機(jī)械CAD及其應(yīng)用第十章設(shè)計(jì)型專家系統(tǒng)

第十章

設(shè)計(jì)型專家系統(tǒng)

10.1專家系統(tǒng)概述10.1.1專家系統(tǒng)的特點(diǎn)與類型1.

專家系統(tǒng)的特點(diǎn)專家系統(tǒng)：是在特定領(lǐng)域中的一套計(jì)算機(jī)程序，它具有專家工作時(shí)利用知識(shí)推理的能力。

人工智能以計(jì)算機(jī)模擬人的智能為目標(biāo)，其基本特點(diǎn)是對(duì)符號(hào)信息系統(tǒng)的自動(dòng)處理。第一頁(yè)，編輯于星期日：十點(diǎn)二十九分。(1)

啟發(fā)性它除了能利用大量專業(yè)知識(shí)外，還能利用經(jīng)驗(yàn)知識(shí)做出假設(shè)和判斷，引導(dǎo)推理的正確性。(2)

透明性專家系統(tǒng)能將其工作過(guò)程顯示給用戶，能對(duì)用戶提問(wèn)做出必要的解釋，并能為用戶提供咨詢。(3)靈活性正如人類專家可以修改自己擁有的知識(shí)和學(xué)習(xí)新知識(shí)一樣，專家系統(tǒng)也能增加和修改它所擁有的知識(shí)，以適應(yīng)逐漸復(fù)雜化的問(wèn)題求解。專家系統(tǒng)有以下特點(diǎn)：第二頁(yè)，編輯于星期日：十點(diǎn)二十九分。方面?zhèn)鹘y(tǒng)程序?qū)＜蚁到y(tǒng)編程思想依據(jù)某一算法強(qiáng)調(diào)啟發(fā)式知識(shí)的利用編程方法知識(shí)和推理混在一起知識(shí)庫(kù)與推理機(jī)分開處理對(duì)象數(shù)值量符號(hào)+數(shù)值性能修改難，要修改源程序，重新編譯易，只需修改知識(shí)庫(kù)執(zhí)行中解釋不能可以執(zhí)行過(guò)程按編程規(guī)定的內(nèi)部邏輯，順序執(zhí)行根據(jù)條件和知識(shí)，決定執(zhí)行路線所得結(jié)果結(jié)果正確，不允許不確切結(jié)果滿意，可以不確切專家系統(tǒng)與傳統(tǒng)程序的區(qū)別第三頁(yè)，編輯于星期日：十點(diǎn)二十九分。(1)

解釋型專家系統(tǒng)根據(jù)獲得的數(shù)據(jù)去分析問(wèn)題的結(jié)構(gòu)或狀態(tài)。(2)

預(yù)測(cè)型專家系統(tǒng)根據(jù)過(guò)去及現(xiàn)在所有的情況推斷將來(lái)的情況。(3)

診斷型專家系統(tǒng)根據(jù)觀察到的事實(shí)推斷對(duì)象系統(tǒng)的功能故障。(4)

監(jiān)控型專家系統(tǒng)連續(xù)地對(duì)對(duì)象系統(tǒng)的行為進(jìn)行觀察，并在需要干預(yù)的時(shí)候發(fā)出警報(bào)或進(jìn)行監(jiān)控。(5)

規(guī)劃型專家系統(tǒng)為完成特定目標(biāo)而采取的一系列動(dòng)作或解決問(wèn)題的步驟。(6)設(shè)計(jì)型專家系統(tǒng)構(gòu)造對(duì)象模型(方案)，而且滿足約束條件，如機(jī)械設(shè)計(jì)、電子電路設(shè)計(jì)、建筑設(shè)計(jì)等。2.專家系統(tǒng)類型第四頁(yè)，編輯于星期日：十點(diǎn)二十九分。人機(jī)接口知識(shí)獲取模塊知識(shí)庫(kù)維護(hù)模塊解釋機(jī)制上下文(數(shù)據(jù)庫(kù))推理機(jī)知識(shí)庫(kù)專家系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)10.1.2專家系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)第五頁(yè)，編輯于星期日：十點(diǎn)二十九分。(2)上下文

它與數(shù)據(jù)庫(kù)相似，動(dòng)態(tài)地反映或存放求解領(lǐng)域問(wèn)題時(shí)的原始數(shù)據(jù)及事實(shí)，以及中間和結(jié)果信息。

(3)

推理機(jī)在一定的控制策略下，針對(duì)上下問(wèn)中的當(dāng)前信息，選取知識(shí)進(jìn)行推理，以求解問(wèn)題的結(jié)果。常見的推理控制方式有：數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的正向推理，目標(biāo)驅(qū)動(dòng)的反向推理，正反向結(jié)合的混合推理等；針對(duì)知識(shí)的精確與否，又可分為精確推理與不精確推理兩種。(4)知識(shí)獲取模塊

知識(shí)獲取分為人工方式、智能編輯及自動(dòng)方式三種。(1)

知識(shí)庫(kù)存放領(lǐng)域?qū)＜姨峁┑膶＜抑R(shí)。它們包括書本知識(shí)(理論知識(shí))、常識(shí)性知識(shí)以及憑經(jīng)驗(yàn)得到的啟發(fā)式知識(shí)。人機(jī)接口知識(shí)獲取模塊知識(shí)庫(kù)維護(hù)模塊解釋機(jī)制上下文(數(shù)據(jù)庫(kù))推理機(jī)知識(shí)庫(kù)第六頁(yè)，編輯于星期日：十點(diǎn)二十九分。(6)

解釋機(jī)制回答用戶的提問(wèn)，對(duì)求解過(guò)程及求解狀態(tài)進(jìn)行說(shuō)明。幫助用戶了解求解的過(guò)程，判斷求解的正確性，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的錯(cuò)誤，增強(qiáng)對(duì)所得結(jié)果的信任度。(7)人機(jī)接口一方面將專家或用戶的輸入信息翻譯成計(jì)算機(jī)可接受的內(nèi)部信息形式；另一方面將系統(tǒng)的反饋信息(如解釋，結(jié)果等)輸出顯示。(5)

知識(shí)維護(hù)模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)知識(shí)庫(kù)中知識(shí)的矛盾、冗余檢查，新知識(shí)加入后對(duì)已有知識(shí)的調(diào)整檢查，以及對(duì)知識(shí)庫(kù)的瀏覽、增、刪、改等操作。人機(jī)接口知識(shí)獲取模塊知識(shí)庫(kù)維護(hù)模塊解釋機(jī)制上下文(數(shù)據(jù)庫(kù))推理機(jī)知識(shí)庫(kù)第七頁(yè)，編輯于星期日：十點(diǎn)二十九分。

機(jī)械設(shè)計(jì)的決策：①設(shè)計(jì)過(guò)程決策即決定下一步應(yīng)該做什么，如是材料選擇還是應(yīng)力計(jì)算，即決定設(shè)計(jì)步驟；②技術(shù)過(guò)程決策即對(duì)某個(gè)具體技術(shù)問(wèn)題在記過(guò)某些分析、計(jì)算或比較后，決定是否可以接受，例如材料、幾何形狀、結(jié)構(gòu)大小、加工工藝等；③評(píng)價(jià)性決策即對(duì)整個(gè)設(shè)計(jì)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，確定可接受的標(biāo)準(zhǔn)，并在滿足所有約束條件及目標(biāo)要求的情況下選擇一個(gè)較優(yōu)的設(shè)計(jì)。10.1.3機(jī)械設(shè)計(jì)型專家系統(tǒng)的特點(diǎn)第八頁(yè)，編輯于星期日：十點(diǎn)二十九分。2.設(shè)計(jì)過(guò)程決策、技術(shù)問(wèn)題決策及評(píng)價(jià)性決策需要多種資源支持機(jī)械設(shè)計(jì)型專家系統(tǒng)有以下特點(diǎn)：1.時(shí)常采用“設(shè)計(jì)—決策—再設(shè)計(jì)”的決策模型規(guī)劃資源設(shè)計(jì)資源數(shù)據(jù)資源分析資源圖形資源評(píng)價(jià)資源設(shè)計(jì)過(guò)程決策技術(shù)問(wèn)題決策評(píng)價(jià)性決策決策所需資源第九頁(yè)，編輯于星期日：十點(diǎn)二十九分。a)

大的決策空間b)

機(jī)械設(shè)計(jì)的多目標(biāo)性及解的不一致性c)

機(jī)械設(shè)計(jì)知識(shí)的多樣性、病態(tài)結(jié)構(gòu)及其模糊性d)

設(shè)計(jì)變量、設(shè)計(jì)子任務(wù)和設(shè)計(jì)目標(biāo)的相關(guān)性e)

接口技術(shù)的綜合性3.機(jī)械設(shè)計(jì)型專家系統(tǒng)具有的特殊困難第十頁(yè)，編輯于星期日：十點(diǎn)二十九分。

1.知識(shí)庫(kù)規(guī)則1：IF動(dòng)物有毛發(fā)；THEN該動(dòng)物為哺乳動(dòng)物；

2.推理機(jī)規(guī)則2：IF動(dòng)物有奶；THEN該動(dòng)物為哺乳動(dòng)物；規(guī)則3：IF動(dòng)物有羽毛；THEN該動(dòng)物為鳥；規(guī)則3：IF動(dòng)物會(huì)飛，且會(huì)下蛋；THEN該動(dòng)物為鳥；規(guī)則5：IF動(dòng)物吃肉；THEN該動(dòng)物是食肉動(dòng)物；規(guī)則6：IF動(dòng)物有犬齒，且有爪，且眼睛盯前方；THEN該動(dòng)物是食肉動(dòng)物；規(guī)則7：IF動(dòng)物是哺乳動(dòng)物，且有蹄；THEN該動(dòng)物為有蹄哺乳動(dòng)物；規(guī)則8：IF動(dòng)物是哺乳動(dòng)物，且是反芻動(dòng)物；THEN該動(dòng)物為有蹄類動(dòng)物；規(guī)則9：IF動(dòng)物是哺乳動(dòng)物，且是食肉動(dòng)物，且是黃褐色，且有暗斑點(diǎn)；

THEN該動(dòng)物為豹；規(guī)則10：IF是黃褐色動(dòng)物，且是哺乳動(dòng)物，且是食肉動(dòng)物且有黑條紋；THEN該動(dòng)物為虎；規(guī)則11：IF動(dòng)物有暗斑點(diǎn)，且有長(zhǎng)腿，且有長(zhǎng)勃子，且為有蹄動(dòng)物：THEN該動(dòng)物是長(zhǎng)頸鹿；規(guī)則12：IF該動(dòng)物有黑條紋，且為有蹄動(dòng)物；THEN該動(dòng)物是斑馬10.1.4專家系統(tǒng)實(shí)例——“動(dòng)物識(shí)別”專家系統(tǒng)第十一頁(yè)，編輯于星期日：十點(diǎn)二十九分。長(zhǎng)腿黑條紋長(zhǎng)脖子有蹄類鳥黑白色豹虎長(zhǎng)頸鹿斑馬鴕鳥企鵝信天翁黃褐色暗斑點(diǎn)有蹄不會(huì)飛會(huì)游泳善飛吃肉有犬齒有爪有毛發(fā)有奶有羽毛會(huì)飛下蛋食肉動(dòng)物哺乳動(dòng)物反芻動(dòng)物眼睛前方R4R15R10R11R12R13R14R9R8R7R1R2R3R5R6動(dòng)物識(shí)別的知識(shí)推理網(wǎng)絡(luò)觀察外觀得到的條件：有奶，有蹄，有斑點(diǎn)，長(zhǎng)腿，長(zhǎng)脖子哺乳動(dòng)物有奶R2有蹄類有蹄暗斑點(diǎn)長(zhǎng)腿長(zhǎng)脖子長(zhǎng)頸鹿第十二頁(yè)，編輯于星期日：十點(diǎn)二十九分。初始設(shè)計(jì)知識(shí)分析知識(shí)知識(shí)庫(kù)控制的模塊化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)知識(shí)再設(shè)計(jì)知識(shí)決策知識(shí)設(shè)計(jì)條件中間信息黑板最終結(jié)果………控制模塊用戶接口(I/O)10.2設(shè)計(jì)型專家系統(tǒng)的控制與求解策略10.2.1總控策略不成功不可接受可接受設(shè)計(jì)要求初始設(shè)計(jì)分析再設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)結(jié)束“設(shè)計(jì)—評(píng)價(jià)—再設(shè)計(jì)”的過(guò)程決策模型第十三頁(yè)，編輯于星期日：十點(diǎn)二十九分。機(jī)械產(chǎn)品方案設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)實(shí)質(zhì)上是機(jī)械設(shè)計(jì)中模式設(shè)計(jì)過(guò)程的模擬。組成模式的各個(gè)部分可稱為概念，將有效的概念組合起來(lái)，就是方案設(shè)計(jì)的任務(wù)。機(jī)械設(shè)計(jì)方案設(shè)計(jì)包括了模式設(shè)計(jì)(概念的組合)及參數(shù)設(shè)計(jì)(確定概念的屬性及屬性值)兩大部分。

1.方案設(shè)計(jì)的求解策略

10.2.2方案設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)的求解策略與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第十四頁(yè)，編輯于星期日：十點(diǎn)二十九分。概念設(shè)計(jì)滿意否結(jié)束方案設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)的求解策略模型設(shè)計(jì)條件一組方案最佳方案方案評(píng)價(jià)參數(shù)設(shè)計(jì)方案設(shè)計(jì)再設(shè)計(jì)成功布置設(shè)計(jì)概念設(shè)計(jì)篩選策略評(píng)價(jià)模型求解器分析模型方案儲(chǔ)存器評(píng)價(jià)指標(biāo)方法庫(kù)分析指標(biāo)概念設(shè)計(jì)知識(shí)再設(shè)計(jì)知識(shí)庫(kù)再設(shè)計(jì)策略布置策略模型庫(kù)NYYN第十五頁(yè)，編輯于星期日：十點(diǎn)二十九分。機(jī)械產(chǎn)品方案設(shè)計(jì)問(wèn)題是一個(gè)多目標(biāo)、多任務(wù)、多層次、推理與分析、評(píng)價(jià)與決策的復(fù)雜求解過(guò)程。在考慮具體的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)時(shí)，除了要遵循上面已經(jīng)敘述過(guò)的求解策略外，在結(jié)構(gòu)上還應(yīng)考慮以下要求：a)

知識(shí)庫(kù)要與控制結(jié)構(gòu)分開，以便知識(shí)庫(kù)的擴(kuò)充和改進(jìn)；b)

要有一個(gè)好的用戶界面，使之易于操作，易于信息交換，并易于獲得各種解釋；c)

有效的知識(shí)獲取及維護(hù)功能；d)實(shí)現(xiàn)功能獨(dú)立的模塊結(jié)構(gòu)，以利于系統(tǒng)的改進(jìn)與擴(kuò)充。

2.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第十六頁(yè)，編輯于星期日：十點(diǎn)二十九分。概念設(shè)計(jì)方案設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)結(jié)構(gòu)任務(wù)定義方案評(píng)價(jià)參數(shù)設(shè)計(jì)方案分析設(shè)計(jì)條件推理機(jī)布置設(shè)計(jì)知識(shí)獲取及維護(hù)求解器再設(shè)計(jì)解釋靜態(tài)事實(shí)庫(kù)動(dòng)態(tài)事實(shí)庫(kù)中間結(jié)果庫(kù)知識(shí)庫(kù)模型庫(kù)數(shù)據(jù)庫(kù)第十七頁(yè)，編輯于星期日：十點(diǎn)二十九分。知識(shí)庫(kù)的基本任務(wù)：①知識(shí)獲?。虎谶x擇合適的知識(shí)表示方法，完成知識(shí)的外部格式文件到計(jì)算機(jī)內(nèi)部格式的轉(zhuǎn)化，建成知識(shí)庫(kù)；③知識(shí)庫(kù)的管理。10.3.1知識(shí)獲取1.知識(shí)獲取的任務(wù)知識(shí)獲取是指從某個(gè)或某些知識(shí)源那里提取問(wèn)題求解所需的領(lǐng)域?qū)ｉT知識(shí)，并將這些專門知識(shí)轉(zhuǎn)換為一種計(jì)算機(jī)內(nèi)的儲(chǔ)存方式。2.

知識(shí)獲取的方式(1)人工方式(2)半自動(dòng)方式(3)全自動(dòng)方式

10.3知識(shí)庫(kù)建造第十八頁(yè)，編輯于星期日：十點(diǎn)二十九分。(1)問(wèn)題識(shí)別階段

(2)概念化階段

(3)形式化階段

(4)實(shí)現(xiàn)階段

(5)檢驗(yàn)階段

3.知識(shí)獲取的主要步驟第十九頁(yè)，編輯于星期日：十點(diǎn)二十九分。10.4.1計(jì)型專家系統(tǒng)的開發(fā)過(guò)程1.建立設(shè)計(jì)型專家系統(tǒng)的步驟a)

問(wèn)題定義階段b)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段c)

知識(shí)獲取階段d)

原型實(shí)現(xiàn)階段e)測(cè)試改進(jìn)階段

10.4設(shè)計(jì)型專家系統(tǒng)的開發(fā)及舉例第二十頁(yè)，編輯于星期日：十點(diǎn)二十九分。設(shè)計(jì)型專家系統(tǒng)的開發(fā)步驟系統(tǒng)設(shè)計(jì)●確定任務(wù)●了解知識(shí)●求解方法●系統(tǒng)功能●知識(shí)表示●推理方法●系統(tǒng)結(jié)構(gòu)●獲取知識(shí)●建立知識(shí)庫(kù)●模塊實(shí)現(xiàn)●系統(tǒng)聯(lián)調(diào)●測(cè)試●評(píng)價(jià)●改進(jìn)改進(jìn)改進(jìn)再設(shè)計(jì)再定義測(cè)試改進(jìn)原型實(shí)現(xiàn)知識(shí)獲取問(wèn)題定義第二十一頁(yè)，編輯于星期日：十點(diǎn)二十九分。知識(shí)表示了解知識(shí)求解方法系統(tǒng)功能確定任務(wù)推理方法系統(tǒng)結(jié)構(gòu)獲取知識(shí)建立知識(shí)庫(kù)模塊實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)聯(lián)調(diào)測(cè)試評(píng)價(jià)改進(jìn)測(cè)試改進(jìn)階段演示原型研究原型領(lǐng)域原型產(chǎn)品原型商品化系統(tǒng)原型維生命周期維步驟維原型實(shí)現(xiàn)階段知識(shí)獲取階段系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段問(wèn)題定義階段2.三維漸進(jìn)式開發(fā)模型

第二十二頁(yè)，編輯于星期日：十點(diǎn)二十九分。龍門銑進(jìn)給箱方案設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)1.

背景2.FBCDES的功能(1)動(dòng)力源設(shè)計(jì)(2)傳動(dòng)系設(shè)計(jì)(3)軸承選擇設(shè)計(jì)(4)聯(lián)接方式設(shè)計(jì)(5)密封方式設(shè)計(jì)(6)潤(rùn)滑方式設(shè)計(jì)(7)布置設(shè)計(jì)(8)重要參數(shù)選擇(9)分析評(píng)價(jià)與報(bào)價(jià)10.4.2設(shè)計(jì)型專家系統(tǒng)的舉例第二十三頁(yè)，編輯于星期日：十點(diǎn)二十九分。從用戶那里獲得主要輸入信息有：進(jìn)給箱型號(hào)、設(shè)計(jì)者、驅(qū)動(dòng)件類型、龍門銑類型、進(jìn)給箱類型、銑頭方向、工作臺(tái)尺寸(長(zhǎng)與寬)、設(shè)計(jì)空間尺寸(長(zhǎng)、寬、高)、工作臺(tái)承載、最大最小進(jìn)給速度、主軸箱功率、主軸最高及最低轉(zhuǎn)速等。設(shè)計(jì)結(jié)果將存入數(shù)據(jù)文件或數(shù)據(jù)庫(kù)中，供后續(xù)的零部件設(shè)計(jì)使用。主要的輸出信息有：動(dòng)力源類型、型號(hào)、功率、轉(zhuǎn)速及扭矩；傳動(dòng)變速方式、齒輪副數(shù)、軸數(shù)、傳動(dòng)圖；各齒輪副的速比、齒數(shù)、模數(shù)、在軸上的位置、加工精度；傳動(dòng)軸間中心范圍；各軸參考直徑；各軸的軸承個(gè)數(shù)、位置、類型；箱體參考尺寸；各零件的材料；密封、聯(lián)接、潤(rùn)滑方式；多種形