智能设计技术

专题综述

智能设计技术

北京航空航天大学 李建平 北京石油化工学院 徐林林 北京机械工业学院 滕 启

摘 要:智能设计技术就是对智能CAD理论和应用的研究。它除具有传统CAD的功能外,更具有知识处理能力,能够对设计的全过程提供智能化的计算机支持,并具有面向集成智能化等特点。文章对智能设计技术的发展前沿进行了分析和研究,给出了智能方案设计的几项研究重点。

关键词:智能设计技术;智能CAD;人机智能化设计系统

Abstract:In telligent design technology refers to theoretical and applicati on research i nto in telligen t C AD.In addition to tra ditional C AD functions,intelligent design technology has intelligence handling capabili ty and can provide i ntelligen t computer sup port in the whole design process,also it is integrated intelli gence oriented.This paper discusses the development trends in intelli gent design technology and points out its key research subjects.

Key words:intelligent design technology;intelligent C AD;man-machine intelligent design system

传统C AD系统由于缺乏设计工程师所具有的推理和决策能力,已经不能满足设计过程自动化的要求。而智能C AD(ICAD)系统既具有传统C AD 系统的数值计算和图形处理能力,又有知识处理能力,能够对设计的全过程提供智能化的计算机支持,这就是对智能C AD理论和应用的研究。

1 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,较好的支持设计过程自动化。

(3)以传统C AD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C AM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。

2 智能设计的技术发展

对智能设计的需求体现在越来越高的设计质量要求;越来越短的设计周期要求;越来越复杂的设计对象及其环境的要求等3个方面。

传统的C AD技术以数值计算和图形处理为主要特征,在设计中已得到广泛的应用,并在很大程度上减轻了设计者的劳动强度,提高了设计的质量和工作效率。但由于设计活动是一种人类特有的智能行为,在设计方案的确定、模型的建立和评价决策等许多设计环节中,有相当多的工作还不能建立起精确的数学模型并用数值计算的方法求解,而需要设计师发挥自己的创造能力,运用多学科的知识和实践经验,经过分析推理和综合构思才能取得良好的设计结果。

由于传统的CAD缺乏对设计的智能支持,70年代后期人工智能和设计领域的学者即提出了智能C AD的概念。随之智能C AD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CAD系统,并应用于机械、集成电路和建筑等设计领域。这一阶段大多采用单一知识领域的符号推理技术 设计型专家系统,故此系统只能满足设计中某些困难问题的需要,是智能设计的初级阶段。但此阶段对设计自动化技术即数值信息走向知识处理自动化有着重要意义。

自80年代末,日益增强的集成化要求智能设计系统不但提供知识处理自动化,而且需要实现决策自动化,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化。在大规模的集成环境下,人类专家在智能设计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问题的最终决策者。与此相适应,由CI MS的智能设计走向了智能设计的高级阶段 I2CAD。由

于集成化和开放性的要求,在I2CAD系统中,智能活动由人机共同承担,它不仅可以用于常规设计,而且能够支持创新设计。

由于I2CAD系统的大规模、集成化和高难度的特点,初级ICAD系统在特定领域仍有广泛的应用前景。今后的智能设计既要巩固和发展初级I C AD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、技术开发和实践经验的积累。

3 智能设计技术研究重点

(1)智能方案设计。方案设计是方案的产生和决策阶段,是最能体现设计智能化的阶段,是设计全过程智能化必须突破的难点。

(2)知识获取和处理技术。基于分布和并行思想的结构体系和机器学习模式的研究,基于基因遗传和神经网络推理的研究,其重点均在非归纳及非单调推理技术的深化等方面。

(3)面向CAD的设计理论。包括概念设计和虚拟现实,并行工程,健壮设计,集成化产品性能分类学及目录学,反向工程设计法及产品生命周期设计法等。

(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近于实际的设计和制造环境。具体研究C AD集成、虚拟现实、并行及分布式CAD/C AM系统及其应用、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(I2C AD)。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。

4 智能设计的研究方法

(1)原理方案智能设计。方案设计的结果将影响设计的全过程,对于降低成本、提高质量和缩短设计周期等有至关重要的作用。

原理方案设计是寻求原理解的过程,是实现产品创新的关键。原理方案设计的过程是总功能分析 功能分解 功能元(分功能)求解 局部解法组合 评价决策 最佳原理方案。按照这种设计方法,原理方案设计的核心归结为面向分功能的原理求解。面向通用分功能的设计目录能全面地描述分功能的要求和原理解,且隐含了从物理效应向原理解的映射,是智能原理方案设计系统的知识库初始文档。基于设计目录的方案设计智能系统,能够较好的实现概念设计的智能化。

(2)协同求解

ICAD应具有多种知识表示模式、多种推理决策机制和多个专家系统协同求解的功能。同时需把同理论相关的基于知识程序和方法的模型组成一个协同求解系统,在元级系统推理及调度程序的控制下协同工作,共同解决复杂的设计问题。

某一环节单一专家系统求解问题的能力,与其他环节的协调性和适应性常受到很大限制。为了拓宽专家系统解决问题的领域,或使一些互相关联的领域能用同一个系统来求解,就产生了所谓协同式专家系统的概念。在这种系统中,有多个专家系统协同合作,这就是协同式多专家系统。多专家系统协同求解的关键,是要工程设计领域内的专家之间相互联系与合作,并以此来进行问题求解。协同求解过程中信息传递的一致性原则与评价策略,是判断目前所从事的工作是否向着有利于总目标的方向进行。多专家系统协同求解,除在此过程中实现并行特征外,尚需开发具有实用意义的多专家系统协同问题求解的软件环境。

(3)知识获取、表达和利用技术

专家系统技术是IC AD的基础,其面向CAD应用的主要发展方向可概括为:

机器学习模式的研究,旨在解决知识获取、求精和结构化等问题;

推理技术的深化,要有正、反向和双向推理流程控制模式的单调推理,又要把重点集中在非归纳、非单调和基于神经网络的推理等方面;

综合的知识表达模式,即如何构造深层知识和浅层知识统一的多知识表结构;

基于分布和并行思想求解结构体系的研究。

(4)黑板结构模型

黑板结构模型侧重于对问题整体的描述以及知识或经验的继承。这种问题求解模型是把设计求解过程看作是先产生一些部分解,再由部分解组合出