機械CAD及其應(yīng)用第十章設(shè)計型專家系統(tǒng)

第十章

設(shè)計型專家系統(tǒng)

10.1專家系統(tǒng)概述10.1.1專家系統(tǒng)的特點與類型1.

專家系統(tǒng)的特點專家系統(tǒng)：是在特定領(lǐng)域中的一套計算機程序，它具有專家工作時利用知識推理的能力。

人工智能以計算機模擬人的智能為目標(biāo)，其基本特點是對符號信息系統(tǒng)的自動處理。第一頁，編輯于星期日：十點二十九分。(1)

啟發(fā)性它除了能利用大量專業(yè)知識外，還能利用經(jīng)驗知識做出假設(shè)和判斷，引導(dǎo)推理的正確性。(2)

透明性專家系統(tǒng)能將其工作過程顯示給用戶，能對用戶提問做出必要的解釋，并能為用戶提供咨詢。(3)靈活性正如人類專家可以修改自己擁有的知識和學(xué)習(xí)新知識一樣，專家系統(tǒng)也能增加和修改它所擁有的知識，以適應(yīng)逐漸復(fù)雜化的問題求解。專家系統(tǒng)有以下特點：第二頁，編輯于星期日：十點二十九分。方面?zhèn)鹘y(tǒng)程序?qū)＜蚁到y(tǒng)編程思想依據(jù)某一算法強調(diào)啟發(fā)式知識的利用編程方法知識和推理混在一起知識庫與推理機分開處理對象數(shù)值量符號+數(shù)值性能修改難，要修改源程序，重新編譯易，只需修改知識庫執(zhí)行中解釋不能可以執(zhí)行過程按編程規(guī)定的內(nèi)部邏輯，順序執(zhí)行根據(jù)條件和知識，決定執(zhí)行路線所得結(jié)果結(jié)果正確，不允許不確切結(jié)果滿意，可以不確切專家系統(tǒng)與傳統(tǒng)程序的區(qū)別第三頁，編輯于星期日：十點二十九分。(1)

解釋型專家系統(tǒng)根據(jù)獲得的數(shù)據(jù)去分析問題的結(jié)構(gòu)或狀態(tài)。(2)

預(yù)測型專家系統(tǒng)根據(jù)過去及現(xiàn)在所有的情況推斷將來的情況。(3)

診斷型專家系統(tǒng)根據(jù)觀察到的事實推斷對象系統(tǒng)的功能故障。(4)

監(jiān)控型專家系統(tǒng)連續(xù)地對對象系統(tǒng)的行為進行觀察，并在需要干預(yù)的時候發(fā)出警報或進行監(jiān)控。(5)

規(guī)劃型專家系統(tǒng)為完成特定目標(biāo)而采取的一系列動作或解決問題的步驟。(6)設(shè)計型專家系統(tǒng)構(gòu)造對象模型(方案)，而且滿足約束條件，如機械設(shè)計、電子電路設(shè)計、建筑設(shè)計等。2.專家系統(tǒng)類型第四頁，編輯于星期日：十點二十九分。人機接口知識獲取模塊知識庫維護模塊解釋機制上下文(數(shù)據(jù)庫)推理機知識庫專家系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)10.1.2專家系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)第五頁，編輯于星期日：十點二十九分。(2)上下文

它與數(shù)據(jù)庫相似，動態(tài)地反映或存放求解領(lǐng)域問題時的原始數(shù)據(jù)及事實，以及中間和結(jié)果信息。

(3)

推理機在一定的控制策略下，針對上下問中的當(dāng)前信息，選取知識進行推理，以求解問題的結(jié)果。常見的推理控制方式有：數(shù)據(jù)驅(qū)動的正向推理，目標(biāo)驅(qū)動的反向推理，正反向結(jié)合的混合推理等；針對知識的精確與否，又可分為精確推理與不精確推理兩種。(4)知識獲取模塊

知識獲取分為人工方式、智能編輯及自動方式三種。(1)

知識庫存放領(lǐng)域?qū)＜姨峁┑膶＜抑R。它們包括書本知識(理論知識)、常識性知識以及憑經(jīng)驗得到的啟發(fā)式知識。人機接口知識獲取模塊知識庫維護模塊解釋機制上下文(數(shù)據(jù)庫)推理機知識庫第六頁，編輯于星期日：十點二十九分。(6)

解釋機制回答用戶的提問，對求解過程及求解狀態(tài)進行說明。幫助用戶了解求解的過程，判斷求解的正確性，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的錯誤，增強對所得結(jié)果的信任度。(7)人機接口一方面將專家或用戶的輸入信息翻譯成計算機可接受的內(nèi)部信息形式；另一方面將系統(tǒng)的反饋信息(如解釋，結(jié)果等)輸出顯示。(5)

知識維護模塊實現(xiàn)對知識庫中知識的矛盾、冗余檢查，新知識加入后對已有知識的調(diào)整檢查，以及對知識庫的瀏覽、增、刪、改等操作。人機接口知識獲取模塊知識庫維護模塊解釋機制上下文(數(shù)據(jù)庫)推理機知識庫第七頁，編輯于星期日：十點二十九分。

機械設(shè)計的決策：①設(shè)計過程決策即決定下一步應(yīng)該做什么，如是材料選擇還是應(yīng)力計算，即決定設(shè)計步驟；②技術(shù)過程決策即對某個具體技術(shù)問題在記過某些分析、計算或比較后，決定是否可以接受，例如材料、幾何形狀、結(jié)構(gòu)大小、加工工藝等；③評價性決策即對整個設(shè)計進行綜合評價，確定可接受的標(biāo)準(zhǔn)，并在滿足所有約束條件及目標(biāo)要求的情況下選擇一個較優(yōu)的設(shè)計。10.1.3機械設(shè)計型專家系統(tǒng)的特點第八頁，編輯于星期日：十點二十九分。2.設(shè)計過程決策、技術(shù)問題決策及評價性決策需要多種資源支持機械設(shè)計型專家系統(tǒng)有以下特點：1.時常采用“設(shè)計—決策—再設(shè)計”的決策模型規(guī)劃資源設(shè)計資源數(shù)據(jù)資源分析資源圖形資源評價資源設(shè)計過程決策技術(shù)問題決策評價性決策決策所需資源第九頁，編輯于星期日：十點二十九分。a)

大的決策空間b)

機械設(shè)計的多目標(biāo)性及解的不一致性c)

機械設(shè)計知識的多樣性、病態(tài)結(jié)構(gòu)及其模糊性d)

設(shè)計變量、設(shè)計子任務(wù)和設(shè)計目標(biāo)的相關(guān)性e)

接口技術(shù)的綜合性3.機械設(shè)計型專家系統(tǒng)具有的特殊困難第十頁，編輯于星期日：十點二十九分。

1.知識庫規(guī)則1：IF動物有毛發(fā)；THEN該動物為哺乳動物；

2.推理機規(guī)則2：IF動物有奶；THEN該動物為哺乳動物；規(guī)則3：IF動物有羽毛；THEN該動物為鳥；規(guī)則3：IF動物會飛，且會下蛋；THEN該動物為鳥；規(guī)則5：IF動物吃肉；THEN該動物是食肉動物；規(guī)則6：IF動物有犬齒，且有爪，且眼睛盯前方；THEN該動物是食肉動物；規(guī)則7：IF動物是哺乳動物，且有蹄；THEN該動物為有蹄哺乳動物；規(guī)則8：IF動物是哺乳動物，且是反芻動物；THEN該動物為有蹄類動物；規(guī)則9：IF動物是哺乳動物，且是食肉動物，且是黃褐色，且有暗斑點；

THEN該動物為豹；規(guī)則10：IF是黃褐色動物，且是哺乳動物，且是食肉動物且有黑條紋；THEN該動物為虎；規(guī)則11：IF動物有暗斑點，且有長腿，且有長勃子，且為有蹄動物：THEN該動物是長頸鹿；規(guī)則12：IF該動物有黑條紋，且為有蹄動物；THEN該動物是斑馬10.1.4專家系統(tǒng)實例——“動物識別”專家系統(tǒng)第十一頁，編輯于星期日：十點二十九分。長腿黑條紋長脖子有蹄類鳥黑白色豹虎長頸鹿斑馬鴕鳥企鵝信天翁黃褐色暗斑點有蹄不會飛會游泳善飛吃肉有犬齒有爪有毛發(fā)有奶有羽毛會飛下蛋食肉動物哺乳動物反芻動物眼睛前方R4R15R10R11R12R13R14R9R8R7R1R2R3R5R6動物識別的知識推理網(wǎng)絡(luò)觀察外觀得到的條件：有奶，有蹄，有斑點，長腿，長脖子哺乳動物有奶R2有蹄類有蹄暗斑點長腿長脖子長頸鹿第十二頁，編輯于星期日：十點二十九分。初始設(shè)計知識分析知識知識庫控制的模塊化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)評價知識再設(shè)計知識決策知識設(shè)計條件中間信息黑板最終結(jié)果………控制模塊用戶接口(I/O)10.2設(shè)計型專家系統(tǒng)的控制與求解策略10.2.1總控策略不成功不可接受可接受設(shè)計要求初始設(shè)計分析再設(shè)計評價結(jié)束“設(shè)計—評價—再設(shè)計”的過程決策模型第十三頁，編輯于星期日：十點二十九分。機械產(chǎn)品方案設(shè)計專家系統(tǒng)實質(zhì)上是機械設(shè)計中模式設(shè)計過程的模擬。組成模式的各個部分可稱為概念，將有效的概念組合起來，就是方案設(shè)計的任務(wù)。機械設(shè)計方案設(shè)計包括了模式設(shè)計(概念的組合)及參數(shù)設(shè)計(確定概念的屬性及屬性值)兩大部分。

1.方案設(shè)計的求解策略

10.2.2方案設(shè)計專家系統(tǒng)的求解策略與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第十四頁，編輯于星期日：十點二十九分。概念設(shè)計滿意否結(jié)束方案設(shè)計專家系統(tǒng)的求解策略模型設(shè)計條件一組方案最佳方案方案評價參數(shù)設(shè)計方案設(shè)計再設(shè)計成功布置設(shè)計概念設(shè)計篩選策略評價模型求解器分析模型方案儲存器評價指標(biāo)方法庫分析指標(biāo)概念設(shè)計知識再設(shè)計知識庫再設(shè)計策略布置策略模型庫NYYN第十五頁，編輯于星期日：十點二十九分。機械產(chǎn)品方案設(shè)計問題是一個多目標(biāo)、多任務(wù)、多層次、推理與分析、評價與決策的復(fù)雜求解過程。在考慮具體的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)時，除了要遵循上面已經(jīng)敘述過的求解策略外，在結(jié)構(gòu)上還應(yīng)考慮以下要求：a)

知識庫要與控制結(jié)構(gòu)分開，以便知識庫的擴充和改進；b)

要有一個好的用戶界面，使之易于操作，易于信息交換，并易于獲得各種解釋；c)

有效的知識獲取及維護功能；d)實現(xiàn)功能獨立的模塊結(jié)構(gòu)，以利于系統(tǒng)的改進與擴充。

2.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第十六頁，編輯于星期日：十點二十九分。概念設(shè)計方案設(shè)計專家系統(tǒng)結(jié)構(gòu)任務(wù)定義方案評價參數(shù)設(shè)計方案分析設(shè)計條件推理機布置設(shè)計知識獲取及維護求解器再設(shè)計解釋靜態(tài)事實庫動態(tài)事實庫中間結(jié)果庫知識庫模型庫數(shù)據(jù)庫第十七頁，編輯于星期日：十點二十九分。知識庫的基本任務(wù)：①知識獲?。虎谶x擇合適的知識表示方法，完成知識的外部格式文件到計算機內(nèi)部格式的轉(zhuǎn)化，建成知識庫；③知識庫的管理。10.3.1知識獲取1.知識獲取的任務(wù)知識獲取是指從某個或某些知識源那里提取問題求解所需的領(lǐng)域?qū)ｉT知識，并將這些專門知識轉(zhuǎn)換為一種計算機內(nèi)的儲存方式。2.

知識獲取的方式(1)人工方式(2)半自動方式(3)全自動方式

10.3知識庫建造第十八頁，編輯于星期日：十點二十九分。(1)問題識別階段

(2)概念化階段

(3)形式化階段

(4)實現(xiàn)階段

(5)檢驗階段

3.知識獲取的主要步驟第十九頁，編輯于星期日：十點二十九分。10.4.1計型專家系統(tǒng)的開發(fā)過程1.建立設(shè)計型專家系統(tǒng)的步驟a)

問題定義階段b)

系統(tǒng)設(shè)計階段c)

知識獲取階段d)

原型實現(xiàn)階段e)測試改進階段

10.4設(shè)計型專家系統(tǒng)的開發(fā)及舉例第二十頁，編輯于星期日：十點二十九分。設(shè)計型專家系統(tǒng)的開發(fā)步驟系統(tǒng)設(shè)計●確定任務(wù)●了解知識●求解方法●系統(tǒng)功能●知識表示●推理方法●系統(tǒng)結(jié)構(gòu)●獲取知識●建立知識庫●模塊實現(xiàn)●系統(tǒng)聯(lián)調(diào)●測試●評價●改進改進改進再設(shè)計再定義測試改進原型實現(xiàn)知識獲取問題定義第二十一頁，編輯于星期日：十點二十九分。知識表示了解知識求解方法系統(tǒng)功能確定任務(wù)推理方法系統(tǒng)結(jié)構(gòu)獲取知識建立知識庫模塊實現(xiàn)系統(tǒng)聯(lián)調(diào)測試評價改進測試改進階段演示原型研究原型領(lǐng)域原型產(chǎn)品原型商品化系統(tǒng)原型維生命周期維步驟維原型實現(xiàn)階段知識獲取階段系統(tǒng)設(shè)計階段問題定義階段2.三維漸進式開發(fā)模型

第二十二頁，編輯于星期日：十點二十九分。龍門銑進給箱方案設(shè)計專家系統(tǒng)1.

背景2.FBCDES的功能(1)動力源設(shè)計(2)傳動系設(shè)計(3)軸承選擇設(shè)計(4)聯(lián)接方式設(shè)計(5)密封方式設(shè)計(6)潤滑方式設(shè)計(7)布置設(shè)計(8)重要參數(shù)選擇(9)分析評價與報價10.4.2設(shè)計型專家系統(tǒng)的舉例第二十三頁，編輯于星期日：十點二十九分。從用戶那里獲得主要輸入信息有：進給箱型號、設(shè)計者、驅(qū)動件類型、龍門銑類型、進給箱類型、銑頭方向、工作臺尺寸(長與寬)、設(shè)計空間尺寸(長、寬、高)、工作臺承載、最大最小進給速度、主軸箱功率、主軸最高及最低轉(zhuǎn)速等。設(shè)計結(jié)果將存入數(shù)據(jù)文件或數(shù)據(jù)庫中，供后續(xù)的零部件設(shè)計使用。主要的輸出信息有：動力源類型、型號、功率、轉(zhuǎn)速及扭矩；傳動變速方式、齒輪副數(shù)、軸數(shù)、傳動圖；各齒輪副的速比、齒數(shù)、模數(shù)、在軸上的位置、加工精度；傳動軸間中心范圍；各軸參考直徑；各軸的軸承個數(shù)、位置、類型；箱體參考尺寸；各零件的材料；密封、聯(lián)接、潤滑方式；多種形