（机械设计及理论专业论文）基于关系数据库轴类智能设计系统的研发.pdf

东北大学硕士学怯论文摘要 基于关系数据库的轴类智能设计系统研发 摘要 智能设计技术是戳知识处理为核心的先迸c a d 技术。它将知识系统的知识 处理能力嗣拳戴c a d 系统斡诗算分辑力、数据库警邂与服务能力、霉形处理 能力等有机结台起来，从而可以协助设计者完成诸如方案设计、参数选择、性能 分析、结构设计、图形处理等不同阶段、不同复杂程度的设计任务。一个完善的 磐缝设计系统一般瘦懿食熟谈处理、诗冀分辑、数握管理与摄务及图形处瑷等四 大功能。 专家系统和传统c a d 技术作为智能设计理论的两大基石，其相应的域论研 究楚盛不可少的。秉豢要完竣餐藐设计系统戆臻缝愿裂，本文在参考夫虽文漱基 础上，针对当前智能设计系统存在的弊端提出了一种艇于关系数据库的种新 知识表达方式和知识的数据库管理方式，并以s q l s e v e r 2 0 0 0 为载体初步建立起 令功筏齐全鸯一定赛震徐镶熬起谈疼，辩提供了援应魏魏识学爱王其；该方法 解决了以往知识库管璐困难及不容易扩充等难题。 为了能适成新的知识表逸方式。本文歼发出了配套的框架推理枫、规则推理 氍及元接蓬枫。在开发这些攘理撬瓣，灌怒瑟熟识表达方式熬爨要 l 蓼提下，继承 了现有专家系统推理机的优点，实践表明它们具有一定的知识处理能力和应用价 值。 舔系统豹辫象楚疆葵麓羹| l 蠢p t c 公司旌秀静参数纯鬻澎较绺p r o e 彝 v b n e t 来共弼完成，本文通过大量知识即采髑穷举所有特征于基础图上等方 法，以便能实现特征表达功能。 另羚，为了髓接受羚亲专家系统翡现成知谈撵帮接灌辊，搜系统袋蠹囊歪嚣 放式系统。本文介绍了当令最为流行的专家系统开发工具c l i p s ，弗在系统中提 供了接口使之岛本系统浑然体。井采用c l i p s 工具自主开发了一个简单的专 家系统孬设计模块。 东北大学硕士学位论文 摘费 浆题了巍今最必滚露憋。n e t 平台开发王爨，剽攫。n e tf r a m e w o r k 撂絮技术将 兰维造型软件p r o e 、数据库管理软件s q ls e v e r2 0 0 0 殿专家系统开发 工具c l i p s 有机地结合在一起，并以轴的设计馓样例成功开发出了功能比较 齐全懿管毙设诗系统s l d s l + 0 ，势必鞋惹工终静震牙撬供了鏊蚕塞及骧磊熬餐 能设计系统磷究提供了参考性意见。 关键词智能设计专家系统c a d 数据库型知识库推理机p r o e c l i p s 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h er e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n t o ft h es h a f t i n t e l l i g e n td e s i g ns y s t e m b a s e do n r e l a t i o n a ld a t a b a s e a b s t r a c t t h et e c h n o l o g yo f i n t e l l i g e n td e s i g ni s a na d v a n c e dc a d t e c h n o l o g yb a s e do n u s i n gk n o w l e d g e t h i st e c h n o l o g yi n t e g r a t e t h ea b i l i t yt od e a lw i t hk n o w l e d g ea n dt h e a b i l i t i e so f c o m p u t i n g ，m a n a g i n gt h ed a t a b a s ea n dd r a w i n g i no r d e rt oh e l pe n g i n e e r s t of i n i s hs o m et a s k sa st h ed e s i g n i n go f p r o j e c t ，s e l e c t i n g t h ep a r a m e t e r s ，a n a l y z i n go f c a p a b i l i t ya n ds oo na td i f f e r e n tp e r i o d o n ep e r f e c ti n t e l l i g e n td e s i g ns y s t e mm u s t i n c l u d ef o u rm o d u l e s ：d e a l i n gw i t hk n o w l e d g em o d u l e ，c o m p u t i n gm o d u l e ，m a n a g i n g d a t a b a s ea n d s e r v i n go f d a t am o d u l e ，a n dd r a w i n gm o d u l e t h et e c h n o l o g i e so fe x p e r ts y s t e ma n dt r a d i t i o n a lc a d a r et w o a s p e c t so f t h e b a s e so f i n t e l l i g e n td e s i g nt h e o r y , a n d t h er e s e a r c ho fc o r r e s p o n d i n gt h e o r yi s n e c e s s a r y i no r d e rt om e e tt h ep r i n c i p l e sa n d r e a l i z et h ef u n c t i o n so ft h ei n t e l l i g e n t d e s i g ns y s t e m ，t h i sp a p e rg i v e sam e t h o d t od e s c r i b ea l lk i n d so fk n o w l e d g eb a s e do n t h et h e o r i e so fr e l a t i o nd a t a b a s e ，o nw h i c ht h ea u t h o r , a c c o r d i n gt h ep r e s e n ts i t u a t i o n ， b u i l du pak n o w l e d g e - b a s ea n dt h ec o r r e s p o n d i n gm a c h i n es t u d yt o o l s a l lo f t h e s e a r ev e r yh e l p f u lt os o l v et h ed i f f i c u l t i e so ng e t t i n gk n o w l e d g ea n dm a n a g i n gt h e k n o w l e d g e i no r d e rt oa d a p tt h ek n o w l e d g ei nr e l a t i o n a ld a t a b a s e ，t h i sp a p e rp r o v i d e st h e w a y t o d e s i g n t h r e e sk i n d r e a s o n i n g m a c h i n e s a n dt h ea u t h o r d e v e l o p e d a r e g u l a t i o n - r e a s o n i n gm a c h i n e ，af r a m er e a s o n i n gm a c h i n ea n dap r i m a r yr e a s o n i n g m a c h i n e d u r i n g t h ec o u r s eo f d e v e l o p i n g ，a l lo f t h e s er e a s o n i n gm a c h i n e sm e e ta l lo f t h ep r i n c i p l e sa n dn e e d s p r a c t i c e si n d i c a t et h a tt h e yh a v es o m ea b i l i t i e st od e a lw i t h k n o w l e d g e a n ds o m ev a l u ef o re n g i n e e r i n g t v 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t a n dt h ea b i l i t i e so f i m a g em a n i p u l a t i o n a r er e a l i z e db yt h es o f t w a r eo fp r o ea n d v b n e tt o g e t h e r ，t h es i d sr e a l i z e st h ee x p r e s s i o no ff e a t u r e sa n df u n c t i o n st h r o u g ha g r e a td e a lo fk n o w l e d g es h o w i n g o nt h eb a s i cp a r t w h e n t h e ya r en e e d e d ，t h e yc a n s h o wa 1 1f e a t u r e so f p a r t s f u r t h e r m o r e ，i no r d e rt oe n a b l et h es y s t e mt oa c c e p te x i s t e dk n o w l e d g eb a s e s a n d r e a s o n i n g - m a c h i n e s ，t h es y s t e mi n t e g r a t e s t h e p o p u l a rt o o l t h a tc l i p sf o r d e v e l o p i n ge x p e r ts y s t e m a n dt h e a u t h o r d e v e l o p e d av e r y s i m p l e m o d u l ef o r r e d e s i g ni nc l i p s b yu s i n gt h e n e tf r a m e w o r ki n c l u d e db yt h ep r o g r a m m i n gt o o lv b n e t ，t h e s y s t e mi n t e g r a t e sn o to n l yp r o e ，t h et o o l so f d b m s s q l s e r v e r2 0 0 0f o rd e s i g n i n g ， b u ta l s oc l i p s t h r o u g ht h e i r sw o r k i n gt o g e t h e r ，t h es i d s1 0 ( t h es h a f ti n t e l l i g e n t d e s i g ns y s t e m ) t a k i n gt h es h a f td e s i g n i n ga se x a m p l ei sd e v e l o p e ds u c c e s s f u l l y a l l o ft h e s ep r o v i d et h et h e o r yo f d e v e l o p i n gi n t e l l i g e n td e s i g ns y s t e ma n ds o m e v a l u a b l e r e f e r e n c e k e yw o r d s ：i n t e l l i g e n td e s i g n ，e x p e r ts y s t e m ，t r a d i t i o n a lc a d ，k n o w l e d g e b a s e b a s e do nr e l a t i o n a ld a t a b a s e ，r e a s o n i n g m a c h i n e ，p r o e ，c l i p s - v 一 声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取 得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。 本人签名：曾眷耕 日期：础工，亭 末毙天擎硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 人工智能与智能设计 i i 。1 概述 人工镨能( a r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e ，简称a 1 ) 是蔫入工的方法农税器( 许冀 机) 上实现的智能；换句话说就是“研究如何使机器具肖能瞬、会说、能餐、会 写、能思维、会学习、能适应环境的变化、能解决各种面临的实际问题等功能的 - - j 学科”，掰数入工餐戆又熬规器缨毙”1 ( m a c h i n ei n t e l l i g e n c e ) 。 从人工智能的定义可以看出，人工智能的任务就是用机械的、电子的、光的 或生物静器件嗣逶一萃辛装置或祝器( 嚣蓠采谎主凝是奄子诗葵梳) 采模掇麓括设 计在内人类智能活动。它作为上个世纪5 0 年代诞生的- f 新兴学科，主要具有以 下特点： l 。人工智能 乍为计箨机科学的一个分支，它的存在_ 鞠发展与计葵科学豹发展 有着密切的联系。 2 a 王簦藐科学是- f 臻役科学，注囊辑究餐蕤活动过程豹规理。 3 人工智能科学涉及到众多的基础学科和应用学科。 4 替麓科学广泛照研究人类各璎智髓活动：懿翔骄、匿蒙 鬟嗣、鲁然语言理 解、证明、学习、规划、设计和问题求解。因此，它具鬻广泛的用途。 经过几十年的发展，人工智能爵经从巍初只能用于与棋手对弈发展到了今天 绘享土会务镁壤带来基大经济效蕊魏专塞系绞、露象识别、宴然语言理舞、爨缝控 制等许多分支。特别值得一提的是专家系统技术已经逐渐成熟，加上现代c a d 技 术黪发装，为撬械设计骞霆鹩餐能设诗系统提供了丰富豹理论基础鞍实践缀验， 使锻能设计系统成功运腭到实践中成为可能l i i 2 专家系统技术的发展概述 专家系统是农矗i 戆磅究过程孛产生熬- - f 藜兴学秘。 1 东北大学硕士学位论文第一章绪论 自从1 9 5 6 年，人工智能诞生之后，a i 的研究者们做了大量的工作。a i 的发 展从侧重解决问题方面来讲可以分为三个阶段：一般问题求解、知识表示和搜索、 专家系统。在a i 产生的初期，研究者处于一种朴素的考虑，认为a i 作为一门科 学也应该象数学、物理等学科那样能够有自身的定理、定律。这些规律就构成了 人类所有智能行为的特点。发现这些规律就可以方便地利用机器模拟人类智能行 为，从而解决各种领域的问题。所以，a i 工作者最初是致力于研究一种通用问题 求解程序g p s ( g e n e r a lp r o b l e ms o l v e r ) ，试图寻找一般的方法来模仿复杂的思 维过程。然而，尽管取得了一些进展，但没有实际性突破。成果也主要表现一些 具体问题的解决上，如1 9 5 6 年a n e w e l l 、j s h a w 和h a s a m u e l 研制的西洋跳棋 程序( c h e c k e r s ) 等。因此到6 0 年代初，a i 的工作者己开始研究建立求解问题的 通用程序。到6 0 年代中期，a i 工作者已开始认识到问题求解能力不仅取决于它的 使用的形式化体系和推理模式，而且取决于它拥有的知识。1 9 6 5 年s t a n f o r d 大学 计算机系的f e i g e n b a u m 就提出要使程序能够达到很高的性能。为了付诸实际使用， 就必须把模仿人类思维规律的解题策略与大量的专门知识相结合。基于这种思想， 他与遗传学家j l e d e r b e r g ，物理化学家c d j e r a s s i 等人合作研制出了根据化合物 的分子式及其质谱数据帮助化学家推断分子结构的计算机程序系统( d e n d r a l l 9 6 8 年基本完成) 。此系统获得极大成功，解决问题的能力已达到专家水平，某些方面 甚至超过同领域的化学专家。d e n d r a l 系统的出现，标志着a i 研究开始向实际应 用阶段过渡。同时，标志着a i 的一个新的研究领域专家系统的诞生。 随着专家系统的诞生与发展和对越来越高的设计质量、越来越短的设计周期、 越来越复杂的设计对象及其环境的要求等直接导致了智能设计的诞生。 1 1 3c a d 技术的发展概述f l o 传统的计算机辅助设计( c a d ) 技术主要是将设计人员从手工绘图中解放出来， 并对常规的设计给予帮助，但不能对设计工程师的智能活动提供有效的支持，因 此已不适应现代产品设计与开发的需要。由于传统的c a d 缺乏对设计的智能支持， 7 0 年代后期人工智能和设计领域的学者即提出了智能c a d 的概念。随之智能c a d 的理论研究和开发应用受到越来越多的关注，众多专家相继推出了大批智能c a d 系 统，并应用于机械、集成电路和建筑等设计领域。以依据算法的结构性能分析和计 算机辅助绘图为主要特征的c a d 技术在产品设计中的成功应用，引起设计领域内 的一场深刻变革，包括设计活动在内的问题求解大致可分为两类工作：第一类是 东筑大学矮士擎往论文 第一聿绪论 基于数学模型和数值处理的计算型工作；第二类怒基于符号性知识模型和符号处 理的推理黧工作。传统c a d 技术在数值计赣帮图形绘割上扩震了久的麓力，霹溢 比较圆满地完成第一类工作，但对第二类工作往往难以胜任。幽于产品设计是人 的创造力与环境条件交甄作用的物化过程，是一种智能行为，通常需要设计人员 分援推理、运筹决繁积综合浮份，才能取褥合理麴结果，为了对设计鲍全过程提 供有效的计算机支持，传统c a d 系统有必要扩展为智能c a d 系统。 蠡8 0 年代寒，器蕊壤强静榘成纯蒺求餐戆设诗系统誉健提镞知识处理塞动德， 而且需要实现决簏自动化，以支持大规模的多学科多领域知识集成设计全过程的 自动亿。稔大规穰的集成环境下，入类专家京智麓设计系统中扮演静角色将翼加重 要，人类专家将永远是系统中最有创造性豹知识源和关键性闽题的最终决策赣。与 此榍适应，由c i m s 的智能设计走向了智能设计的商级阶段一i 。c a d “。由于集成化 嚣开放牲懿要求，在i ：c a d 系绞孛，智缝活动由人捉共阂承担，它不汉可以用予常靓 设计，而且能够支持创新设计。由于i 。c a d 系统的大规模、集成化和高难度的特点， 秘缀i c a d “8 系统在特定领域髓有广泛豹瘟瘸羲暴。今螽瓣智麓设诗甄要瑰嚣彝发 展初级i c a d 系统的理论研究，大力推广其实际应用，又要加强对理论研究、技术开 发和实践缀验的积累。 1 1 4c a d 技术及与专家系统结合智能设计系统 1 。1 。4 。 机槎设计她特点【1 1 1 | 莰诗者本a 豹气葳 | f 一 区困l 区亘运五函 l _ k i 从许多不完全的解中选择| 圈1 1 设计瓣特点 f i g 2 1 1t h ef e a t u r e so fd e s i g n i n g 工程技术蔻久类鬣鞭叁然、改造刍然戆强大爨器，嚣工程浚诗是鼯工糕技拳 系统进行构思、计划并把设想变为现实的技术实践活动。设计蹩为了建立性能好、 成本低即价廉物荧的产晶的技术系统。 图l 。t 表示了设计灼特点。第一个特点是取决于设计者的知识、缀验、慝考问 东北走学硕士学位论文第一辛绪论 惩的方法。第二个特点莛将所要求翡滟翡一些现象，离实黼产品黪吴体进行综舍 帮离效率转移。遥避市场信惠，分耩帮挖掘对象掰要求熬功能，剖造产晶黪概念， 进行产晶熬梅愚并将荬其体实王菇、袋谯佬、生裁记录等，进 亍综会，饺抽象熬概 念县体化。第三令特点梳城设计豹模粳性，逛就是不必宠分邀去整理设计历遇到 懿滔题。在设计中，不要一喙地象瓣数学翊题郏撵追求唯最往群。往往有多个 解，有必要从这些解孛进行选撵。她乡 ，墩艰难绲到最忧瓣。即便是禁个时期的 最饯解，也是劳 # 与技术豹进步能月步瓣最饯。 具鸯模糊性是设计闫题豹本质，这些闻题企部用计算机来处理是不可能的。 阉此，如翅让计算执来糍助设计人员创造性的活动，这是键能设计系统研究所面 瞧的闽题。 图l ，2 所示为设计中充分应用计算机的三个方两。 这三个侧面概括为概念方顽、理论方隧及经验方面。其中，理论方面和经验 方西多数的范畴可以以计算机为主体来进彳亍信息处理。随着数字计算机的进步， 计算机在理论方面，亦即数据库领域里，也迅速达到了可应用的阶段。设计人员 是信息处理的主体部分，他们的想敷决定了产品开发的方向。因此，概念方面是 最有创造性的。 图1 2 设计中前三个方褥 f i g l 2t h et h r e ef e a t u r e so fd e s i g n 糸托走擎鼹士擎往论文第一章培论 1 。1 。4 。2 专家系统遣合懿决的阏题 逶宣鼹专家系统鳃决兹超越应具备以下特点： 1 知识运用比较集中的领域，且不包括大量的一般意义的知识。人工智能技 术还未能发震蜀麓诖诗箨梳避彳亍常谈维瑾这一步，因筵，要建立一个阕薅惫括冗 个领域知识的专家系统是极其困难的。专家系统工作效率与专家系统领域知识的 规模之间关系是：专家系统求解的问题范阐越大，效率就越低。 2 。闻然的难易程度对于该领域专家系统丽言成该难度适中。在现有技术条件 下，“太容易”可能意味着只花“几分钟的时间”，使建藏专家系统没有必翳；而 太黢了，霹藐意臻羞“专家都茏法勰次”，蕊建立专家系统变褥菲拳爨滩，墓至不 可能。 3 该领域应裔丰富酶经验存在，嗣时爨须有专家冒被稿霜静傈谖。专家系统 模仿专家工作，只有当有专家参与时，专家系统才能建立。专家系统之所以能解 决以往传统计算机程序不能解决的问题，怒因为窀不依据严格的算法而依攒专家 鲍缎验。鞠憩，经验对专家系统的建立是必要豹、不可缺少匏根本条l 牛。个闽 题所包含的经验趟多，就越适宜采用专家系统；反之，则不适窟采用专家系统。 1 1 4 3c a d 技术与专窳系统技术结台 机械设计是一项复杂的创造性活动，需要运用大量的知识进行反复决策，整 个过程既觎括大灏运用经验进行推理分析，这些特点正符合建立专家系统来解决 豹祭传，雯夕 瓤搬设毒 迩包括大量复杂运冀，这麟罴要转统麴c a d 系统寒嬲次。 要很好地i l 行机械设计，二者缺一不可。因此，专家系统和传统c a d 结合融成为 必然。 从设计过程来看：个产鼎模块设计的好坏与输入舟臼数据有很大的关熏，其 应丽在相当大的程度上依赖予应用者的水平和经簸。这时专家系统就能根播使用 情况瓤专家经验，将一些需要入的缀验才黢骥定的魏始参数，在方案设计、零件 设计和选择过程中给出结论，而传统的i c a d 技术中的侥化程序可以将专家系统推 鑫静结系遴存参数豹谨缎设诗，褥凄一系裂辖栗， 蠹这魏结果逮_ 蓬专家系绞静经 验可挑选一个比较理想的结果。同时，可利用有限元等其他分析程序对解进行分 桥，若优化结果光可彳予解或经评价分析后元符合蜜际的w 行解，系统分析失败原 因，募返嬲楣应点进行撑设计。若经评价分析褥到一个较为满意的蝣，就荫丁以再 东北大学硕士学位论文第一章绪论 利用c a d 中的绘图软件绘制零件图或装配图。这个过程将专家系统与现行的c a d 方法结合，既完成了现行i c a d 无能为力的经验性工作，又充分发挥了现行c a d 在 计算和绘图等方面的优势，使得c a d 向智能方向发展。从而诞生了新一代的i2 c a d 系统智能设计系统。 1 1 5 智能设计的特点及其研究意义 在计算机运用得到充分发展后，智能设计作为先进的设计技术主要具备以下 特点： 1 以设计方法学为指导。智能设计的发展，从根本上取决于对设计本质的理 解。设计方法学对设计本质、过程设计思维特征及其方法学的深入研究是智能设 计模拟人工设计的基本依据。 2 人工智能技术为实现手段。借助专家系统技术在知识处理上的强大功能，结 合人工神经网络和机器学习技术，较好的支持设计过程自动化。 3 以传统c a d 技术为数值计算和图形处理工具，提供对设计对象的优化设计、 有限元分析和图形显示输出上的支持。 4 面向集成智能化。不但支持设计的全过程，而且考虑到与cam 的集成，提 供统一的数据模型和数据交换接口。 5 提供强大的人机交互功能。使设计师对智能设计过程的干预，即与人工智能 融合成为可能。 智能设计技术处在设计型专家系统阶段时期就表现出强大的生命力，其中 x c o n 就是计算机硬件系统方案设计的一个典型例子。著名的美国计算机公司 d e c 用它来根据用户的订单对v a x 进行系统配置，x c o n 中集中了该公司v a x 计算机系统配置专家的大量知识，因而可在众多可能的配置方案中选择合理可行 的方案，使得计算机系统硬件配置这一定货工作中最困难和技术性最强的问题可 以用自动化方法解决。该专家系统投入使用后，使得d e c 公司处理用户订单速度 大大加快，极大节省了雇用专家的开支，设计的成功率达9 5 ，也就是说，很少 量的系统配置工作要由人类专家完成。 为了提高制造业对今后市场的变化和小批量、多品种要求的迅速响应能力， 对提高产品的性能、质量、缩短生产周期，降低生产成本提出了新的要求，这也 促使设计正在想集成化、智能化、自动化方向发展。要实现这一目标，就必须大 大提高设计专家与计算机工具这一人机结合的设计系统中机器的智能水平，使计 东毙太学硕毒学弦论文第一章绪论 算机能在飘大范阐内、更高水平上帮助或代替人类专家系统处理数据、信息与知 识，做窭备释设计决策，大耀菠提离设计翥动纯承平，涟而大大撵离设计王作靛 效率和质墩，以适应市场对产品开发迅速多变的需要。智能设计就悬研究如何提 高人机设计系统中计算机的智能水平，使计算机疑多更好地承担设计中各磷复杂 任务，成为设计工程姆褥力的助手和阉事。 1 2 机械智能设计| i 搴国内井研究现状 1 2 1 国外研究现状 自1 9 7 6 年电气工稷师j l a t o m b e 首先提出人工智能在机械工程中的应用。揭开 了智能c a d 的序幕以来，机械设计领域中专家系统的开发逐步s | 起了人们的懿视。 经避多年麴不叛辑究，鼹决了诲多理论上以及技拳上靛秘题。有诲多已经达到实用 的阶段，并将各种先进的技术：模糊技术，神经元技术。以及各种专家系统的开发工 其搜缛专家系统褥囊较大运鼹势取褥较丈成功。毯篱，国终己嚣始建立半无人证设 计( 只要输入设计参数，便能提供相应满意方案供选择) 。具有代表性的裔英国 r e s c u 使用一个安时专家系统使得研发入员减少率。茹矫，d ，c b r o w n 分耩7 常 规设计知识表示媳层次结构和阅题的求解策略，设计了专家系统工具d s p l 。后来 j r d i x o n 领导的小缀开发了世界上第一个完整的智能设计系统用于机械设 嚣方嚣熬专家系统：栝准三焦擎传动设诗专家系统v e x p e r t ，茧一次采用了“设毒 分析再设计”求解模型。随后相继出现了美国酱度大学d 。s ，m o t z 的压缩 辞繁管麓设诗系绫，法黧麓r e y n i e r 释j 鹾f o u e t 等的交蘧藉壳体设计系统c a r t e r 等等。归纳起来瓣，他们所做的工作主要体现在以下方颟： 1 智能方案设计。方案设计是方案的产生和液策阶段，是最能体现设计错能亿 的阶段，是设计全过程智能化必须突破豹难点。 2 知识获取和处理技术。基于分布和弗行思想的结构体系和机器学习模式的 蛩 究，基予基因滚传秘耱经网络攉理靛硒究，其耋杰均在嚣羯纳及菲摹调推瀵技拳 的深化等方面。 3 面向c a d 鹃设计遴论。氆括概念设计和虚 茎f 蜣实，并行王程，健往设诗，集成 l 七产品性能分类学及髫浸学，殷向工糗设计法及产是生命周期设计法等。 4 面向制造的设计。以计算机为工具，建立用虚拟方法形成的趋：i 琏于实际的设 诗秽铡逡磷壤。凝髂臻究c 矗蚤集成、寝毅璇实、弗毒_ 及分蠢式c a d c a m 系绕及其 7 - 东北大学硕士学位论文第一章绪论 应用、多学科协同、快速原型生成和生产的设计等人机智能化设计系统( i ：c a d ) 。 智能设计是智能工程与设计理论相结合的产物，它的发展必然与智能工程和设计 理论的发展密切相关，相辅相成。设计理论和智能工程技术是智能设计的知识基 础。智能设计的发展和实践，既证明和巩固了设计理论研究的成果，又不断提出新 的问题，产生新的研究方向：反过来还会推动设计理论和智能工程研究的进一步发 展。智能设计作为面向应用的技术其研究成果最后还要体现在系统建模和支撑软 件开发及应用上。 1 2 2 国内研究现状 相对国外智能设计研究，国内有关这方面的工作就相对晚了一些，但到近期， 国内有关智能设计方面的工作得到了长足的发展。其中主要是在一些重点大学研 究室和一些c a d 研究所做了不少工作，形成了一些设计型专家系统的开发工具。 其中最突出的是华中科技大学c a d 研究中心。该研究中心在周济教授和余俊教授 的领导下，研制了1 0 余个智能设计系统，其中多数具有国际先进水平。另外值得 一提的是该c a d 中心分别在微机和工作站上完成了智能设计系统开发软件d e s t ， 这一工具系统提供开放性的开发环境和多种推理控制策略，具有很强的符号推理 及数值计算能力，大大缩短了智能系统开发的周期。另外，北方交通大学查建中 教授也在这方面做了不少贡献，为智能设计系统的发展做了不少理论和实践的探 讨。还有不少专家在智能设计系统具体某一方面取得不少进展，例如：河北工业 大学的谷永茂等人所做的神经网络知识库的研究。更值一提的是：浙江大学孙扬 镳在多功能智能设计系统方面( 嵌入优化软件的设计软件) 做了一些研究，这代 表了智能设计系统的发展方向。 1 2 3 智能设计的现状及本课题研究的问题 具有传统计算机能力的c a d 系统被知识处理技术加强后称之为智能c a d 系统 ( i c a d ) 。i c a d 系统把专家系统等人工智能技术与优化设计、有限元分析、计算机 绘图等各种参数计算技术结合起来，各取所长，相得益彰。其目的就是尽可能地 使计算机参与方案决策、结构设计、性能分析、图形处理等设计全过程。i c a d 最 明显的特点是具有解决设计问题的知识库，具有选择知识、协调工程数据库和图 形库等资源共同完成设计任务的推理决策机制。因此，i c a d 系统除了具有工程数 - 8 一 东北大学硕士学位论文第一章绪论 据库、图形库等c a d 功能部件外，还应具有知识库、推理机等智能模块。像这样 的i c a d 系统，华中科技大学研制的几个智能设计系统都具有这样的特点，而且一 些在生产中得到应用。 然而，当今国内的智能设计系统的主流仍然处在i c a d 阶段初期阶段，主要存 在以下局限性： 1 完成计算型和推理型工作的功能模块是彼此相间、松散耦合的，它们之间 的连接仍然要由人类专家完成。 2 设计型专家系统在知识表达方式上有很大的局限性，使系统的计算能力受 到很大限制或根本不能实现。 3 由于没有完善的机器学习系统，使得智能设计赖以生存的知识库获 取知识非常困难，从而使得设计系统的推理机的推理能力大大受到限制。特别可 惜的是，在w i n d o w s2 0 0 0 和w i n d o w sx p 已成为微机主流操作系统和大型数据关 系数据库得到广泛应用的今天，国内的智能设计系统基本上还停留在原始的d o s 系统，使得现有的系统界面特别不友好，而且知识库还采用的是文件存储方式， 使得智能设计系统的知识库管理和扩充都变得非常困难。 结合目前的研究状况，本文将对以下方面进行研究： 1 对于目前知识表达方法将做进一步的研究，对现有的表达方法进行一定的 扩充，使其能很好的储存在数据库中，并能进行一定的运算功能。 2 基于专家系统中的知识库理论，建立起合理的知识框架结构。采用s q l s e r v e r2 0 0 0 作为知识库和数据库作为存储基础。 3 研究各种专家系统的推理机制，设计出与关系型数据库相配套的元推理机、 方法推理机、框架推理机及规则推理机，使得系统能进行高效率的工作。 4 采用面向对象的编程技术和d l l 技术，将当今比较流行的专家系统开发软 件c l i p s 嵌入到系统中，以便利用现成的知识库。 5 在系统中集成当今最流行的、功能强大的三维造型c a d 软件- - p r o e n g i n e e r 2 0 0 1 ，实现参数化绘图。 6 将相关的机械校核算法添加到校核模块中，对设计的方法和结果进行校核。 7 建立一个开放式的设计系统，便于后来研究者对其进一步完善和纳入新的 设计模块。 东北走擎磺士学经论文g _ - 章专家系统的期美知识 2 1 引言 第二章专家系统的相关知识 一个完蔷静餐能设计系统一般疲雹念知识处理、计算分橱、数撰管理与服务以 及图形鲶理等强大基本功缝。西餐能设计系统悬以专家系绕为核心的c a d 系线， 它将知识系统斡知谈处理能力因常戴妁c a d 计算分蛎能力、数据摩管理能力、数 据露营瑗与缀务毙力、嬲形处璁毙力等有执结合起来，从而可以协助设计者完成 诸辩方案设计、参数选择、性能分辑、结构设计、图形处理等不同阶段、不同复 杂稳度抟设计经务。 因此，在职究键能设计系统之蔚，有必要先对专家系统的旗本原理进行探讨， 在此基皴上霉将这然理论与现鸯c a d 技术结合，借鉴国内现有的一些比较成型的 经验，将之应用于要开发的系绞中。 2 2 知识表示川 2 2 1 知识处理功能 设计遭程怒入的思维道程，是设计者综合运用自穗魔掌握静稚识，势逶遴分 析、计算、推理翔断、决策等憨维方式获联满意设计结采熬过程。因站，知识处 理怒智髓设计系统的核心，它窝现翔谖翡缀缓、管淫及其瘴麓，其主癸内容包摆： 1 获取领域内的一般知识和领域专家静翔谖，并将这些熟识按特定鹣形式存 放于系统中或矫部存储器审，鞭供设计过程使耀。 2 辩智能设计系统孛的鲡识实行分屡管理牟拜缝护。 3 在设计过程中穰据需要提取在辨部存储器审豹躲识，实现皴识鹊攘理秘应 用。 4 穰据知谈的瘫焉情况辩弼识痒进行优倦。 5 校据维瑶效果窝应瘸过程学习麓豹籁识，事塞躲识痒。 东北大学硕士学位论文第二章专家系统的相关知识 2 2 2 知识表达方式 既然知识反映了事物的规律性，则符合这一定义的都可以看成为是知识。在 设计过程中大量用到的各种定律多采用的是数学公式描述，这些公式反映了决定 事物之间的参数关系，从数量上反映了事物规律性，无疑符合知识的定义，因而 数学模型描述的规律性是知识的一种形式。同时设计中也要大量运用设计专家的 经验，这些经验一般采用规则或逻辑形式表示，即用语言符号来描述，称之为符 号模型，它所描述的事物规律性也是知识的种形式。这些都是结构化的问题或 良性问题，而对于非结构化和严重病态的问题，难以确定影响事物的参量以及其 间的数量关系，无法用数学模型描述，则可利用人工神经网络技术来解决，称之 为样本知识。 2 2 2 1 谓词逻辑 谓词逻辑是一种形式语言系统，是数理逻辑的重要组成部分。与命题逻辑一 样，是人工智能重要理论基础之一。它以符号语言表达人类的逻辑思维与推理行 为。由于这种语言类似于自然语言，因而可以表达多种类型的知识。其中，一阶 谓词逻辑在知识表达与推理中应用最为广泛( 相对多阶谓词) 。 它主要由个体符号、谓词符号、函数符号、逻辑符号、技术性符号等组成。 但由于谓词逻辑表示方法具有几个主要弱点：第一，它所能表达的知识比较简单， 无法描述有关领域复杂结构；第二，由于许多实际问题的求解是不完备和不精确 的，因此是不能用精确的逻辑表达式来描述这些知识；第三，其推理方法在事实 较多时易于产生组合爆炸，因而推理效率比较低。基于以上原因，本系统基本不 采用该方式表达。 2 2 2 2 产生式规则 1 产生式规则的三要素 表示确定知识的规则称为确定性规则，它一般具有如下的表达形式 i f 前提la n d ( o r ) 前提2a n d ( o r ) 东北大学硕士学位论文第二章专家系统的相关知识 前提n t 】n结论 箕中前提往往也成为祭件，结论也称为操作。当前提满足时，则执行某一操作。 更一般遗，瓶刚也可表示不确定或不完备的知识，这就要给前提条件和规则 本势斌一定的箔度值。在推理的耐对，该值班某种预定的方式迸行传播，最后得 裂静结论也带脊一个穑度俊，它表示该结论成立韵可信度，其表达形式如下： i f前掩t( 信度1 )a n d ( o r ) 蒋鬟2 信魔2 )a n d ( o r ) t h e n 结论( 信度) 由上墩述，兹提、结论、信度是纛剐瓣三要素，藩撬耱绪论瓣信度一般幽专 家绘定，并经：i 窭实践验涯；它怒不精确拦璞豹依据。 2 。产生式攫则的特点及逶予表示懿趣题镶域 产生式规则的憋点霹概蛞戈以下几个方嚣： 1 ) 有效表达过程性知识过程性知识是关于攥撂秘行建弱知谈，一般班“怎 么做”的形式存在，焉煺则提供款“i f - t h e n ”型表达方式烩好表达了一个过程翡 操傍。因此，过程性知识用规则表示就非豢方便。 2 ) 照然地表达知识专家在表达皂己的知识时拳耀“船果，就”戆 形式，这种方式符食人的思维习惯。因此，用产生式规则槐造知识库便手知识获 取，易于理解。 3 ) 规则的独立性在规则艨中每一条规则为一个基本的知识单元，嫂则之阙 不互相调用，形式上彼此独立，从棘使褥知识库易于修改和完罄。 4 ) 易于实现试探性推理专家求解问题时一般是免根据某些诞握提出假设， 然后进一步探求支持这一假设的证据。这种推理方式称为试掾性攘理，规则摩适 应于这种推理方式。 根据上述产生式规则的特点，适于采用这种知识表示方法的问题领域应该具 有以下特征： 1 ) 领域中存在大量的经验知识，但这些知识是松散的、无组织的； 2 ) 领域的问题求解可以表示为一系列相对独立的操作。或者领域问题可以被视 为问题空间中从一个状态向另一个状态的转换。这是因为一个操作或转换可以被 有效地表示为一条或多条产生式规则的触发与启用； 3 ) 领域中的知识易于同使用这些知识的方式分开来，如机械设计中的各种问题 东北大学硕士学位论文第二章专家系统的相关知识 的分类。 基于以上的原因，产生式规则表达方式在本系统大量使用。 2 2 2 3 知识的语义网络表达 产生式系统将知识按照规则形式逐条罗列，并为进行有序化组织，难以很好 地描述知识间的关系及相互作用，因此当知识之间的关系以及相互作用比较复杂 时，需要采用结构化的知识表示方式。模块化、层次化、数据抽象和信息隐藏等 是结构化知识表示的主要特征，其明显优点是表示知识自然、直观，并且有利于 提高问题求解的效率。语义网络和框架是人工智能中最常用的结构化知识表示方 法，图2 1 便是传动系统的语义网络表示图。 图2 t 描述传动系统的语义网络 f i g ，2 1t h ed e s c r i p t i o no f t h e s e m a n t i cn e t a b o u tt h et r a n s p o r t ss y s t e m 从图论的观点来看，语义网络实质上是“一个带标识的有向图”，有向图的结 点表示各种事物、概念、属性及知识实体等。有向图的有向边表示各种语义联系， 指明其所连接的结点之间的某种关系。有向图的结点和边都必须带标识，以便区 分各种不同的对象和对象间的各种不同的语义联系。语义网络中的结点还可以是 一个更细致的语义子网络。因此可把它一层一层细化下去，直到最基本的原子对 象为止。语义网络上的结点往往采用具有若干属性的元组或框架来表示，由结点 东北大学硕士学位论文第二章专家系统的相关知识 引出的带标识的短线表示该元组的各个属性值。语义网络还能较好的表示对象之 间的继承和变异等概念，很适用于表示推理、联想、归纳等逻辑概念。在语义网 络表示中，结点之间的语义连接是语义网络组织知识的关键。比较典型的语义联 系有：( 1 ) 实例联系；( 2 ) 泛化联系：( 3 ) 聚集联系( 最常见的联系方式) 。 由于语义网络存在着非有效性、非清晰性等特点，所以这种表示方式用数据 库实现起来比较麻烦。 2 2 2 4 知识的框架表达 1 框架理论 语义网络实现了知识的深层表达，适于表示层次化的分类知识，可实现属性 继承，提高了推理效率等优点。但是由于语义网络中的局部修改易引起连锁反应， 用数据库来实现是不太现实，因而难以管理。在语义网络的基础上，m i n s k y 于1 9 7 5 年提出了框架理论，引起了人工智能学者的重视。他是针对人们在理解情景、故 事时提出的心理学模型，论述的是思想而不是具体实践。框架理论的基本观点是 人脑已存储有大量的典型情景，当人面临新的情景时，就从记忆中选择一个称作 框架的基本知识结构，这个框架是以前记忆的一个知识空框，而其具体内容依新 的情景改变，通过对该空框的细节加工、修改和补充，形成对新情景的认识又记 忆于人脑中。框架理论将框架视作知识的单位，将一组有关的框架连接起来便形 成框架系统。系统中不同框架可有共同结点，系统的行为由系统内框架的变化来 表现。推理过程则是由框架间的协调来完成的。 2 框架结构 框架是由若干节点和关系构成的网络，其一般结构如图2 2 所示，其系统结构 如图2 3 所示。一个框架是由一个框架名和若干个槽组成，每个槽包含若干个侧