第8章智能CAD与设计型专家系统

1、 传统的传统的CAD技术都以数值计算为基础，它不包括符号推理技术都以数值计算为基础，它不包括符号推理，即没有分析问题和解决问题的能力。，即没有分析问题和解决问题的能力。第第8 8章章 智能智能CADCAD与设计型专家系统与设计型专家系统8.1 8.1 智能智能CADCAD的概念及其发展的概念及其发展8.1.1 8.1.1 传统传统CADCAD技术的局限性技术的局限性一般来讲，工程设计大致可以分为两种工作：一般来讲，工程设计大致可以分为两种工作：一类是数值计算，包括计算、分析、绘图等一类是数值计算，包括计算、分析、绘图等; 另一类是符号推理，包括方案设计、评价、决策、结构设另一类是符号推理，包括

2、方案设计、评价、决策、结构设计等。计等。 (4) ICAD支持复杂产品设计的范围应包括产品需求分析、方案支持复杂产品设计的范围应包括产品需求分析、方案设计、结构设计、可制造性分析、工程分析、优化设计、可靠性设设计、结构设计、可制造性分析、工程分析、优化设计、可靠性设计、详细设计和运动仿真等环节。计、详细设计和运动仿真等环节。 8.1.2 8.1.2 智能智能CADCAD的概念的概念 智能智能CAD是人工智能（是人工智能（AI）和）和CAD技术相结合的一门综合性技术相结合的一门综合性研究领域，其英文名为研究领域，其英文名为Intelligent CAD，简写为，简写为ICAD。 定义：定义：IC

3、AD是一种由多个智能体（或称专家系统）与多种是一种由多个智能体（或称专家系统）与多种CAD功能模块有机集成的支持产品设计的复杂系统。功能模块有机集成的支持产品设计的复杂系统。(1) ICAD是传统是传统CAD技术与专家系统技术的有机集成。技术与专家系统技术的有机集成。(2) ICAD中一般包含有多个专家系统，或称智能体中一般包含有多个专家系统，或称智能体 (3) ICAD系统应该是为复杂产品的创新设计、革新设计或变型系统应该是为复杂产品的创新设计、革新设计或变型设计提供支持环境或工作平台。设计提供支持环境或工作平台。 集成化智能设计（集成化智能设计（integrated intelligent

4、 CAD，IICAD）系统是智能）系统是智能CAD的高级阶段，代表了的高级阶段，代表了ICAD的发的发展方向。展方向。8.1.3 8.1.3 智能智能CADCAD的发展的发展 根据智能化的水平，可将根据智能化的水平，可将ICAD的发展分为初级和高的发展分为初级和高级两个阶段。级两个阶段。1 1ICADICAD的初级阶段的初级阶段设计型专家系统设计型专家系统 2 2ICADICAD的高级阶段的高级阶段面向动态联盟的集成化智能面向动态联盟的集成化智能设计系统设计系统 方案的形成过程可以看作为一个推理的过程，方案的形成过程可以看作为一个推理的过程，它的输它的输入是已有的设计数据和设计知识入是已有的设

5、计数据和设计知识，ICAD系统借助于推理，系统借助于推理，如正向推理、反向推理、混合推理等，由计算机得出设计如正向推理、反向推理、混合推理等，由计算机得出设计的方案。的方案。8.2 8.2 智能智能CADCAD的方法与应用的方法与应用8.2.1 8.2.1 面向方案形成过程的智能面向方案形成过程的智能CADCAD方法方法 方案是一个设计的核心，它表示设计结果或接近设计方案是一个设计的核心，它表示设计结果或接近设计结果，所以，智能结果，所以，智能CAD的一类方法，自然是面向方案形的一类方法，自然是面向方案形成过程的，具体如下：成过程的，具体如下：1 1基于推理的设计方法基于推理的设计方法 方案的

6、形成过程可以看成是一个约束满足问题，即所方案的形成过程可以看成是一个约束满足问题，即所有的设计要求与限制都可被看作是对变量的约束，而最终有的设计要求与限制都可被看作是对变量的约束，而最终的方案则是满足所有的约束条件后的设计。的方案则是满足所有的约束条件后的设计。2 2基于搜索的方法基于搜索的方法 如果把设计的各种可能的方案组合成为设计空间，那如果把设计的各种可能的方案组合成为设计空间，那么设计过程可被看成是在设计空间中的解的搜索，设计的么设计过程可被看成是在设计空间中的解的搜索，设计的结果即是对应于设计空间中的某个点（一种设计方案）。结果即是对应于设计空间中的某个点（一种设计方案）。3 3基于

7、约束满足的设计方法基于约束满足的设计方法 (4) 根据一定的策略将新实例加入到实例库中。根据一定的策略将新实例加入到实例库中。8.2.2 8.2.2 基于设计对象表达的智能基于设计对象表达的智能CADCAD方法方法 从设计对象表达的角度出发，人们提出了更适合于设计问题从设计对象表达的角度出发，人们提出了更适合于设计问题求解的智能求解的智能CAD方法：方法：基于实例的设计方法基于实例的设计方法（CBD）和）和基于原基于原型的设计方法型的设计方法（PBD）。）。1基于实例的设计方法一个典型的一个典型的CBD过程包括以下步骤：过程包括以下步骤：(1) 根据当前的设计问题从实例中检索出相应的实例。根据

8、当前的设计问题从实例中检索出相应的实例。 (2) 调整该实例中的求解方案，使之适合于求解当前的设计调整该实例中的求解方案，使之适合于求解当前的设计问题。问题。 (3) 求解当前设计问题并形成新的实例。求解当前设计问题并形成新的实例。2 2基于原型的设计方法基于原型的设计方法 设计原型是一些经验性的设计要素的组合，概括了一设计原型是一些经验性的设计要素的组合，概括了一类事物的基本特征或共同属性，是对一类事物的抽象。类事物的基本特征或共同属性，是对一类事物的抽象。一类设计对象的原型可用如下方式表示：一类设计对象的原型可用如下方式表示：原型知识原型知识=原型原型+变换规则变换规则+范例范例原型原型=

9、子原型子原型+结构关系结构关系+特性特性基于原型的设计系统须具备以下两种学习能力：基于原型的设计系统须具备以下两种学习能力：(1) 从实例中进行学习。从实例中进行学习。(2) 从类比中进行学习。从类比中进行学习。 8.2.3 8.2.3 智能智能CADCAD的应用的应用1 1自动方案生成自动方案生成2 2智能交互智能交互3 3智能显示智能显示 人类提出设计的要求，有计算机来模拟设计人类提出设计的要求，有计算机来模拟设计师，自动地设计出形式多样的且能满足设计要求师，自动地设计出形式多样的且能满足设计要求的设计方案来。的设计方案来。系统可以用户的输入信息为基础，通过计算机已具系统可以用户的输入信息

10、为基础，通过计算机已具备的知识和推理自动获得更多的信息。此外，结合备的知识和推理自动获得更多的信息。此外，结合数据库技术和自然语言理解，计算机只要接受用户数据库技术和自然语言理解，计算机只要接受用户简短的语言描述，就可以知道输入什么图形。简短的语言描述，就可以知道输入什么图形。自动搭配色彩；真实感方面自动搭配色彩；真实感方面4 4自动数据获取自动数据获取 8.3 8.3 知识的表示知识的表示 知识是人类对于客观事物规律性的认识。知识可划分知识是人类对于客观事物规律性的认识。知识可划分为两个层次，即领域知识和元知识，其中元知识是为两个层次，即领域知识和元知识，其中元知识是“关于关于知识的知识知识

11、的知识”。 知识的表示就是研究如何用最合适的形式来组织知识，知识的表示就是研究如何用最合适的形式来组织知识，使其对所需解决的问题最为有利。使其对所需解决的问题最为有利。 8.3.1 8.3.1 谓词逻辑谓词逻辑 1 1命题演算命题演算 2 2谓词演算谓词演算 知识用规则表示的专家系统，称为基本规则的专家系统或知识用规则表示的专家系统，称为基本规则的专家系统或称为产生式系统，这是专家系统中用得最多的一种知识表示称为产生式系统，这是专家系统中用得最多的一种知识表示方法。一个产生式系统由方法。一个产生式系统由规则库规则库、综合数据库综合数据库和和推理机推理机三个三个部分组成。部分组成。 8.3.2

12、8.3.2 框架结构框架结构框架是一种描述立体形态的数据结构。框架是一种描述立体形态的数据结构。8.3.3 8.3.3 产生式表示法产生式表示法IF 且且 且且 THEN 1 1规则库规则库 产生式系统中所有规则组成的集合称为规则库，或称产生式系统中所有规则组成的集合称为规则库，或称为知识库。为知识库。 产生式规则实质上就是一个以产生式规则实质上就是一个以 IF x为真，为真，THEN执行执行y的形式表示的语句，即：的形式表示的语句，即：2 2综合数据库综合数据库 综合数据库有时也称作语境（上下文），它是规则所涉综合数据库有时也称作语境（上下文），它是规则所涉及的对象。及的对象。 工程设计专家

13、系统数据库中的数据结构，多半采用树结工程设计专家系统数据库中的数据结构，多半采用树结构或层次性的树或网状结构。构或层次性的树或网状结构。3 3推理机推理机 推理机可以根据当前语境的状态，控制下一步应选择哪推理机可以根据当前语境的状态，控制下一步应选择哪一个规则。一个规则。产生式系统的最大特点是产生式系统的最大特点是模块性模块性和和自然性自然性。 似然推理和模糊推理是不精确推理的两种主要表现形式。似然推理和模糊推理是不精确推理的两种主要表现形式。 8.4 8.4 知识推理知识推理目前，常用的推理方法有以下四类：目前，常用的推理方法有以下四类：(1) 演绎推理。演绎推理。 演绎推理也称为单调推理。

14、演绎推理是在已知领域一般演绎推理也称为单调推理。演绎推理是在已知领域一般性知识的前提下，通过演绎求解一个具体问题或证明一个结性知识的前提下，通过演绎求解一个具体问题或证明一个结论的正确性。论的正确性。(2) 归纳推理。归纳推理。 归纳推理则是一种需要有知识生殖的过程，即它是由一归纳推理则是一种需要有知识生殖的过程，即它是由一类事物的大量事例推出该类事物普遍规律的一种推理方法。类事物的大量事例推出该类事物普遍规律的一种推理方法。(3) 不精确推理。不精确推理。(4) 非单调推理。非单调推理。 非单调推理中，较为典型的推理形式有默认逻辑和约非单调推理中，较为典型的推理形式有默认逻辑和约束逻辑。束逻

15、辑。 专家系统中，推理以知识库中的已有知识为基础，是专家系统中，推理以知识库中的已有知识为基础，是一种基于知识的推理，基于知识的推理的计算机实现构成一种基于知识的推理，基于知识的推理的计算机实现构成推理机。推理机。 这种基于规则的推理系统，其推理方法有这种基于规则的推理系统，其推理方法有正向推理正向推理、反向推理反向推理和和正反向混合推理正反向混合推理。8.5 8.5 设计型专家系统设计型专家系统8.5.1 8.5.1 专家系统的基本结构专家系统的基本结构 一个较为完整的专家系统的基本结构如图一个较为完整的专家系统的基本结构如图8.2所示，它由六个部所示，它由六个部分组成。分组成。 (1) 知

16、识库。它是领域知识的存贮器，用以存放一定形式表达知识库。它是领域知识的存贮器，用以存放一定形式表达的专家知识、经验和书本知识及常识，以备系统推理判断用。的专家知识、经验和书本知识及常识，以备系统推理判断用。 (2) 综合数据库。它用于存贮某一领域内的固有数据和在推理综合数据库。它用于存贮某一领域内的固有数据和在推理过程中得到的各种中间信息。过程中得到的各种中间信息。图图8.2 专家系统的基本结构专家系统的基本结构 (3) 推理机。推理机。 推理机是一组程序，用来控制推理的过程。推理机是一组程序，用来控制推理的过程。 (4) 解释模块。解释模块。 负责对推理给出必要的解释，为用户了解系统的推负责

17、对推理给出必要的解释，为用户了解系统的推理过程、向系统学习和维护系统提供方便，使用于易于接理过程、向系统学习和维护系统提供方便，使用于易于接受。受。(5) 知识获取模块。知识获取模块。 负责维护知识库的一致性，在帮助提取知识的过程负责维护知识库的一致性，在帮助提取知识的过程中提取知识的构造、排错和更新功能，使知识库能够中提取知识的构造、排错和更新功能，使知识库能够根据专家的要求，方便的建立、扩充和维护。根据专家的要求，方便的建立、扩充和维护。(6) 人机接口。人机接口。 负责管理并执行用于、领域专家与系统之间的对负责管理并执行用于、领域专家与系统之间的对话通信。话通信。 专家系统能不断地接纳新

18、知识，修改原有知识，以使专家系统能不断地接纳新知识，修改原有知识，以使自身在工程实践中日趋完善。自身在工程实践中日趋完善。 8.5.2 8.5.2 设计型专家系统的特点设计型专家系统的特点专家系统的共有特点如下：专家系统的共有特点如下： (1) 具有丰富的知识和科学的推理能力。具有丰富的知识和科学的推理能力。(2) 具有透明性的特点。具有透明性的特点。 专家系统具有很强的解释功能和咨询功能，即正确、专家系统具有很强的解释功能和咨询功能，即正确、详细地解释推理的过程和作出结论的理由。详细地解释推理的过程和作出结论的理由。(3) 具有灵活性的特点。具有灵活性的特点。此外，设计型专家系统还有如下特点：此外，设计型专家系统还有如下特点：1 1常采用常采用“设计设计评价评价再设计再设计”的设计过程模型的设计过程模型 2 2设计过程决策、技术问题决策及判断决策需要多种设计过程决策、技术问题决策及判断决策需要多种资源支持资源支持 图图8.5 知识的获取方法知识的获取方法8.5.3 设计型专家系统的建立设计型专家系统的建立1知识库的建造 (1) 知识的获取知识的获取 第一种方法第一种方法如图如图8.5（a），是通过知识工程师从领域专家处，是通过知识工程师从领域专家处获取知识。获取知识。 第二种方法第二种方法如图