智能设计

智能设计智能设计概述1知识处理2智能设计系统构造方法3主要内容简介§1智能设计概述智能设计系统是以知识处理为核心的CAD系统，是计算机辅助设计向更高阶段发展的必然。主要阐述了智能设计的产生与智能设计系统的功能构成，并以实例的形式讲解了知识的表示、获取和基于知识的推理，最后介绍了智能设计系统的构造方法和过程。§1智能设计概述1.1智能设计的产生与领域设计的本质是功能到结构的映射，包括基于数学模型的计算型工作和基于知识模型的推理型工作。产品设计是人的创造力与条件交互作用的复杂过程，难以对其建立精确的数学模型并求解，需要设计者运用多学科知识和实践经验，分析推理、运筹决策、综合评价，才能取得合理的结果。§1智能设计概述（续）对设计的全过程提供有效的计算机支持，传统CAD系统需要扩展为智能CAD系统,其领域包括1）自动方案生成自动方案生成系统由于减少了大量的人机交互步骤，充分发挥了计算机的速度，使得设计效率高。2）智能交互采用AI技术后，系统可以根据用户输入的信息自动获得更多的所需信息，从而使交互变得更简便。3）智能显示在设计方案的最终输出时，计算机自动地搭配上色彩.4）自动数据获取1、工程图纸的自动输入；2、三维模型的重建。§1智能设计概述（续）1.2智能设计系统的功能构成智能设计系统是以知识处理为核心的CAD系统，将知识系统的知识处理与一般CAD系统的计算分析、数据库管理、图形处理等有机结合起来，从而能够协助设计者完成方案设计、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。§1智能设计概述（续）1）智能设计系统的基本功能（1）知识处理功能（2）分析计算功能（3）数据服务功能（4）图形处理功能§1智能设计概述（续）2）智能设计系统的体系结构§2知识处理2.1知识的表示典型的知识表达模式有产生式规则表示、谓词逻辑表示、框架表示、语义网络表示、过程表示和不精确知识表示等。一般，深化表达宜采用框架表示和语义网络表示；表层表达宜采用产生式规则表示。产生式规则的一般表达形式为P—＞C(1)其中，P表示一组前提或状态，C表示若干个结论或事件。上式的含义是“如果前提P满足则可推出C(或应该执行动作C)”。前提P和结论C可以进一步表达为：P=P1^…^Pm，C=C1^…^Cn，符号“^”表示“与”的关系。于是，式(1)可以细化为P=P1^…^Pm—＞C=C1^…^Cn(2)§2知识处理（续）“产生式”是一种逻辑上具有因果关系的表示模式。它在语义上表示“如果A，则B”的因果关系。产生式规则的存储结构可以采用多种形式，最常用的是链表结构，其基本形式如下图3所示。规则1规则体前提表结论表...规则n规则体前提表结论表图9.2-2规则的存储结构链表链表链表链表前提1前提2结论1结论2前提1前提2结论1结论2图3规则的存储结构§2知识处理（续）由图3可知，一条产生式规则用一个基本的结构体存放。该结构体包含两个指针，分别指向规则的前提和规则的结论，而规则的前提和结论分别又由链表构成。知识的装入和保存过程与规则的结构相关，一般在系统开发时需要确定好知识库文件的存取格式，常用的格式有文本格式或二进制格式。§2知识处理（续）知识库采用文本格式时，每条规则的表达可以与规则的逻辑表达形式一致，例如，Rule1If(为（加工方式，外圆加工）)And(为(加工表面，淬火表面)Then(选用(加工机床，外圆磨床类机床)……Rule2If（选用(加工机床，外圆磨床类机床))And(为(加工零件的精度要求，一般精度要求))Then(选用(加工机床．万能外圆磨床))§2知识处理（续）Rule3If(选用(加工机床．外圆磨床类机床))And(为(加工零件的精度要求，高精度要求))Then（选用(加工机床，高精度外圆磨床))……§2知识处理（续）§2知识处理（续）对应上述规则集合的推理网络如图规则5规则4规则1规则3规则2规则6加工表面为淬火表加工方式为外圆加工加工方式为平面加工加工方式为车端面外圆磨床类机床加工零件的精度为一般精度要求车床类机床高精度外圆磨床加工零件的精度为高精度要求万能外圆磨床万能机床§2知识处理（续）2.2知识获取知识获取就是把用于问题求解的专门知识从某些知识源中提炼出来，将之转换成计算机内可执行代码的过程。知识源就是知识获取的对象，知识的来源是多种多样的，可从书本文献中得到；也可从领域专家处得到。知识获取系统最难获取的就是领域专家的经验知识。知识来源的复杂性决定了知识获取的复杂性。1）知识获取的任务§2知识处理（续）知识获取过程之一是提炼知识，应做到以下四点：（1）准确性：获取到的知识应能准确地代表领域专家的经验和思维方法。（2）可靠性：这种知识能被大多数领域专家所公认和理解，并能经得起实践的验证。（3）完整性：检查或保持已获取知识集合的一致性或无矛盾性和完整性。（4）精炼性：尽量保证已获取的知识集合无冗余。§2知识处理（续）2）知识获取的方法知识获取由从外部取得信息和在系统内部体系化这两种功能组成。获取方法按其能力可分为以下四类：（1）无推理能力的知识获取方法(即人工获取方法)。（2）利用知识编辑工具的知识获取方法(即半自动知识获取方法)。（3）具有推理能力的知识获取方法(即自动知识获取方法)。它又可分为演绎式和归纳式等。（4）超水平的自主式知识获取方法§2知识处理（续）3）知识的获取的步骤知识获取过程大体分三个步骤：知识获取过程大体分三个步骤：知识获取过程大体分三个步骤：(1)识别领域知识的基本结构，寻找相对应的知识表示方法，这是知识获取最为困难的第一步。(2)抽取细节知识转换成计算机可识别的代码。(3)调试精练知识库。§2知识处理（续）2.3知识的应用1）推理方法与策略一个性能良好的推理机满足如下基本要求：（1）高效率的搜索和匹配机制（2)可控制性系统的推理过程应该是可控制的。（3）可观测性即过程及状态的透明性。（4）启发性能在不确定、不完全的知识环境下工作，能够在信息不充分的条件下进行试探性求解。§2知识处理（续）推理机设计包括两方面内容：推理方法与推理控制策略。推理方法研究的是前提与结论之间的种种逻辑关系及其信息传递规律等，控制策略则是指导推理过程中进行搜索的策略。§2知识处理（续）推理方法可以分为多种类型。按推理方式可分为演绎推理和归纳推理；按推理过程中的确定性可分为精确推理和不精确推理，按推理的单调性可分为单调推理和非单调推理。§2知识处理（续）搜索方向包括正向搜索、反向搜索和混合搜索(1)正向搜索是沿着有向弧所指的方向在图上进行搜索的方法。(2)反向搜索是沿着有向弧所指的反方向在图上进行搜索的方法。(3)混合搜索是上述两种方法的结全．是从源结点和目标结点两头分别以正向和反向进行搜索，以便在中间某处会合，这种双向搜索若能在某结点会合就称搜索成功。§2知识处理（续）推理中的搜索策略分为盲目搜索及启发式搜索两大类。深度优先搜索和广度优先搜索都属盲目搜索策略，其特点是：(1)搜索按规定的路线进行，不使用与问题有关的启发性信息。(2)适用于其状态空间图是树状结构的一类问题。§2知识处理（续）2）正向推理正向推理是从已知事实(数据)到结论的推理，也叫事实驱动或数据驱动推理。其基本思想是由用户事先提供一批事实并放入事实库中。推理机将这些事实与规则的前提条件进行匹配．把匹配成功的规则的结论作为新事实加入事实库，并继续上述过程．将更新的事实库中所有事实再与规则相匹配，直到没有可匹配的规则为止。其基本算法描述如下：§2知识处理（续）(1)用户提供一批事实并放入事实库中；(2)将事实库中的事实与知识库中的规则的前提条件进行比较(匹配)；(3)如果匹配成功，则将匹配成功的规则的结论部分作为新的事实添加到事实库中；(4)如果事实库中的事实与知识库中的规则可以继续进行匹配，则转(2)．否则，正向推理过程结束。正向推理的一种详细算法流程如图6和图7所示。§7.2知识处理（续）图6正向推理机启动程序流程§2知识处理（续）图7正向推理主推理机§2知识处理（续）热处理方式热处理方式热处理方式调质整体淬火表面淬火Rule3齿轮形式齿轮材料冲击情况齿轮结构尺寸齿面形式齿轮结构尺寸软齿面40Cr中等冲击紧凑的硬齿面非紧凑的Rule4Rule5应用性质载荷情况载荷情况应用性质一般应用轻载重载重要应用图9.3-11齿轮热处理方式推理简例Rule1Rule2以图8所示知识推理树为例，扼要说明正向推理过程及其实现方法。图8齿轮热处理方式推理树简例§2知识处理（续）假设用户首先提供初始事实为：“齿轮材料为40Cr、冲击情况为中等冲击”。推理过程如下：知识库Rule1事实变量名称变量值if[为（齿面形式，软齿面）]齿面形式and[选用(齿轮材料,40Cr)]齿面材料40Crand[为(冲击情况，中等冲击)]冲击情况中等冲击then[采用(热处理方式，调质)]热处理方式Rule2齿轮结构尺寸if[选用(齿轮材料,40Cr)]应用性质and[为(冲击情况，中等冲击)]载荷情况and[是(齿轮结构尺寸，紧凑的)]and[为(齿面形式，硬齿面)]then[采用(热处理方式，整体淬火)]Rule3if[选用(齿轮材料,40Cr)]and[为(冲击情况，中等冲击)]and[是(齿轮结构尺寸，非紧凑的)and[为(齿面形式，硬齿面)]then[采用(热处理方式，表面淬火)]Rule4if[为(载荷情况，轻载)]and[为(应用性质，一般应用)]规则序号前提序号then[选用(齿面形式，软齿面)]Rule5if[为(载荷情况，重载)]and[为(应用性质，重要应用)]then[选用(齿面形式，硬齿面)]事实变量表9.3-12推理机所需数据结构及初始状态堆栈事实变量队列齿轮材料图9推理机所需数据结构及初始状态§2知识处理（续）(1)系统得到初始事实，将事实变量“齿轮材料、冲击情况”加入事实变量队列；(2)系统从事实变量队列中取出队首的值：“齿轮材料”，并检索出事实变量“齿轮材料”包含在规则l中。于是，推理机将规则序号1和前提序号1压入堆栈并开始处理规则l(见图9所示状态)；(3)系统检索到规则l中第l条前提变量“齿面形式”为规则4的结论，于是系统将规则4的序号及其第1条前提的序号l压人堆栈井开始处理规则4(图10)；§2知识处理（续）…4III…规则序号提前序号图9.3-13推理过程中间状态1堆栈齿轮材料事实变量队列知识库if[为(载荷情况，轻载)]and[为(应用性质，一般应用)]then[选用(齿面形式，软齿面)]Rule4图10推理过程中间状态1§2知识处理（续）(4)规则4有两条前提“应用性质”和“载荷情况”。由于这两条前提对应的事实变量均没有给定初始值，系统将提示用户，并接受用户输入相应的事实；(5)设用户的响应是“应用性质为重要应用、载荷情况为重载”；(6)系统匹配第4条规则的if部分，由于规则4的第l条前提为“应用情况为一般应用”，与用户输入的事实不一致，规则4被否定并置否定标志。规则序号4及前提序号1从堆栈中弹出。由于规则4被否定，则规则1也被否定，规则序号l及前提序号1也从堆栈中弹出；(7)推理机继续搜索知识库，检索出事实变量“齿轮材料”包含在规则2中，于是，推理机将规则序号2和前提序号l压入堆栈并开始处理规则2(见图11所示状态)；§2知识处理（续）…Rule2if[选用(齿轮材料,40Cr)]and[为(冲击情况，中等冲击)]2Iand[是(齿轮结构尺寸，紧凑的)]规则序号提前序号and[为(齿面形式，硬齿面)]then[采用(热处理方式，整体淬火)]Rule3if[选用(齿轮材料,40Cr)]…事实变量队列齿轮材料堆栈知识库图9.3-14推理过程中间状态2图11推理过程中间状态2§2知识处理（续）(8)规则2有4条前提，推理机逐一处理．分别获得新的事实，设为“冲击情况为中等冲击、齿轮结构尺寸是紧凑的”。由于最后一条前提又是规则5的结论，于是推理机又将规则序号5和前提序号1压入堆栈，并开始处理规则5（见图12所示的状态）§2知识处理（续）图12推理过程