第五章 人工智能与专家系统及其PDM

第五章人工智能与专家系统及PDM罗天洪博士副教授重庆交通大学机电与汽车工程学院1.人工智能的定义人工智能(ArtificialIntelligence)的定义也可以描述为：研究用机器来模拟人类的诸如理解语言、学习、推理和解决问题等智能活动，模拟和探索人的感觉和思维过程的规律而设计出类似人的某些智能的自动机的科学。其最终目标是为程序和计算机最大限度地解放人类真实智能，将人类从繁琐的脑力劳动中解放出来。目前通常所说的人工智能是指借助技术和理论手段，应用数学方法和（或）数字逻辑研究智能的各个方面的问题。简言之，就是研究如何用人工的方法与技术，即利用计算机等工具，模拟、延伸和扩展人的智能，实现某些机器思维或脑力劳动的自动化。•1956年夏季，达特莫斯大学的麦卡锡、哈佛大学的明斯基、贝尔实验室的申农和IBM公司的洛切斯特，邀请了一批年轻科学家，共同探讨用机器模拟人工智能的问题，其中包括后来著名的人工智能专家塞缪尔、纽厄尔和西蒙等人。在这次会上，麦卡锡提议使用“人工智能AI”（ArtificialIntelligence）这一术语。从此，人工智能作为一门学科正式诞生了。•同年，塞缪尔研制了一个跳棋程序。1959年这个程序击败了塞缪尔本人，1962年又击败了一个州冠军。2人工智能的起源与发展1948年，美国数学家诺伯特维纳出版了《控制论》（或《动物与机器的控制与机器传播》）一书，创立了控制论。同年，美国数学家申农发表了《通讯的数学理论》，创立了信息论。这时，人工智能作为一门学科诞生的条件已经基本成熟。(1)、人工智能诞生：1956年夏季，达特莫斯大学的麦卡锡（后被人誉为人工智能之父）、哈佛大学的明斯基、贝尔实验室的申农和IBM公司的洛切斯特，邀请了一批年轻科学家，共同探讨用机器模拟人工智能的问题，其中包括后来著名的人工智能专家塞缪尔、纽厄尔和西蒙等人。在这次会上，麦卡锡提议使用“人工智能AI”（ArtificialIntelligence）这一术语。从此，人工智能作为一门学科正式诞生了。同年，塞缪尔研制了一个跳棋程序。1959年这个程序击败了塞缪尔本人，1962年又击败了一个州冠军。(2)、西蒙简介西蒙是人工智能和认知心理学派的主要代表，他曾自学汉语，中文名叫“司马贺”，西蒙是个通才，在许多领域都有杰出的表现。可能是自1956年以来在人工智能领域取得了令人瞩目的进展，西蒙的过于乐观而导致下面一段著名论断。①预言他与纽厄尔于1958年做出了如下的预言：“10年内，计算机将成为世界象棋冠军；10年内，计算机将发现并证明新的数学定理；10年内，计算机将谱写出能被评论家认可的乐曲。”②预言未实现但事实上，计算机一直到1997年才战胜了人类的象棋冠军，至于其他预言，还远未实现。从20世纪60年代中期起，人工智能研究处于相当困难的阶段。主要原因是人们没能很快地取得突破性的进展，人们从刚开始的狂热中冷静下来，开始更加理智地看待人工智能。③批判1971年，应政府的要求，英国剑桥大学的应用数学家詹姆士在进行了一番研究后，发表了一篇关于人工智能的综合报告，该报告对人工智能做了批判，他甚至说：“人工智能即便不是骗局，也是庸人自扰”。这篇报告当时产生了巨大的影响，英国的人工智能研究经费被削减，机构被解散。美国IBM公司也开始放弃了它一向热衷的人工智能研究。整个人工智能学界遭遇到了前所未有的危机。④坚持尽管在这种情况下，还有一些人工智能学者仍在坚持他们的研究，他们的研究后来终于得到了回报。到了20世纪70年代中期，专家系统作为一个新兴的分支得到了发展。从此，人工智能摆脱了那高高在上的形象，开始投入到实际应用中。3、专家系统20世纪70年代以来，出现了许多优秀的专家系统。1975年，由费根鲍曼小组研制的Mycin程序在诊断脑膜炎方面，超过了一般的医生。1976年，斯坦福大学杜达等人研制了一个地质勘探系统Prospector，该系统于1982年准确地预测到华盛顿州一个钼矿的位置。3.1定义专家系统是一个含有大量的某个领域专家水平的知识与经验智能计算机程序系统，能够利用人类专家的知识和解决问题的方法来处理该领域问题。简而言之，专家系统是一种模拟人类专家解决领域问题的计算机程序系统。3.2专家系统特点启发性：专家系统能运用专家的知识与经验进行推理、判断和决策。透明性：专家系统能够解释本身的推理过程和回答用户提出的问题，以便让用户能够了解推理过程，提高对专家系统的信赖感。灵活性：专家系统能不断地增长知识，修改原有知识，不断更新。3.3专家系统的优点具体地说，包括下列八个方面：(1)专家系统能够高效率、准确、周到、迅速和不知疲倦地进行工作。(2)专家系统解决实际问题时不受周围环境的影响，也不可能遗漏忘记。(3)可以使专家的专长不受时间和空间的限制，以便推广珍贵和稀缺的专家知识与经验。(4)专家系统能促进各领域的发展。(5)专家系统能汇集多领域专家的知识和经验以及他们协作解决重大问题的能力。(6)军事专家系统的水平是一个国家国防现代化的重要标志之一。(7)专家系统的研制和应用，具有巨大的经济效益和社会效益。(8)研究专家系统能够促进整个科学技术的发展。3.4专家系统的类型1、解释专家系统任务通过对过去和现在已知状况的分析，推断未来可能发生的情况特点数据量很大，常不准确、有错误、不完全能从不完全的信息中得出解释，并能对数据做出某些假设，推理过程可能很复杂和很长例子语音理解、图象分析、系统监视、化学结构分析和信号解释等。2、预测专家系统任务通过对已知信息和数据的分析与解释，确定它们的涵义。特点系统处理的数据随时间变化，且可能是不准确和不完全，系统需要有适应时间变化的动态模型例子有气象预报、军事预测、人口预测、交通预测、经济预测和谷物产量预测等3、诊断专家系统任务根据观察到的情况(数据)来推断出某个对象机能失常(即故障)的原因特点能够了解被诊断对象或客体各组成部分的特性以及它们之间的联系，能够区分一种现象及其所掩盖的另一种现象，能够向用户提出测量的数据，并从不确切信息中得出尽可能正确的诊断例子医疗诊断、电子机械和软件故障诊断以及材料失效诊断等。4、设计专家系统任务寻找出某个能够达到给定目标的动作序列或步骤。特点从多种约束中得到符合要求的设计；系统需要检索较大的可能解空间；能试验性地构造出可能设计；易于修改；能够使用已有设计来解释当前新的设计。例子VAX计算机结构设计专家系统等。5、规划专家系统任务寻找出某个能够达到给定目标的动作序列或步骤。特点所要规划的目标可能是动态的或静态的，需要对未来动作做出预测，所涉及的问题可能很复杂。例子军事指挥调度系统、ROPES机器人规划专家系统、汽车和火车运行调度专家系统等。6、监视专家系统任务对系统、对象或过程的行为进行不断观察，并把观察到的行为与其应当具有的行为进行比较，以发现异常情况，发出警报。特点系统具有快速反应能力，发出的警报要有很高的准确性，能够动态地处理其输入信息。例子粘虫测报专家系统7、控制专家系统任务自适应地管理一个受控对象或客体的全面行为，使之满足预期要求。特点控制专家系统具有解释、预报、诊断、规划和执行等多种功能。例子空中交通管制、商业管理、自主机器人控制、作战管理、生产过程控制和质量控制等。8、调试专家系统任务对失灵的对象给出处理意见和方法。特点同时具有规划、设计、预报和诊断等专家系统的功能。例子在这方面的实例还比较少见。9、教学专家系统任务教学专家系统的任务是根据学生的特点、弱点和基础知识，以最适当的教案和教学方法对学生进行教学和辅导。特点(1)同时具有诊断和调试等功能。(2)具有良好的人机界面。例子MACSYMA符号积分与定理证明系统，计算机程序设计语言和物理智能计算机辅助教学系统以及聋哑人语言训练专家系统等。10、修理专家系统任务对发生故障的对象(系统或设备)进行处理，使其恢复正常工作。修理专家系统具有诊断、调试、计划和执行等功能。例子美国贝尔实验室的ACI电话和有线电视维护修理系统。此外，还有决策专家系统和咨询专家系统等。3.5专家系统的简化结构专家系统简化结构图专家系统的结构是指专家系统各组成部分的构造方法和组织形式。系统结构选择恰当与否，是与专家系统的适用性和有效性密切相关的。选择什么结构最为恰当，要根据系统的应用环境和所执行任务的特点而定。理想专家系统的结构图知识库包括两部分内容。一部分是已知的同当前问题有关的数据信息；另一部分是进行推理时要用到的一般知识和领域知识。调度器按照系统建造者所给的控制知识，从议程中选择一个项作为系统下一步要执行的动作。执行器应用知识库中的及黑板中记录的信息，执行调度器所选定的动作。协调器的主要作用就是当得到新数据或新假设时，对已得到的结果进行修正，以保持结果前后的一致性。解释器的功能是向用户解释系统的行为，包括解释结论的正确性及系统输出其它候选解的原因。CAD/CAPP/CAM集成:要求数控加工程序的生成是以CAPP的工艺设计结果和CAD的零件信息为依据，自动生成具有标准格式的刀位文件。CAD/CAPP/CAM集成系统结构框图4.CAD/CAPP/CAM集成（CuttingLocation）文件，然后经过适当的后置处理，将刀位文件转换成NC加工程序，并且该NC加工程序应该是针对不同的数控机床和不同的数控系统的。CAD/CAPP/CAM集成的关键技术：（1）特征技术。建立CAD/CAE/CAPP/CAM范围内相对统一的、基于特征的产品定义模型，并以此模型为基础，运用产品数据交换技术，实现CAD、CAE、CAPP和CAM间的数据交换与共享。该模型不仅要求能支持设计与制造各阶段所需的产品定义信息（几何信息、拓扑信息、工艺和加工信息），而且还应该提供符合人们思维方式的高层次工程描述语义特征，并能表达工程师的设计与制造意图。（2）集成数据管理。已有的CAD/CAM系统集成，主要通过文件来实现CAD与CAM之间的数据交换，不同子系统文件之间要通过数据接口转换，传输效率不高。为了提高数据传输效率和系统的集成化程度，保证各系统之间数据的一致性、可靠性和数据共享，需要采用工程数据库管理系统来管理集成数据，使各系统之间直接进行信息交换，真正实现CAD/CAM之间信息交换与共享。（3）产品数据交换标准。为了提高数据交换的速度，保证数据传输完整、可靠和有效，必须采用通用的标准化数据交换标准。产品数据交换标准是CAD/CAE/CAPP/CAM集成的重要基础。（4）集成框架（或集成平台）。数据的共享和传送通过网络和数据库实现，需要解决异构网络和不同格式数据的数据交换问题，以使多用户并行工作共享数据。集成框架对实现并行工程协同工作是至关重要的。CIMS：指以企业为对象，借助计算机和信息技术，使经营决策、产品设计与制造、生产管理有机结合为一个整体，从而缩短产品开发周期、制造周期、提高产品质量及生产率，充分利用企业的各种资源，获得更高的经济效益。5.计算机仿真所谓“仿真”一般是指利用模型对实际系统进行实验研究的过程。根据模型的种类将仿真分为两类：物理仿真：采用物理模型数学仿真：采用数学模型。由于数学模型的解算离不开各种类型的计算机，所以计算机是数学仿真的重要工具，因此数学仿真又称为“计算机仿真”。5.1计算机仿真的基本类型：1、模拟计算机仿真用模拟计算机进行的仿真称模拟计算机仿真。模拟计算机由许多运算放大器组成模拟解算装置。运算放大器的输入量及输出量都是随时间连续变化的电压量（称为模拟量），所以称为“模拟计算机”。模拟计算机能快速地解算常微分方程，因此，当采用模拟计算机仿真时，应设法将所研究的问题描述为微分方程。2、数字计算机仿真采用数字计算机进行的仿真称为数字计算机仿真。数字计算机不仅能快速地解算常微分方程，同时还可解算其他形式的复杂的数学方程和具有逻辑判断能力，因此，数学计算机仿真能解决的问题要比模拟计算机仿真广泛得多。3、混合计算机仿真混合计算机是一种将模拟计算机与数字计算机通过一套接口组合在一起的混合计算机系统，它兼有模拟计算机和数字计算机的优点。采用混合计算机进行的仿真称为混合计算机仿真。5