第二章 智能设计技术

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。
01 智能设计的产生与发展
近10年来，CIMS的迅速发展向智能设计提出了新的挑战，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。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。
在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。
01 智能设计的产生与发展
智能设计技术及其说明
02智能设计的特点
• 由于CIM技术的发展和推动，智能设计由最初的设计型专家系 统发展到人机智能化设计系统。虽然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。
• 针对像CIMS这样大规模集成化、自动化的复杂系统，自80年代 来人们开展了大量的研究，并在以往的计算机数值计算技术和人工 智能科学及专家系统技术的基础上逐渐形成了一门新的学科，这就 是智能工程。智能工程是适应决策自动化的一门新技术，它研究知 识的自动化处理及应用的理论和方法，以及面对复杂问题建立集成 化智能软件系统的技术。
03关于设计决策的分析说明
决策： 应当是具有设计专家水平的决策。也就是说，能
够用较少的迭代设计次数，获得最佳的设计方案。 从总体上说，设计专家在决策中需要用到两类知识：
一类是专家在长期实践中积累的经验知识，另一类是 各种决策数据，后者是由支持资源提供的。
这些支持资源包括：规划资源、设计资源、数据 资源、分析资源、评价资源以及图形资源等。在设计 过程中，智能设计系统应能请求不同资源的决策支持， 如图2.4所示。
• 设计型专家系统与人机智能化设计系统在内核上存在差异，由此可派生出两者 在其他方面的不同点，例如，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。
01 智能设计的产生与发展
智能设计的发展与CAD的发展联系在一起，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。
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。
01 智能设计的产生与发展
• 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。创新设计是人机智能化设计系统的核心所在。
第2章 智能设计技术
本章要点
1.概述 2.设计方案的智能映射与决 策 3.智能设计系统
4.智能CAD系统及设计方法
5.智能设计系统开发实例
1
概述
概述
01
智能设计的产生、 发展
02
智能设计的特点
01 智能设计的产生与发展
•智能设计：指应用现代信息技术，采用计算机模拟人类 的思维活动，提高计算机的智能水平，从而使计算机能够 更多、更好地承担设计过程中各种复杂任务，成为设计人 员的重要辅助工具。
0减少决策的盲目性，提高决策 的可靠性和有效性。建造智能设计系统，正是要把各种资源和决 策结合起来，这是智能设计系统开发的一个显著特点。
将从智能设计系统的总体控制结构出发，根据智能设计决策 的实际需求，围绕可接受性决策展开讨论。可接受性决策的核心 内容和关键问题是对设计方案进行评价，而这种评价要综合考虑 所设计产品的技术指标、经济指标和社会指标等诸多方面的情况。
01智能制造模式
要使智能设计系统在更高水平承担现实世界中提出的设 计任务，首先还要经过建模阶段。设计知识模型实际上是从 现实世界到逻辑世界的映射，它的建立最终是在逻辑世界完 成的。而要进一步利用和实施设计知识模型以完成设计任务， 则要将逻辑世界中的设计知识模型映射到计算机世界中去。 因此，三个世界之间有两种映射关系存在，分别对应前面所 说的智能设计的两大任务。
01智能制造模式
01智能制造模式
通过映射依次显现的三个世界构成了一个隐含着知识 处理各个环节的过程，如图2.2所示。现实世界包括了知识 源，因此现实世界到逻辑世界的映射对应着知识的获取； 在逻辑世界建立设计知识模型实质上是知识的组织环节； 由逻辑世界向计算机世界的映射则是将逻辑世界中的知识 表达为计算机世界可处理和性的形式；在计算机世界要实 施知识的集成，也包括集成引起的协调管理；最后则是利 用经过处理的知识以解决现实世界中的问题。因此，无论 是从智能设计系统建立的角度，还是从知识处理技术的角 度来看，智能设计的研究内容都是一致的。
02智能设计的特点
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。
在未来的高度自动化、集成化复杂系统中，只要计算机 能做的，做得比人好的，就要尽量由计算机做。智能工程的 主要任务就是要研究把哪些事情交给计算机做，如何去做， 人的智能如何与计算机的智能相配合。随着智能工程的发展， 计算机在决策自动化的集成系统中所能承担的工作会越来越 多，人所承担的繁杂的脑力劳动会越来越少。
04产品设计综合评价的概念
02智能决策
利用计算机系统可以实现的决策自动化，其程度要受两 个因素的制约：①我们能在何种水平上建立起代表决策过程 的识模型；②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。
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。
01智能制造模式
01智能制造模式
许多智能设计通过对设计师抽象思维的模拟，以逻辑推理的方式达 到设计方案的创新。但在原理确定和基本不变下的许多创新设计往往是 借助形象思维加以实现的，进化设计目标正是要加强设计师的形象思维 和灵感思维能力来突破设计思维的屏障。智能设计为了更好的解决复杂 的工程问题，应用基于符合知识推理的方法来求解。对于基于符号知识 的推理求解来说,初始设计通过专家知识的推理得到初步方案,再进一步分 析推理结果，然后评价其结果是否满意。如果结果满意,输出结果;如果结 果不满意,修改相关参数,重新确定新的方案,重复以上步骤直到结果满意 为止。基于符号知识的推理求解符号性知识和过程性知识，属于逻辑思 维。如图2.3所示。
这种自动化真正最大限度地把人从简单劳动中解放出来， 只集中在最有创造力的脑力劳动上。决策自动化将使人类生 产力发展到一个前所未有的高度，智能工程则是达到这样一 个高度的云梯
02智能设计的特点
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。
02智能决策
智能设计智能工程紧密相连。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 自动化技术在设计域中应用的结果。
02智能决策
人类在生产、工作和日常生活中有大量的决策活动。人们 根据知识做决策。如果想用计算机来辅助决策，就必须要设法 用计算机来自动化地处理各种各样的知识，进而实现决策的自 动化（或决策的部分自动化)。这就是智能工程要研究的问题， 即如何用复合的知识模型代表人类社会各种决策活动，如何使 用计算机系统来自动化地处理这样的复合知识模型，进而实现 决策自动化。“设计"是人类生产和生活普遍存在而又非常重 要的活动，其中包括大量广泛的依据知识做决策的过程。
03关于设计决策的分析说明
设计过程决策是规划决策，它决定设计的下一步做什 么，怎样进行下一步的工作，是否进行分析，利用什么样 的资源等。
技术方案决策是安排具体的技术问题，例如，材料选 择、几何形状、结构尺寸、技术要求、加工工艺等。可接 受性决策确定候选设计方案是否充分满足目标要求，并在 多个满足目标要求的方案中择优采用一个方案。
03关于设计决策的分析说明
通过建模产生的设计方案往往多种多样，并不唯一，这就 需要在设计结果中进行合理的选择；另一方面，模型作为实际 系统的抽象和简化，往往难以一步到位，即难以一次性建立就 能满足要求，而需要不断修正完善，这就表现为设计的迭代性。
设计选择和迭代的基础是评价，它们都与设计决策密切相 关。事实上，设计工作的核心是在设计过程中的不断综合和反 复决策。这种决策主要分为三种类型：①设计过程决策；②技 术方案决策；③可接受性决策。
04产品设计综合评价的概念
如图2.5所示的再设计结构是一种适合于智能设计系 统的总体控制结构，它正确地反映了设计问题的求解思 路。在实际应用中，可以根据设计任务的特征，在此基 本控制结构的基础上加以扩展和完善。这种结构在许多 智能设计系统中得到应用，效果良好。其工作流程是： 首先，系统根据用户提出的技术要求，产生一个初始设 计方案，进而对设计方案进行分析和评价，再做出可接 受性决策。如果方案被否定，则进行再设计。