（载运工具运用工程专业论文）元系统方法及其在复杂机电产品设计集成中的应用.pdf

摘要 摘要 产品创新设计是科技进步和经济发展的源泉，在日趋激烈的竞争中， 缩筑产品生命周期，降低生产成本已经成为制约企业和嘲家经济发展的重 要因素。耳前利用计算机建立集成化设计和制造系统是解决这些问题的方 法之一。但是这些集成系统存在智能化程度低、灵活度s 扩展性蓑等闷题， 镑慰这些润题零文提出一种采用具有管理功戆豹专家系统嚣系统为核 一0 的计算机辅助设计支持系统的集成系统结构。 首先，本文通过系统分析当前系统集成的主流方法，提出一种在分层 结构錾础上采用模块化装卸结构的组织方式，在总体上给出并实现了系统 的骨架结构，包括：系统中模块的设计准则、模块之间的通讯方式及数据 结构。同时规划了设计任务分配以及各设计子模块的结果协调和冲突处理 方式。 其次，重点研究了基于元系统的集成方法。在深入分析元系统与智能 工程理论和专家系统工具之间关系的基础上，总结出元系统推理机、知识 庠的特点以及他们的建立规则。 再次，在建立总体集成系统结构的同时，本文对系统中包含的相关予 系统模块的建立规则也做了充分研究，提出分层模块化结构的子系统建立 思路。 最后，在本文提出的理论基础上，以国家自然科学基金顼嚣为支撑， 实现了原型系统。系统运行良好，集成结构合理，整体系统在一定程度上 具有了智能、灵活和高扩展性等优良特性，通过实践证明了本文提出的方 法和思路是合理可行的。 关键词：系统集成结构；专家系统；元系统；辅助设计；布置设计 a b s t r a i = 1 a b s t r a ( 了r p r o d u c tc r e a t i v e d e s i g n i sm em a i no r i 醇no fs c i e n c ea n de c o n o m y s j m p r o v e m e t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt e c h n o l o g y 柚da n j f i c j a l i n t e l l i g e n c ct h e o r y ，h o w t os h o n e np r o d u c t sl j f c t i m ec y c l e ( p l c ) 锄dc o s th a s b e c o m ec f i t j c a lt ot h ed e v e l o p m e n to fe n t e r p d s e se v e nt ot l l ec o u n h 孓s of a r u s i n gc o m p u t e r st o b u j l d i n t e g r a t e dd e s j 萨 a n dm 卸u f a c t u r c s y s t c m i s c o n s i d e r e da so n cs o l u t j o nt ot h e s ep m b l e m s ，h o w e v e rl i m i t e db yi t s1 0 w i n t e l l i g e n c e 姐dn e x j b i l j t ya sw e l la sb a dc x t 锄s i b i l i t y f o rt h a tc 瓠e ，t h i sp a p e r p r e s e n t s a n i n t e 謦a t e dc o m p u t e r a i d e dd e s i g n s y s t e ms t 珈d u r e b 镐e do n m e t a - s y s t c m ，w h i c hi sa ne x p e ns y s t e mw i t hm 柚a g e m e n tf e a t u t e f i r s t l y ，t h m u g ht l l e 卸a l y s i so fc u r 瑚ts t r u c t u r c 粕dm e t h o do fs y s t e m i n t e 笋a t i o n ， t l l i s p a p c r h a s p m p o s e d t h e s y s t e m ，so f g a n i z a t i u s i n g m o d u l a r i z a t i o n s t m c t u r eo nt h eb a s i so f l a y e r e d s t n l c t i l r e t h es y s t e m s f r a m e w o f kh 蠲b e e np r e s 衄t e da 1 1 dr e a l i z e d ，i n c l u d i n gm o d u l e sd e s i 驴m l ea l s o t h ec o m m u n i c a t i o na i l dd a t as t m c t u r ca m i dt h e m m e a l l w h i l eaf o l l o w i n gs t u d y 0 ft h ew h o l es y s t 锄st a s l 【sa l l o 妇e n ta sw e l la si t ss u b m o d u l e sr e s l l l t c o e s p o n d 蚰c ca n d c o n n i d sd i s p o s a lh a sb e e nm a d e s e n d l y ，w eh a v ef b c u s e do nt h em e t a - s y s t e m ，t l l ek e m e lo ft l l es y s t 锄 f o l l o w i n gc x p l a i n i n gt h er e l a t i o n s h i pb 咖e c nm e t a - s y s t e m 柚di n t e l l i g 髓t e n 西n e e r i n ga sw e l la se x p e ns y s t e m ，w eh a v ec x p o s e dt l l ec h a r a c i e r i s t i c s 蹰d b u j l 曲l gn l l co fm e t a - s y s t e mr e a s o l i i n gs y s t e ma l l dh o w l e d g e b a s e 1 1 l 删l y ，w eh a v e 瑚d es t u d yo fo t h e rs u b s y s t 锄sb u i l d i n gn l l e s ， p r e s c n t i n gt l i et h e o r yo fc o n s t n l c t i n gs y s t e mu s i n gm o d l l l a r i z a t i o n 衄t h cb a s i s o fl a y e r e ds t n l c t l l c 0 d n t e m p o r a r i l y ，af 鼯e a r c ho f0 0 m m u n i c a t i o ns p e d a n i e s a l l dm l e sb e t w e e n 宣l l _ b s y s l e m 壮dm c t a - s y s t e mh 鹤b e e nm a d e m 北嚣墨雯臻；_ 攀壶型 ! ! i雾一蓁 囊建冀落齑譬9 l = l 溉錾。薹羹i ! 烈 童 蠹蒯警目 ! 蠢i i i i ! i 第一章绪论 1 。1 课题背景 第一章绪论 在日趋激烈豹竞争中，缩短产品生俞周期，降低生产成本已缀藏为铡 约众业和国家经济发展的重要因素。随着计算机技术的发展和工般自动化 程度的不断提高，产品设计作为整个产照周期中鲍起始点，出于其所占位 置的重要性，造成其越来越成为制约生产效率的最重要的因素。在这种情 况下，出现了许多利耀计算执系统提赢设诗效率和设计矮鳖的方法，诲多 学者也致力予这个方向的研究，如何有效地提高产品的设计效率和质量已 经成为重中之重。 有鉴于此，利用计算机快速、高效的优势来完成以往由人工完成的重 复性劳动已缀驭得了很大的成效，但是如何利用计算机来完成由人工完成 的需要许多知识的智能型工作仍旧是当前的研究难点之一。尤其是利用计 算机完成人工智能型工作诸如设计、决燕、统筹规划等融题。 产品设计过程是一个复杂的、不确定的过程，它是一个创造憔的活动， 其本质是创造和革掰。同时产鼎设计过程也是一个产品信息从抽象至4 具体、 逐步细化、反复迭代的过程，它从需求分析开始经过方案设计、技术设计 和详细设计，最终得到满足市场需求的产品定义。 我国复杂机电产品的设计长期以来都是由专家组成的小组纯手工设 计，效率低，工作量大，但是效果并不楚特别理想，同时，重复性的劳动 占据了设计过程中的很大部分。为了提高设计质量，缩短设计周期，提出 了研制智能设计平台的项目，采用计算机辅助设计提高工作效率。 在该平台中采用以元系统为集成核心的二屡集成智能单元( i l u ) 为基 本建造块建立集成分稚式智能系统。元系统是篱理型专家系统，它将提供 业务服务、邋讯服务、信息服务和接口服务( 对人类专家和子系统) 以集 北京交通犬学硬士论文 成人和子系统的系统总体方案。本课题的任务就是建立一个具有管理型的 专家系统复杂梳电产品餐髓设诗警台，使之在复杂机电产品设计中为人税 协同设计提供方便，从而提高我圈整体设计水平。该课题也是国家自然科 学基金顼嚣“机电产品锱新设计的理论、方法及其应用的技术”( 编号： 5 0 3 3 5 0 4 0 ) 的子课题。 1 2 知识系统与专家系统 知识系统是指一切慕于知识箍建立起来豹系统的总称【1 叫。这些系统包 括专家系统【4 ，酮、人工神经网纠1 扣均等。在这些类型系统中，由于专家系 统针对特定领域的船识：避行处理，从而在这些领域中获得极大成功并得到 了广泛的应用。 1 2 1 藩内外关于专家系统的研究进展 专家系统蹲x p e r | s y s t e 哟技零足以计算机为工具，利用专家知识及知识 推理来理解与求解问题的知识系统。专家系统技术模拟人类领域专家的宏 观推理活动，是一种利用计算机对于符合模型描述的领域知识进行符号推 理的技术1 3 1 。 研究人工餐能的目的之初是建立一个智能化的通用问题求解程序 g p s f g e n e r a lp r o b l e ms l o v c r ) 。1 9 5 6 年，a w e l l 和h a s i m o n 在逻 辑论及l t 和g p s 的研制中为专家系统的产生奠定了基础【3 l o 随后1 9 6 5 、 1 9 6 8 年，s t a n f b r d 大学的e a f e i g e n b 栅n 教授等进行了d e n d r a l 系 统的研究，随着d e n d 黜地系统的研制成功，标志着专家系统的诞生【1 1 。 2 0 世纪7 0 年代，随着批技术相对成熟的专家系统的出现，关于专家系 统通用性研究的骨架系统和通用表示语言的思想逐渐形成。1 9 7 7 年，e 。a f e i g e n b a u n 教授在第五滔国际献联合会上对专家系统的思想作了系统总 结，提出了知识工程的概念，至此，专家系统技术已基本成剿。 专家系统经过近几十年的发展，成为人工智能研究的一个重要应用领 2 一 北京交通大学颈士论文 1 2 3 元系统 “歹己系统”作为一个概念，早在2 0 世纪就已经被提出，但是到现在也 没有一个确甥豹定义。从功戆上米说，元系统魄是一个专家系统，属手管 理型的专家系统，在坦克智能设计平台中，由于设计问题的复杂性，必须 要利用专家系统来解决各方面的专业问题，又因为问题的多样化造成多个 专家系统共存。因她功髓单一豹、不其有领域知识豹专家系统已经不镜适 应越来越复杂问题的求解，从而提出了“元知识”和“元推理”的概念。 元知识特指关于知识的知识，这些知识属于更深一层的领域知识，在领域 知识一簇进行推理叫炎推理，存元翘识库并嚣遴器元推理的专家系统就可 以称为元系统。 元系统允许用户自己编写元缀推理规则、输入领域知识，是专家系统 灵活性嚣功能强的表现。在元系统中通过对矮域籍识熬推理，将复杂豹阔 题根据领域划分，分解成较简单的问题，从而可以使这些闯题在较低一级 层次中得到解决。 如上赝述，元系统在功能上提供领域级知识的“元级”捺理功能。它 将一个复杂的l 司题通过分析分解，得到有关领域内各分支的予问题，然后 将子问题通过功能更加细化的模块绒系统一一解决，将结果汇总以后通过 领域舞1 谈匏运用将蚤子问题的结果汇总戒最终结聚。因此，元系统综合予 系统之麝的结构如图l ，1 所示： 图1 1 系统结构 。6 第一章绪论 在这种结构下，每个元系统下面都管理着若干个元系统或者专家系统。 整个树状结构中，每一个系统都可以有用户接口。通过这种树状结构，复 杂的闯蘧被分解为一个令单一领域的麓单闷题，在其单一领域的专家系统 中得到解决。 由于元系统在解决领域河题方面肖很大优势，本课题研究将元系统作 为集成单元豹智镌核心，实现了整俸系统智镌化的提高。 1 3 系统集成 7 0 年代潋来，集成概念荠非鲜闻【h 】。计算机诞生班来，应用诗算辊透 行数值计算和事务处理融经有很长的历史。当计算机刚开始被使用时，结 合实际应用，开发了不少面向专业的或者针对某一单一用途的计算机应用 系统吲。隧着计算祝技术稻应用需求的发展，原来设计的系统越来越满足 不了日益增长的功能要求。越来越多的项目需要原来的两个系统或者几个 系统同时正作才能起到应有的牲驰j 傺臻满蝽出量湍隧噶灞躞琢淄诺谢懒； 瞢赫。蚕l 蒋疆蒙穗捂通谓的县。债互酉鞋篓型撵；鞋囊裂引攒彭酗黢；羽 曼拳艾= 制贬；裂囊娈羹萝萋涵雠，形式指子模块采用动态连接犀i 啪，绋 嘈括省毹黏藉霸蘸蠢踅馏嶂穗滔滔鼍艨冷瓣总国秭弹，笛锦兹粒薹耀撩 戮霹懿蒋鹭銎鞋鹜雅黼鞴巩蹦埘乳鼢塑裂麓臻滴描苎“稚翳蹈钱珥 鬟i 蔫峪晦峨省堪蓬喽矗疆洚镐渤穗溶蕊尉搪。 喝 能封 装为数据包的形式，所有的功能调用都通过网络发送特定的数据包来实现。 进程数据共享、文件交换与网络共享形式类似，都通过特定的数据包来实 现功能的共享。 在本文提出的系统中，由于各模块中实现的功能有一定的差异，利用 动态连接库实现其通讯有一定的局限性，例如子模块的输出函数只能用地 址来调用且其参数必须符合规定等，因此考虑利用其余的几种形式来实现 芤京交遵大学硕士论文 5 具有皂好的人机交互界璇，有效的支持应用者的信息处理活动。 不过蠹予封蘅系统集成愚想处于发展阶段，没有一个统一睚确的定义， 同时系统集成中存在着许多尚未解决的难点，例如集成方式不够灵活、系 统智筢程度较低、系统协调能力较差、共用数据逶道设计困难等河鼷。为 了解决当前系统集成解决方案中存在的这燃问题，本文从利用元系统作为 系统集成核心的免菠讨论了系统集成设计的策略，弗且给出了一个工程应 用实例。 1 3 1 系统集成分类 1 ) 已有系统的集成 对目前已经拥有并篪在使用的系统进行集成。一般情况下都是由于需 求的增加，原来功能单一的系统不能完成所要的功熊，从面要将两个竣多 个系统集成起来。 2 ) 对重新设计的已有系统的集成 由于已有的系统不能完成需要的功能，葡时由于将正在使用的系统集 成起来蠢实现上的技术难度或者有其他不适合直接集成的情况，需要对原 有的系统进行重新设计以后再集成。 3 ) 完全新设计的系统的集成 没有适合完成需求的现有系统，需要新设计整个或者部分系统采完成 系统集成。 1 3 2 当前系统集成模式 从系统集成方法论豹恁度来番，强蘸f ；5 l 没寿可供直接使雳的理论。系 统集成的方法从其实现的方式上，一般来说可以分为以下几种： 功能集成：功能集成是指按照功能不睡趣| 分的予系统的集成。由于大 多数子系统开发是按照功能需求进行设计，因此按照功能集成是很自然的 想法。铡如，将生产营销管理系绞中已有的财务子系统、键餐子系统、摩 北京交通大学硕士论文 验知识，采用本文提出的方法建立了动力舱智能布置设计的原型系统，并 先后通过了2 0 1 所和国家自然科学基金的验收。 1 4 2 论文章节及体系结构 本论文的内容体系结构如图1 2 所示，共分为六章，各章简要介绍如 下： 第一章为绪论，介绍本课题研究背景，研究基础以及现有的系统集成、 知识系统等的研究现状和研究趋势，在此基础上提出本文研究的内容和体 系结构。 第二章在分析当前智能系统集成方法的优缺点基础上，提出了基于分 层模块式装卸系统总体结构，并且详细研究了系统结构中的关键部分。 第三章针对智能系统集成的核心元系统进行了研究分析，在详细 分析目前已有系统的基础上提出了在本系统结构中建立元系统的方法。 第四章在研究了整个系统构架以及核心的基础上，研究了完善整个系 统的子系统的建立规则方法。 第五章结合实际项目，在调研分析现有人工设计的优缺点以及经验的 基础上，建立了基于分层模块式装卸系统总体结构，采用以元系统为集成核 心、二层集成智能单元( u ) 为基本建造块的集成分布式智能系统。并且 论述了在建立过程中的经验和最终效果。 第六章对全文进行总结和展望。 图1 2 论文组织结构 * 1 1 第一章绪论 总结与展望 i ( 第六章) g 北京交通太学硕士论文 2 0 2 予系统层 子系统层中包括所有的除元系统以外的其他系统。在整体系统结构中， 童于这些系统都楚于元系统豹管璎之下，因此称这些系统为子系统。系统 中的具体功能都由处于子系统层的备个子系统完成。同时各予系统在元系 统的控制管理之下，相互独立运行，同时又能够疑相合作。 2 3 模块化组织 在上述系统分层的基础上，提出了模块化的缎织结构。餍一层中的模 决其存辐同豹接日，实瑷类似的功能。其中每个攘块都可以动态添加和剿 除，这就大大扩充了系统的灵活性，使其可以适虚日后多变的情况。例如 知识推理的规则改变以后只需要重新编写知识推理的模块然后将原来的替 换掉就霹以了。同时，由于采震绞一豹接目，如栗同一层中豹模块完成翡 功能类似，就可以使同一层中的所有模块共同协作来完成同一个任务，也 可以各自完成同一个任务，然后推举出最优方案。模块式的系统结构如图 2 。4 雳示： | | 曩一。攥姆箕黪龄麟统蔓= ij 毒薯l t t 可t “ 卤卤卤卤 图2 4 系统模块结构 2 3 1 模块设计准则研究 辩予一t 述的模块化系统组织结构来说，子系统设计准盟| j 的制定对于成 功的建立整个系统是至关重要的。由于在系统设计之初首先就要确定子系 统之问的接口规则，因此，如何使该规则适合当髓系统的需要，同时又具 有一定的可扩充性是设计该规贝| j 应该考虑的重要问题之一。因此，首先要 根据下丽的两个步骤来设计模块之间的接口： 第一l 善基 羹篓i 藜窿m 韩掣确酰n 。驰静醴呐携；螅心螋鲢孔蟹。矧艇钢耕 襞孤拍鞠丽j 驴明蛙蛘戏列i 绮犁群蝥；髓酿鹭弦嘏鞫! i i 。盟垫，酷驰骂 ! ：i 裂劐型訾錾咧楣办唧翟，融醚驶舅m 娌囊薛馨i 艘鞠理勰嚣鞘二曦噶 僻峪疆蠢剿裂刮蚕嗣；擒塌去盈i 琵箱攀警毯茧? 蔼滔潜凄澉壹酯丛蠡蚺 憋理麓鬟辨茸掇圜阻， 蓬j 萋i 薹萋雾羲蒌冀鋈| 熏| | ；萋蓁鎏雾薹 剧茧塑办澍番犯粑卿芎箭彰肾剩掣缈型氐学j 乏泫并翔酗骀雒鹕龄醪 翳，器雀铝臻器瑾军素臻形式制定出秆或者；u 帽朗礁磋翘翮力奏孽幽鞋 割轴群；涵泛黾嘻赫罐洋墙镒嘣渤简灞碡算滔。骝司斌鞘薷鲤鬟鹂秘 麴i 式蓼疆形式叹及数疆晒醛篇肆痞蕴涵瓣潺戡讲、涮瞄温懑蠹猫猫醚滞 辨* 斡弱装溺；据结构涣定辖誊嘤壤穆牧鲥彰鬻鲤= 缓增固暇憾受静 氆醵；i 鞲南粤裂鼬甜m 赢翥餐蓠彰葡戡j 裥简瞥瓣测巍鲞掌函萄烈鞘拼 白匪，丽酬涟舔鳓羲齐簸墼割：眇甄霉昭刊蜒 静辫篓刘尘型翻冀引! 笺二 骋趔i 滞! 鲫蹲硇拜鄹孵蟹时墅蛆明默掣珏到雌毁媸性玎鼬菲j 塑要颈拿 崩错的机会甬搿基磊创釜剥霸挚；裂鬻掣矗鲸驯豁磷搿品并淫搿；嘭 嘲吲洌孺骥鞋琵盼誓嚣骈鲥翮畦蔓蚱殖姘赡为二舜诺露篓酉柏拍舡酌鞭 蘸酣氩苻引削办搿剥引割 苻。引刚剽剁彩延搬霉墓鬟饕奏螽薹萋錾蓊掣。 毙孙；蕴葛沼烽娑垮灞瑚曦琢噬d 揣鞭坠毙麓甄斑裂髻醚盟配群醛鲣鞫。 舅触i 羹瓣鞘醐翻朝u 黧 丛：驯器烈茧剥酎誉呈靠碍孙釜纠甜蹴箍 群篓翱裂割裂嚣雕；髭鲳群隧磊醚镰残醒髓鞋翡懿暖黧黔糕琵藕g 涮弱者 韵赫赫州酢刁酚积； 萋蓊二奠建谫獭堪坦溅型漤谭嚏毯增坦峪 x ) 嚣京交透大学硕士论文 识控制其余的几个模块协同工作。模块管理器中的功能调用管理是针对各 子模块不同的功能而设置，其作用悬将元推理枫发出的命令按照功能调用 的形式传递给子模块。流程控蒂l 作璃为控制子模块瓣运幸亍与同步，使褥各 子模块能够按照给定的时序有顺序的运行。装卸撩锖4 用来管理模块动态加 入与退出系统。 e 囊_ ；= i 馨髓譬蔓i _ i 冀霜- fm_蜓 雅琏虢 嚣? * 黧臻冀麓誊习 = ；_ | 接鞲_ _ t e i 二| ：- i 潍鳓= | = = i 誊二 鹾。册旧i 2 3 3 模块的装卸 图2 - 5 模块管理器结构 图2 - 6 模块装载过程 一1 8 一 簋一l 善霆 雾雾蠹篱滋猩，掣燮剖霉菇固墓增固划型羚捕矾泊弱鞫药籍荫疋， 氛弛雕出屠舡荬i 啦一殖鞘媾副番象剐妻圈萎。崮刭鲋碰两簖藉i 灞 醴 匆滓型陛浦晨当一露博型。童溺指稀糯移辩! 机制采一保诞诱功能的实 珊殖理鬯国。 用专门的装卸管理模块桌誊搀子模块的装卸。魅哇魏螋鞘奶射畦殖鞘 鞠照料畦鲣彰幽孬檩块j ”韧夔雨醋争翻鞫耐融毓磐西； i ：矍雾囊鎏委 霪骥却港蟛i 韭薛鹭翳藏鹱嚣酣 笪；地韪薹磁等翻秘，节枷睬对应项 即亘蓄h 霪羹囊鍪囊雾萋萎童薹刊习静；淘国隧涛够潍蠛镑毡蝇眇；霭 嗡堪峨臻璺= 生落誉纠翮礁誊童芭等简诺驻翁茹一藕番旨千耍通过模块 间的磊，r 爱唰犁理骚要愿终筇塑上 静醴：渥嗵疆噶霪随型隋膳嘴嘎誊| 曝盘蹩烈妊驰醐辨载裂烬；鹭刊巍黼鄞瞄蚕莽掣鬻鹭曩豁型强罾嘉簧撂国 羟谨霸曼曼童羹奏鍪薹妻垂雾驰牲驰j 傺臻满蝽出量湍隧噶灞躞琢淄诺谢懒； 瞢赫。蚕l 蒋疆蒙穗捂通谓的县。债互酉鞋篓型撵；鞋囊裂引攒彭酗黢；羽 曼拳霎；制贬；裂囊娈羹萝萋涵雠，形式指子模块采用动态连接犀i 啪，绋 嘈括省毹黏藉霸蘸蠢踅馏嶂穗滔滔鼍艨冷瓣总国秭弹，笛锦兹粒薹耀撩 戮霹懿蒋鹭銎鞋鹜雅黼鞴巩蹦埘乳鼢塑裂麓臻滴描苎“稚翳蹈钱珥 鬟i 蔫峪晦峨省堪蓬喽矗疆洚镐渤穗溶蕊尉搪。 喝 能封装为数据包的形式，所有 的功能调用都通过网络发送特定的数据包来实现。进程数据共享、文件交换 与网络共享形式类似，都通过特定的数据包来实现功能的共享。在本文提 出的系统中，由于各模块中实现的功能有一定的差异，利用动态连接 库实现其通讯有一定的局限性，例如子模块的输出函数只能用地址来调用 且其参数必须符合规定等，因此考虑利用其余的几种形式来实现。1 9 x 北京交通大学壤士论文 1 随机选取。如果系统中存在能够实现相同功能的予系统，随机选择 其中的一个将河题分配绘该子系统。 2 轮换选取。对处理楣同闻题的子系统进行登记，当舂该类问邈嚣要 处理时就选择一个最近没有调用过的子系统进程处理。 3 择优选取。如果是第一次出现该问题，则将该问题交于所有能处理 该问题的予系统，然后对处理结果和时间进行分析，选择最优的系统。下 次再有该类问题交于最优系统进行处理。 4 空瓣处理。如果系统可以实现多任务操作，剡按慧前面的算法选择 处于空闲状态的予系统进行闻题处理。 2 5 2 结果协调 在任务分解为予问题以后，由子系统处理完成的结果也是独立豹子闳 题结果，必须由元系统将其按照一定的方式组织起采。元系统在进行任务 分解的时候需要将其任务分解方式、其分解原理等原始信息作为任务的参 数保存到静态黑板中。每个子问题的结果计算出来以后，将结果填写到黑 板中任务参数的裙应位置。当所有子闯题结果都已经计算出以后，元系统 再根据领域知识对其进行整和得歪l 最终结果。 同时如果系统设置为可以有多子系统党争处理的方式，系绫就可以每 次都选择2 个或者以上的予系统对相同的问题进行处理，对这些结果采用 合适的算法加以综合利用。由于元系统具有领域知识，因此对结果的好坏 其有一定的推理判断能力，由元系统对所有子系统产生的结果进行评价， 选择较优的结果。摇果领域知谈中有如俺处理檩同子闷题产生不同结果的 知识，也w 以采用这然知识对结果进徭统计、计算等，以获得更好的结果。 2 5 3 冲突处理 由于系统中存在处理棚同问题的不圊予系统，所袁的子系统得到的结 果不一定都完全相同，甚至可能存在冲突，如果在系统中出现冲突的结果 第二章系统总体结构研究 就需要对这些结果进行冲突处理。 首先元系统应该利用领域知识对结果进行分析，如果能够确定结果的 正确性则舍弃错误结果，保留正确结果。如果不能确定，则将问题交于其 余没有参与该次计算的子系统，将这些结果放到一起比较，选择结果相近 且没有冲突的数量最多的结果作为晟终结果。如果其中所有的结果都存在 冲突，则利用用户界面向人类专家提出问题所在，与人类专家协作解决冲 突问题。 2 6 本章小结 整体的系统设计应该有整体规划。首先应该确定系统的整体结构，这 样才能有利于系统功能的细分和后续功能的扩充，提高了系统的扩展性和 灵活性。本章从整体上阐述了系统的整体结构和组织方式，提出了在分层 结构的基础上采用模块化装卸结构的系统组织方式，同时研究了系统中模 块的设计准则以及模块之间的通讯方式和数据结构，最后研究了系统的整 体任务分配以及各子模块的结果协调和冲突处理。 第三章元系统结构研究 器应用到解决实际问题中去。智能工程与人工智能既有区别，也有密切的 联系。首先，人工智能是智能工程的基础，智能工程中所用到的理论方法 是人工智能研究成果中的重要部分；其次智能工程是人工智能科学与实际 应用的一座桥梁，人工智能科学的研究成果通过智能工程得到实际的应 用。 3 1 3 专家系统与智能工程 专家系统技术是人工智能科学中比较偏向应用的一个分支。它主要用 于领域知识的范畴，并通过计算机符号推理以解决单一领域知识的问题。 因此，专家系统技术是处理以符号模型描述的单一领域知识的技术，它与 智能工程面向多种描述形式、多领域知识的以解决复杂问题为目的的知识 处理技术有根本的不刚。 专家系统于2 0 世纪5 0 年代就已经开始研究圈，而智能工程直到7 0 年代末期才被提出，从时间上来讲智能工程的出现晚于专家系统。专家系 统从一开始，面对的就是领域知识的范畴，随着科技的不断发展，专家系 统需要解决的问题也越来越复刹捌，单一的专家系统已经无力解决不断出 现的异常复杂的新问题，于是出现了多个面向不同领域的专家系统结合起 来构成联合专家系统来协同解决同一个复杂问题的局面。然而当许多专家 系统联合构成分布式人工智能系统时，许多新问题出现了，例如各专家系 统之间的相互作用、通讯、协调、管理以及使用等一系列问题，这些问题 正好是智能工程所要研究、解决的核心问题。因此专家系统和智能工程所 要研究的对象是不同的。 另一方面，专家系统的核心技术是符号推理技术，而该技术也正是智 能工程的基本手段之一，因此专家系统技术也是智能工程的一个重要基 础。但是专家系统技术存在一些天生的缺陷，从而促使了智能工程的产生 和发展，使其成为复杂过程决策自动化的工具。 第三章元系统结构研究 智能集成系统更加方便、有效。 3 2 推理机与知识库 推理是人类求解问题的主要思维方法，是专家系统技术的重要组成部 分一推理是运用特定的控制策略，利用已有的知识和事实去求解实际问题。 推理的任务是利用知识，因而与知识的表示方法有密切的联系f 1 】，因此， 捺理机的设计和知识蓐的设计楚元系统设计中的关键郝分。 3 2 王元系统推理的特点 在专家系统所面对的问题中既有单一领域的知识问蹶，也有多领域知 识的问题。对于处理单一知识领域的推理方法一般用于单一的专家系统， 而面对多领域知识的推理方法用于元系统。由于各自处理对象的不同以及 不同领域知识表达方式的不同，二者之间又有很大的不同。 尽管元系统处理对象具蠢特殊性，毽锈域闼遂豹捺褒方法斑是元系统 设计豹基础，特别是在工程中应用最多的，即产生式专客系统中使用的推 理方法：正向推理、反向推理。正每推理是产生式专家系统所采用的主要 推理方式之一。正向推理是事实驱动的。在正向推理中，用户事先提供一 批事实并放入事实库中。正向推理将这些事实与规则的前提条件进行匹 酝，把遁配成功豹规则的结论作为新事实加入事实麾，并继续上述过程， 褥更鼗的事实疼中掰有事实再与援剩相廷配，壹翔没袁可匹配的援羽为 止。反向推理又称目标驱动或假设驱动，基本思想为：茵先提出目标或假 设，而后试图通过检查事实库中的已知事实或向用户索取证据来支持假 设。如果所有的假设都得不到攀实的支持，则推理失败。事实上，此过程 可视为在状态空间施加逆操作，从目标状态到初始状态并采用了深度优先 的思想。 由于元知识多样栏、复杂憷和分教性熬特点，饪秘一穗单一豹推理形 第三章元系统结构研究 多样性：能对不同层次、不同领域、以及不同特征的知识进行处理。 高效性：能灵活地应用知识，进行高效地搜索和匹配，以求得问题的 解。 可控制性：推理过程应该是可控制的，采用过程控制可提高求解效率， 但应避免过程化记述，因为这种方法不能灵活地处理知识，系统应该是对 知识的动态利用。 可观测性：在问题的求解过程中，推理的思想应易于为人们所理解， 应具有和用户灵活交换信息的界面。 现有的推理方法包括基于谓词逻辑的推理、基于概率论的推理、模糊 推理以及单调推理等。在元系统中，由于面对的领域问题多元化，根据元 知识面向对象的特点，适合采用模糊推理和单调推理相结合的方式来进 行。 同时在控制策略方面采用知识控制，利用自身所有的元知识以及所要 解决的具体问题来控制自身选择正向推理、反向推理或者双向推理。 3 3 知识获取 知识获取【4 3 】也称为机器知识获取，是把用于问题求解的知识从某些 知识源中提取出来，然后经过提炼整理，最终形成知识库的过程。知识获 取是专家系统领域研究的基本内容之一【钔。知识获取除指通过知识工程师 进行“人工”知识获取外，还有一种方式就是机器学习，这是智能工程的 重要研究分支。 知识获取的知识源主要有3 种m 4 5 闱：专家、书本和数据库，其中， 专家是知识获取的主要来源，他们一般是某领域内专业技术人员。从专家 那里获得知识需要知识工程师与专家进行交流，将专家的知识经过谈话、 询问等方式提取出来，经过加工整理为系统可以识别的形式，然后输入知 识库。书本知识和数据库也可以通过知识工程师阅读、分析，加工整理成 e 象交通大学硬士论文 为系统可以识别的形式输入知识库。 3 3 1 人工知识获取 人工知识获取是掺知识工程师以“人工”介入黪方式使系统获得知识 的过程。这种方式下，知识工程师是领域专家、书本以及其他知识源和专 家系统之间的桥梁，知识遥过稚识工程j | i | l 转化为计算杌可以接受的形式， 然后知识工程师再将这些知识输入到计算机里，成为专家系统的知识。 在人工知识获取豹过穗中，存在着一热困难f l 】。首先知识工程师需要 将领域专家的知识转化为计算机可以接受的形式，这就需要知识工程师在 领域专家的指导下黯阕大量的文献，了解与领域摆关豹大量知识，嚣辩， 知识工程师还必须与专家配合，花赞大量的时间收集专家的元知识。这些 过程由于知识工程师对领域知识不熟悉、同时诲多专家从未对叁己的经验 进行过藏理，并且许多专家经验往往是不精确的等等困难的存在，使得知 识工程师在收集知识的过程中往徒会遇到很多困难。 人工知识获取的过程一般如图3 1 所示： 翻3 - l 人工知识获鞭过程 虽然人工知识获取有许多不足，但是人工知识获取目前仍是获得知识 的主要手段之一，尤其楚在系统建立初期，各种知识严重缺乏的阶段。因 此在整个元系统中人工知识获取1 具是元系统中非常重要的工具。 3 3 2 机器学习 对予人工知谈获取，目蘸存在许多方碰的不足，一种改避的办法是使 第三章元系统结构研究 专家系统具有自动从外部世界获取新知识的方式，这就是机器学习或者称 知识自动获取。 当前研究的机器学习技术可以分成五大类【4 7 娜】： 1 ) 归纳学习：主要运用归纳推理的方法，从外部环境提供的具体实 例中抽象出刻划一类事物( 概念) 的一般描述，这类学习技术研究的最多 也最成熟。 2 ) 分析学习：包括宏算子，结实学习等，主要采用演绎推理的方法， 即根据系统过去的经验来引导推理以解决新的问题。它着重于改善系统的 推理效率而不是增加其知识的宽广度。 3 ) 遗传算法：推理方法模拟生物界的繁衍如交叉、遗传、变异过程， 并以达尔文的自然选择准则判断所生成的中间结果，其算法有高度并行的 特点。 4 ) 神经网络并行分布系统：用互联网络表示实例和所学的概念，学 习是通过网络上的b o l t 盈a i i 算法或是向后传播的方法修改互联网络上活 动链的权值。 5 ) 类比学习：类比是人类认识事物的一个重要手段，许多事情，也 许用通常的话讲许多也讲不清，但只要用一个比喻，听的人就立刻清楚了。 因此在计算机中类比也是一个重要的学习算法，其目的在与增加知识的广 度，具有“无中生有”的特点。也正是由于该特点，类比学习得到的知识 需要在实践中检验才能确认结果成功与否。 这几类学习技术各有不同的起源，采用不同的计算方式，评价学习的 成功与否也各有不同的准则，但它们的最终目标是共同的，即建造一种在 一般领域中能进行有效学习的机器。 在元系统中推理过程对元知识的学习过程主要应用归纳、分析和类比 学习方法，具体流程实现如图3 2 所示： 北京变通大学硕士论文 纳学霹。 3 3 3 知识发现 在机器学习的过程中，归纳推理可以从一组相似的枣实知识中获得一 定的一般性知识，或者称为抽象知识。同时可以通过类比学习从某一领域 的已有知识获得另外一个领域的朱知知识。这些都可以称为知识发现。 麴识发现这个过程是隐含在机器学习过程之中的。枫器学习在从外界 获取知识的f 霉时，通过上苓艨允缨豹空阂时豹垂学习_ 蘧程，不断的对内部 所有的知识进行归纳整理，进而进行类比学习，从而能够类似予入的思维， 不断的获得新知识来充实自己的知识库。 由于上述提到的机器学习的这个特点的存在，元知识库中会不断有系 统自动发现的知识存在。由于这魑知识是由系统自动产嫩的，因此不免会 存在偏差甚至错误。为了防止元知识库中的这些知识在捺理过程中不至引 起熏大失误，元系统中必绥要存在一个检查机翱，来裣焱、控翱和修歪由 枫器学习所发现的知谈。检查机制包含下藏的内容： 1 ) 检查发现的新知识是否与元知识库中已有的知识产生冲突，如果 存在冲突则检查并分析产生冲突的原因。 2 ) 当有新的知识被输入知识库，验证新知识与机器学习的相关知识 是磷有冲突，如果存在冲突分瓣其产生的原因。 3 ) 在一定情况下聚据现有豹萁继知识解决部分知识冲突产生豹翊题。 4 ) 在无法解决现有闷蹶的情况下主动提出闯题，等待领域专家或者 知识工程师解决。 检查机制对于提高机器学习的质量和保证元知识库中知识的正确性 以及提高推理结果的准确性都有歪关重要的作用，这是谯设计机器学习的 算法时需要重点考虑的闻题之一。 第四章子系统建立规剐 第四章子系统建立规则 艇体系统在建立的时候必须遵守一定的规则才能协同工作。本章主要 研究除了整体系统和元系统之外的其他子系统的系统结构、与元系统的通 信方式以及数据结季奄程数据转化方式，使整体系统在拚霭工作上更攮高效 和便捷。 4 1 子系统结构模型 由于整体集成系统是采用分层式的模块绫构，因此隶属于整体系统的 予系统必须要拥有符合整体系统设计耍求的接口才能与整体系统高效协同 工作。 4 1 1 分层结构鸟接日 在复杂机电产品的设计过程中，许多设计功能所设计到的信息和数据 有很多种。因此各子系统在设计功能实现的时候不可避免的涉及到处理类 型以及结j 鸯相差缀大数据的阚鼷。这个润题强以透过将差别巨大的问题分 开，利用不同的子系统分别处理的方式来解决。在这种方式下，由于各子 系统所处理的数据的不黼，必然导致子系统与元系统之间的信息和数据的 传递过程复杂化。 在现有的系统集成方案中，有许多是将两个不同子系统间的数据通过 特有的转换器来实现两个予系统的数据传递，其各予系统以及转换器的数 据传递关系图如图4 1 所示： 阁4 1 予系统之间数据交换 北京交通大学硕士论文 在上图中，连接子系统的每一条双向的箭头线都代表两个予系统之间 的数据转换器。从图中看出4 个子系统之间需要建立6 个转换器。如果当 子系统游数嚣璞期跨霰簧增加更多的转换器。当予系统有n 个瓣对候，需 要的转换器数量为c ：个。可以看出随着子系统的增加，系统需要的转换器 急剧增加。 现育豹集成方式哼 l 其饱缝理不阀数据传递豹方式还有采簇统一貔中潮 数据格式的方式。如图4 2 所示： 圈4 2 统一数据格式转挟 如上所述，这里的每一条双向的箭头线都代表两个子系统之间的数据 转换器。与上一种方法不同的是，在这种情况下，如果子系统的数量是n 的话，需要的转换器的数量是珏。棚比上一种方式在子系统数景较多的情 况下转换器的数量大大减少。 考虑到整体系统，子系统在整体系统中处于从属于元系统的位置，这 就适合采藤上面提到的第二种数据传递方法。在元系统中建立旋用于所有 其他子系统的统一的数据格式，在每个子系统中建立数据转换器，使得各 子系统中适合处理的数据结构转化为系统中适合传递的数据结构。子系统 的设计结构如图4 3 所示。 北京交通大学硕士论文 处理。 4 3 数据转化 由于子系统采用的是分层结构，与元系统的通信采用的是统一的格式， 因此子系统中数据结构与转化方式也是子系统中非常重要的部分。 4 3 1 数据结构 数援结掏建农整个计算觏| 科学与技术领域上广泛被使震豹术语。窿用 来反映一个数据的内部构成，即一个数据瘫哪些数据成分构成，以佧么方 式构成，呈什么结构。数据结构有逻辑上的数据结构和物理上的数据结构 之分。逻辑上的数据结构反映数据成分之间的逻辑关系，而物理上的数据 结构反映数据成分在计算机内部的存储安排。数据结构是数据存在的形式。 数据结构是信息的一种组织方式，其嚣的是为了提高算法的效率，它 通常与一组髯法兹集合裰对应，通过这维冀法集合可以对数据结构中的数 据进行某种揲佟。这里要考虑豹有两个方磷： 1 ) 子系统实现的功能算法所要求的数据结构。这个数据结构首先要考 虑的就是提高算法的效率，其次应该考虑与数据传输算法的转换要方便。 2 ) 数据传输的数据结构。该数据结构虑该适合数据转化层进行数据转 化，同时该数据结构应该在整个系统中楚统一的，因此其结构应该j 笙元系 统设计阶段送行确定，各子系统按照统豹结构进孬建立。由于该数据结 构是垂许多子系统公习，因此英要具有通用经，网对考虑到以后静新系统 有可能加入系统，该数据结构也应该具有一定的可扩展性。 因此，数据结构的设计在面对不同问题的时候都应该考虑到这两方面 的特点进行分别设计。 4 3 2 转化方式 数据转纯发生在数据转化层。数据转化的嚣的是使得在予系绞中易被 北京交通大学硕士论文 的布置设计问题。 正是由于这个原因，国家自然科学基金提出了研制计算机辅助设计系 统的项目，并且该项目得到了我国某车辆研究所的大力支持和资金赞助。 5 。2 系统整体结构及元系统 按照上文提出的分层模块式的结构，设计了该系统的整体结构以及核 心元系统。 5 2 1 系统整体结构 通过在车辆研究所的调研以及和专家的现场探讨，确定了整体系统所 要实现的功能，包括如下几个方面： 资源管理： 资源管理的作用是将以元系统为顶层的整个系统中的所有子系统和知 识库以及数据库组织起来，统一管理，统一调度。因为该系统设计的初衷 是分布式的智能专家系统，因此位于不同位置上的各个子系统必定要有一 个专门的系统来管理，在整个系统中起着举足轻重的作用。 任务管理： 整个系统中，除了提交给子系统的任务可以由子系统独立完成以外， 所有的任务都应该交由元系统处理。任务在提交给元系统之后，由元系统 的任务管理模块对任务进行分析，首先确认该任务是否是本系统可以解决 的问题，如果可以解决，则将该问题分解为其所管理的子系统可以解决的 子问题，然后根据资源管理中标识的子系统的位置，将予问题发送到对应 的子系统中去解决。可以说，任务管理模块在元系统中起核心作用，同时 任务管理模块也应该具有所解决问题的领域“元知识”，如此，才能根据元 知识对提交的任务进行分析和分解，并且能够通过元知识获得其所含有的 子系统所能解决问题的能力。 用户管理： 。4 r ， 第溉章复杂机电产品动力舱布置设计集成系统 基予对安众管理的霜要，在系统巾需要一令表示用户操作权戳的身份 象征。愆户管理所完成的功能就是让各予系统在元系统中注耱以及最终用 户在使用系统黢录的时候赋予它们个椎一的身份标识，并且在它们注销 之前一直保存满这个身份标识，以便系统在执行受限制的操作时进行查询。 权限管理： 类似予用户篱理，权限管理的功能也是患于对系统安全的考虑丽设置 的，这壁权限簿理和弱户管理不弱豹是，用户管理露来维护每个子系统或 者用户所使翅的终端系统在元系统中对应的标识，当系统执行受戳功姥需 要对用户身份进行确认时向用户管理模块查询用户标识，然而用户所具有 的权限是由权限管理模块来维护的。在获得了用户标识之后，通道向权限 管理模块进行询问获得用户所具有的具体权限。这里将用户管理和权限管 理分开的目的建减少重复性管理，增加系统的可扩充性，并且方便系统的 实现和维护。 知识布罴、案铡布置、布置优化等： 由于系统建利用专家系统解决布置问题，因此这些布置功能是系统中 的重要功能模块。知识布置利用有关车辆动力舱布置的知识对给定的动力 舱部件进行初步布置；案例布置利用以前的案例对当前设计提出相荧的布 局方案；布置优化利用强大的优化算法对知识布置或者案例布置提出的方 案进彳亍优化，最大豹提高空间使用率。 分