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基于知识的机械产品设计原理、方法与应用研究殷国富徐雷成尔京方辉张莉四川大学制造科学与工程学院CAD/CAM研究所2008年10月n第十四届全国机械设计年会暨中国机械工程学会机械设计分会第六届委员会成立大会一、基于知识的智能设计研究与发展概况二、基于知识的机械产品设计原理、方法与应用研究三、基于知识的智能设计技术研究展望四、结束语n汇报提纲一、基于知识的智能设计研究与发展概况n－－－－产品设计是制造业发展最为关键的因素1.（1）基于知识的智能设计是将人类智力行为通过人工智能技术附加于设计工具或计算机软件系统之中，在一定程度上帮助人类工程师进行推理求解和决策。2.（2）机械产品开发的最关键问题是如何实现基于知识的创新设计、智能化设计。产品设计的本质是以知识为核心的智力资源处理活动，是知识获取、处理、创造和发现的过程。n1、基于知识的设计方法课题研究需求分析1.(1)机械产品的设计成本仅仅占其制造总成本的3%左右，由于设计阶段就决定了产品的的结构、功能、质量、成本、可制造性、可维修性等主要性能指标，也就决定了产品质量和成本的70%；2.(2)从知识到技术、到产品所需的时间越来越短，反应在产品的价值上，独占性技术（知识）构成了产品的主要价值；3.(3)与发达国家的差距大量表现在产品的性能质量上，但更为关键的是缺乏自主知识产权，缺乏自主创新产品；项目名称数字化设计制造集成技术数字化设计制造集成技术意义立足前沿，通过数字化技术的应用，研发前瞻、共性、适用的方法、技立足前沿，通过数字化技术的应用，研发前瞻、共性、适用的方法、技术与平台，为我国制造业的技术创新与管理创新提供源头支持术与平台，为我国制造业的技术创新与管理创新提供源头支持。。跟踪与自主创新相结合，将数字化技术融入企业业务流程，力求在基础理论跟踪与自主创新相结合，将数字化技术融入企业业务流程，力求在基础理论方法、共性关键技术、原型平台方面取得原创成果与突破。方法、共性关键技术、原型平台方面取得原创成果与突破。（（11））智能设计：设计智能与知识表示，多学科优化与仿真，基于知识的设智能设计：设计智能与知识表示，多学科优化与仿真，基于知识的设计技术，分布式协同设计技术，产品全生命周期设计方法，虚拟样机技术等计技术，分布式协同设计技术，产品全生命周期设计方法，虚拟样机技术等；；（（22）数字样机和虚拟制造：制造过程建模与仿真，定量化工艺设计，智能）数字样机和虚拟制造：制造过程建模与仿真，定量化工艺设计，智能化车间调度算法，虚拟制造与装配等；化车间调度算法，虚拟制造与装配等；（（33）协同资源管理：先进的企业管理与生产模式，企业间协同资源计划，）协同资源管理：先进的企业管理与生产模式，企业间协同资源计划，供应链与需求链管理等；供应链与需求链管理等；（（44）集成方法与技术：异构系统集成和制造过程冲组，知识、过程集成方）集成方法与技术：异构系统集成和制造过程冲组，知识、过程集成方法与技术，相关协议、标准与规范等。法与技术，相关协议、标准与规范等。目标内容n在制造业信息化工程技术中，基于知识的设计技术是数字化设计制造集成技术研究、开发的一个关键问题！2、21世纪的机械产品设计需要新的设计理念可持续发展的理念9各领域科学技术的发展—科技进步通过产品而成为生产力9社会和经济的发展—任何产品的目的都是为了满足社会和经济发展的需要9买方市场的发展—20世纪以来世界市场发展成买方市场，产品只有不断更新才有竞争力9可持续发展—21世纪议程创新设计的理念9人类进步的历史是创造的历史9信息时代更须创新也更能创新9创造学是阐述创新规律的科学基于知识的设计理念9产品设计条件：人、思想及工具，智能行为9产品的价值主要体现在知识的含量上9获取知识的能力是企业核心竞争力的体现n基于知识的工程（KnowledgeBasedEngineering，简称KBE）是由某方面的专家和有经验的工程师一起开发的一个基于计算机的工程工具，这一工具可为工程师和设计者交互提供产品设计和制造方面的知识和规则，将产品设计、分析、制造方面的一切信息和专家的知识及经验集成到设计系统中，使设计人员能在设计的不同阶段得到来自系统不同程度的设计支持。它是CAD/CAM/CAE、知识库、推理机、数据库等的集成，而且更强调专家知识和经验的继承、传递和共享。n产品设计中的KBE应用技术研究包括两个方面：n（1）知识型CAD系统的基础理论、实施技术与方法研究，例如描述模型、认知模型、规范化模型、知识库模型、推理决策的计算机模型等。n（2）基于CAD系统平台开发专门的KBE应用系统，例如CATIA的知识工程及知识工程顾问模块；UG推出的知识驱动自动化（KnowledgeDrivenAutomation，KDA）工具，包括UG/KF（KnowledgeFusion，知识融合）和一系列过程向导。n3、基于知识的工程及其应用技术研究问题知识、设计知识的内涵与知识表示问题知识、设计知识的内涵与知识表示问题11谓词逻辑的知识表示谓词逻辑的知识表示22产生式表示法产生式表示法33语义网络表示法语义网络表示法44框架知识表示法框架知识表示法55过程知识表示法过程知识表示法66PetriPetri网模型表示法网模型表示法77面向对象的知识表示面向对象的知识表示88与与//或图表示、状态空或图表示、状态空间表示法、人工神经元网络间表示法、人工神经元网络（（ANNANN））表示法表示法等等知识表示知识表示(Knowledge(KnowledgeRepresentation)Representation)，，知识表示就知识表示就是知识的符号化过程。是知识的符号化过程。即把相即把相关问题的知识加以形式化描关问题的知识加以形式化描述，表示成为便于计算机存述，表示成为便于计算机存储、管理和调用的某种数据结储、管理和调用的某种数据结构模式。构模式。n知识是经过筛选和整理的信息，是对事物运动变化规律的表述，是人类对客观世界一种较为准确、全面的认识和理解。n设计知识的内涵：用于产品设计、决策的各种数据、规则、信息和经验的集合，有静态知识、动态知识、规范化知识、非规范化知识等。n主要包含：市场信息与用户需求知识、设计基本原理与方法、设计经验、设计标准规范、设计过程模型与求解策略、已有产品模型与样机、产品实验与检测数据等。知识库管理系统的设计中要做到下面三个方面：⑴⑴知识操作功能设计。知识操作功能设计。包括添加、删除、修改、查询和统计等，这些功能可采用两种方法来实现。①利用屏幕窗口，通过人机对话方式实现知识的增、删、改、查等；②用全屏幕编辑方式，让用户直接用键盘按知识描述语言的语法格式编辑知识。⑵⑵知识检查功能设计。知识检查功能设计。检查知识的一致性、完整性、冗余性等。⑶⑶知识库操作设计。知识库操作设计。包括知识库（文件）的建立、删除、分解、合并等。其中知识库的分解和合并功能类似于关系数据库的投影、选择和连接操作，实现的是知识库的重组。因为随着系统的运行，可能会发现原先的知识组合不尽合理，从而需要使用分解与合并来重组。设计知识的获取是关键、知识库建立是基础nn知识库与知识库管理系统研究问题知识库与知识库管理系统研究问题n智能设计系统研究及其存在的技术问题1.为了更好地进行机械设计领域信息和知识的管理、继承、发掘、集成和传播，国内外多年来进行了大量的研究与开发工作，例如设计专家系统。目前针对信息资源与知识库系统的研究主要体现在以下方面：2.(1)设计型工程专家系统，知识获取是专家系统建设中的瓶颈问题。3.（2）智能化的概念设计（产品方案设计）系统技术4.（3）基于实例的设计与实例库系统，知识重用设计、实例描述问题；5.（4）基于规则的信息资源与知识库系统；6.（5）规则库与实例库结合的信息资源与知识库系统；n（6）基于约定推理机制和知识表达机制的信息资源与知识库系统。n存在的问题：集成能力不足、智能化程度较低、信息获取和处理能力有限、协同能力不足、实用性与先进性的矛盾等问题，最为关键的是各类机械产品设计知识的表示、建模与获取技术问题还没有很好解决。（1）国家863计划现代制造集成技术专题资助课题“面向复杂产品的设计知识发现技术与知识库系统研究”（编号：2006AA04Z108）；（2）与东方电气集团公司合作获得国家科技支撑计划（编号：2006BAF01A07）－－大型发电设备数字化综合集成技术开发与应用，重点进行的工作之一是：大型发电设备制造资源数据库与知识库建设及其共享平台技术研究；国家自然科学基金项目“面向网络化协同设计的非规范性知识描述原理与关键技术研究”(编号：50575153)。（3）四川省重点科技攻关项目“大型发电设备数字化工艺设计知识重用技术与应用系统研究”(项目编号：2006Z3-004)；n实现基于知识的设计的重要问题之一是建立面向机械产品设计制造信息资源数据库与知识库系统！二、基于知识的机械产品设计原理、方法与应用研究n机械产品设计知识的特征1.机械产品设计系统本身的复杂性、多功能性和多层次性决定了设计信息和知识具有种类多、数量大和结构复杂等特性：2.(1)按照适用范围，知识可以分为通用型知识和专用型知识；3.(2)按照知识的产生部门，制造知识可以分为设计知识、工艺知识、装配知识、检测知识以及管理知识等；4.（3）按照产品对象的物理特征，制造知识可分为形状特征知识、精度特征知识、材料特征知识和加工特征知识等；n（4）根据知识的编辑属性，可以分为静态信息知识、动态信息知识、中间信息知识等；n（5）从形态上看，设计知识既包括精确知识，也包括模糊知识，既包括确定性知识，也包括不确定性知识，既包括规范性知识，也包括非规范性知识。nn（（11）机械产品设计制造信息资源知识库的体系结构）机械产品设计制造信息资源知识库的体系结构nn（（22）知识驱动的产品协同设计技术）知识驱动的产品协同设计技术nn（（33）基于粗糙集原理与实例推理方法的冲突消解机制研究）基于粗糙集原理与实例推理方法的冲突消解机制研究nn（（44）非规范知识形态分析、描述与度量方法）非规范知识形态分析、描述与度量方法nn（（55）基于）基于WebWeb技术的知识获取与发现方法技术的知识获取与发现方法nn（（66）个性化制造知识主动推荐服务技术与结构流程）个性化制造知识主动推荐服务技术与结构流程nn（（77）支持智能设计系统的知识仓库技术）支持智能设计系统的知识仓库技术nn（（88）基于知识的计算机辅助夹具设计支持技术）基于知识的计算机辅助夹具设计支持技术nn（（99）机械设计基础信息资源的数字化支持技术研究）机械设计基础信息资源的数字化支持技术研究n课题组在原理、方法以及应用的重点方向与成果n（1）机械产品设计制造信息资源知识库的体系结构面向机械设计制造的信息资源及知识库系统研究主要包括以下三方面的内容：一是各类设计制造信息与知识的表示方法、自动获取方法、物理存储方法；二是机械产品设计制造系统及其各子系统的信息与知识的共享、集成与管理；三是设计制造信息与知识的应用。机械产品开发过程与制造系统中各类智能化设计、加工与管理方法都是对相关各类信息与知识的获取、处理、应用和发现重用的过程。n参考资料：方辉，机械制造信息资源的非规范知识处理技术研究，n四川大学博士学位论文，2007年5月面向智能设计制造的信息资源知识库系统结构Architectureofinformationsourceknowledgebaseorientedintelligentdesignandmanufacturing产品设计制造知识发布C/SB/SInternet企业信息管理中心信息安全管理Intranet动态网页应用程序知识资源站点知识管理站点面向本部门面向其他部门应用程序服务器层应用层资源层产品设计制造知识应用…工艺部门…冷加工工艺热加工工艺特种加工工艺装配工艺设计部门…产品规划结构设计方案设计电气设计企业知识资源使用权限认证产品设计制造知识发现知识发现对象：规范性制造知识知识发现对象：非规范性制造知识…聚类分析概念描述