智能设计方法-课件

20012年年4月月智能设计智能设计小组成员：小组成员：汤明凯；徐增师；白露雪；吴翔；陈玉雪；王卫星智智 能能 设设 计计CAD与智能设计发展的各个阶段与智能设计发展的各个阶段设计型专家系统设计型专家系统人机智能化设计系统人机智能化设计系统研究实例研究实例概述概述 1 传统的CAD技术不能独立的做出评价决策不能独立的做出评价决策不能不能分析推理和综合分析推理和综合思考思考不能用不能用数值计算的方法求解数值计算的方法求解不能建立起精确的数学模型不能建立起精确的数学模型数值计算和图形处理为主数值计算和图形处理为主一 概述缺缺点点L o g oCompany LogoCompany Logo一一 概述概述越来越高的设计质量要求越来越高的设计质量要求越来越短的设计周期要求越来越短的设计周期要求越来越复杂的设计对象越来越复杂的设计对象及其环境的要求及其环境的要求智能设计智能设计智能设计智能设计方法方法方法方法L o g oCompany LogoCompany Logo一一 概述概述提供强大的人机交互功能提供强大的人机交互功能面向集成智能化面向集成智能化以以CAD为工具，提供优化设计等的支持为工具，提供优化设计等的支持以人工智能技术为实现手段以人工智能技术为实现手段以设计方法学为指导以设计方法学为指导2 特点3 智能设计的不同提法概念设计方案设计创新设计仿生设计 一、概述一、概述4 设计的重要性4 设计活动分类 常规设计（routine design）革新设计（innovative design）举一反三 创新设计（creative design）无中生有5 人工智能的ABC A（Artificial）B（Biological）C（Computational）Intelligence6 AI的研究途径 符号主义(Symbol approach)认知即计算 物理符号系统假设 连接主义（Connection approach）人工神经网络（ANN）分布存储、并行操作 进化主义（Evolution approach）Intelligence without representation Intelligence without reasoning1 CAD发展阶段 TCAD 以以依依据据算算法法的的结结构构性性能能分分析析和和计计算算机机辅辅助助绘绘图图为为主主要要特特征征的的传传统统CAD技技术术在在产产品品设设计计中中成成功功地地获获得得广广泛泛应应用用，它它在在数数值值计计算算和和图图形形绘绘制制上上扩扩展展了了人人的的能能力力，可可以以比比较较圆圆满地完成计算型工作，但对推理型工作往往难以胜任。满地完成计算型工作，但对推理型工作往往难以胜任。二、二、CAD与智能设计与智能设计发展的各个阶段发展的各个阶段 ICAD 具具有有传传统统计计算算机机能能力力的的CADCAD系系统统被被知知识识处处理理技技术术加加强强后后称称之之为为智智能能CADCAD（ICADICAD）系系统统。ICADICAD系系统统把把专专家家系系统统等等人人工工智智能能技技术术与与优优化化设设计计、有有限限元元分分析析、计计算算机机绘绘图图等等各各种数值计算技术结合起来，各取所长，相得益彰。种数值计算技术结合起来，各取所长，相得益彰。I2CAD 在在CIMSCIMS技技术术的的推推动动下下，ICADICAD系系统统应应在在原原有有基基础础上上强强化化集集成成功功能能，由由此此被被提提升升到到一一个个新新的的阶阶段段，即即集集成成化化智智能能CADCAD（I I2 2CADCAD）阶阶段段，它它是是面面向向CIMSCIMS的的ICADICAD系系统统，可可对对设设计计全全过过程提供一体化的计算机支持。程提供一体化的计算机支持。2 智能设计发展阶段 智能设计智能设计:计算机化的人类设计智能计算机化的人类设计智能 TCAD：无智能设计可言：无智能设计可言 ICAD：设计型专家系统：设计型专家系统 I2CAD:人机智能化设计系统人机智能化设计系统 三、设计型专家系统三、设计型专家系统 专专家家系系统统是是一一个个具具有有大大量量的的专专门门知知识识与与经经验验的的程程序序系系统统，它它应应用用人人工工智智能能技技术术和和计计算算机机技技术术，根根据据某某领领域域一一个个或或多多个个专专家家提提供供的的知知识识和和经经验验，进进行行推推理理和和判判断断，模模拟拟人人类类专专家家的的决决策策过过程程，以以便便解解决决那那些些需需要要人人类类专专家家处处理理的的复复杂杂问问题题，简简而而言言之之，专专家家系系统统是是一一种种模模拟拟人人类类专专家家解解决决领领域域问问题的计算机程序系统。题的计算机程序系统。三、设计型专家系统三、设计型专家系统1 专家系统专家系统2 传统程序数据算法传统程序数据算法 过程性（过程性（how to do）专家系统知识推理专家系统知识推理 陈述型（陈述型（what to do）知知识识：人人类类专专家家在在特特定定专专业业领领域域的的经经验验性性知知识识(rule，know-how etc.)，采用语言符号来描述。，采用语言符号来描述。ES的基本结构的基本结构2 ES 分类分类分析型分析型设计型设计型解释解释诊断诊断监控监控预测预测设计设计规划规划四、四、人机智能化设计系统人机智能化设计系统1 知识的广义定义知识的广义定义 从从认认识识论论角角度度，知知识识应应当当定定义义为为人类对于客观事物规律性的认识。人类对于客观事物规律性的认识。2 知识与信息、数据的区别知识与信息、数据的区别 数数据据（数数值值、符符号号）通通常常只只是是事事物物的的名名称称，单单个个的的数数据据本本身身不不能能说说明明什什么么，它它只只是是代代表表一一个事物的符号而已个事物的符号而已。信信息息通通过过数数据据之之间间的的某某种种联联系系，揭揭示示出出有有意意义的概念。义的概念。3知识的描述形式知识的描述形式数学模型数学模型符号模型符号模型人工神经网络人工神经网络图形、图像、声音图形、图像、声音 设计知识的主要设计知识的主要描述形式描述形式 研究框架研究框架 知识动态提取方法研究基础知识动态提取方法研究基础 4 4 人机智能化设计系统人机智能化设计系统 由于由于CIMS技术技术的发展和推动，在以的发展和推动，在以I2CADI2CAD为为代表的先进设计技术阶段代表的先进设计技术阶段,由于集成化和开放由于集成化和开放性的要求性的要求,智能活动由人机共同承担智能活动由人机共同承担,这就是人这就是人机智能化设计系统。虽然人机智能化设计系统机智能化设计系统。虽然人机智能化设计系统也需要采用专家系统技术，但只是将其作为自也需要采用专家系统技术，但只是将其作为自身的技术基础之一身的技术基础之一.L o g oCompany LogoCompany Logo数据集成数据集成信息集成信息集成知识层集成知识层集成数值计算程序及图形处数值计算程序及图形处理应用软件的集成，即根理应用软件的集成，即根据输入信息据输入信息。系系统的决策、管理及控统的决策、管理及控制制 ，即通过知识处理与即通过知识处理与应用实现设计自动化。应用实现设计自动化。物理设备物理设备(硬件硬件)的集成的集成即不同设备之间实现数据通讯的交换即不同设备之间实现数据通讯的交换5 人人机机智智能能化化设设计计系系统统是是一一个个开放的概念范畴开放的概念范畴5 5 人人机机智智能能化化设设计计系系统统与与设设计计型型ESES的区别的区别 设设计计型型专专家家系系统统只只处处理理单单一一领领域域知知识识的的符符号号推推理理问问题题;而而人人机机智智能能化化设设计计系系统统则则要要处处理理多多领领域域知知识识，多多种种描描述述形式的知识，是集成化的大规模知识处理环境。形式的知识，是集成化的大规模知识处理环境。设设计计型型专专家家系系统统一一般般只只解解决决某某一一领领域域的的特特定定问问题题、比比较较孤孤立立和和封封闭闭，难难于于与与其其他他知知识识系系统统集集成成。而而人人机机智智能能化化设计则面向整个设计过程，是一种开放的体系结构。设计则面向整个设计过程，是一种开放的体系结构。设计型型专家家系系统一一般般局局限限于于单一一知知识领域域范范畴畴，相相当当于于模模拟设计专家家个个体体的的推推理理活活动，属属于于简单系系统。而而人人机机智智能能化化设计系系统涉涉及及多多领域域多多学学科科知知识范范畴畴，是是模模拟和和协助助人人类专家群体的推理决策活家群体的推理决策活动，是人机复，是人机复杂系系统。从从知知识模模型型角角度度看看，设计型型专家家系系统只只是是围绕具具体体产品品设计模模型型或或针对设计过程程某某一一些些特特定定环节(如如有有限限元元分分析析或或优化化设计)的的模模型型进行行符符号号推推理理。而而人人机机智智能能化化设计系系统则要要考考虑整整个个设计过程程的的模模型型、设计专家家思思维、推推理理和和决决策策的模型的模型(认知模型知模型)以及以及设计对象象(产品品)的模型的模型。五、五、研究研究(academic research)实例实例图 5-1 设计流程台式超精密车床主轴系统的设计的人机智能系统1 1 轴承形式的选择轴承形式的选择图 5-2 轴承选择网页示例 If(工作速度a)；Then(推荐磁悬浮轴承)；Else If(径向刚度b)或者(轴向刚度c)；Then(推荐液体静压轴承)；Else(推荐空气静压轴承)。1 1 轴承形式的选择轴承形式的选择 2 节流形式的选择 If(工作速度d)；Then(多孔质节流)；Else If(刚度e)；Then(环面节流)；Else(小孔节流)2 节流形式的选择2 节流形式的选择图 5-3 空气静压节流形式选择示例3 轴承参数的计算图 5-4 空气静压轴承参数设计示例图 5-5 空气静压轴承参数设计结果示例3 3 轴承参数的计算轴承参数的计算4 4 主轴材料的选择主轴材料的选择图 5-6 主轴材料选择示例5 5 主轴结构的选择主轴结构的选择图 5-7 主轴结构选择示例6 6 涡流稳定性判断涡流稳定性判断图 5-8 临界角速度计算示例7 综合评价图 5-9综合评价示例8 最终设计结果图 5-10 设计结果示例由于智能设计的发展包括设计型专家系统和人机智能化设计系统两个阶段，特别是人机智能化设计系统正在探索研究之中，对它的定义和理解都有较大的柔性，因此智能设计系统包括的范围较广。最简单的智能设计系统是严格意义下的设计型专家系统，它只能处理单一设计领域知识范围的符号推理问题。而最完善的智能设计系统是人机高度和谐、知识高度集成的人机智能化设计系统，它所具有的自组织能力、开放体系结构和大规模知识集成化处理环境，正是智能设计追求的理想境界。大量的智能设计系统介于这两种极端模式之间，能对设计过程提供或多或少的智能支持。总结总结