（计算机应用技术专业论文）基于符号推理的工艺品创新设计关键技术的研究.pdf

塑坚查芏堡! 堂堡堡兰一 摘要9 3 2 7 s 、随着智能c a d 技术的发展及其在产品设计中日益深入的应用，产品的创 妇计逐步向智能化发展。现有的产品设计系统大都采用单的智能推理方法， 或者将各种智能技术简单集成，存在实用性、灵活性、适应性、透明度和效率 等方面的问题。因此，需要研究一类新的智能设计系统，将符号推理智能技术 有机的结合或集成到产品的设计过程中来，以有效解决传统智能设计系统的缺 陷与不足，最终实现产品的创新设计。 本文将结合工艺品创新设计的实现过程，对智能推理技术及其在产品设计 中的集成应用做一个较为系统深入的探讨，对工艺品创新设计过程的若干关键 技术的智能化，包括色彩图案设计、组件生成设计以及组件智能布局设计等， 进行较为深入的研究。， 本文首先对产品设计中的各类智能推理技术与理论进行详细的分析，阐述 了各种设计问题求解机制的推理过程以及它们的优缺点、用途和局限性，为智 能推理技术在工艺品创新设计的集成应用建立理论基础。在分析斑铜工艺品文 化内涵和与工艺特色的基础上，本文针对工艺品的斑纹色彩图案和肌理设计要 求，提出了一种综合运用规则和实例知识进行工艺品色彩图案设计的集成技术， 并研究了工艺品色彩图案设计方案的体系结构以及实现这一方案必需的知识表 达方法、搜索方法和实例的修改方法。组件是工艺品模型的基本组成要素，要 达到工艺品创新的目的，组件的生成设计至关重要。本文提出了一种基于原型 的工艺品组件生成设计技术，将原型法的设计思想引入到工艺品组件的生成设 计过程中来，并阐述了工艺品组件的生成设计实现过程。组件布局方案设计是 工艺品创新设计过程中的重要一环，布局的合理性直接影响到工艺品的观赏性 和艺术生命力。本文在分析各种布局技术优劣和斑铜工艺品布局特殊性的基础 上，提出了一种基于遗传算法的工艺品组件布局设计技术，针对斑铜工艺品布 局创新的需要提出了亚组件的概念，并在遗传算法中引入了形象度和抽象度。 最后，应用以上技术，本文实现了一个工艺品创新设计系统，用于实现斑铜工 艺品的创新设计和开发，并简要介绍了系统的结构、模块以及设计流程。 【关键词】工艺品设计符号推理色彩图案设计r b rc b r 组件生成设计p b r 布局设计遗传算法藏缱件、 浙江大学坝上学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to f i n t e l l i g e n tc a d ( i c a d ) a n d i t si n c r e a s i n g l yi n d e p t h a p p l i c a t i o n i n p r o d u c td e s i g n ，p r o d u c ti n n o v a t i v ed e s i g n i s d e v e l o p i n g t o w a r d i n t e l l i g e n t i z i n gg r a d u a l l y h o w e r v e r , b yn o w m o s te x i s t i n gp r o d u c td e s i g ns y s t e m s a d o p ts i n g l ei n t e l l i g e n tr e a s o n i n g m e t h o d s ，o r i n t e g r a t e s e v e r a l i n t e l l i g e n t t e c h n o l o g i e ss i m p l y a l lt h o s et r a d i t i o n a lm e t h o d s h a v el i m i t a t i o ni ns u c ha s p e c ta s p r a c t i c a b i l i t y ，a g i l i t y ，a d a p t a b i l i t y , t r a n s p a r e n c y a n d e f f i c i e n c y t h e r e f o r e ，i t s n e c e s s a r yt os t u d y an e wk i n do f i n t e l l i g e n td e s i g ns y s t e m sa n di n t e g r a t ei n t e l l i g e n t s y m b o lr e a s o n i n gt e c h n o l o g i e so r g a n i c a l l y i n t ot h e p r o d u c td e s i g np r o c e s s t o o v e r c o m et h el i m i t a t i o na n ds h o r t a g eo ft h et r a d i t i o n a ld e s i g ns y s t e m ，a n df i n a l l y r e a l i z ep r o d u c ti n n o v a t i v ed e s i g n t h i st h e s i sd i s c u s s e sa b o u tt h ei n t e l l i g e n t r e a s o n i n gt e c h n o l o g i e s a n dt h e i r i n t e g r a t e da p p l i c a t i o nt op r o d u c td e s i g n ，a n dt h e ns t u d i e st h ei n t e l l i g e n t i z i n go f s e v e r a lk e yt e c h n o l o g i e si nc r a f l w o r ki n n o v a t i v ed e s i g n ，i n c l u d i n gc o l o rd e s i g n ， c o m p o n e n td e s i g na n dc o m p o n e n tl a y o u td e s i g n f i r s t l y , t h i s t h e s i s a n a l y s e s s e v e r a l i n t e l l i g e n tr e a s o n i n gt e c h n o l o g i e s a n d t h e o r i e si np r o d u c td e s i g n ，d e s c r i b i n gt h er e a s o n i n gp r o c e s so fe a c hd e s i g np r o b l e m s o l u t i o nm e c h a n i s m sa n dt h e i r e x c e l l e n c e ，d e f e c t ，p u r p o s e a n dl i m i t a t i o n t h i s b o t t o m st h ei n t e g r a t e da p p l i c a t i o no ft h ei n t e l l i g e n tr e a s o n i n gt e c h n o l o g i e st ot h e c r a f t w o r ki n n o v a t i v ed e s i g n ， o nt h eb a s i so fa n a l y z i n gt h ec u l t u r a lc o n n o t a t i o na n df e a t u r e so fb o m i t e c r a f t w o r k s ，t h i st h e s i sp r e s e n t sah y b r i dc b d m o d e lt oi n t e g r a t eg e n e r a l i z e dd o m a i n k n o w l e d g ea n ds p e c i f i cc a s e st o g e t h e ra c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n to fc r a f t w o r k s t r i p e c o l o ra n dt e x t u r e d e s i g n ，a n dt h e n t h ec r a f l w o r kc o l o r d e s i g n s c h e m e a r c h i t e c t u r ea n dt h eo r g a n i z a t i o n ，r e t r i e v a la n d a d a p t a t i o n o f t h e k n o w l e d g e b a s e di s d i s c u s s e d a sc o m p o n e n ti st h eb a s i ce l e m e n to ft h ec r a f t w o r km o d e l ，c o m p o n e n td e s i g n i sv i t a l d u r i n g t h ec r a f t w o r k d e s i g n ，t h e t h e s i s p r e s e n t s a p r o t o t y p e b a s e d c o m p o n e n td e s i g nt e c h n o l o g ya n d d e s c r i b e st h ec o m p o n e n t d e s i g nf l o w c o m p o n e n tl a y o u td i r e c t l ya f f e c t st h ea e s t h e t i ca n da r tv a l u eo fc r 椭o r k ，s o c o m p o n e n tl a y o u td e s i g ni s a l s oa ni m p o r t a n tp h a s ed u r i n gt h ec r a i t w o r kd e s i g n a f t e r a n a l y s i n g t h ee x c e l l e n c ea n dd e f e c to fe a c h l a y o u tt e c h n o l o g y a n dt h e p a r t i c u l a r i t y o ft h eb o r n i t ec r a f t w o r k l a y o u t ，t h e t h e s i s p r e s e n t s ac r a f t w o r k 【i 浙江大学硕士学位论文 c o m p o n e n tl a y o u td e s i g nt e c h n o l o g yb a s e do ng e n e t i ca l g o r i t h m a c c o r d i n gt ot h e r e q u i r e m e n to fl a y o u ti n n o v a t i o n ，ac o n c e p to fs u b c o m p o n e n ti sp r e s e n t e da n dt h e v i s u a ld e g r e ea n dt h ea b s t r a c td e g r e ea r eb r i n g e di n t og e n e t i ca l g o r i t h m f i n a l l y ，t h et h e s i sc o m p l e t e sac r a f t w o r ki n n o v a t i v ed e s i g ns y s t e mb a s e do n a b o v e t e c h n o l o g i e s ，a n dt h e ns i m p l yi n t r o d u c e s t h ea r c h i t e c t u r e ，t h em o d u l e sa n dt h e d e s i g nf l o w o ft h es y s t e m 【k e y w o r d s c r a f t w o r kd e s i g n ，s y m b o lr e a s o n i n g ，c o l o rd e s i g n ，r b r ，c b r ， c o m p o n e n td e s i g n ，p b r ，l a y o u td e s i g n ，g e n e t i ca l g o r i t h m ， s u b c o m p o n e n t i 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 产品设计是一个古老的话题，自从人类开始能够使用工具开始，产品设计一 直是人类生活中必不可少的活动之一。在原始社会里，人类就已经开始采用大自 然赋予的原始材料，进行简单的加工雕凿，制作简陋而实用的生活用品和生产工 具。随着社会生产力和科学技术的发展，人类制造的产品越来越复杂，相应地， 产品的种类越分越细、功能也越来越复杂和完备。 进入现代社会后，各主要发达工业国家都先后开始重视起对设计技术的研 究。英国从6 0 年代开始，就以国家政策和财力来支持发展与推广设计新技术。 德国提出了“设计就是科学”，且其设计学的发展已初具规模；美国成立有“设 计委员会”。日本同样也非常重视设计技术的发展，将设计看作是技术、经济、 美学和人机学的一体化整体，并极力推广和采用新技术，从而大大提高了其机械 工业产品在国际市场的竞争力。近年来，在国际上每年都召开一次与设计有关的 国际会议，探讨设计的新理论和新方法。 我国工业设计的发展经历了一个曲折的过程。最初的产品设计大都凭借设计 者的经验，以模仿为主，故而局限性较大。从6 0 年代开始，加强了新产品的开 发设计与实验研究工作，从而使设计从仿制和经验设计逐渐走向实验研究和计算 分析阶段。到了8 0 年代，开始在国内介绍一些国际上先进的技术与方法。同时 将计算机引入设计领域，对设计工作的发展产生了很大的推动作用。但是，从目 前来看，我国在工业设计领域中仍存在一些较大的问题，主要是对创新设计研究 不够深入，已有的设计成果得不到有效的推广和应用，资金投入少，人员培训工 作跟不上发展的需要，一直没形成开发新产品或更新老产品的设计和应变能力， 对于引进的先进技术和产品，更没有从设计的角度进行消化和吸收。 到了二十世纪后，随着计算机、微电子、信息和自动化技术的飞速发展， 尤其是计算机和信息网络技术的日新月异，国际产品市场由过去传统的相对稳定 逐步演变成动态多变的特征，由过去的局部、地域限制性的竞争格局演变成全球 范围内的竞争格局，同行业之间、跨行业之间相互渗透、相互竞争日益激烈，世 界经济的全球化正日益向我们走来。企业的成功己显著体现在以知识经济作为基 础的新产品、新技术创新上。 产品的创新设计技术是一个不断发展的过程，也是民族、企业以及设计师个 人的综合实力不断提高的过程，产品的刨新能力已成为一个国家可持续发展的核 心竞争能力之一。 浙江大学硕士学位论文 1 2 课题研究背景 1 2 1 产品创新设计理论的发展现状 设计作为人类改进生活条件的基本活动之，其本质是创新。产品创新即为 市场经济中企业过程的一个重要组成，它是为达到企业经营目标，创造具有市场 竞争优势商品的过程。如果将整个产品的开发过程看作从市场客户需求出发， 形成产品设计规范，经过信息和知识的采集、概念设计和具体化设计，进入详细 设计阶段，再通过制造、汇集和测试阶段，最终返回到市场的过程，那么产品开 发过程中任何一个环节的创新都将是产品创新的源泉。这是因为产品设计不但是 创新设计的重要阶段，它还将决定性地影响产品创新过程中后续的产品生产开 发、产品市场开发，以及企业经营战略目标的实现。 产品创新设计理论近年来已成为计算机辅助设计领域研究的热点之一。产品 创新设计理论的研究范围大体可分为：产品创新设计、降低成本设计、快速设计、 仿真与虚拟设计、智能设计、广义优化设计等设计技术。 1 创新设计技术 随着科技和经济的迅速发展，计算机在设计领域的应用已越来越广阔，创新 也由原来的仿生法、智爆法、联想法、形象思维法和阵列法等基于认知的方法 ( c o g n i t i v ea p p r o a c h ) 过渡向基于系统的方法( s y s t e ma p p r o a c h ) 方向发展， 对设计进程和设计对象进行建模、模拟人类的认知思维模式，极大地推进了创新 设计的自动化，并且利用系统论和信息论的研究成果，创新设计开始向智能化发 展。 2 降低成本设计技术 国内外专家对成本估算及降低成本的方法进行了大量的研究。德国学者提出 了成本结构和分类，用相对成本概念来实现不同设计方案之间的对比评价，同时 利用设计方法学和控制成本的设计思想研究成本特征与设计特征之间的转化，提 出了面向用户的目标成本核算法；美国学者对已有或生产过的产品作回归统计的 结果，建立了成本模型；日本、瑞士、英国等学者也均对制造阶段的成本估算进 行了较多的研究。国内的许多学者也对这一课题进行了数年的研究，但由于工厂 数据可靠性较差，研究经费和人力不足，工作量和难度大等原因，进展缓慢。从 上述可以看出，对产品降低成本的设计长期以来还一直停留地局部阶段的理论分 析和计算，尚未把它纳入到贯穿设计全过程一体化的c a d 系统中，且分析结果 大多是定性的，少数定量分析又是基于统计分析基础上的。因此，建立支持设计 全过程尤其是原理方案和总体结构设计阶段的成本信息模型已成为实现低成本 设计的关键和迫切需要解决的难题。 浙江大学硕士学位论文 3 快速设计技术 1 9 9 2 年6 月在东京国际会议上正式提出了并行工程技术，在此基础上发展 成旨在缩短产品设计周期的快速设计技术( r a p i dd e s i g nt e c h n o l o g y ，r d t ) 。目 前国际上在针对快速设计的并行设计技术、快速原型技术、系列化模块化技术和 虚拟制造技术等发展均较为迅速。 4 仿真与虚拟设计技术 在仿真与虚拟设计技术方面，国内外的研究均较为活跃。在机械产品设计的 仿真建模中，目前应用最广泛的包括有限元方法( f e m ) ，有限差分法等。在一 些实际应用领域，希望从仿真系统中得到在真实世界中无法亲身体验到的感受， 从而能突破物理空间和时间的限制，也就是说需要仿真系统具有超越现实的虚拟 性，这些客观需求推动了一种新兴的技术虚拟现实( v i r t u a lr e a l i t y ，v r ) 技 术的发展：同时，在计算机虚拟现实系统( v r s ) 环境中的虚拟设计( v i r t u a ld e s i g n ， v d ) 技术方面的研究也越来虎受到人们的重视。 5 智能设计技术 在智能设计技术方面，各主要工业发达国家正从传统的c a d 技术不断向智 能c a d ( i c a d ) 和人机智能化设计系统方向发展，对设计型专家系统的研究也 正逐渐走向纵深，智能设计技术向着不但提供知识处理自动化，而且实现决策自 动化，以支持大规模的多学科多领域知识集成设计全过程的自动化。 6 广义优化设计技术 国内的数值优化技术约在7 0 年代初应用于工程设计，且目前离形和随机变 量优化、结构优化、智能优化、优化建模和复杂系统优化方法学等领域的研究已 取得具有相当水平的理论和应用成果，但对向前扩展到建立模型、处理模型，向 后扩展到优化结果显示的全过程的研究还很不够，与主要工业发达国家有着一定 差距。 1 2 2 产品设计中的智能化技术 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 ) 是研究人类智能活动的规律，构造具 有一定智能行为( 感知、学习、创造、语言等) 的人工系统，是一门综合了计算 机科学、生理学、哲学的交叉学科。人工智能的研究课题涵盖面很广，从机器视 觉到专家系统，包括了许多不同的领域。其中共同的基本特点是让机器学会“思 考”。人工智能的近期目标是，研究如何使用计算机去完成以往需要人的智力才 能胜任的工作；而人工智能的远期目标则是，探讨智能的基本原理，研究如何使 用各种自动机器来模拟人的某些思维活动和智能行为。 智能c a d ( i n t e l l i g e n tc a d ，i c a d ) 是一种新型的高层次计算机辅助设计方 浙江大学硕擘位论文 法与技术。它将人工智能的理论和技术与c a d 相结合，使计算机具有支持人类 专家的设计思维、推理决策及模拟人的思维方法与智能行为的能力，从而把设计 自动化推向更高层次。 1 2 2 1 智能技术在设计中的应用现状 智能c a d 方法主要用于产品概念设计，另外用于支持产品的概念设计、结 构设计和几何参数设计全过程也已成为可能。当进行一项设计时，参照与当前设 计相似的样板，可快速完成变形设计( v a r i a n td e s i g n ) 的任务。当找不到相关经 验与实例时，则应用一般设计法则和知识经过推理与决策进行创造性设计 ( c r e a t i v ed e s i g n ) 或适应性设计( a d a p t i v ed e s i g n ) 的设计任务。 智能c a d 方法可以模拟人类专家的各类设计思维和推理的过程。其中的设 计原型是对一类设计方案的抽象和设计对象的描述，概括了设计的基本特征和共 同属性，包含设计模式和设计实例。在解决变形设计问题时采用基于实例推理 ( c a s eb a s e d r e a s o n i n g ，c b r ) 方法进行快速求解：在找不到相似实例的情况下， 先根据设计模式与某些规则构造设计对象的模型，再用基于模型推理( m o d e l b a s e dr e a s o n i n g ，m b r ) 方法进行求解。适当选择设计实例可对当前设计问题提 供宝贵的经验和样板，适当选择设计模式和构造模型可降低设计问题求解的复杂 性。智能c a d 从设计对象的表达出发提出的两种设计求解方法，即基于实例的 设计( c a s eb a s e dd e s i g n ，c b d ) 和基于原型的设计( p r o t o t y p eb a s e dd e s i g n ， p b d ) ，为智能c a d 技术的进步发展与应用开辟了广阔前景。 智能化技术在工业产品设计和制造中的应用研究异常活跃，智能化设计技术 日渐成为实现设计和制造的知识化、自动化、柔性化的关键技术。其主要应用包 括： ( 1 ) 基于神经网络的智能检测、故障诊断、识别、设计、优化： ( 2 ) 基于遗传算法的优化设计； ( 3 ) 基于规则、基于框架的专家系统； ( 4 ) 基于推理与归纳学习的知识系统； ( 5 ) 基于a g e n t 技术的分布式智能化设计和制造系统。 近几年来，虚拟设计制造、基于知识的制造、计算制造、仿生制造等新的制 造技术对智能技术的需求也是相当的迫切。 1 2 2 2 智能设计技术瓶颈 目前智能化设计技术的应用水平距人们的期望还有一段距离，主要存在以下 浙江大学硕士学位论文 几个瓶颈： ( 1 ) 知识的恰当表示与获取。以规则为主要代表的符号知识表示具有粒度 极限、知识获取困难等弱点，而以神经网络为代表的亚符号知识则难以处理现实 世界中复杂的结构化知识。 ( 2 ) 创新能力的实现。在产品设计过程中，人们对智能系统的需求包括辅 助用户进行创新的能力、代替人类进行决策的能力，以及超越人的知识范围进行 创新的能力。传统智能化技术缺乏本质上的创新能力。 ( 3 ) 软件适应性的缺乏。缺乏适应性的专家系统在工厂实际应用中困难重 重，其主要原因是无法适应各个工厂多样化的应用环境以及应用场合的灵活多 变。 ( 4 ) 计算实时性的要求。计算实时性的要求是许多智能系统应用的基本要 求，但目前的智能算法都存在搜索收敛速度慢的缺点。 1 2 3 基于符号推理的设计 所谓符号，泛指产品设计中的各种产品形状、结构、纹理、色彩图案、布局、 组件特征等信息的抽象表示。设计中的符号具有认知性、普遍性、独特性和约束 性等特性。所谓符号推理，就是应用各种符号信息和知识进行逻辑思考、类比演 绎推理的能力，以及在脑海中操纵抽象符号、并做出合理判断和决策的能力。 1 2 3 1 基于推理的设计关键技术 在智能c a d 理论中包括多种推理技术，如：基于规则的推理( r u l eb a s e d r e a s o n i n g ，r b r ) 、基于实例的推理( c a s e b a s e d r e a s o n i n g ，c b r ) 和基于模型的 推理( m o d e lb a s e dr e a s o n i n g ，m b r ) 等，这些推理技术在设计领域有着大量的 应用。基于规则的推理方法根据设计人员以往设计的经验，将其归纳成规则，组 织成规则库，并采用产生式规则来描述特征，以产品几何模型为事实依据，通过 一定的匹配机制进行特征搜索与识别。如形状文法( s h a p eg r a m m a r ) ，其工作原 理是：根据对产品的功能原理和外形结构纹理色彩等需求进行分析归纳整理所得 到需求蜕明，以及以往对该类产品设计的经验规则，通过规则推理推导出产品的 结构特征和外形特征。基于规则的方法有着简便快速、易于理解的特点。基于实 例的推理方法的原理是借助以往的设计经验来解决新问题。这种方法的基本思想 是来自于人们能够寻求出一个新的状态的解时很大程度上是由于他们能够回忆 和采用他们以前处理过或遇到过的相同的或相似的状态的解决方法。基于实例的 推理作为一种问题解决的策略在问题求解过程中包含六项主要的工作：实例的索 引，实例的搜索，实例的匹配、选择，实例的修改，对于解的评估和检验，实例 浙江大学硕士学位论文 库的更新。基于模型的推理通过设计对象的结构一状态一功能模型的方式解决问 题。构造模型是一种创造性活动，因此m b r 适用于求解创新性设计问题。但是 当问题很复杂时，m b r 将变得难以控制。 这些推理方法各有其优缺点和各自的应用场合。现在出现了多种推理方法集 成与综合应用的趋势。较典型的是将c b r 与r b r 、c b r 与m b r 结合起来或实 现它们的集成。基于原型的推理( p r o t o t y p eb a s e dr e a s o n i n g ，p b r ) 便是一种综 合m b r 和c b r 优点的智能设计问题求解机制，p b r 一方面通过原型知识限定 的设计模式降低了设计问题求解的复杂性，另一方面又可根据原型中的设计要素 的设计实例利用以前的经验。 1 2 3 2 计算机辅助工艺设计 计算机辅助工艺设计( c o m p u l e ra i d e dp r o c e s sp l a n n i n g ，c a p p ) 通常指 机械产品零部件制造工艺过程的计算机辅助设计与文档编制。在产品的整个生产 过程中，工艺设计工作贯穿其中。工艺设计工作不仅涉及到企业的生产类型、产 品结构、工艺装备、生产技术水平等，而且还要受到工艺人员实际经验和生产管 理体制的制约，其中的任何一个因素发生变化，都可能导致工艺设计方案的变化。 传统上c a p p 是狭义的，它只面向零件，主要是机械加工工艺的设计。后来逐步 扩充到各种专业的工艺过程设计乃至工艺信息管理，如工艺品设计。目前的c a p p 系统有派生式、创成式和混和式三种。 c a p p 是连接c a d 与c a m 的桥梁，是整个机械设计和制造系统中的重要环节， 对产品质量和制造成本具有极为重要的影响。产品工艺设计的研究和应用可以提 高产品质量，缩短产品开发周期，降低成本，从而提高产品设计和制造的自动化 水平，增强企业的市场竞争力。随着计算机集成制造系统、并行工程、智能制造 系统、虚拟制造系统、敏捷制造等先进制造系统的发展，无论从广度上还是从深 度上，都对c a p p 的发展提出了更新更高的要求。 1 2 3 3 基于推理的设计研究现状 智能设计已经成为生产自动化过程中的关键信息技术之。自从智能化理论 特别是符号推理技术引入到产品的设计以来，国内外的专家学者竟相展开相关应 用技术的研究。 基于实例的推理技术是当前研究的热点。j e r z ys u r m a 提出一个基于实例设 计系统r e p r o ( r e u t i l i s a t i o nd e t u d e sd ep r o c e d e s ) 的通用框架，将早期的 设计步骤和流程转化为实例表示并存入实例库，以支持设计者进行概念设计。 r a m e n 和p v o m a c k a 将c b r 应用于金属材料( 尤其是钢材料) 和热处理工艺的 塑坚查兰竺! 堂堡堡塞一 选择上，希望以最低的成本获取高性能的机械产品。台湾的s h uh u a n g s u n 等提出个基于实例推理的智能化夹具设计系统。刘长毅等则采用c b r 技术与特 征造型方法解决武器身管设计中智能化的问题。 此外，在符号推理技术的集成及与其他智能技术的结合应用方面，也取得了 一些进展。m a r kr h e n d e r s o n 提出用基于规则的推理方法来进行特征识别，为 后来利用智能化方法进行特征识别开创了新的道路。上海交通大学匡i 家模具c a d 工程研究中心将模型推理技术集成到注塑模设计中，在p r o e 平台上构建了一个 m b r 的智能注塑模设计系统。谢胜利等结合r b r 技术和c b r 技术，构造了一个基 于实例的智能工艺设计系统，用于完成复杂的工艺设计任务。李双跃等应用基于 实例和框架与规则相结合的推理方法实现夹具方案设计自动化。肖伟跃结合产生 式规则和语义网络、神经网络等方法，建立了一个基于开放式结构的工艺设计知 识库系统。 1 3 课题的提出、研究内容及研究意义 1 3 1 课题的提出 从国内外的研究现状来看，现有的产品智能设计系统大都采用单一的智能推 理方法，或者将各种智能技术简单集成。r b r 方法适合于专家知识易用规则表达 的系统，但由于工艺设计任务极其复杂，领域知识获取的完备性差，因而单纯采 用基于规则的智能工艺设计系统往往停留在原型系统阶段，远远没有达到实用化 水平；c 3 r 设计方法则存在不良定义和缺乏创新性等问题；而 l b r 方法不具有经 验知识的记忆能力，知识的学习完全局限于模块模型。另外，在符号推理技术集 成应用方面的工作做的也不够完善，还存在实用性、灵活性、适应性、透明度和 效率等方面的问题。因此，有必要研究一类新的智能设计系统，将符号推理智能 技术有机的结合或集成到产品的设计过程中来，以有效解决传统智能工艺设计系 统的缺陷与不足，最终实现产品的创新设计。 1 3 2 课题研究的内容 本文将结合“面向云南省旅游产品的创新设计与快速成型系统的开发应用” 课题项目的系统开发和实践过程，对这些智能推理技术及其集成应用做一个较为 系统深入的探讨，同时针对面向工艺品创新设计过程的若干关键技术，包括色彩 图案设计、组件生成设计以及组件智能布局设计等技术，进行较为深入的研究。 产品智能化设计过程需要智能推理技术的支持。因此，首先在第二章中，本 浙江大学顾士学位论文 文对产品设计中的各类智能推理技术与理论，进行了详细的介绍与分析，包括 r b r 、形状文法、m b r 和c b r 等，阐述了各种设计问题求解机制的推理过程以及 它们的优缺点、用途和局限性，为智能推理技术在工艺品创新设计的集成应用建 立理论基础。 本文的第三章在分析斑铜工艺品文化内涵和与工艺特色的基础上，针对工艺 品的斑纹色彩图案和肌理设计要求，提出了一种综合运用规则和实例知识进行工 艺品色彩图案设计的集成技术，并研究了工艺品色彩图案设计方案的体系结构以 及实现这一方案必需的知识表达方法、搜索方法和实例的修改方法。此外，还讨 论了一个基于语义网络的设计过程动态控制模型。 组件是工艺品模型的基本组成要素，要达到工艺品创新的目的，组件的生成 设计至关重要。第四章提出了一种基于原型的工艺品组件生成设计技术。首先， 论述了原型法设计思想的关键技术，包括原型的表示、组织、学习、基于原型的 设计推理等。接着，将原型法的设计思想引入到工艺品组件的生成设计过程中来， 设计工艺品组件的原型及其原型实例库，并阐述了工艺品组件的生成设计过程。 组件布局方案设计是工艺品创新设计过程中的重要一环。在第五章里，本文 在分析各种布局技术优劣和斑铜工艺品布局特殊性的基础上，提出了一种基于遗 传算法的工艺品组件布局设计技术，针对斑铜工艺品布局创新的需要提出了亚组 件的概念，并在遗传算法中引入了形象度和抽象度。 第六章是对本课题研究的实验系统工艺品创新设计系统的一个简要介 绍，包括系统的结构、模块以及设计流程等。 1 3 3 课题研究的意义 综上所述，本课题研究的意义在于： 1 对智能c a d 领域中的各类符号推理技术理论及其集成应用现状进行了系 统深入的研究、探讨和整理。 2 结合工艺品设计的设计过程，对智能化技术在设计各阶段的应用进行了 研究，并提出了一系列新的基于符号推理的工艺品创瓶设计的关键技术，包括基 于综合推理的工艺品色彩图案设计技术、基于原型的工艺品组件生成设计技术和 基于遗传算法的工艺品智能布局设计技术等。 3 基于以上技术研究，实现了工艺品创新设计系统，用于对上述方法和技 术进行验证。 塑坚查兰竺! 主兰垡堡墨 第二章设计中的智能推理技术与理论 2 1 引言 产品的创新设计需要创新技术的支撑。智能设计技术作为人工智能在设计领 域的应用，在近年来已得到了飞速的发展。 智能c a d 是a i 技术与c a d 技术相结合的产物。在智能c a d 系统中，最 基本的要素是知识，它直接影响到系统的性能以及功能的强弱。绝大多数智能 c a d 系统都有自己的一套知识表达、获取及学习系统。经过了十多年的发展， 目前己经形成了几种较为成熟的智能c a d 方法，如基于规则的设计方法、基于 框架的设计方法、基于问题求解的搜索方法、约束满足的方法、基于实例推理的 设计方法以及知识工程的方法等等。智能c a d 的目的是解决设计问题，而设计 可以看成是一个问题求解过程，因此智能c a d 的求解方法总体上可以归纳为三 类：( 1 ) 搜索；( 2 ) 推理；( 3 ) 约束满足方法。 就搜索法而言，假设所有的可能设计结果组成的空间称为搜索空间。搜索从 公理开始，应用推理规则，得到新的表达，并深入公理集，直至最后得到一条从 初始态到目标态的路径。 对问题求解的另一观点是推理。假设有一个逻辑系统，它能够从公理及先前 的推演出的陈述推演出新的陈述，用基于逻辑的形式化语言的一组公理来描述一 个问题。推理观点下的求解问题是通过推导( i n f e r e n c e ) ，一步一步地积累起更 多的信息( 陈述) ，直至找到问题的解为止。 对设计问题的第三种观点是把设计看成是一个约束满足问题。所有的设计要 求和限制都可以看成是对某组变量的约束，约束集限制下的子空间即为设计空 间。 当然，这三种观点并非截然区分的，推理着重于逻辑合法性，搜索的宗旨在 于发现，而推理在于证明。有时，同样的求解问题可以交叉使用，联合求解。 下面我们将从推理的角度出发，讨论关于设计中的问题求解方法，并将其集 成应用于工艺品的创新设计中去。正如第一章中所述，在智能c a d 中包括r b r 、 m b r 、c b r 和p b r 等多种推理技术，这些推理方法各有其优缺点和各自的应用 场合。在下面几节里，我们将对前三种智能推理技术进行讨论，并在第三章中将 其集成应用于工艺品纹理图案的设计中去，而p b r 技术及其在工艺品创新设计 中的应用将在第四章再作讨论。 浙江大学硕士学位论文 2 2 基于规则的推理( r b r ) r b r 是一种发展较早理论上比较成熟的推理模式。基于知识的系统 ( k n o w l e d g e b a s e ds y s t e m ，k b s ) 一开始采用的就是r b r 推理机制。究其原因， 一方面，数模理论的发展早已在各个领域形成了一些模型与规则；另一方面， r b r 方法比较容易在计算机上实现。基于规则的知识表示方法是目前应用最广 泛的方法之一。 2 2 1 产生式系统 产生式的概念由e p o s t 于1 9 4 3 年提出。产生式的基本结构包括前提和结论 两个部分：前提( 或i f 部分) 描述状态，结论( 或t h e n 部分) 描述在状态存 在的条件下所做的动作： i f 状态n e n动作 n e w e l l 和s i m o n 在研究信息处理技术对模拟人类问题求解的应用中认为： 人类在问题求解时，应用了一组存贮在大脑长期记忆区的产生式，并将它们应用 于存贮在短期记忆区的给定状态。该状态引起某些产生式被触发，相应的动作被 作用于短期记忆区。这便是从已知信息推理出新的信息的过程。随着新的信息加 入短期记忆区，状态发生了改变，这又可能引起新的规则被触发。这种人类问题 求解的模型叫做产生式系统。如图2 1 所示。 2 2 2 基于规则的设计系统 图2 1 产生式系统模型 产生式系统的概念虽简单，却提供了模拟人类求解问题的一种方法。图2 2 表示了基于规则的模型。 0 浙江大学硕士学位论文 图2 2 基于规则的模型 基于规则的设计系统通常包括三个主要模块： ( 1 ) 知识库存储大量设计规则，又目q 规则库，模拟人类的长期记忆区。 ( 2 ) 数据库包含了输入问题的事实和从设计规则触发推出的事实，又 称为上下文，模拟人类的短期记忆区。 ( 3 ) 推理机将关于问题的事实于知识库中的规则相匹配，推理出新的 信息，模拟了人类的推理过程。 i 圆圆 图2 3 基于规则设计系统的体系结构 图2 3 表示了基于规则设计系统的体系结构，拥护接口提供了友好的可视化 的图形界面，以辅助用户查询和求解问题。开发人员接口用于系统推理和知识获 取操作。解释模块提供了人机交互中的解释功能，如为什么要提这个问题和这个 结论是怎样得出的等等。解释机制对于设计人员进行系统跟踪和差错也十分重 要。 2 , 2 3r b r 的优缺点 一优点 ( 1 ) 设计知识可自然地表现为i f t h e n 的规则形式，是基于规则的设 塑坚查兰堕主兰焦堡苎一一 汁系统易于设计和建立。 ( 2 ) 控制与知识相分离，知识库和推理机制可独立更新，便于系统扩充。 ( 3 ) 知识模块性强，便于正确性检查。 ( 4 ) 使用相关知识，使每一设计问题仅与一部分设计规则相关，提高问题 求解效率。 ( 5 ) 具有推理解释机制，便于跟踪和查错。 ( 6 ) 设计规则严格的形式化有助于系统的自动一致性检查a ( 7 ) 适于启发式知识的表示和应用。 二缺点 ( 1 ) 要求设计规则精确匹配，灵活性较差。 ( 2 ) 难于确定规则之间的逻辑关系，设计规则在知识库中的相对位置影响 推理的效率。 ( 3 ) 当规则数目太大时( 比如1 万条以上) ，知识库的一致性维护将变得非 常困难，系统推理效率也将大大下降。 ( 4 ) 设计规则难于表达某些类型的设计知识，如结构性知识。 2 3 形状文法( s g ) 形状文法由g e o r g es t i n y 于1 9 7 8 年提出，是应用r b r 于产品造型设计而发 展起来的一种推理方法与理论，其主要思想是用形状文法分析和推理来产生新的 图形。 2 3 1s g 的描述 形状：是一组直线的排列，并带有用字符所标注的标记。 规则：对形状进行改变的规定。 形状文法s g ，是一个四元组：s g = ( s ，l ，r ，i ) ，其中 s ：形状的有限集合； l ：字符的有限集合； r ：规则的有限结合，规则的形式为：q 一，其中q ( s ，l ) + ，b ( s ， l ) 。这里，( s ，l ) + 是一个形状( s ) 和字符所组成的集合。( s ，l ) ，则 为( s ，l ) + 加上空字符所标记的形式( s 。，中) ； i ：初始形状，i ( s ，l ) + 。 一个形状文法定义了一个形状集合称为语言( l a n g u a g e ) ，这个语言包含所有 的由形状文法生成的无符号形状或形如 1 ) 个方形，每个方形都内 接于另一个方形，其中一些形状由图2 6 所示。所有这些形状的边界总是相同的。 咽一囹一囹 图2 6 用图2 4 中的形状文法定义的一些形状 2 3 3s g 的用途及局限 s g 可以用于设计的生成，这是一种从规则出发产生设计的过程，通常成为 大师风格，其核心是使用了图形单元。这对于运用原理方案实现向结构方案设计 的转化是一个重要的启发，在原理方案实体化过程中，也将运用图元和积木的构 建思想，实现初始结构方案的设计。 4 浙江大学硕士学位论文 同时，s g 方法适用于那些能将设计过程分解为对设计元素进行加、减操作 的设计，元素是一个事先定义的集合，这种方式适合于一类产品的设计，但对于 不能单纯用构成形成的设计，该设计方法不适用。 2 4 基于模型的推理( m b r ) m b r 是构建知识系统推理机制的另外一种方法，它是随着计算机编程技术 的发展而发展的。在早期，以面向过程的方法进行编程时，m b r 被定义为模拟， 即以计算机建立一个真实世界进程的系统模型，由于系统建模是编程必要的步 骤，被逐渐淡化。但是，随着面向对象的编程技术的出现，随着面向对象的分析 和设计方法(