第8章智能CAD与设计型专家系统

传统的CAD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。第8章智能CAD与设计型专家系统8.1智能CAD的概念及其发展8.1.1传统CAD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。

8.1.2智能CAD的概念

智能CAD是人工智能（AI）和CAD技术相结合的一门综合性研究领域，其英文名为IntelligentCAD，简写为ICAD。

定义：ICAD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。(1)ICAD是传统CAD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

(3)ICAD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。

集成化智能设计（integratedintelligentCAD，IICAD）系统是智能CAD的高级阶段，代表了ICAD的发展方向。8.1.3智能CAD的发展

根据智能化的水平，可将ICAD的发展分为初级和高级两个阶段。1．ICAD的初级阶段—设计型专家系统

2．ICAD的高级阶段—面向动态联盟的集成化智能设计系统

方案的形成过程可以看作为一个推理的过程，它的输入是已有的设计数据和设计知识，ICAD系统借助于推理，如正向推理、反向推理、混合推理等，由计算机得出设计的方案。8.2智能CAD的方法与应用8.2.1面向方案形成过程的智能CAD方法

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CAD的一类方法，自然是面向方案形成过程的，具体如下：1．基于推理的设计方法

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，而最终的方案则是满足所有的约束条件后的设计。2．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）。3．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。8.2.2基于设计对象表达的智能CAD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求解的智能CAD方法：基于实例的设计方法（CBD）和基于原型的设计方法（PBD）。1．基于实例的设计方法一个典型的CBD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。

(2)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。

(3)求解当前设计问题并形成新的实例。2．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：原型知识=原型+变换规则+范例原型=子原型+结构关系+特性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。(2)从类比中进行学习。

8.2.3智能CAD的应用1．自动方案生成2．智能交互3．智能显示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4．自动数据获取

8.3知识的表示

知识是人类对于客观事物规律性的认识。知识可划分为两个层次，即领域知识和元知识，其中元知识是“关于知识的知识”。

知识的表示就是研究如何用最合适的形式来组织知识，使其对所需解决的问题最为有利。

8.3.1谓词逻辑

1．命题演算

2．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。一个产生式系统由规则库、综合数据库和推理机三个部分组成。8.3.2框架结构框架是一种描述立体形态的数据结构。8.3.3产生式表示法IF<前提事实1为真>且

<前提事实2为真>且┇

<前提事实n为真>THEN<结论1><结论2>┇<结论m>

1．规则库

产生式系统中所有规则组成的集合称为规则库，或称为知识库。

产生式规则实质上就是一个以IFx为真，THEN执行y的形式表示的语句，即：2．综合数据库

综合数据库有时也称作语境（上下文），它是规则所涉及的对象。

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。3．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一个规则。产生式系统的最大特点是模块性和自然性。

似然推理和模糊推理是不精确推理的两种主要表现形式。8.4知识推理目前，常用的推理方法有以下四类：(1)演绎推理。

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论的正确性。(2)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。(4)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束逻辑。

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推理机。

这种基于规则的推理系统，其推理方法有正向推理、反向推理和正反向混合推理。8.5设计型专家系统8.5.1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8.2所示，它由六个部分组成。

(1)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。

(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过程中得到的各种中间信息。图8.2专家系统的基本结构

(3)推理机。

推理机是一组程序，用来控制推理的过程。

(4)

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理过程、向系统学习和维护系统提供方便，使用于易于接受。(5)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。(6)人机接口。

负责管理并执行用于、领域专家与系统之间的对话通信。

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。

8.5.2设计型专家系统的特点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。(2)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、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。此外，设计型专家系统还有如下特点：1．常采用“设计—评价—再设计”的设计过程模型2．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

图8.5知识的获取方法8.5.3设计型专家系统的建立1．知识库的建造

(1)知识的获取

第一种方法[如图8.5（a）]，是通过知识工程师从领域专家处获取知识。

第二种方法[如图8.5（b）]，是通过知识获取工具获取知识。知识的获取过程通常要经过以下五个主要步骤：1）定知识源阶段。

知识源包括专家过去的问题求解实例、教科书以及隐含在专家头脑中的问题求解经验等。2）概念化阶段。本阶段的任务是将前一阶段获得的知识源进行整理。3）形式化阶段。

本阶段的任务就是要把上个阶段得出的相关概念映射成知识的形式化表示。4）实现阶段。