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1.3 智能设计的发展概述

1.3.1 智能设计研究现状

产品设计是为实现一定的目标而进行的一种创造性活动,其历史伴随了人类文明的整个进程。随着人类市场需求的不断增加和竞争程度的不断加剧,对于复杂产品的设计,无论在设计的方式还是手段上都在不断发生着深刻的变化,如何使用智能化的方法以实现产品设计的智能化也就成为当下产品设计的研究重点。

网络的出现和网络技术的不断发展不仅极大地改变了人类的工作和生活方式,而且使异地快速联系与数据通信成为可能。因此,大规模的网络技术也极大地改变了产品设计的方式和方法,产品设计不再局限于本地,使用的设计知识可以在限定的范围内得到智能共享,在保护了知识产权的前提下,异地分布式协作设计成为现实。产品设计资源的异地化不仅使复杂的设计任务可以由分布式的团队来完成,也为产品全生命周期的各个环节参与到产品设计中提供了高效有利的途径。而且网络协议的不断发展,使得多学科、多领域的设计知识可以得到智能集成应用。充分利用大规模网络技术的智能设计,可以极大地减少复杂产品更新时间与开发成本。

产品设计知识智能建模理论在分析产品设计过程需求和特点的基础上,系统地提出了递归化的产品信息智能集成建模的思想。以知识作为驱动复杂机电产品设计的意图和指标,可以实现从抽象概念到具体产品的复杂产品智能设计,逐步求精和细化多元技术集成耦合和演化的过程。基于该理论,面向设计过程的产品装配信息自适应与自组织智能建模理论也已接近成熟。借助符号单元所具有的形状载体作用及其富有的高层次工程语义智能化实现产品模型的高层功能描述与低层几何表示的统一的方法同样取得了一定的成果。

产品设计知识的符号智能建模理论是基于装配符号的约束规则集描述,实现产品装配设计信息的智能传递,并采用装配符号关系图对产品装配设计语义与约束进行动态维护。基于符号功构映射关系的产品概念方案智能建模方法已经发展成完善的系统,基于符号关联约束关系的产品装配关系智能建模和基于图形单元符号的零件详细结构智能建模等关键技术也逐渐成熟。基于符号智能建模理论的面向方案的形式化智能设计方法深入研究了多层次形式化符号系统的定义、分类、描述和建库方法,基于多层次形式化符号演变的运动方案智能设计方法,基于形式化图元符号的装配方案智能设计方法,基于形式化模板符号的配置智能设计方法,基于形式化字符符号的设计方案重用方法是产品设计知识的符号智能建模理论的研究重点。

基于知识智能演化的产品进化设计方法是将设计知识的演化过程与产品全生命周期的各个阶段紧密结合,从而提出关于各设计阶段知识智能演化的基本原理。基于该理论的产品进化设计与配置产品定制生产理论和方法,对产品运动进化智能设计、装配进化智能设计、结构进化智能设计以及配置产品进化重用的定制生产中的关键技术进行了深入研究并已有一定成果。通过该理论建立的产品基本构造物元模型和产品智能设计过程蕴含系统,通过可拓推理的方法,分别运用拓展与变换的手段,对产品设计模型知识与产品设计过程知识进行有效的演化和派生。

产品多学科耦合与多目标智能优化方法认为复杂机电产品是由机、电、液等多物理过程、多单元技术集成于机械载体而形成的具有整体功能的复杂系统。其设计问题是一个多过程、多源、多部件、多学科的智能耦合过程。智能优化方法针对复杂机电产品设计过程设计质量知识数据的有效组织、处理与利用,系统地研究了以产品过程质量知识耦合特征要素为对象,并且关联产品结构特征进行数据挖掘和知识发现的理论与方法已经接近完善。目前通过改进强度Pareto进化算法,引入模糊C均值聚类,加快外部种群的聚类过程。采用约束Pareto支配和浮点数、二进制混合染色体编码等智能优化策略的智能算法,一次运行就能求得分布均匀的机电产品多学科优化Pareto最优解集。

以上述研究成果为基础,结合智能设计理论和应用对产品设计理论和方法进行系统深入的研究,是当下智能设计研究的重点。

1.3.2 智能设计的发展趋势

智能设计最初产生于解决设计中某些困难问题的局部需要,近20年来智能设计的迅速发展应归功于CIM技术的推动。智能设计作为CIM技术的一个重要环节和方面,在整体上要服从CIM的全局需要和特点。

CIM技术是一种新的生产哲理,它是为适应现代市场瞬息多变、小批量多品种、不断推陈出新的产品需求应运而生的。CIM技术强调企业生产、管理与经营集成优化的模式,力图从全局上追求企业的最佳效益。CIM技术可以大大提高制造系统对市场的迅速反应能力,也即制造的柔性。决策的依据是知识,要实现决策自动化,就必须采用知识的自动化处理技术。产品设计作为制造业的关键环节,在CIMS中占有极其重要的地位。同时,在CIMS这样的大规模知识集成环境中,设计活动也与多领域、多学科的知识集成问题相关。在CIMS环境中实施的并行设计要求在设计阶段就要考虑整个产品生命周期的需求(制造、装配、成本、维护、环境保护、使用功能),它必然涉及广泛领域和众多学科的知识。因此,智能设计是面向集成的设计自动化。

由于CIM技术的发展和推动,智能设计由最初的设计型专家系统发展到人机智能化设计系统。虽然人机智能化设计系统也需要采用专家系统技术,但它只是将其作为自己的技术基础之一,两者仍有较根本的区别,主要表现在以下四个方面。

(1)设计型专家系统只处理单一领域知识的符号推理问题;而人机智能化设计系统则要处理多领域知识和多种描述形式的知识,是集成化的大规模知识处理环境。

(2)设计型专家系统一般只能解决某一领域的特定问题,因此比较孤立和封闭,难以与其他知识系统集成;而人机智能化设计系统则是面向整个设计过程,是一种开放的体系结构。

(3)设计型专家系统一般局限于单一知识领域范畴,相当于模拟设计专家个体的推理活动,属于简单系统;而人机智能化设计系统涉及多领域、多学科的知识范畴,用于模拟和协助人类专家群体的推理决策活动,属于人机复杂系统。这种人机复杂系统的集成特性要求对跨领域知识子系统进行协调、管理、控制和冲突消解进行决策,而且应有必要的机制(如智能界面)保证人和机器的有机结合,使得计算机系统真正成为得力的决策支持手段,而人类设计专家则能借助计算机系统得到这种支持并发挥出关健和权威决策的作用。

(4)从知识模型角度看,设计型专家系统只是围绕具体产品设计模型或针对设计过程某些特定环节(如有限元分析或优化设计)的模型进行符号推理;而人机智能化设计系统则要考虑整个设计过程的模型,设计专家思维、推理和决策的模型(认知模型)以及设计对象(产品)的模型,特别是在CIMS环境下的并行设计,更鲜明地体现了智能设计的这种整体性、集成性、并行性。因此在智能设计的现阶段,对设计过程及设计对象的建模理论、方法和技术加以研究探讨是很有必要的。

综上所述,智能设计从单一的设计型专家系统发展到现在的人机智能化设计系统乃是历史的必然,它顺应了市场对制造业的柔性、多样化、低成本、高质量、快速响应能力的要求。它是面向集成的决策自动化,是高级的设计自动化。当然,正如我们一再强调的,这种决策自动化不会完全排斥人类专家的作用。随着知识自动化处理技术的发展,计算机可以越来越多地承担以往由人类专家所担当的大量决策工作,但不会完全取代人类专家作为最有创造性的知识源的作用。在一个合理协调、有机集成的人机智能化设计系统中,计算机做得好的工作应由计算机做,而且我们还要不断地提高机器的智能,使之可做更多的事情。而如果智能设计的高质量和高可靠现阶段机器无法实现,则应由人类专家去做。这样一个系统可以保证设计的高质量和高效率。 sH1PsPEJFycgcdKYT8a5vVK62AgzNacpUrlk4G6U59RD1GKtQJD8ourMc0yZgSj2

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