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人工智能技术在CAD中的应用孙佳霖 08车辆工程摘要：人工智能（Artificial Intelligence，AI）是一门研究如何构造智能机器或智能系统，使它能模拟、延伸、扩展人类智能的学科。人工智能与CAD系统结合就形成了智能CAD系统 (ICAD)。智能CAD系统是CAD技术的一个重要发展趋势。人工智能在CAD中的应用主要集中在知识工程的引入，发展专家CAD系统。专家CAD系统具有逻辑推理和决策判断能力。它将许多实例和有关专业范围内的经验、准则结合在一起, 给设计者更全面，更可靠的指导。应用这些实例和启发准则，根据设计的目标不断缩小探索的范围，使问题得到解决。关键词：CAD； 人工智能； 专家系统； 智能CAD技术Abstract：Artificial intelligence is a study of how to construct intelligent machine or intelligence system, and make it can simulate、 extend and expand human intelligence. AI and CAD system form intelligent CAD system (ICAD).ICAD is the important development tendency of CAD technology. The application of artificial intelligence in the CAD mainly concentrated in the introduction of knowledge engineering and development experts CAD system.Experts CAD system has logical reasoning and decision making judgment. It makes many examples and the experience of relevant professional field together, and gives the designer more comprehensive and more reliable guidance and makes the problem solved easy.Keywords: CAD; Artificial Intelligence; Expert system; ICADCAD技术就是利用计算机及其图形设备帮助设计人员进行设计工作。在工程和产品设计中，计算机可以帮助设计人员担负计算、信息存储和制图等项工作。在设计中通常要用计算机对不同方案进行大量的计算、分析和比较，以决定最优方案；各种设计信息，不论是数字的、文字的或图形的，都能存放在计算机的内存或外存里，并能快速地检索；设计人员通常用草图开始设计，将草图变为工作图的繁重工作可以交给计算机完成；利用计算机可以进行与图形的编辑、放大、缩小、平移和旋转等有关的图形数据加工工作。人工智能(Artificial Intelligence，AI)是计算机科学控制论、信息论、神经生理学、语言学等多种学科相互渗透而发展起来的一门新兴边缘学科。它是研究开发用于模拟、延伸和扩展人的智能的理论、方法、技术及应用系统的一门新的技术科学。人工智能是计算机科学的一个分支，它企图了解智能的实质，并生产出一种新的能以人类智能相似的方式做出反应的智能机器，该领域的研究包括机器人、语言识别、图像识别、自然语言处理和专家系统等。在这些研究领域中，其共同的基本特点是让机器学会“思考”，成为智能机器（Intelligence machine)。 人工智能问题的求解是以知识为基础的，知识表示是人工智能的核心技术之一。所谓知识表示，就是对知识的一种描述，是一组约定，是一种使计算机可以接受的用于描述知识的数据结构。对知识进行表示就是把知识表示成便于计算机存储和利用的某种结构目前常用的知识表示发法有谓词表示法、产生式表示法、框架表示法、语义表示法、面向对象表示法等多种方法。专家系统（Expert System ，ES）。专家系统是人工智能中最重要的也是最活跃的一个应用领域，它实现了人工智能从理论研究走向实际应用、从一般推理策略探讨转向运用专门知识的重大突破。20世纪60年代初，出现了运用逻辑学和模拟心理活动的一些通用问题求解程序，它们可以证明定理和进行逻辑推理。但是这些通用方法无法解决大的实际问题，很难把实际问题改造成适合于计算机解决的形式，并且对于解题所需的巨大的搜索空间也难于处理。1965年，f . a .费根鲍姆等人在总结通用问题求解系统的成功与失败经验的基础上，结合化学领域的专门知识，研制了世界上第一个专家系统 Dendral，可以推断化学分子结构。20多年来，知识工程的研究，专家系统的理论和技术不断发展，应用渗透到几乎各个领域，包括化学、数学、物理、生物、医学、农业、气象、地质勘探、军事、工程技术、法律、商业、空间技术、自动控制、计算机设计和制造等众多领域，开发了几千个的专家系统，其中不少在功能上已达到，甚至超过同领域中人类专家的水平，并在实际应用中产生了巨大的经济效益。专家系统是一个智能计算机程序系统，其内部含有大量的某个领域专家水平的知识与经验，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。也就是说，专家系统是一个具有大量的专门知识与经验的程序系统，它应用人工智能技术和计算机技术，根据某领域一个或多个专家提供的知识和经验，进行推理和判断，模拟人类专家的决策过程，以便解决那些需要人类专家处理的复杂问题，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。对专家系统可以按不同的方法分类。通常，可以按应用领域、知识表示方法、控制策略、任务类型等分类。如按任务类型来划分，常见的有解释型、预测型、诊断型、调试型、维护型、规划型、设计型、监督型、控制型、教育型等。专家系统的基本结构如图所示，其中箭头方向为数据流动的方向。专家系统通常由人机交互界面、知识库、推理机、解释器、综合数据库、知识获取等6个部分构成。知识库用来存放专家提供的知识。专家系统的问题求解过程是通过知识库中的知识来模拟专家的思维方式的，因此，知识库是专家系统质量是否优越的关键所在，即知识库中知识的质量和数量决定着专家系统的质量水平。一般来说，专家系统中的知识库与专家系统程序是相互独立的，用户可以通过改变、完善知识库中的知识内容来提高专家系统的性能。人工智能中的知识表示形式有产生式、框架、语义网络等，而在专家系统中运用得较为普遍的知识是产生式规则。产生式规则以IFTHEN的形式出现，就像BASIC等编程语言里的条件语句一样，IF后面跟的是条件（前件），THEN后面的是结论（后件），条件与结论均可以通过逻辑运算AND、OR、NOT进行复合。在这里，产生式规则的理解非常简单：如果前提条件得到满足，就产生相应的动作或结论。推理机针对当前问题的条件或已知信息，反复匹配知识库中的规则，获得新的结论，以得到问题求解结果。在这里，推理方式可以有正向和反向推理两种。正向推理是从前件匹配到结论，反向推理则先假设一个结论成立，看它的条件有没有得到满足。由此可见，推理机就如同专家解决问题的思维方式，知识库就是通过推理机来实现其价值的。人机界面是系统与用户进行交流时的界面。通过该界面，用户输入基本信息、回答系统提出的相关问题，并输出推理结果及相关的解释等。综合数据库专门用于存储推理过程中所需的原始数据、中间结果和最终结论，往往是作为暂时的存储区。解释器能够根据用户的提问，对结论、求解过程做出说明，因而使专家系统更具有人情味。知识获取是专家系统知识库是否优越的关键，也是专家系统设计的“瓶颈”问题，通过知识获取，可以扩充和修改知识库中的内容，也可以实现自动学习功能。 专家系统(ES)的特点：(1)为解决特定领域的具体问题，除需要一些公共的常识，还需要大量与所研究领域问题密切相关的知识；(2)一般采用启发式的解题方法；(3)在解题过程中除了用演绎方法外，有时还要求助于归纳方法和抽象方法；(4)需处理问题的模糊性、不确定性和不完全性；(5)能对自身的工作过程进行推理(自推理或解释)；(6)采用基于知识的问题求解方法；(7)知识库与推理机分离。与普通一般专家系统相比设计型专家系统还有如下特点： (1)常采用“设计评价再设计”的设计过程模型。这种设计模型要求专家系统必须能揭示上一设计方案不能被接受的原因，并能吸收上次设计过程中的成功经验和失败教训，进行自我修改，调整设计参数、改变判定条件等等。(2) 设计过程决策、技术问题决策及判断决策需要多种资源支持。有关决策与相应CAD的资源是紧密结合的。专家系统的发展。目前的专家系统发展确实存在着一些限制，在未来的年代中，许多今日专家系统缺失将会被改善，相信未来专家系统应该继续研究的项目有:具有处理常识的能力；发展深层的推论系统；不同层次解释的能力；使专家系统具有学习的能力；分布式专家系统；轻易获取与更新知识的能力。未来发展的专家系统，能经由感应器直接由外界接受资料，也可由系统外的知识库获得资料，在推理机中除推理外，上能拟定规划，仿真问题状况等。知识库所存的不只是静态的推论规则与事实，更有规划、分类、结构模式及行为模式等动态知识。人工智能在CAD中的应用。机械设计实际上是一个模型的综合和分析的过程，它不仅包括大量的计算、分析、绘图等数值计算型工作；还包括拟定初始方案，选择最优方案，制定合理结构等方案设计工作。 目前， 有些企业已引入CAD/CAM 系统， 由于CAD/CAM系统对符号推理工作需要综合运用多种科学的专门知识和丰富的实践经验才能解决，这需要CAD/CAM系统具有智能性，因此，设计智能化已成为机械设计中一个很热门的研究课题之一，它把计算机从数值处理扩展到非数值处理，包括知识与经验的集成、推理和决策，力图使机械设计过程自动化，减少人类专家在设计过程中由于个人因素造成的不足。此外，与传统设计方法相比，专家系统在机械设计中有着不可比拟的优势，它不仅可以长期稳定工作、节省成本，还可以为专家知识特别是启发式知识提供存储手段和传授途径、易于继承。传统CAD技术的局限性。一般来讲，工程设计大致可以分为两种工作：一类是数值计算，包括计算、分析、绘图等，另一类是符号推理，包括方案设计、评价、决策、结构设计等。传统的CAD技术都以数值计算为基础，它不包括符号推理，即没有分析问题和解决问题的能力，它所能做的工作，主要是提供方便的设计手段来辅助设计人员进行设计，即CAD系统只是一个辅助工具。为了克服传统CAD的不足，人们开始研究新的CAD技术思想，引入人工智能的原理和方法，采用专家系统技术，将CAD发展为智能CAD技术，以适应创造性设计的要求。 智能CAD是人工智能（AI）和CAD技术相结合的一门综合性研究领域，其英文名为Intelligent CAD，简写为ICAD。迄今为止，虽然对ICAD有许多定义，但还没有一个大家公认的统一的定义。本书给出其中的一个定义为：ICAD是一种由多个智能体（或称专家系统）与多种CAD功能模块有机集成的支持产品设计的复杂系统。上述ICAD概念的表述强调了以下思想：(1) ICAD是传统CAD技术与专家系统技术的有机集成。(2) ICAD中一般包含有多个专家系统，或称智能体，它们独自负责解决某个单一领域的设计问题，但它们又是分布式的。 (3) ICAD系统应该是为复杂产品的创新设计、革新设计或变型设计提供支持环境或工作平台，不应该是针对某类产品设计的专用系统。(4) ICAD支持复杂产品设计的范围应包括产品需求分析、方案设计、结构设计、可制造性分析、工程分析、优化设计、可靠性设计、详细设计和运动仿真等环节。 智能CAD的发展。根据智能化的水平，可将ICAD的发展分为初级和高级两个阶段。(1)ICAD的初级阶段设计型专家系统 。随着CAD技术与专家系统技术的发展，人们开始把它们结合起来使CAD系统具备某些计算机化的智能来解决某些设计问题。 (2)ICAD的高级阶段面向动态联盟的集成化智能设计系统 。集成化智能设计（integrated intelligent CAD，IICAD）系统是智能CAD的高级阶段，代表了ICAD的发展方向，从而在人的主导下将复杂产品的设计自动化推向更高的水平。 智能CAD的应用非常广，在这里只给出其中几个应用的例子。1自动方案生成。理想的智能CAD是：人类提出设计的要求，由计算机来模拟设计师，自动地设计出形式多样的且能满足要求的设计方案来。2智能交互。在智能CAD系统中，系统可以用户输入的信息为基础，通过计算机已具备的知识和推理，自动获得更多的信息，从而使得交互变得简便。3智能显示。色彩方面、真实感方面。 由上述内容可见智能CAD技术对于普通的CAD技术有着无可比拟的优势，相信随着人工智能技术和CAD技术的更进一步的发展，人工智能技术在CAD中的应用也将更广泛，智能CAD将会在各个领域的设计制造行业独当一面。参考文献1王隆太、朱灯林等著.机械CAD/CAM技术第三版，机械工业出版社，20102袁泽虎、戴锦春等著.计算机辅助设计与制造，中国水利水电出版社，20043曹承志著.人工智能技术，清华大学出版社，2010