(shù)擬定構 造形式選擇 。表中第一項優(yōu)先級最高。求解過程中，由于中間子任務解的變化，可能會改變 解的環(huán)境，從而需改變日程表，按新的優(yōu)先級重新排序，因此日程表為多任務系統(tǒng) 提供了靈活的控制方法。日程表也可以人力給定，但大多數(shù)情況需靠元推理產生和修改。2目標級控制目標級控制的工作原理是根據(jù)日程表，選定相應的領域知識源，啟動目標推理 機，對領域知識源進展推理，產生子目標求解的結果。簡單地表達為：目標推理機 領域知識源于目標結果。用戶M 口 （I/O）元僵珥機目標植環(huán)機1f ;黑ft元知試序AT壇麺識庫Lseaat卄衆(zhòng)杵中陽伺總量燼姑累圖7- 6基于黑板的兩級控制構造圖7 - 7兩級推理機制此

35、處所說的領域知識源就如圖 7-6領域知識庫中的初始設計、分析、評價、決 策和再設計知識等，目標推理機根據(jù)各知識源的知識表示來確定，一般應是多種形 式的推理機集。為了更清楚地說明圖 7 7的兩級控制的機制，可以用圖 7-7作進一步說明。 在圖7-7中，當對用戶確定了一個設計目標時，首先通過元推理機對元知識進 展推理，得到一個求解設計目標的日程表，然后元級控制將此日程表交給目標級控 制，由目標級推理機根據(jù)日程表依次求解子問題，直到所有子問題求解完為止。假 設在目標級推理機中遇到新問題需要無級推理時，可啟動元級推理機進展求解，再 一次對目標推理機作指導。層次構造的菜單驅動方式是經常采用的另種控制方式

36、，用戶通過屏幕菜單項 選擇擇當前要做的子任務，再由控制調度程序啟動相應子任務模塊。人機交互方式 表達了人的主動性與創(chuàng)造精神。在實踐中，一個專家系統(tǒng)的過程控制往往同時存在著日程表與菜單二種方式。3. 方案設計專家系統(tǒng)的求解策略與系統(tǒng)構造機械產品方案設計專家系統(tǒng)實質上是機械設計中模式設計過程的模擬。所謂模 式設計是指將已有部件或簡單機器組合成大的機械設備。例如，龍門銃進給箱是一 個不算太復雜的部件，它的方案設計仍可看作是一些更簡單的部件及組件甚至元 件按規(guī)定的性能要求組合的過程。例如必須有動力源、傳動系統(tǒng)、軸承以及聯(lián)接 組件、滑潤組件和密封組件等，由此產生了相應的設計問題或選擇問題。組成模式 的各個局部可稱為概念，將有效的概念組合起來，就是方案設計的任務。在確定了 有效概念后，即完成了模式設計后，需要