清华大学土木工程CAD技术基础课件09现代CAD技术

第九章现代CAD技术9-1CAD新技术的研究与应用9-2现代CAD的发展和趋向9-3土木工程CAD的新发展复习重点9-1CAD新技术的研究与应用人工智能技术‹现有CAD存在一定的限制和不足：z不能识别设计进行中的变化；z计算机综合处理能力不如分析处理；z不能处理模糊知识或不充分条件描述的设计问题；z将需要经验或知识决策的设计问题留给用户交互输入，故人为干预较多，因而设计质量在一定程度上依赖用户的经验和知识。‹人工智能的研究z人工智能是使计算机具有人类行为的计算机科学的一个分支¾问题求解；¾逻辑推理与定理证明；¾自然语言处理；¾机器学习；¾专家系统；¾机器人¾智能检索¾组合和调度问题¾系统与表达语言‹智能CAD系统研究与应用z初级智能：应用人工智能的一些基本原理和方法,用以解决设计过程中判断一些设计、计算和绘图问题。z高级智能：利用专家系统来扩大CAD的功能‹智能CAD系统组成zCAD计算、设计、绘图功能;z模拟人类在设计过程中思维活动---高智能推理z人机通讯能力人工智能技术：设计型专家系统‹设计专家系统+图形系统z将全部CAD功能溶于专家系统中z直接用专家知识完成各个设计环节‹以知识库和数据库为核心z知识库：存储领域知识z精选实际工程样板库z工程数据库：存储各种设计数据、工程图表z应用软件库：存储各种设计算法及程序z图形库：存储各种标准的工程图例或部件图z推理机制：进行设计过程中确定和不确定性的智能推理人工智能：人工智能：专家系统与CAD系统的集成‹专家系统作为CAD网络上一个有机的组成部分z其目的是完成某些设计环节中的思考、推理和判断。z常见的方法是建立若干专家系统的子系统：„设计分析及原始模型建立子系统；„初步设计方案子系统；„设计方案评估系统；„详细设计支持系统。人工智能：人工智能：专家系统与CAD系统的集成‹专家系统作为CAD系统的智能接口z用户将设计条件和数据输入智能接口z智能接口对设计条件和源数据进行分析、推理、判断，提出设计建议、方案和相应的属性参数，输入到CAD系统中zCAD系统的设计结果再通过智能接口反馈给用户,智能接口可对设计结果进行经济技术指标的评估用户源数据翻译建议接受建议给出知识引导人机通讯CAD系统多媒体技术将多媒体技术、语言识别、图象识别、视觉处理，并综合应用网络技术、数据库技术‹将音频、视频、图形和计算机功能集成到一个数字环境中‹生动、自然地表达自己的设计思想‹实现从数据录入、信息查询、交互设计、成果输出以及到施工现场控制，都可采取语言、图象、动画、视频、音像等多种信息表达方式科学计算可视化‹将科学计算过程和产生的数据转换为图形和图象信息，作为科学发现和理解的有力工具‹可视化技术研究的三个层次z后置处理：图形显示在数据计算后产生，与数据之间没有交互。如计算流体力学、有限元后处理等。z跟踪：图形显示与计算过程同时进行，计算中间结果及最后结果都能及时显示，所以计算中的错误和问题可及早发现。z控制（驾驭）：计算过程中能对参数进行修改对数值模拟进行直接控制和引导‹土木工程中的研究和应用z工程结构的力学规律研究,如抗震抗爆中，三维动态显示震源、爆源对结构的影响及破坏规律z工程可靠性评估z优化设计z施工过程三维可视化虚拟现实技术（VR）‹直接把计算机合成的信息提供给人的感觉器官，在人的周围生成一种逼真的人工空间。z它是利用计算机生成一种逼真的视、听、说、触、动和嗅等感觉的虚拟环境，通过各种传感设备，可以使操作者沉浸在该环境中，并使实现操作者可以和环境直接进行自然的交互。z虚拟现实不仅情景逼真，而且有交互性，即出现的情景与人的五官反馈相关联，不是被动的体验。‹虚拟设备z跟踪设备：三维鼠标器、三维数字化仪。z测量设备：观测镜（头盔）、数据手套、体视眼镜。z力反馈操纵设备：六自由度的力传感器。z实时图形显示设备：图像获取设备、超声扫描仪、图像生成设备、摄像机、围绕观察者的墙式显示屏的自动声像虚拟环境等。‹虚拟技术应用z增强可视化的CAD系统：利用现有的CAD系统进行建模，对数据格式进行适当转换后输入虚拟环境系统，在一个“真实”的环境中对模型进行自主的交互与分析。这种系统可集成现有的CAD系统，开发强度低，成本少，是目前主要的虚拟设计环境的开发形式。z虚拟现实的CAD系统：完全将系统建立在虚拟环境上，使设计师通过各种输入输出设备与虚拟环境交互，直接进行三维设计。这种模式在设计阶段就可以逼真的看到产品的外观，可以提高设计的效率和质量，但开发成本及硬件成本较高，目前的应用较少。‹土木工程设计CAD中，该项技术的应用，可使设计者的设计思想和意图，迅速变成相应的实物模型或虚拟样品，经修改完善，以达到更高的设计水平。地理信息系统（地理信息系统（GISGIS））‹用于管理地理空间分布数据的计算机信息系统‹以直观的地理图形方式录入、管理、显示和分析与地理空间相应的各种数据。‹应用领域z测量、制图z土地管理z城市区域规划z城市基础设施z交通运输z防灾抗灾网络技术‹异地设计‹协同工作‹信息共享智能信息处理技术‹新一代数据库z能够存储和管理多媒体数据、空间数据、时态数据、复杂对象、图形、图像、知识、超文本等复杂信息；z允许用户定义抽象数据类型，并利用对象概念，可在自定义的数据类型上建立操作符，并定义处理功能；z具有知识管理的能力，能够存储和处理知识，通过DBMS中增加了规则系统、事件警报器、资源控制、存取控制等功能，使系统具有知识管理的能力。‹数据挖掘z又称数据库中的知识发现(KnowledgeDiscoveryinDatabase)，是目前发展极为迅速的一个研究领域。z综合了统计学、并行计算、人工智能、机器学习、模式识别和数据库技术，是指从大型数据库中提取隐含的、事先未知的、潜在有用的信息和知识，以供决策支持系统使用。‹数据仓库z作为一种新型的数据存储地，为数据挖掘提供了新的支持平台。z数据仓库是用于决策支持数据的集成环境，它面向复杂的数据分析，可以集成企业范围内的数据，从事物发展和历史的角度对决策支持数据进行收集、归纳、组织、处理和存储，从而为决策知识的挖掘提供有效、实时的信息服务。‹智能信息处理技术的应用z建立面向建筑企业和工程项目信息管理数据库；z建立基于数据库的数据仓库模型及其体系结构；z以数据挖掘和联机分析处理OLAP(On-lingAnalyticalProcessing)为工具，建立决策支持数据的组织、存储、分析、获取的集成环境；z开发建筑企业和工程项目管理决策支持系统：¾为企业管理者进行企业经营管理、资源调配、投资效益以及市场运作提供趋势分析和预测；¾为施工项目各管理层进行工程进度、资源、质量、安全管理以及成本控制提供分析比较和决策依据，实现建筑施工管理过程中多层面的智能决策支持。这是将信息转化为资产，实现建设领域全面信息化的重要途径。数据仓库主体结构DW拓扑结构扩展文件数据库1数据库N。。。。。。主题主题主题主题主题主题主题主题分析报表采集规范化的DW最终用户访问阶段性区域数据仓库数据源数据仓库决策查询的实现数据仓库数据OLAP数据立方体DSS应用界面ADOMD数据仓库查询分析数据仓库查询分析现代CAD发展和趋向‹现代CAD系统（下一代CAD系统）z支持新产品或工程设计的综合性环境；z全面支持异地的、数字化的、采用不同设计方法的产品或工程设计；z尽可能采用自动化设计技术，实现设计工作的集成化、网络化和智能化。现代CAD系统及相关技术还在研究和发展中。‹当前CAD平台环境（基本集成开放环境）z具有专用转换接口：z支持众多的设计增值软件：z实现合作软件的无缝集成：z具有良好的系统开放性：具有统一的数据库或专用的数据转换接口，以保证平台的各功能模块可在集成状态下运行。支持完善设计环境的标准图库、符号库以及构部件设计、优化设计等应用软件。使各种支撑软件、相关的增值软件与CAD应用软件集成一体。提供多种接口和手段，方便用户进行二次开发，如提供制作用户界面工具、内嵌的程序设计语言、图形数据交换接口等。用户AutoCAD系统AutoCAD增值软件AutoCAD合作软件ABD系列软件（建筑）PKPM系列软件（结构）Ansys有限元分析软件‹CAD平台环境的发展（高级集成开放环境）z具有完备的数字化产品或工程模型定义以及产品数据管理和过程管理，使无纸设计和制造或施工一体化成为可能；z具备广域网上协同设计和虚拟设计的环境；z信息交换标准化，包括零构件标准化、产品模型定义数据标准化、图形数据标准化、异构分布环境下互操作和信息集成标准化等；z高度的系统开放性，具有各种应用接口、工具箱、语言联编等手段。9-3土木工程CAD的新发展一体化和智能化‹向设计的全过程拓展z一体化¾方案→设计→出图¾专业：建筑、结构、设备¾管理：设计→概预算→施工z智能化¾完全面向对象的参数设计¾评价设计的完善性、合理性¾引导高层次的自动分析及设计¾评估及改善设计质量集成化协同工作‹向工程设计、施工全过程拓展‹集成化显示工程的三维模型，集规划、设计、施工、管理和维护于一体，又称计算机辅助工程（CAE，ComputerAidedEngineering)‹协同工作（CSCW）z是信息处理技术与通信技术相结合的产物。z结合体¾群体工作方面知识(社会学、心理学、经济学等)¾计算机网络(硬件、软件)¾相关的技术¾有关的人员z研究重点¾群体工作方式¾协作机制¾相关技术z目的¾允许同类工作人员异地共同工作¾改善交互方式和交流环境¾减少决策时间，提高决策质量¾知识和经验易于共享和交流CAE及其研究和应用‹CAE（ComputerAidedEngineering)zCAE是面向产品生成或工程建设过程的计算机系统，提供计算机辅助生成产品或工程建设过程的标准和概念以及相应的技术基础，提供一个支持设计、生产、管理全过程的集成环境。‰数据获取和管理；‰概念设计；‰模型建立和描述；‰分析计算；‰优化设计；‰性能评价；‰文档管理；‰与生产、生产管理、市场运行等其他过程的集成。zCAE的基础：计算机科学和认知科学‹土木建筑CAE：向工程建设全过程拓展，是要实现土木建筑集成化的计算机辅助工程建设。z集成化的概念最初提出于机械制造领域，主要是指‰CAD+MIS(ManagementInformationSystem管理信息系统)‰CAPP(ComputerAidedProcessPlanning计算机辅助工艺)+MIS‰CAM(ComputerAidedManufacturing计算机辅助制造)+MIS‰CIMS(ComputerIntegratedManufacturingSystem计算机集成制造系统)：功能：z市场预测z产品设计z生产管理z售后服务z加工制造全部生产经营活动zCIMS思想应用到土木工程领域，就是实现建设规划、设计、施工以及维护管理的全过程---计算机辅助工程（ComputerAidedEngineering-―CAE），其研究涉及以下方面：‰CPDSS（ComputerPlanningDecisionSupportSystem）规划决策支持系统：利用人工智能和GIS技术，提供城市、地域乃至工程项目建设规划的方案制定和决策支持；‰CIEDS(ComputerIntegratedEngineeringDesignSystem)计算机集成工程设计系统：基于工程数据库和网络技术，实现建筑、结构、设备各专业的一体化设计；‰CIC(ComputerIntegratedConstruction)计算机集成施工：基于MIS，使建设项目各阶段实现信息共享，将设计信息应用于施工作业，并实现施工过程机械化、自动化。‰CEMMS（ComputerEngineeringMaintenancemanagementSystem）计算机工程维护管理系统：利用计算机，实现维护管理中检测信息的存储管理、分析评估，维修规划的方案制定、决策研究，维修设计计算，以及综合结构安全性和材料耐久性分析、灾害研究，对已建工程的功能及安全进行追踪管理。随着计算机技术的发展和工程建设的实际需求，计算机辅助工程所涉