智能概念設(shè)計(jì)綜述

許秀斌

泰安泰山福神齒輪箱有限責(zé)任公司技術(shù)中心，山東 泰安 271000

智能概念設(shè)計(jì)綜述

許秀斌

泰安泰山福神齒輪箱有限責(zé)任公司技術(shù)中心，山東 泰安 271000

智能設(shè)計(jì)技術(shù)就是對(duì)智能CAD 理論和應(yīng)用的研究，能夠?qū)υO(shè)計(jì)的全過程提供智能化的計(jì)算機(jī)支持。本文介紹了智能概念設(shè)計(jì)技術(shù)的概念、特點(diǎn)、技術(shù)發(fā)展，對(duì)智能設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展前沿進(jìn)行了分析和研究, 給出了智能方案設(shè)計(jì)的研究重點(diǎn)。

智能工程;概念設(shè)計(jì);CAD

傳統(tǒng)CAD 系統(tǒng)由于缺乏設(shè)計(jì)工程師所具有的推理和決策能力, 已經(jīng)不能滿足設(shè)計(jì)過程自動(dòng)化的要求。而智能CAD ( ICAD) 系統(tǒng)既具有傳統(tǒng)CAD系統(tǒng)的數(shù)值計(jì)算和圖形處理能力, 又有知識(shí)處理能力, 能夠?qū)υO(shè)計(jì)的全過程提供智能化的計(jì)算機(jī)支持, 這就是對(duì)智能CAD 理論和應(yīng)用的研究。

1、智能設(shè)計(jì)技術(shù)的概念

智能設(shè)計(jì)與智能工程緊密聯(lián)系，智能工程是適用于工業(yè)決策自動(dòng)化的技術(shù)，而設(shè)計(jì)是復(fù)雜的分析、綜合與決策活動(dòng)，因此可以認(rèn)為智能設(shè)計(jì)是智能工程這一決策自動(dòng)化技術(shù)在設(shè)計(jì)領(lǐng)域中應(yīng)用的結(jié)果[1]。

智能工程要研究的問題，即如何用復(fù)合的知識(shí)模型代表人類社會(huì)各種決策活動(dòng)，如何用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)來自動(dòng)化的處理這樣的復(fù)合知識(shí)模型，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)決策自動(dòng)化?！霸O(shè)計(jì)”是人類生產(chǎn)和生活中普遍存在而又重要的活動(dòng)，其中包括大量廣泛的依據(jù)知識(shí)做決策的過程。

2、智能設(shè)計(jì)的特點(diǎn)

(1) 以設(shè)計(jì)方法學(xué)為指導(dǎo)。智能設(shè)計(jì)的發(fā)展,從根本上取決于對(duì)設(shè)計(jì)本質(zhì)的理解。設(shè)計(jì)方法學(xué)對(duì)設(shè)計(jì)本質(zhì)、過程設(shè)計(jì)思維特征及其方法學(xué)的深入研究是智能設(shè)計(jì)模擬人工設(shè)計(jì)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(shí)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), 較好的支持設(shè)計(jì)過程自動(dòng)化。

(3) 以傳統(tǒng)CAD 技術(shù)為數(shù)值計(jì)算和圖形處理工具, 提供對(duì)設(shè)計(jì)對(duì)象的優(yōu)化設(shè)計(jì)、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(jì)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(jì)師對(duì)智能設(shè)計(jì)過程的干預(yù), 即與人工智能融合成為可能。

3、智能設(shè)計(jì)的技術(shù)發(fā)展

對(duì)智能設(shè)計(jì)的需求體現(xiàn)在越來越高的設(shè)計(jì)質(zhì)量要求; 越來越短的設(shè)計(jì)周期要求; 越來越復(fù)雜的設(shè)計(jì)對(duì)象及其環(huán)境的要求等3個(gè)方面。傳統(tǒng)的CAD 技術(shù)以數(shù)值計(jì)算和圖形處理為主要特征, 在設(shè)計(jì)中已得到廣泛的應(yīng)用,并在很大程度上減輕了設(shè)計(jì)者的勞動(dòng)強(qiáng)度, 提高了設(shè)計(jì)的質(zhì)量和工作效率。但由于設(shè)計(jì)活動(dòng)是一種人類特有的智能行為, 在設(shè)計(jì)方案的確定、模型的建立和評(píng)價(jià)決策等許多設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中, 有相當(dāng)多的工作還不能建立起精確的數(shù)學(xué)模型并用數(shù)值計(jì)算的方法求解, 而需要設(shè)計(jì)師發(fā)揮自己的創(chuàng)造能力, 運(yùn)用多學(xué)科的知識(shí)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn), 經(jīng)過分析推理和綜合構(gòu)思才能取得良好的設(shè)計(jì)結(jié)果。

于是智能CAD 的理論研究和開發(fā)應(yīng)用受到越來越多的關(guān)注, 眾多專家相繼推出了大批智能CAD 系統(tǒng), 并應(yīng)用于機(jī)械、集成電路和建筑等設(shè)計(jì)領(lǐng)域。這一階段是智能設(shè)計(jì)的初級(jí)階段。但此階段對(duì)設(shè)計(jì)自動(dòng)化技術(shù)即數(shù)值信息走向知識(shí)處理自動(dòng)化有著重要意義。在I2CAD 系統(tǒng)中, 智能活動(dòng)由人機(jī)共同承擔(dān),它不僅可以用于常規(guī)設(shè)計(jì), 而且能夠支持創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

由于I2CAD 系統(tǒng)的大規(guī)模、集成化和高難度的特點(diǎn), 初級(jí)ICAD 系統(tǒng)在特定領(lǐng)域仍有廣泛的應(yīng)用前景。今后的智能設(shè)計(jì)既要鞏固和發(fā)展初級(jí)I2CAD 系統(tǒng)的理論研究, 大力推廣其實(shí)際應(yīng)用, 又要加強(qiáng)對(duì)理論研究、技術(shù)開發(fā)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的積累。

4、智能設(shè)計(jì)技術(shù)研究重點(diǎn)

(1) 智能方案設(shè)計(jì)。方案設(shè)計(jì)是方案的產(chǎn)生和決策階段, 是最能體現(xiàn)設(shè)計(jì)智能化的階段, 是設(shè)計(jì)全過程智能化必須突破的難點(diǎn)。

(2) 知識(shí)獲取和處理技術(shù)?；诜植己筒⑿兴枷氲慕Y(jié)構(gòu)體系和機(jī)器學(xué)習(xí)模式的研究,基于基因遺傳和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)推理的研究, 其重點(diǎn)均在非歸納及非單調(diào)推理技術(shù)的深化等方面。

(3) 面向CAD 的設(shè)計(jì)理論。包括概念設(shè)計(jì)和虛擬現(xiàn)實(shí), 并行工程, 健壯設(shè)計(jì), 集成化產(chǎn)品性能分類學(xué)及目錄學(xué), 反向工程設(shè)計(jì)法及產(chǎn)品生命周期設(shè)計(jì)法等。

(4) 面向制造的設(shè)計(jì)。以計(jì)算機(jī)為工具,建立用虛擬方法形成的趨近于實(shí)際的設(shè)計(jì)和制造環(huán)境，如圖1所示。具體研究CAD 集成、虛擬現(xiàn)實(shí)、并行及分布式CAD/ CAM系統(tǒng)及其應(yīng)用、多學(xué)科協(xié)同、快速原型生成和生產(chǎn)的設(shè)計(jì)等人機(jī)智能化設(shè)計(jì)系統(tǒng)( I2CAD) 。

圖1 CAVE沉浸式虛擬設(shè)計(jì)系統(tǒng)

5、智能設(shè)計(jì)的研究方法

(1) 原理方案智能設(shè)計(jì)。方案設(shè)計(jì)的結(jié)果將影響設(shè)計(jì)的全過程, 對(duì)于降低成本、提高質(zhì)量和縮短設(shè)計(jì)周期等有至關(guān)重要的作用。

(2) 協(xié)同求解

ICAD 應(yīng)具有多種知識(shí)表示模式、多種推理決策機(jī)制和多個(gè)專家系統(tǒng)協(xié)同求解的功能。同時(shí)需把同理論相關(guān)的基于知識(shí)程序和方法的模型組成一個(gè)協(xié)同求解系統(tǒng), 在元級(jí)系統(tǒng)推理及調(diào)度程序的控制下協(xié)同工作, 共同解決復(fù)雜的設(shè)計(jì)問題。

(3) 知識(shí)獲取、表達(dá)和利用技術(shù)專家系統(tǒng)技術(shù)是ICAD 的基礎(chǔ), 其面向CAD 應(yīng)用的主要發(fā)展方向可概括為:

①機(jī)器學(xué)習(xí)模式的研究, 旨在解決知識(shí)獲取、求精和結(jié)構(gòu)化等問題;

②推理技術(shù)的深化, 要有正、反向和雙向推理流程控制模式的單調(diào)推理, 又要把重點(diǎn)集中在非歸納、非單調(diào)和基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的推理等方面;

③綜合的知識(shí)表達(dá)模式, 即如何構(gòu)造深層知識(shí)和淺層知識(shí)統(tǒng)一的多知識(shí)表結(jié)構(gòu);

④基于分布和并行思想求解結(jié)構(gòu)體系的研究。究、產(chǎn)品進(jìn)化過程驅(qū)動(dòng)的概念設(shè)計(jì)模型研究、基于演化的概念設(shè)計(jì)生物建模理論與方法的研究、機(jī)械運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)概念設(shè)計(jì)智能化平臺(tái)的研究、基于設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)矩陣和DSM的產(chǎn)品設(shè)計(jì)與開發(fā)[2]的研究等。由此也可以看出，智能設(shè)計(jì)技術(shù)目前的研究主要包括以下內(nèi)容：（1）概念設(shè)計(jì)中創(chuàng)新思維的模擬；（2）智能設(shè)計(jì)方法的研究；（3）智能概念設(shè)計(jì)平臺(tái)的研制。

目前，國內(nèi)外許多專家對(duì)上述三個(gè)方面的研究進(jìn)行了大量的工作。如以可拓學(xué)為基礎(chǔ)的方案設(shè)計(jì)方法[3]，基于遺傳算法的工程設(shè)計(jì)[4]，用于設(shè)計(jì)環(huán)境的模糊系統(tǒng)Xfuzzy[5]，不確定推理模型，概念設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)等。 但是，由于概念設(shè)計(jì)過程中創(chuàng)造性思維所具有的獨(dú)立性、聯(lián)動(dòng)性、多面性、跨越性、綜合性等特性，加上概念設(shè)計(jì)過程本身的復(fù)雜性，因此目前該領(lǐng)域的研究陷入了以下困境：（1）CAD以限制概念設(shè)計(jì)的創(chuàng)新空間為代價(jià)換取設(shè)計(jì)信息的數(shù)字化和推理過程的自動(dòng)化；（2）求解方法的研究過于依賴計(jì)算機(jī)，不注重產(chǎn)品信息模型，即知識(shí)基礎(chǔ)的研究。許多學(xué)者提出的廣義人工智能論、泛邏輯學(xué)、準(zhǔn)全息論等或許可以給本領(lǐng)域的研究帶來突破性的進(jìn)展。

(4) 黑板結(jié)構(gòu)模型

黑板結(jié)構(gòu)模型側(cè)重于對(duì)問題整體的描述以及知識(shí)或經(jīng)驗(yàn)的繼承。這種問題求解模型是把設(shè)計(jì)求解過程看做是先產(chǎn)生一些部分解,再由部分解組合出滿意解的過程。其核心是由知識(shí)源、全局?jǐn)?shù)據(jù)庫和控制結(jié)構(gòu)3部分組成。

(5) 基于實(shí)例的推理(CBR)

CBR 是一種新的推理和自學(xué)習(xí)方法, 其核心精神是用過去成功的實(shí)例和經(jīng)驗(yàn)來解決新問題。研究表明, 設(shè)計(jì)人員通常依據(jù)以前的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)來完成當(dāng)前的設(shè)計(jì)任務(wù), 并不是每次都從頭開始。CBR 的一般步驟為提出問題,找出相似實(shí)例, 修改實(shí)例使之完全滿足要求,將最終滿意的方案作為新實(shí)例存入實(shí)例庫中。CBR 中最重要的支持是實(shí)例庫, 關(guān)鍵是實(shí)例的高效提取。

通過對(duì)智能設(shè)計(jì)技術(shù)特點(diǎn)、發(fā)展方向與研究方法的介紹, 可對(duì)此技術(shù)有較為全面的了解和認(rèn)識(shí)。對(duì)今后進(jìn)一步學(xué)習(xí)、研究和應(yīng)用該技術(shù)提供指導(dǎo)。

6、智能概念設(shè)計(jì)技術(shù)研究現(xiàn)狀

國家自然科學(xué)基金委員會(huì)對(duì)智能概念設(shè)計(jì)領(lǐng)域的研究非常重視，資助了很多項(xiàng)目，如基于可拓學(xué)理論的智能化概念設(shè)計(jì)方法研

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10.3969/j.issn.1001-8972.2011.12.057