7.机电系统的智能设计理论和方法 7.1人工智能概述 人工智能( Artificial Intelligence)简称A,它是计算机科学的一个重要的研究领 域。近40年以来获得了迅速的发展,在很多领域都获得了广泛的应用。 7.1.1什么是人工智能 斯坦福大学人工智能研究中心的 Nilsson教授认为:“人工智能是关于知识的科 学-怎样表示知识以及怎样获得知识并使用知识的科学。”MT的 Winston教授指 出:“人工智能就是研究如何使计算机去做过去只有人才能做的智能的工作。”这些 定义反映了人工智能学科的基本思想和基本范围。事实上,一般认为用计算机模拟 人的智能行为就属于人工智能的范畴。 7.1.2人工智能的研究途径 从不同的途径认识和模拟人类的智能行为,产生了不同的人工智能的理论和技 术为,模拟人类智能的途径有以下几种 1.心理学途径 心理学的途径就是考察人类在解决各种问题时采取的方法,总结人们思维活动 的规律,由此产生了人了智能的符号机制( ( symbolisms)。符号机制认为认识的基本元 素是符号,人的认识过程就是一种符号处理过程。人类的思维过程可以用某种符号 来描述,因此人工智能的核心就是“表示”问题。40多年以来.人工智能的巨大进 展主要就是在这种思想的指导下取得的 2.生理学途径 这种途径直接模拟人和动物的大脑,由此产生了人工智能的连接机制 ( connectionism),即人工神经网络方法。连接机制认为认识的基本元素就是神经元本 身,认识过程就是大量神经元的整体活动,本质上是并行分布的模式。因此,连接 183
183 7．机电系统的智能设计理论和方法 7．1 人工智能概述 人工智能(Artificial Intelligence)简称 AI，它是计算机科学的一个重要的研究领 域。近 40 年以来获得了迅速的发展，在很多领域都获得了广泛的应用。 7．1．1 什么是人工智能 斯坦福大学人工智能研究中心的 Nilsson 教授认为：“人工智能是关于知识的科 学----怎样表示知识以及怎样获得知识并使用知识的科学。”MIT 的 Winston 教授指 出：“人工智能就是研究如何使计算机去做过去只有人才能做的智能的工作。”这些 定义反映了人工智能学科的基本思想和基本范围。事实上，一般认为用计算机模拟 人的智能行为就属于人工智能的范畴。 7．1．2 人工智能的研究途径 从不同的途径认识和模拟人类的智能行为，产生了不同的人工智能的理论和技 术为，模拟人类智能的途径有以下几种： 1. 心理学途径 心理学的途径就是考察人类在解决各种问题时采取的方法，总结人们思维活动 的规律，由此产生了人了智能的符号机制(symbolisms)。符号机制认为认识的基本元 素是符号，人的认识过程就是一种符号处理过程。人类的思维过程可以用某种符号 来描述，因此人工智能的核心就是“表示”问题。40 多年以来．人工智能的巨大进 展主要就是在这种思想的指导下取得的。 2．生理学途径 这种途径直接模拟人和动物的大脑，由此产生了人工智能的连接机制 (connectionism)，即人工神经网络方法。连接机制认为认识的基本元素就是神经元本 身，认识过程就是大量神经元的整体活动，本质上是并行分布的模式。因此，连接
机制就是建立人工神经网络,模拟人类的智能行为。自从80年代以来,连接机制的 研究获得了很大的发展 3.生物演化途径 生物演化途径的研究者认为,人类的智能就是从生物的演化中得到的,从对生 物演化的模拟产生了演化算法( evolutional programming)。从70年代开始,演化算法 的研究也取得了很大的发展 目前,将演化计算、连接计算、模糊计算(符号机制中的模糊逻辑方法)和最近 发展起来的混沌计算统称为计算智能( computational intelligence)。计算智能是人工智 能研究的一个新的方向,使人工智能从传统的符号计算向符号计算和数值计算的综 合集成的方向发展 社会学途经 社会学选径注重研究人征社会中的行为,将人模拟成由多种智能品质构成的有机的 整体一 Agent.,综合考察 Agent本身及其在 Agent环境中的行为,这就是智能 Agent 理论。近年来智能^gent基础理论也成为人工智能界最引入注目的研究课题之 7.1.3人工智能学科的发展 “人工智能”这一术语,是在1956年由 McCarthy和 Minsky等人发起的关于 用机器模拟智能的学术讨论会上提出的,这就标志着人工智能这一学科的诞生。1957 年 Rosenblatt研制了感知机,这是一种将神经元用于识别的系统,它的学习功能引 起了广泛的兴趣,推动了连接机制的研究。但是很快发现了感知机的局限性,不能 解决复杂的识别问题,从而连接机制的研究进入低潮。从60年代到0年代,符号 机制的研究获得了很大的发展。特别是 DENDRAL、 MYCIN和 PROSPECTOR等有 名的专家系统的研制成功,使人工智能开始走向实际的应用。70年代 HOlland提出 了遗传算法,标志着演化计算研究的开始。在80年代,连接机制的研究也有了突破 性的进展,特别是 Hopfield提出的网络模型和 Rumelhart等人提出的多层网络学习 算法,又把连接机制的研究推向高潮。在这一时期,符号机制和演化计算的研究也 有了很大的进展。在90年代,智能 Agent的研究开始引起人工智能界的广泛注意, 并迅速成为一个热门的研究课题。目前,人工智能的研究在上述各个分支都取得了 很大进展 随着知识在人类社会的发展中占有越来越重要的位置,人工智能的研究和应用 也就越来越受到重视。1962年美国普林斯顿大学的马克卢普教授提出了“知识产业
184 机制就是建立人工神经网络，模拟人类的智能行为。自从 80 年代以来，连接机制的 研究获得了很大的发展。 3．生物演化途径 生物演化途径的研究者认为，人类的智能就是从生物的演化中得到的，从对生 物演化的模拟产生了演化算法(evolutional programming)。从 70 年代开始，演化算法 的研究也取得了很大的发展。 目前，将演化计算、连接计算、模糊计算(符号机制中的模糊逻辑方法)和最近 发展起来的混沌计算统称为计算智能(computational intelligence)。计算智能是人工智 能研究的一个新的方向，使人工智能从传统的符号计算向符号计算和数值计算的综 合集成的方向发展。 4．社会学途经 社会学选径注重研究人征社会中的行为，将人模拟成由多种智能品质构成的有机的 整体—Agent,，综合考察 Agent 本身及其在 Agent 环境中的行为，这就是智能 Agent 理论。近年来智能 Agent 基础理论也成为人工智能界最引入注目的研究课题之一。 7．1．3 人工智能学科的发展 “人工智能”这一术语，是在 1956 年由 McCarthy 和 Minsky 等人发起的关于 用机器模拟智能的学术讨论会上提出的，这就标志着人工智能这一学科的诞生。1957 年 Rosenblatt 研制了感知机，这是一种将神经元用于识别的系统，它的学习功能引 起了广泛的兴趣，推动了连接机制的研究。但是很快发现了感知机的局限性，不能 解决复杂的识别问题，从而连接机制的研究进入低潮。从 60 年代到 70 年代，符号 机制的研究获得了很大的发展。特别是 DENDRAL、MYCIN 和 PROSPECTOR 等有 名的专家系统的研制成功，使人工智能开始走向实际的应用。70 年代 H0lland 提出 了遗传算法，标志着演化计算研究的开始。在 80 年代，连接机制的研究也有了突破 性的进展，特别是 Hopfield 提出的网络模型和 Rumelhart 等人提出的多层网络学习 算法，又把连接机制的研究推向高潮。在这一时期，符号机制和演化计算的研究也 有了很大的进展。在 90 年代，智能 Agent 的研究开始引起人工智能界的广泛注意， 并迅速成为一个热门的研究课题。目前，人工智能的研究在上述各个分支都取得了 很大进展。 随着知识在人类社会的发展中占有越来越重要的位置，人工智能的研究和应用 也就越来越受到重视。1962 年美国普林斯顿大学的马克卢普教授提出了“知识产业
的概念。所谓知识产业,就是生产和提供知识的产业。它是以知识为主体形成的 知识产业不同于知识密集型产业。知识密集型产业主要生产物质产品,而知识产业 是以信息为中心的关联企业,主要产品是信息,其主要形式包括研究成果、软件 咨询报告、产品设计与工程设计等 到了90年代,世界经济开始进入知识经济的时代。1996年西方国家的经济 作发展组织(OECD)发出了一份年度报告,题目就是“以知识为基础的经济”。根据 其定义,知识经济是以知识为基础的经济,这种经济直接依赖于知识和信息的生产、 分配和使用。目前,西方知识经济是以信息产业为代表的迅速发展的高科技产业。 世界首富、微软公司总裁比尔·盖获被公认为知识经济时代的代表人物。因此,知 识经济也称为信息经济。但严格来说,知识经济包含更多的内容。信息科学、遗传 工程、新能源、新材料、空间技术、海洋科学、环境科学及现代管理等知识成为发 达国家经济投入的重要资本,形成了一些以知识、智力等无形资产投人为主的企业。 知识经济的出现,标志着人类社会正在步入一个以知识资源为主要依托的经济时代。 因此,研究知识的表示、获取与应用的科学一人工智能,就变得越来越重要了。 7.1.4人工智能的应用 目前,人工智能的主要应用领域包括 (1)专家系统。模拟人类专家的问题求解过程,解决那些只有专家才能解决的 复杂问题 (2)知识库系统。对人类的知识进行存储、加工、管理,并根据需要对知识进 行处理和应用 (3)决策支持系统。利用模型和知识,通过模拟和推理等手段,为人类的话动 进行辅助决策。 (4)自然语言理解。理解人类的自然语言,以实现人和计算机之间自然语言的 直接通讯,从而推动计算机更广泛的应用 (5)智能机器人。具有感觉、识别和决策功能的机器人。 (6)模式识别。模拟人类的听觉、视觉等感觉功能,对声音、图像、景物、文 字等进行识别 (7)自动程序设计。由计算机完成程序的验证和综合,实现程序设计自动化 当前,人工智能员主要的应用就是建造专家系统。 7.2智能cAD概述 设计一般包括两类工作:一类为数值计算,包括计算、分析、绘图等,主要依 靠建立涉及对象的数学模型并进行数值处理:另一类为符号推理,包括方案设计、 评价、决策、结构设计等,它们均属于创造性活动,必须依靠思考与推理,因此这
185 的概念。所谓知识产业，就是生产和提供知识的产业。它是以知识为主体形成的， 知识产业不同于知识密集型产业。知识密集型产业主要生产物质产品，而知识产业 是以信息为中心的关联企业，主要产品是信息，其主要形式包括研究成果、软件、 咨询报告、产品设计与工程设计等。 到了 90 年代，世界经济开始进入知识经济的时代。1996 年西方国家的经济合 作发展组织(OECD)发出了一份年度报告，题目就是“以知识为基础的经济”。根据 其定义，知识经济是以知识为基础的经济，这种经济直接依赖于知识和信息的生产、 分配和使用。目前，西方知识经济是以信息产业为代表的迅速发展的高科技产业。 世界首富、微软公司总裁比尔·盖获被公认为知识经济时代的代表人物。因此，知 识经济也称为信息经济。但严格来说，知识经济包含更多的内容。信息科学、遗传 工程、新能源、新材料、空间技术、海洋科学、环境科学及现代管理等知识成为发 达国家经济投入的重要资本，形成了一些以知识、智力等无形资产投人为主的企业。 知识经济的出现，标志着人类社会正在步入一个以知识资源为主要依托的经济时代。 因此，研究知识的表示、获取与应用的科学—人工智能，就变得越来越重要了。 7．1．4 人工智能的应用 目前，人工智能的主要应用领域包括： (1) 专家系统。模拟人类专家的问题求解过程，解决那些只有专家才能解决的 复杂问题。 (2) 知识库系统。对人类的知识进行存储、加工、管理，并根据需要对知识进 行处理和应用。 (3) 决策支持系统。利用模型和知识，通过模拟和推理等手段，为人类的话动 进行辅助决策。 (4) 自然语言理解。理解人类的自然语言，以实现人和计算机之间自然语言的 直接通讯，从而推动计算机更广泛的应用。 (5) 智能机器人。具有感觉、识别和决策功能的机器人。 (6) 模式识别。模拟人类的听觉、视觉等感觉功能，对声音、图像、景物、文 字等进行识别。 (7) 自动程序设计。由计算机完成程序的验证和综合，实现程序设计自动化。 当前，人工智能员主要的应用就是建造专家系统。 7．2 智能 CAD 概述 设计一般包括两类工作：一类为数值计算，包括计算、分析、绘图等，主要依 靠建立涉及对象的数学模型并进行数值处理；另一类为符号推理，包括方案设计、 评价、决策、结构设计等，它们均属于创造性活动，必须依靠思考与推理，因此这
类工作主要依靠建立设计对象的知识模型并进行处理 传统的CAD技术都以数值计算为基础,处理第二类工作很困难,可是在实际的 设计工作中,第二类工作有着举足轻重的地位,例如,方案构思将对设计的优劣有 决定性影响。因此必须引入人工智能的原理与方法,采用专家系统技术,将CAD发 展为智能CAD技术,以适应创造性设计的要求。 7.2.1智能CAD的形成 智能CAD( Intelligent cad,ICAD)概念的形成经过了一个较长时间的酝酿才 逐渐形成。 1.单一专家系统向协同式专家系统( Cooperative expert system, CES)的发展 CES的目标是在网络及分布式数据库环境下,用多个独立智能体( agent)进行 集群推理,通过相互协作与通讯求解复杂问题。CES的基本思想是: 1)智能体的自主性即每个智能体有自己的知识,能进行自己的推理、规划与 通讯。 2)智能体的分布性指数据、知识和控制在逻辑上或地理上的分布性,各个智 能体间是一种松耦合的关系,以保证将更多的时间用于内部事务的处理, 而不作相互间过多的通讯。 3)智能体之间的协作指任务共享、知识共享及中间结果等问题的处理。 2.专家系统与传统CAD系统向高度集成的复杂系统发展 进入90年代,市场的激烈竞争导致了各种先进制造模式的出现,例如计算机集 成制造系统以及并行工程等等。它们的共同目标都是追求T、Q、C、S、E,即产品 上市快、质量高、成本低、服务好以及环境清洁。众所周知,如果只有先进的制造 手段而没有先进的产品设计,则先进制造就会成为“无源之水”。先进的产品设计方 法及手段必须纳入这种复杂系统中加以统一考虑,其中要解决的核心技术之一就是 集成。 考虑到专家系统与传统CAD系统集成以解决复杂产品设计的迫切需求,早在 1987年荷兰的 PJ. W.Ten hagen和美国的JPoh就提出ICAD的概念,认为ICAD本 身是一个系统,它将专家系统内嵌于CAD中,ICAD依靠知识库、数据库、专家系 统等来解决各种设计问题。他们认为ICAD是一个通用的设计软件或是一种支持环 境,不应该是某种产品专用的设计软件。随后,1990年,V. Akman和 PJ. W.Ten hagen 等提出了集成的交互式智能CAD( Interactive integrated intelligent CAD,ICAD)系 统。近几年来,我国的一些学者相继提出了智能工程和智能设计等,其出发点均是 要采用集成的办法将专家系统、人工智能与传统CAD技术有机结合起来,形成智能 化、集成化CAD系统,为复杂工程及产品设计提供支持。 3.ICAD的应用开发促进了ICAD的发展 近几年来,国内外在开发LCAD方面作了大量工作,应用领域遍及建筑、工程
186 类工作主要依靠建立设计对象的知识模型并进行处理。 传统的 CAD 技术都以数值计算为基础，处理第二类工作很困难，可是在实际的 设计工作中，第二类工作有着举足轻重的地位，例如， 方案构思将对设计的优劣有 决定性影响。因此必须引入人工智能的原理与方法，采用专家系统技术，将 CAD 发 展为智能 CAD 技术，以适应创造性设计的要求。 7．2．1 智能 CAD 的形成 智能 CAD（Intelligent CAD, ICAD）概念的形成经过了一个较长时间的酝酿才 逐渐形成。 1． 单一专家系统向协同式专家系统（Cooperative expert system, CES）的发展 CES 的目标是在网络及分布式数据库环境下，用多个独立智能体（agent）进行 集群推理，通过相互协作与通讯求解复杂问题。CES 的基本思想是： 1） 智能体的自主性 即每个智能体有自己的知识，能进行自己的推理、规划与 通讯。 2） 智能体的分布性 指数据、知识和控制在逻辑上或地理上的分布性，各个智 能体间是一种松耦合的关系，以保证将更多的时间用于内部事务的处理， 而不作相互间过多的通讯。 3） 智能体之间的协作 指任务共享、知识共享及中间结果等问题的处理。 2． 专家系统与传统 CAD 系统向高度集成的复杂系统发展 进入 90 年代，市场的激烈竞争导致了各种先进制造模式的出现，例如计算机集 成制造系统以及并行工程等等。它们的共同目标都是追求 T、Q、C、S、E，即产品 上市快、质量高、成本低、服务好以及环境清洁。众所周知，如果只有先进的制造 手段而没有先进的产品设计，则先进制造就会成为“无源之水”。先进的产品设计方 法及手段必须纳入这种复杂系统中加以统一考虑，其中要解决的核心技术之一就是 集成。 考虑到专家系统与传统 CAD 系统集成以解决复杂产品设计的迫切需求，早在 1987 年荷兰的 P.J.W.Ten Hagen 和美国的 J.Pohl 就提出 ICAD 的概念，认为 ICAD 本 身是一个系统，它将专家系统内嵌于 CAD 中，ICAD 依靠知识库、数据库、专家系 统等来解决各种设计问题。他们认为 ICAD 是一个通用的设计软件或是一种支持环 境，不应该是某种产品专用的设计软件。随后，1990 年，V.Akman 和 P.J.W.Ten Hagen 等提出了集成的交互式智能 CAD (Interactive integrated intelligent CAD, IIICAD)系 统。近几年来，我国的一些学者相继提出了智能工程和智能设计等，其出发点均是 要采用集成的办法将专家系统、人工智能与传统 CAD 技术有机结合起来，形成智能 化、集成化 CAD 系统，为复杂工程及产品设计提供支持。 3． ICAD 的应用开发促进了 ICAD 的发展 近几年来，国内外在开发 ICAD 方面作了大量工作，应用领域遍及建筑、工程
设计、机械产品设计、加工等。在开发中针对具体问题,对设计过程、知识表示、 知识库建立、信息集成、信息管理、用户接口等提出了一些新的方法和思路。这些 工作有力地促进了ICAD的发展。 综上所述,近十年来由于协同式专家系统的发展,由于CIMS、并行工程、敏 捷制造等复杂大系统对新产品设计的迫切需求,设计集成环境的发展以及众多实际 应用系统的开发实践,逐渐促成了ICAD的形成 7.2.2智能CAD的基本概念 迄今为止,对ICAD还没有一个完整的统一定义,根据上面对ICAD形成的叙 述,可以表述为:ICAD是一种由多个智能体(或称专家系统)与多种CAD功能模 块有机集成的支持产品设计的复杂系统。 ICAD的概念包含了一下内容 1)ICAD是传统CAD技术与专家系统技术的有机集成,这种有机集成表现为 ICAD是一个完整的系统 2)ICAD中一般包含多个专家系统,它们独自负责解决某个单一领域的设计问 题,但它们又是分布式的,通过协同工作,解决涉及多个领域的复杂设计问 题 3)ICAD应该为复杂产品的创新设计、革新设计或变型设计提供功能强大、可 灵活变化的支持环境或工作平台,不应该是针对某类产品设计的专用系统 4)ICAD支持复杂产品设计的范围应包括产品需求分析、方案设计、装配结构 设计、可装配性分析、可制造性分析、工程分析、优化设计、运动仿真等。 7.2.3智能CAD研究的基本问题 在智能CAD的研究与应用开发中,要解决三个基本问题 设计知识模型的表示与建模方法 设计知识模型的内容包括两个方面:第一,设计对象的知识模型,即对设计对 象本身所涉及的各种知识建立相应的模型;第二,设计过程的知识模型,即建立设 计过程的规划、协同控制及评价决策等模型。在知识模型的内容确定后,必须研究 模型的表示方法,这种表示方法既能对知识模型进行逻辑描述,又能对知识模型的 计算机化进行可操作性描述,同时必须研究相应的建模方法 2.知识利用 在知识利用方面,要研究各种搜索方法、约束满足方法、基于规则的推理方法、 基于实例的推理方法以及基于原型的设计方法等 3.ICAD的体系结构 体系结构是ICAD的重要研究内容,因为它必须体现ICAD的基本思想与特点, 187
187 设计、机械产品设计、加工等。在开发中针对具体问题，对设计过程、知识表示、 知识库建立、信息集成、信息管理、用户接口等提出了一些新的方法和思路。这些 工作有力地促进了 ICAD 的发展。 综上所述，近十年来由于协同式专家系统的发展，由于 CIMS、并行工程、敏 捷制造等复杂大系统对新产品设计的迫切需求，设计集成环境的发展以及众多实际 应用系统的开发实践，逐渐促成了 ICAD 的形成。 7．2．2 智能 CAD 的基本概念 迄今为止，对 ICAD 还没有一个完整的统一定义，根据上面对 ICAD 形成的叙 述，可以表述为: ICAD 是一种由多个智能体（或称专家系统）与多种 CAD 功能模 块有机集成的支持产品设计的复杂系统。 ICAD 的概念包含了一下内容： 1） ICAD 是传统 CAD 技术与专家系统技术的有机集成，这种有机集成表现为 ICAD 是一个完整的系统； 2） ICAD 中一般包含多个专家系统，它们独自负责解决某个单一领域的设计问 题，但它们又是分布式的，通过协同工作，解决涉及多个领域的复杂设计问 题； 3） ICAD 应该为复杂产品的创新设计、革新设计或变型设计提供功能强大、可 灵活变化的支持环境或工作平台，不应该是针对某类产品设计的专用系统； 4） ICAD 支持复杂产品设计的范围应包括产品需求分析、方案设计、装配结构 设计、可装配性分析、可制造性分析、工程分析、优化设计、运动仿真等。 7．2．3 智能 CAD 研究的基本问题 在智能 CAD 的研究与应用开发中，要解决三个基本问题： 1． 设计知识模型的表示与建模方法 设计知识模型的内容包括两个方面：第一，设计对象的知识模型，即对设计对 象本身所涉及的各种知识建立相应的模型；第二，设计过程的知识模型，即建立设 计过程的规划、协同控制及评价决策等模型。在知识模型的内容确定后，必须研究 模型的表示方法，这种表示方法既能对知识模型进行逻辑描述，又能对知识模型的 计算机化进行可操作性描述，同时必须研究相应的建模方法。 2． 知识利用 在知识利用方面，要研究各种搜索方法、约束满足方法、基于规则的推理方法、 基于实例的推理方法以及基于原型的设计方法等 3． ICAD 的体系结构 体系结构是 ICAD 的重要研究内容，因为它必须体现 ICAD 的基本思想与特点