（航空宇航制造工程专业论文）基于kbe技术的汽车覆盖件模具cad智能系统.pdf

南京航空航犬人学硕十学位论文 摘 要 汽车覆盖件模具设计是一个复杂的过程，严重依赖j 二i 殳汁者的经验。如何 提高覆盖件模具设计智能化程度一直是覆盖件模具c a d 领域的硎究重点。 首先，本文将基于知识工程( k n o w l e d g eb a s e de n g i n e e r i n g ) k b e 技术引入 覆盖件模具c a d 领域中。对模具设计经验和知识进行系统化处理，辅助人们进 行设计思考，提供设计指导及评价，最有效地利用专家的经验和人类丰寓的，i i 识。 其次，本文分析了覆盖件模具c a d 技术的发展现状，k b e 璀本原理与史现 技术及其在模具行业中可行性，提出了覆盖件模具设计系统中局部智能化改汁 思想。本文基于w i n d o w sn t 的p r o e n g i n e e r 平台，采用c 语言与p r o e n g i n e e r 二次j 1 ：发工具p r o t o o l k i t 进行丌发，应用软件工程学中模块化设计方法和思想， 建立了基于k b e 的汽车覆盖件模具c a d 智能系统的模块结构和总体框架图。 同时，还建立了知淤库，图形实例库以及常用标准件库。 最后，通过以汽车覆盖件( 顶盖) 实例来验证了本文提出的i 殳计思路和设 计方法，从而大大地提高了汽车覆盖件模具设计的效率。 关键词：覆盖件，二次开发，c a d ，智能系统，知识工程，k b e 疆rk b e 披术的汽乍覆盖t l ：模见c a d 删能系统 a b s t r a c t d u et ot h ec o m p l e x i t yo fa u t op a n e l sd i ed e s i g na n dg l e a td e p e n d e n c ei n l d e s i g n e r sk n o w l e d g ea n de x p e r i e n c e ，h o wt oe n h a n c et h el e v e lo fa u t op a n e l sd i e i n t e l l i g e n td e s i g nh a sb e e nt h ee m p h a s i si nt h ea u t op a n e l sd i ec a d f i e l d f i r s t i nt h i st h e s i s k n o v l e d g e b a s e de n g i n e e r i n gt e c h n o l o g yi si n u o d u c e d i n t oa u t op a n e l sd i ec a df i e l d b a s e do nt h ec o n c e p to fk b et e c h n o l o g y t h ea u t o p a n e l sd i ec a di n t e l l i g e n ts y s t e mc a nh e l pd e s i g n e r si nd e a l i n gw i t ht h ee x p e l i e n c e a n dk n o w l e d g eo fd i ed e s i g ns y s t e m a t i c a l l y i ti sa l s oh e l p f u lf o rd e s i g nt h i n k i n ga l l d c a ng u i d ea n da p p r a i s et h ed e s i g ne x p e r t se x p e r i e n c ea n dk n o w l e d g ec ：1 l lb e i n t e g r a t e di nt h i ss y s t e m s e c o n d l y t h ed o m e s t i ca n da b r o a da p p l i c a t i o na n dd e v e l o p m e n to fa u t op a n e l s d i ec a da r ed i s c u s s e da sw e l la sk b et e c h n o l o g ya n di t sa p p l i c a t i o nf e a s i b i l i t yi n t h ed i ed e s i g nf i e l da r es t u d i e di nd e t a i l s t os i m p l i f yt h ec o m p l e x i t jo fd i ed e s i g n t h ew h o l ed i ei ss e p a r a t e di n t os e v e r a lm o d u l e sa c c o r d i n gt ot h e i rf u n c t i o nf o l 。s t u d y a s y s t e mf o r t h ea u t op a n e l sd i ec a d i se s t a b l i s h e du s i n gp r o e n g i n e e rd e v e l o p m e n t t o o l p r o t o o t k i tp a c k a g ew i t hcl a n g u a g e a ni n t e l l i g e n ts y s t e mo fa u t op a n e l sd i e c a dd e s i g ni sb u i l tu pi nt h es a m et i m e ，k n o w l e d g eb a s e ，g r a p h i ci n s t a n c eb a s ea n d s t a n d a r dp a r t sb a s ea r ed e v e l o p e d f i n a l l y t h ed e v e l o p e ds y s t e mi sv e r i f i e dv i ae x a m p l e t h er e s u l ts h o w st h a tt h e s y s t e mr u n sw e l la n dt h ed e s i g ne f f i c i e n c yi sg r e a t l ye n h a n c e d k e y w o r d s ：a u t op a n e l s ，s e c o n d l yd e v e l o p m e n t ，c a d ，i n t e l l i g e n ts y s t e m k n o w l e d g ee n g i n e e r i n g ，k b e 承诺书 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独亨 进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的r 4 容 外，本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本 论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文t 以明 确方式标明。 本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复e i j , f q 二，允 许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索，可+ 以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 作者签名： 日 期： 南京肮空航大人学硕十学位论文 第一章绪论 随着我国加入w t o 后，全球市场竞争更加激烈，在机械制造信息化技术改 造领域中逐渐形成智能化、集成化、并行化和网络化的发展趋势。在这个大趋 势下，研究和开发计算机网络环境下的模具智能c a d 系统受到了高度重视。它 的丌发利用可以有效提高企业的劳动生产率、变革模具设计技术和提高企业产 品质量，进一步促进企业的市场竞争能力。对加速国民经济的发展和国防现代化 具有十分重要的意义。 1 1 计算机辅助设计c a d 的发展 1 1 1c a d 技术的现状 1 9 6 3 年美国麻省理工学院的i v a ns u t h e r l a n d 在其博士沦文中首次提出了 幽1 1c a d 技术发展历程 计算机图形学( c g ) 、人机交互设计和符号存储分层的概念奠定了计算机辅助 设计( c a d ) 的理论基础，从而揭开了计算机辅助设计的序幕。从二十世纪六f _ 基丁k b e 技术的汽下覆盖什模具c a d 智能系统 年代至今，c a d 技术已经历了四代发展“，其发展历程如图1 1 所示。 在过去的三十多年内，c a d 技术在理论和应用上都取得了飞跃性的发展。 先后推出了多种应用于大、中、小型计算机和工作站上的商用c a d 支撑软件， 如a u t o c a d 、u g 、c a t i a 、p r o e n g i n e e r 等：近年来，随着微机性能的4 j 断提 高，出现了许多优秀的微机版c a d 软件，例如：s o l i d w o r k s 、u g 、c a t i a 和p m e 的微机版等。在国内也出现了一大批c a d 软件：g h c a d 、丌目c a d 、c a x a 等具有自主版权的c a d 系统。这些c a d 系统已经广泛应用于机械制造、轻工 化纺、船舶汽车、航空航天等行业。在这些领域中起到了催化、加速、倍增的 作用，并取得了巨大的经济效益。 1 1 2c a d 技术的发展方向 从c a d 技术的发展历程可以看出c a d 技术目前正朝着丌放化、标准化、 集成化和智能化的方向发展。 ( i ) 丌放化 c a d 技术的丌放化是决定能否真正达到实用化，能否真f 使之转化为现实 生产力的基础。c a d 系统的开放化主要体现在：系统的工作平台、用户接r 、 应用丌发环境和其它系统的信息交换等方面。 ( 2 ) 标准化 标准化是指根据c a d 技术本身的特点，制定和修订一些标准，以便更好地 与生产实际相结合，满足开发和应用的需要。制定c a d 标准的主要目的是为了 增强c a d 产品的通用性、提高开发和应用的效率。 ( 3 ) 集成化 集成化是指以数据库为核心、把各种功能不同的软件系统( 如：设计、制造、 分析、工艺规划、质量控制及生产过程管理等) 有机结合起来，使之协调工作， 共享资源，以发挥出单个软件所达不到的整体效益，得到最优化的解决方案。 ( 4 ) 智能化 一般认为智能是知识与智力的总和，前者是智能的基础，而后者是获取和 运用知识求解的能力。具体到c a d 技术的智能化是将传统的计算机辅助设计方 法与人工智能技术相结合，从而使c a d 不仅能支持设计师的绘制，减小劳动强 度，而且还能代替设计师的一部分智力活动，使计算机模拟设计师的思维活动， 自动进行部分设计工作。 1 13c a d 软件的二次开发 南京航空航天人学硕十学何论文 1 1 3 1 二次开发的特点 c a d 作为一种高新技术，因其能带来巨大的经济效益，在企业中得到了广 泛的应用。由于商品化的c a d 软件大多是通用化软件，覆盖面较大，包禽内容 多，而用户在应用时具有自身企业的特点。因此，用户引进商品化软件后，都 进行了不同程度的二次丌发，以便使c a d 在本企业中最方便，快捷地发挥作用。 c a d 二次丌发的目的就是设计出一套软件系统或称之为设计工具柬辅助具体的 使用。二次开发主要包括：” ( 1 ) 汉字输入系统，主要针对国外的商品化软件。 ( 2 ) 标准件库及常用库的建立。 ( 3 ) 二次丌发界面技术。 ( 4 ) 图库及数据管理。 ( 5 ) 针对具体产品或零件的参数造型，图纸自动生成，有限元的自动分析， 参数化系统工作等。 软件的二次丌发具有如下特点： a 涉及面广，情况复杂 由于c a d 二次丌发是面向某一专业，企业所进行的二次丌发，会涉及剖该 专业的各种类型设计，涉及到设计的各个阶段，不同的设计方法和技术处理。 b 工作量大 由于机械设计本身复杂，内容繁多，其中数据种类多数据量大，计算公式 千变万化，要丌发的功能模块多。 c 面向工程技术人员 二次丌发系统是面向工程技术人员进行设计的，是他们进行工程设计的1 = 具。因此，设计要符合工程标准，满足工程技术人员的设计习惯和要求。二次 开发的进行过程就是对具体设计过程的模拟。 11 3 2 支撑软件的选择 二次开发不同与一般的软件开发 而是在已有的软件基础上进行的开发 主要在于它不是从底层丌始的软件设计， 所以二次开发最大的特点是继承性。二 次丌发后的软件功能和性能在很大程度上取决于支撑软件的功能和丌放程度。 因此，二次丌发的首要任务就是选择合适的支撑软件。”： ( 1 ) 支撑软件必须是功能齐全，性能优良。 ( 2 ) 二次丌发的功能和性能情况。 从两方面考虑，一方面，开发功能是否齐全，接口是否简单；另一方面， 基j - k b e 技术的汽下覆盖件模具c a d 智能系统 丌发语言是否用通用的高级语言，编译环境是否优良。 ( 3 ) 支撑软件的版本是否与自身实际相符。 现今支撑软件的版本有d o s 版，w i n d o w s 版，版及工作站等多种版 选择哪一种要根据实际情况。 ( 4 ) 软件的性能价格比是否最优。 1 2 智靛化c a d 的产生及研究方法 121 智能c a d 的产生 机械产品设计是人的创造与环境条件交互作用的物化过程，是一种智能行 为。在产品设计方案确定，分析模型的建立，主要参数的决策，几何结构设计， 评价选优等设计环节中，有相当多的工作是不能建立起精确的数学模型并用数 值计算的方法来求解的。而这是需要设计人员发挥自己的创造力，应用多学科 知识和实践经验，分析推理，运筹决策和综合评价，爿能取得合理的结果。建 立在冯诺伊曼型计算机基础上的c a d 系统，尽管在数值计算和图形绘制上扩展 了人的能力，但在没有智能系统支持的情况下，尚有以下不足。”1 ： ( 1 ) 几乎不能处理设计过程中的模糊信息。 ( 2 ) 系统缺少灵活性，不能处理不一致的设计知识，也不允许设计过程中的 一些临时性的设计知识加入系统。 ( 3 ) 分析评价通常在设计结果完成后才能进行，由于不能对每一步设计进行 及时评价，也就不能及时发现不合理的设计。基于传统c a d 系统的上述缺陷和 不足，人工智能( a i ) 领域中的专家系统( e s ) 在c a d 中的应用可能成为智能c a d 的发展方向。 122 智能c a d 的实施原理 虽然现代的计算机在运算速度和存储容量方面都较以前的计算机有很大的 提高，但还不能期望由计算机完全代替专家的作用。在决策和设计中起决定作 用的自始至终都是人，但在一定程度上计算机代替专家的部分脑力劳动还是可 能的，即采用模糊理论和人工神经网络，实行人机交互的智能机械c a d 系统。 1 2 21 模糊理论 模糊理论是以模糊集合论为基础而发展起来的一门新兴学科，它是由美凼 南京航空航天大学硕十学位论文 的控带0 论专家l a z a d e h ( 扎德) 在1 9 6 5 年首次提出的”，从那时起模糊数学的 理论研究和应用研究开始了迅速发展。当人们在进行智能c a d 的研究时，帅临 的一重大的课题就是如何使计算机能象人那样去分析和处理设引中的模枷i u j 题。它要求数学上能为解决这类问题提供新的理论。因此在智能c a d 的研究r l ， 模糊数学是必不可少的基础理论。 1222 人工神经网络 人工神经网络( a a i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ) 是大量简单的基本元件，即( n e u r o n ) 相互连接而成的自适应非线性动态系统，它反应了人脑功能的若干特征，但弘 生物系统的逼真描述只是某种模仿、简化和抽象。目前它在智能控制，模式 识别，计算机视觉，自适应滤波和信号处理，知识处理传感技术与机器人， 生物医学工程等应用研究方面已取得令人鼓舞的进展。 1 2 2 3 模糊理论与人工神经网络的结合模糊神经网络 模糊数学与人工神经网络在智能c a d 领域虽有诱人的鲋景，但也存在蒂各 自的缺陷，比如模糊数学在隶属函数的确定目前采用主观判定或统计的方法。 人工神经网络在表示关联知识不仅需要大量的数据，而且需要较长的学列时间。 这就需要将模糊理论与人工神经网络相结合。这是因为o 3 ： ( 1 ) 模糊系统直接对专家用语言描述的事件，关联的关系进行编码，然后将 编码的结果存入一个模糊矩阵中。 ( 2 ) 模糊矩阵的维数是有限的，它将数字方法与用符号表示的数学模型及人 工智能的方法结合起来，即按语言描述的方式来采集知识，又利用数字来表示 这些知识，并用数值方法来处理。 ( 3 ) 可以追踪模糊系统的推理过程。 因此在智能c a d 知识的决策过程中，模糊系统与神经网络不是相互排斥的， 它们都是利用数值形式处理知识，把两者结合，组成模糊神经网络的知识决策 系统，从而兼有两者的优点。这就为c a d 系统进行专家经验型知识的处理丌辟 了新的途径。 1 23 智能c a d 的研究方法 智能c a d 系统最基本的要素是知识，因而有时又被称为基于知识的设计系 统。概括迄今为止的智能c a d 技术，主要有以下几种方法j ”： ( 1 ) 搜索法 基y - k b e 技术的汽乍覆盖件模具c a d 智能系统 殴计被看成基于搜索的问题求解方法。搜索法的一个重要概念是搜索宅问。 常用的表示方法为“状态- - - 一空间”法，即出所有的变量极其可能值组成的卒矧。 状态空叫可以很大日很复杂，复杂性体现在状念问的诸多关系l 因而往：帙态 空l l 口j 中的搜索涉及到基于目标和约束而作的决策。 ( 2 ) 基于规划的设计生成法 这种方法的核心是利用规则和图元来生成复杂的图形。图元通常为小司爵 分的简单的图形，而舰则是对图元进行综合的一组设计1 知识。最典型的是彤状吏= 法( s h a p eg r a m m a r ) 方法，由美国u c l a 的s t i n y 教授提出如果形状规则”对3 d 定义的，那么其设计结果将是3 d 的物体。在实际的c a d 领域中通常对设计规则 加以约束，常用的一种的方法是生成测试法，首先生成一个结果假设。然后用已 有的数据去测试，如不满足，则再次生成个新的假设，直到得到满意的结果。 ( 3 ) 约束满足法 设计可以被看成是一个约束满足问题，即所有的设计要求与限制都_ 被看 成对变量的约束，而设计要使结果满足所有的约束条件。约束集限制下的予空间 即为设计的解空涮，而求解的过程则是基于约束来进行的约束往外从抽象到具 体，分层次地进行满足。 ( 4 ) 基于c a s e 推理( c b r ) 的设计方法 c b r 是近年来人工智能研究的一个重要的方向，现已丌始用于智能c a d 领 域。它最初是从研究类比问题求解开始的，早期的研究有k o l o d n e r 等人在1 9 8 5 年提出的实验型系统m e d i a t o r 。 c b r 设计方法的主要思路是： 1 ) 将先前的设计经验和典型设计产品存储起来，组织成c a s e 库。 2 ) 将设计问题描述成为一组设计要求，包括功能和结构。 3 ) 从c a s e 库中选取一个合适的c a s e 。 4 ) 进行匹配和适应操作。 5 ) 重复3 ) ，4 ) 直到满足要求的设计结果。 ( 5 ) 知识工程的方法 将设计师的经验提炼出来，表达为知识，并在知识的指导下进行设计，通过 知以的学习，改善知识库的内容，提高系统的设计能力，这一方法，称之为c a d 的 知识工程方法。由于智能c a d 必然涉及到知识，因此又有人称智能c a d 为“基 于知i 的设计系统”。知识工程的典型方法为专家系统，一+ 个专家系统的基本模 型是：知识库+ 推理机。 南京航空航天人学硕十学何论文 1 3 汽车覆盖件模具c a d 的发展概况 1 3 1 国外发展状况 早在2 0 世纪6 0 年代初期，国外一些汽车制造公司就丌始了模具c a d 的研 究。这一研究始于汽车车身的设计，在此基础上复杂曲面的没计方法得剑了发 展，各大汽车公司都先后建立了自己的c a d c a m 系统，并将其应用于模具设 计与制造。 7 0 年代以来，曲面造型与实体造型技术发展迅速，新一代的c a d 软件均是 实体造型与曲面造型兼备的系统，能适用于复杂模具的设计和制造，在模具界 得到了广泛的应用。比如美国f o r d 汽车公司的c a d c a m 系统中的模具 c a d c a m 部分，设计方面采用人机交互进行三维图形处理，工艺分析与设计汁 算等工作【2 】。同本t o y o t a 汽车公司从1 9 8 0 年丌始研制汽车覆盖件模具 c a d c a m 系统，此系统包括处理覆盖件模面的d i e f a c e 软件和加工凸凹模的 t 1 n c a 软件等【i l 。由三坐标测量机将模型测量后所获得的数据送入计算机，经 处理后再这些数据用于汽车覆盖件设计、模具设计和制造。d i e c o m p 公司研制 的模具c a d 系统，使整个生产准备周期由1 8 周缩短为6 周。又如法国的雷诺 应用e u c l i d 主导软件开发出许多适合汽车工业的模块，如干涉检查的 m e g a v i s i o n 和用于钣会成形分析的o p t r i s 等【7 】。 1 3 2 国内发展状况 从9 0 年代初，汽车覆盖件模具设计开始引入c a d 技术，并得到了迅速的 发展和应用“”。随着人工智能技术的发展，覆盖件模具设计中的知识和经验司 以被收集整理，并以计算机能够理解的形式存储到知识库中，进而建立智能 c a d 。同时，计算机图形学的发展，使三维造型软件的进一步成熟，为汽车覆 盖件模具c a d 技术提供了较好的平台，覆盖件模具复杂结构可以用三维的形式 表达出来，这更有助于k b e 技术在覆盖件模具设计中的发展“。另外覆盖件模 具c a d 技术越来越多的与c a m 、c a e 技术结合在一起，使得面向制造与面向 模拟成为覆盖件模具c a d 技术的发展方向。“。 目前国内已有许多企业采用模具c a d 技术，并在计算机自动编程技术i ：收 得了丰富的经验与技巧，使模具精度和生产率大为提高。以从美国a u t o c a d 为代表的一些绘图软件币在模具行业逐渐普及，计算机绘图币在逐步取代手工 绘图。一批企业取得了明显的经济效益，但是，由于多方面的原因，现赴仍有 许多企业停留在手工设计模具阶段，有些企业甩掉了图板，但也只是用汁算机 基rk b e 技术的汽下覆盖件模具c a d 智能系统 画图与二维设计，只有很少的企业的汽车模具设计和制造能j 接近圆外的 c a d c a m 技术。1 9 8 9 年，成飞采用国外的c a d c a m 技术，数控加工与数控 测量技术，以数字传递为主，成功地设计了依维柯汽车车身全套外主模型。 此外，尽管国内有一些自主版权的软件，如上交大的冷冲模c a d 系统，华 中理工大的注塑模c a d c a e c a m 系统h s c 2 0 和北航的c a d c a m 系统 c a x a 等，解决了一些问题，但还没有得到很好的推广与应用。 目前欧美推出- 7 十新车型需要4 8 个月，r 本只需要3 0 个月【5 】。我国在埘汽 车新车型，尤其是轿车车型的丌发设计技术较落后，其中一个重要的原闪就是 覆盖件模具的设计效率低。国内的传统模具设计方法已适应不了汽车5 2 , 1 k 的发 展需要，而引进国外的覆盖件模具产品不仅要花费大量的外汇，而且会严重阻 碍汽车产品的更新换代。要解决上述问题，就必须研究丌发我国自己的模具c a d 技术，同时引进国外先进的通用的造型软件进行二次丌发，无疑是一种必要而 有效的手段。 1 4 研究本课题的意义和目的 14 1 课题研究的意义 大型的覆盖件模具结构比较复杂，一副大型覆盖件模具有上百个零件，模 具的外形尺寸也比较大。在模具设计中应用c a d 技术可实现参数化，基于特征， 全相关等，使得产品在设计阶段易于修改，同时也使得并行工程成为可能。这 将大大地提高效率与效益。 1 4 2 课题研究的目的 模具工业是汽车工业发展的基础，在“车型设计一模具设计与调试一汽车批 量生产”的整个周期中，汽车覆盖件模具因体积大，加工精度高，设计和制造周 期长，已成为丌发新车型的“瓶颈”环节1 。因此目前国外汽车覆盖件模 c a d c a m 技术已进入实质性的应用阶段，不仅全面提高了模具设计的质量，而 且大大缩短了模具的生产周期。 1 5 课题研究的主要内容 随着c a d 技术的发展，特别足u g ，p r o e 等标准c a d 软件中模具设i r 助能 南京航空航犬人学硕十学何论文 模块的增强，为模具c a d c a m 设计的质量与效率提供了有效的保证，但目前 的基于平台c a d 软件的模具设计模块主要以通用性为原则。在实旌模具结构设 计中仍然沿用基本的建模方式，使得设计效率低下，任务繁琐，另一方面又有些 不同模具结构中的结构相似的零件存在着重复建模的问题。故从上述问题的考 虑提出了 ，_ ； 三要从以下儿 个方面着手研究： ( l ) 丌发智能c a d 软件的用户界面。 ( 2 ) 进行覆盖件模具c a d 的总体结构设计。 ( 3 ) 建立基于知识的典型件的图形事例库。 ( 4 ) 建立标准件图形库。 ( 5 ) 建立经验数据库及逻辑模型库。 9 基 ik b e 技术的汽车覆盖什模具c a d 智能系统 第二章k b e 技术概要 21k b e 技术的概述及特点 2 1 1 人工智能技术的发展 跃期以来，人工智能科学家的目标一直是丌发在某种意义上能够思考的程 序，h j 丌发一种必须用人的智能j 能求解的程序，以使得计算机在信息处理中能 够体现出智能化的特点。在经历了一段曲折发展的过程后九十年代以来人工智 能, ( a r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e ，a i ) 进入了它发展的黄金时代，研究成果层出不穷，在自然 语言处理，机器学习，定理证明，专家系统，模式识别和人工神经网络等纵多领域取 褂尖破性的成果。剀2 1 描述了a i 发展历程和相关的支撑技术测。 1 9 5 6 1 9 ，1 9 9 02 0 0 0 剀2 1 人1 ：智能技术的发展历程 a i 技术发展过程中具有划时代意义的会议是1 9 7 7 年第五届国际人工智能联 合大会。在那年的会议上，美国s t a n d f o r d 大学费根鲍姆教授在一篇题为“人工智 能的艺术：知识工程课题及实例研究”的特约文章中系统阐述了专家系统的思 慰并提出_ r “知识上程( k n o w l e d g ee n g i n e e r , k e ) ”的概念，他指出人上智能的研究 应该从获取智能的基于能力的策略转变成基于知识的系统( k n o w l e d g e b a s e d s y s t e m k b s ) 研究，由此确定了知识在人工智能中的重要地位，丌创了k e 研究的 新时期，由他主持丌发的d e n r a l 系统从化学专家处获取知识，并且根掘质谱仪 u 南京航空航天人学硕十学位论文 数掘推断未知有机化合物的分子结构，从而被广泛地应用 二许多大学和企业的化 学实验室中。这一成果极大地激发了人们对人工智能的兴趣和信心，并掀起了 k b s 和专家系统( e x p e r ts y s t e m ，e s ) 的研究高潮。此后，一大批k b s 和e s 系统雨 后春笋地从化学数学医学，生物，工程，地质勘探，气象，地震预报，计算机配骨f 乜路 分析，法律咨询和军事决策等领域涌现出来，并取得了引人注目的成绩。其中县有 代表性的系统有地质勘探系统p r o s p e c t o r 和医疗专家系统m y c i n t l 8j 。 近年来，随着对a 1 支撑技术深入的研究，人们逐步认识到人工智能在k b s 中 的主导地位，并且将研究的重点转向如何在工程设计全生命周期内充分利用人类 智慧的结晶知以。 212k b e 的定义和结构 知识作为一种有组织的信息，能够用于求解问题和进行决策。现今人们沉 浸f 同新月异的信息中，而缺乏获取知识的系统化途径。可以预见，工业界未 来发展的趋势将是从信息高速集成的操作转变成基于知识的工程i ”l 。由于k b e 技术的丌放性，迄今为止，尚无一种公认的、完备的k b e 定义。较早将k b e 列为企业技术创新关键技术的美国福特汽车公司认为k b e 是利用a i ，i t 和讨 算机工具来解决工程问题的方法，它将设计、制造和与客户相关的知识融合在 一起，尽可能实现自动创建几何模型的功能。英国c o v e n t t r y 大学k e m 中心指 出k b e 是一种基于产品模型，存储处理与此相关知识的计算机系统：它是目前 促进工程化，实用化产品开发的最值得研究的软件方法。欧洲面向k b e 应用的 方法和软件丁具研究联盟提出k b e 是计算机辅助工程领域的一个进步，它魁 种而向对象( o b j e c to r i e n t e dm e t h o d s ) ，a i 和c a d 技术三者集成的工程方法，能 够提供设计过程客户化，变量化和自动化的解决方案。综合各种k b e 的定义， 我们认为：k b e 是通过知识驱动和繁衍对工程问题和任务提供最佳解决方案的 计算机集成处理技术是越和c a x 技术的融台“。 在工程实践中人们注意到，专家知识一般来源于领域专家的经验积累，带有 很强的经验性，模糊性和不确定性，这为知识的交流和继承带来很大的障碍，k 1 3 e 就是希望通过知识处理的一系列技术来领域专家的知识( 知识获取) ，并选择合 适的知识建模语言，将知识计算机化( 知识表达) ，以便j 二把宝贵的专家知识应用 于整个殴计，制造，销售，管理和维护中( 知识应用) 。k b e 的应用将有利于专家知 彭 的积累和继承，提高实际解决问题的能力和设计丌发的质量，实现现代制造竞 争矩周期( t i m e ) ，高质鞋( q u a l i t y ) ，低成本( c o s t ) 和优质j 】【i l 务( s e r v i c e ) 的 i 枷i ，作 为一种特殊形式的h 算机系统，k b e 的主要特点可以概述为： 纂1 ik b e 技术的汽卞覆盖件模具c a d 智能系统 ( 1 ) 它是一种与c a x 系统集成，用于解决工程问题a - t - 算机系统。 ( 2 ) 它集中解决r 清晰表示妥识的问题，并且将矢识用十特定工程m 腿的求 解| - 。 川户 1 lt 界面 1 lt 集成平台 a i c a x f上 1 ltt 土 知识库 面向对象设计 幽形库 上下 公共数据库 幽2 2k b e 系统的体系结构 ( 3 ) 它既能深入地刻划各领域中的核心问题，又能处理具体问题中的各个细 节情况。 ( 4 ) 它采用模式识别，基于规则和基于事例等方法进行知识的推理。 由此可见，k b e 系统将领域专家的知识和经验加以总结，形成规则，存入计 算机，建立知识库，然后采用合适的知识处理策略，根据特定的产品模型进行智 能推理和演绎，作出设计决策，以人类专家的水平来解决该领域中的问题。图2 2 是k b e 系统的体系结构。它采用面向对象的产品模型，以集成化c a x 系统和 k b e 工具为平台，通过a i 和o d b c 方法建立与知识库以及通用数据库的有效结 合，实现智能化设计，制造和维护。 213k b e 的发展与应用 越来越多的人们认识到知识不仅仅是一种资源，更是一种财富，是人类不断 发展的源泉为此近年束k b e 成为人工智能领域最为活跃的研究分支，在_ 、界 得到了广泛的应用目前，在知识的表达，知识的获取，知识的组- t ) t g j 管理，推理 南京航空航天人学硕十学位论文 机的实现以及知识的应用等领域取得了一定的成果，相继丌发了近千种冉， i i j 化 的k b e 系统和工具下文将阐述其在工程设计领域中的典型应用： ( 1 ) 英国j a g u a r 汽车公司在汽车车身和零部件设计中全面采j l 丰| 了k b e 技术。 丌发了车前大灯，发动机引擎盖内板，侧窗，密封条，车门铰链、车轮轮罩和地板 问隙k b e 设计系统其中在发动机引擎内板设计中，系统采用高度结构化的知 识模型来表示产品设计中的各类知识，同时根据设定的目标函数，运用于基于 规则的方法进行产品设汁，其中目标函数考虑了质量、刚度、乘客的冲击保护 性和价格等重要因素，采用k b e 技术后设计时间从8 周减少到l 小时，同时后 续的修改工作明显减少，从而使得工程师有更多的时间来研究新的设计方法， 整理、归纳和存贮知识以提高产品质量1 。 ( 2 ) 随着飞机结构越来越复杂，设计时遇到的挑战在不断增长同时”发时 间也随之增加，越来越多的飞机制造公司开始采用k b e 技术对传统c a d 软件 加以完善。波音公司7 7 7 飞机上近2 0 0 0 0 个零部件采用k b e 工具柬设计。英圜 航空公司采用参数化c a d 和分析工具设计a 3 4 0 6 0 0 翼脚需要耗费整整一年的 时闽。通过应用k t i 公司k b e 工具i c a d 后，将几何特征与专家知识库紧密联 系起柬，同时综合了产品性能数据、安全性代码之类的信息，整个设计时叫只 花费了1 0 个小时。此外在设计修改过程中只需要描绘设计原则的变化。其余工 作均可由系统来完成。美国军事飞机实验室在其发表的一系列文章中指出自适 应知识建模语言( a d a p t i v em o d e l i n gl a n g u a g e ，a m l ) 己被用于无人驾驶飞机 的机翼设计中，通过接口程序的开发，a m l 集成了几何建模系统p r o e 、分析程 序a s t r o s f e 、行为驱动的价格模型和优化算法，提高了设计的合理性和效率 a n ( 3 ) 美国福特和通用汽车公司将k b e 技术视为提高产品丌发和研制能力的关 谜技术，并为此j 1 ：发了多个基于知识的设计咨询系统( d e s i g n a d v i s e rs y s t e m ) 。 这些系统提供了一整套从部件到系统层的完整解决方案，使得k b e 系统能够提 供设计需要的各种信息，在制造领域中开发的k b e 系统包括：产品公差殴计系 统、机床切削工具选择系统、计算机辅助工艺规划系统、设计知识管理系统和 机床珍断系统等。由密西根大学和福特公司联合开发的基于知t 的公差设计系 统包含了推理机、用户界面、解释工具、知识库和加工条件的优化模型，同时 在设计过程中帮助用户选择合理的刀央具、镶嵌件和切削条件( 进给量、切削 速度和切削深度) 。 2 1 4k b e 与其它设计方法的比较 摹rk b e 技术的汽车覆盖件模具c a d 智能系统 k b e 与其它设计方法有着一定的区别，图2 3 从构型( c o n f i g u r a t i o n ) ： 程( e n g i n e e r ) ，和几何( g e o m e t r y ) 角度对各类技术进行比较”：。构型主要指决定 产品构件装配关系的工程规则与需求，工程主要指公式化的规则，基于知识的上 程分析与已有的工程分析程序的接口，几何主要模型与图纸等。 k b e 系统 交且式c a d 参数化c a d 专家系统 构刑系统 构型( c )i 科( e ) 儿倒( g ) 图2 ，3k b e 与其它技术的比较 由图2 3 可以看出，k b e 是一个c e g ( 构型，工程，几何) 集成丌放式环境，它 以产品知识模型为中心，将产品设计，工程分析，评估，绘图，加工，数据库等集成 起来，这是完全区别于其它技术的。 ( 1 ) k b e 与c a d 的比较 传统的c a d 一般进行如创建几何，绘图等的设计过程，而k b e 不仅可以实现 上述功能，更对整个设计过程建模，并运用于设计过程的各个层次以改善设计丌 发过程。 在参数化c a d 中，几何尺寸的约束关系是驱动力：而k b e 中，知识是驱动力， 构型( c ) 和工程( e ) 规则驱动几何( g ) 。 ( 2 ) k b e 与传统专家系统的比较 系统的功能与任务不同：专家系统一般只处理单一领域知 = 的符号推理问 题，专家系统可以处理许多领域知识和多种描述形式的知识，是集成化的大规模 知识处理环境。k b e 系统不仅要处理某些设计环节的经验性知识，更要对设计的 全过程，实现设计各环节的集成。 南京航空航大人学硕十学位论文 体系结构不同：号家系统一般只解决某一领域的特定问题，难于与其它智能 系统集成，是一种封闭的体系结构，而k b e 系统是面向整个设计过程，甚至是产品 全生命周期的各异构系统的集成，是种开放的体系结构。k b e 系统并不局限于 某些环节的自动化，必须具有面向异构系统( 如专家系统，数值仿真，图形系统等) 的集成能力，这种集成的需求促成了k b e 的丌放性。 运作模式不同：专家系统出于一般局限于单一知识领域范畴，相当- 二模拟设 计专家个体的推理活动。而k b e 系统涉及多领域，多学科知识范畴，是模拟平协 助人类专家群体的推理决策活动，更多地融合了协同工作( c s c w ) 的思想。 知识获取能力不同：专家系统一般不具备知识获取能力，只能用放在系统的 知识解决问题，难以满足产品丌发的创新需求：而k b e 是一种主动的获取与集成 过程，即具有“自我生成”的知识繁衍特性，因而拓宽了知识获耿的途径。 2 2k b e 设计关键技术 k b e 技术中的知识库设计涉及到知识系统，知识的获取，产品的建模和分析 技术。其中知识系统主要用于工程设计知识的表示和处理，面向工程设h 人员， 体现系统的智能化水平：知识的获取技术主要用于工程设计知识的获取，包括自 动获取和人工获取，体现了工程k b e 系统获取知识的能力，可以修正和提炼各领 域专家的知识，使整个设计系统逐步地改善工程能力和分析能力，从丽使系统达 到工程设计k b e 系统的目标。另外由于知识获取技术的支持，可使工程设计k b e 系统随着时间的积累，越来越能够充分表示工程设计知识，提高k b e 系统的设计 效率：产品建模和分析技术包括计算机辅助图形技术( c a g d ) 和计算机辅助一叫d 技术( c a e ) 。它们是工程设计k b e 系统的基础，知识系统和知识获取技术都将 建立在其基础上。 2 2 1 知识系统 传统的专家系统要求存在统一的知识表示语言，并且系统将基于此语j 进 行正向和反向推理。在工程实际中许多知识和经验不可能达到该要求，因此f 量统 的专家系统在工程实际中存在一定的缺陷。而知识系统从追求效果和不追求知 识统一表示的目的出发，拓宽了专家系统的应用范围，主要表现如下： ( 1 ) 知识表示不同 除了传统的规则和框架等知识表示，知识系统的知识表示将集成多种方法， 以期利用各种方法的优点，更有效，更充分地表达专家的知识。例如神经网络，基 基rk b e 技术的汽乍覆盖件模具c a d 智能系统 于剧本的知i = 和基于模糊的知识的表示：另一方面，由于工程设计k b e 系统增加 了知识获取技术，将能表示动态，前后相关的领域深层知识：在处理大数最的知 识时，将采用多层知 = 的表达模式这种表达方式将更加接近人类智能多层次多 分辨率的表达特点。 ( 2 ) 推理机制的不同 类似于知识表达，推理机制也应当是各种方法的协同，在知识系统中推理是 一种广义的概念，甚至数学计算也是在某种意义上的推理。它应当包括各种科学 计算，演绎推理，还可加入各种基于不完全知识的推理：另外，知识系统的推理还 应有在遇到超过它们知识领域的推理时，系统的推理性能逐步下降的性能，比如 采用神经嘲络技术，以避免传统专家系统可能完全崩溃的结果。 知识系统虽然在表面上和传统专家系统类似，但在本质上有重大的不同，体 现在它追求用多种方法来实现所需的智能，并不强求用统一的知识表示晤言来 表示和推理领域知识。 22 2 知识获取技术 目前在知识获取领域的研究热点是用数据库管理系统来存储数据。用机器 学习的方法来分析数据，挖掘大量数据背后的知识，即k d d 。从数据库中发现出 来的知识可以应用于信息管理，过程控制，决策支持和工程设计等领域。 工程设计领域一般都存在大量事实证明有效的事例以供参考，这些事例可 以以纪录的形式保存在数据库中。问题是工程设计领域的设计知识往往无法用 有效的理论表示。这时k d d 就可以从数据集中识别出模式知识供知识系统推理 和建议。它是个多步骤处理过程，各步骤之间相互影响，反复调整，形成了一种螺 旋式上升过程。由于k d d 模式选取的好坏将直接影响到所发现知识的好坏，目 前大多数的研究集中在数据挖掘算法和模式的选取上。 当前数据挖掘算法往往根据模式知识的实际使用方法分为以下4 种”8 1 ： ( 1 ) 分类模式 能够把数据集中的数据项映射到某个给定的类上。 ( 2 ) 回归模式 与分类模式相似，区别在于回归的预测值是连续的，而分类的是离散的。 ( 3 ) 聚类模式 能把数据划分到不同的类中，进行聚类前并不知道将要划分成几个类。 ( 4 ) 关联模式 它是数据项之i d j 的关联规则。 南京航空航犬人学硕十! 学何论文 在解决实际问题时，经常要同时使用多种模式，分类和回归模式被认为足受 监督知识。在建立这些模式时，使用一部分作为样本，用另一部分数据来检验模 式：聚类和关联模式则是非监督知识。因为在模式建立前结果是未知的，冈此模 式的产生不受任何监督。 2 2 3 产品建模与分析技术 产品建模就是通过某种模式的建立将设计过程计算机化，依靠计算机进行 分析和计算，最后获得设计结果的过程。产品模型的建立是c a d 的