15章智能设计19讲ppt课件.ppt

2022年11月6日8时55分,第 15章 智能设计,1,先进设计系统机械系统设计,第 8 章 生产线第 9 章 概念设计第 10章 总体设计第 11章 详细设计第 12章 设计评价第 13章 创新设计第 14章 虚拟设计第 15章 智能设计,2022年11月6日8时55分,第 15章 智能设计,2,第15章 智能设计,15.1 智能设计的基本问题 15.2 智能设计系统的建造15.3 基于实例的知识处理15.4 知识处理系统的实现,2022年11月6日8时55分,第 15章 智能设计,3,15.1 智能设计的基本问题,15.1.1 智能设计的概念与发展15.1.2 知识的层次、类型和特性15.1.3 智能设计的3个基本问题,2022年11月6日8时55分,第 15章 智能设计,4,15.1.1 智能设计的概念与发展,1. 从人工智能到智能工程2. 从CAD到IICAD3. 智能设计的概念,2022年11月6日8时55分,第 15章 智能设计,5,15.1.1 智能设计的概念与发展,智能是知识以及运用知识以解决问题的能力的总和。设计是信息处理的过程，也是知识加工的过程。设计活动是人类特有的一种智能行为。设计史就是智能设计史。 Intelligent Design 千百年来，设计依靠人类智能和手工操作。传统设计主要依靠人的灵感，群策群力， 当前这种方法仍起着重要的作用，1946年，计算机问世后被迅速用于辅助设计， 加快了设计中的数值计算和图形处理，CAD,2022年11月6日8时55分,第 15章 智能设计,6,15.1.1 智能设计的概念与发展,1. 从人工智能到智能工程人工智能(Artificial Intelligence，AI)：1956年，机器智能 目标是研究人类智能的基本机理，如何使计算机更“聪明” 目的是用计算机来模拟人类智能活动专家系统（Expert System，ES）：60年代中期以后， 基于知识的，使人工智能真正走向实际应用。知识工程(Knowledge Engineering，KE) ：70年代后期， 人工智能又从具体研究逐渐回到一股研究。 从各种不同类型的专家系统和知识处理系统中抽取共性智能工程(Intelligent Engineering，IE)：进入80年代以后， CIMS引领了制造业的技术发展方向。 针对像CIMS这样的复杂系统，加拿大提出。,2022年11月6日8时55分,第 15章 智能设计,7,15.1.1 智能设计的概念与发展,2. 从CAD到IICAD起源于60年代的CAD技术以数值计算为基础（1）CADICAD ID初级阶段是设计型专家系统 CAD 计算型工作 ICAD 推理型工作 CAD + 知识处理技术 = ICAD Intelligent CAD ICAD =数据库+图形库+知识库+推理机 （2）ICADIICAD ID的高级阶段是人机智能化设计系统,2022年11月6日8时55分,第 15章 智能设计,8,15.1.1 智能设计的概念与发展,2. 从CAD到IICAD（1）CADICAD ID初级阶段是设计型专家系统（2）ICADIICAD ID的高级阶段是人机智能化设计系统 进入90年代以后，在CIMS的集成环境下，不许将设计活动划分为计算型、推理型工作彼此相间的独立结构。 ICAD系统+集成功能=IICAD Integrated Intelligent CAD两者的区别：1）设计型专家系统只处理单一领域知识的符号推理问题； 人机智能化设计系统则要处理多领域和大规模知识。2）设计型专家系统只解决某一领域的特定问题，较孤立； 人机智能化设计系统面向整个设计过程，是开放的结构。,2022年11月6日8时55分,第 15章 智能设计,9,15.1.1 智能设计的概念与发展,2. 从CAD到IICAD（1）CADICAD ID初级阶段是设计型专家系统（2）ICADIICAD ID的高级阶段是人机智能化设计系统ICAD系统+集成功能=IICAD Integrated Intelligent CAD,2022年11月6日8时55分,第 15章 智能设计,10,15.1.1 智能设计的概念与发展,图15-1 设计中的3个方面,具有模糊性是设计问题的本质。设计问题不可能全部用计算机来处理。智能设计所面临的问题是： 如何让计算机来辅助设计人员进行创造性的活动？图15-1，理论方面和经验方面，多数可用计算机为主要手段来进行信息处理。,概念方面是最有创造性的突破点在于充分利用计算机保证设计的高质量和高效率,2022年11月6日8时55分,第 15章 智能设计,11,15.1.1 智能设计的概念与发展,3. 智能设计的概念 Intelligent Design智能设计就是基于知识的自动化处理的设计。 知识处理包括知识表示、知识利用和知识获取。专家系统是在特定领域中的一套计算机程序， 它具有专家工作时利用知识和推理解决问题的能力。知识工程是从人类专家处获得知识， 并把它表示在计算机内的技术。 智能工程是借助于计算机对知识的自动化处理和应用技术。 它研究面对复杂问题建立集成化智能软件系统的技术。智能设计是智能工程与设计理论相结合的产物。智能设计是智能工程在设计领域中应用的结果。人工智能是以计算机模拟人的智能为目标，特点是对符号信息系统的自动处理,2022年11月6日8时55分,第 15章 智能设计,12,15.1.1 智能设计的概念与发展,3. 智能设计的概念 智能设计基于知识处理知识处理包括知识表示知识利用知识获取,2022年11月6日8时55分,第 15章 智能设计,13,15.1 智能设计的基本问题,15.1.1 智能设计的概念与发展15.1.2 知识的概念、特性和分类15.1.3 智能设计的3个基本问题,2022年11月6日8时55分,第 15章 智能设计,14,15.1.2 知识的概念、特性和分类,1. 知识与数据和信息的关系知识是人类对于客观事物规律性的认识和在实践中所积累的经验的总和。知识是人脑创新的成果， 是人类智慧的结晶。 知识是信息综合处理的结果；信息是数据分析处理的结果；数据包括事实和数字， 是未经处理的事实和概念。 例1 今天，张三，体温，39,图15-2 知识与数据和信息的关系,2022年11月6日8时55分,第 15章 智能设计,15,15.1.2 知识的概念、特性和分类,2. 知识的6个特性 1）知识的客观性。人类对自然、社会、思维规律的认识是客观的。2）知识的相对性。人类的认识必须有一个过程，可能发生变化。3）知识的进化性。真理的长河不断加入新内容，知识不断更新。4）知识的依附性。知识有载体，载体分层次。知识随载体消失。5）知识的再用性。知识在使用中可以反复重用，也要灵活应用。6）知识的共享性。科学知识具有共享性。最新的技术知识 受知识产权法保护，使用者支付费用才能获得使用权。,2022年11月6日8时55分,第 15章 智能设计,16,15.1.2 知识的概念、特性和分类,3 按知识的层次性分 4类事实对客观事物属性的描述， 公认的。麻雀会飞 规则可分解为前提和结论 。 如果春天来了，则燕子就要飞回来了 规律是事物之间内在的必然联系带变量的规则 创新是系统发展的动力。 推理方法：可从已知的知识推出新知识 。 演绎、归纳、联想、综合、预测,图15-3 知识的层次,2022年11月6日8时55分,第 15章 智能设计,17,15.1.2 知识的概念、特性和分类,4. 按知识的使用性质 分3类1）陈述性知识。使人们知道“是什么”。 提供概念和事实描述系统状态、环境和条件。2）过程性知识。使人们知道“怎么做”。 提供状态的变化、问题求解过程的操作。3）控制性知识。用控制策略表示问题的知识。 元知识 是“关于知识的知识”。各种处理过程、策略和结构的知识例3 凸轮的整个生产过程的知识（设计、制造和检验3个基本环节）：1）陈述性知识：凸轮传动的原理、凸轮的结构、性能和特点2）过程性知识：凸轮设计、凸轮制造、凸轮检验的知识等。3）控制性知识：如何集成于一个自动化过程，如何解决冲突,2022年11月6日8时55分,第 15章 智能设计,18,15.1 智能设计的基本问题,15.1.1 智能设计的概念与发展15.1.2 知识的层次、类型和特性15.1.3 智能设计的3个基本问题,2022年11月6日8时55分,第 15章 智能设计,19,15.1.3 智能设计的3个基本问题,智能设计一般需要解决3个基本问题：（1）设计知识建模（2）知识利用（3）智能设计系统的建立,2022年11月6日8时55分,第 15章 智能设计,20,15.1.3 智能设计的3个基本问题,（1）设计知识模型的建立设计一般包括两类工作：计算型工作：数值处理，计算、分析、绘图等，基于数学模型推理型工作：符号推理，方案设计、评价、决策等，基于知识模型设计知识模型的建立，即知识库的建造， 知识库是合理组织的关于某一特定领域的知识的集合。模型是客观世界的抽象，它既能表示复杂对象的结构和特征，又能表示特定领域的基本原理。设计知识模型的内容包含两个方面：设计对象的知识模型，即对设计对象本身所涉及的各种知识建立相应模型设计过程的知识模型，即建立设计过程的规划、协同控制及评价决策等模型,2022年11月6日8时55分,第 15章 智能设计,21,15.1.3 智能设计的3个基本问题,（1）设计知识建模建立设计知识模型的步骤：1）确定知识模型的内容2）研究模型的表示方法 这种表示方法既能对知识模型进行逻辑描述， 又能对知识模型的计算机化进行可操作性描述。3）研究相应的建模方法 要具体解决如下问题 如何从需求出发，定义知识模型？ 如何进行逻辑设计？ 如何在计算机上实现？,2022年11月6日8时55分,第 15章 智能设计,22,15.1.3 智能设计的3个基本问题,（2）知识利用的内容推理：研究各种推理方法与模式，研究前提与结论之间的各种逻辑关系及其可信度因子的传递规则等。搜索：研究各种搜索策略与方法，研究怎样从一个巨大的状态空间中搜索满足给定条件的对象或问题的解。“摸着石头过河”就是搜索管理：对知识库的各种操作，如检索、增加、删除与修改，以及如何保证知识库中知识的一致性和完整性等问题。规划：将一个大的问题划分为若干子问题，分别求解后将子问题的解综合成原问题的解。,2022年11月6日8时55分,第 15章 智能设计,23,15.1.3 智能设计的3个基本问题,（2）知识利用的内容搜索：搜索方法分为两类：A）盲目搜索 = 穷尽搜索：勇往直前 a) 深度优先搜索法 b) 宽度优先搜索法。B）启发式搜索 = 经验搜索：随机应变 a) 爬山法 b) 最佳优先搜索法,2022年11月6日8时55分,第 15章 智能设计,24,15.1.3 智能设计的3个基本问题,（2）知识利用的内容 搜索：A）盲目搜索 a) 深度优先搜索法 b) 宽度优先搜索法,图15- 深度优先搜索法,图15- 宽度优先搜索法,2022年11月6日8时55分,第 15章 智能设计,25,15.1.3 智能设计的3个基本问题,（3）智能设计系统的概念 IDS智能设计系统是以知识处理为核心的CAD系统。 它将知识系统的知识处理能力同 常规CAD系统的计算分析能力、 数据库管理与服务能力、 图形处理能力等有机地结合起来， 从而可以协助设计者完成诸如 方案设计、参数选择、性能分析、 结构设计、图形处理等 不同阶段、不同复杂程度的设计任务。,2022年11月6日8时55分,第 15章 智能设计,26,15.1.3 智能设计的3个基本问题,（3）智能设计系统的概念 IDSIDS的概念强调了以下思想：1）IDS是常规CAD技术与专家系统技术的有机集成2）IDS中一般包含有多个专家系统，或称智能体 Agent ， 它们独自负责解决某个单一领域的设计问题， 但又是分布式的，协同工作3）IDS是为复杂产品的设计提供功能强大的支持环境， 不只是针对某类产品设计的专用系统；4）IDS对复杂产品设计的支持范围，应包括从产品需求分析、 到详细设计及运动仿真等各个环节。,2022年11月6日8时55分,第 15章 智能设计,27,第2章 智能设计,15.1 智能设计的基本问题 15.2 智能设计系统的建造 15.3 基于实例的知识处理15.4 知识处理系统的实现,2022年11月6日8时55分,第 15章 智能设计,28,15.2 智能设计系统的建造,15.2.1 智能设计系统的功能15.2.2 智能设计系统的结构15.2.3 知识表示方法15.2.4 专家系统的原理与实例,2022年11月6日8时55分,第 15章 智能设计,29,15.2.1 智能设计系统的功能,A. 知识处理 B. 分析计算 C. 数据管理 D. 图形处理,2022年11月6日8时55分,第 15章 智能设计,30,A 知识处理功能,设计过程是人的思维过程， 是设计者综合运用自己所掌握的知识， 并通过分析、计算、推理、判断、决策等思维方式， 获取满意设计结果的过程。因此，知识处理是IDS的核心， 它实现知识的组织、管理及其应用。IDS的知识处理功能主要由设计型专家系统实现是利用计算机程序，来处理符号模型描述的，设计工程的单一领域知识，进行符号推理的技术符号模型Symbolic Model 符号推理Symbolic reasoning符号模型是用语言符号来描述事物的规律性,2022年11月6日8时55分,第 15章 智能设计,31,A 知识处理功能,知识处理主要内容包括：获取领域内的一般知识和领域专家的知识， 将这些知识按特定的形式存放于系统中或外部存储器中， 以供设计过程使用。对IDS中的知识实行分层管理和维护。在设计过程中根据需要提取在外部存储器中的知识， 实现知识的推理和应用。根据知识的应用情况对知识库进行优化。根据推理效果和应用过程学习新的知识，丰富知识库。,2022年11月6日8时55分,第 15章 智能设计,32,B 分析计算功能,设计过程一般包含大量的分析计算， 如设计对象的性能分析、强度校核、动态分析等。 分析计算结果可以为设计者提供推理、判断和决策的依据。因此，一个完善的IDS应提供丰富的分析计算方法，包括：各种常用数学分析方法；优化设计方法；有限元分析方法；可靠性分析方法；各种专用的分析方法。,2022年11月6日8时55分,第 15章 智能设计,33,B 分析计算功能,上述分析方法以程序库的形式集成在IDS中， 根据设计者的需要选用， 因而可以极大提高IDS的分析计算能力。对某个特定的IDS而言， 可能并不需要上述所有分析计算方法， 但功能强大的分析计算方法库， 对扩充IDS的设计能力是必不可少的。,2022年11月6日8时55分,第 15章 智能设计,34,C 数据管理功能,设计过程实质上是一个信息处理和加工过程。大量的信息，如初始输入信息、中间生成信息、输出结果信息等，以不同的数据类型和数据结构形式，在系统中存在并根据设计需要进行流动，为设计过程提供服务。随着设计对象复杂度的增加，系统要处理的信息量将大幅度地增加。为了保证系统内庞大的信息能够安全、可靠、高效地存储和流动，必须引入高效可靠的数据管理与服务功能，为设计过程提供可靠的服务。,2022年11月6日8时55分,第 15章 智能设计,35,C 数据管理功能,数据管理与服务功能可以由通用的数据库管理系统实现， 也可以由专用的工程数据库管理系统实现。 通用数据库管理系统使用方便、安全可靠，应用广泛。常见的通用数据库管理系统有两类：中、小型数据库管理系统，如 Fox Base，Visual Foxbase，Visual Foxpro大型、远程数据库管理系统，如 Sybase，Oracale，Informix等， 这类系统能够对庞大的数据库实施安全、可靠的管理。,2022年11月6日8时55分,第 15章 智能设计,36,D 图形处理功能,图形是设计对象最直观的表达形式，尤其是三维实体图形， 能更清晰地表达产品的几何形状、结构特征、装配关系。借助于二维、三维或三维实体图，设计者在设计阶段便 可以清楚地了解设计对象的形状和结构特点， 还可以通过设计对象的仿真来检查其装配关系和干涉情况， 从而确认设计结果的有效性和可靠性。因此，强大的图形处理能力 是任何一个CAD系统都必须具备的基本功能。,2022年11月6日8时55分,第 15章 智能设计,37,D 图形处理功能,图形处理功能由各类图形支撑软件实现。 CAD系统中广泛使用的图形支撑软件有： 在微机上使用的AutoCAD，CADKEY 在工作站上使用的I-DEAS，UG，Pro/Engineer 这些软件能绘制机械、建筑、电气等领域内的一般性图样。许多微机上使用的通用绘图软件已增加了新功能，如 AutoAD从12版本开始增加了三维造型功能（AME）， 后又增加了三维实体功能（MDT）。 MDT可以直接生成三维实体， 并可由三维实体生成二维图样，还具有三维实体装配功能。,2022年11月6日8时55分,第 15章 智能设计,38,15.2.2 智能设计系统的结构,根据智能设计系统的设计目标，可将其分为以下几种主要类型：智能化方案设计系统。 主要支持设计者完成产品方案的拟定和设计。智能化参数设计系统。 主要支持设计者完成产品的参数选择和确定。智能设计系统。这是较完整的系统， 可支持设计者完成从概念设计里到详细设计整个设计过程。其建造难度最大。,2022年11月6日8时55分,第 15章 智能设计,39,15.2.2 智能设计系统的结构,图15-4 智能设计系统的体系结构,2022年11月6日8时55分,第 15章 智能设计,40,15.2 智能设计系统的建造,15.2.1 智能设计系统的功能15.2.2 智能设计系统的结构15.2.3 知识表示方法15.2.4 专家系统的原理与案例,2022年11月6日8时55分,第 15章 智能设计,41,15.2.3 知识表示方法,知识表示是知识的符号化过程。知识表示方法是指用计算机表示知识的可行性、有效性的一般方法 典型的知识表示方法有： 产生式规则 框架 谓词逻辑 语义网络 面向对象 基于原型 不精确性知识表示它们各有特点，各自适用于一定范围,2022年11月6日8时55分,第 15章 智能设计,42,1 产生式规则,在客观世界中各种事物或知识之间， 因果关系是其中最常见而简单的一种关系。“产生式”是一种逻辑上具有因果关系的表示模式。规则表示事物间的因果关系，用“if condition then action”的形式来描述。其中condition 称为前提， action 称为结论。即一条规则称为一个产生式,2022年11月6日8时55分,第 15章 智能设计,43,1 产生式规则,例 下面是选择孔加工方法的一条规则： if hole_diameter 50 and /*孔的直径50 */ hole_diameter 0.2 and /*孔的直径0.2*/ roughness_Ra 6.4 and /*粗糙度Ra6.4*/ roughness_Ra 12.8 and /*粗糙度12.8Ra */ precision_IT 10 /*精度IT10*/ then processing_method is drilling /* 加工方法选用钻削*/,2022年11月6日8时55分,第 15章 智能设计,44,1 产生式规则,产生式规则的优点 有效地和自然地表达启发式知识。 模块化程度高。 清晰性。 产生式规则的不足 效率不高。 无法表达数值计算。 不适合表达结构性知识。,2022年11月6日8时55分,第 15章 智能设计,45,2 框架,框架是由若干节点和关系(统称为槽)构成的网络，图15-5一个框架由一个框架名和若干个槽组成，若干侧面，若干值，因此一个框架就是一个多叉树结构。框架名中存放一个对象，比如一个物体或系统的名称；槽存放对象的属性名，也可以是一个子框架名；框架侧面用于存放对象的属性，侧面值存放属性的值。,图15-5 框架的一般结构,2022年11月6日8时55分,第 15章 智能设计,46,2 框架,一个框架可以通过其槽中所含下一级框架的名与下一级框架相连。框架理论将框架视作知识的单位或单元，将一组有关的框架连结起来便形成框架系统。例如，用框架系统描述一个房间的状态，图15-6,图15-6 用框架系统描述一个房间,2022年11月6日8时55分,第 15章 智能设计,47,3 谓词逻辑,逻辑表示方法是一种以陈述性方法为主的知识表示方法。谓词逻辑是一种形式语言，其目的在于把数学中的逻辑论证符号化。其推理系统采用归结原理。谓词表示思维对象(即个体词)的性质或多个对象之间的关系的词，它表示的是个体域(论域)到真、假值的映射。谓词逻辑中表示关系的基本单位是原子公式。原子公式是由谓词和项组成的，其中项可以是常量、变量或者函数。例 “卷扬机上有变速箱”这一事实可用原子公式表示为on(变速箱，卷扬机) 其中，“变速箱”和“卷扬机”均为常量，表示个体； on是谓词，表示变速箱和卷扬机之间的关系。谓词逻辑的弱点：它不便于描述有关领域中的复杂知识结构；也不能用于那些不完备和不精确的实际问题。,2022年11月6日8时55分,第 15章 智能设计,48,4 语义网络,记忆是由概念的联系实现的。语义网络是“一个带标识的有向图”，由节点和连接节点的弧组成，其中节点表示领域中的物体、概念或状态， 弧表示他们之间的关系，而且节点和弧都可以拥有符号。节点还可以是下一层的语义子网络。例 人们在考虑下面这4个事实时，并不是按相互无关的事实来记忆的。车床是机床；车床是物体；镗床是机床；所有的机床都是切削机器。,图15-7 语义网络的结构,其中，和是与车床有直接关系的知识；是与中的知识有关的知识；和中的机床是共同项，所以与“车床”也有关系，此关系是一种间接知识。用语义网络描述上面的4条知识，图15-7，其中车床、机床等节点，由IS-A(是一个)、HAS-A(有一个)等弧连接起来。,2022年11月6日8时55分,第 15章 智能设计,49,4 语义网络,在(1)(4)知识的基础上，加上1条新知识：(5) 钢管具有圆柱体表面。这是与车床完全无关的知识。如果再加上1条新知识：(6)车床用于加工圆柱体表面，那么(5)就变成有关的知识了。这时，人们不会把知识(6)看成是单一的知识，而是要将它与原有的各种有关知识重新加以组织，图15-7+,图15-7+ 重新组织的语义网络的结构,2022年11月6日8时55分,第 15章 智能设计,50,4 语义网络,语义网络的缺点有：非有效性。其原因是推理过程有时不能区分物体“类“与“个体”的节点。非清晰性。节点之间的联系可能是是递归状的联系结构，语义网络中的局部修改易引起连锁反应，因而难以管理和维护。,图15-8 00KR的基本结构,2022年11月6日8时55分,第 15章 智能设计,51,面向对象的知识表示 OOKR,在建立IDS时，要求既能表达领域对象的静态属性、行为特征与设计约束，又要表达专家经验和判断决策等方面知识，还要有较强的数值计算及过程控制能力。因此，需要将框架、规则、方法过程等合为体形成混合型的知识表示方法。面向对象方法恰好具有这样的能力，它以“对象”为中心，将对象的属性、动态行为特征相关领域知识和数据处理方法等有关知识“封装”在表达对象的结构中。对象是一个封装数据和操作的实体。对象可用四元组定义：标识符、数据结构、方法集、消息接口。面向对象方法具有抽象、封装、继承、多态的特性。它提供了从特殊到一般的归纳形成（如对象类），又提供了从一般到特殊的演绎手段（如继承）。,Object-Oriented Knowledge Representation,2022年11月6日8时55分,第 15章 智能设计,52,5 面向对象,该法既集中了各种单一知识表示方法的优点，又符合人类专家对设计对象的认知模式。OOKR将多种单一的知识表示方法按照面向对象的程序设计原则组合成一种混合知识表示形式。在OOKR中，对象是表达属性结构、相关领域知识、属性操作过程及知识使用方法的综合实体；对象类是一类对象的抽象描述：而对象的实例则是指具体的对象。对象的表达由四类槽所组成。00KR的基本结构,图15-8。,图15-8 00KR的基本结构,2022年11月6日8时55分,第 15章 智能设计,53,6 基于原型,人们在长期的社会实践中积累了大量经验，逐渐形成了某类事物的样板，这个样板就称为该类事物的原型。人们处理设计问题时并不总是使用知识推理，而是寻找从大量类似实例中总结出的设计原型，从该原型出发来指导设计问题的求解。设计原型由3部分构成：共有属性，指原型所描述的所有实例的共有属性，从而使原型成为实例的抽象，实例则反映了原型在特定条件下的具体化。原型与实例构成了类与成员的关系；标识，指原型的识别码，目的使设计者能找到有关原型。属性求解知识，指能使原型实例化的求解办法，通常表现为规则与方法，一旦被激活，就能使原型实例化。,2022年11月6日8时55分,第 15章 智能设计,54,6 基于原型,图15-9，该模型把设计过程描述为功能空间、实例空间及设计原型之间的转换。功能空间提出设计任务，设计原型通过原型推理得出设计结果，作为对功能空间的响应；实例空间通过大量实例知识的归纳总结，产生设计原型，设计原型将得到的设计结果经判断认为新实例后存入实例空间。,2022年11月6日8时55分,第 15章 智能设计,55,7 不确定性知识表示,常见的几种引起不确定性或不完备的原因是：由信息不完全所引起的不确定性；由不确切知道所引起的不确定性；由随机性而引起的不确定性；由模糊性引起的不确定性，等等。规则也可表示不确定的知识，这就要给前提条件和规则本身赋一定的信度值。在推理的同时，该值以某种预定的方式进行传播，最后得到的结论也带有一个信度值。它表示该结论成立的可信程度，其表达形式如下： if 前提1 (信度1) and(or) 前提2 (信度2) and(or) then 结论 (信度),2022年11月6日8时55分,第 15章 智能设计,56,7 不确定性知识表示,例 有如下关于汽车故障诊断的规则： if 汽车充电器电路上的示波器 波形表现出峰值(1.0)； and 不同载荷下汽车交流发电机反应正常(0.9)； then 汽车故障原因是电压调节器发生故障(0.9)。其中，前提1所述事实是确定的；前提2中0.9表示该前提成立的信度为0.9；前提推出结论的信度，即规则本身的信度，它并不是说“汽车故障的原因是电压调节器发生故障”这一事实具有0.9的信度。“汽车故障原因是电压调节器发生故障”这事实的信度，如按传统概率法推理则应为0.90.9 = 0.81。前提、结论、信度乃是规则的三要素，图15-10。前提和结论的信度一般由专家给定，并经过实践验证，它是不精确推理的依据。信度在推理过程中按某种计算方式传播。,图15-10 规则的三要素,2022年11月6日8时55分,第 15章 智能设计,57,15.2 智能设计系统的建造,15.2.1 智能设计系统的功能15.2.2 智能设计系统的结构15.2.3 知识表示方法15.2.4 专家系统的原理与实例,2022年11月6日8时55分,第 15章 智能设计,58,15.2.4 专家系统的原理与案例,1. 专家系统的特点2. 专家系统的类型3. 专家系统的基本结构4. 专家系统的案例5. 设计型专家系统的特点,2022年11月6日8时55分,第 15章 智能设计,59,1. 专家系统的特点,(1)启发性。它除了能利用大量专业知识外，还能利用经验知识作出假设和判断，引导推理的正确进行。(2)透明性。专家系统能将其工作过程显示给用户如对用户的提间作出必要的解释，并能为用户提供咨询。(3)灵活性。正如人类专家可以修改自己拥有的知识和学习新知识一样，专家系统也能增加和修改它所拥有的知识，以适应逐渐复杂化的问题求解。,2022年11月6日8时55分,第 15章 智能设计,60,1. 专家系统的特点,2022年11月6日8时55分,第 15章 智能设计,61,1. 专家系统的特点,专家系统是一个知识加工的工厂，同时又是一个使用知识的设备。它首先获取专家系统解决的知识，并纳入自己的知识库中，然后，它利用这些知识来模仿专家的推理，来解决实际问题。如图15- 所示,图15- 专家系统的知识处理,2022年11月6日8时55分,第 15章 智能设计,62,2. 专家系统的类型,(1)解释型。根据获得的数据去分析问题的结构或状态。 例 根据声纳数据判断是否有鱼群。困难是数据带噪音和误差(2)预测型。根据过去及现在所有的情况推断将来的情况。 例 天气预报、人口预测、交通预报、产量估计和军事预测。 (3)诊断型。根据观察到的事实推断对象系统(可能是一台设备、 一个人体)的功能故障。例 医疗、电子、机械、软件等的诊断。 (4)监控型。连续地对对象系统的行为进行观察，并在需要干预时发出警报或进行控制。例 核电站监视、机械加工实时检测监控(5)规划型。为完成特定目标而采取的一系列动作或解决问题的步骤。例 机械加工工艺规划、运输调度规划、机器人抓物。 (6)设计型。构造对象模型(方案)，而且满足约束条件， 例 机械设计、电子电路设计、建筑设计。 这类系统主要问题是；设计评价问题，再设计过程中回溯点的确定问题；多目标与约束协调问题；某些有关距离、形状或轮廓的推理需要大量计算资源的问题等。,2022年11月6日8时55分,第 15章 智能设计,63,2. 专家系统的类型,上述的划分是不严格的，也是不唯一的，有些专家系统同时含有两类或两类以上的功能。有人将前四类称为分析型决策支持系统， 后二类称为设计型决策支持系统。一般认为，处理设计型问题比处理分析型问题更困难，正如在设计工程中综合时常比分析更困难一样，原因是设计型问题的求解结果往往是不确切定义的，因而推理更复杂，需要的知识更丰富。,2022年11月6日8时55分,第 15章 智能设计,64,3. 专家系统的基本结构,专家系统的核心技术集中在知识处理的3个方面：知识获取、知识表示和知识利用。构成一个专家系统的3个主要部分是：知识库、推理机和人机界面。一个较为完善的专家系统的基本结构如图15-11所示，它由6部分组成。,2022年11月6日8时55分,第 15章 智能设计,65,3. 专家系统的基本结构,专家系统中各组成部分的基本功能如下：(1)知识库。存储与求解问题有关的专家知识，如规则、事实或其他信息等。(2)推理机。利用知识库里的知识和用户提供的事实进行推理，由已知事实推出新的事实，以求解问题的结果。(3)人机界面。用户与专家系统交互的接口。一方面将专家或用户的输入信息翻译成计算机可接受的内部信息形式，另一方面将系统的反馈信息输出显示。(4)知识获取。这是从某个或某些知识源那里提取问题求解所需要的领城专门知识，并进行整理、抽象、转换为一种计算机内的存储方式。(5)解释器。对用户回答提问，说明求解过程及求解状态。帮助用户判断求解的正确性，发现系统的错误，增强对所得结果的信任度。它有故障位置显示模块。又称为解释机制。 (6)数据库。动态地存放求解领域问题时的原始数据及事实、推理所得中间结论、问题求解状态和结果信息。有多名：工作存储空间，上下文，黑板。,2022年11月6日8时55分,第 15章 智能设计,66,3. 专家系统的基本结构,2022年11月6日8时55分,第 15章 智能设计,67,4. 专家系统的案例,实例“动物识别”专家系统的知识库。共有15条规则，能识别7种动物，每条规则采用if-then的形式，if代表前提，then代表结论。前提可以是几个条件的逻辑组合，结论可以是若干条结论。这些规则形成的推理网络图如图15-12所示。图中最高一层节点称假设或结论节点（没有输出线）， 如豹、虎、长颈鹿等；中间节点（既有输出又有输入线）称中间假设， 如哺乳动物、鸟等；始端节点（没有输入线）称为证据节点或事实节点。用弧线“（”表示与关系；“R1”等表示规则号。,2022年11月6日8时55分,第 15章 智能设计,68,4. 专家系统的案例,图15-12 动物识别的知识推理网络,R9,R10,R11,R12,R13,R15,R15,R7,R8,R5,R6,R1,R2,R3,R4,2022年11月6日8时55分,第 15章 智能设计,69,4. 专家系统的案例,R1；if 动物有毛发；then 该动物为哺乳动物；R2；if 动物有奶；then 该动物为哺乳动物；R3；if 动物有羽毛；then 该动物为鸟；,2022年11月6日8时55分,第 15章 智能设计,70,4. 专家系统的案例,R4；if 动物会飞，且会下蛋；then 该动物为鸟；R5；If 动物吃肉；then 该动物是食肉动物；R6；if 动物有犬齿，且有爪，且眼睛盯前方；then 该动物是食肉动物；,2022年11月6日8时55分,第 15章 智能设计,71,4. 专家系统的案例,R7；if 动物是哺乳动物，且有蹄；then 该动物为有蹄类动物；R8；if 动物是哺乳动物，且是反刍动物；then 该动物为有蹄类动物；R9；if 动物是哺乳动物，且是食肉动物， 且是黄褐色，且有暗斑点；then 该动物是豹；,2022年11月6日8时55分,第 15章 智能设计,72,4. 专家系统的案例,R10；if 是黄褐色动物，且是哺乳动物， 且是食肉动物，且有黑条纹；then 该动物是虎；R11；if 动物有暗斑点，且有长腿，且有长脖子， 且为有蹄动物；then 该动物是长颈鹿；R12；if 该动物有黑条纹，且是有蹄动物；then 该动物是斑马；,2022年11月6日8时55分,第 15章 智能设计,73,4. 专家系统的案例,R13；if 动物有长腿，且有长脖子，且是黑白色的， 且是鸟，且不会飞；then 该动物是鸵鸟；R15；if 动物是鸟，且不会飞，且会游泳， 且是黑白色的；then 该动物是企鹅；R15；if 动物是鸟，且善飞；then 该动物是信天翁；,2022年11月6日8时55分,第 15章 智能设计,74,5. 设计型专家系统的特点,产品设计决策的类型：设计过程决策。决定下一步设计应该做什么，是材料选择还是应力计算，即决定设计步骤。技术问题决策。对某个具体技术问题在经过某些分析、计算或比较后，决定是否可以接受，例如材料、几何形状、结构大小、加工工艺性等。评价性决策。对整个设计进行综合评价，确定可接受的标准，并在满足所有约束条件及目标要求的情况下选择一个较优的设计。,2022年11月6日8时55分,第 15章 智能设计,75,5. 设计型专家系统的特点,产品设计型专家系统有3个特点：1）时常采用“设计评价再设计”的过程决策模型。图15-12，这样的过程决策模型是总控模型,图15-12 过程决策模型,2022年11月6日8时55分,第 15章 智能设计,76,5. 设计型专家系统的特点,2）设计过程决策、 技术问题决策及 评价性决策 需要多种资源支持图15-13，它们大多数也是当前CAD中所用的资源，因此有关决策与相应CAD资源的密切结合是设计型专家系统的又一特点。,图15-13 决策所需的资源,2022年11月6日8时55分,第 15章 智能设计,77,5. 设计型专家系统的特点,3）设计型专家系统具有的特殊困难决策空间大。解决办法是合理地划分为几个决策子空间， 使有关的决策在相应的子空间中有效地进行。设计目标多。目标涉及使用性能、经济性等多方面要求， 给评价决策带来困难。设计知识的多样性和模糊性。产品设计知识不仅有启发式知识，且有大量的数据、参数、公式、图表等，许多经验知识有模糊性，因此要合理组织，有效管理。设计目标的相关性。它们之间常存在矛盾，因此相互协调及解决各种冲突的能力应加以考虑。接口技术的综合性。接口应能处理多种运行环境、多种语言、与图形系统、数据库系统或其它应用系统的集成