人工智能技術(shù)及及在CAD中的應(yīng)用

1、人工智能技術(shù)在CAD中的應(yīng)用孫佳霖 08車輛工程摘要：人工智能（Artificial Intelligence，AI）是一門研究如何構(gòu)造智能機(jī)器或智能系統(tǒng)，使它能模擬、延伸、擴(kuò)展人類智能的學(xué)科。人工智能與CAD系統(tǒng)結(jié)合就形成了智能CAD系統(tǒng) (ICAD)。智能CAD系統(tǒng)是CAD技術(shù)的一個重要發(fā)展趨勢。人工智能在CAD中的應(yīng)用主要集中在知識工程的引入，發(fā)展專家CAD系統(tǒng)。專家CAD系統(tǒng)具有邏輯推理和決策判斷能力。它將許多實例和有關(guān)專業(yè)范圍內(nèi)的經(jīng)驗、準(zhǔn)則結(jié)合在一起, 給設(shè)計者更全面，更可靠的指導(dǎo)。應(yīng)用這些實例和啟發(fā)準(zhǔn)則，根據(jù)設(shè)計的目標(biāo)不斷縮小探索的范圍，使問題得到解決。關(guān)鍵詞：CAD； 人工智能；

2、 專家系統(tǒng)； 智能CAD技術(shù)Abstract：Artificial intelligence is a study of how to construct intelligent machine or intelligence system, and make it can simulate、 extend and expand human intelligence. AI and CAD system form intelligent CAD system (ICAD).ICAD is the important development tendency of CAD technology.

3、 The application of artificial intelligence in the CAD mainly concentrated in the introduction of knowledge engineering and development experts CAD system.Experts CAD system has logical reasoning and decision making judgment. It makes many examples and the experience of relevant professional field t

4、ogether, and gives the designer more comprehensive and more reliable guidance and makes the problem solved easy.Keywords: CAD; Artificial Intelligence; Expert system; ICADCAD技術(shù)就是利用計算機(jī)及其圖形設(shè)備幫助設(shè)計人員進(jìn)行設(shè)計工作。在工程和產(chǎn)品設(shè)計中，計算機(jī)可以幫助設(shè)計人員擔(dān)負(fù)計算、信息存儲和制圖等項工作。在設(shè)計中通常要用計算機(jī)對不同方案進(jìn)行大量的計算、分析和比較，以決定最優(yōu)方案；各種設(shè)計信息，不論是數(shù)字的、文字的或圖形的，

5、都能存放在計算機(jī)的內(nèi)存或外存里，并能快速地檢索；設(shè)計人員通常用草圖開始設(shè)計，將草圖變?yōu)楣ぷ鲌D的繁重工作可以交給計算機(jī)完成；利用計算機(jī)可以進(jìn)行與圖形的編輯、放大、縮小、平移和旋轉(zhuǎn)等有關(guān)的圖形數(shù)據(jù)加工工作。人工智能(Artificial Intelligence，AI)是計算機(jī)科學(xué)控制論、信息論、神經(jīng)生理學(xué)、語言學(xué)等多種學(xué)科相互滲透而發(fā)展起來的一門新興邊緣學(xué)科。它是研究開發(fā)用于模擬、延伸和擴(kuò)展人的智能的理論、方法、技術(shù)及應(yīng)用系統(tǒng)的一門新的技術(shù)科學(xué)。人工智能是計算機(jī)科學(xué)的一個分支，它企圖了解智能的實質(zhì)，并生產(chǎn)出一種新的能以人類智能相似的方式做出反應(yīng)的智能機(jī)器，該領(lǐng)域的研究包括機(jī)器人、語言識別、圖像識

6、別、自然語言處理和專家系統(tǒng)等。在這些研究領(lǐng)域中，其共同的基本特點是讓機(jī)器學(xué)會“思考”，成為智能機(jī)器（Intelligence machine)。 人工智能問題的求解是以知識為基礎(chǔ)的，知識表示是人工智能的核心技術(shù)之一。所謂知識表示，就是對知識的一種描述，是一組約定，是一種使計算機(jī)可以接受的用于描述知識的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。對知識進(jìn)行表示就是把知識表示成便于計算機(jī)存儲和利用的某種結(jié)構(gòu)目前常用的知識表示發(fā)法有謂詞表示法、產(chǎn)生式表示法、框架表示法、語義表示法、面向?qū)ο蟊硎痉ǖ榷喾N方法。專家系統(tǒng)（Expert System ，ES）。專家系統(tǒng)是人工智能中最重要的也是最活躍的一個應(yīng)用領(lǐng)域，它實現(xiàn)了人工智能從理論研究

7、走向?qū)嶋H應(yīng)用、從一般推理策略探討轉(zhuǎn)向運用專門知識的重大突破。20世紀(jì)60年代初，出現(xiàn)了運用邏輯學(xué)和模擬心理活動的一些通用問題求解程序，它們可以證明定理和進(jìn)行邏輯推理。但是這些通用方法無法解決大的實際問題，很難把實際問題改造成適合于計算機(jī)解決的形式，并且對于解題所需的巨大的搜索空間也難于處理。1965年，f . a .費根鮑姆等人在總結(jié)通用問題求解系統(tǒng)的成功與失敗經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，結(jié)合化學(xué)領(lǐng)域的專門知識，研制了世界上第一個專家系統(tǒng) Dendral，可以推斷化學(xué)分子結(jié)構(gòu)。20多年來，知識工程的研究，專家系統(tǒng)的理論和技術(shù)不斷發(fā)展，應(yīng)用滲透到幾乎各個領(lǐng)域，包括化學(xué)、數(shù)學(xué)、物理、生物、醫(yī)學(xué)、農(nóng)業(yè)、氣象、地質(zhì)

8、勘探、軍事、工程技術(shù)、法律、商業(yè)、空間技術(shù)、自動控制、計算機(jī)設(shè)計和制造等眾多領(lǐng)域，開發(fā)了幾千個的專家系統(tǒng)，其中不少在功能上已達(dá)到，甚至超過同領(lǐng)域中人類專家的水平，并在實際應(yīng)用中產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。專家系統(tǒng)是一個智能計算機(jī)程序系統(tǒng)，其內(nèi)部含有大量的某個領(lǐng)域?qū)＜宜降闹R與經(jīng)驗，能夠利用人類專家的知識和解決問題的方法來處理該領(lǐng)域問題。也就是說，專家系統(tǒng)是一個具有大量的專門知識與經(jīng)驗的程序系統(tǒng)，它應(yīng)用人工智能技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)，根據(jù)某領(lǐng)域一個或多個專家提供的知識和經(jīng)驗，進(jìn)行推理和判斷，模擬人類專家的決策過程，以便解決那些需要人類專家處理的復(fù)雜問題，簡而言之，專家系統(tǒng)是一種模擬人類專家解決領(lǐng)域問題的計

9、算機(jī)程序系統(tǒng)。對專家系統(tǒng)可以按不同的方法分類。通常，可以按應(yīng)用領(lǐng)域、知識表示方法、控制策略、任務(wù)類型等分類。如按任務(wù)類型來劃分，常見的有解釋型、預(yù)測型、診斷型、調(diào)試型、維護(hù)型、規(guī)劃型、設(shè)計型、監(jiān)督型、控制型、教育型等。專家系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖所示，其中箭頭方向為數(shù)據(jù)流動的方向。專家系統(tǒng)通常由人機(jī)交互界面、知識庫、推理機(jī)、解釋器、綜合數(shù)據(jù)庫、知識獲取等6個部分構(gòu)成。知識庫用來存放專家提供的知識。專家系統(tǒng)的問題求解過程是通過知識庫中的知識來模擬專家的思維方式的，因此，知識庫是專家系統(tǒng)質(zhì)量是否優(yōu)越的關(guān)鍵所在，即知識庫中知識的質(zhì)量和數(shù)量決定著專家系統(tǒng)的質(zhì)量水平。一般來說，專家系統(tǒng)中的知識庫與專家系統(tǒng)程序

10、是相互獨立的，用戶可以通過改變、完善知識庫中的知識內(nèi)容來提高專家系統(tǒng)的性能。人工智能中的知識表示形式有產(chǎn)生式、框架、語義網(wǎng)絡(luò)等，而在專家系統(tǒng)中運用得較為普遍的知識是產(chǎn)生式規(guī)則。產(chǎn)生式規(guī)則以IFTHEN的形式出現(xiàn)，就像BASIC等編程語言里的條件語句一樣，IF后面跟的是條件（前件），THEN后面的是結(jié)論（后件），條件與結(jié)論均可以通過邏輯運算AND、OR、NOT進(jìn)行復(fù)合。在這里，產(chǎn)生式規(guī)則的理解非常簡單：如果前提條件得到滿足，就產(chǎn)生相應(yīng)的動作或結(jié)論。推理機(jī)針對當(dāng)前問題的條件或已知信息，反復(fù)匹配知識庫中的規(guī)則，獲得新的結(jié)論，以得到問題求解結(jié)果。在這里，推理方式可以有正向和反向推理兩種。正向推理是從前

11、件匹配到結(jié)論，反向推理則先假設(shè)一個結(jié)論成立，看它的條件有沒有得到滿足。由此可見，推理機(jī)就如同專家解決問題的思維方式，知識庫就是通過推理機(jī)來實現(xiàn)其價值的。人機(jī)界面是系統(tǒng)與用戶進(jìn)行交流時的界面。通過該界面，用戶輸入基本信息、回答系統(tǒng)提出的相關(guān)問題，并輸出推理結(jié)果及相關(guān)的解釋等。綜合數(shù)據(jù)庫專門用于存儲推理過程中所需的原始數(shù)據(jù)、中間結(jié)果和最終結(jié)論，往往是作為暫時的存儲區(qū)。解釋器能夠根據(jù)用戶的提問，對結(jié)論、求解過程做出說明，因而使專家系統(tǒng)更具有人情味。知識獲取是專家系統(tǒng)知識庫是否優(yōu)越的關(guān)鍵，也是專家系統(tǒng)設(shè)計的“瓶頸”問題，通過知識獲取，可以擴(kuò)充和修改知識庫中的內(nèi)容，也可以實現(xiàn)自動學(xué)習(xí)功能。 專家系統(tǒng)(E

12、S)的特點：(1)為解決特定領(lǐng)域的具體問題，除需要一些公共的常識，還需要大量與所研究領(lǐng)域問題密切相關(guān)的知識；(2)一般采用啟發(fā)式的解題方法；(3)在解題過程中除了用演繹方法外，有時還要求助于歸納方法和抽象方法；(4)需處理問題的模糊性、不確定性和不完全性；(5)能對自身的工作過程進(jìn)行推理(自推理或解釋)；(6)采用基于知識的問題求解方法；(7)知識庫與推理機(jī)分離。與普通一般專家系統(tǒng)相比設(shè)計型專家系統(tǒng)還有如下特點： (1)常采用“設(shè)計評價再設(shè)計”的設(shè)計過程模型。這種設(shè)計模型要求專家系統(tǒng)必須能揭示上一設(shè)計方案不能被接受的原因，并能吸收上次設(shè)計過程中的成功經(jīng)驗和失敗教訓(xùn)，進(jìn)行自我修改，調(diào)整設(shè)計參數(shù)、

13、改變判定條件等等。設(shè)計過程決策、技術(shù)問題決策及判斷決策需要多種資源支持。有關(guān)決策與相應(yīng)CAD的資源是緊密結(jié)合的。專家系統(tǒng)的發(fā)展。目前的專家系統(tǒng)發(fā)展確實存在著一些限制，在未來的年代中，許多今日專家系統(tǒng)缺失將會被改善，相信未來專家系統(tǒng)應(yīng)該繼續(xù)研究的項目有:具有處理常識的能力；發(fā)展深層的推論系統(tǒng)；不同層次解釋的能力；使專家系統(tǒng)具有學(xué)習(xí)的能力；分布式專家系統(tǒng)；輕易獲取與更新知識的能力。未來發(fā)展的專家系統(tǒng)，能經(jīng)由感應(yīng)器直接由外界接受資料，也可由系統(tǒng)外的知識庫獲得資料，在推理機(jī)中除推理外，上能擬定規(guī)劃，仿真問題狀況等。知識庫所存的不只是靜態(tài)的推論規(guī)則與事實，更有規(guī)劃、分類、結(jié)構(gòu)模式及行為模式等動態(tài)知識。人

14、工智能在CAD中的應(yīng)用。機(jī)械設(shè)計實際上是一個模型的綜合和分析的過程，它不僅包括大量的計算、分析、繪圖等數(shù)值計算型工作；還包括擬定初始方案，選擇最優(yōu)方案，制定合理結(jié)構(gòu)等方案設(shè)計工作。 目前， 有些企業(yè)已引入CAD/CAM 系統(tǒng)， 由于CAD/CAM系統(tǒng)對符號推理工作需要綜合運用多種科學(xué)的專門知識和豐富的實踐經(jīng)驗才能解決，這需要CAD/CAM系統(tǒng)具有智能性，因此，設(shè)計智能化已成為機(jī)械設(shè)計中一個很熱門的研究課題之一，它把計算機(jī)從數(shù)值處理擴(kuò)展到非數(shù)值處理，包括知識與經(jīng)驗的集成、推理和決策，力圖使機(jī)械設(shè)計過程自動化，減少人類專家在設(shè)計過程中由于個人因素造成的不足。此外，與傳統(tǒng)設(shè)計方法相比，專家系統(tǒng)在機(jī)械

15、設(shè)計中有著不可比擬的優(yōu)勢，它不僅可以長期穩(wěn)定工作、節(jié)省成本，還可以為專家知識特別是啟發(fā)式知識提供存儲手段和傳授途徑、易于繼承。傳統(tǒng)CAD技術(shù)的局限性。一般來講，工程設(shè)計大致可以分為兩種工作：一類是數(shù)值計算，包括計算、分析、繪圖等，另一類是符號推理，包括方案設(shè)計、評價、決策、結(jié)構(gòu)設(shè)計等。傳統(tǒng)的CAD技術(shù)都以數(shù)值計算為基礎(chǔ)，它不包括符號推理，即沒有分析問題和解決問題的能力，它所能做的工作，主要是提供方便的設(shè)計手段來輔助設(shè)計人員進(jìn)行設(shè)計，即CAD系統(tǒng)只是一個輔助工具。為了克服傳統(tǒng)CAD的不足，人們開始研究新的CAD技術(shù)思想，引入人工智能的原理和方法，采用專家系統(tǒng)技術(shù)，將CAD發(fā)展為智能CAD技術(shù)，以

16、適應(yīng)創(chuàng)造性設(shè)計的要求。 智能CAD是人工智能（AI）和CAD技術(shù)相結(jié)合的一門綜合性研究領(lǐng)域，其英文名為Intelligent CAD，簡寫為ICAD。迄今為止，雖然對ICAD有許多定義，但還沒有一個大家公認(rèn)的統(tǒng)一的定義。本書給出其中的一個定義為：ICAD是一種由多個智能體（或稱專家系統(tǒng)）與多種CAD功能模塊有機(jī)集成的支持產(chǎn)品設(shè)計的復(fù)雜系統(tǒng)。上述ICAD概念的表述強(qiáng)調(diào)了以下思想：(1) ICAD是傳統(tǒng)CAD技術(shù)與專家系統(tǒng)技術(shù)的有機(jī)集成。(2) ICAD中一般包含有多個專家系統(tǒng)，或稱智能體，它們獨自負(fù)責(zé)解決某個單一領(lǐng)域的設(shè)計問題，但它們又是分布式的。 (3) ICAD系統(tǒng)應(yīng)該是為復(fù)雜產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計

17、、革新設(shè)計或變型設(shè)計提供支持環(huán)境或工作平臺，不應(yīng)該是針對某類產(chǎn)品設(shè)計的專用系統(tǒng)。(4) ICAD支持復(fù)雜產(chǎn)品設(shè)計的范圍應(yīng)包括產(chǎn)品需求分析、方案設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計、可制造性分析、工程分析、優(yōu)化設(shè)計、可靠性設(shè)計、詳細(xì)設(shè)計和運動仿真等環(huán)節(jié)。 智能CAD的發(fā)展。根據(jù)智能化的水平，可將ICAD的發(fā)展分為初級和高級兩個階段。(1)ICAD的初級階段設(shè)計型專家系統(tǒng) 。隨著CAD技術(shù)與專家系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展，人們開始把它們結(jié)合起來使CAD系統(tǒng)具備某些計算機(jī)化的智能來解決某些設(shè)計問題。 (2)ICAD的高級階段面向動態(tài)聯(lián)盟的集成化智能設(shè)計系統(tǒng) 。集成化智能設(shè)計（integrated intelligent CAD，IICAD）系統(tǒng)是智能CAD的高級階段，代表了ICAD的發(fā)展方向，從而在人的主導(dǎo)下將復(fù)雜產(chǎn)品的設(shè)計自動化推向更高的水平。 智能CAD的應(yīng)用非常廣，在這里只給出其中幾個應(yīng)用的例子。1自動方案生成。理想的智能CAD是：人類提出設(shè)計的要求，由計算機(jī)來模擬設(shè)計師，自動地設(shè)計出形式多樣的且能滿足要求的設(shè)計方案來。2智能交互。在智能CAD系統(tǒng)