探索机械智能CAD 系统的可拓决策方法.pdf

1998年2月系统工程理论与实践第2期 探索机械智能CAD系统的可拓决策方法 王万良 赵燕伟 浙江工业大学 杭州310014 摘要 研究基于可拓知识模型和决策模型的机械智能CAD方法 它不仅能够表示和处理设计中 的信息转化关系 而且能够利用物元变换理论进行复杂的辩证和求异推理 转化约束问题中的矛盾 因素 从而为解决定量计算与辩证分析决策共存系统的优化设计 形成基于可拓决策的智能CAD 理论与方法 文中探索了可拓智能CAD系统的研究内容与方法 并给出机械产品方案设计中可拓 智能CAD系统的结构模式 关键词 可拓决策 智能CAD 方案设计 Research Extension Decision ofM echanical Intelligent CAD System W angW anliang Zhao Yanw ei Zhejiang U niversity of Technology Hangzhou 310014 Abstract In this paper the extension decision is applied to research the know ledge representation decision models and realization in the intelligent CAD ICAD It is applied to solve the problem s about deep know ledge representation and complex infer2 ence on themechanical scheme design The typical extension intelligent CAD system of mechanical scheme design is discussed The extension ICAD model on the mechanical scheme design is built Keywords extension decision intelligent CAD scheme design 1 引言 机械产品方案设计是一个复杂的决策过程 具有创造性 多解性 近似性 经验性和综合性 这些特性 在方案构思阶段尤为突出 对整个设计具有决定性作用 为了解决这个问题 模仿人类专家经验设计的智 能CAD成为当前CAD技术的前沿课题 智能CAD系统最明显的特征是拥有解决机械设计问题的知识库 具有选择知识 协调工程数据库 图形库资源共同完成设计任务的推理决策机制 因此 智能CAD系统除了具有图形库 工程数据库等 CAD功能部件外 还应具有工程专家系统中知识库 推理机等智能模块 知识获取 知识表达 知识推理是 智能CAD技术的关键 针对这些问题 国内外已进行了大量的研究 规则 框架 语义网 过程以及逻辑都 是目前被普遍采用的知识表达方式 它们都有各自的侧重点 优点和缺点 它们共同的缺点是仅能够研究 常规逻辑推理方法 难以描述促进矛盾转化从而解决问题的辨证思维逻辑关系 而辨证思维正是解决矛盾 问题重要的思维方式 本文于1997年10月27日收到 国家863 C I M S主题项目 浙江省自然科学基金资助项目 1995 2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co Ltd All rights reserved 本文针对智能CAD研究中的瓶颈问题 运用可拓学的理论与方法 研究机械智能CAD系统中的可 拓方法 从而探索智能CAD中的辨证思维关系 2 当前智能CAD研究的主要方法与存在问题 以经典人工智能方法为工具的现有智能CAD方法 有专家系统与CAD相结合的方法 黑板控制结 构设计法 基于事例 CA SE 推理以及约束满足的设计方法等 它们侧重于对设计问题整体描述以及知识 和经验的继承 因此难以表达产品方案设计中的深层知识和创造性思维规律 80年代后出版了一些智能CAD研究新方法 面向对象的设计方法试图模仿人们建立现实世界模型 的方式来描述问题 利用了人们对事物分类的抽象的自然倾向 引进了对象 类 消息和继承等几个基本概 念 描述问题的各个方面及其相互联系 但因难以表达启发的知识等原因 使其应用范围受到一定的限制 人工神经网络技术打破了长期以来认为人的思维本质是符号操作的传统思想 使不少问题的处理过 程更接近于人的思维 与传统智能方法相比 一方面是它们对消息的处理机制不同 另一方面是前者强调 程序的处理 系统的功能取决于程序设计者的能力 而后者则强调系统的学习和训练 人工神经网络技术 虽然为许多问题的研究开辟了一条新途径 但由于缺乏智能计算机硬件的支持 所以能解决的问题还是很 有限的 从应用角度考虑 无论神经网络技术本身还是解决问题的方式等 都需要作进一步深入的工作 才 能不断满足人们在解决各种复杂问题中对它的要求 近年来 模糊技术在CAD领域的应用 主要是在模糊模式识别与模糊聚类 模糊可靠性分析与优化 设计 模糊综合评判与决策等方面 在模糊综合评判与决策方面 产品质量评定 加工工艺优选和设计中的 参数及类型的选择等 都具有独到的优点 然而 模糊技术用 0 1 中的数描述事物 是 与 非 的隶属度 但是它不能描述 是 与 非 的可变性 从而也不能用辨证和求异思维解决不相容的矛盾问题 可拓学是系统科学 思维科学和数学交叉的边缘学科 可拓决策则是通过物元模型的评价而产生最佳 策略的一种决策技术 目前可拓决策的研究领域主要是经济系统和军事决策等 可拓专家系统的提出对促 进可拓智能CAD系统的形成和发展有很大的推动作用 然而 将可拓决策应用于智能CAD系统至今未 曾见到报道 本文研究基于可拓知识模型和决策模型的智能CAD方法 不仅能够表示和处理设计中的信息转化 关系 关键在于运用物元变换理论进行复杂的辩证和求异推理 转化约束问题中的矛盾因素 从而解决定 量计算与辩证分析决策共存系统的优化设计 形成基于可拓决策的智能CAD理论与方法 3 可拓智能CAD系统的结构模式 可拓智能CAD方法是以可拓集合和物元变换理论为基础的 可拓集合不仅象模糊集合表示了经典 集合中的元素属于该集合的程度 而且表示了经典集合外的元素转化到该集合中的可能程度 用关联度定 量表征 而且在不同的限制条件下 对应一组可转化元素集 可拓域 这样 可拓集合将元素与集合的关 系更清楚明确地表示出来 从转化的角度刻划了事物发展的全过程 从而刻划了 是 与 非 的可变性 所 以 就知识表达的深度和广度而言 它比基于经典集合和模糊集合的知识表达方法更好 针对机械产品方案设计的创造性 复杂性 多目标 多约束以及设计推理的不确定性等特征 采用可拓 方法这一人工智能最新工具 研究基于可拓集合的知识表达 评价和决策模型 把机械产品总体设计中的 决策问题用物元模型描述出来 根据物元的可拓性 利用物元变换使目的和条件朝着相互统一的方向转 化 从而生成各种策略集 并运用可拓数学方法进行定量计算 通过评价 产生最佳策略 下图是机械产品 方案设计可拓智能CAD系统的结构模式 4 机械智能CAD系统的可拓决策方法 可拓智能CAD系统的核心技术是运用可拓方法进行知识表达 推理与决策 建立物元模型 进行物 元变换 可拓决策与评价 从而解决产品方案设计中的关键问题 511第2期探索机械智能CAD系统的可拓决策方法 1995 2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co Ltd All rights reserved 411 命题归纳 以数控机床 加工中心等典型机械产品方案设计为背景 分析 归纳方案设计过程中的深层次知识及 其辨证思维过程 提出机械产品智能CAD的可拓决策的命题 图1 可拓智能CAD系统的结构模式 412 建立决策问题的物元模型 用 可拓学 的观点分析 归纳机械产品方案设计过程中的深层次知识 用物元的可拓性表达知识的相 关性 灵活性 建立决策问题的物元模型 1 确定决策的目的物元系统 检查设计目标是否明确与合理 是否恰当反映了现有状态与期望状 态的偏差 然后建立目的系统 恰当选择系统的特征 界定期望状态和量值域 确定设计目标数量 达到的 功能 布局等参数 并利用物元变换转化对立目的为相容目的 2 确定主客观条件物元系统 根据设计问题的实际背景建立相关的主观和客观条件物元模型 并 对其进行可拓性分析 包括发散性 共轭性 可扩性 相关性 蕴含性 这是利用物元变换解决不相容问题 的基础性工作 也是可拓决策方法的突出特色之一 可拓性分析是否周密 深刻 直接关系到所生成的策略 是否有效 及策略集是否包含了全部预选方案 3 确定限制物元系统 明确限制物元的特征 限域上 下限的量值及各限制间的关系 并分析限制 的可拓性 限制是影响设计系统中目的和条件之间不相容的关键性因素 如果能准确地把握限制系统 就 可以对症下药 有的放矢地通过变换化解限制 或最大限度地使系统满足限制的要求 从而解决不相容问 题 4 确定对象物元系统 列出目的系统涉及的事物和实现目的的限制特征 构造对象物元 并分析对 象物元之间的关系 建立对象物元系统 使对象系统物元的相容度K大于等于0 是化解矛盾的核心内容 5 建立物元模型 以目的物元 条件物元 限制物元和对象物元表达方案设计问题中的目的 条件 约束和对象 分析目的物元中起关键作用的主物元 并列出它与其它物元的关系 建立决策过程的物元模 型 从而把人解决问题的过程定量化 为计算机处理矛盾问题创造条件 413 可拓决策方法 机械产品方案设计智能CAD中的可拓决策主要有以下三种方法 1 相容度分析 利用经典的决策技术或经验方法确定问题的初始解 列出系统物元 相容度三角形 表 然后根据初始解计算各子系统之间 主系统之间 限制与对象之间的可拓关系的关联函数值 即相容 611 系统工程理论与实践1998年2月 1995 2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co Ltd All rights reserved 度 2 物元变换 对于不相容问题 着重研究用物元变换连接不相容的物元 通过不相容反馈调整主指 标值以及物元变换改变相容度的方法 使不相容问题转化为相容问题 对立的目标转化为共存目标 从而 实现复杂推理与决策 表达创造性思维规律 提高机械CAD的智能水平 3 方案评价方法研究 经过物元变换以后 对得到的决策方案进行灵敏度分析 并作出技术 经济 社会评价 如果合理就作为决策方案 否则通过信息反馈调整主指标 直到得出满意的决策方案 评价的方 法可参考产品质量评价的物元模型 5 应用研究展望 在理论分析的基础上 研究机械产品方案设计的可拓决策算法和可拓数据库 知识库的结构及其软件 实现 建立机械产品方案设计可拓评价与决策策略 并进一步用于方案的再设计 将主要理论研究成果应 用于本课题组研制的 加工中心总体方案智能CAD系统 形成基于可拓决策的加工中心总体方案智能 CAD系统 并进一步推广到其它典型机械产品方案设计的智能CAD系统中 验证基于可拓决策的智能 CAD的有效性 参 考 文 献 1 潘云鹤 1 智能CAD方法与模型 1 北京 科学出版社 1997 2 殷国富 1 机械智能CAD的结构模型和发展趋势 1 计算机科学 1994 3 53 56 3 庄越挺 潘云鹤 1 智能CAD方法评述 1 计算机研究与发展1994 4 1 7 4 路全胜 郭东明 冯辛安 1 智能CAD技术研究方法新进展 1 中国机械工程 1996 7 4 56 58 5 黄洪钟 1 模糊分析方法学的现状和发展对策 1 中国机械工程 1993 3 2 35 38 6 张立明 1 人工神经网络的模型及其应用 1 上海 复旦大学出版社 1992 7 张良杰 李衍达 1 模糊神经网络技术的新近发展 1 信息与控制 1995 1 39 45 8 陈巨龙 1 可拓决策 1 见 蔡文主编 从物元分析到可拓学 北京 科学技术文献出版社 1995 217 224 9 蔡文 1 物元模型及其应用 1 北京 科学技术文献出版社 1994 10 蔡文主编 1 从物元分析到可拓学 1 北京 科学技术文献出版社 1995 11 杨国为 1 从物元动态系统分析 思维 决策 设计的形式化 1 青岛 青岛出版社 1996 12 李健 王行愚 1 一种新型专家系统 可拓专家系统 1 华东化工学院学报 1993 19 4 13 A kman V et al A fundamental and theoretical framework for an intelligent CAD system Computer A ided Design 1990 22 6 352 267 14 John S Gero A rtifical intelligence in computer2aided design progress and prognosis ComputerA id2 ed Design 1996 28 3 153 154 15 Chandrasekaran B Design problem solving a task analysis A I MA G 1990 11 4 59 71 16 Takeda H V eerkamp P Tom iyama T and Yoslikawa H M odelling design processes A I MA G 1990 11 4 37 48 17 M aherM L Processmodels for