智能系统的意义与实现方法

专家系统的意义及实现方法

一、专家系统的发展及其意义

智能工程是一门关于知识的自动化处理相应用技术的计算机应用学科。知识是指全面知识，既包含理论知识相经验知识，又包括数值模型及符号模型描述的知识。“知识的自动化处理和应用”是指用计算机对知识进行获取、表达、集成、管理、协调及使用等。该定义表达了智能工程的目的、内容和工作对象。其目的是利用具有智能的计算机去解决实际问题。

专家系统是智能工程的基础，目的性偏重于应用。专家系统(ES)是一种大型复杂的智能计算机软件，是人工智能开始走向实用化的标志和里程碑，是人工智能从一般思维规律探索定向专门知识利用的突破口．它把专门领域中若干个人类专家的知识和思考、解决问题的方法以适当方式存储在计算机中，使计算机能在推理机的控制下模仿人类专家去解决问题，在一定范围内取代专家或起专家助手作用。自从20世纪60年代中期在美国斯坦福大学和麻省理工学院问世以来，专家系统技术迅猛发展，尤其是70年代中期以来．各种实用专家系统不断涌现，广泛应用于科学技术、工业、农业、军事、医疗、教育等众多领域，并产生了巨大的社会效益和经济效益。1995年我国制定的九五计算机技术科技攻关规划建议把人工智能技术作为四个重点发展的关键技术之一，鼓励继续开发各种实用专家系统及其开发上具。

二、专家系统的结构

专家系统的结构，是指专家系统各组成部分的构造和组织形式。不同应用领域和不同类型的专家系统，其具体结构和功能也不尽相同。通常一个最基本的专家系统由6个部分所组成。

(1)知识库

知识库是专家系统的知识存储器，用来存放求解问题的领域知识。通常，知识库中的知识分为两大类型：一类是领域中的事实，也即写在书本上的知识及常识；另一类是启发性知识，它是领域专家在长期工作实践中积累起来的经验总结。

(2)数据库

数据库也称为全局数据库或综合数据库．用来存储有关领域问题的事实、数据、初始状态(证据)和推理过程中得到的各种中间状态及目标等。数据库的规模和结构可根据系统目的的不同来确定，而且随着问题的不同，数据库的内容也可以是动态变化的。

(3)推理机

推理机是一组用来控制、协调整个专家系统的程序，它根据数据库当前输入的数据，利用知识库中的知识．按一定的推理策略去求解当前的问题、解释外部输入的事实和数据、推导出结论并给出提示等。

(4)解释机制

专家系统应该能够以用户便于接受的方式解释推理过程。例如，回答用户提出的“为什么?”、向用户说明“结论是如何得出的?”等。通过这种解释，既可以使专家系统更取信于用户，又可以帮助系统建造者发现知识库及推理机中的错误。

(5)知识获取机构

知识获取是专家系统的一种辅助功能，它可为修改知识库中的原有知识和扩充新知识提供相应手段，其基本任务是把知识加入到知识库中，并负责维护知识的一致性及完整性，建

立。

图1 专家系统的基本结构

2、1机械设计专家系统的典型结构

机械设计过程的待点是不断综合和反复决策，因此典型的机械设计专家系统采用“设计——评价——再设计”的结构，其典型结构如图2所示，它包含若干独立的“知识源”和一个“存储器”。

存储器中有一个动态数据库，存储着各种知识源程序所需的公共信息．包括技术要求、评价准则、标准数据，当前及以往的设计参数等。这些数据仅供各知识源自己使用，并在设计过程中不断更新。知识源按需要设置，主要包括以下几种。

①初始设计知识源。存放机械设计专家的知识和经验，且经常是某个比较成功的但还不是令人满意的设计方案。

②评价知识源。存放所采用的诸如有限元方法，可宰性预测等各种先进方法，对各种设计方案进行分析。

③决策知识源。在评价的基础上决定当前设计是否可以作为最终的设计方案，若该方案不能令人满意，则提供设计不能被接受的原因。

④再设计知识源。根据设计要求及评价信息提出一个新的设计方案。

⑤图形处理系统。它对专家系统部分设计确定的内容(数据)进行处理，最后输出要显示或绘出的总图和零件图。根据存储器中的信息，控制部分决定整个设计进程，决定备知识源参与设计活动的顺序，控制部分还是设计者与系统交流信息的窗口。

图2 机械设计专家系统典型结构

三、专家系统的应用

汽车设计是汽车产品设计的方法和手段，也是实现汽车改型换代基本途径，它是随机械设计技术的发展而发展的。电子计算机的出现和在机械设计中的推广应用，使汽车设计技术飞跃发展，设计过程完全改观。

专家系统作为一门面向复杂问题求解的新兴技术，应用于许多领域包括汽车工程，下面举一例，来对专家系统的实现进行说明了解。

3、1专家系统在汽车总体设计专家系统（VODES）中的应用

汽车总体设计专家系统(VODES)．是在分析汽车总体设计阶段的任务和持点的前提下，利用人工智能技术、数据库技术、参数化绘图技术和面向对象方法开发的一个系统，该系统能基于专家知识推理出总体设计阶段所需的各参数，最终绘出参数化的三维总布置图，并可进行总布置校核。

(1)VODES设计思想和主要功能

VODES的设计思想，可以简述为以货车为载体，归纳总结出汽车总体设计参数选择的领域知识、专家经验；建造知识库；建立推理机；建立解释机制；建立人机接口；建立参数化的汽车总布置零件图库、总成国库和方案国库；设计总布置校核等。这些工作不能孤立进行，必须综合研究分析，考虑相互关系和全局观念进行设计。

VODES的主要功能是根据用户输入的数据，基于知识库中的知识，自动确定总体设计阶段的有关参数(驱动形式、尺寸参数和性能参数等)，生成参数化的汽车三维总布置图，对总布置进行枝核。在整个设计过程中用户可进行干预修改。

(2)VODES的总体结构

VODES总体结构见图3

图 3 VODES系统结构图

1)知识库和知识库编辑与维护模块

知识库包括规则库和实例库两部分，实例库中存储丁以往设计成功的车型实例数据，为搔计提供参考。规则库中存放的是以规则形式表示的领域知识，由多个数据库文件组成，每个文件对应一个求解器，即一个子任务。

2)求解器

结合领域知识，VODES将总体设计阶段的参数求解任务分解为不同的子任务，如发动初类型选择子任务、轴数选择于任务等。

3)全局黑板相推理机

全局黑板是系统的全局动态数据区，记录了全局事实、全局目标变量和整个系统的求解状态和踪迹，它可以和各求解器直接通信．也可实现各求解器的间接通信。

4)解释机制

通过与全局黑板通信，回答用户提出的HOW，WHY，WHAT，WHETHER等问题。

5)数据输出

数据输出完成两项功能：一是以．TxT文件的形式存储专家系统的可行设计结果。二是以一定的格式将专家系统的推理结果经打印机输出。

6)图库

各图库的开发是基于UGⅡ平台，利用其二次开发工具Grip和UG/Open API结合C++ 语言实现的。

7)总布置图的参数化绘制、整车布置校核和物理参数提取

总布置图的参数化绘制模块基于各图库、数据文件和用户输入的数据，完成汽车总布置图的参数化绘制，利用UGⅡ的动画功能，通过修改相关尺寸参数，可对相对运动部件进行运动校核。

总布置方案确定后，利用UGⅡ的information功能可以自动提取整车的几何参数(如总