15章智能设计19讲

先进设计系统2020年3月29日7时6分第15章智能设计1先进设计系统机械系统设计第8章生产线第9章概念设计第10章总体设计第11章详细设计第12章设计评价第13章创新设计第14章虚拟设计第15章智能设计先进设计系统2020年3月29日7时6分第15章智能设计2第15章智能设计15.1智能设计的基本问题15.2智能设计系统的建造15.3基于实例的知识处理15.4知识处理系统的实现先进设计系统2020年3月29日7时6分第15章智能设计315.1智能设计的基本问题15.1.1智能设计的概念与发展15.1.2知识的层次、类型和特性15.1.3智能设计的3个基本问题先进设计系统2020年3月29日7时6分第15章智能设计415.1.1智能设计的概念与发展1.从人工智能到智能工程2.从CAD到IICAD3.智能设计的概念先进设计系统2020年3月29日7时6分第15章智能设计515.1.1智能设计的概念与发展智能是知识以及运用知识以解决问题的能力的总和。设计是信息处理的过程，也是知识加工的过程。设计活动是人类特有的一种智能行为。设计史就是智能设计史。IntelligentDesign千百年来，设计依靠人类智能和手工操作。传统设计主要依靠人的灵感，群策群力，当前这种方法仍起着重要的作用，1946年，计算机问世后被迅速用于辅助设计，加快了设计中的数值计算和图形处理，CAD先进设计系统2020年3月29日7时6分第15章智能设计615.1.1智能设计的概念与发展1.从人工智能到智能工程人工智能(ArtificialIntelligence，AI)：1956年，机器智能目标是研究人类智能的基本机理，如何使计算机更“聪明”目的是用计算机来模拟人类智能活动专家系统（ExpertSystem，ES）：60年代中期以后，基于知识的，使人工智能真正走向实际应用。知识工程(KnowledgeEngineering，KE)：70年代后期，人工智能又从具体研究逐渐回到一股研究。从各种不同类型的专家系统和知识处理系统中抽取共性智能工程(IntelligentEngineering，IE)：进入80年代以后，CIMS引领了制造业的技术发展方向。针对像CIMS这样的复杂系统，加拿大提出。先进设计系统2020年3月29日7时6分第15章智能设计715.1.1智能设计的概念与发展2.从CAD到IICAD起源于60年代的CAD技术以数值计算为基础（1）CAD→ICADID初级阶段是设计型专家系统CAD计算型工作ICAD推理型工作CAD+知识处理技术=ICADIntelligentCADICAD=数据库+图形库+知识库+推理机（2）ICAD→IICADID的高级阶段是人机智能化设计系统先进设计系统2020年3月29日7时6分第15章智能设计815.1.1智能设计的概念与发展2.从CAD到IICAD（1）CAD→ICADID初级阶段是设计型专家系统（2）ICAD→IICADID的高级阶段是人机智能化设计系统进入90年代以后，在CIMS的集成环境下，不许将设计活动划分为计算型、推理型工作彼此相间的独立结构。ICAD系统+集成功能=IICADIntegratedIntelligentCAD两者的区别：1）设计型专家系统只处理单一领域知识的符号推理问题；人机智能化设计系统则要处理多领域和大规模知识。2）设计型专家系统只解决某一领域的特定问题，较孤立；人机智能化设计系统面向整个设计过程，是开放的结构。先进设计系统2020年3月29日7时6分第15章智能设计915.1.1智能设计的概念与发展2.从CAD到IICAD（1）CAD→ICADID初级阶段是设计型专家系统（2）ICAD→IICADID的高级阶段是人机智能化设计系统ICAD系统+集成功能=IICADIntegratedIntelligentCAD图15-集成化智能CAD系统用于求解复杂问题集成表示获取知识IICAD系统管理先进设计系统2020年3月29日7时6分第15章智能设计1015.1.1智能设计的概念与发展要求功能产品构思产品概念市场数据设计数据制造数据纪录模型/表现计算力学评价最优化图15-1设计中的3个方面具有模糊性是设计问题的本质。设计问题不可能全部用计算机来处理。智能设计所面临的问题是：如何让计算机来辅助设计人员进行创造性的活动？图15-1，理论方面和经验方面，多数可用计算机为主要手段来进行信息处理。概念方面是最有创造性的突破点在于充分利用计算机保证设计的高质量和高效率先进设计系统2020年3月29日7时6分第15章智能设计1115.1.1智能设计的概念与发展3.智能设计的概念IntelligentDesign智能设计就是基于知识的自动化处理的设计。知识处理包括知识表示、知识利用和知识获取。专家系统是在特定领域中的一套计算机程序，它具有专家工作时利用知识和推理解决问题的能力。知识工程是从人类专家处获得知识，并把它表示在计算机内的技术。智能工程是借助于计算机对知识的自动化处理和应用技术。它研究面对复杂问题建立集成化智能软件系统的技术。智能设计是智能工程与设计理论相结合的产物。智能设计是智能工程在设计领域中应用的结果。人工智能是以计算机模拟人的智能为目标，特点是对符号信息系统的自动处理先进设计系统2020年3月29日7时6分第15章智能设计1215.1.1智能设计的概念与发展3.智能设计的概念智能设计基于知识处理知识处理包括知识表示知识利用知识获取图15-材料处理与知识处理的对比决策问题知识源原材料材料处理及使用知识处理及使用机械加工技术扩大材料用途知识处理技术扩大知识用途知识库知识库使用n1n2先进设计系统2020年3月29日7时6分第15章智能设计1315.1智能设计的基本问题15.1.1智能设计的概念与发展15.1.2知识的概念、特性和分类15.1.3智能设计的3个基本问题先进设计系统2020年3月29日7时6分第15章智能设计1415.1.2知识的概念、特性和分类1.知识与数据和信息的关系知识是人类对于客观事物规律性的认识和在实践中所积累的经验的总和。知识是人脑创新的成果，是人类智慧的结晶。知识是信息综合处理的结果；信息是数据分析处理的结果；数据包括事实和数字，是未经处理的事实和概念。例1今天，张三，体温，39℃图15-2知识与数据和信息的关系综合数据分析信息知识先进设计系统2020年3月29日7时6分第15章智能设计1515.1.2知识的概念、特性和分类2.知识的6个特性1）知识的客观性。人类对自然、社会、思维规律的认识是客观的。2）知识的相对性。人类的认识必须有一个过程，可能发生变化。3）知识的进化性。真理的长河不断加入新内容，知识不断更新。4）知识的依附性。知识有载体，载体分层次。知识随载体消失。5）知识的再用性。知识在使用中可以反复重用，也要灵活应用。6）知识的共享性。科学知识具有共享性。最新的技术知识受知识产权法保护，使用者支付费用才能获得使用权。先进设计系统2020年3月29日7时6分第15章智能设计1615.1.2知识的概念、特性和分类3按知识的层次性分4类事实对客观事物属性的描述，公认的。麻雀会飞规则可分解为前提和结论。如果春天来了，则燕子就要飞回来了规律是事物之间内在的必然联系带变量的规则创新是系统发展的动力。推理方法：可从已知的知识推出新知识。演绎、归纳、联想、综合、预测图15-3知识的层次推理方法规律规则事实特有经验个性知识原理性知识共性知识先进设计系统2020年3月29日7时6分第15章智能设计1715.1.2知识的概念、特性和分类4.按知识的使用性质分3类1）陈述性知识。使人们知道“是什么”。提供概念和事实描述系统状态、环境和条件。2）过程性知识。使人们知道“怎么做”。提供状态的变化、问题求解过程的操作。3）控制性知识。用控制策略表示问题的知识。元知识是“关于知识的知识”。各种处理过程、策略和结构的知识例3凸轮的整个生产过程的知识（设计、制造和检验3个基本环节）：1）陈述性知识：凸轮传动的原理、凸轮的结构、性能和特点2）过程性知识：凸轮设计、凸轮制造、凸轮检验的知识等。3）控制性知识：如何集成于一个自动化过程，如何解决冲突领域知识先进设计系统2020年3月29日7时6分第15章智能设计1815.1智能设计的基本问题15.1.1智能设计的概念与发展15.1.2知识的层次、类型和特性15.1.3智能设计的3个基本问题先进设计系统2020年3月29日7时6分第15章智能设计1915.1.3智能设计的3个基本问题智能设计一般需要解决3个基本问题：（1）设计知识建模（2）知识利用（3）智能设计系统的建立先进设计系统2020年3月29日7时6分第15章智能设计2015.1.3智能设计的3个基本问题（1）设计知识模型的建立设计一般包括两类工作：①计算型工作：数值处理，计算、分析、绘图等，基于数学模型②推理型工作：符号推理，方案设计、评价、决策等，基于知识模型设计知识模型的建立，即知识库的建造，知识库是合理组织的关于某一特定领域的知识的集合。模型是客观世界的抽象，它既能表示复杂对象的结构和特征，又能表示特定领域的基本原理。设计知识模型的内容包含两个方面：①设计对象的知识模型，即对设计对象本身所涉及的各种知识建立相应模型②设计过程的知识模型，即建立设计过程的规划、协同控制及评价决策等模型先进设计系统2020年3月29日7时6分第15章智能设计2115.1.3智能设计的3个基本问题（1）设计知识建模建立设计知识模型的步骤：1）确定知识模型的内容2）研究模型的表示方法这种表示方法既能对知识模型进行逻辑描述，又能对知识模型的计算机化进行可操作性描述。3）研究相应的建模方法要具体解决如下问题如何从需求出发，定义知识模型？如何进行逻辑设计？如何在计算机上实现？先进设计系统2020年3月29日7时6分第15章智能设计2215.1.3智能设计的3个基本问题（2）知识利用的内容①推理：研究各种推理方法与模式，研究前提与结论之间的各种逻辑关系及其可信度因子的传递规则等。②搜索：研究各种搜索策略与方法，研究怎样从一个巨大的状态空间中搜索满足给定条件的对象或问题的解。“摸着石头过河”就是搜索③管理：对知识库的各种操作，如检索、增加、删除与修改，以及如何保证知识库中知识的一致性和完整性等问题。④规划：将一个大的问题划分为若干子问题，分别求解后将子问题的解综合成原问题的解。先进设计系统2020年3月29日7时6分第15章智能设计2315.1.3智能设计的3个基本问题（2）知识利用的内容②搜索：搜索方法分为两类：A）盲目搜索=穷尽搜索：勇往直前a)深度优先搜索法b)宽度优先搜索法。B）启发式搜索=经验搜索：随机应变a)爬山法b)最佳优先搜索法先进设计系统2020年3月29日7时6分第15章智能设计2415.1.3智能设计的3个基本问题（2）知识利用的内容②搜索：A）盲目搜索a)深度优先搜索法b)宽度优先搜索法图15-深度优先搜索法图15-宽度优先搜索法先进设计系统2020年3月29日7时6分第15章智能设计2515.1.3智能设计的3个基本问题（3）智能设计系统的概念IDS智能设计系统是以知识处理为核心的CAD系统。它将知识系统的知识处理能力同常规CAD系统的计算分析能力、数据库管理与服务能力、图形处理能力等有机地结合起来，从而可以协助设计者完成诸如方案设计、参数选择、性能分析、结构设计、图形处理等不同阶段、不同复杂程度的设计任务。先进设计系统2020年3月29日7时6分第15章智能设计2615.1.3智能设计的3个基本问题（3）智能设计系统的概念IDSIDS的概念强调了以下思想：1）IDS是常规CAD技术与专家系统技术的有机集成2）IDS中一般包含有多个专家系统，或称智能体Agent，它们独自负责解决某个单一领域的设计问题，但又是分布式的，协同工作3）IDS是为复杂产品的设计提供功能强大的支持环境，不只是针对某类产品设计的专用系