現(xiàn)代設(shè)計方法之智能設(shè)計

現(xiàn)代設(shè)計方法之智能設(shè)計技術(shù)摘要：智能設(shè)計技術(shù)就是對智能CAD理論和運(yùn)用的研究。它除具有傳統(tǒng)CAD功能外，更具有知識處理能力，能夠?qū)υO(shè)計的全過程提供智能化的計算機(jī)支持，并具有面向集成智能化等特點(diǎn)。文章對現(xiàn)代設(shè)計之智能設(shè)計的產(chǎn)生發(fā)展，特點(diǎn)，和發(fā)展態(tài)勢進(jìn)行了論述。關(guān)鍵詞：智能設(shè)計設(shè)計的本質(zhì)是創(chuàng)造和革新，作為一種創(chuàng)造性活動，設(shè)計實(shí)際上是對知識的處理和操作。智能化是設(shè)計活動的顯著特點(diǎn)，也是走向設(shè)計自動化的重要途徑。智能設(shè)計的產(chǎn)生可以追溯到專家系統(tǒng)技術(shù)最初應(yīng)用的時期，其初始形態(tài)都采用了單一知識領(lǐng)域的符號推理技術(shù)一一設(shè)計型專家系統(tǒng)，這對于設(shè)計自動化技術(shù)從信息處理自動化走向知識處理自動化有著重要意義，但設(shè)計型專家系統(tǒng)僅僅是為解決設(shè)計中某些困難問題的局部需要而產(chǎn)生的，只是智能設(shè)計的初級階段。智能設(shè)計的發(fā)展與CAD的發(fā)展聯(lián)系在一起，作為計算機(jī)化的設(shè)計智能，乃是CAD的一個重要組成部分，在CAD發(fā)展過程中有不同的表現(xiàn)形式。在CAD發(fā)展的不同階段，設(shè)計活動中智能部分的承擔(dān)者是不同的。傳統(tǒng)CAD系統(tǒng)只能處理計算型工作，設(shè)計智能活動是由人類專家完成的。在ICAD階段，智能活動由設(shè)計型專家系統(tǒng)完成，但由于采用單一領(lǐng)域符號推理技術(shù)的專家系統(tǒng)求解問題能力的局限，設(shè)計對象產(chǎn)品）的規(guī)模和復(fù)雜性都受到限制，這樣ICAD系統(tǒng)完成的產(chǎn)品設(shè)計主要還是常規(guī)設(shè)計，不過借助于計算機(jī)機(jī)支持，設(shè)計的效率大大提高。而在面向CIMS的ICAD，即I2CAD階段，由于集成化和開放性的要求，智能活動由人機(jī)共同承擔(dān)，這就是人機(jī)智能化設(shè)計系統(tǒng)，它不僅可以勝任常規(guī)設(shè)計，而且還可支持創(chuàng)新設(shè)計。因此，人機(jī)智能化設(shè)計系統(tǒng)是針對大規(guī)模復(fù)雜產(chǎn)品設(shè)計的軟件系統(tǒng)，它是面向集成的決策自動化，是高級的設(shè)計自動化。設(shè)計技術(shù)及其說明設(shè)計技術(shù)代表形式智能部分的承擔(dān)者說明傳統(tǒng)設(shè)計技術(shù)人工設(shè)計/傳統(tǒng)CAD人類專家智能設(shè)計的初級階段現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)ICAD設(shè)計性專家系統(tǒng)智能設(shè)計的初級階段先進(jìn)設(shè)計技術(shù)I2CAD人機(jī)智能化設(shè)計系統(tǒng)智能設(shè)計的高級階段智能設(shè)計的特點(diǎn)表現(xiàn)為：1） 以設(shè)計方法學(xué)為指導(dǎo)。智能設(shè)計的發(fā)展，從根本上取決于對設(shè)計本質(zhì)的理解。設(shè)計方法學(xué)對設(shè)計本質(zhì)、過程設(shè)計思維特征及其方法學(xué)的深入研究是智能設(shè)計模擬人工設(shè)計的基本依據(jù)。2） 以人工智能技術(shù)為實(shí)現(xiàn)手段。借助專家系統(tǒng)技術(shù)在知識處理上的強(qiáng)大功能，結(jié)合人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，較好地支持設(shè)計過程自動化。3） 以傳統(tǒng)CAD技術(shù)為數(shù)值計算和圖形處理工具。提供對設(shè)計對象的優(yōu)化設(shè)計、有限元分析和圖形顯示輸出上的支持。4） 面向集成智能化。不但支持設(shè)計的全過程，而且考慮到與CAM的集成，提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)模型和數(shù)據(jù)交換接口。5） 提供強(qiáng)大的人機(jī)交互功能。使設(shè)計師對智能設(shè)計過程的干預(yù)，即與人工智能融合成為可能。智能設(shè)計的層次綜合國內(nèi)外關(guān)于智能設(shè)計的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，智能設(shè)計按設(shè)計能力可以分為三個層次：常規(guī)設(shè)計、聯(lián)想設(shè)計和進(jìn)化設(shè)計。（1） 常規(guī)設(shè)計即設(shè)計屬性、設(shè)計進(jìn)程、設(shè)計策略已經(jīng)規(guī)劃好，智能系統(tǒng)在推理機(jī)的作用下，調(diào)用符號模型如規(guī)則、語義網(wǎng)絡(luò)、框架等）進(jìn)行設(shè)計。目前，國內(nèi)外投入應(yīng)用的智能設(shè)計系統(tǒng)大多屬于此類，如日本NEC公司用于VLSI產(chǎn)品布置設(shè)計的Wirex系統(tǒng)，華中理工大學(xué)開發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)V帶傳動設(shè)計專家系統(tǒng)（JDDES）、壓力容器智能CAD系統(tǒng)等。這類智能系統(tǒng)常常只能解決定義良好、結(jié)構(gòu)良好的常規(guī)問題，故稱常規(guī)設(shè)計。（2） 聯(lián)想設(shè)計目前研究可分為兩類：一類是利用工程中已有的設(shè)計事例，進(jìn)行比較，獲取現(xiàn)有設(shè)計的指導(dǎo)信息，這需要收集大量良好的、可對比的設(shè)計事例，對大多數(shù)問題是困難的；另一類是利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)值處理能力，從試驗(yàn)數(shù)據(jù)、計算數(shù)據(jù)中獲得關(guān)于設(shè)計的隱含知識，以指導(dǎo)設(shè)計。這類設(shè)計借助于其他事例和設(shè)計數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了對常規(guī)設(shè)計的一定突破，稱為聯(lián)想設(shè)計。（3） 進(jìn)化設(shè)計遺傳算法是一種借鑒生物界自然選擇和自然進(jìn)化機(jī)制的、高度并行的、隨機(jī)的、自適應(yīng)的搜索算法。20世紀(jì)80年代早期，遺傳算法已在人工搜索、函數(shù)優(yōu)化等方面得到廣泛應(yīng)用，并推廣到計算機(jī)科學(xué)、機(jī)械工程等多個領(lǐng)域。進(jìn)入20世紀(jì)90年代，遺傳算法的研究在其基于種群進(jìn)化的原理上，拓展出進(jìn)化編程、進(jìn)化策略等方向，它們并稱為進(jìn)化計算。進(jìn)化計算使得智能設(shè)計拓展到進(jìn)化設(shè)計。綜上所述可得如下結(jié)論：（1） 在CIMS的推動下，設(shè)計技術(shù)發(fā)展到先進(jìn)設(shè)計技術(shù)階段，其代表形式是I2CAD;（2） I2CAD的智能部分工作則是由人機(jī)智能化設(shè)計系統(tǒng)承擔(dān)，它構(gòu)成了智能設(shè)計（計算機(jī)化的設(shè)計智能）的高級階段；（3） 以人機(jī)智能化設(shè)計系統(tǒng)為代表的智能設(shè)計乃是新世紀(jì)設(shè)計技術(shù)的核心。近10年來，CIMS（計算機(jī)集成制造系統(tǒng)）的迅速發(fā)展向智能設(shè)計提出了新的挑戰(zhàn)。在CIMS這樣的環(huán)境下，產(chǎn)品設(shè)計作為企業(yè)生產(chǎn)的關(guān)鍵性環(huán)節(jié)，其重要性更加突出，為了從根本上強(qiáng)化企業(yè)對市場需求的快速反應(yīng)能力和競爭能力，提高制造業(yè)對市場變化和小批量、多品種要求的迅速響應(yīng)能力，人們對設(shè)計自動化提出了更高的要求，在計算機(jī)提供知識處理自動化（這可由設(shè)計型專家系統(tǒng)完成）的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)決策自動化，即幫助人類設(shè)計專家在設(shè)計活動中進(jìn)行決策。需要指出的是，這里所說的決策自動化決不是排斥人類專家的自動化。恰恰相反，在大規(guī)模的集成環(huán)境下，人在系統(tǒng)中扮演的角色將更加重要。人類專家將永遠(yuǎn)是系統(tǒng)中最有創(chuàng)造性的知識源和關(guān)鍵性的決策者。因此，CIMS這樣的復(fù)雜巨系統(tǒng)必定是人機(jī)結(jié)合的集成化智能系統(tǒng)。與此相適應(yīng)，面向CIMS的智能設(shè)計走向了智能設(shè)計的高級階段一一人機(jī)智能化設(shè)計系統(tǒng)。雖然它也需要采用專家系統(tǒng)技術(shù)，但只是將其作為自身的技術(shù)基礎(chǔ)之一，與設(shè)計型專家系統(tǒng)之間存在著根本的區(qū)別。設(shè)計型專家系統(tǒng)與人機(jī)智能化設(shè)計系統(tǒng)在內(nèi)核上存在差異，由此可派生出兩者在其他方面的不同點(diǎn)，例如，（1）設(shè)計型專家系統(tǒng)一般只解決某一領(lǐng)域的特定問題，比較孤立和封閉，難以與其他知識系統(tǒng)集成，而人機(jī)智能化設(shè)計系統(tǒng)面向整個設(shè)計過程，是一種開放的體系結(jié)構(gòu)。（2） 設(shè)計型專家系統(tǒng)只處理單一領(lǐng)域知識的符號推理問題，人機(jī)智能優(yōu)化設(shè)計系統(tǒng)則要處理多領(lǐng)域知識，多種描述形式的知識，是集成化的大規(guī)模知識處理環(huán)境。（3） 設(shè)計型專家系統(tǒng)一般只解決某單一知識領(lǐng)域范疇，相當(dāng)于模擬設(shè)計專家個體的推理活動，屬于簡單系統(tǒng)。而人機(jī)智能化設(shè)計系統(tǒng)設(shè)計多領(lǐng)域多多學(xué)科知識范疇，是模擬和協(xié)助人類專家群體的推理決策活動，是人機(jī)復(fù)雜系統(tǒng)。（4） 從知識模型來看，設(shè)計型專家系統(tǒng)知識圍繞具體產(chǎn)品設(shè)計模型或針對設(shè)計過程某一特定環(huán)節(jié)（如有限元分析）的模型進(jìn)行符號推理。而人機(jī)智能化系統(tǒng)則要考慮整個設(shè)計過程的模型、設(shè)計專家思想、推理和決策的模型（認(rèn)知模型）以及設(shè)計對象（產(chǎn)品）的模型。設(shè)計型專家系統(tǒng)解決的核心問題是模式設(shè)計，方案設(shè)計可作為其典型代表。與設(shè)計型專家系統(tǒng)不同，人機(jī)智能化設(shè)計系統(tǒng)要解決的核心問題是創(chuàng)新設(shè)計，這是因?yàn)樵贑IMS這樣的大規(guī)模知識集成環(huán)境中，設(shè)計活動涉及多領(lǐng)域和多學(xué)科的知識，其影響因素錯綜復(fù)雜。CIMS環(huán)境對設(shè)計活動的柔性提出了更高要求，很難抽象出有限的穩(wěn)態(tài)模式。換言之，設(shè)計模式千變?nèi)f化，幾乎難以窮盡。這樣的設(shè)計活動必定更多地帶有創(chuàng)新色彩，因此創(chuàng)新設(shè)計是人機(jī)智能化設(shè)計系統(tǒng)的核心所在。智能設(shè)計系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)包括：設(shè)計過程的再認(rèn)識、設(shè)計知識表示、多專家系統(tǒng)協(xié)同技術(shù)、再設(shè)計與自學(xué)習(xí)機(jī)制、多種推理機(jī)制的綜合應(yīng)用、智能化人機(jī)接口等。（1） 設(shè)計過程的再認(rèn)識智能設(shè)計系統(tǒng)的發(fā)展取決于對設(shè)計過程本身的理解。盡管人們在設(shè)計方法、設(shè)計程序和設(shè)計規(guī)律等方面進(jìn)行了大量探索，但從計算機(jī)化的角度看，目前的設(shè)計方法學(xué)還遠(yuǎn)不能適應(yīng)設(shè)計技術(shù)發(fā)展的需求，仍然需要探索適合于計算機(jī)處理的設(shè)計理論和設(shè)計模式。（2） 設(shè)計知識表示設(shè)計過程是一個非常復(fù)雜的過程，它涉及到多種不同類型知識的應(yīng)用，因此單一知識表示方式不足以有效表達(dá)各種設(shè)計知識，如何建立有效的知識表示模型和有效的知識表示方式，始終是設(shè)計類專家系統(tǒng)成功的關(guān)鍵。一般采用多層知識表達(dá)模式，將元知識、定性推理知識以及數(shù)學(xué)模型和方法等相結(jié)合，根據(jù)不同類型知識的特點(diǎn)采用相應(yīng)的表達(dá)方式，在表達(dá)能力、推理效率與可維護(hù)性等方面進(jìn)行綜合考慮。面向?qū)ο蟮闹R表示，框架式的知識結(jié)構(gòu)是目前采用的流行方法。（3） 多專家系統(tǒng)協(xié)同合作以及信息處理較復(fù)雜的設(shè)計過程一般可分解為若干個環(huán)節(jié)，每個環(huán)節(jié)對應(yīng)一個專家系統(tǒng)，多個專家系統(tǒng)協(xié)同合作、信息共享，并利用模糊評價和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法以有效解決設(shè)計過程多學(xué)科、多目標(biāo)決策與優(yōu)化難題。（4） 再設(shè)計與自學(xué)習(xí)機(jī)制當(dāng)設(shè)計結(jié)果不能滿足要求時，系統(tǒng)應(yīng)該能夠返回到相應(yīng)的層次進(jìn)行再設(shè)計，以完成局部和全局的重新設(shè)計任務(wù)。同時，可以采用歸納推理和類比推理等方法獲得新的知識，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，不斷擴(kuò)充知識庫，并通過再學(xué)習(xí)達(dá)到自我完善。（5） 多種推理機(jī)制的綜合應(yīng)用智能設(shè)計系統(tǒng)中，除了演繹推理外，還應(yīng)該包括歸納推理（包括理想、類比推理）基于實(shí)例的類比推理、各種非標(biāo)準(zhǔn)推理（如非音調(diào)邏輯推理、加權(quán)邏輯推理等）以及各種基于不完全知識的模糊邏輯推理方式等。上述推理方式的綜合應(yīng)用，可以博采眾長，更好地實(shí)現(xiàn)設(shè)計系統(tǒng)的智能化。這是（6） 智能化人機(jī)接口良好的人機(jī)接口對智能設(shè)計系統(tǒng)是十分必要的，對于復(fù)雜的設(shè)計任務(wù)以及設(shè)計過程中的某些決策活動，在設(shè)計專家的參與下，可以得到更好的設(shè)計效果，從而充分發(fā)揮人與計算機(jī)各自的長處。（7）多方案的并行設(shè)計設(shè)計類問題是“單輸入/多輸出”問題，即用戶對產(chǎn)品提出的要求是一個，但最終設(shè)計的結(jié)果可能是多個，它們都是滿足客戶要求的可行的結(jié)果，設(shè)計問題的這一特點(diǎn)決定了設(shè)計型專家系統(tǒng)必須具有多方案設(shè)計能力、需求功能邏輯樹的采用，功能空間符號表示，矩陣表示和設(shè)計處理是多方案設(shè)計的基礎(chǔ)。另外，針對設(shè)計問題的復(fù)雜性，講其分成若干個子任務(wù)，采用分布式的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，進(jìn)行并行處理，從而有效第提高系統(tǒng)的處理效率。（8）設(shè)計信息的集成化概念設(shè)計是CAD/CAPP/CAM一體化的首要環(huán)節(jié)，設(shè)計結(jié)果是詳細(xì)設(shè)計與制造的信息基礎(chǔ)，必須考慮信息的集成。應(yīng)用面向?qū)ο蟮奶幚砑夹g(shù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的封裝和模塊化，是解決機(jī)械設(shè)計CAD/CAPP/CAM一體化的根本途徑和有效方法。值得一提的是，各種現(xiàn)代設(shè)計方法并不是完全孤立的，各類方法之間都存在一定程度上的聯(lián)系，如結(jié)構(gòu)模塊化設(shè)計方法中，劃分結(jié)構(gòu)模塊時就蘊(yùn)含有系統(tǒng)化思想，建立產(chǎn)品特征及設(shè)計方法知識庫和推理機(jī)時，通常也--完整版學(xué)習(xí)資料分享----需運(yùn)用系統(tǒng)化和結(jié)構(gòu)模塊化方法，此外，基于產(chǎn)品特征知識的設(shè)計同時又是方案智能化設(shè)計的基礎(chǔ)之一。在機(jī)械產(chǎn)品方案設(shè)計中，視能夠?qū)崿F(xiàn)特定功能的通用零件、部件或常用機(jī)構(gòu)為結(jié)構(gòu)模塊，并將其應(yīng)用到系統(tǒng)化設(shè)計有關(guān)層次的具體設(shè)計中，即將結(jié)構(gòu)模塊化方法融于系統(tǒng)化設(shè)計方法中，不僅可以保證設(shè)計的規(guī)范化，而且可以簡化設(shè)計過程，提高設(shè)計效率和質(zhì)量，降低設(shè)計成本。網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的蓬勃發(fā)展，異地協(xié)同設(shè)計與制造，以及從用戶對產(chǎn)品的功能需求一設(shè)計一加工一裝配一成品這一并行工程的實(shí)現(xiàn)成為可能。但是，達(dá)到這些目標(biāo)的重要前提條件之一，就是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品方案設(shè)計效果的三維可視化。為此，不僅三維圖形軟件、智能化設(shè)計軟件愈來愈多地應(yīng)用于產(chǎn)品的方案設(shè)計中，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)以及多媒體、超媒體工具也在產(chǎn)品的方案設(shè)計中初露鋒芒。目前，德國等發(fā)達(dá)國家正著力于研究超媒體技術(shù)、產(chǎn)品數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)STEP，以及標(biāo)準(zhǔn)虛擬現(xiàn)實(shí)造型語言VRML(Intemet上基于虛擬環(huán)境的標(biāo)準(zhǔn)交換格式)在產(chǎn)品設(shè)計中的應(yīng)用。機(jī)械產(chǎn)品的方案設(shè)計正朝著計算機(jī)輔助實(shí)現(xiàn)、智能化設(shè)計和滿足異地協(xié)同設(shè)計制造需求的方向邁進(jìn)，由于產(chǎn)品方案設(shè)計計算機(jī)實(shí)現(xiàn)方法的研究起步較晚，目前還沒有成熟的、能夠達(dá)到上述目標(biāo)的方案設(shè)計工具軟件。作者認(rèn)為，綜合運(yùn)用文中四種類型設(shè)計方法是達(dá)到這一目標(biāo)有效途徑。雖然這些方法的綜合運(yùn)用涉及的領(lǐng)域較多，不僅與機(jī)械設(shè)