现代设计方法之智能设计

现代设计方法之智能设计技术摘要：智能设计技术就是对智能CAD理论和运用的研究。它除具有传统CAD功能外，更具有知识处理能力，能够对设计的全过程提供智能化的计算机支持，并具有面向集成智能化等特点。文章对现代设计之智能设计的产生发展，特点，和发展态势进行了论述。关键词：智能设计设计的本质是创造和革新，作为一种创造性活动，设计实际上是对知识的处理和操作。智能化是设计活动的显著特点，也是走向设计自动化的重要途径。智能设计的产生可以追溯到专家系统技术最初应用的时期，其初始形态都采用了单一知识领域的符号推理技术一一设计型专家系统，这对于设计自动化技术从信息处理自动化走向知识处理自动化有着重要意义，但设计型专家系统仅仅是为解决设计中某些困难问题的局部需要而产生的，只是智能设计的初级阶段。智能设计的发展与CAD的发展联系在一起，作为计算机化的设计智能，乃是CAD的一个重要组成部分，在CAD发展过程中有不同的表现形式。在CAD发展的不同阶段，设计活动中智能部分的承担者是不同的。传统CAD系统只能处理计算型工作，设计智能活动是由人类专家完成的。在ICAD阶段，智能活动由设计型专家系统完成，但由于采用单一领域符号推理技术的专家系统求解问题能力的局限，设计对象产品）的规模和复杂性都受到限制，这样ICAD系统完成的产品设计主要还是常规设计，不过借助于计算机机支持，设计的效率大大提高。而在面向CIMS的ICAD，即I2CAD阶段，由于集成化和开放性的要求，智能活动由人机共同承担，这就是人机智能化设计系统，它不仅可以胜任常规设计，而且还可支持创新设计。因此，人机智能化设计系统是针对大规模复杂产品设计的软件系统，它是面向集成的决策自动化，是高级的设计自动化。设计技术及其说明设计技术代表形式智能部分的承担者说明传统设计技术人工设计/传统CAD人类专家智能设计的初级阶段现代设计技术ICAD设计性专家系统智能设计的初级阶段先进设计技术I2CAD人机智能化设计系统智能设计的高级阶段智能设计的特点表现为：1） 以设计方法学为指导。智能设计的发展，从根本上取决于对设计本质的理解。设计方法学对设计本质、过程设计思维特征及其方法学的深入研究是智能设计模拟人工设计的基本依据。2） 以人工智能技术为实现手段。借助专家系统技术在知识处理上的强大功能，结合人工神经网络和机器学习技术，较好地支持设计过程自动化。3） 以传统CAD技术为数值计算和图形处理工具。提供对设计对象的优化设计、有限元分析和图形显示输出上的支持。4） 面向集成智能化。不但支持设计的全过程，而且考虑到与CAM的集成，提供统一的数据模型和数据交换接口。5） 提供强大的人机交互功能。使设计师对智能设计过程的干预，即与人工智能融合成为可能。智能设计的层次综合国内外关于智能设计的研究现状和发展趋势，智能设计按设计能力可以分为三个层次：常规设计、联想设计和进化设计。（1） 常规设计即设计属性、设计进程、设计策略已经规划好，智能系统在推理机的作用下，调用符号模型如规则、语义网络、框架等）进行设计。目前，国内外投入应用的智能设计系统大多属于此类，如日本NEC公司用于VLSI产品布置设计的Wirex系统，华中理工大学开发的标准V带传动设计专家系统（JDDES）、压力容器智能CAD系统等。这类智能系统常常只能解决定义良好、结构良好的常规问题，故称常规设计。（2） 联想设计目前研究可分为两类：一类是利用工程中已有的设计事例，进行比较，获取现有设计的指导信息，这需要收集大量良好的、可对比的设计事例，对大多数问题是困难的；另一类是利用人工神经网络数值处理能力，从试验数据、计算数据中获得关于设计的隐含知识，以指导设计。这类设计借助于其他事例和设计数据，实现了对常规设计的一定突破，称为联想设计。（3） 进化设计遗传算法是一种借鉴生物界自然选择和自然进化机制的、高度并行的、随机的、自适应的搜索算法。20世纪80年代早期，遗传算法已在人工搜索、函数优化等方面得到广泛应用，并推广到计算机科学、机械工程等多个领域。进入20世纪90年代，遗传算法的研究在其基于种群进化的原理上，拓展出进化编程、进化策略等方向，它们并称为进化计算。进化计算使得智能设计拓展到进化设计。综上所述可得如下结论：（1） 在CIMS的推动下，设计技术发展到先进设计技术阶段，其代表形式是I2CAD;（2） I2CAD的智能部分工作则是由人机智能化设计系统承担，它构成了智能设计（计算机化的设计智能）的高级阶段；（3） 以人机智能化设计系统为代表的智能设计乃是新世纪设计技术的核心。近10年来，CIMS（计算机集成制造系统）的迅速发展向智能设计提出了新的挑战。在CIMS这样的环境下，产品设计作为企业生产的关键性环节，其重要性更加突出，为了从根本上强化企业对市场需求的快速反应能力和竞争能力，提高制造业对市场变化和小批量、多品种要求的迅速响应能力，人们对设计自动化提出了更高的要求，在计算机提供知识处理自动化（这可由设计型专家系统完成）的基础上，实现决策自动化，即帮助人类设计专家在设计活动中进行决策。需要指出的是，这里所说的决策自动化决不是排斥人类专家的自动化。恰恰相反，在大规模的集成环境下，人在系统中扮演的角色将更加重要。人类专家将永远是系统中最有创造性的知识源和关键性的决策者。因此，CIMS这样的复杂巨系统必定是人机结合的集成化智能系统。与此相适应，面向CIMS的智能设计走向了智能设计的高级阶段一一人机智能化设计系统。虽然它也需要采用专家系统技术，但只是将其作为自身的技术基础之一，与设计型专家系统之间存在着根本的区别。设计型专家系统与人机智能化设计系统在内核上存在差异，由此可派生出两者在其他方面的不同点，例如，（1）设计型专家系统一般只解决某一领域的特定问题，比较孤立和封闭，难以与其他知识系统集成，而人机智能化设计系统面向整个设计过程，是一种开放的体系结构。（2） 设计型专家系统只处理单一领域知识的符号推理问题，人机智能优化设计系统则要处理多领域知识，多种描述形式的知识，是集成化的大规模知识处理环境。（3） 设计型专家系统一般只解决某单一知识领域范畴，相当于模拟设计专家个体的推理活动，属于简单系统。而人机智能化设计系统设计多领域多多学科知识范畴，是模拟和协助人类专家群体的推理决策活动，是人机复杂系统。（4） 从知识模型来看，设计型专家系统知识围绕具体产品设计模型或针对设计过程某一特定环节（如有限元分析）的模型进行符号推理。而人机智能化系统则要考虑整个设计过程的模型、设计专家思想、推理和决策的模型（认知模型）以及设计对象（产品）的模型。设计型专家系统解决的核心问题是模式设计，方案设计可作为其典型代表。与设计型专家系统不同，人机智能化设计系统要解决的核心问题是创新设计，这是因为在CIMS这样的大规模知识集成环境中，设计活动涉及多领域和多学科的知识，其影响因素错综复杂。CIMS环境对设计活动的柔性提出了更高要求，很难抽象出有限的稳态模式。换言之，设计模式千变万化，几乎难以穷尽。这样的设计活动必定更多地带有创新色彩，因此创新设计是人机智能化设计系统的核心所在。智能设计系统的关键技术包括：设计过程的再认识、设计知识表示、多专家系统协同技术、再设计与自学习机制、多种推理机制的综合应用、智能化人机接口等。（1） 设计过程的再认识智能设计系统的发展取决于对设计过程本身的理解。尽管人们在设计方法、设计程序和设计规律等方面进行了大量探索，但从计算机化的角度看，目前的设计方法学还远不能适应设计技术发展的需求，仍然需要探索适合于计算机处理的设计理论和设计模式。（2） 设计知识表示设计过程是一个非常复杂的过程，它涉及到多种不同类型知识的应用，因此单一知识表示方式不足以有效表达各种设计知识，如何建立有效的知识表示模型和有效的知识表示方式，始终是设计类专家系统成功的关键。一般采用多层知识表达模式，将元知识、定性推理知识以及数学模型和方法等相结合，根据不同类型知识的特点采用相应的表达方式，在表达能力、推理效率与可维护性等方面进行综合考虑。面向对象的知识表示，框架式的知识结构是目前采用的流行方法。（3） 多专家系统协同合作以及信息处理较复杂的设计过程一般可分解为若干个环节，每个环节对应一个专家系统，多个专家系统协同合作、信息共享，并利用模糊评价和人工神经网络等方法以有效解决设计过程多学科、多目标决策与优化难题。（4） 再设计与自学习机制当设计结果不能满足要求时，系统应该能够返回到相应的层次进行再设计，以完成局部和全局的重新设计任务。同时，可以采用归纳推理和类比推理等方法获得新的知识，总结经验，不断扩充知识库，并通过再学习达到自我完善。（5） 多种推理机制的综合应用智能设计系统中，除了演绎推理外，还应该包括归纳推理（包括理想、类比推理）基于实例的类比推理、各种非标准推理（如非音调逻辑推理、加权逻辑推理等）以及各种基于不完全知识的模糊逻辑推理方式等。上述推理方式的综合应用，可以博采众长，更好地实现设计系统的智能化。这是（6） 智能化人机接口良好的人机接口对智能设计系统是十分必要的，对于复杂的设计任务以及设计过程中的某些决策活动，在设计专家的参与下，可以得到更好的设计效果，从而充分发挥人与计算机各自的长处。（7）多方案的并行设计设计类问题是“单输入/多输出”问题，即用户对产品提出的要求是一个，但最终设计的结果可能是多个，它们都是满足客户要求的可行的结果，设计问题的这一特点决定了设计型专家系统必须具有多方案设计能力、需求功能逻辑树的采用，功能空间符号表示，矩阵表示和设计处理是多方案设计的基础。另外，针对设计问题的复杂性，讲其分成若干个子任务，采用分布式的系统结构，进行并行处理，从而有效第提高系统的处理效率。（8）设计信息的集成化概念设计是CAD/CAPP/CAM一体化的首要环节，设计结果是详细设计与制造的信息基础，必须考虑信息的集成。应用面向对象的处理技术，实现数据的封装和模块化，是解决机械设计CAD/CAPP/CAM一体化的根本途径和有效方法。值得一提的是，各种现代设计方法并不是完全孤立的，各类方法之间都存在一定程度上的联系，如结构模块化设计方法中，划分结构模块时就蕴含有系统化思想，建立产品特征及设计方法知识库和推理机时，通常也--完整版学习资料分享----需运用系统化和结构模块化方法，此外，基于产品特征知识的设计同时又是方案智能化设计的基础之一。在机械产品方案设计中，视能够实现特定功能的通用零件、部件或常用机构为结构模块，并将其应用到系统化设计有关层次的具体设计中，即将结构模块化方法融于系统化设计方法中，不仅可以保证设计的规范化，而且可以简化设计过程，提高设计效率和质量，降低设计成本。网络技术的蓬勃发展，异地协同设计与制造，以及从用户对产品的功能需求一设计一加工一装配一成品这一并行工程的实现成为可能。但是，达到这些目标的重要前提条件之一，就是实现产品方案设计效果的三维可视化。为此，不仅三维图形软件、智能化设计软件愈来愈多地应用于产品的方案设计中，虚拟现实技术以及多媒体、超媒体工具也在产品的方案设计中初露锋芒。目前，德国等发达国家正着力于研究超媒体技术、产品数据交换标准STEP，以及标准虚拟现实造型语言VRML(Intemet上基于虚拟环境的标准交换格式)在产品设计中的应用。机械产品的方案设计正朝着计算机辅助实现、智能化设计和满足异地协同设计制造需求的方向迈进，由于产品方案设计计算机实现方法的研究起步较晚，目前还没有成熟的、能够达到上述目标的方案设计工具软件。作者认为，综合运用文中四种类型设计方法是达到这一目标有效途径。虽然这些方法的综合运用涉及的领域较多，不仅与机械设