（计算机应用技术专业论文）基于类比的工程智能cad技术研究.pdf

西南交通大学研究生学位论文第1 页 摘要 在人类的思维和学习过程巾，类比推理是一种重要的方法和手段。实 际i - ，设计师在进行大多数工程项目的设计时，都有意识或无意识地运用 了类比推理。基于类比的工程智能c a d 技术能够更逼真地模拟工程设计 师的思维过程。但是，在日前的工程智能c a d 系统中，类比理论的应用 还非常欠缺。所以这方面的研究具有较高的理论价值和实际意义。 本文将工程智能c a d 系统中的类比技术分解为两个主要过程： l 、选择类比源。它包括工程知识的表达和工程相似度分析等。以规 划控制一f 的二阶段设计理论为前提，将工程知识分解为若干子知识列象， 并将实例类知识的参数类型分为字符型和数值型两类。本文在研究国内外 现有类比理论的基础之上，分别从相同性和相异性两个方面对工程实例进 行相似度分析，提出了- - ；i 1 基于灰色系统理论的相似度分析方法。 2 、从基到靶的类比转换。它包括建立从基到靶的映射、设计参数的 生成等。从基到靶的映射就是建立从已知域到未知域的对应关系。文中， 为每一个未知参数建立了多对一的对应关系，并实现了设计参数的综合生 成。本文的类比转换模型为模糊点模型。该模型考虑基中各属性的权值， 作为点的亮度，并分析待求参数与各已知参数之间的相关性，形成相关序 列。根据相关序列，形成模糊点系，并用插值法完成从实例参数到设计参 数的转换。对于相似工程，基于模糊点模型的综合生成算法是快速而有效 的= ) 本文足四川省重点科技攻关项1 7 1 ：“9 7 0 1 2 0 5 0 3 0 1 ：工程和产品设计 c a d 核心系统”的一个组成部分。 【关键词】智能计算机辅助设计类比推理相似度类比转换 c h 0 0 1 4 0 9 1 9 9 。i ， 西南交通大学研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t a n a l o g i s mi s a ni m p o r t a n tm e a n si nt h ep r o c e s so fh u m a nt h i n k i n ga n d l e a r n i n g i nf a c t ，e n g i n e e r sc o n s c i o u s l yo ru n c o n s c i o u s l ya p p l ya n a l o g i s mt o t h e i rm o s t d e s i g n s t h et e c h n o l o g yi ne n g i n e e r i n gi c a db a s e do n a n a l o g yc a n s i m u l a t e e n g i n e e r s t h i n k i n gp r o c e s sm o r er e a l i s t i c a l l y b u t ，i ne n g i n e e r i n g i c a ds y s t e m s ，t h e a p p l i c a t i o no fa n a l o g i s mt h e o r yi si n s u f f i c i e n t s o t h e r e s e a r c hi nt h i st e c h n o l o g yi so f t h e o r e t i c a lv a l u ea n d p r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e i l lt h i sa r t i c l e a n a l o g i s mi sd i v i d e di n t ot w om a j o r p r o c e s s e s ： i c a s e ss e l e c t i n g i ti n v o l v e st h ee x p r e s s i o no f e n g i n e e r i n gk n o w l e d g e a n dt h es i m i l a r i t ya n a l y s i s e n g i n e e r i n go b j e c ti s d e c o m p o s e di n t os o m ec h i l d o b j e c t sa c c o r d i n gt ot h ed e s i g nt h e o r yo nt w o - s t a g eu n d e rt h ep l a n n i n gc o n t r 0 1 t h e p a r a m e t e ro fc a s ek n o w l e d g eh a st w od e f e r e n tt y p e s ，c h a r a c t e rt y p ea n dn u m e r i c t y p e o nt h eb a s i so f t h es t u d yo f p r e s e n ta n a l o g i s mt h e o r i e s ，as i m i l a r i t ya n a l y s i s o ， m e t h o db a s e do nt h et h e o r yo f g r a ys y s t e mi sr a i s e di nt h i sa r t i c l e ，w h i c hc o n s i d e r s t h e h o m o l o g i e s a n dd i f f e r e n c e sb e t w e e n e n g i n e e r i n g c a s ea n d d e s i g n i n g e n g i n e e r m g 2 t r a n s f e r i n gf r o mb a s e st ot a r g e t i t i n v o l v e se s t a b l i s h i n gm a p sf r o m b a s e st ot a r g e ta n dt h eg e n e r a t i n go ft h ep a r a m e t e r si nd e s i g nt a r g e t t h em a p s i n d i c a t et h er e l a t i o n sb e t w e e nk n o w nd o m a i na n du n k n o w nd o m a i n t h i s a r t i c l ec o n s t r u c t sam a n y - o n em a pf o re v e r yu n k n o w n p a r a m e t e r ，a n dg e n e r a t e s t h et a r g e tp a r a m e t e r ss y n t h e t i c a l l y i nt h i sa r t i c l e ，af u z z yp o i n tm o d e li sr a i s e d a st h et r a n s f e r r i n gm o d e l t h ea t t r i b u t e s w e i g h tn a m e dp o i n tb r i g h t n e s s i s c o n s i d e r e di nt h i sm o d e l ad e p e n d e n ts e q u e n c ei sf o r m e da f t e ra n a l y z i n gt h e d e p e n d e n c eb e t w e e nk n o w np a r a m e t e r sa n du n k n o w np a r a m e t e r t h e n ，f u z z y p o i n t ss e t sa l e f o r m e db a s e do nt h ed e p e n d e n ts e q u e n c e ，a n dt h et r a n s f e ri s a c h i e v e d b yu s i n gi n t e r p o l a t i o nu p o n t h es e t s t h e s y n t h e t i c a lg e n e r a t i n g a l g o r i t h mb a s e d o nt h ef u z z yp o i n tm o d e li sr a p i da n de f f i c i e n ti nd e a l i n gw i t h s i m i l a re n g i n e e r i n g p r o j e c t s t h i sa r t i c l ei sa p a r t o ft h e k e yp r o j e c t o fs i c h u a n p r o v i n c e ， “9 7 0 1 2 0 5 0 3 0 1 ：t h ek e r n e lo f e n g i n e e r i n ga n dp r o d u c t sd e s i g nc a ds y s t e m ” k e y w o r d s ：i n t e l l i g e n t ，c o m p u t e r a i d e d d e s i g n ，a n a l o g i s m ，s i m i l a r i t y , a n a l o g yt r a n s f e r r i n g c h 0 0 1 4 0 9 1 9 9 1 1 i 西南交通大学研究生学位论文第1 页 第一章概述 c a d ( c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ) 目, 1 1i - i 算机辅助设计，是人在计算机硬件和 软件的帮助下所进行的设计活动。当前以信息为中心的新工业正在兴起，在新 的工业革命中，主要是以电子计算机的应用为现代社会发展的标志。其中，计 算机辅助设计与辅助制造( c a d c a m ) 就是一个对国民经济最有实际经济效果 的新技术之一。c a d c a m 技术对传统产业的进一步改造、新兴产业的发展、 劳动生产率的提高、国内外竞争能力的增强起着巨大的带动作用1 2 1 。同时 c a d c a m 技术也受到计算机软、硬件发展水平的限制。时下是计算机网络的 天地，随着网络技术的日益成熟，网络化也成为c a d ，c a m 技术的一个新的发 展趋势。国家为了更大限度地发挥c a d c a m 技术在国民经济中的作用，结束 “百家争鸣”的局面，制定统标准，逐步实现c a d c a m 技术标准化。 国外的c a d 技术发展比较早。我国的c a d 技术发展晚，但速度很快。 1 1 国外智能c d 技术发晨概况1 】 3 】阅 最早提出c a d 概念的是美国麻省理工学院的研究生i v a ns u t h e d a n d 。1 9 6 3 年他在“s k e t c h p a d ：- - 种人机对话系统”一文中介绍了他所研制的具备图形变换 和编辑功能的生产设计系统。之后，美国工程界的一些大公司即投入c a d 实用 系统的开发和研究。 七十年代，伴随着计算机硬件的发展和计算机图形标准形成，c a d 系统开 始商品化。c a d 技术在机械、建筑、电子、广告等许多领域得到了迅速发展。 1 9 7 7 年，在法国召开了信息处理国际联盟( i f i p ) w g 5 2 的工作会议，主题为 “人工智能和c a d ”。这个会议标志着c a d 和人工智能( a 1 ) 的明确结合。 八十年代，智能c a d 从理论上和工程应用上都取得了较大的进展。专家 们认识到在开发能够支持设计师进行创造性设计的新型c a d 系统的过程中，需 要一个合适的设计理论指导，使得a i 的已有研究成果得到充分的应用。他们还 对智能c a d 的整体性、灵活性、集成性等三个方面作了定义。“人工智能在工 程中的应用”国际会议，着重于a i 在工程技术领域的应用，研究了有关设计理 c h 0 0 1 4 0 9 1 9 9 1 1 西南交通大学研究生学位论文第2 页 论和智能c a d 方面的问题。 国际上最早研究智能c a d 的单位是美国的卡耐基梅隆( c m u ) 大学。 著名的人工智能学者h ，a s i m o n 和c a d 学者e a s t m a n 于7 0 年代中期带领一批 博士尘研究住宅空间的综合。1 9 8 6 年起，在c m u 成立了以s f e n v e s 教授为首 的跨系的“工程设计研究中心( e d r c ) ”，一批计算机、土木工程、机械工程以 及建筑等领域的学者分别从概念的产生、方法和方案的变换、设计估价等三个 不同的设计活动层次来研究设计中的人类智能行为。他们研究出了一批用于结 构方案设计、室内布置方案、机电设备布置方案自动综合的专家系统或智能环 境。 澳大利亚悉尼大学的j s g e r o 教授为首的d e s i g nc o m p u t i n gu n i t 从研究工 程设计优化方法着手，在7 0 年代末转向设计中的人工智能技术。g e m 在组织智 能c a d 的学术交流活动中起了核心作用。 英国爱丁堡大学的人工智能系在i c a d 上的研究也卓有成效。他们的工作 是建立一个能支持人做设计的i c a d 环境，主要集中在设计知识的层次上，提 出了一个基于探索的设计模型，并认为这一工作比起建立一个能代替人做设计 的i c a d 系统要现实得多。 日本东京大学在1 c a d 方面的研究也开展得较早。y o s h i k a w a 教授在1 9 7 7 年提出了属性空问的映射，引入了三个公理，并由此从数学上推导出有趣的定 理，很好地解释了设计过程。他们通过实验方法对设计过程的理论结果进行测 试，发展了新的设计模型，比如求精模型、元级模型等。 1 2 国内智能c 柚技术发晨概况3 1 加1 5 1 我国的c a d 技术起步晚，但后期发展速度较快。从六十年代末开始研究， 到八十年代蓬勃发展起来。八十年代之前，我国c a d 技术的应用范围主要是科 学计算和数值计算，并着手数控自动编程系统的开发研究。 到了八十年代以后，我国c a d 技术的发展成果丰硕，逐步推出了一大批有 特色的c a d 商业软件。九十年代初，c a d c a m 开始实现商品化和产业化。于 1 9 9 1 年，中科院北京凯思软件集团推出第一个商品化的二维c a d 支持平台及 交互式工程绘图、设计系统p i c a d 参数化、集成化工程绘图及设计系统。1 9 9 2 c h 0 0 1 4 0 9 1 9 9 1 1 西南交通大学研究生学位论文第3 页 年4 月国务院办公厅批准由原国家科委牵头，原国务院电子信息办、国家技术 j 国肾局协助，会同十七部、委、办成立了全国c a d 工程协调小组，下设办公室， 在全国实施c a d 应用工程。1 9 9 7 年，在全国c a d 应用协调指导小组的支持和 倡导下，成立“国产c a d 软件产业联盟”。该联盟成员依托本地化优势、借助 高等院校、科研院所的技术力量，开发出了多种适合国内设计习惯、集成化、 智能化的c a d 软件。这些c a d 软件代表着国内c a d 技术的先进水平，它们 在二维c a d 方面已基本上可以代替进口。 从1 9 9 2 年c a d 应用工程协调小组的成立到1 9 9 9 年底的七年间，我国的c a d 技术已从萌芽期进入全面发展期，个别领域( 如：工程设计行业等) 已经进入 成熟期。工程设计单位c a d 普及率达到9 0 以上，机械行业的骨干企业c a d 普及率达到5 0 ，开始甩掉图板的企业、公司、设计院已超过万家；建立健全 了以大力协同为特点的工作组织体系，组建了由近二百个网点组成的人才培训 和咨询服务的社会网络，初步形成了推进c a d 应用工程的人才和技术开发的支 持环境；探索了适应市场经济发展的c a d 技术推广机制。在不断扩大的个业需 求引导下，国产c a d 软件产业也逐渐成长壮大，年产值达两亿元以上，“国产 c a d 软件产业联盟”得到普遍关注。 浙江大学人工智能研究所是国内最早开展智能c a d 理论及应用研究的单位 之一。1 9 8 3 年，他们研制成功“智能模拟彩色平面图案创作系统”，参加了1 9 8 5 年日本筑波举行的国际科技博览会，获得了广泛的好评。 西南交通大学c a d 工程中心在工程智能c a d 领域的研究也取得了卓越的 成就。该单位在主持( 主研) 铁道部和国家“八五九五”计划中的几个大型 c a d 项目的研究开发工作中，逐步形成了一套自主版权的c a d 开发核心系统， 并在工程设计模型、结构建模、参数化设计、工程知识表达等理论与应用方面 取得了显著的成果。实现了数据库系统、开发系统、知识库系统支持下的多系 统集成，对桥梁设计提供智能化支持，进行桥梁智能c a d 系统的深入研究，带 动了桥梁c a d 的新发展。 1 3 智能c 胁技术的发展趋势伽嘲嗍 在科学技术日新月异的今天，c a d 技术的应用不仅仅是代替手工绘图这样 c h 0 0 1 4 0 9 j 9 9 1 1 西南交通大学研究生学位论文第4 页 的初级操作，它是新一代的设计手段。以低成本制造为主的竞争手段已经过时， 设计正成为推进企业发展的关键。利用c a d 技术，不仅可以缩短设计周期，提 高设计质量，而且加强了设计的标准化，便于国内国外的经济技术交流。增强 企业及产品在市场上的竞争力。 目前，c a d 的应用迅速遍及机械制造、土木建筑、船舶汽车、轻工化纺、 航空航天等许多领域。随着计算机硬件和相关学科的迅猛发展，工程智能c a d 技术的理论和应用也呈现出如下几个方面的发展趋势： ( 1 ) 集成化。 现代企业的运作过程的是对企业内部诸生产环节中的各种信息的采集、加工 和传递过程。所以面向现代化企业的c a d 系统必须能够提供一体化的解决方 案，以保证企业的运行准确而高效。这就要求c a d 系统是集成化的系统。在目 前高性能硬件环境下，c a d c a m 与产品数据管理系统( p d m ) 、计算机集成制 造系统( c l m s ) 的集成得到了进一步的发展，使企业运作管理、企业产品管理 及产品的设计生产诸环节有机结合，极大地缩短了产品开发周期。 ( 2 ) 智能化。 智能化是c a d 系统的发展方向。智能化的c a d 系统把工作人员从简单的 重复劳动中解脱出来，集中精力于关键性的环节；智能性使得c a d 系统更灵活、 易用且效率高；更逼真的智能性模拟将使c a d 系统具备一定的创造性。c a d 系统理论和模型的发展加上人工智能理论的成熟使得c a d 系统的真正智能化逐 步成为可能。 ( 3 ) n 络化。 利用i n t r a n e t 对项目、产品、人员进行综合管理，控制工作流程，全面降低 生产成本，直接产生经济效益。同时，利用i n t e m e t ，加快企业与外部信息的交 流，既便于对异地分支企业的管理，又能够与国际社会接轨。 伴随着网络技术的不断发展，基于i n t e m e t i n t r a n e t 的集成化智能化c a d 系统是将来c a d 系统发展的必然趋势。 ( 4 ) 标准化。 完善的c a d 标准体系既是促进c a d 技术普及应用的约束条件，又是促进 我国c a d 技术研究开发、推广应用不断发展的重要保障。“八五”期间，由原 c h 0 0 1 4 0 9 1 9 9 11 西南交通大学研究生学位论文第5 页 囤家科委、国家技术监督局组织的国内4 0 多位专家制定了我国第一部( c a d 通用技术规范，并开发了机械标准件库等构件产品。在一九五”期间，我国又 制定了g b t 1 7 3 0 4 - - 1 9 9 8 ( ( c a d 通用技术规范，c a d 标准体系已经作为一项 成果正式收入该标准当中。标准化工作在我国企业信息化的发展过程中起到日 益重要的保护和推动作用。 当前信息技术领域的一个重要特点是信息技术标准直接影响着信息化应用及 信息产业的发展，标准的制定对软件产业的形成起到引导和促进作用。同时， 随着我国加入w t o 和1 1 1 a 门期的接近，如何正确引进和采用国外先进标准， 制定我国相应的技术标准，与国际社会接轨，是c a d 技术发展及应用过程中的 一个重要环节。 1 - 4 论文选题 工程智能c a d 技术，是以工程数据库为基础，面向工程设计过程而进行的 计算机辅助设计过程。工程设计问题是一个开放的复杂巨系统，因而它所采用 数据类型也是多种多样的。它的支持数据库也是独特而复杂的。 工程设计不是一个纯逻辑推理过程，它往往是一个对既有实例反复类比修改 的过程，这个修改过程可能是外在的，也可能是在有经验的设计师的头脑中。 当接到一个设计任务时，设计者总是凭借自己的设计经验在设计空间中找到一 个或几个有价值的同类成功设计实例，经过合理修改确定工程设计中最重要的 控制参数，产生设计方案，并通过验证，确定这个方案，以指导设计人员进行 下一步的构造设计。构造设计也是参照已选出的设计实例进行的。这一工程设 计过程完全是设计者凭借自己的设计经验在无限的设计空间中迅速找到合理的 结果。 类比推理理论在计算机界的应用是随着人工智能研究的升温而发展起来 的，是实现人工智能的一种有效途径。本文即从类比推理的思维角度出发，立 足于当前工程数据库中知识的表达和管理方法，在规划控制下的二阶段设计理 论的指导下，把类比推理理论用于工程智能c a d 系统的开发，从而更真实地模 拟了工程设计人员的设计思维过程。 基于类比推理理论的工程智能c a d 技术是类比推理理论和工程c a d 技术 c h 0 0 1 4 0 9 1 9 9 1 1 西南交通大学研究生学位论文 第6 页 的结合体。为了实现这一结合，需解决如下关键问题： l 、工程知识如何有效表达和管理，确保推理的顺利进行。 2 、工程设计问题如何分解为易解子问题，并如何组合为问题的解。 3 、工程实例与设计目标之问相似性的度量，相似度是类比推理的基础。 4 、工程实例按什么规则转换为工程设计目标，如何判断转换结果的可用性。 本文以后的章节中，全面讨论了工程智能c a d 系统设计方法和设计理论。 在c a d 系统本身的组成中，介绍了工程知识的表达、工程数据库的组成和管理 等。之后，结合工程实际与现有类比理论，分析了工程相似度的算法、工程参 数的转换与验证等。 c h 0 0 1 4 0 9 1 9 9 1 1 西南交通大学研究生学位论文第7 页 第二章工程智能c a d 系统组成 在本章中，介绍了智能c a d 一般方法及理论。通过研究工程设计特点，可 以发现工程智能c a d 往往不能单凭任何一种方法来实现问题的求解，而是多种 方法的综合。因为一个工程的表达不仅仅反映了设计对象的几何特性，还表达 了工程领域的思维特性以及实际信息的传递方法，单纯的几何模型不能适应设 计对象的动态开发过程。笔者发现，类比推理方法在反映人类的思维方面有其 独到之处，基于类比的工程智能c a d 更能够逼真地模拟工程设计人员的设计思 维过程。同时，基于类比的工程智能c a d 技术首先是一种基于实例的设计方法， 是以工程设计目标与实例之间的相似度为基础的，以设计原型为模板，接受规 范、经验等知识的约束，所以工程数据库及其管理系统是基于类比的工程智能 c a d 技术的最有力的支持者。笔者在本章中简要介绍了工程数据库管理系统及 数据库组成。 2 1 工程智能c a d 方法及理论 幺1 1 1 智能c i i d 方法【1 按照其思维方法的不同，笔者将通常的智能c a d 方法归纳为以下几类： 1 、基于实例的设计方法( c a s e b a s e dd e s i g n ，简称c b d ) 本质上，c b d 在求解问题时，首先借鉴已有的、成功的设计实例，而不是 从头开始。它的关键技术在于设计实例的表示、设计实例的组织与检索以及设 计实例的调整与学习。它是一种定性的设计方法，是设计工作较常采用的一种 最有效的手段。 2 、基于数学模型的设计方法 在这种方法中，设计问题被看成是问题的求解。它首先详细分析问题，找 出实际问题中的主要元素和变化规律，再通过这些主要元素和变化规律构成一 c i l 0 0 i 4 0 9 i 9 9 1 1 西南交通大学研究生学位论文第8 页 个抽象的数学模型，随着问题的求解，将全部结果与实际问题相比较，进行重 新解释，直到模型满意。 然而实际上，基于数学模型的设计方法是定量的系统化方法，对简单的问题 往往可以找到精确的解答，但对于较高层次的复杂设计问题是很难建立精确模 型的。 3 、定性的系统化设计方法 这种设计方法是基于实例的设计方法和基于数学模型的设计方法的结合和 改进，一般地将它归结为“分析综合评估”三个阶段。这类方法的主 要内容是：( 1 ) 继详尽的问题分析之后，将整个问题分解为由多个子系统组成 的等级式结构；( 2 ) 各子系统的求解；( 3 ) 子系统问的协调，消除子系统问的 矛盾。 4 、设计型专家系统 设计型专家系统，是计算机模拟人类设计专家的决策行为，它的理论模型 大多采用“规划控制下的执行启发式推理的产生式系统”，也是一种定性的系统 化设计方法。这种系统一般由三部分组成：全局数据库、产生式规则和控制系 统。 5 、基于原型的设计方法 基于原型的设计方法( p r o t o t y p eb a s e dd e s i g n ，简称p d b ) ，来源于认知心 理学中关于概念结构表征的原型学说。这样的设计原型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，也是一些经验性的设计要素的组合。 在原型上的操作有四类：原型的落实、原型的完善、原型的修改和原型的产生。 在设计活动中，设计原型既给出基本的设计对象描述模型，又限定了设计模式， 通过作用于原型上的四类操作来推进设计过程。 2 1 2 规划控制下的= 阶段设计理论【7 规划控制下的二阶段设计理论对工程问题的求解是行之有效的。 通过对工程设计过程特点和现有智能c a d 设计方法的研究，西南交通大学 c a d 工程中心的孙林夫教授提出了规划控n t f 拘- 阶段设计理论。这一理论模 拟设计专家的设计思路，适合于解决工程各阶段设计，尤其适合于工程施工图 c h 0 0 i 4 0 9 i 9 9 1 1 西南交通大学研究生学位论文第9 页 设计阶段的设计，它使实际设计过程的计算机实现变得容易，适合于作为智能 c a d 系统的设计模型。主要包括“设计问题的规划分解”和“对象的二阶段设 计”两个部分。 1 、设计问题的规划分解 规划是一种问题分解技术，它将一个复杂的工程设计问题分解成较简单的 子问题求解和子解之间的协调。工程实际使这种规划技术的实现成为可能，因 为工程都是由若干不同的对象构成的，而这些对象又可以多层次地分解为很多 予对象。如果对象被划分得合适，这些子对象之间的联系和制约就比较弱，即 使存在必须考虑的联系，也可以通过其父类而得到调整。 2 、对象的二阶段设计 经过规划之后，每一个子对象都变成了一个新的设计问题，而这个设计问 题的规模要小得多，其复杂性也小得多、但仍不能用纯逻辑的方法来求得。对 子问题的求解又分为两个阶段：第一个阶段是初始解的产生过程，第二个阶段 是从初始解出发，在问题的状态空问中搜索目标状态的过程。 基于类比的工程智能c a d 技术是以规划控制下的二阶段设计理论为前提 的。在类比推理之前，首先将设计对象按类比规则“分解”为若干子对象，待 子对象求解完成后，再按照相同的规则将各子对象“反安装”成设计对象。 2 2 工程智能c 柚系统组成跚踟嘲 工程智能c a d 系统主要由系统的设计子系统和多个数据库及其管理系统组 成，并提供了与其它c a d 系统的接口，如图2 1 所示： 整个系统在设计资源库( 设计参数库、设计原型库、设计知识库) 的支持 下，集成了初始设计、构造设计、结构分析、结构绘图等一系列的设计子系统， 三个核心资源库通过数据库管理系统来管理。通过用户接口系统与用户交互， 借助于对外接口与其它c a d 系统进行数据交换。整个系统实现了开发应用并 存、多系统有机集成、设计信息统一管理的一体化设计。 其中，每个设计子系统中包含了一个类比推理器。类比推理器的工作机制 见后文中的图2 - 4 。 c h 0 0 1 4 0 9 1 9 9 1 1 西南交通大学研究生学位论文第1 0 页 图2 - 1 工程智能c a d 系统结构 2 3 工稻强嫩悻管理系缌? 殴计嗍口 【9 【1 0 工程设计简单地讲就是数据处理，是对工程数据进行收集、组织、加工、 储存、抽取、传播等工作。而数据管理是指对数据的组织、存储、检索和维护 等工作，所以数据管理是数据处理的中心。工程数据库是适合处理工程设计过 程中所涉及到的大量数据的专门数据库。工程数据库管理系统是面向工程设计 过程而建立的，它的管理方式符合工程数据的特点，是工程智能c a d 的核心。 2 3 1 工程数抿蒂系统的概黼点 工程设计中会牵涉到大量数据、知识和参数的存放、提取和加工。工程数 据库管理系统的主要任务就是完成对知识库、设计原型库和设计参数库等三个 资源库的科学管理，并为它们设置相应的对外接口，以供应用程序使用。 通过对工程设计过程的研究，我们认为工程数据库管理系统有如下特点： l 、数据是复杂多样的； 不同的设计对象本身采用的数据类型不一样；规划时，一个设计问题所分 解成的子问题的个数和类型不一样。因此，越上层的设计对象，其数据类型就 c h 0 0 1 4 0 9 1 。9 9 1 1 西南交通大学研究生学位论文第1 1 页 越复杂。 2 、系统要满足各种设计方法的要求： 工程设计问题的复杂性，决定了多种设计方法的并存。同一个设计中可能 多种设计方法综合使用，所以要求工程数据库管理系统能满足多种设计方法对 数据的存放、提取和加工。 3 、设计过程中的设计参数是动态的，要不断地扩充、修改、满足； 工程设计过程是一个不断回溯的过程，设计的中间过程要有许多临时参数。 这些临日寸参数的管理需要一个专门的办法。 4 、设计过程中要与各种知识交流。 这种交流有两方面的含义：一是设计过程的推进是在知识的指导下进行的； 二是在这个面向解答的过程中，判断每一次试尝成功与否的标准也是知识。 2 3 2 设计参数库啪 规划控制下的二阶段设计理论认为，任一复杂的工程设计对象都可分解为 具有层次结构的简单设计对象进行设计。设计参数是工程对象的具体体现，规 划分解后得到的各对象和子对象均有自己的结构参数，它们的值不同，数据类 型一般也各不相同。 设计参数库是反映工程设计过程和设计状态变化的工程数据库，它可以存 储同一设计的不同版本信息，以便用户在设计过程中进行查询、对照和修改。 当前工程设计工作的临时结果和未经审核确认的设计结果均存放于设计参数库 中。随着设计过程的深入，设计对象的各参数发生动态变化并逐渐接近最终设 计。 2 3 3 工程设计原型库 “工程对象设计原型”是系统定义在工程数据库之中，专门用来模拟结构 设计过程的一个概念。它的结构组成图2 2 。 c h 0 0 1 4 0 9 1 9 9 1 i 西南交通大学研究生学位论文第1 2 页 图2 - 2 工程设计原型库组成 设计原型库为不同的设计对象提供相应的设计方法，为这些设计形成设计 步骤，引导设计进程。有了设计原型库，用户可以较方便、自然地进行交互式 设计。设计原型库由系统提供，库的构造与具体的专业领域、设计类型和工程 设计的思维习惯有关。在设计过程中，对方法库的每一次调用都可能使参数库 的一些内容发生变化，并且依这些参数生成结构图形。 2 3 4 工程知识库 m 1 s c a d知识厍索引某一知识项根莱一知识项根 ， 一。_ 。一一0 叫卜 i 4 、知识结点，、 、 ， ，、， 、 、 知识库属性工程实供知谖项目 知识结点 索引 索引 ， 知识结点 知识结点知识结点 图2 3工程知识库总体结构 工程设计知识与一定的专业领域密切相关，它的表达必须适应专业领域的 需要并考虑工程设计思维方式和工程数据的特点。知识库的结构如图2 3 。 c h 0 0 1 4 0 9 1 9 9 1 1 西南交通大学研究生学位论文第1 3 页 从获取知识的途径来分，工程智能c a d 系统主要涉及如下几类知识： 1 、工程设计原理 工程设计原理类知识是工程设计领域长期发展形成的领域设计知识。它是 在设计实践中经过检验而定形的理论，确定了工程结构的设计原理、具体设计 方法等。 2 、实例类知识 成功的工程设计实例是无数代工程师经验和智慧的结晶，无疑是留给后人 的一大笔宝贵财富。工程实例类知识的一般应用在：( 1 ) 初始设计阶段对各设 计参数的初步拟定；( 2 ) 构造设计过程中工程结构形体以及细部构造尺寸的设 计时；( 3 ) 结构分析阶段的模型构造时等。 3 、规范类知识 工程规范、设计手册是工程设计的重要依据，也是工程设计经验的总结。 它规定了在进行工程设计时需要满足的设计要求和具体的设计办法。大多专业 领域的设计都有相关的设计规范、设计手册，如公路桥涵设计规范等。工 程规范是工程设计中很重要的一类知识，智能c a d 系统必须保证设计结果符合 设计规范。 4 、专家经验类知识 经验类知识是设计领域的专家经过多次实践后归纳总结出来的工程设计经 验，是得到诸多设计实例证明的有很高参考价值的知识。专家经验的利用有助 于得出设计雏形，确定设计重点、难点，对设计中的某些问题能够较快解决。 专家经验包括经验公式经验数据、叙述性经验和对工程设计问题的设计简化方 法等。 5 、结构图形知识 图形是直观描述设计参数、具体结构的有效的工具之，是工程设计工作 中经常遇到的设计知识。 2 4 类比方法在工程智能c d 中的应用 类比作为一种思维方式，在过去的科学发现中发挥了不可磨灭的作用，如 万有引力的公式、电磁振荡公式等。生活中更不乏运用类比的例子，这里无需 c h 0 0 i 4 0 9 1 9 9 1 1 西南交通大学研究生学位论文第1 4 页 举出。分析工程设计的特点及其过程，发现设计初始解形成过程就是一个类比 推理的过程。所以研究工程设计中类比推理算法有其实际意义。 2 4 1 嬲琶比思想 类比是在两类不同的事物之间进行对比，找出若干相同或相似点之后，推 测在其他方面的也可能存在相同或相似之处的一种思维方式。类比作为一种重 要的思维、学习方式和一种重要的推理手段，无论在客观世界还是在科学领域 的哲学、心理学以及其他各个学科中，都有其深厚的基础相似性。相似性 是人们对事物进行分类，抽取概念和进行推广时使用的组织性原理，在人类的 ，心理中，相似性无所不在。而类比正是充分利用自然界的这种相似性而进行的 有意识的思维活动。 在近代逻辑学中，类比法是根据两个( 或两类) 不同对象的部分属性相似， 而推出这两个( 或两类) 对象的其他属性也可能相似的一种推理方法。它的公 式是： a 对象中有：a ，b ，c ，d b 对筮生直：a ，b ，c 所以，b 对象中可能有d ，且d 和d 相似 式中a 和b 是进行类比的两个( 或两类) 不同对象；a ，b ，c ，d ，指对象的 属性( 对象的成分、性质、结构、功能以及关系等等) ；a ，b ，c ，d 与a ，b ， c ，d ，各个对应相似。总之，类比法依据两个对象的已知相似性，有可能把一 个对象已知的特殊知识推移到另一个对象上去，从而获得对后一个对象的新知 谚 。 2 4 2 工程设计的般过程 工程设计是人类以工程手段改变环境以有利于自身利益的活动。它的任务 就是选择相互关联的设计变量的值，使未来工程在给定的环境条件下满足功能 上、安全上、经济上和文化上的要求i 。 2 4 2 1 工程设计问题的特点 1 、工程设计问题是一病态结构( i l l - s t r u c t u r e ) 工程设计的设计要求、设计目标、任务范围和计算允许的操作等都很不明 c h 0 0 1 4 0 9 1 9 9 】1 西南交通大学研究生学位论文第1 5 页 确。有些要求包含在答案中，需要在设计过程中逐步明确。另一种含义是要解 决的问题是所包含的知识是不完备的或不一致的。同时设计目标也不是唯一的。 计算所允许的操作是多种多样的。 2 、设计过程是面向解答的 在设计开始之前，已经有一个模糊的设计目标轮廓在设计师的头脑中形成。 这一目标轮廓是专家借助自己的丰富设计经验，在对巨大设计空间的快速搜索 中逐步形成的。而且这一目标轮廓将自始自终影响着设计师的每一步设计求解 过程，使发计结果接近最优。虽然专家不可能考虑了所有可能的情况，得到最 优解，但他们对全局的把握会更全面更准确，所以他们的设计比初学者的设计 也要有效得多。 3 、设计过程是多次回溯修改的过程 设计过程要分成若干个明显不同的求解阶段尝试进行。下一个阶段甚至下 几个阶段的设计结果都是对上一个阶段的验证。所以某一个阶段设计尝试的失 败都迫使设计进程退回上一个甚至上几个阶段去重新尝试，如此反复，不断增 加信息，直到设计结果符合要求。 4 、设计过程涉及大量的图形信息 设计过程处理的常常是非词语的、图形的对象信息。在某些工程设计问题 中，这甚至是基本的信息组织方式，例如土建类、机械类等设计中。 所有这些特点，都决定了工程设计过程是一个开放而复杂的巨系统，具有 综合性、社会性等特点，因而工程设计问题的求解也不是一个单纯的工程结构 设计问题，而要考虑各方面的影响。 2 4 2 2 工程设计过程1 8 i 工程设计过程是工程技术人员根据约束条件，用工程手段改变环境，满足 特定要求所进行的一种智能活动。其设计过程一般都要经历方案设计、初步设 计和施工图设计等几个阶段，每个阶段都有它们自己的设计目标。具体表现在 如下几个方面： l 、设计构思 在这一阶段，设计人员根据设计要求，收集工程背景和原始资料，查找已 c h 0 0 1 4 0 9 1 9 9 1 1 西南交通大学研究生学位论文第1 6 页 经成功的同类设计资料等，运用他们丰富的设计经验和设计知识进行构思，产 生设计方案。方案设计中需考虑功能满足、技术可行性和审美观等多个方面。 它本质上是一种从要求向约束，从基于用户的描述转化为基于对象的描述的过 程。这种转化是整个设计过程的难点，同时也是智能活动最活跃和最具创造性 的环节。 l 、结构分析 结构分析的目的是要确定结构在静力或动力条件下受荷载、温度和约束作 j l j 时的内力和位移分布。它基于严密的数学力学模型，是一种逻辑推理过程。 2 、构造设计 在进行设计构思、并对初始解进行分析以后，设计的主要参数就确定了。 构造设计过程要完成工程结构的细部设计，确定总体和构件的全部尺寸。的在 这一阶段，工程的结构构造一般根据实际情况，参考已经成功的同类设计资料 完成，结构的验算工作根据设计规范的各种要求进行。 3 、图纸绘制 在手工设计中，图纸绘制过程往往与构造设计过程同步进行。它将设计人 员头脑的“设计”用工程师的语言“图纸”表达出来。 4 、其他过程 如工程的经济分析、设计文件编制等。 2 4 3 类比思想在工程设计中的体现【i ” 在工程设计领域，对于同一设计类，它的所有的设计对象都具有相似性， 但相似程度又各不相同。工程师接到设计任务后，首先会考查相似的既有实例， 这些实例或者在头脑中，或者翻阅文件资料，从中找出足够相似的实例。根据 与相似实例的比较，从上到下完成各子对象的设计。其中在设计某一个层次的 子对象时，把与其对应的相同层次的子对象实例作为类比源来参考。工程之间 内在的相似性，使得类比推理技术在工程智能c a d 系统中的应用成为可能： ( 1 ) 同类工程设计具有足够的相似性。 ( 2 ) 相似工程设计的各个参数之间具有相似甚至相同的规律性，只是这种 规律性没有显式表达在工程设计中。 c h 0 0 1 4 0 9 1 9 9 1 1 西南交通大学研究生学位论文第1 7 页 ( 3 ) 相似度判断是对工程设计结果搜索过程的一个启发。 ( 4 ) 设计结果生成是以同类设计的高度相似为基础的。 ( 5 ) 不同程度的相似性基础上的类比生成具有不同程度的创造性。 类比推理器的工作机制如图2 - 4 。 l工程实例专家设计经验专业设计原理 l 】【 i设计问题r - 叫砻警廿怔暇g 卜- 叫设计初始解 t n t 图2 4类比推理器：【作机制 本章分析表明，类比推理在工程智能c a d 中的应用是可行的，且不失为一 种有效的方法。 c h 0 0 1 4 0 9 1 9 9 1 1 西南交通大学研究生学位论文第1 8 页 第三章工程智能c a d 系统中的类比推理 工程智能c a d 系统中的类比推理是对现有类比理论局限性的改造，使其适 应工程设计的要求，并把它用于工程设计的各个子设计系统中去。在本章中， 首先介绍了现有的类比推理理论，之后重点讨论了基于灰色系统理论的工程相 似度分析，建立了类比转换的模糊点模型。本章介绍的工程类比推理理论是下 一章中工程设计系统实例的理论基础。 3 1 类比推理理论概述 3 1 1 类比推理的定义1 3 】【l ”【1 5 】【1 6 】【1 t 】【删 尽管中外学者的类比研究工作已相当丰富，但类比和类比推理的定义仍然 是相当含糊的。在韦伯斯特新世界辞典中，类比的定义是： ( 1 ) s i m i l a r i t yi ns o m er e s p e c t sb e t w e e nt h i n g so