人工智能与专家系统及PDM

1、第五章 人工智能与专家系统及PDM罗天洪 博士 副教授重庆交通大学机电与汽车工程学院1.人工工智能的的定义人工智能能(Artificial Intelligence)的定义义也可以以描述为为：研究究用机器器来模拟拟人类的的诸如理理解语言言、学习习、推理理和解决决问题等等智能活活动，模模拟和探探索人的的感觉和和思维过过程的规规律而设设计出类类似人的的某些智智能的自自动机的的科学。其最终终目标是是为程序序和计算算机最大大限度地地解放人人类真实实智能，将人类类从繁琐琐的脑力力劳动中中解放出出来。 目前通常常所说的的人工智智能是指指借助技技术和理理论手段段，应用用数学方方法和（或）数数字逻辑辑研究智智

2、能的各各个方面面的问题题。简言言之，就就是研究究如何用用人工的的方法与与技术，即利用用计算机机等工具具，模拟拟、延伸伸和扩展展人的智智能，实实现某些些机器思思维或脑脑力劳动动的自动动化。1956年夏季季，达特特莫斯大大学的麦麦卡锡、哈佛大大学的明明斯基、贝尔实实验室的的申农和和IBM公司的的洛切斯斯特，邀邀请了一一批年轻轻科学家家，共同同探讨用用机器模模拟人工工智能的的问题，其中包包括后来来著名的的人工智智能专家家塞缪尔尔、纽厄厄尔和西西蒙等人人。在这这次会上上，麦卡卡锡提议议使用“人工智智能AI”（Artificial Intelligence）这一术术语。从从此，人人工智能能作为一一门学科

3、科正式诞诞生了。同年，塞塞缪尔研研制了一一个跳棋棋程序。1959年这这个程序序击败了了塞缪尔尔本人，1962年又又击败了了一个州州冠军。2 人工工智能的的起源与与发展1948年，美美国数学学家诺伯伯特维纳出版版了控控制论（或动物与与机器的的控制与与机器传传播）一书，创立了了控制论论。同年年，美国国数学家家申农发发表了通讯的的数学理理论，创立了了信息论论。这时时，人工工智能作作为一门门学科诞诞生的条条件已经经基本成成熟。(1)、人工智智能诞生生：1956年夏季季，达特特莫斯大大学的麦麦卡锡（后被人人誉为人人工智能能之父）、哈佛佛大学的的明斯基基、贝尔尔实验室室的申农农和IBM公司的洛洛切斯特特，

4、邀请请了一批批年轻科科学家，共同探探讨用机机器模拟拟人工智智能的问问题，其其中包括括后来著著名的人人工智能能专家塞塞缪尔、纽厄尔尔和西蒙蒙等人。在这次次会上，麦卡锡锡提议使使用“人人工智能能 AI”（Artificial Intelligence）这一术术语。从从此，人人工智能能作为一一门学科科正式诞诞生了。同年，塞塞缪尔研研制了一一个跳棋棋程序。1959年这这个程序序击败了了塞缪尔尔本人，1962年又又击败了了一个州州冠军。(2)、西蒙简简介西蒙是人人工智能能和认知知心理学学派的主主要代表表，他曾曾自学汉汉语，中中文名叫叫“司马马贺”，西蒙是是个通才才，在许许多领域域都有杰杰出的表表现。可可

5、能是自自1956年以以来在人人工智能能领域取取得了令令人瞩目目的进展展，西蒙蒙的过于于乐观而而导致下下面一段段著名论论断。预言他与纽厄厄尔于1958年做出出了如下下的预言言：“10年内内，计算算机将成成为世界界象棋冠冠军；10年内内，计算算机将发发现并证证明新的的数学定定理；10年内内，计算算机将谱谱写出能能被评论论家认可可的乐曲曲。”预言未未实现但事实上上，计算算机一直直到1997年年才战胜胜了人类类的象棋棋冠军，至于其其他预言言，还远远未实现现。从20世纪纪60年年代中期期起，人人工智能能研究处处于相当当困难的的阶段。主要原原因是人人们没能能很快地地取得突突破性的的进展，人们从从刚开始始的

6、狂热热中冷静静下来，开始更更加理智智地看待待人工智智能。批判1971年，应应政府的的要求，英国剑剑桥大学学的应用用数学家家詹姆士士在进行行了一番番研究后后，发表表了一篇篇关于人人工智能能的综合合报告，该报告告对人工工智能做做了批判判，他甚甚至说：“人工工智能即即便不是是骗局，也是庸庸人自扰扰”。这这篇报告告当时产产生了巨巨大的影影响，英英国的人人工智能能研究经经费被削削减，机机构被解解散。美美国IBM公公司也开开始放弃弃了它一一向热衷衷的人工工智能研研究。整整个人工工智能学学界遭遇遇到了前前所未有有的危机机。坚持尽管在这这种情况况下，还还有一些些人工智智能学者者仍在坚坚持他们们的研究究，他们们

7、的研究究后来终终于得到到了回报报。到了了20世世纪70年代中中期，专专家系统统作为一一个新兴兴的分支支得到了了发展。从此，人工智智能摆脱脱了那高高高在上上的形象象，开始始投入到到实际应应用中。3、专家家系统20世纪纪70年年代以来来，出现现了许多多优秀的的专家系系统。1975年，由由费根鲍鲍曼小组组研制的的Mycin程程序在在诊断脑脑膜炎方方面，超超过了一一般的医医生。1976年，斯斯坦福大大学杜达达等人研研制了一一个地质质勘探系系统Prospector，该系系统于1982年准确确地预测测到华盛盛顿州一一个钼矿矿的位置置。3.1定定义专家系统统是一个含含有大量量的某个个领域专专家水平平的知识识

8、与经验验智能计计算机程程序系统统，能够够利用人人类专家家的知识识和解决决问题的的方法来来处理该该领域问问题。简简而言之之，专家家系统是是一种模模拟人类类专家解解决领域域问题的的计算机机程序系系统。3.2专专家系系统特点点启发性：专家系统统能运用用专家的的知识与与经验进进行推理理、判断断和决策策。透明性：专家系统统能够解解释本身身的推理理过程和和回答用用户提出出的问题题，以便便让用户户能够了了解推理理过程，提高对对专家系系统的信信赖感。灵活性：专家系统统能不断断地增长长知识，修改原原有知识识，不断断更新。3.3专专家系系统的优优点具体地说说，包括括下列八八个方面面：(1)专专家系统统能够高高效率

9、、准确、周到、迅速和和不知疲疲倦地进进行工作作。(2)专专家系统统解决实实际问题题时不受受周围环环境的影影响，也也不可能能遗漏忘忘记。(3)可可以使专专家的专专长不受受时间和和空间的的限制，以便推推广珍贵贵和稀缺缺的专家家知识与与经验。(4)专专家系统统能促进进各领域域的发展展。(5)专专家系统统能汇集集多领域域专家的的知识和和经验以以及他们们协作解解决重大大问题的的能力。(6)军军事专家家系统的的水平是是一个国国家国防防现代化化的重要要标志之之一。(7)专专家系统统的研制制和应用用，具有有巨大的的经济效效益和社社会效益益。(8)研研究专家家系统能能够促进进整个科科学技术术的发展展。3.4专专

10、家系系统的类类型1、解释释专家系系统任务通过对过过去和现现在已知知状况的的分析，推断未未来可能能发生的的情况特点数据量很很大，常常不准确确、有错错误、不不完全能能从不完完全的信信息中得得出解释释，并能能对数据据做出某某些假设设，推理理过程可可能很复复杂和很很长例子语音理解解、图象分析析、系统统监视、化学结结构分析析和信号号解释等等。2、预测测专家系系统任务通过对已已知信息息和数据据的分析析与解释释，确定定它们的的涵义。特点系统处理理的数据据随时间间变化，且可能能是不准准确和不不完全，系统需需要有适适应时间间变化的的动态模模型例子有气象预预报、军军事预测测、人口口预测、交通预预测、经经济预测测和

11、谷物物产量预预测等3、诊断断专家系系统任务根据观察察到的情情况(数数据)来来推断出出某个对对象机能能失常(即故障障)的原原因特点能够了解解被诊断断对象或或客体各各组成部部分的特特性以及及它们之之间的联联系，能能够区分分一种现现象及其其所掩盖盖的另一一种现象象，能够够向用户户提出测测量的数数据，并并从不确确切信息息中得出出尽可能能正确的的诊断例子医疗诊断断、电子子机械和和软件故故障诊断断以及材材料失效效诊断等等。4、设计计专家系系统任务寻找出某某个能够够达到给给定目标标的动作作序列或或步骤。特点从多种约约束中得得到符合合要求的的设计；系统需需要检索索较大的的可能解解空间；能试验验性地构构造出可可

12、能设计计；易于于修改；能够使使用已有有设计来来解释当当前新的的设计。例子VAX计算机结结构设计计专家系系统等。5、规划划专家系系统任务寻找出某某个能够够达到给给定目标标的动作作序列或或步骤。特点所要规划划的目标标可能是是动态的的或静态态的，需需要对未未来动作作做出预预测，所所涉及的的问题可可能很复复杂。例子军事指挥挥调度系系统、ROPES机器人规规划专家家系统、汽车和和火车运运行调度度专家系系统等。6、监视视专家系系统任务对系统、对象或或过程的的行为进进行不断断观察，并把观观察到的的行为与与其应当当具有的的行为进进行比较较，以发发现异常常情况，发出警警报。特点系统具有有快速反反应能力力，发出出

13、的警报报要有很很高的准准确性，能够动动态地处处理其输输入信息息。例子粘虫测报报专家系系统7、控制制专家系系统任务自适应地地管理一一个受控控对象或或客体的的全面行行为，使使之满足足预期要要求。特点控制专家家系统具具有解释释、预报报、诊断断、规划划和执行行等多种种功能。例子空中交通通管制、商业管管理、自自主机器器人控制制、作战战管理、生产过过程控制制和质量量控制等等。8、调试试专家系系统任务对失灵的的对象给给出处理理意见和和方法。特点同时具有有规划、设计、预报和和诊断等等专家系系统的功功能。例子在这方面面的实例例还比较较少见。9、教学学专家系系统任务教教学专专家系统统的任务务是根据据学生的的特点、

14、弱点和和基础知知识，以以最适当当的教案案和教学学方法对对学生进进行教学学和辅导导。特点(1)同同时具有有诊断和和调试等等功能。(2)具具有良好好的人机机界面。例子MACSYMA符号积分分与定理理证明系系统，计计算机程程序设计计语言和和物理智智能计算算机辅助助教学系系统以及及聋哑人人语言训训练专家家系统等等。10、修修理专家家系统任务对对发生故故障的对对象(系系统或设设备)进进行处理理，使其其恢复正正常工作作。修理理专家系系统具有有诊断、调试、计划和和执行等等功能。例子美美国贝尔尔实验室室的ACI电话和有有线电视视维护修修理系统统。此外，还还有决策策专家系系统和咨咨询专家家系统等等。3.5专专家

15、系统统的简化化结构专家系统统简化结结构图专家系统统的结构构是指专专家系统统各组成成部分的的构造方方法和组组织形式式。系统统结构选选择恰当当与否，是与专专家系统统的适用用性和有有效性密密切相关关的。选选择什么么结构最最为恰当当，要根根据系统统的应用用环境和和所执行行任务的的特点而而定。理想专家家系统的的结构图图知识库包包括两部部分内容容。一部部分是已已知的同同当前问问题有关关的数据据信息；另一部部分是进进行推理理时要用用到的一一般知识识和领域域知识。调度器按按照系统统建造者者所给的的控制知知识，从从议程中中选择一一个项作作为系统统下一步步要执行行的动作作。执行行器应用用知识库库中的及及黑板中中记

16、录的的信息，执行调调度器所所选定的的动作。协调器器的主要要作用就就是当得得到新数数据或新新假设时时，对已已得到的的结果进进行修正正，以保保持结果果前后的的一致性性。解释器的的功能是是向用户户解释系系统的行行为，包包括解释释结论的的正确性性及系统统输出其其它候选选解的原原因。CAD/CAPP/CAM集集成:要求数数控加工工程序的的生成是是以CAPP的的工艺设设计结果果和CAD的零零件信息息为依据据，自动动生成具具有标准准格式的的刀位文文件。CAD/CAPP/CAM集集成系统统结构框框图4.CAD/CAPP/CAM集成（CuttingLocation）文件，然后经经过适当当的后置置处理，将刀位位文

17、件转转换成NC加工程序序，并且且该NC加工程序序应该是是针对不不同的数数控机床床和不同同的数控控系统的的。CAD/CAPP/CAM集成的关关键技术术：（1）特特征技术术。建立CAD/CAE/CAPP/CAM范围内相相对统一一的、基基于特征征的产品品定义模模型，并并以此模模型为基基础，运运用产品品数据交交换技术术，实现现CAD、CAE、CAPP和CAM间的数据据交换与与共享。该模型型不仅要要求能支支持设计计与制造造各阶段段所需的的产品定定义信息息（几何何信息、拓扑信信息、工工艺和加加工信息息），而而且还应应该提供供符合人人们思维维方式的的高层次次工程描描述语义义特征，并能表表达工程程师的设设计与

18、制制造意图图。（2）集集成数据据管理。已有的CAD/CAM系统集成成，主要要通过文文件来实实现CAD与CAM之间的数数据交换换，不同同子系统统文件之之间要通通过数据据接口转转换，传传输效率率不高。为了提提高数据据传输效效率和系系统的集集成化程程度，保保证各系系统之间间数据的的一致性性、可靠靠性和数数据共享享，需要要采用工工程数据据库管理理系统来来管理集集成数据据，使各各系统之之间直接接进行信信息交换换，真正正实现CAD/CAM之间信息息交换与与共享。（3）产品数据据交换标标准。为了提提高数据据交换的的速度，保证数数据传输输完整、可靠和和有效，必须采采用通用用的标准准化数据据交换标标准。产产品数

19、据据交换标标准是CAD/CAE/CAPP/CAM集成的的重要基基础。（4）集成框架架（或集集成平台台）。数据的的共享和和传送通通过网络络和数据据库实现现，需要要解决异异构网络络和不同同格式数数据的数数据交换换问题，以使多多用户并并行工作作共享数数据。集集成框架架对实现现并行工工程协同同工作是是至关重重要的。CIMS：指以企企业为对对象，借借助计算算机和信信息技术术，使经经营决策策、产品品设计与与制造、生产管管理有机机结合为为一个整整体，从从而缩短短产品开开发周期期、制造造周期、提高产产品质量量及生产产率，充充分利用用企业的的各种资资源，获获得更高高的经济济效益。5.计计算机机仿真所谓“仿仿真”

20、一一般是指指利用模模型对实实际系统统进行实实验研究究的过程程。根据模型型的种类类将仿真真分为两两类：物理仿真真：采用用物理模模型数学仿真真：采用用数学模模型。由由于数学学模型的的解算离离不开各各种类型型的计算算机，所所以计算算机是数数学仿真真的重要要工具，因此数数学仿真真又称为为“计算算机仿真真”。5.1计计算机机仿真的的基本类类型：1、模拟拟计算机机仿真用模拟计计算机进进行的仿仿真称模模拟计算算机仿真真。模拟拟计算机机由许多多运算放放大器组组成模拟拟解算装装置。运运算放大大器的输输入量及及输出量量都是随随时间连连续变化化的电压压量（称称为模拟拟量），所以称称为“模模拟计算算机”。模拟计计算机

21、能能快速地地解算常常微分方方程，因因此，当当采用模模拟计算算机仿真真时，应应设法将将所研究究的问题题描述为为微分方方程。2、数字字计算机机仿真采用数字字计算机机进行的的仿真称称为数字字计算机机仿真。数字计计算机不不仅能快快速地解解算常微微分方程程，同时时还可解解算其他他形式的的复杂的的数学方方程和具具有逻辑辑判断能能力，因因此，数数学计算算机仿真真能解决决的问题题要比模模拟计算算机仿真真广泛得得多。3、混合合计算机机仿真 混合计算算机是一一种将模模拟计算算机与数数字计算算机通过过一套接接口组合合在一起起的混合合计算机机系统，它兼有有模拟计计算机和和数字计计算机的的优点。采用混混合计算算机进行行

22、的仿真真称为混混合计算算机仿真真。5.2仿仿真真基本步步骤：1、建立立数学模模型要用计算算机对一一个系统统进行仿仿真，必必需根据据所研究究系统的的复杂程程度和仿仿真研究究的目的的，将实实际系统统抽象成成数学模模型，这这一过程程称为建建模过程程。2、模型型变换建立数学学模型以以后，根根据计算算机的类类型将数数学模型型转变成成适合计计算机处处理的形形式（仿仿真模型型），这这一过程程称为模模型变换换。3、模型型实验把仿真模模型装载载，使之之在计算算机上运运转起来来，并记记录模型型中各个个变量的的变换情情况及仿仿真结果果，这一一阶段称称为模型型试验阶阶段。6.PDM1.我国国企业存存在的问问题2.PD

23、M的基本概概念3.PDM系统的体体系结构构4.PDM软件系统统的功能能5.PDM的发展趋趋势6.1我我国企业业存在的的问题(1)信息共共享程度度低。(2)信息反反馈慢。(3)产产品开发发方式陈陈旧。(4)设设计重用用度差。6.2PDM的基本概概念1.PDM定义2.PDM的应用范范围3.企业业实施PDM有的作用用PDM的定义目前对PDM技技术尚未未有统一一的定义义CIMdata公司给给出的PDM定定义是：“PDM是一一门用来来管管理所有有与产品品相关信信（包括括零件信信息、配配置、文文档、CAD文文件，结结构，权权限信息息等）和和所有产产品相关关过程（包括过过程定义义和管理理）的技技术”。加特纳

24、集集团（GartnerGroup）公司司把PDM定义义为：“PDM是为为企业设设计和生生产构筑筑一个并并行产品品艺术环环境（Concurrent arttoproduct environment，由供供应、工工程设设计、制制造、采采购、销销售与市市场、客客户构成成）的关关键使能能技术。从这些论论述可以以看出，PDM是一门管管理所有有与产品品相关的的信息和和与产品品相关的的过程的的技术。PDM的应用范范围PDM的应用范范围如图图所示企业实施施PDM有以下下作用：通过改改善企业业信息流流，提高高生产效效率；消除由由于无效效分布而而造成的的数据丢丢失及减减少数据据冗余；支持并并行工程程，缩短短产品开

25、开发时间间；提高数数据的可可靠程度度，保证证产品设设计的质质量；改善过过程和数数据的集集成度、可追踪踪性；缩短产产品上市市时间、减少生生产成本本，全面面提高企企业竞争争力。6.3PDM系统的体体系结构构PDM是以计算算机网络络环境下下的分布布数据库库系统为为技术支支撑，采采用客户户/服务务器结构构和工作作方式，为企业业实现产产品全生生命周期期的信息息管理、协调工工作流程程和进而而建立的的并行化化产品开开发协作作环境，PDM系统的四四层体系系结构见见下图。6.4PDM软件系统统的功能能PDM软件的主主要功能能1电子子仓库（Data Vault）2工程程文档管管理（EngineeringDocum

26、ent Management）3工作作流程管管理（WorkfloworProcess Management）4分类类和检索索（ClassificationandRetrieval）5产品品配置管管理（Product ConfigurationManagement）6项目目管理（Project Management）7电子子协作功功能8工具具和集成成件功能能PDM系系统主要要功能模模块1电子子仓库（Data Vault)电子仓库库是PDM核心心模块它的功能能包括：文件的的检入（Checkin）和检出出（Checkout）；按属性性搜索机机制；动态浏浏览/导导航能力力；分布式式文件管管理/分分布式

27、数数据仓库库；安全机机制（记记录锁定定、域锁锁定）。2工程程文档管管理（EngineeringDocumentManagement）(1)文文档管理理对象(2)PDM文文档管理理模型(3)工工程图档档管理体体系结构构(4）工工程图档档管理的的主要功功能文档管理理对象原始档档案设计文文档工艺文文档生产过过程的计计划与管管理数据据维修服服务专用文文件，如如电子行行业的电电气原理理图或布布线图、印刷电电路板图图和零件件插件图图等PDM文文档管理理模型PDM把把上述文文档分成成五种类类型进行行管理图形文文件由由不同CAD软软件产生生的描述述几何图图形的文文件。文本文文件描描述产产品或部部件、零零件性能

28、能的文件件。数据文文件如如进行有有限元分分析产生生的数据据文件。表格文文件多媒体体文件媒媒体文文件主动动地反映映了产品品的性能能指标、生产过过程、维维修指南南等信息息。工程图档档管理体体系结构构见下图图工程图档档管理的的主要功功能图档信信息定义义与编辑辑模块。图档入入库与出出库模块块。图档浏浏览模块块。图档批批注模块块。工作流程程管理（WorkfloworProcess Management）1 工作作流程管管理涉及及到RonniMarshak的3R问问题即即路由由（Routes）、规则则（Rules）和角色色（Ro1es）。2 工作作流程管管理的功功能是实实现对工工作过程程的建模模、控制制与协调调它包括括：过程定定义过程运运行过程监监控工作流程程管理功功能模块块工作流程程运行过过程分类和检检索（ClassificationandRetrieval）PDMS的检索的的主要功功能包括括：零件数数据库接接口基于内内容的而而不是基基于分类类的检索索构造数数据电子子仓库属属性编码码过滤器器的功能能。产品配置置管理（ProductConfiguration Management）（1）产产品配置置目标（2）产产品结构构树（