計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)

5、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（1）基本概念和特點(diǎn)

計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CompaterAidedDesign——CAD）是指在設(shè)計(jì)活動(dòng)中，利用計(jì)算機(jī)作為工具，幫助工程技術(shù)人員進(jìn)行設(shè)計(jì)的一切適用技術(shù)的總和。

計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)是人和計(jì)算機(jī)相結(jié)合、各盡所長(zhǎng)的新型設(shè)計(jì)方法。一個(gè)好的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)既能充分發(fā)揮人的創(chuàng)造性作用，又能充分利用計(jì)算機(jī)的高速分析計(jì)算能力，找到人和計(jì)算機(jī)最佳結(jié)合點(diǎn)。

CAD的過(guò)程為：先進(jìn)行設(shè)計(jì)方案構(gòu)思、工作原理擬定等創(chuàng)造性的思維活動(dòng)然后將設(shè)計(jì)思想、設(shè)計(jì)方法經(jīng)過(guò)綜合、分析，轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)可以處理的數(shù)學(xué)模型最后編寫能解析這些模型的計(jì)算機(jī)程序。

計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)包括的內(nèi)容很多，如優(yōu)化設(shè)計(jì)、有限元分析、計(jì)算機(jī)仿真、計(jì)算機(jī)繪圖等。在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)工作中，計(jì)算機(jī)的任務(wù)實(shí)質(zhì)上是進(jìn)行大量信息的加工、管理和交換。在CAD作業(yè)過(guò)程中，邏輯判斷、科學(xué)計(jì)算和創(chuàng)造性思維是反復(fù)交叉進(jìn)行的。一個(gè)完整的CAD系統(tǒng)，應(yīng)在設(shè)計(jì)過(guò)程中的各個(gè)階段都能發(fā)揮作用。而要實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，就必須具備以下三個(gè)條件：①建立完備的產(chǎn)品設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)。產(chǎn)品設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)是用來(lái)存儲(chǔ)設(shè)計(jì)某類產(chǎn)品所需的各種信息，如標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、公式等。

②建立完備的應(yīng)用程序庫(kù)。即將解決某一類工程設(shè)計(jì)問(wèn)題的通用及專用設(shè)計(jì)程序，如優(yōu)化程序、有限元程序等。③建立多功能交互式圖形庫(kù)。利用圖形庫(kù)可以進(jìn)行二維及三維圖形的信息處理，能在此基礎(chǔ)上繪制工程設(shè)計(jì)圖，建立標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)、零部件庫(kù)等圖形處理工作。與傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)相比，CAD技術(shù)都有著巨大的優(yōu)越性。主要表現(xiàn)在：①CAD可以提高設(shè)計(jì)質(zhì)量。

②CAD可以節(jié)省時(shí)間，提高生產(chǎn)率。

③CAD可以較大幅度地降低成本。

④

CAD技術(shù)將設(shè)計(jì)人員從繁瑣的計(jì)算和繪圖工作中解放出來(lái)，使其可以從事更多的創(chuàng)造性勞動(dòng)。

（2）計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的研究熱點(diǎn)及展望

CAD技術(shù)現(xiàn)今及將來(lái)會(huì)在以下幾方面進(jìn)行重點(diǎn)研究，并將取得進(jìn)展。

①參數(shù)化設(shè)計(jì)

用CAD方法開(kāi)發(fā)產(chǎn)品時(shí)，零件設(shè)計(jì)模型的建立速度是決定整個(gè)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)效率的關(guān)鍵。產(chǎn)品開(kāi)發(fā)初期，零件形狀和尺寸有一定模糊性，要在裝配驗(yàn)證、性能分析和數(shù)控編程之后才能確定，這就希望零件模型具有易于修改的柔性。

參數(shù)化設(shè)計(jì)方法就是將模型中的定量信息變量化，使之成為任意調(diào)整的參數(shù)。對(duì)于變量化參數(shù)賦予不同數(shù)值，就可得到不同大小和形狀的零件模型。

參數(shù)化設(shè)計(jì)可以大大提高模型的生成和修改速度，在產(chǎn)品的系列設(shè)計(jì)、相似設(shè)計(jì)及專用CAD系統(tǒng)開(kāi)發(fā)方面都具有較大的應(yīng)用價(jià)值。

②

智能CAD

智能CAD是指通過(guò)運(yùn)用專家系統(tǒng)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等人工智能技術(shù)使在作業(yè)過(guò)程中具有某種程度人工智能的CAD系統(tǒng)。

專家系統(tǒng)是一個(gè)能在某個(gè)特定領(lǐng)域內(nèi)，用人類專家的知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)和能力去解決該領(lǐng)域中復(fù)雜困難問(wèn)題的計(jì)算機(jī)程序系統(tǒng)。

專家系統(tǒng)不同于通常的問(wèn)題求解系統(tǒng)，其基本思想是使計(jì)算機(jī)的工作過(guò)程能盡量模似領(lǐng)域?qū)＜医鉀Q實(shí)際問(wèn)題的過(guò)程。專家系統(tǒng)在CAD作業(yè)中適時(shí)給出智能化提示，告訴設(shè)計(jì)人員下一步該做什么，當(dāng)前設(shè)計(jì)存在的問(wèn)題，建議解決問(wèn)題的途徑；或模擬人的智慧，根據(jù)出現(xiàn)的問(wèn)題提出合理的解決方案。

專家系統(tǒng)是基于知識(shí)的系統(tǒng)，專家系統(tǒng)技術(shù)是知識(shí)獲取、處理和運(yùn)用的技術(shù)。知識(shí)工程是專家系統(tǒng)技術(shù)的基礎(chǔ)。專家系統(tǒng)通常由知識(shí)庫(kù)、推理機(jī)、知識(shí)獲取系統(tǒng)、解釋機(jī)構(gòu)和一些界面組成。

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有下列特征：

a.它包含大量的人工神經(jīng)元，提供了大量可供調(diào)節(jié)的變量；

b.信息是分布式存儲(chǔ)的，從而提供了聯(lián)想與全息記憶的能力；

c.具有高度的自適應(yīng)能力，高度的容錯(cuò)能力，很強(qiáng)的計(jì)算能力以及自組織能力。

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)已在語(yǔ)音識(shí)別、模式分類、自動(dòng)控制等領(lǐng)域取得了比較成功的應(yīng)用，在工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用正在不斷地研究發(fā)展，如基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域知識(shí)表達(dá)方法的研究，智能系統(tǒng)的知識(shí)自動(dòng)獲取、基因遺傳算法的原理在機(jī)械工程中的應(yīng)用。

目前，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和專家系統(tǒng)有聯(lián)合起來(lái)的趨勢(shì)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)也可設(shè)計(jì)成某種專家系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)專家系統(tǒng)的功能?；谏窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)的專家系統(tǒng)在知識(shí)獲取、并行推理、適應(yīng)性學(xué)習(xí)、聯(lián)想推理、容錯(cuò)能力方面明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的專家系統(tǒng)。

③基于特征的設(shè)計(jì)

特征設(shè)計(jì)是用易于識(shí)別的、包含加工信息的幾何單元(如孔、槽，倒角等)來(lái)取代以往設(shè)計(jì)中所用的純幾何描述(如直線、圓弧等)。

特征是構(gòu)造零件的最基本的單元要素，它們能以較高的抽象級(jí)別、不需要解釋的方式來(lái)標(biāo)示一個(gè)產(chǎn)品。它既反映零件的幾何信息，又反映零件的加工工藝特征信息。例如，對(duì)孔的設(shè)計(jì)，非特征的系統(tǒng)常采用圓柱體與某個(gè)實(shí)體進(jìn)行邏輯運(yùn)算來(lái)實(shí)現(xiàn)，計(jì)算機(jī)僅僅知道哪些部分沒(méi)有材料而已，并不能“認(rèn)識(shí)”哪是一個(gè)孔。對(duì)基于特征的設(shè)計(jì)系統(tǒng)，孔是一個(gè)特征，具有直徑、長(zhǎng)度、公差、表面粗糙度、位置等屬性，并包括它在裝配圖中的情況,每一個(gè)特征基本上對(duì)應(yīng)一組加工制造方法。特征的“語(yǔ)義”，使設(shè)計(jì)人員和工藝人員對(duì)同一特征有相同的理解，并且特征定義顯式地包含了所有幾何和非幾何信息。因此，基于特征的設(shè)計(jì)更適合于CAD/CAM的集成和CIMS中的建模需要。

④

相關(guān)性設(shè)計(jì)

相關(guān)性設(shè)計(jì)為設(shè)計(jì)工作提供了極大的方便。用戶無(wú)論是在什么地方進(jìn)行修改，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)地更新與修改有關(guān)的內(nèi)容。例如，當(dāng)用戶在左視圖上對(duì)某個(gè)尺寸進(jìn)行修改，主視圖、俯視圖和三維模型中相應(yīng)的尺寸和形狀會(huì)隨之改變。反之，在三維模型設(shè)計(jì)中的修改，同樣會(huì)在三視圖中得到改變。⑤

NURBS幾何構(gòu)型技術(shù)

NURBS（Non-UnifromRationalB-Spilnes,即非均勻有理B樣條曲線)在CAD中用來(lái)定義復(fù)雜的幾何曲面。運(yùn)用NURBS技術(shù)可以使系統(tǒng)在描述自由曲線、曲面以及精確的二次曲線、曲面時(shí)，能夠采用統(tǒng)一的算法和表示方法。用NURBS技術(shù)構(gòu)造的曲面易于生成、修改和存儲(chǔ)，為系統(tǒng)提高對(duì)曲面的構(gòu)造能力和編輯修改能力打下了基礎(chǔ)。

⑥

裝配設(shè)計(jì)和管理

裝配設(shè)計(jì)是指系統(tǒng)能夠同時(shí)完成產(chǎn)品或裝配部件的設(shè)計(jì)，而不是個(gè)別零件的設(shè)計(jì)。由于涉及到許多零件的裝配關(guān)系，裝配設(shè)計(jì)需要考慮的因素復(fù)雜，具有裝配設(shè)計(jì)功能的系統(tǒng)需要采用的技術(shù)和手段也較多，如前面提及的特征設(shè)計(jì)、參數(shù)化設(shè)計(jì)、相關(guān)性設(shè)計(jì)等。對(duì)于具有裝配設(shè)計(jì)功能的系統(tǒng)還應(yīng)能夠提供有關(guān)裝配方面的管理能力，如裝配零件邏輯關(guān)系、裝配件干涉檢查、生成裝配材料明細(xì)表、零件裝配關(guān)系展開(kāi)圖等。

⑦

CAD系統(tǒng)的集成化

CAD系統(tǒng)的集成化是將CAD和CAM集成為一個(gè)CAD/CAM系統(tǒng)。在這種系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)師可利用計(jì)算機(jī)，經(jīng)過(guò)運(yùn)動(dòng)、動(dòng)力、應(yīng)力分析，確定零部件的合理結(jié)構(gòu)形狀，自動(dòng)生成工程圖樣文件，存放在數(shù)據(jù)庫(kù)中。再由CAD/CAM系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中的圖形數(shù)據(jù)文件進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)及數(shù)控加工編程，并直接控制數(shù)控機(jī)床去加工制造。

⑧

面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)方法

面向?qū)ο蠓椒ㄊ欠治鰡?wèn)題和解決問(wèn)題的新方法。其基本出發(fā)點(diǎn)就是盡可能按照人類認(rèn)識(shí)世界的方法和思維方式來(lái)分析和解決問(wèn)題。客觀世界是由許多具體的事物或事件、抽象的概念、規(guī)則等組成的，我們將所要研究的事、物、概念等都稱為對(duì)象。面向?qū)ο蟮姆椒ㄕ且詫?duì)象作為最基本的元素，作為分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的核心。

實(shí)際應(yīng)用中對(duì)象是人們要進(jìn)行研究的“任何事物”。從最簡(jiǎn)單的整數(shù)到極其復(fù)雜的自動(dòng)化工廠都可以看作對(duì)象。對(duì)象的概念是廣義的,不僅能表示具體的實(shí)體，也能表示抽象的規(guī)則、計(jì)劃或事件。在CAD/CAM系統(tǒng)中，所定義的對(duì)象可以是用來(lái)描述幾何模型的點(diǎn)、線、面等，也可以是用來(lái)描述加工過(guò)程的零件模型、加工特征、刀具類型、刀位指令等等。

6、智能計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)（1）智能計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)的基本組成智能CAD系統(tǒng)是將人工智能原理和CAD技術(shù)用于工程設(shè)計(jì)的程序系統(tǒng)，它擁有豐富的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)公有知識(shí)和設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)資料，同時(shí)擁有眾多領(lǐng)域?qū)＜业膫€(gè)人經(jīng)驗(yàn)知識(shí)。在設(shè)計(jì)時(shí)，能夠模仿人類專家進(jìn)行創(chuàng)造性設(shè)計(jì)，并具有自學(xué)習(xí)功能，能不斷地總結(jié)成功經(jīng)驗(yàn)，不斷地吸取人類專家的知識(shí)，來(lái)補(bǔ)充自己的知識(shí)，提高自己的創(chuàng)造性能力。智能CAD系統(tǒng)人工智能原理CAD技術(shù)=+具有豐富的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)公有知識(shí)、設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)資料具有眾多領(lǐng)域內(nèi)專家的個(gè)人經(jīng)驗(yàn)、知識(shí)??能進(jìn)行創(chuàng)造性設(shè)計(jì)、具有自學(xué)習(xí)功能、不斷地總結(jié)成功經(jīng)驗(yàn)?智能CAD系統(tǒng)應(yīng)具有下面的三個(gè)功能：①該系統(tǒng)能智能地支持設(shè)計(jì)者，即在知識(shí)庫(kù)的支持下，系統(tǒng)具有搜索、推理決策的能力，包括理解設(shè)計(jì)者的意圖、設(shè)計(jì)條件和約束，提出各種可行的設(shè)計(jì)方案及結(jié)構(gòu)，能正確解釋設(shè)計(jì)者提出的問(wèn)題，查找并改正設(shè)計(jì)錯(cuò)誤。這就要求系統(tǒng)具有一個(gè)內(nèi)容豐富的知識(shí)庫(kù)和一個(gè)進(jìn)行理解推理和決策的模塊。

②系統(tǒng)具備相應(yīng)的設(shè)計(jì)資料數(shù)據(jù)庫(kù)和計(jì)算分析程序庫(kù)，還應(yīng)有圖形支撐系統(tǒng)和文件產(chǎn)生系統(tǒng)。

③系統(tǒng)具有自學(xué)習(xí)能力，即能夠不斷地總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，自動(dòng)地從知識(shí)庫(kù)將過(guò)時(shí)的、不合理的知識(shí)刪除掉，并能不斷地吸收新的知識(shí)。這就要求系統(tǒng)的知識(shí)庫(kù)具有開(kāi)放性和靈活性。

一個(gè)典型的智能CAD系統(tǒng)的組成如圖1-6所示。繪圖及文件編寫推理機(jī)領(lǐng)域?qū)＜抑R(shí)獲取知識(shí)庫(kù)模式性知識(shí)數(shù)值分析法規(guī)則性知識(shí)自學(xué)習(xí)機(jī)邏輯推理模式聯(lián)想設(shè)計(jì)資料數(shù)據(jù)庫(kù)分析計(jì)算動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)人機(jī)界面圖形交互輸入輸出用戶圖1-6CAD部分專家系統(tǒng)部分由圖1-6可知，一個(gè)智能CAD系統(tǒng)由以下幾個(gè)部分組成：①

知識(shí)獲取，用來(lái)獲取來(lái)自領(lǐng)域?qū)＜业闹R(shí)；②知識(shí)庫(kù)，用來(lái)存放各種知識(shí)，工作時(shí)與推理機(jī)交換信息；③自學(xué)習(xí)機(jī)，在推理過(guò)程中進(jìn)行學(xué)習(xí)，將得到的新知識(shí)不斷充實(shí)知識(shí)庫(kù)，并刪除知識(shí)庫(kù)中過(guò)時(shí)的知識(shí)；④人機(jī)界面，是用戶與系統(tǒng)的接口；⑤繪圖和文件編寫，從中間數(shù)據(jù)庫(kù)獲取結(jié)果數(shù)據(jù)，采用交互或自動(dòng)化的方式產(chǎn)生圖樣和設(shè)計(jì)文件；⑥動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)，存放推理過(guò)程的中間結(jié)果、用戶輸入信息及最終結(jié)果；⑦推理機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)的核心，其任務(wù)是將輸入要求與知識(shí)庫(kù)相匹配，觸發(fā)適用的規(guī)劃，使有關(guān)結(jié)論得到執(zhí)行。推理機(jī)要對(duì)各組成部分實(shí)現(xiàn)控制，解決各結(jié)論之間的矛盾，對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)束進(jìn)行評(píng)價(jià)和決策，最后得到最佳設(shè)計(jì)結(jié)果；⑧分析計(jì)算部分，用各種程序進(jìn)行計(jì)算和分析，給推理機(jī)提供定量的評(píng)價(jià)和決策數(shù)據(jù)；⑨設(shè)計(jì)資料數(shù)據(jù)庫(kù)，存放大量的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和參考資料，用來(lái)支持分析計(jì)算、評(píng)價(jià)及決策過(guò)程。（2）人工智能技術(shù)與智能設(shè)計(jì)系統(tǒng)專家系統(tǒng)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是人工智能的兩個(gè)應(yīng)用分支，由此而出現(xiàn)了不同特點(diǎn)的智能設(shè)計(jì)系統(tǒng)，即基于專家系統(tǒng)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和體現(xiàn)復(fù)合智能的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)專家系統(tǒng)的智能設(shè)計(jì)系統(tǒng)。人工智能技術(shù)專家系統(tǒng)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)人工智能基礎(chǔ)理論+CAD基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的智能設(shè)計(jì)系統(tǒng)基于專家系統(tǒng)的智能設(shè)計(jì)系統(tǒng)基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)專家系統(tǒng)的智能設(shè)計(jì)系統(tǒng)不同特點(diǎn)的智能設(shè)計(jì)系統(tǒng)兩個(gè)應(yīng)用分支①專家系統(tǒng)（ExpertSystem——ES）

專家系統(tǒng)是一種計(jì)算機(jī)程序，是基于知識(shí)的智能程序，是以專家的水平來(lái)完成一些重要問(wèn)題的計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)。專家系統(tǒng)的知識(shí)庫(kù)存有相當(dāng)數(shù)量的權(quán)威性知識(shí)，系統(tǒng)能運(yùn)用這些知識(shí)解決特定領(lǐng)域的實(shí)際問(wèn)題、或模擬專家運(yùn)用這些知識(shí)通過(guò)推理作出智能決策。專家系統(tǒng)擅長(zhǎng)符號(hào)處理和邏輯推理，特別適合于解決自動(dòng)計(jì)算、問(wèn)診和啟發(fā)式推理等基于規(guī)則的問(wèn)題。專家系統(tǒng)具有強(qiáng)大的解釋功能，對(duì)設(shè)計(jì)推理過(guò)程和結(jié)果作出解釋，這種推理過(guò)程的透明性有利于設(shè)計(jì)人員理解和使用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)結(jié)果。專家系統(tǒng)的知識(shí)庫(kù)和推理機(jī)為系統(tǒng)的兩大組成部分。知識(shí)庫(kù)的豐富和修正，不會(huì)涉及推理機(jī)的程序體，這使系統(tǒng)擴(kuò)充方便。但專家系統(tǒng)具有兩個(gè)缺陷：①知識(shí)獲取的“瓶頸”。專家系統(tǒng)的智能水平很大程度取決于知識(shí)的數(shù)量和質(zhì)量，而實(shí)際工程設(shè)計(jì)中涉及的因素很多，很難建立一個(gè)完整全面的關(guān)系模型。有些專家的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)、感性知識(shí)和潛意識(shí)里運(yùn)用的設(shè)計(jì)知識(shí)，要?dú)w納和描述成計(jì)算機(jī)程序或基于規(guī)則的知識(shí)形式非常困難，甚至不能實(shí)現(xiàn)。即使能用計(jì)算機(jī)程序來(lái)描述專家的設(shè)計(jì)知識(shí)，相應(yīng)的知識(shí)庫(kù)也必然十分龐大，構(gòu)造和維護(hù)非常不易。②推理能力相對(duì)較弱。專家系統(tǒng)的本質(zhì)特征是基于規(guī)則的推理思維，由于邏輯推理理論還不完善，推理方法簡(jiǎn)單，控制策略不靈活，當(dāng)多個(gè)設(shè)計(jì)專家的知識(shí)間發(fā)生矛盾或獲取的知識(shí)間夾雜有很大干擾時(shí)，容易出現(xiàn)匹配沖突、組合爆炸及無(wú)窮遞歸等問(wèn)題，使專家系統(tǒng)的處理能力受到很大影響。

②人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ArtificialNeuralNetworks——ANN）

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是由大量簡(jiǎn)單的神經(jīng)元相互連接而成的自適應(yīng)非線性動(dòng)態(tài)系統(tǒng)。下圖為一多層人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖。x1xixmy1ykyp輸入輸入層隱層輸出層輸出1im1jn1kp

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為生物控制論的一個(gè)成果，其應(yīng)用幾乎已延伸到各個(gè)工程領(lǐng)域，吸引著不同專業(yè)的領(lǐng)域?qū)＜覐氖逻@方面的研究和開(kāi)發(fā)工作，并且在這些領(lǐng)域中已形成了新的生長(zhǎng)點(diǎn)。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)從理論探索進(jìn)入大規(guī)模工程實(shí)用階段，也只有短短十幾年的時(shí)間。它的工作原理和功能特點(diǎn)接近于人腦，不是按給定的程序一步一步地機(jī)械執(zhí)行，而是能夠自身適應(yīng)環(huán)境，總結(jié)規(guī)律，完成運(yùn)算、識(shí)別和控制等工作。

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的主要特點(diǎn)為：

a.大規(guī)模的信息并行處理能力。所謂并行處理指在網(wǎng)絡(luò)的各層中，同層各單元信息傳遞是同步的，各層間信息傳遞是串行的。因此神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的推理過(guò)程是一種典型的并行推理，故速度快，這對(duì)于規(guī)模較大、構(gòu)成較復(fù)雜的工程設(shè)計(jì)問(wèn)題尤為有效。

b.極強(qiáng)的自學(xué)、聯(lián)想和容錯(cuò)能力。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的推理過(guò)程只與自身的參數(shù)有關(guān)，其參數(shù)通過(guò)學(xué)習(xí)算法進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)節(jié)，因此它有很強(qiáng)的自學(xué)和自適應(yīng)能力。在工程中只要向它提供足夠的樣本，訓(xùn)練后，網(wǎng)絡(luò)便學(xué)會(huì)了蘊(yùn)藏在樣本中的知識(shí)，一旦輸入新的樣本，網(wǎng)絡(luò)便會(huì)給出正確結(jié)果，具有聯(lián)想能力。網(wǎng)絡(luò)中部分神經(jīng)元損壞，不影響推理結(jié)果，具有容錯(cuò)能力。

b.分布式的信息存儲(chǔ)方式。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的知識(shí)表達(dá)采用的是一種隱式表達(dá)，它把知識(shí)蘊(yùn)含于網(wǎng)絡(luò)的互連結(jié)構(gòu)與連接權(quán)中，這使工程設(shè)計(jì)中一些難以規(guī)則化或程序化的知識(shí)更易于表達(dá)出來(lái)，更易于實(shí)現(xiàn)經(jīng)驗(yàn)思維。工程實(shí)際中，許多設(shè)計(jì)都是多輸入多輸出的決策問(wèn)題，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)使其在解決這類問(wèn)題上有很大的優(yōu)勢(shì)。

下面用一個(gè)簡(jiǎn)單的故障判斷問(wèn)題來(lái)說(shuō)明專家系統(tǒng)和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在信息存儲(chǔ)方式上的差異。所謂故障診斷就是查明導(dǎo)致系統(tǒng)某種功能失調(diào)的原因或性質(zhì)。設(shè)備的故障診斷就是根據(jù)設(shè)備可測(cè)量的物理等量等故障征兆來(lái)判斷設(shè)備的故障原因。即故障征兆故障原因下圖為汽車電氣系統(tǒng)故障判斷邏輯圖。

專家系統(tǒng)是基于知識(shí)的判斷系統(tǒng)，因而必須首先建立知識(shí)庫(kù)。知識(shí)庫(kù)由下列幾條規(guī)則組成：if儀表亮&照明亮then

電氣系統(tǒng)正常if儀表亮&照明滅then

電氣系統(tǒng)正常if儀表滅&照明亮then

電氣系統(tǒng)正常if儀表滅&照明滅then

電氣系統(tǒng)異常當(dāng)給出一個(gè)前提（故障征兆），專家系統(tǒng)會(huì)根據(jù)知識(shí)庫(kù)作出推斷，獲得結(jié)論（故障原因）。

由此可知，專家系統(tǒng)中的知識(shí)是顯式表達(dá)的，其判斷是基于規(guī)則的推理。現(xiàn)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)完成這個(gè)故障檢測(cè)任務(wù)。x1x2

y1000010100111a.建立邏輯表;b.建立訓(xùn)練樣本：[x1,x2][y1]①000②010③100④111c.構(gòu)建一個(gè)2-7-1的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)d.以樣本訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)e.訓(xùn)練好的網(wǎng)絡(luò)可投入使用邏輯表（0正常，1故障）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中知識(shí)是隱式表達(dá)的，其判斷是基于計(jì)算的推理。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)也有不足：

a.神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)推理過(guò)程的不透明性，使用戶只能看到輸入和輸出，而看不到中間的分析推理過(guò)程及其依據(jù)，無(wú)法回答用戶的問(wèn)診，不利于用戶理解和使用推理結(jié)果。

b.系統(tǒng)知識(shí)處理的正確性和可靠性很大程度受所選擇的訓(xùn)練樣本的限制。若樣本的正交性和完備性不好，往往會(huì)使系統(tǒng)的性能惡化。尤其在工程設(shè)計(jì)中，樣本太少，不足以反映設(shè)計(jì)規(guī)則，這導(dǎo)致目前使用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)還只能實(shí)現(xiàn)一些較小的智能模塊。

c.由于目前理論水平的限制，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在實(shí)現(xiàn)連續(xù)型的非線性映射方面還存在精度不高的問(wèn)題。

③復(fù)合智能（Neural-ExpertHybrid）

ES和ANN結(jié)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，便構(gòu)成了復(fù)合智能。下表給出了各系統(tǒng)的智能屬性。1-最好，3-最差智能屬性人專家系統(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)值運(yùn)算321知識(shí)獲取132知識(shí)表達(dá)132并行處理132低層知識(shí)處理132高層知識(shí)處理123不精確推理123啟發(fā)式推理123學(xué)習(xí)能力132容錯(cuò)能力/堅(jiān)韌性132知識(shí)領(lǐng)域的敏感性132創(chuàng)造性思維133應(yīng)用的成熟程度123從表中可知，在整體水平上，人的能力與人工智能系統(tǒng)相比，仍遙遙領(lǐng)先。ESANN都是“部分智能”，并在多方面的屬性是互補(bǔ)的：

a.ES擅長(zhǎng)基于知識(shí)的邏輯推理、邏輯思維以及在宏觀功能上模擬人的知識(shí)推理能力，工作機(jī)制是串行處理；ANN則在知識(shí)獲取、經(jīng)驗(yàn)思維和在微觀結(jié)構(gòu)上模擬人的認(rèn)知能力方面存在優(yōu)勢(shì)，工作機(jī)制是并行處理。

b.利用ES來(lái)求解問(wèn)題，若能求出解，一定是準(zhǔn)確的和最優(yōu)的，但若求不出，則徹底失??；而利用ANN求解問(wèn)題，它往往給出的是一個(gè)次最優(yōu)解，并且總能得到解。c.ES的操作特征是軟件編程，主要用于求解推理學(xué)習(xí)一類問(wèn)題；而ANN的操作特征是非編程的集體計(jì)算，主要用于求解示例學(xué)習(xí)一類問(wèn)題。在復(fù)合智能系統(tǒng)中，ANN主要負(fù)責(zé)知識(shí)的獲取與表示，實(shí)現(xiàn)知識(shí)的利用與推理；ES則負(fù)責(zé)用戶接口界面、系統(tǒng)內(nèi)部連接與協(xié)調(diào)、以及基于規(guī)則的知識(shí)處理。目前，兩者結(jié)合的方式主要有：分立模型、交互模型、松耦合、緊耦合及完全集成等幾種。常用的復(fù)合智能系統(tǒng)由初始方案專家系統(tǒng)、用戶接口、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及方案確定專家系統(tǒng)構(gòu)成，如圖。

用戶人機(jī)界面人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)初始方案方案確定專家系統(tǒng)最佳方案候選方案用戶接口圖形交互輸入輸出用戶接口初始方案專家系統(tǒng)其中，初始方案專家系統(tǒng)由知識(shí)庫(kù)和推理機(jī)組成，知識(shí)庫(kù)存放與初始方案有關(guān)的知識(shí)，一般為產(chǎn)生式規(guī)則，推理機(jī)可進(jìn)行正向、反向及雙向推理；用戶接口實(shí)現(xiàn)用戶與專家以及專家系統(tǒng)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的接口功能，負(fù)責(zé)將初始專家系統(tǒng)得到的初始方案轉(zhuǎn)換為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入模式，以及將方案確定專家系統(tǒng)選擇的最終方案?jìng)鬟f給用戶；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入層對(duì)應(yīng)于設(shè)計(jì)性能和約束的滿足程度，輸出層對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)參數(shù)的調(diào)整程度，訓(xùn)練時(shí)將專家的調(diào)整示例輸入網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)自我學(xué)習(xí)得到網(wǎng)絡(luò)參數(shù)；方案確定專家系統(tǒng)則按基于規(guī)則方法從神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通過(guò)不精確推理產(chǎn)生的幾個(gè)可能的輸出中選擇出最佳的方案。（3）智能計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的發(fā)展方向概念設(shè)計(jì)（ConceptualDesign），又叫方案設(shè)計(jì)，是產(chǎn)品壽命循環(huán)中最重要的工作，是設(shè)計(jì)過(guò)程中的第一步。概念設(shè)計(jì)的作用是為一個(gè)設(shè)計(jì)任務(wù)選擇最好的解決方案。有關(guān)資料指出，產(chǎn)品壽命循環(huán)總價(jià)的75%～80%是在概念設(shè)計(jì)階段決定的，在后續(xù)設(shè)計(jì)工作和制造過(guò)程中，不管采取什么樣的措施，對(duì)價(jià)格的影響也是極其有限的。可見(jiàn)，概念設(shè)計(jì)在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中占有十分顯要的地位，然而這也正是智能CAD的難點(diǎn)。在概念設(shè)計(jì)階段，沒(méi)有尺寸關(guān)系的詳細(xì)要求，其目標(biāo)只是用功能來(lái)匹配運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)，它是一種抽象的構(gòu)思過(guò)程。概念設(shè)計(jì)包括功能分解、功能表示及功能綜合三個(gè)階段。任何機(jī)械系統(tǒng)都是由一系列零部件組成的。產(chǎn)品功能與其零部件之間有著錯(cuò)綜復(fù)雜的相互關(guān)系，造成了概念設(shè)計(jì)過(guò)程的復(fù)雜和困難，這就要求設(shè)計(jì)專家不僅要有豐富的設(shè)計(jì)知識(shí)與經(jīng)驗(yàn)，而且需要有對(duì)問(wèn)題的綜合能力。

此階段的目標(biāo)是為產(chǎn)品設(shè)計(jì)構(gòu)思出滿足設(shè)計(jì)要求的原理方案，作為下一階段詳細(xì)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。

原理方案是一種初步考慮結(jié)構(gòu)形狀實(shí)現(xiàn)所需功能的綜合。進(jìn)行這一階段的一般性步驟是：從產(chǎn)品功能目標(biāo)的抽象和總功能的分解與綜合開(kāi)始，接著是尋找各分功能的可行解，并加以綜合，然后作出方案的粗略草圖，并分別進(jìn)行經(jīng)濟(jì)技術(shù)評(píng)價(jià)，最后選擇最佳方案。這些活動(dòng)，涉及到對(duì)設(shè)計(jì)對(duì)象領(lǐng)域的詳細(xì)了解、豐富的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)及良好的創(chuàng)造性思維等能力，這些都是難以用算法表示的活動(dòng)。而智能CAD技術(shù)的研究就是要促成計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)設(shè)計(jì)過(guò)程的全程參與，因而智能設(shè)計(jì)系統(tǒng)的研究和實(shí)用化，還需要面對(duì)如下的一些需要解決的問(wèn)題。

①

設(shè)計(jì)過(guò)程的再認(rèn)識(shí)

智能CAD系統(tǒng)的發(fā)展，乃至設(shè)計(jì)自動(dòng)化的實(shí)現(xiàn)，從根本上是取決于對(duì)設(shè)計(jì)過(guò)程本身的理解。盡管人們?cè)谠O(shè)計(jì)方法、設(shè)計(jì)規(guī)律等方面進(jìn)行了大量的探索，但從計(jì)算機(jī)化的角度看，設(shè)計(jì)方法學(xué)的水平還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到此目的，智能CAD系統(tǒng)的發(fā)展仍需要進(jìn)一步的探索適合于計(jì)算機(jī)程序系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理論和有效的設(shè)計(jì)處理模型。

②

知識(shí)的表示

設(shè)計(jì)過(guò)程是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程，它涉及到多種不同的類型知識(shí)的應(yīng)用，包括經(jīng)驗(yàn)性的、常識(shí)性的以及結(jié)構(gòu)性的知識(shí)。因此，單一知識(shí)表示方式不足以有效表達(dá)各種設(shè)計(jì)知識(shí)。如何建立一個(gè)合理而有效的表達(dá)設(shè)計(jì)知識(shí)的表達(dá)模型，始終是設(shè)計(jì)類專家系統(tǒng)成功的關(guān)鍵。

③多方案的并行設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)類問(wèn)題是“單輸入/多輸出”問(wèn)題，即用