产品设计KBE概述

.,产品设计2,主讲人：曾富洪,攀枝花学院,.,2,第十一章基于知识的工程（KBE）技术,11.1KBE概述,KBE基于知识的工程，就是将经过长期工程考验的产品设计经验、数据、方法、配方及技术诀窍等进行归纳整理和提炼，使之成为指导产品设计、制造行之有效的规范化设计知识，并与企业选用的CAD系统结合，通过CAD系统的二次开发而形成的专业化设计工具和企业的知识财富。,.,3,11.1KBE概述,1）KBE技术的定义和内涵,(1)英国考文垂大学认为，KBE是一种存储并处理与产品模型有关的知识、并基于产品模型的计算机系统；是目前促进工程化、实用化产品开发的最值得注意的软件方法。(2)英国Cranfield大学的HuihuaLl博士认为，KBE是一种特殊类型的基于知识的系统，它专注于工程设计以及后续的制造、销售等活动。,(3)美国华盛顿大学机械工程系认为，“KBE是一种种设计方法学，将与下一代CAD技术紧密结合。它将启发式的设计规则，用于覆盖构件、装配和系统的开发。KBE系统存储的产品模型，包含了几何和非几何信息，以及描述产品如何设计、分析和制造的工程准则。”,.,4,11.1KBE概述,1）KBE技术的定义和内涵,(4)美国福特汽车公司认为，“KBE运用知识完成工程任务，这些知识是特意积累和存储的，并以计算机作为中介。KBE通常指一些计算机使用系统，如专家系统、基于网络的知识库等。“(5)世界著名系统集成公司美国EDS公司认为，KBE是获取智能对象或人造物(如零件)的生命周期内实质的方法学，包括操作性、功能性和性能的要求，以及获取它的进一步变化。(6)上海交通大学模具CAD国家工程研究中心提出：KBE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。,.,5,11.1KBE概述,2）KBE技术应用现状,近年来，美国、日本和欧洲各国政府在KBE技术的开发与应用方面给予了有力的支持，并将其列为国家未来发展战略的重要核心技术。我国政府也对KBE技术的研究给予了很大的重视，并将KBE技术列为机械工程“十五”重点学科之一。,福特在英国的子公司美洲虎（Jaguar）汽车公司采用KBE技术设计某车型发动机盖，设计时间缩短20倍,英国空中客车公司（Bae）在设计A340600飞机机翼的筋板时，由于每一个翼筋尺寸有所不同，如用常规CAD软件和分析软件设计一个翼筋至少需要2天，仅对所有翼筋设计一次需要1个人年，而采用KBE技术后，10个小时即可完成机翼筋板的设计。,.,6,11.1KBE概述,3）KBE系统的类型,(1)选择式KBE系统它是利用领域知识辅助设计要求用户从一些相似的选项中选择性输入信息。,(2)产生式KBE系统它可以通过用户输入、规则、详细说明、预先定义好的几何约束,生成详细的几何CAD模型。,(3)顾问式KBE系统它是通过设计人员在设计时利用设计知识和制造知识对设计方案进行评估。,(4)创新式KBE系统它是通过早先定义好的原则和基于模型的推理方式，去探讨一个更大的设计空间和可行性设计。,.,7,11.2KBE系统的体系框架,.,8,11.3KBE中的基本概念,1)数据知识总是和数据、信息联系在一起的。数据是反映事物运动状态的一种非物质材料，它包括四种基本形式:数字、词汇、声音和图像。“数据”不仅是通常意义下的“数”，而是其在概念上的拓广和延伸，它泛指客观事物的数量、属性、位置及其相互关系的抽象表示。,2)信息信息是已排列有意义的、形式化的数据。通过人的认知能力对数据进行系统组织、整理和分析，使其产生相关性。信息和数据是两个密切相关的概念。数据是信息的载体和表示，信息是数据在特定场合下的具体含义，或者说信息是数据的语义，只有把两者密切地结合起来，才能确切的描述现实世界中某一具体事物。数据和信息又是两个不同的概念，对同一个数据，它在某一场合下可能表示这种信息，在别场合下是却表示另一个信息。,.,9,11.3KBE中的基本概念,3)知识把关联在一起形成的信息结构称为知识，信息和关联是知识的两个基本要素。知识表示信息的应用，信息是知识的“子集或基石”。,Feigunbaun(费根鲍姆)指出:知识是经过消减、塑造、解释和转换的信息。Bernstein(伯恩斯坦)认为知识是对特定的领域的描述，是由关系和过程的组成的;Hayesroth(哈叶斯诺斯)把知识定位为事实、信念和启发式规则。,.,10,11.3KBE中的基本概念,事实：事物的分类、属性、事物间关系、科学事实、客观事实等。规则：事物的行动、动作和联系的关系。控制：有关问题的求解步骤、技巧性知识，包括有多个动作同时被激活时，选择哪一个动作来执行的知识。元知识：用来集成、协调、控制和使用领域知识的知识。,智能设计系统的知识要素:,.,11,11.3KBE中的基本概念,知识的特性相对正确性任何知识都是在一定条件及环境下产生的，因而也就只有在一定条件及环境下才是正确的、可信任的。离开一定的条件及环境，就可能变成不正确的、不可信任的,不确定性由于现实世界的复杂性，知识并不总是只有“真”和“假”两种状态，而是在“真”和“假”之间还存在许多中间状态，即存在“真”的程度的问题。知识的这一特性称为不确定性。,.,12,11.3KBE中的基本概念,知识的类型,描述性知识以描述的方式来表示的知识叫描述性知识，包括事实知识和判断知识。事实知识描述有关对象、事件，例如:“电话在桌子上”等。描述性知识可用数据结构来表示，使知识作为一种独立于程序的实体存在，把用于解决问题的知识与程序编制方面的知识有效地分开，描述性知识具有知识表示清晰明确、易于理解、可读性好等优点。,.,13,11.3KBE中的基本概念,知识的类型,过程性知识传统的数据处理将知识寓于程序中，即程序就代表着系统解决问题所使用的知识。这种知识表现类型称为过程性知识。过程性知识针对特定问题，根据具体的处理步骤用一系列过程来表达，执行效率非常高。但也有其缺点，一是不易表示大量的知识，且知识难于修改和理解。二是只适合表达完全正确的知识，稍有含糊的知识就难以用程序来描述。此外，它只适合处理完整、准确的数据。,.,14,11.3KBE中的基本概念,知识的类型,元知识所谓元知识就是关于知识的知识。具体说元知识可分为以下几类:第一类是有关怎样组织、管理知识的元知识，这些元知识阐明了知识的内容和结构的一般特征，以及分类、综合等有关特征。第二类是有关利用知识求解问题的元知识(如在问题求解中所用到的推理方法，为解决一个特殊任务而须完成的活动的计划、组织、选择等方面的知识等)，它对领域知识的运用起指导作用。例如:在解决一个问题的推理过程中往往同时出现两条可适用情况，究竟应采用哪一条规则，则需要使用一种理论性的标准，这是一种元知识。第三类是有关从知识源中获取知识的知识。,.,15,11.4KBE系统使能技术,11.4.1知识的获取,知识获取工具出现了屏幕编辑和交互式知识库编辑器两种形式。屏幕编辑器适合于在同一时间内输入大量知识，交互式知识库编辑器适合对知识库进行维护。,通过知识工程师与专业人员进行交流获取知识，这是一种常规的知识获取方法，但这种方法的缺点在于知识工程师必须领会专业知识。获取浅层的知识一般采用笔记本记录的方式和基于知识问答模块的方式;对深层的知识需要经过授权后，由专门的设计人员在设计产品过程或设计产品后做必要的总结并填入知识库,工具手段,获取方法,.,16,11.4KBE系统使能技术,11.4.2知识的表示,知识表示(KnowledgeRepresentation，KR)是概括行为的模型，是知识的符号化与形式化过程。来源于研究者对智能行为在微观与宏观不同科学层次的观察与分析而抽象出的模型,局部表示类：逻辑、产生式、语义网络、框架、脚本、过程等；分布表示类：基因、联接机制；直接表示类：各种图形、图像、声音及人造环境等。,.,17,11.4KBE系统使能技术,11.4.2知识的表示,.,18,11.4KBE系统使能技术,11.4.2知识的表示,.,19,11.4KBE系统使能技术,11.4.2知识的表示,一阶谓词逻辑,人人爱劳动,Step1:定义谓词：love(x,y)x爱yM(x)x是人,Step2:谓词表示：,.,20,11.4KBE系统使能技术,11.4.2知识的表示,产生式表示法,四元组(对象，属性，值，可行度量值)或(关系，对象1，对象2，可行度量值),例：老李年龄可能40岁表示为:(Li,Age,40,0.8),.,21,11.4KBE系统使能技术,11.4.2知识的表示,语义网络表示法,（1）类属关系ISA：具体抽象关系，IS：一个节点是另一个节点的属性，AKO:a-kind-of表示一个事物是另一个事物的一种类型，a-member-of:表示一个事物是另一个事物的成员。,基本关系,（2）包含关系Part-of：表示一个事物是另一个事物的部分。,（3）属性关系Have：表示一个节点具有另一个节点描述的属性。Can：表示一个节点能做另一个节点的事情,.,22,11.4KBE系统使能技术,11.4.2知识的表示,语义网络表示法,（4）时间关系关系Before：表示一个事件在另一个事件之前发生。After：表示一个事件在另一个事件之后发生,基本关系,（5）位置关系Location：表示一个节点位于是另一个节点处。,（6）事件和动作语义,施动者,Event,受动者,事件,Agent,Object,Is,.,23,11.4KBE系统使能技术,11.4.2知识的表示,语义网络表示法,例：JohnpunchTom：Jhon是雇员，Tom是老板,.,24,11.4KBE系统使能技术,11.4.2知识的表示,框架,框架名：类属：学历：(学士、硕士、博士)职称:(助教、讲师、副教授、教授)外语：(英、法、日、)性别：年龄：专业：,框架名：类属：学历：(硕士)职称:(副教授)外语：(英)性别：男年龄：40专业：工业设计,概念,具体的事物,.,25,11.4KBE系统使能技术,脚本表示法,（1）开场条件：给出在脚本中所描述事件的前提条件；（2)角色：一些用来表示在脚本所描述事件中可能出现的有关人物的槽（3）道具：一些用来表示在脚本所描述事件中可能出现的有关事物的槽（4）场景：用来描述事件发生的真实顺序（5）结局：用来描述事件发生的真实顺序,.,26,11.4KBE系统使能技术,脚本表示法,（1）开场条件：顾客饿了，需要进餐；顾客有足够的钱（2）角色：顾客、服务员、厨师、老板（3）道具：食品、桌子、菜单、钱（4）场景：进入点菜等待吃饭离开（5）结局：顾客吃了饭、不饿了；顾客花了钱；老板赚了钱；餐厅食品少了,.,27,11.4KBE系统使能技术,面向对象的知识表示方法,(1)结构：类或对象的属性；(2)方法：类对象的属性的操作、事实库的存储方法、规则的推理方法；(3)事实库：有关对象的事实；(4)规则库：有关对象的启发性知识；(5)关联：与其它对象的关系。,面向对象的知识表达方法允许将复杂对象进行分解，使之由简单对象组成。分解关系是一种层次结构，它将知识库按照对象的组织结构结合成为一个有机的整体。,基本思想,.,28,11.4KBE系统使能技术,面向对象的知识表示方法,形式化定义：一个对象就是独立的一组数据及定义在其上的方法集。存在共同的结构和行为的事物可以组成一个类(class)，一个类可以定义若干个对象，用对象的集合来表示知识。因此，知识可以形式化地用三元组来描述,C是类的集合，I是实例对象的集合，A是类及对象的属性集合。,.,29,11.4KBE系统使能技术,面向对象的知识表示方法,复杂对象由简单对象间的“组合运算”来构成。对象间的组合运算可以是预定义的，也可以是操作方法，设X1，X2，Xn分别为n个对象，它包括：(1)集合组合方式,用Set(X1，X2，Xn)表示一个新对象，它是由对象X1，X2，Xn组成的集合。(2)元组组合方式,用Tuple(X1，X2，Xn)表示一个新对象，对象X1，X2，Xn称为新对象的分量。在此方式下，对象X1，X2，Xn的顺序是重要的，次序变换以后将表示不同的新对象，这与现实中的问题领域相符合。(3)集合运算方式。把对象类看成一般的集合，可在其上按集合论的意义定义各种集合运算，以便描述