智能设计完整版本

智能设计

IntelligenceDesign本讲主要内容

一、智能设计的概述1.智能设计的概念2.智能设计的两个阶段3.智能设计与CAD技术

二、智能设计系统的关键技术三、总结

目录一、智能设计概述1.智能设计概念

智能工程是适于工业决策自动化的技术。而设计是复杂的分析、综合与决策活动。因此，可以认为智能设计是智能工程这一决策自动化技术在设计领域中应用的结果。人类在生产、工作和日常生活中有大量的决策活动。人们依据知识做决策。如果想用计算机辅助决策，就要设法用计算机来自动化地处理各种知识，进而实现决策自动化（或部分自动化）。这就是智能工程要研究的问题，即如何用复合的知识模拟代表人类社会各种决策活动，如何用计算机系统来自动化地处理这样复合知识模型，进而包括大量广泛的依据知识做决策的过程。

例如，根据一项产品的使用功能、性能指标、市场可接受价格和制造工艺条件水平的限制等因素确定产品的方案、参数直至零部件的具体结构和尺寸，显然这里包含着大量决策工作。如果我们把人类专家所依据的知识建成模型，并利用智能工程技术使得计算机系统可以自动化地处理这样的知识模型，就可以实现决策过程的自动化。利用计算机系统可实现的决策自动化，其程度要受两个因素的制约：

.我们能在何种水平上建立其代表决策过程的知识模型；

.计算机处理这种知识模型的能力。第二个因素暂且不论，第一个因素涉及领域知识的获取与组织。例如，对设计活动而言，建立决策过程的知识模型要包括有关设计规律性的知识，这些客观规律亦即知识有的已经被很好的认识，有的还未被认识。在已被很好认识的规律中，有的可以用适当的模型

如用数学模型或符号模型表达，有的还不能找到适当形式表达。当然有些还未被认识的规律就更谈不上建立知识模型了。这就说明在智能决策自动化系统里，一定要把人类专家包括进去。即使将来能完全认识到人类专家认知活动的规律性，计算机也不一定能具备专家特有的某种能力，例如创造性。但随着智能工程理论与技术的发展，随着人们对设计过程规律认识的深入和提高，我们建立知识模型和利用计算机系统来处理知识模型的能力将会越来越强，具体到设计领域，它标志着我们在智能设计方面的水平会越来越高。因此可以这么说，智能工程是智能设计的关键技术和基础，而智能设计则是智能工程的重要应用领域。2.智能设计的两个阶段

设计的本质是创造和革新，作为一种创造性活动，设计实际上是对知识的处理和操作。智能化是设计活动的显著特点，也是走向设计自动化的重要途径。智能设计的产生可以追溯到专家系统技术最初应用的时期，其初始形态都采用了单一知识领域的符号推理技术——设计型专家系统，这对于设计自动化技术从信息处理自动化走向知识处理自动化有着重要意义，但设计型专家系统仅仅是为解决设计中某些困难问题的局部需要而产生的，只是智能设计的初级阶段。近10年来，CIMS（计算机集成制造系统）的迅速发展向智能设计提出了新的挑战。在CIMS这样的环境下，产品设计作为企业生产的关键性环节，其重要性更加突出，为了从根本上强化企业对市场需求的快速反应能力和竞争能力，提高制造业对市场变化和小批量、多品种要求的迅速响应能力，人们对设计自动化提出了更高的要求，在计算机提供知识处理自动化(这可由设计型专家系统完成)的基础上，实现决策自动化，即帮助人类设计专家在设计活动中进行决策。需要指出的是，这里所说的决策自动化决不是排斥人类专家的自动化。恰恰相反，在大规模的集成环境下，人在系统中扮演的角色将更加重要。人类专家将永远是系统中最有创造性的知识源和关键性的决策者。

因此，CIMS这样的复杂巨系统必定是人机结合的集成化智能系统。与此相适应，面向CIMS的智能设计走向了智能设计的高级阶段——人机智能化设计系统。虽然它也需要采用专家系统技术，但只是将其作为自身的技术基础之一，与设计型专家系统之间存在着根本的区别。

设计型专家系统解决的核心问题是模式设计，方案设计可作为其典型代表。与设计型专家系统不同，人机智能化设计系统要解决的核心问题是创新设计，这是因为在CIMS这样的大规模知识集成环境中，设计活动涉及多领域和多学科的知识，其影响因素错综复杂。CIMS环境对设计活动的柔性提出了更高要求，很难抽象出有限的稳态模式。换言之，设计模式千变万化，几乎难以穷尽。这样的设计活动必定更多地带有创新色彩，因此创新设计是人机智能化设计系统的核心所在。3.智能设计与CAD技术

智能设计的发展与CAD的发展联系在一起，作为计算机化的设计智能，乃是CAD的一个重要组成部分，在CAD发展过程中有不同的表现形式。在CAD发展的不同阶段，设计活动中智能部分的承担者是不同的。传统CAD系统只能处理计算型工作，设计智能活动是由人类专家完成的。在ICAD阶段，智能活动由设计型专家系统完成，但由于采用单一领域符号推理技术的专家系统求解问题能力的局限，设计对象(产品)的规模和复杂性都受到限制，这样ICAD系统完成的产品设计主要还是常规设计，不过借助于计算机支持，设计的效率大大提高。

而在面向CIMS的ICAD，即I2CAD阶段，由于集成化和开放性的要求，智能活动由人机共同承担，这就是人机智能化设计系统，它不仅可以胜任常规设计，而且还可支持创新设计。因此，人机智能化设计系统是针对大规模复杂产品设计的软件系统，它是面向集成的决策自动化，是高级的设计自动化。设计技术代表形式智能部分的承担着说明传统设计技术人工设计/传统CAD人类专家智能设计的初级阶段现代设计技术ICAD设计性专家系统智能设计的初级阶段先进设计技术I2CAD人机智能设计系统智能设计的高级阶段1.1设计型专家系统与人工智能设计的区别

尽管人机智能化设计系统也需要采用专家系统技术，但它只是将其作为自己的技术基础之一，二者仍有根本的区别：（1）设计型专家系统一般只解决某一领域的特定问题，比较孤立和封闭，难以与其他知识系统集成，而人机智能化设计系统面向整个设计过程，是一种开放的体系结构。（2）设计型专家系统只处理单一领域知识的符号推理问题，人机智能优化设计系统则要处理多领域知识，多种描述形式的知识，是集成化的大规模知识处理环境。

（3）设计型专家系统一般只解决某单一知识领域范畴，相当于模拟设计专家个体的推理活动，属于简单系统。而人机智能化设计系统设计多领域多学科知识范畴，是模拟和协助人类专家群体的推理决策活动，是人机复杂系统。

（4）从知识模型来看，设计型专家系统知识围绕具体产品设计模型或针对设计过程某一特定环节（如有限元分析）的模型进行符号推理。而人机智能化系统则要考虑整个设计过程的模型、设计专家思想、推理和决策的模型（认知模型）以及设计对象（产品）的模型。

所以，人机智能化设计系统是针对大规模复杂产品设计的软件系统，是面向集成的决策自动化，是高级的设计自动化。1.2智能设计的特点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)以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，较好地支持设计过程自动化。3)以传统CAD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。综上所述可得如下结论：（1）在CIMS的推动下，设计技术发展到先进设计技术阶段，其代表形式是I2CAD;（2）I2CAD的智能部分工作则是由人机智能化设计系统承担，它构成了智能设计（计算机化的设计智能）的高级阶段；（3）以人机智能化设计系统为代表的智能设计乃是新世纪设计技术的核心二、智能设计系统的关键技术

智能设计系统的关键技术包括：设计过程的再认识、设计知识表示、多专家系统协同技术、再设计与自学习机制、多种推理机制的综合应用、智能化人机接口等。（1）设计过程的再认识智能设计系统的发展取决于对设计过程本身的理解。尽管人们在设计方法、设计程序和设计规律等方面进行了大量探索，但从计算机化的角度看，目前的设计方法学还远不能适应设计技术发展的需求，仍然需要探索适合于计算机处理的设计理论和设计模式。

（2）设计知识表示设计过程是一个非常复杂的过程，它涉及到多种不同类型知识的应用，因此单一知识表示方式不足以有效表达各种设计知识，如何建立有效的知识表示模型和有效的知识表示方式，始终是设计类专家系统成功的关键。一般采用多层知识表达模式，将元知识、定性推理知识以及数学模型和方法等相结合，根据不同类型知识的特点采用相应的表达方式，在表达能力、推理效率与可维护性等方面进行综合考虑。面向对象的知识表示，框架式的知识结构是目前采用的流行方法。

（3）多专家系统协同合作以及信息处理智能设计中，可以把较复杂的设计过程一般可分解为若干个环节，每个环节对应一个专家系统，多个专家系统协同合作、信息共享，并利用模糊评价和人工神经网络等方法以有效解决设计过程多学科、多目标决策与优化难题。（4）再设计与自学习机制当设计结果不能满足要求时，系统应该能够返回到相应的层次进行再设计，以完成局部和全局的重新设计任务。同时，可以采用归纳推理和类比推理等方法获得新的知识，总结经验，不断扩充知识库，并通过再学习达到自我完善。（5）多种推理机制的综合应用智能设计系统中，除了演绎推理外，还应该包括归纳推理（包括理想、类比推理）、基于实例的类比推理、各种非标准推理（如非音调逻辑推理、加权逻辑推理等）以及各种基于不完全知识的模糊逻辑推理方式等。上述推理方式的综合应用，可以博采众长，更好地实现设计系统的智能化。这是目前智能CAD系统的一个重要特征。（6）智能化人机接口良好的人机接口对智能设计系统是十分必要的，对于复杂的设计任务以及设计过程中的某些决策活动，在设计专家的参与下，可以得到更好的设计效果，从而充分发挥人与计算机各自的长处。

（7）多方案的并行设计设计类问题是“单输入/多输出”问题，即用户对产品提出的要求是一个，但最终设计的结果可能是多个，它们都是满足客户要求的可行的结果，设计问题的这一特点决定了设计型专家系统必须具有多方案设计能力、需求功能逻辑树的采用，功能空间符号表示，矩阵表示和设计处理是多方案设计的基础。另外，针对设计问题的复杂性，将其分成若干个子任务，采用分布式的系统结构，进行并行处理，从而有效第提高系统的处理效率。

（8）设计信息的集成化概念设计是CAD/CAPP/CAM一体化的首要环节，设计结果是详细设计与制造的信息基础，必须考虑信息的集成。应用面向对象的处理技术，实现数据的封装和模块化，是解决机械设计CAD/CAPP/CAM一体化的根本途径和有效方法。三、总结

通过前面的介绍，我们可以看出在智能设计的领域，是可以作为的。人类的确可以提高计算机的智能，并利用它来帮助或代替人类专家处理数据、信息和知识，以便进行大量的设计决策。智能设计在理论、方法和技术上所取得的进展已使得设计自动化在设计活动适用范围和水平两方面大大提高，因此，在设计的智能化方面无所作为的悲观论点是错误的。同时我们也应看到问题的另一面，即真正实现设计工作的智能化和自动化还是相当困难的，智能设计理论、方法、技术和实践上还远未达到成熟的阶段，还有许多研究的工作要做。设计智能化水平的发展主要受两方面因素的限制：我们可以建立的设计活动知识模型的完整及准确程度，利用计算机硬软件系统来处理这一模型所需理论、方法和技术的成熟程度。

首先遇到的难题便是关于人类设计专家的认识活动（思维活动）的规律性，这方面我们知之甚少。有的规律性已被认识，但不一定能建立适当的知识模型来描述；当然也有些规律性已被认识并可以模型化，例如，人类专家依据知识进行推理决策的活动可以用符号模型来描述，可用专家系统技术来处理。由于人类专家在设计过程中的作用、功能、特性及表现无法完全用知识模型来描述，因而无法用计算机来完全代替，所以人机智能化设计系统一定要包括人类专家在内。我们遇到的另一个难题是关于设计过程的规律性的认识还不完全、不充分、不深入，因此也还无法用完整、准确的知识模型来描述。设计对象千差万别的复杂性也使我们不能完全