（设计艺术学专业论文）人工智能在数控机床ICAID系统中的应用.pdf

摘要 本论文在“九五”国家重点科技攻关项目基础上，以“基于因特网 的计算机辅助t 业设计系统”为“高”起点，对“十五”国家重点科技 攻关项目一一“基于设计知识与用户知识的网络化数控机床造型设计与 人性化界面技术及应用研究”作了前期的探索。通过理论分析与实验， 主要研究了基于网络的计算机辅助数控机床造型设计系统中的智能化问 题。 论文首先从工业设计的角度阐述了 c a i d 技术的形成与发展，i c a i d 技术的相关概念与术语，分析了目前计算机辅助设计的发展新要求，智 能技术与t c at d 的结合现状：通过对“九五”系统平台的分析，发现了 i c a i d 系统中的智能化需求问题，从广义与狭义两方面进行论述：提出了 建立基于知识的智能化数控机床j c a l d 系统的思路，分析了系统建模过 程中的用户状态；大胆预测了系统实现的模式与关键模块，并对智能化 的搜索与管理作了进一步的探讨。 然后，通过对数控机床的造型设计实践活动的研究，相关的实验资 判与实验结果分析，得出了工业设计人员与工程设计人员进行造型设计 活动的一般程序，并在此基础上对系统的智能化实现形式与措施作了进 一步的探讨。 关键词：工业设计，计算机辅助工业设计，数控机床，智能化，知识，设计知 识，用户知识 a b s tr a c t b a s e do i lt h es t u d yo ft h esr a t e s “t h en i n t hf iv e y e a r k e y s c ier i c ea n dt e c h n o lo g yp r o j e c t 一i c a i d ( i n t e r n e t b a s e dc o m p u t e r a id e di n d u s t r i a ld e s i g n ) s y s te l l l ，t h isp a p e rp r e l i m in a r yp r o b e sl h e s t a t e s“t h e r e l 3 t hf i v e y e a f ” k e y s c i 0r i g ea l l dt e c he 1 0 1o g y p r o j e c t 一“r e s e a r c h o nin t e r n e t b a s e dn cm a c h ir l et o o lf o r m d e s i g na n dh u m a n iz e di n t e r f a c et e c h n o l o g i e sa n di m p le m e n t a t i o i 3 s h a s e do nt h ed e s i g nk n o w l e d g ea n duserk n o w le d g e ”w i t ht h e a r l & 1ys is0 flh et h e o t ya n de x p e r i m e n t im e t i n lym a d ear e s e a r c h 0 nt h ei n t e l le c t u a le x p e c t jnn cm a c h i t i et o o li c a i ds y s t c m t h ea r tjc 1ed e f ir l e dt h ef o r m a ti0 na n dd e v e o p m e l l t0 fi c a i d t e c h n o l o g y af l a l y z e dt h el q e wr e q u o s t s0 ft h ist e c hr i o l o g y 1 3 yt h o s 1 c u d ya b o u t “t h en i n t hf iv e y e a r ”k e ys c je r i c ea n d 7 r e c hr i o io g y p r o je c t ，t h ea r t jc 1ef o u n dth en e e dsl 0b ein t o l ljg e n ljz e df o rth e i c a i ds y s t e ma n dd is c u s s e di tf f o r t t h ehr o a ds ee l s ea f 】dt h enarr0w s e n s e y h r ol l g ht h ee x p l o r a t i o i la b 0 u tt h eus e rs t a t e s an e wid o a o i lt h ei n t e 儿i g e r l l iz e di c a i dsy s t e mw a si n t r o d u c e di nl h ep a p e r t h et h e s isp r e d ic t e dt h ef o r mn i o d e la n dt h ek e yp a r t so fth es y s t e m ， m a d ead e e ps t u d yi t qt h eif i t e l l i g e n l iz e dh u t i t i n ga n dm ar l a g e m e nl t h e n f r o mth ed e s i g na c t iv i t i e sa n de x p e f i i l l e r l t s th ep a p e r e l ic i t e dt h eg ef i e r a ld e s i g f i p l - o c e s sa b o u tt h ed e s ig f t e ra n d t h e e n g jn e e r ，b a s e d0r l t h er e s e o f c h ，i tp r o b e dt h ei n t e l l i g ef i l iz e d l o r k i n gm o d e lo ft h ei c a i ds y s t e r f lt h o r o u g h l y k e y w or d s ： ln d u sl f i a l d e s i g n c a i d n cm a c h if t et 0 0 l tn 1 ，e 1 1 ig e n l iz e d ，k n o w l e d g e ，d e s ig nk n o w le d g e ，1 2 s e rk n o w le d g e i i 第一章绪论 审美和求知是人类的天性，与生俱来，对“美”与“真”的追求，人们从未 停止过。 安德列库克在其著作生命的曲线中提到：无论是人工制品还是天然物 品，形态的“丑陋”必然表明其功能的缺陷，而某些必要功能的完美形式，往往 伴随着“美”的外形。设计便是人们对“美”与“真”的探求过程，它是人类 创造物质文明的活动，映射着整个人类文明的起源与发展，同时又受到自然、社 会科技发展水平的制约与社会需求的推动。 在科技高度发展的今天，特别是计算机与网络技术的普及，设计的观念与方 法也发生了显著的变化。后工业社会正在以其独特的方式寻找新的造型语言与设 计理念。设计不仅仅用自己的方法研究世界，研究物与人的关系，更重要的是将 科学技术变成一般人可以理解与参与的东西。 设计越来越有可能成为一种独立的平衡力量，专门用来指出技术的位置，追 问技术的意义，凋整技术的方向。没计在很大程度f ：依赖于“形象思维”，但也离 不开一般科学研究中的“逻辑思维”，它虽不可能成为一门完全意义上的科学，但 这并不妨碍我们用科学的方法与技术来研究和发展设计”1 。 1 1l c a i d 的形成与发展 1 1 1 信息时代的工业设计技术的发展 历史上从来没有个时代，其产品的设计对于知识的依赖像今天这么强烈， 信息技术与知识是这个时代的关键词。在这个全新的技术时代有人称之为 “信息时代”、“后工业社会”，也有人称之为“数字化社会”，各种信息通过互联 网高速传播与更新，制造业也不例外。设计作为制造业的灵魂，对其命运与前途 更是起到了决定作用。 据统计，从1 8 7 0 年到1 9 8 0 年这1 1 0 年间，产品制造过程的效率提高了近2 0 倍，而产品设计的效率却只提高了1 2 倍”。伟大的设计蓝图是设计人员“面朝 图板背朝天”一笔一笔绘制出来的。这种情况严重的限制了念业的竞争活力，阻 碍了制造技术的发展。 近2 0 年来，情况开始发生急剧的变化，自动化终于开始回过头柬泽及它的设 计者，将设计人员从繁琐、重复的手工设计中解放出来，让他们将精力和才智集 巾在创造性的构思和创造性的劳动上。 111 1 工业设计技术及发展 所谓工业设计技术是从工业产品美学的角度来考虑产品的宜人性，其内涵随 着工业设计的发展而不断发展。从技术领域的角度看，工业设计是解决人造物与 人之间的关系问题，如安全性、舒适性、美观性、工作、生存环境与空间的合理 性等”j 。 工业设计是从人造物与人的关系出发，尤其是从人的需求，市场的需求，从 人的生活方式和工作方式与质量的角度出发，全面提高产品的设计质量。工业设 计技术是一个构思与表达的过程。设计构思受市场营销学、普通一1 5 理学、人机工 程学、技术美学和现代科学技术等因素的约束来形成的。表达设计即传达设计思 想的方法为表现技法，可以从简单、传统的手工绘制的效果图、外观模型到复杂 的计算机辅助效果图、电子模型和快速成型方式完成的精确效果模型。同时，工 业设计技术是典型的多方案的设计技术。 图1li ：, l k 垃计技术的多方案性 技术应用的成效取决于设讨技术与手段的完善以及设计师的设计能力。工业 设计技术最先应用于大规模制造业是在美国，比如通用电气( g e ) 、柯达( k o d a k ) 、 波音( b o e i n g ) 等公司。到八十年代，一些2 1 ：业发达的国家，工业设计技术与工 业设计教育已成体系，为制造业和跨国公司竞争提供技术与人才。由于工业设计 是解决人造物与人之间的关系问题，从其技术内涵来看，工业设计的工业产品不 仅是工程技术的载体，而且是文化艺术的载体。因此，设计不是一个可有可无的 活动而是与人类生存休戚相关的重要活动。 - i , j k 设计技术既有独特性，又与其它技术相关，其应用、发展需要不断的与 其它相关的技术配套与协调从而构成有效的设计体系”。 1 1 1 2 设计过程的“数字化”是工业设计技术的发展必然 l = 业现代化的进行直接影响着工业设计技术的发展。现代化生产条件与技术 的进步是以“数字化”为代表的，计算机与网络技术是这种“数字化”进程的有 效载体，直接体现于工业设计技术，便形成了设计的自动化。 设计自动化大致包括： 计算机辅助设计( c o m p u t e fa i d e dd e s i g n 简称c a d ) 计算机辅助生产计划( c o m p u t e ra i d e dp r o d u c t i o np l a n n i n g 简称c a p p ) 数控加工a 动编程( a u t o m a t i cp r o g r a m m i n g 简称a p ) 其中，c a d 属于产品设计自动化，而c a p p 和a p 则属于工艺设计自动化与计 算机辅助设计和辅助制造一体化( c a d c a m ) 问题”1 。 在现代设计过程“数字化”的进程中，计算机辅助设计( c a d ) 技术已经经历 了二i 十多年的历史。随着计算机技术的飞速发展，其硬件存储能力不断增加，运 算速率与工程软件水平不断提高，数据库r i 臻完备，以及网络技术闩渐成熟，这 些都使得设计过程的“数字化”成为现代工业设汁技术的基本特征。计算机辅助 设计的过程不仅在于数据处理、结构分析、结构设计、动态仿真和系统优化，而 且发展到动态三维图形可视化和多媒体虚拟现实的阶段：不仅用于产品设计、技 术设计和分析评价，还用于工艺过程仿真、全面质量管理、成本评估等，使研究 丌发和生产准备周期大幅度缩短，成本下降。 迄今，计算机辅助设计技术已被广泛应用于机械、电子、建筑等各个设计领 域，各类软件与数据库f l 趋完备，人机界面友善，“数字化”的现代设计技术为实 现以人为核心的计算机辅助智能设计创造了前提，也为全球性资源共享和快速响 应虚拟先进制造体系创造了条件。 1 1 2 i c a l d 的研究前沿 工业设计的发展特别注意设计方法和设计手段的现代化。现代工业设计是一 门综合了计算机技术、人机，i 1 1 程学、价值工程、技术美学、设计方法学与设计管 理学等多专业、多学科的综合性科学。它是在传统设计的技术与方法上继承和发 展起来的。 图1 2 没计技术与方法的演变 随着科学技术的不断发展，其设计范畴也不断扩大，设计手段不断现代化， 已经发展到应用计算机网络技术，实现异地设计、虚拟设计与制造等。一系列先 进的设计讳0 造技术，如计算机辅助设计技术、计算机集成制造技术、快速原型技 术、仿真与虚拟设计技术也应着时代的步伐款款而来。 1 1 2 1i o a i d 技术的形成 幽1 3 加拿大a l i a s w a v e f r o n t 公司开发 的a l i a s ( d e s i g ns t u d i o ) 基于网络的计算机辅助工业设计 ( i n t e r n e t b a s e dc o m p u t e ra i d e d i n d u s t r i a ld e s i g n 简称i c a i d ) 是以 c a i d 技术为基础提出来的。c a i d ( c o m p u t e r a i d e d in d u s t r i a l d e sig n ) 计算机辅助工业设计技 术，从领域上讲是c a d 计算机辅 助设计的重要组成部分。它的基础是对 现代设计技术的深入研究，将科学的方 法，特别是统计学的方法大量应用于设计分析与市场分析之中，以此建立了多种 辅助设计模型。如大众审美模型，舒适性模型，色彩意象尺度模型和用户模型等。 c a i d 技术目前主要应用于运用软件实现产品造型设计的表现，主要包括草图绘 制、效果图绘制及模型仿真等，较大幅度的提高了设计的效率，节约了设计的成 本。它是工业设计领域的前沿，这不仅意味着设计手段的改变，同时改变了工业 设计的思维模式。特别是国际上一些大的软件公司，推出了一批操作简便，功能 强大的c a d 软件。这些软件大都能完成三维造型、着色、赋材质、三维动画、工 程制图、工程分析等功能，为工业设计提供了良好的软件平台。 c a i d 技术将工业设计理论与c a d 技术有机的结合，利用了计算机快速、高效 的特点，充分发挥了设计人员的创造性思维、审美能力和综合分析能力，使设计 的全过程在计算机上实现模拟和仿真。c a i d 通过与c a d 技术直接联系，与 c a e c a p p c a m 系统集成发展，实现了集成系统间的充分的信息交流与共享。 1 1 2 2l c a i d 的发展条件 i c a i d 的形成与发展的首要条件是计算机网络技术的发展，其相关软硬件技 术发展到了相当高的水平，具体体现在： 在硬件技术方面： 数字信号及网络通讯技术的发展 网络容量从窄带到宽带 网络系统由专用转向开放 网络程序从无智能到有智能 从图形用户接口到多媒体用户接口 在软件技术方面： 万维网( w w w ) 提供了可以轻松驾驭的图形化界面以获取信息 浏览器服务器模型使任何计算机都可以与因特网相连接，提供或获取信息服 务 w e b 数据库技术成为处理全球不同地域资源的强大工具 112 ，3ic a ld 的形成与发展涉及到几个必要的前提 首先，工业设计逐步转向为“面向过程”的设计，具有很大的开放性。由于 设计主体、设计过程的多样性，必然导致设计结果的多风格与多样式，工业设计 就是在这种开放的设计过程中寻求最满意的设计结果。i c a i d 使设计过程具有了 更大的丌放性。 其次，工业设计的学科特色表明其资源( 数据库) 是非静态、非数量型的。 设计的风格与设计的式样随时尚变化，并与其它各艺术形式相互渗透影响，设计 主体的审美情趣与价值取向也具有多样性。i c a i d 是面向整个网络资源的，具有 很高的时效性和时尚特征，使整个设计过程的综合评估更能反映出设计的动念特 征。 再次，工业设计这一多方案的选择过程是建立在以设计主体人为核心的 基础之上，不同主体之间的信息传递使得这一过程更具权威性。i c a i d 使得异地 协同设计和异地方案讨论成为可能，也使市场调查和设计评价更加快捷“。 1 1 3 研究课题的来源与目标 本次课题研究来源于国家“十五”重点科技攻关计划项目“精密制造与 数控机床关键技术研究和应用示范”的子课题“基于设计知识与用户知识的 网络化数控机床造型设计与人性化界面技术及应用研究”。 课题研究的目的从根本上来看是在国家“九五”重点科技攻关项目的基础上， 以“基于因特网的计算机辅助工业设计系统”为起点，充分发挥与主机厂的技术 合作关系，开发出可用、实用、高水平的数控机床造型设计与人性化设计平台。 课题项目是“i c a i d ”理论在计算机辅助工业设计领域中的第一个具体应用。随着 网络化进程与信息产业的不断发展，特别是中国加入w t o 后，该项目具有非常广 泛的应用前景。 本课题研究在国外已经起步，如美田的微软( m i c r o s o f t ) 公司开发的“网络 会议”( n e tm e e t in g ) 软件，可以说是该项目的最初应用之一。美国的伊利亚纳 工学院也正在进行网络会议( n e t c o n f e r e n c e ) 的研究，具备了会前计划，会中 交流，会后资源共享三大特征，在围际上处于先进水平。 在国内，除浙江大学人工智能研究所和湖南大学工业设计系作了一些相关的 研究与实践活动以外，其他院校、企业和科研院所还没有公开文献涉及本项目的 研究，本项目在中国还处于起步阶段。由于国外对本课题的研究时间不长，因此， 赶上并达到国际领先水平是切实可行的，并会对中国的精密制造与数控技术发展 和战略研究起到重大的推动作用。 1 1 4i c a l d 的相关概念与术语解释 t 1 4 1i c a i d 网站 i c a i d 网站是湖南大学工业设计系于2 0 0 0 年自主开发的一个基于网络平台的 数控机床辅助造型设计阌站。网站为数控机床企业提供了产品造型设计的图库资 源及在线设计等专业服务，同时，向企业传达全新的基于i n t e r n e t 的辅助工业设 计及协同设计的概念，使企业的产品丌发过程紧跟信息时代、网络时代的要求。 i c a i d 网站( h t t p w w w i c a i d n e t ) 是在“九五”国家重点科技攻关项目 数控机床计算机辅助造型技术研究成果的基础上建立的_ e , j k 设计专业网站。 它生要包括：在“九五”国家重点科技攻关项目分专题“数控机床计算机辅助 造型技术及外观件图库研究”的基础上完成的数控机床造型图库系统和基于意象 尺度研究的图库检索系统，其中存储数控机床整体造型参考图约li 0 0 个，外观件 造型图约3 0 0 个。 1 1 42 意象与意象尺度 一般来说，形象是客观事物具体的可感知的外表，意象是具有概括性的抽象 符号，它纯粹是一种心理活动的体现。产品造型的意义并不在于造型本身，而在 于能唤起某种相应的表象，深入人们的认知审美情趣。人们对于产品的认知，f 是产品通过一系列表象来刺激人的感觉器官，通过大脑的信息加工来取的产品的 意象”。 本文中的意象尺度，是根据意象研究的方法，对数控机床的形态与色彩的意 象分别进行实验，分析其在造型中的分布规律，从而得到人们对数控机床造型的 一种认知模式。 1 ，1 4 3 数据、信息与知识 数据是客观事物的属性、数量、位置及相互关系等的抽象表示。 信息是指数据所表示的含义，或称之为数据的语义。一般来说，一个信息可 以用组描述词及其值柬描述。它描述件事，一个物体，或是一种现象有关的 属性、状念、地点、程度、方式等。 图1 4 信息描述模型 所谓知识，是人们在改造世界的实践活动中所获得的认知和经验的总结。 它是人类进行一切智能活动的基础。e a f e i g e h b a u m 认为，知识是经过整理、 加工、解释、转换的信息。f h a y e s r o t h 则认为，知识等于事实加上信念与启 发式。“。由此可以看出，知t ! ； 可以理解为一个或多个信息的关联，明确知识的关 键在于对其关联的把握。 图1 5 知识描述的二维空间 1 2 l c a l d 系统中的人工智能 1 2 1 人工智能及其相关应用研究 1 2 1 1 智能及其特征 什么是智能? 智能的本质是什么? 这是人类专家直在努力探索和研究的问 题，但至今仍然没有完全解决，一直被列为自然界四大奥秘( 物质的本质、宇宙 的起源、生命的本质、智能的发生) 之一。从认知科学的角度来看，智能是人类 特有的思维活动，如判断、推理、证明、识别、感知、理解、设计、规划、学习 和问题求解等，具有下述特征： 具有感知能力 具有记忆和思维能力 具有学习能力和自适应能力 具有行为能力 1 2 1 2 人工智能的研究 所谓人工智能( a r t i f i c i a l n t e l l i g e n c e 简称a i ) 就是用人工的方法在机 器( 计算机) h 实现的智能，或者说是人类智能在机器一h 的模拟，也称为机器智 能或模拟智能“。人工智能的研究e | 标，在m l t 不久前出版的新书( ( a r t i 厂jc i a l i n t e l l i g e n c ea tm i t e x p a n d i n gf r o n t i e r s 中作了明确的论述：“它的中心目 标是使计算机有智能，一方面是使它们更有用，另一一方面是理解使智能成为可能 的原理。”由此可以看出，人工智能的研究目标是构造可实现人类智能的智能计算 机或智能系统。其研究内容主要包括：机器感知；机器思维：机器学习：机器行 为：智能系统及智能计算机的构造技术。 人工智能的研究途径主要有两种不同的观点，一种是主张用生物学的方法进 行研究，实现人类智能在计算机上的模拟以网络连接为主的连接机制方法： 另一种观点主张通过运用计算机科学的方法进行研究，实现人类智能在计算机上 的模拟以符号处理为核心的方法。目前对人工智能的研究更多是结合具体的 领域进行的，主要有专家系统、机器学习、模式识别等“。 1 2 1 3 具备智能的设计型专家系统 用户领域专末 图i 6 专家系统的基本模型 专家系统是人工智能中最 活跃、最有成效的一个研究领 域。迄今为止，关于专家系统 还没有公认的严格定义，一般 认为： 第一，它是一种智能程序 系统。 第二，它具有相关领域内 的大量的专家知识。 第三，它能应用人工智能技术模拟人类专家求解问题的思维过程，进行推理， 解决相关领域内的问题，并且达到领域专家的水平。 专家系统具有如下特征： 具有专家水平的专门知识 能进行有效的推理 具有获取知识的能力 具有灵活性 具有透明性 具有交互性 具有实用性 具有一定的复杂度及难度 针对不同应用领域建立的专家系统在功能、设计方法及实现技术等方面都是 不同的。依据专家系统的特性及其处理问题的类型可将其分为以下十类“：解释 型、诊断型、预测型、设计型、规划型、控制型、监测型、维修型、教育型、调 试型。 设计型专家系统是按给定要求进行相应设计的一类专家系统。要求系统能够 协调各项设计要求，已形成某种全局标准，同时能够进行空制、结构和形状等方 丽的推理，己形成精确、完整的设计方案。此次研究的数控机床i c a i d 系统从领 域上看，便属于设计型的专家系统。 1 2 2 人工智能与i c a i d 系统 智能化是设计活动的特点，也是真f 走向设计自动化的重要途径。这是因为 设计的本质是创造与革新，作为一种创造性的活动，设计实际上是对知识的理解 与操作。现代设计的对象已由简单、分散、独立转向复杂、系统、综合，这就要 求设计过程的系统化与综合化。 正如前文所说，设计作为制造业的灵魂，在计算机集成制造系统环境下，为 了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，设计正向智能 化、集成化、自动化的方向发展。i c a i d 系统作为现代工业设计的先进技术平台， 必然体现与顺应设计智能化的需求与趋势。 由于设计对象往往是多变量、多目标、多个约束条件的复杂系统，解决设计 过程综合智能化的出路在于： 建立基于知识的人工智能计算机辅助设计平台： 引入新的数学方式与理论，例如模糊推理、人工神经网络和自组织理论等分 析方法； 依托多媒体虚拟现实技术建立人机一体化的智能综合化技术体系。 o 第二章数控机床l c a i d 系统中的智能化研究 2 1 “九五”l c a i d 系统的智能化需求 2 1 1 “九五”l c a i d 系统的体系结构研究 i c a i d 概念的首次运用是湖南大学工业设计系承担的“九五”国家重点科 技攻关项目分专题研究数控机床的计算机辅助工业造型技术及外观件图库研 究。在此次研究中，第一次创造性的在i c a i d 概念的基础上，丌发出了一个基于 互联网平台的数控机床辅助造型设计系统i c a i d 系统。 幽2li c a i d 系统的初期模型 2111i c a i d 系统工作原理分析 c a i d 系统的基本工作原理是建立一个基于互联网的数字化工作平台，使处 于不同地域、不同时间的多学科的设计人员、工程人员、管理人员、销售人员、 服务人员等通过i c a i d 系统的网络平台联系在一起，实现实时交流、信息传递、 协同作业、共同开发的设计过程。 “九五”i c a i d 系统是一个基于b s ( 浏览器一服务器) 的系统( 如图2 2 ) ，即 以w e b 为中心，采用t c p i p 、h t t p 为传输协议，用户通过浏览器访问网络服务器 以及与服务器连接的后台数据库，获取与共享设计信息的体系结构”1 。 这种基于浏览器服务器模式下的i c a i d 系统主要有以下优点： 首先，用户对于w e b 数据库的访问不受时间与地域的限制，实现了自主。 其次，基于w w w 技术的浏览器开发已初具规模，其界面非常友好、功能齐全 且强大。 再次，系统得以实现的h t m l 等技术标准已基本确立，具有灵活的跨系统平台 的兼容能力，新的研究也在热烈进行中。 在w w w 和h t m l 标准的支持下，各种文字、图形、图像、声音形式的多媒体信 息，能够通过个友好的界面直接显示在用户面前。同时，可以实现各种信息资 源的自由链接，并集各种信息服务方式如e m a i l ( 电予邮件) 、f t p ( 文件传输) 、 以及信息检索服务于一体，极大的方便了用户在网上的信息查询、检索与浏览活 剥j 。 幽2 2 基于b - s 的网络系统模型 i c a i d 系统本质e 是一个数字化的工作环境，通过采用浏览器服务器模型的 体系结构，工业设计师与企业工程设计人员在不同的地域登陆i c a i d 系统，组成 一个虚拟的设计开发小组，共同研究和开发一些产品项目。 丌h c a d 数控机床辅助造型设计系统是一个面向数控机床行业的工业设计解决 方案，该系统是基于i c a i d 概念开发的，可以分为三个部分，即p n m ( p r o d u c td a t a m a n a g e m e n t ) i c a i d n c m t ( i c a i do fn cm a c h i n et 0 0 1 ) ，c a i d n c m t ( c a i do fn c m a c h i n et 0 0 1 ) p d m 是产品信息储存与管理系统，它作为整个i c a i d 系统的基础，为系统提 供网络及数据管理服务。它是所有并行系统相互间传达信息的中间枢纽。这是 i c a i d 及整个制造系统重要特征之一，它的畅通与敏捷与否，决定了整个系统的 需求响应是否快捷与有效。 在i c a i d 系统中，i c a i d n c m t 主要解决数控机床产品概念设计阶段的问题， 这一部分设计活动基本上是通过i n t e r n e t 访问设计信息的网络数据库来实现的。 而c a i d n c m t 则实现产品的详细设计( d e t a i ld e s i g n ) 并且最终输出标准化共享 的产品数据。p d m 系统则是系统内部的产品数据管理系统，在设计项目的实施过 程中，p d m 系统是工业设计师与工程设计人员可以共享数据的管理系统“。 c a i d n c m t 详 i | 设计 t 群没计 模型蹬引 测试评价 l 输 圈2 3i c a i d 系统：1 ：作流程模型 如图2 3 所示，工业设计师与数控机床企业工程设计人员在线协同设计可以 j o 应用i c a l d n c m t 完成：企业工程设计人员以系统用户登陆系统，按照系统指导， 检索与查找所需要的设计信息，经过判断和决策，从系统中得到需要的初步设计 方案。此时企业工程设计人员可以在此基础上自行完成设计过程，从而完成一次 与企业之间的交互设计过程。另外，企业工程设计人员通过系统获得初步方案后， 也可以通过互联网与异地的工业设计师取得联系，由企业委托二i ：业设计师在既有 设计方案的基础e ，继续完成该项目的详细设计，在通过网络送到企业修改、完 善，最终完成整个设训。 i c a i d n c m t 的设计流程可以归纳如图2 4 ： 例2 4i c a i d n c m t 的殴计流程 其中从查询到提交的概念设计阶段都可以在网上实现，而修改、完善到输出 产品数据的步骤则通过网络交流信息在网下实现详细设计，如此网上网下结合， 完成一次完整的工业设计过程。 2 1 2 “九五”i c a id 系统智能需求分析 在网络时代，设计的职能与作用在不断的发生变化，设计师的任务己不止于 设计物质性的产品，更是设计非物质性的服务。“九五”i c a i d 系统是将c a i d 技 术通过网络平台，应用_ 】二数控机床造型设计中，为企业提供在线幽库与在线辅助 设计等专业的服务，使企业的产品能够紧随信息时代与网络时代的要求。系统的 最终目标不仅仅是实现一种单纯的设计活动，而是提供一种关于设计的服务。 从技术层面来看，网络越来越成为连接各种信息资源的最快捷而有效的方式。 “九亡”i c a i d 系统由于其自身的特殊性，常常自成体系，与其它技术系统之间 的连接不够颁畅。为了更好的适应信息时代产品设计开发快捷、集成的特色，i c a i d 系统需要实现与其它相关制造系统的无缝连接，从而形成面向产品全生命周期的 设计服务系统。其实现形式之一便是在i c a i d 系统的适当环节引入先进的智能化 技术，如虚拟制造技术( v i r t u a lm a n u f a c t u r et e c h n o l o g y 简称v m t ) ，对产品 设计制造全过程进行虚拟集成，将可能出现的问题解决在设计的环节。 无论技术如何发展，i c a i d 系统的目的仍然是服务于人，在一定程度上辅助 系统的使用者顺利完成设计活动。它部分的甚至在很高的水平上替代了工业设计 师的角色，因此，其智能化的程度也必将随着系统技术的发展而r 渐成熟。 第一，“九五”i c a i d 系统是一个基于图库的辅助设计系统，相对独立且封闭。 在设计活动的初期，很难快速的反映出系统用户的多个设计创意。 第二，系统的后备图库由于其特殊的数据表述形式，通常不允许暂时性、含 糊性、不一致性的存在。这就使得设计过程中的多方案提取出现定程度的阻碍。 第三，系统的用户一般为非工业设计人员，缺乏工业设计的相关知识背景， 在利用i c a i d 系统辅助其完成设计任务的过程中，其智能思维活动也有别于工业 设计师。因此，需要建立符合用户需求的系统工作流程，同时实现对设计对象设 计全过程的模拟与演示。 第四，由于系统用户与工业设计师之间存在的种种差异，其在设训。活动中对 于设计资料及设计成果的提取与表达形式也大不相同。“九五”i c a i d 系统单一的 图库支持( 二维图像数据格式) 己不能很好的满足用户的需求。 第五用户通过系统辅助完成初步设计方案后，其后续的设计任务无法直接 利用系统得以实现，必须与工业设计师进行二次合作，这在一定程度上降低了系 统的工作效率。 第六，设计本身是一个不断反复、循环提高的过程因而必须有相应的方法 来评价不同设计方案的优劣。用户通过系统获得初步设计方案后，需要对其所得 设计成果做出相对客观与准确的描述或评价。这种描述与评价不仅仅是美学方面 的，也包括结构、功能、成本、材料、工艺等方面。 “九五”i c a i d 系统的智能化需求在此便需上升一个新的高度。 2 2 数控机床i c a l d 系统中的智能化问题研究 设计活动是一种基于知识与经验的复杂活动“。同一设计问题，不同的设计 者采用的方法大不相同。即使是在同一设计方法的不同阶段，对于设计的表现形 式也有着特别的要求。i c a i d 系统实现了对数控机床的造型设计问题，用基于图 库的方法进行辅助的目标，而智能化的i c a i d 系统则需要将与产品设计相关的知 识转化为系统内部的知识3 ，用强大的知识库来支持整个产品设计过程，从而实 现智能化需求。 2 2 1 数控机床i c a i d 系统的广义智能化问题 从广义上来看，智能化的i c a d 系统需要具备o r e h ( o p e n ，e e c o n f i g u r a b l e ， e n l a r g e a b l e ，h u m a n i z e d ) 特性，即开放性、可重构性、可扩展性、人性化。 第一，系统需要具备开放性。开放性也就意味着标准性。一个智能化的i c a i d 系统必须是开放的，也就是说系统必须遵循一定的标准特别是接口标准，这样 i c a i d 系统才能和其它设计制造系统在各个层次上实现互联与互操作。例如，只 有遵循标准的网络协议，网络系统卅。能直接实现互联。非标准化的系统实际上是 封闭的系统，它要实现与其它系统的互联合作必须通过一定的中介系统或接口来 实现，这样便降低了系统的效能。标准化和遵循标准的开发构造方法是实现智能 化i c a i d 系统的一条重要途径。 第二，系统需具备可重构性。数控机床是一种复杂的产品，其设计过程所包 含的知识类型繁多，结构复杂。为了更好的实现系统智能化的要求，系统需依据 设计对象、设计流程等的变化，实现内部各模块的快速重构。各功能模块通过标 准的互联接 j ，随时进行重构，形成符合用户需求的“新”系统。 第三，系统需具备可扩展性。智能化的i c a i d 系统的规模与各功能模块需要 随着设讨对象、设计过程及设计技术的变化而不断扩展。这种可扩展性可以保证 整个系统的先进与完备，使其辅助设计的功能得以更好的实现，以适应时代发展 的需求。 第四，系统需具备人性化的人机接口。智能化的i c a i d 系统是一个服务于人 的辅助设计系统，人在系统中处于核心地位。系统用户与系统之间的人机交互是 否顺畅对于实现系统的功能起着举足轻重的作用。因此，友好的人机接口是i c a i d 系统实现智能化的直观体现。这种人性化的人机接口不仅体现在界面的友好，同 时也需要建立符合用户习惯的系统使用流程，便捷的操作步骤、安全性保证及其 它非硬件因素等。 2 22 数控机床i c a i d 系统的狭义智能化问题 数控机床i c a i d 系统，作为一种辅助 ：业设计的系统，其智能化问题的核心 在于如何高效的通过网络平台实现协同设计。 智能化的实现关键在于系统后备知识库的组织结构。这就要求系统能够理解 自然语言，允许直接或悯接运用自然语言提出询问：具有联想能力，能根据用户 需求的大致描述找到相关的系统模块；具备一定程度的推理能力能够根据存储 的知识，演绎出所需的解答：系统不但存储数控机床设计的专门知识，还存储了 相关的常识性知识：系统有较强的知识获取能力，能方便的进行知识的增、删、 改，能自动实现知识的相容性与完备性。 数控机床i c a i d 系统智能化的直观表现为： 直接修改方案图库 数控机床造型部件与整体相结合的效果图 可多角度观察设计模型 设计思路介绍与设计评价 造型方案的最新信息汇集与最新设计 理念的网络教育 参数点击达到设计目的 第三章基于知识的智能化数控机床l c a l d 系统研究 3 1 基于知识的智能化i c a i d 系统构建 在数控机床i c a i d 系统中，其智能化表现在：对工业设计师与工程设计人员 等在没计过程中的智能活动研究的基础上，构建其所能识别与利用的信息，通过 模拟人类智能活动，实现辅助设计。 3 1 1 基于知识的智熊化i c aj d 系统构建思路 在数控机床造型设计的过程中，工业设计专家进行设计活动的基础是对设计 知识的掌握、处理与运用。这里的设计知识主要是指需要运用的与设计方法相关 的知识，包括如何收集相关信息与资料；如何产生原始设计方案；如何与工程设 计协调配合：如何进行表面处理、装饰：如何宣传、包装的知识等。主要可归纳 为没计对象的知识和设计过程的知识。数控机床产品造型的相关知识主要包括典 型结构、典型布局、使用方式、使用环境、生产工艺、已有造型等”。 力事丌头难。对于智能化数控机床i c a i d 系统而言+ ，其入口的定义与选取便 是构建系统的重要研究点之一。用户自丌始使用系统，就涉及到入门的选取问题， 入u 发计的合理性直接关系到整个系统功能的完成。由于系统的主体在于“人”， 那么从人出发来考虑整个系统的入口问题，不失为一条解决途径。 、。is e r 厂i n 。 7 氙s 咖n 0 1 圃 图31 系统八口模刑 从图3 1 分析得出，对于数控机床i c a i d 系统入口的构建总体上可以从两个 方面入手： 儿，是从用户的需求入予。这也恰冶应证了设汁源r 需求的格i i j 。j jj 1 i 羊0 刑f ( 1 t d 系统进行辅助设计的过挥中，需要完成若干子任务以满足设计需求，而 这些子任务的进程总是依据一定的叫问序列进行的。因此，准确的把握用j 二一的需 求可以作为构建系统的关键思路。研究表叫，做到有效的收集用户信息是比较幽 难的。目前已有一些方法，如e l k 法，f o c u s g r o u p ”。法等，这些方法本身就存 在着一些问题： 第一，对于用户的信息收集的不准确可能导致曲解用户的需求： 第二。这些方法在用户研究与产品开发之间缺乏有效的联系； 第三，技术发展要求对于特定的产品实现更加快捷而高效的开发。 那么，是否可以建立一种新型的用户设计过程体系以解决系统用户的需求问 题。这种新的系统体系在原系统的基础之上，引入框架原则，构建设计过程模型。 系统框架主要包括四个方面的因素：用户知识，使用进程，产品与功能。从 图3 3 的模型分析得出，功能是联系产品与使用进程的重要桥梁，在系统中可以 将它相对产品与进程独立出来；同样，由于使用过程的灵活可变性，也应在系统 中将其与产品分离开来。这种以用户需求为中心的系统框架有三个关键点，它们 是用户知识的鉴别，用户知识的集成，使用进程的组织”j 。 图3 2j l j 户知识鉴别 图3 4 使_ l j 进程旺配 幽3 3 _ 【：i j 户知识集成 设计进程系统框架主要通过三个步骤实现与用户之问的交流： 步骤一，从现存产品与使用进程中提取用户知识，这个过程也包含了用户要 求的鉴别。( 图3 2 ) 步骤二，通过功能以某种模式将用户知识与现有产品进行集成。( 图3 3 ) 步骤三，从使用进程与产品本身出发。将设计师的模型与用户的概念化造型 需求进行匹配组合。( 图3 4 ) 通过以上有关系统用户需求的分析后，可以得到一系列相关联的知议，将这 些知识按照一定的规则进行分类与组合，以便形成系统的主要功能模块。以此为 研究线索构建系统思路，可将之简称为n 2 k ( n e e dt ok n o w l e d g e ) 法。 从图3 1 进一步分析得出，系统构建的另一条思路是从设计对象入手。这在 图3 3 的模型中也有所体现。i c a i d 系统的主体是用户，其目标是完成某一数控 机床的设计任务，数控机床作为系统设计对象，是系统功能完成的主要客体。在 系统运作的过程中，随着设计任务的不断细分，设计对象也处于不断的变化之中。 这种变化不是随机发生的，而是一种诱发式的，如果将设计对象的整体，依据某 种规则或约束进行分解与重构，便可以形成具备一定智能灵活性的知识系统。这 种分解与重构可能是基于设计元素的，也可能是基于设计进程的，并且，它与从 用户需求入手的构建思路相互呼应，具有互补性。我们可将之称为0 2 k ( o b j e c tt o k n o w l e d g e ) 法。 对于数控机床i c a i d 系统的构建思路不是唯一的，也不是各自为政的，很多 时候是相互穿插，相互启发的。因此，在系统的构建过程中，不应拘泥于某种特 定形式，而要寻求达到研究目标的多种途径，并从比较中得出适合的方法。 3 1 2 基于知识的智能化i c a l d 系统要素分析 系统的构建过程中，对于关键要素的把握是非常重要的。基于知识的智能化 i c a i d 系统要素主要有：知识及知识库、系统进程、设计对象、用户需求。 知识及知识库实现智能化，首先，要明确希望系统解决哪些问题，对于这些 问题需具备相应的定义与说明；其次，则是明确问题的解的表达形式，即将与数 控机床i c a i d 系统相关的知识以何种形式架构于系统之中与呈现于用户面前。工 业设计最擅长的表达方式则是以图像的形式，形成图库，这也是人们容易理解的