1、 第8章 智能CAD與設(shè)計型專家系統(tǒng) 8.1 智能CAD的概念及其發(fā)展 8.1.1 傳統(tǒng)CAD技術(shù)的局限性 一般來講，工程設(shè)計大致可以分為兩種工作：一類是數(shù)值計算，包括計算、分析、繪圖等，另一類是符號推理，包括方案設(shè)計、評價、決策、結(jié)構(gòu)設(shè)計等。 傳統(tǒng)的CAD技術(shù)都以數(shù)值計算為基礎(chǔ)，它不包括符號推理，即沒有分析問題和解決問題的能力，它所能做的工作，主要是提供方便的設(shè)計手段來輔助設(shè)計人員進(jìn)行設(shè)計，即CAD系統(tǒng)只是一個輔助工具。 為了克服傳統(tǒng)CAD的不足，人們開始研究新的CAD技術(shù)思想，引入人工智能的原理和方法，采用專家系統(tǒng)技術(shù)，將CAD發(fā)展為智能CAD技術(shù)，以適應(yīng)創(chuàng)造性設(shè)計的要求。 shbekin

2、g hd8go hd88go oemgc 189288 hzp580 yjoem oemdg xcdnpx oemdg zhongtezc yanjigzzg-nsk skf-zr ygcooper skf-zt nsk-zt fag-zt zhongtezc ntn-zt 189286 xcdnpx dgxcdn dgxcpx xcwxpx xunchi-px 0759mz lczx188 第8章 智能CAD與設(shè)計型專家系統(tǒng) 8.1.2 智能CAD的概念 智能CAD是人工智能（AI）和CAD技術(shù)相結(jié)合的一門綜合性研究領(lǐng)域，其英文名為Intelligent CAD，簡寫為ICAD。 迄今為止，

3、雖然對ICAD有許多定義，但還沒有一個大家公認(rèn)的統(tǒng)一的定義。本書給出其中的一個定義為：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(chǎn)品設(shè)計的復(fù)雜系統(tǒng)。 上述ICAD概念的表述強調(diào)了以下思想： (1) ICAD是傳統(tǒng)CAD技術(shù)與專家系統(tǒng)技術(shù)的有機集成。 (2) ICAD中一般包含有多個專家系統(tǒng)，或稱智能體，它們獨自負(fù)責(zé)解決某個單一領(lǐng)域的設(shè)計問題，但它們又是分布式的。 (3) ICAD系統(tǒng)應(yīng)該是為復(fù)雜產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計、革新設(shè)計或變型設(shè)計提供支持環(huán)境或工作平臺，不應(yīng)該是針對某類產(chǎn)品設(shè)計的專用系統(tǒng)。 (4) ICAD支持復(fù)雜產(chǎn)品設(shè)計的范圍應(yīng)包括產(chǎn)品需求分析、方案設(shè)計、結(jié)構(gòu)

4、設(shè)計、可制造性分析、工程分析、優(yōu)化設(shè)計、可靠性設(shè)計、詳細(xì)設(shè)計和運動仿真等環(huán)節(jié)。 8.1.2 智能CAD的概念 8.1.3 智能CAD的發(fā)展 根據(jù)智能化的水平，可將ICAD的發(fā)展分為初級和高級兩個階段。 1ICAD的初級階段設(shè)計型專家系統(tǒng) 隨著CAD技術(shù)與專家系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展，人們開始把它們結(jié)合起來使CAD系統(tǒng)具備某些計算機化的智能來解決某些設(shè)計問題。 2ICAD的高級階段面向動態(tài)聯(lián)盟的集成化智能設(shè)計系統(tǒng) 集成化智能設(shè)計（integrated intelligent CAD，IICAD）系統(tǒng)是智能CAD的高級階段，代表了ICAD的發(fā)展方向，從而在人的主導(dǎo)下將復(fù)雜產(chǎn)品的設(shè)計自動化推向更高的水平。 8

5、.1.3 智能CAD的發(fā)展 8.2 智能CAD的方法與應(yīng)用 8.2.1 面向方案形成過程的智能CAD方法 方案是一個設(shè)計的核心，它表示設(shè)計結(jié)果或接近設(shè)計結(jié)果，所以，智能CAD的一類方法，自然是面向方案形成過程的，具體如下： 1基于推理的設(shè)計方法 方案的形成過程可以看作為一個推理的過程，它的輸入是已有的設(shè)計數(shù)據(jù)和設(shè)計知識，ICAD系統(tǒng)借助于推理，如正向推理、反向推理、混合推理等，由計算機得出設(shè)計的方案。 至于設(shè)計知識的表示，常用的有謂詞邏輯、框架結(jié)構(gòu)、產(chǎn)生式規(guī)則表示等，將在8.3節(jié)中進(jìn)行介紹。 8.2 智能CAD的方法與應(yīng)用 2基于搜索的方法 如果把設(shè)計的各種可能的方案組合成為設(shè)計空間，那么設(shè)計

6、過程可被看成是在設(shè)計空間中的解的搜索，設(shè)計的結(jié)果即是對應(yīng)于設(shè)計空間中的某個點（一種設(shè)計方案）。搜索方法可分為兩大類，即盲目搜索和啟發(fā)式搜索。 3基于約束滿足的設(shè)計方法 方案的形成過程可以看成是一個約束滿足問題，即所有的設(shè)計要求與限制都可被看作是對變量的約束，而最終的方案則是滿足所有的約束條件后的設(shè)計。約束集限制下的子空間即為設(shè)計的解空間，而求解的過程則是基于約束進(jìn)行的。 2基于搜索的方法 8.2.2 基于設(shè)計對象表達(dá)的智能CAD方法 對于設(shè)計問題的求解，人們有很多理解，從信息加工角度來看，設(shè)計是人們對某一領(lǐng)域知識的創(chuàng)造、檢索、整理、表示、傳播以及在客觀世界的再現(xiàn)，是一個設(shè)計對象的描述信息逐步增

7、加的過程。因此，從設(shè)計對象表達(dá)的角度出發(fā)，人們提出了更適合于設(shè)計問題求解的智能CAD方法：基于實例的設(shè)計方法（CBD）和基于原型的設(shè)計方法（PBD）。 1基于實例的設(shè)計方法 一個典型的CBD過程包括以下步驟： (1) 根據(jù)當(dāng)前的設(shè)計問題從實例中檢索出相應(yīng)的實例。 (2) 調(diào)整該實例中的求解方案，使之適合于求解當(dāng)前的設(shè)計問題。 (3) 求解當(dāng)前設(shè)計問題并形成新的實例。 (4) 根據(jù)一定的策略將新實例加入到實例庫中。 8.2.2 基于設(shè)計對象表達(dá)的智能CAD方法 2基于原型的設(shè)計方法 設(shè)計原型是一些經(jīng)驗性的設(shè)計要素的組合，概括了一類事物的基本特征或共同屬性，是對一類事物的抽象。在進(jìn)行設(shè)計活動時，原

8、型既給出了一個基本的設(shè)計對象描述模型，又限定了設(shè)計模型，并對設(shè)計過程的推進(jìn)起導(dǎo)引作用。一類設(shè)計對象的原型可用如下方式表示： 原型知識=原型+變換規(guī)則+范例 原型=子原型+結(jié)構(gòu)關(guān)系+特性 基于原型的設(shè)計系統(tǒng)須具備以下兩種學(xué)習(xí)能力： (1) 從實例中進(jìn)行學(xué)習(xí)。 (2) 從類比中進(jìn)行學(xué)習(xí)。 2基于原型的設(shè)計方法 8.2.3 智能CAD的應(yīng)用 智能CAD的應(yīng)用非常廣，在這里只給出其中幾個應(yīng)用的例子。 1自動方案生成 理想的智能CAD是：人類提出設(shè)計的要求，由計算機來模擬設(shè)計師，自動地設(shè)計出形式多樣的且能滿足要求的設(shè)計方案來。 2智能交互 在智能CAD系統(tǒng)中，系統(tǒng)可以用戶輸入的信息為基礎(chǔ)，通過計算機已具

9、備的知識和推理，自動獲得更多的信息，從而使得交互變得簡便。 3智能顯示 (1) 色彩方面。 (2) 真實感方面。 8.2.3 智能CAD的應(yīng)用8.3 知識的表示 知識的自動化處理技術(shù)是ICAD的核心技術(shù)，知識處理包括知識表示、知識利用和知識獲取，本節(jié)只討論知識表示。 知識是人類對于客觀事物規(guī)律性的認(rèn)識。知識可劃分為兩個層次，即領(lǐng)域知識和元知識，其中元知識是“關(guān)于知識的知識”。 知識的表示就是研究如何用最合適的形式來組織知識，使其對所需解決的問題最為有利。知識的表示 也是當(dāng)今正處于發(fā)展的一個方向，知識表示的方法也日益增多，這里僅簡單介紹幾種常見的方法。 8.3.1 謂詞邏輯 1命題演算 2謂詞演

10、算8.3 知識的表示 8.3.2 框架結(jié)構(gòu) 框架是一種描述立體形態(tài)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)?？蚣苡腥缦滦问剑?（ （ （ （ ， ，） （ （ ， ，） （ （ （ ，） ) 8.3.3 產(chǎn)生式表示法 知識用規(guī)則表示的專家系統(tǒng)，稱為基本規(guī)則的專家系統(tǒng)或稱為產(chǎn)生式系統(tǒng)，這是專家系統(tǒng)中用得最多的一種知識表示方法。一個產(chǎn)生式系統(tǒng)由規(guī)則庫、綜合數(shù)據(jù)庫和推理機三個部分組成。 8.3.2 框架結(jié)構(gòu) 1規(guī)則庫 產(chǎn)生式系統(tǒng)中所有規(guī)則組成的集合稱為規(guī)則庫，或稱為知識庫。產(chǎn)生式規(guī)則實質(zhì)上就是一個以 IF x為真，THEN執(zhí)行y 的形式表示的語句，即： IF 且 且 THEN 1規(guī)則庫 2綜合數(shù)據(jù)庫 綜合數(shù)據(jù)庫有時也稱作語境（上

11、下文），它是規(guī)則所涉及的對象。數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)可以為表結(jié)構(gòu)，也可為樹或網(wǎng)結(jié)構(gòu)。工程設(shè)計專家系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，多半采用樹結(jié)構(gòu)或?qū)哟涡缘臉浠蚓W(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，以表示各參數(shù)之間的層次與類別關(guān)系。 3推理機 推理機可以根據(jù)當(dāng)前語境的狀態(tài)，控制下一步應(yīng)選擇哪一個規(guī)則。 產(chǎn)生式系統(tǒng)的最大特點是模塊性和自然性。由于規(guī)則表示具有良好的模塊化結(jié)構(gòu)，因此每條規(guī)則可自由增刪、修改，規(guī)則間的關(guān)系通過語境間接地表示出來，所以易于實現(xiàn)知識庫和推理機的分離；由于規(guī)則是一種自然的知識表達(dá)方式，因此可充分地表示各種知識。 除上述表示方法外，還有過程模式表示、語義網(wǎng)絡(luò)模式等表示方法。讀者可參閱有關(guān)文獻(xiàn)。 2綜合數(shù)據(jù)庫8.4 知識推理

12、 知識的利用問題，即怎樣設(shè)計推理機構(gòu)去利用知識，按一定的推理策略，解決具體的工程問題。目前，常用的推理方法有以下四類： (1) 演繹推理。演繹推理也稱為單調(diào)推理。演繹推理是在已知領(lǐng)域一般性知識的前提下，通過演繹求解一個具體問題或證明一個結(jié)論的正確性，所以它所得的結(jié)論實際上早就隱含在前提之中，只不過通過演繹將已有的事實揭露出來。 (2) 歸納推理。與演繹相反，歸納推理則是一種需要有知識生殖的過程，即它是由一類事物的大量事例推出該類事物普遍規(guī)律的一種推理方法。 (3) 不精確推理。似然推理和模糊推理是不精確推理的兩種主要表現(xiàn)形式。 8.4 知識推理 (4) 非單調(diào)推理。非單調(diào)推理中，較為典型的推理

13、形式有默認(rèn)邏輯和約束邏輯。默認(rèn)邏輯可以表示為：“當(dāng)且僅當(dāng)沒有事實證明S不成立時，S總是成立的”。約束邏輯可以表示為：“當(dāng)且僅當(dāng)沒有事實證明S在更大范圍內(nèi)成立時，S只能在指定的范圍內(nèi)成立”。 專家系統(tǒng)中，推理以知識庫中的已有知識為基礎(chǔ)，是一種基于知識的推理，基于知識的推理的計算機實現(xiàn)構(gòu)成推理機。這種基于規(guī)則的推理系統(tǒng)，其推理方法有正向推理、反向推理和正反向混合推理。 正向推理是從已知事實的一個初始狀態(tài)出發(fā)，按一定的推理策略，運用知識庫中的 知識，推斷出結(jié)論。 反向推理則是先提出結(jié)論（假設(shè)），然后尋找支持這個結(jié)論的證據(jù)。 正反向混合推理是指把正向推理和反向推理結(jié)合起來 (4) 非單調(diào)推理。非單調(diào)推

14、理中，較為典型的推理形式8.5 設(shè)計型專家系統(tǒng) 8.5.1 專家系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu) 一個較為完整的專家系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖8.2所示，它由六個部分組成。 (1) 知識庫。它是領(lǐng)域知識的存貯器，用以存放一定形式表達(dá)的專家知識、經(jīng)驗和書本知識及常識，以備系統(tǒng)推理判斷用 (2) 綜合數(shù)據(jù)庫。它用于存貯某一領(lǐng)域內(nèi)的固有數(shù)據(jù)和在推理過程中得到的各種中間信息。圖8.2 專家系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)8.5 設(shè)計型專家系統(tǒng) (3) 推理機。推理機是一組程序，用來控制推理的過程。 (4) 解釋模塊。它是一組程序，負(fù)責(zé)對推理給出必要的解釋，為用戶了解系統(tǒng)的推理過程、向系統(tǒng)學(xué)習(xí)和維護(hù)系統(tǒng)提供方便，使用戶易于接受。 (5) 知識獲取

15、模塊。知識的獲取模塊是一組知識庫管理程序，它不僅負(fù)責(zé)維護(hù)知識庫的一致性，更重要的是在幫助獲取知識的過程中提供知識的構(gòu)造、排錯和更新功能，使知識庫能根據(jù)領(lǐng)域?qū)＜业囊?，方便地建立、擴(kuò)充和維護(hù)。 (6) 人機接口。人機接口負(fù)責(zé)管理并執(zhí)行用戶、領(lǐng)域?qū)＜遗c專家系統(tǒng)之間的對話通信。它控制調(diào)度推理、解釋、維護(hù)知識庫等過程。 (3) 推理機。推理機是一組程序，用來控制推理的過程 8.5.2 設(shè)計型專家系統(tǒng)的特點 專家系統(tǒng)的共有特點如下： (1) 具有豐富的知識和科學(xué)的推理能力。 專家系統(tǒng)能運用專家級的知識和經(jīng)驗，結(jié)合數(shù)值計算的結(jié)果進(jìn)行推理和判斷。 (2) 具有透明性的特點。 專家系統(tǒng)具有很強的解釋功能和咨詢

16、功能，即正確、詳細(xì)地解釋推理的過程和作出結(jié)論的理由。 (3) 具有靈活性的特點。 專家系統(tǒng)能不斷地接納新知識，修改原有知識，以使自身在工程實踐中日趨完善。 8.5.2 設(shè)計型專家系統(tǒng)的特點 此外，設(shè)計型專家系統(tǒng)還有如下特點： 1常采用“設(shè)計評價再設(shè)計”的設(shè)計過程模型 這種設(shè)計模型要求專家系統(tǒng)必須能揭示上一設(shè)計方案不能被接受的原因，并能吸收上次設(shè)計過程中的成功經(jīng)驗和失敗教訓(xùn)，進(jìn)行自我修改，調(diào)整設(shè)計參數(shù)、改變判定條件等等。 2設(shè)計過程決策、技術(shù)問題決策及判斷決策需要多種資源支持 圖8.4中給出了設(shè)計型專家系統(tǒng)所需的各種資源，他們大多數(shù)也是當(dāng)前CAD中所用的資源，因而說明有關(guān)決策與相應(yīng)CAD的資源是

17、緊密結(jié)合的。 此外，設(shè)計型專家系統(tǒng)還有如下特點：8.5.3 設(shè)計型專家系統(tǒng)的建立 1知識庫的建造 (1) 知識的獲取知識的獲取就是把用于求解某專門問題的知識從知識源中提取出來，并轉(zhuǎn)換成計算機能識別的代碼。專家知識的獲取方法，如圖8.5所示，大體上分為兩種。 第一種方法如圖8.5（a），是通過知識工程師從領(lǐng)域?qū)＜姨帿@取知識。 第二種方法如圖8.5（b），是通過知識獲取工具獲取知識。 圖8.5 知識的獲取方法8.5.3 設(shè)計型專家系統(tǒng)的建立 知識的獲取過程通常要經(jīng)過以下五個主要步驟： 1）定知識源階段。 知識源包括專家過去的問題求解實例、教科書以及隱含在專家頭腦中的問題求解經(jīng)驗等。 2）概念化階段

18、。 本階段的任務(wù)是將前一階段獲得的知識源進(jìn)行整理 3）形式化階段。 本階段的任務(wù)就是要把上個階段得出的相關(guān)概念映射成知識的形式化表示。 4）實現(xiàn)階段。 把形式化的知識映射成一個可執(zhí)行的程序，形成一個原形（prototype）專家系統(tǒng)。 5）完善階段。 知識的獲取過程通常要經(jīng)過以下五個主要步驟： (2) 知識庫的組織結(jié)構(gòu) 由于工程設(shè)計領(lǐng)域問題的復(fù)雜性，其知識庫也比較龐大，這時往往首先采用任務(wù)分解的思想將一個大型的設(shè)計任務(wù)分解成許多相對獨立的子任務(wù)。 對于機械設(shè)計知識的多樣性和設(shè)計過程的階段性，我們可以把機械設(shè)計過程分解為不同的層次，如圖8.7所示。位于某一層次的具體設(shè)計對象所用的知識，既與其它部分的知識有一定程度的關(guān)聯(lián)又表現(xiàn)為相對獨立。 圖8.7 機械設(shè)計的分層結(jié)構(gòu) (2) 知識庫的組織結(jié)構(gòu) 2設(shè)計型專家系統(tǒng)的控制策略 我們以機械設(shè)計專家系統(tǒng)為例來討論設(shè)計型專家系統(tǒng)的控制策略。 在機械設(shè)計中，常采用“設(shè)計評價再設(shè)計”的總體控制結(jié)構(gòu)（以后簡稱為再設(shè)計結(jié)構(gòu)），這種結(jié)構(gòu)已被廣泛應(yīng)用在機械設(shè)計專家系統(tǒng)中，使用效果良好。 圖8.8描述了再設(shè)計結(jié)構(gòu)，圖中有五個主要的功能模塊，現(xiàn)分述如下： 圖8.8 再設(shè)計結(jié)構(gòu) 2設(shè)計型專家系統(tǒng)的控制策略 (1) 初始設(shè)計模塊。該模塊一般完成方案設(shè)計