智能与设计性型专家系统.ppt

智能与设计性型专家系统现在学习的是第1页，共23页 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研究领域，其技术相结合的一门综合性研究领域，其英文名为英文名为Intelligent CAD，简写为，简写为ICAD。迄今为止，虽然对迄今为止，虽然对ICAD有许多定义，但还没有一个大家公认的统一的有许多定义，但还没有一个大家公认的统一的定义。本书给出其中的一个定义为：定义。本书给出其中的一个定义为：ICAD是一种由多个智能体（或称专是一种由多个智能体（或称专家系统）与多种家系统）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。上述上述ICAD概念的表述强调了以下思想：概念的表述强调了以下思想：(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，它们独自负责解决某个中一般包含有多个专家系统，或称智能体，它们独自负责解决某个单一领域的设计问题，但它们又是分布式的。单一领域的设计问题，但它们又是分布式的。(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，不应该是针对某类产品设计的专用系统。环境或工作平台，不应该是针对某类产品设计的专用系统。(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、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。设计和运动仿真等环节。现在学习的是第2页，共23页 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级两的发展分为初级和高级两个阶段。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 随着随着CAD技术与专家系统技术的发展，人们开始把技术与专家系统技术的发展，人们开始把它们结合起来使它们结合起来使CAD系统具备某些计算机化的智能来解系统具备某些计算机化的智能来解决某些设计问题。决某些设计问题。2 2ICADICAD的高级阶段的高级阶段面向动态联盟的集成化智能设计面向动态联盟的集成化智能设计系统系统 集成化智能设计（集成化智能设计（integrated intelligent 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的发展的发展方向，从而在人的主导下将复杂产品的设计自动化推方向，从而在人的主导下将复杂产品的设计自动化推向更高的水平。向更高的水平。现在学习的是第3页，共23页 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结果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，所以，智能CAD的一类方法，自然是面向方案形成过程的一类方法，自然是面向方案形成过程的，具体如下：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 方案的形成过程可以看作为一个推理的过程，它的输入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，是已有的设计数据和设计知识，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。计的方案。至于设计知识的表示，常用的有谓词逻辑、框架结至于设计知识的表示，常用的有谓词逻辑、框架结构、产生式规则表示等，将在构、产生式规则表示等，将在8.3节中进行介绍。节中进行介绍。现在学习的是第4页，共23页 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，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（一种设计方计的结果即是对应于设计空间中的某个点（一种设计方案）。搜索方法可分为两大类，即盲目搜索和启发式搜案）。搜索方法可分为两大类，即盲目搜索和启发式搜索。索。3 3基于约束满足的设计方法基于约束满足的设计方法 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。约束集最终的方案则是满足所有的约束条件后的设计。约束集限制下的子空间即为设计的解空间，而求解的过程则是限制下的子空间即为设计的解空间，而求解的过程则是基于约束进行的。基于约束进行的。现在学习的是第5页，共23页 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 对于设计问题的求解，人们有很多理解，从信息加工角度来看，设对于设计问题的求解，人们有很多理解，从信息加工角度来看，设计是人们对某一领域知识的创造、检索、整理、表示、传播以及在客计是人们对某一领域知识的创造、检索、整理、表示、传播以及在客观世界的再现，是一个设计对象的描述信息逐步增加的过程。因此，观世界的再现，是一个设计对象的描述信息逐步增加的过程。因此，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能CAD方法：基于实例的设计方法（方法：基于实例的设计方法（CBD）和基于原型的设计方）和基于原型的设计方法（法（PBD）。）。1基于实例的设计方法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。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。求解当前设计问题并形成新的实例。(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。现在学习的是第6页，共23页 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，概括了一类事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。在进行设计物的基本特征或共同属性，是对一类事物的抽象。在进行设计活动时，原型既给出了一个基本的设计对象描述模型，又限定活动时，原型既给出了一个基本的设计对象描述模型，又限定了设计模型，并对设计过程的推进起导引作用。一类设计对象了设计模型，并对设计过程的推进起导引作用。一类设计对象的原型可用如下方式表示：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=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。现在学习的是第7页，共23页 8.2.3 8.2.3 智能智能CADCAD的应用的应用 智能智能CAD的应用非常广，在这里只给出其中几个应用的例子的应用非常广，在这里只给出其中几个应用的例子。1 1自动方案生成自动方案生成 理想的智能理想的智能CAD是：人类提出设计的要求，由计算机来模拟设是：人类提出设计的要求，由计算机来模拟设计师，自动地设计出形式多样的且能满足要求的设计方案来。计师，自动地设计出形式多样的且能满足要求的设计方案来。2 2智能交互智能交互 在智能在智能CAD系统中，系统可以用户输入的信息为基础，通过计系统中，系统可以用户输入的信息为基础，通过计算机已具备的知识和推理，自动获得更多的信息，从而使得交互算机已具备的知识和推理，自动获得更多的信息，从而使得交互变得简便。变得简便。3 3智能显示智能显示 (1)色彩方面。色彩方面。(2)真实感方面真实感方面。现在学习的是第8页，共23页8.3 8.3 知识的表示知识的表示 知识的自动化处理技术是知识的自动化处理技术是ICAD的核心技术，知识处理包括知识表的核心技术，知识处理包括知识表示、知识利用和知识获取，本节只讨论知识表示。示、知识利用和知识获取，本节只讨论知识表示。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，其中元知识是次，即领域知识和元知识，其中元知识是“关于知识的知识关于知识的知识”。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。知识的表示所需解决的问题最为有利。知识的表示 也是当今正处于发展的一个也是当今正处于发展的一个方向，知识表示的方法也日益增多，这里仅简单介绍几种常见的方方向，知识表示的方法也日益增多，这里仅简单介绍几种常见的方法。法。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谓词演算谓词演算现在学习的是第9页，共23页 8.3.2 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。框架有如下形式：框架是一种描述立体形态的数据结构。框架有如下形式：（，）（，）（，）)8.3.3 8.3.3 产生式表示法产生式表示法 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。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。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。现在学习的是第10页，共23页 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，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或称为知识库。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：IF 且且 且且 THEN 现在学习的是第11页，共23页 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），它是规则所涉及的对象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。数据库中的数据可以为表结构，也可为树或网结构。工程设计专家。数据库中的数据可以为表结构，也可为树或网结构。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，以表示各参数之间的层次与类别关系。，以表示各参数之间的层次与类别关系。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一个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。规则。产生式系统的最大特点是模块性和自然性。由于规则表示具有良好产生式系统的最大特点是模块性和自然性。由于规则表示具有良好的模块化结构，因此每条规则可自由增删、修改，规则间的关系通过语的模块化结构，因此每条规则可自由增删、修改，规则间的关系通过语境间接地表示出来，所以易于实现知识库和推理机的分离；由于规则是境间接地表示出来，所以易于实现知识库和推理机的分离；由于规则是一种自然的知识表达方式，因此可充分地表示各种知识。一种自然的知识表达方式，因此可充分地表示各种知识。除上述表示方法外，还有过程模式表示、语义网络模式等表示方除上述表示方法外，还有过程模式表示、语义网络模式等表示方法。读者可参阅有关文献。法。读者可参阅有关文献。现在学习的是第12页，共23页8.4 8.4 知识推理知识推理 知识的利用问题，即怎样设计推理机构去利用知识，按一定知识的利用问题，即怎样设计推理机构去利用知识，按一定的推理策略，解决具体的工程问题。目前，常用的推理方法有以的推理策略，解决具体的工程问题。目前，常用的推理方法有以下四类：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，所以它所得的结论实际上早就隐含在证明一个结论的正确性，所以它所得的结论实际上早就隐含在前提之中，只不过通过演绎将已有的事实揭露出来。前提之中，只不过通过演绎将已有的事实揭露出来。(2)归纳推理。与演绎相反，归纳推理则是一种需要有归纳推理。与演绎相反，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。物普遍规律的一种推理方法。(3)不精确推理。似然推理和模糊推理是不精确推理的两不精确推理。似然推理和模糊推理是不精确推理的两种主要表现形式。种主要表现形式。现在学习的是第13页，共23页 (4)非单调推理。非单调推理中，较为典型的推理形式有非单调推理。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。默认逻辑可以表示为：默认逻辑和约束逻辑。默认逻辑可以表示为：“当且仅当没有当且仅当没有事实证明事实证明S不成立时，不成立时，S总是成立的总是成立的”。约束逻辑可以表示为：。约束逻辑可以表示为：“当且仅当没有事实证明当且仅当没有事实证明S在更大范围内成立时，在更大范围内成立时，S只能在指定只能在指定的范围内成立的范围内成立”。专家系统中，推理以知识库中的已有知识为基础，是一种专家系统中，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。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。和正反向混合推理。正向推理是从已知事实的一个初始状态出发，按一定的正向推理是从已知事实的一个初始状态出发，按一定的推理策略，运用知识库中的推理策略，运用知识库中的 知识，推断出结论。知识，推断出结论。反向推理则是先提出结论（假设），然后寻找支持这个结反向推理则是先提出结论（假设），然后寻找支持这个结论的证据。论的证据。正反向混合推理是指把正向推理和反向推理结合起来正反向混合推理是指把正向推理和反向推理结合起来现在学习的是第14页，共23页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，它由六个部分所示，它由六个部分组成。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。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现在学习的是第15页，共23页 (3)推理机。推理机是一组程序，用来控制推理的过程推理机。推理机是一组程序，用来控制推理的过程。(4)解释模块。它是一组程序，负责对推理给出必要的解释模块。它是一组程序，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，使用户易于接受。统提供方便，使用户易于接受。(5)知识获取模块。知识的获取模块是一组知识库知识获取模块。知识的获取模块是一组知识库管理程序，它不仅负责维护知识库的一致性，更重要管理程序，它不仅负责维护知识库的一致性，更重要的是在帮助获取知识的过程中提供知识的构造、排错的是在帮助获取知识的过程中提供知识的构造、排错和更新功能，使知识库能根据领域专家的要求，方便和更新功能，使知识库能根据领域专家的要求，方便地建立、扩充和维护。地建立、扩充和维护。(6)人机接口。人机接口负责管理并执行用户、领域人机接口。人机接口负责管理并执行用户、领域专家与专家系统之间的对话通信。它控制调度推理、解专家与专家系统之间的对话通信。它控制调度推理、解释、维护知识库等过程。释、维护知识库等过程。现在学习的是第16页，共23页 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。专家系统能运用专家级的知识和经验，结合数值计算专家系统能运用专家级的知识和经验，结合数值计算的结果进行推理和判断。的结果进行推理和判断。(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、详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。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。专家系统能不断地接纳新知识，修改原有知识，以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。使自身在工程实践中日趋完善。现在学习的是第17页，共23页 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 这种设计模型要求专家系统必须能揭示上一设计方案这种设计模型要求专家系统必须能揭示上一设计方案不能被接受的原因，并能吸收上次设计过程中的成功经不能被接受的原因，并能吸收上次设计过程中的成功经验和失败教训，进行自我修改，调整设计参数、改变判验和失败教训，进行自我修改，调整设计参数、改变判定条件等等。定条件等等。2 2设计过程决策、技术问题决策及判断决策需要多种资源设计过程决策、技术问题决策及判断决策需要多种资源支持支持 图图8.4中给出了设计型专家系统所需的各种资源，他们大中给出了设计型专家系统所需的各种资源，他们大多数也是当前多数也是当前CAD中所用的资源，因而说明有关决策与相中所用的资源，因而说明有关决策与相应应CAD的资源是紧密结合的。的资源是紧密结合的。现在学习的是第18页，共23页8.5.3 设计型专家系统的建立设计型专家系统的建立 1知识库的建造知识库的建造(1)知识的获取知识的获取知识的获取就是把用于求解某专门问题的知识从知识的获取就是把用于求解某专门问题的知识从知识源中提取出来，并转换成计算机能识别的代码。知识源中提取出来，并转换成计算机能识别的代码。专家知识的获取方法，如图专家知识的获取方法，如图8.5所示，大体上分为两种所示，大体上分为两种。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，是通过知识工程师从领域专家处获取知识。领域专家处获取知识。第二种方法第二种方法如图如图8.5（b），是通过知识获取工具，是通过知识获取工具获取知识。获取知识。图图8.5 知识的获取方法知识的获取方法现在学习的是第19页，共23页 知识的获取过程通常要经过以下五个主要步骤：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。）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。在专家头脑中的问题求解经验等。2）概念化阶段。）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。）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。形式化表示。4）实现阶段。）实现阶段。把形式化的知识映射成一个可执行的程序，形成一个把形式化的知识映射成一个可执行的程序，形成一个原形（原形（prototype）专家系统。）专家系统。5）完善阶段。）完善阶段。现在学习的是第20页，共23页 (2)知识库的组织结构知识库的组织结构 由于工程设计领域问题的复杂性，其知识库也比较庞大，这时往往首由于工程设计领域问题的复杂性，其知识库也比较庞大，这时往往首先采用任务分解的思想将一个大型的设计任务分解成许多相对独立的子先采用任务分解的思想将一个大型的设计任务分解成许多相对独立的子任务。任务。对于机械设计知识的多样性和设计过程的阶段性，我们可以把机械设对于机械设计知识的多样性和设计过程的阶段性，我们可以把机械设计过程分解为不同的层次，如图计过程分解为不同的层次，如图8.7所示。位于某一层次的具体设计对所示。位于某一层次的具体设计对象所用的知识，既与其它部分的知识有一定程度的关联又表现为相象所用的知识，既与其它部分的知识有一定程度的关联又表现为相对独立。对独立。图图8.7 机械设计的分层结构机械设计的分层结构 现在学习的是第21页，共23页 2设计型专家系统的控制策略 我们以机械设计专家系统为例来讨论设计型专家系统的控制策略我们以机械设计专家系统为例来讨论设计型专家系统的控制策略。在机械设计中，常采用在机械设计中，常采用“设计设计评价评价再设计再设计”的总体控制结的总体控制结构（以后简称为再设计结构），这种结构已被广泛应用在机械设构（以后简称为再设计结构），这种结构已被广泛应用在机械设计专家系统中，使用效果良好。计专家系统中，使用效果良好。图图8.8描述了再设计结构，图中有五个主要的功能模块，现分述如下描述了再设计结构，图中有五个主要的功能模块，现分述如下：图图8.8 再设计结构再设计结构 现在学习的是第22页，共23页 (1)初始设计模块。该模块一般完成方案设计，常采用类比法初始设计模块。该模块一般完成方案设计，常采用类比法，因而需要丰富的经验和知识。，因而需要丰富的经验和知识。(2)分析模块。这个模块主要应用各种方法对方案进行分分析模块。这个模块主要应用各种方法对方案进行分析，包括有限元分析方法、可靠性分析方法、失效分析方析，包括有限元分析方法、可靠性分析方法、失效分析方法等。法等。(3)评价模块。评价就是确定方案的各项评价指标的具体评价模块。评价就是确定方案的各项评价指标的具体数值，为下一阶段的可接受性决策提供依据。数值，为下一阶段的可接受性决策提供依据。(4)可接受性决策模块。该模块的任务是检查对设计方案评可接受性决策模块。该模块的任务是检查对设计方案评价的结果是否达到了可接受性指标，可由多个评价指标综合价的结果是否达到了可接受性指标，可由多个评价指标综合建立起可接受性指标。建立起可接受性指标。(5)再设计模块。该模块的任务是根据评价模块和可接受再设计模块。该模块的任务是根据评价模块和可接受性决策模块反馈的信息，运用专家知识，对原方案进行修性决策模块反馈的信息，运用专家知识，对原方案进行修改，提交新的设计方案，使设计方案向可接受性指标逼近改，提交新的设计方案，使设计方案向可接受性指标逼近。现在学习的是第23页，共23页