人工智能与专家系统及DM

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.人工智能的定义

人工智能(ArtificialIntelligence)的定义也可以描述为：研究用机器来模拟人类的诸如理解语言、学习、推理和解决问题等智能活动，模拟和探索人的感觉和思维过程的规律而设计出类似人的某些智能的自动机的科学。其最终目标是为程序和计算机最大限度地解放人类真实智能，将人类从繁琐的脑力劳动中解放出来。

目前通常所说的人工智能是指借助技术和理论手段，应用数学方法和（或）数字逻辑研究智能的各个方面的问题。简言之，就是研究如何用人工的方法与技术，即利用计算机等工具，模拟、延伸和扩展人的智能，实现某些机器思维或脑力劳动的自动化。1956年夏季，达特莫斯大学的麦卡锡、哈佛大学的明斯基、贝尔实验室的申农和IBM公司的洛切斯特，邀请了一批年轻科学家，共同探讨用机器模拟人工智能的问题，其中包括后来著名的人工智能专家塞缪尔、纽厄尔和西蒙等人。在这次会上，麦卡锡提议使用“人工智能AI”（ArtificialIntelligence）这一术语。从此，人工智能作为一门学科正式诞生了。同年，塞缪尔研制了一个跳棋程序。1959年这个程序击败了塞缪尔本人，1962年又击败了一个州冠军。2人工智能的起源与发展1948年，美国数学家诺伯特

维纳出版了《控制论》（或《动物与机器的控制与机器传播》）一书，创立了控制论。同年，美国数学家申农发表了《通讯的数学理论》，创立了信息论。这时，人工智能作为一门学科诞生的条件已经基本成熟。(1)、人工智能诞生：1956年夏季，达特莫斯大学的麦卡锡（后被人誉为人工智能之父）、哈佛大学的明斯基、贝尔实验室的申农和IBM公司的洛切斯特，邀请了一批年轻科学家，共同探讨用机器模拟人工智能的问题，其中包括后来著名的人工智能专家塞缪尔、纽厄尔和西蒙等人。在这次会上，麦卡锡提议使用“人工智能AI”（ArtificialIntelligence）这一术语。从此，人工智能作为一门学科正式诞生了。同年，塞缪尔研制了一个跳棋程序。1959年这个程序击败了塞缪尔本人，1962年又击败了一个州冠军。(2)、西蒙简介西蒙是人工智能和认知心理学派的主要代表，他曾自学汉语，中文名叫“司马贺”，西蒙是个通才，在许多领域都有杰出的表现。可能是自1956年以来在人工智能领域取得了令人瞩目的进展，西蒙的过于乐观而导致下面一段著名论断。①预言他与纽厄尔于1958年做出了如下的预言：“10年内，计算机将成为世界象棋冠军；10年内，计算机将发现并证明新的数学定理；10年内，计算机将谱写出能被评论家认可的乐曲。”②预言未实现但事实上，计算机一直到1997年才战胜了人类的象棋冠军，至于其他预言，还远未实现。从20世纪60年代中期起，人工智能研究处于相当困难的阶段。主要原因是人们没能很快地取得突破性的进展，人们从刚开始的狂热中冷静下来，开始更加理智地看待人工智能。

③批判判1971年年，应应政府府的要要求，，英国国剑桥桥大学学的应应用数数学家家詹姆姆士在在进行行了一一番研研究后后，发发表了了一篇篇关于于人工工智能能的综综合报报告，，该报报告对对人工工智能能做了了批判判，他他甚至至说：：“人人工智智能即即便不不是骗骗局，，也是是庸人人自扰扰”。。这篇篇报告告当时时产生生了巨巨大的的影响响，英英国的的人工工智能能研究究经费费被削削减，，机构构被解解散。。美国国IBM公公司司也开开始放放弃了了它一一向热热衷的的人工工智能能研究究。整整个人人工智智能学学界遭遭遇到到了前前所未未有的的危机机。④坚持持尽管在在这种种情况况下，，还有有一些些人工工智能能学者者仍在在坚持持他们们的研研究，，他们们的研研究后后来终终于得得到了了回报报。到到了20世世纪70年年代中中期，，专家家系统统作为为一个个新兴兴的分分支得得到了了发展展。从从此，，人工工智能能摆脱脱了那那高高高在上上的形形象，，开始始投入入到实实际应应用中中。3、专家系系统20世纪70年代以以来，出现现了许多优优秀的专家家系统。1975年年，由费根根鲍曼小组组研制的Mycin程序在在诊断脑膜膜炎方面，，超过了一一般的医生生。1976年，斯斯坦福大学学杜达等人人研制了一一个地质勘勘探系统Prospector，该该系统于1982年年准确地预预测到华盛盛顿州一个个钼矿的位位置。3.1定定义专家系统是一个含有有大量的某某个领域专专家水平的的知识与经经验智能计计算机程序序系统，能能够利用人人类专家的的知识和解解决问题的的方法来处处理该领域域问题。简简而言之，，专家系统统是一种模模拟人类专专家解决领领域问题的的计算机程程序系统。。3.2专专家系统特特点启发性：专家系统能能运用专家家的知识与与经验进行行推理、判判断和决策策。透明性：专家系统能能够解释本本身的推理理过程和回回答用户提提出的问题题，以便让让用户能够够了解推理理过程，提提高对专家家系统的信信赖感。灵活性：专家系统能能不断地增增长知识，，修改原有有知识，不不断更新。。3.3专专家系统的的优点具体地说，，包括下列列八个方面面：(1)专家家系统能够够高效率、、准确、周周到、迅速速和不知疲疲倦地进行行工作。(2)专家家系统解决决实际问题题时不受周周围环境的的影响，也也不可能遗遗漏忘记。。(3)可以以使专家的的专长不受受时间和空空间的限制制，以便推推广珍贵和和稀缺的专专家知识与与经验。(4)专家家系统能促促进各领域域的发展。。(5)专家家系统能汇汇集多领域域专家的知知识和经验验以及他们们协作解决决重大问题题的能力。。(6)军事事专家系统统的水平是是一个国家家国防现代代化的重要要标志之一一。(7)专家家系统的研研制和应用用，具有巨巨大的经济济效益和社社会效益。。(8)研究究专家系统统能够促进进整个科学学技术的发发展。3.4专专家系统的的类型1、解释专专家系统任务通过对过去去和现在已已知状况的的分析，推推断未来可可能发生的的情况特点数据量很大大，常不准准确、有错错误、不完完全能从不不完全的信信息中得出出解释，并并能对数据据做出某些些假设，推推理过程可可能很复杂杂和很长例子语音理解、、图象分析、、系统监视视、化学结结构分析和和信号解释释等。2、预测专专家系统任务通过对已知知信息和数数据的分析析与解释，，确定它们们的涵义。。特点系统处理的的数据随时时间变化，，且可能是是不准确和和不完全，，系统需要要有适应时时间变化的的动态模型型例子有气象预报报、军事预预测、人口口预测、交交通预测、、经济预测测和谷物产产量预测等等3、诊断专专家系统任务根据观察到到的情况(数据)来来推断出某某个对象机机能失常(即故障)的原因特点能够了解被被诊断对象象或客体各各组成部分分的特性以以及它们之之间的联系系，能够区区分一种现现象及其所所掩盖的另另一种现象象，能够向向用户提出出测量的数数据，并从从不确切信信息中得出出尽可能正正确的诊断断例子医疗诊断、、电子机械械和软件故故障诊断以以及材料失失效诊断等等。4、设计专专家系统任务寻找出某个个能够达到到给定目标标的动作序序列或步骤骤。特点从多种约束束中得到符符合要求的的设计；系系统需要检检索较大的的可能解空空间；能试试验性地构构造出可能能设计；易易于修改；；能够使用用已有设计计来解释当当前新的设设计。例子VAX计算机结构构设计专家家系统等。。5、规划专专家系统任务寻找出某个个能够达到到给定目标标的动作序序列或步骤骤。特点所要规划的的目标可能能是动态的的或静态的的，需要对对未来动作作做出预测测，所涉及及的问题可可能很复杂杂。例子军事指挥调调度系统、、ROPES机器人规划划专家系统统、汽车和和火车运行行调度专家家系统等。。6、监视专家家系统任务对系统、对象象或过程的行行为进行不断断观察，并把把观察到的行行为与其应当当具有的行为为进行比较，，以发现异常常情况，发出出警报。特点系统具有快速速反应能力，，发出的警报报要有很高的的准确性，能能够动态地处处理其输入信信息。例子粘虫测报专家家系统7、控制专家家系统任务自适应地管理理一个受控对对象或客体的的全面行为，，使之满足预预期要求。特点控制专家系统统具有解释、、预报、诊断断、规划和执执行等多种功功能。例子空中交通管制制、商业管理理、自主机器器人控制、作作战管理、生生产过程控制制和质量控制制等。8、调试专家家系统任务对失灵的对象象给出处理意意见和方法。。特点同时具有规划划、设计、预预报和诊断等等专家系统的的功能。例子在这方面的实实例还比较少少见。9、教学专家家系统任务教学学专家系统的的任务是根据据学生的特点点、弱点和基基础知识，以以最适当的教教案和教学方方法对学生进进行教学和辅辅导。特点(1)同时具具有诊断和调调试等功能。。(2)具有良良好的人机界界面。例子MACSYMA符号积分与定定理证明系统统，计算机程程序设计语言言和物理智能能计算机辅助助教学系统以以及聋哑人语语言训练专家家系统等。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。。调度器器按照照系统统建造造者所所给的的控制制知识识，从从议程程中选选择一一个项项作为为系统统下一一步要要执行行的动动作。。执行行器应应用知知识库库中的的及黑黑板中中记录录的信信息，，执行行调度度器所所选定定的动动作。。协调调器的的主要要作用用就是是当得得到新新数据据或新新假设设时，，对已已得到到的结结果进进行修修正，，以保保持结结果前前后的的一致致性。。解释器器的功功能是是向用用户解解释系系统的的行为为，包包括解解释结结论的的正确确性及及系统统输出出其它它候选选解的的原因因。CAD/CAPP/CAM集集成:要求求数控控加工工程序序的生生成是是以CAPP的的工艺艺设计计结果果和CAD的零零件信信息为为依据据，自自动生生成具具有标标准格格式的的刀位位文件件。CAD/CAPP/CAM集集成系系统结结构框框图4.CAD/CAPP/CAM集成（CuttingLocation）文件件，然然后经经过适适当的的后置置处理理，将将刀位位文件件转换换成NC加工程程序，，并且且该NC加工程程序应应该是是针对对不同同的数数控机机床和和不同同的数数控系系统的的。CAD/CAPP/CAM集成的的关键键技术术：（1））特征征技术术。建立CAD/CAE/CAPP/CAM范围内内相对对统一一的、、基于于特征征的产产品定定义模模型，，并以以此模模型为为基础础，运运用产产品数数据交交换技技术，，实现现CAD、CAE、CAPP和CAM间的数数据交交换与与共享享。该该模型型不仅仅要求求能支支持设设计与与制造造各阶阶段所所需的的产品品定义义信息息（几几何信信息、、拓扑扑信息息、工工艺和和加工工信息息），，而且且还应应该提提供符符合人人们思思维方方式的的高层层次工工程描描述语语义特特征，，并能能表达达工程程师的的设计计与制制造意意图。。（2））集成成数据据管理理。已有的的CAD/CAM系统集集成，，主要要通过过文件件来实实现CAD与CAM之间的的数据据交换换，不不同子子系统统文件件之间间要通通过数数据接接口转转换，，传输输效率率不高高。为为了提提高数数据传传输效效率和和系统统的集集成化化程度度，保保证各各系统统之间间数据据的一一致性性、可可靠性性和数数据共共享，，需要要采用用工程程数据据库管管理系系统来来管理理集成成数据据，使使各系系统之之间直直接进进行信信息交交换，，真正正实现现CAD/CAM之间信信息交交换与与共享享。（3）产品数数据交交换标标准。为了了提高高数据据交换换的速速度，，保证证数据据传输输完整整、可可靠和和有效效，必必须采采用通通用的的标准准化数数据交交换标标准。。产品品数据据交换换标准准是CAD/CAE/CAPP/CAM集集成的的重要要基础础。（（4））集成框框架（（或集集成平平台））。数据据的共共享和和传送送通过过网络络和数数据库库实现现，需需要解解决异异构网网络和和不同同格式式数据据的数数据交交换问问题，，以使使多用用户并并行工工作共共享数数据。。集成成框架架对实实现并并行工工程协协同工工作是是至关关重要要的。。CIMS：指以以企业业为对对象，，借助助计算算机和和信息息技术术，使使经营营决策策、产产品设设计与与制造造、生生产管管理有有机结结合为为一个个整体体，从从而缩缩短产产品开开发周周期、、制造造周期期、提提高产产品质质量及及生产产率，，充分分利用用企业业的各各种资资源，，获得得更高高的经经济效效益。。5.计计算机机仿真真所谓““仿真真”一一般是是指利利用模模型对对实际际系统统进行行实验验研究究的过过程。。根据模模型的的种类类将仿仿真分分为两两类：：物理仿仿真：：采用用物理理模型型数学仿仿真：：采用用数学学模型型。由由于数数学模模型的的解算算离不不开各各种类类型的的计算算机，，所以以计算算机是是数学学仿真真的重重要工工具，，因此此数学学仿真真又称称为““计算算机仿仿真””。5.1计计算机机仿真真的基基本类类型：1、模模拟计计算机机仿真真用模拟拟计算算机进进行的的仿真真称模模拟计计算机机仿真真。模模拟计计算机机由许许多运运算放放大器器组成成模拟拟解算算装置置。运运算放放大器器的输输入量量及输输出量量都是是随时时间连连续变变化的的电压压量（（称为为模拟拟量）），所所以称称为““模拟拟计算算机””。模模拟计计算机机能快快速地地解算算常微微分方方程，，因此此，当当采用用模拟拟计算算机仿仿真时时，应应设法法将所所研究究的问问题描描述为为微分分方程程。2、数数字计计算机机仿真真采用数数字计计算机机进行行的仿仿真称称为数数字计计算机机仿真真。数数字计计算机机不仅仅能快快速地地解算算常微微分方方程，，同时时还可可解算算其他他形式式的复复杂的的数学学方程程和具具有逻逻辑判判断能能力，，因此此，数数学计计算机机仿真真能解解决的的问题题要比比模拟拟计算算机仿仿真广广泛得得多。。3、混合计计算机仿真真混合计算机机是一种将将模拟计算算机与数字字计算机通通过一套接接口组合在在一起的混混合计算机机系统，它它兼有模拟拟计算机和和数字计算算机的优点点。采用混混合计算机机进行的仿仿真称为混混合计算机机仿真。5.2仿仿真基本本步骤：1、建立数数学模型要用计算机机对一个系系统进行仿仿真，必需需根据所研研究系统的的复杂程度度和仿真研研究的目的的，将实际际系统抽象象成数学模模型，这一一过程称为为建模过程程。2、模型变变换建立数学模模型以后，，根据计算算机的类型型将数学模模型转变成成适合计算算机处理的的形式（仿仿真模型）），这一过过程称为模模型变换。。3、模型实实验把仿真模型型装载，使使之在计算算机上运转转起来，并并记录模型型中各个变变量的变换换情况及仿仿真结果，，这一阶段段称为模型型试验阶段段。6.PDM1.我国企企业存在的的问题2.PDM的基本概念念3.PDM系统的体系系结构4.PDM软件系统的的功能5.PDM的发展趋势势6.1我国国企业存在在的问题(1)信信息共享程程度低。(2)信信息反馈慢慢。(3)产品品开发方式式陈旧。(4)设计计重用度差差。6.2PDM的基本概念念1.PDM定义2.PDM的应用范围围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（Concurrentart－to－productenvironment，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：：①通过改改善企业业信息流流，提高高生产效效率；②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；；③支持并并行工程程，缩短短产品开开发时间间；④提高数数据的可可靠程度度，保证证产品设设计的质质量；⑤改善过过程和数数据的集集成度、、可追踪踪性；⑥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软件系统的功功能PDM软件的主要功功能1．电子仓库库（DataVault）2．工程文档档管理（EngineeringDocumentManagement））3．工作流程程管理（WorkfloworProcessManagement））4．分类和检检索（ClassificationandRetrieval）5．产品配置置管理（ProductConfigurationManagement）6．项目管理理（ProjectManagement）7．电子协作作功能8．工具和集集成件功能PDM系统主主要功能模块块1．电子仓库库（DataVault)电子仓库是PDM核心模模块它的功能包括括：①文件的检入入（Checkin）和检出（Checkout）；；②按属性搜索索机制；③动态浏览/导航能力；；④分布式文件件管理/分布布式数据仓库库；⑤安全机制（（记录锁定、、域锁定）。。2．工程文档档管理（EngineeringDocumentManagement）(1)文档管管理对象(2)PDM文档管理模模型(3)工程图图档管理体系系结构(4）工程图图档管理的主主要功能文档管理对象象①原始档案②设计文档③工艺文档④生产过程的的计划与管理理数据⑤维修服务⑥专用文件，，如电子行业业的电气原理理图或布线图图、印刷电路路板图和零件件插件图等PDM文档管管理模型PDM把上述述文档分成五五种类型进行行管理①图形文件由由不同CAD软件产生生的描述几何何图形的文件件。②文本文件描描述产品品或部件、零零件性能的文文件。③数据文件如如进行有限限元分析产生生的数据文件件。④表格文件⑤多媒体文件件媒体文件件主动地反映映了产品的性性能指标、生生产过程、维维修指南等信信息。工程图档管理理体系结构见见下图工程图档管理理的主要功能能①图档信息定定义与编辑模模块。②图档入库与与出库模块。。③图档浏览模模块。④图档批注模模块。工作流程管理理（WorkfloworProcessManagement）1工作流程程管理涉及到到RonniMarshak的3R问题即即路由（（Routes）、规则（Rules）和角色（Ro1es））。2工作流程程管理的功能能是实现对工工作过程的建建模、控制与与协调它包括括：①过程定义②②过程运行行③过程监监控工作流程管理理功能模块工作流程运行行过程分类和检索（（ClassificationandRetrieval）PDMS的检索的主要要功能包括：：①零件数据库库接口②基于内容的的而不是基于于分类的检索索③构造数据电电子仓库属性性编码过滤