基于人工智能技术的电器产品设计方法研究.pdf

《基于人工智能技术的电器产品设计方法研究.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于人工智能技术的电器产品设计方法研究.pdf（50页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、河北工业大学 硕士学位论文 基于人工智能技术的电器产品设计方法研究 姓名：刘竞争 申请学位级别：硕士 专业：电气工程 指导教师：李玲玲 20091101河北工业大学硕士学位论文 i 基于人工智能技术的电器产品设计方法研究 摘 要 本文在分析电器现代技术的发展现状及其设计特点的基础上，将人工智能技术理论引 入产品的设计过程，对电器领域的知识建模，知识表示，知识获取等方面进行了研究，并 提出了相应的解决方法。以期通过研究达到缩短产品开发周期、降低开发成本、提高产品 设计质量的目的。 本文以人工智能技术为基础，构建了电器智能设计系统的总体结构，根据电器领域的 特点，阐述了系统中各个模块的功能特性。

2、在广泛收集电器领域内专家设计知识的基础上，将多种表示方法混合使用构建系统知 识库，使产品知识的表达更加全面、具体，为系统能够在不同的设计进程中、在不同的设 计状态下采用灵活的推理方式奠定基础。 基于粗糙集理论中的属性约简，提出了一种利用产品层次结构提取产品模型最简属性 集的方法，并在此基础上，根据产品的不同属性在其产品设计中的作用不同，借助粗糙集 理论中重要性和支持度等概念，提出了一种为产品最简属性集进行权重分配的方法。 基于实例的推理（CBR） ，借助隶属度和贴近度等概念，构造了源实例与目标实例的模 糊相似度函数，提出了一种模糊相似度的求解方法。同时，对于产品设计中存在的不确定 参数问题，课

3、题分别基于模糊综合决策和证据理论，提出了求解不确定参数的两种方法， 有效地解决了设计中的模糊不确定问题。 关键词：人工智能，电器，知识表示，属性约简，权重分配，模糊相似度，不确定参数 基于人工智能技术的电器设计方法研究 ii THE STUDY ON DESIGN METHOD OF ELECTRICAL APPARATUS BASED ON ATRIFICIAL INTELLIGENT TECHNOLOGY ABSTRACT In this paper artificial intelligent technology theory was introduced in the product

4、 design progress,based on analysising current situation of morden electrical apparatus technolgy and its design features, in order to research knowledge modeling of electrical apparatus field, knowledge representation and knowledge acquisition .then a solution was proposed. So that can shorten devel

5、opment period, reduce development cost and improve product design quality. In this paper, the general structure of electrical apparatus intelligent design system was built baised on the artificial intelligent technology and the functional properties of each mode in the system was discussed according

6、 to the characteristics of electrical apparatus field. In order to make the describtion of product knowledge to be more comprehensive and concrete, to lay a foundation for the system to adopt flexible reasoning method in different design processes and under different design design conditions ,a numb

7、er of representation methods are mixed used to build system knowledge base based on extensive collection of electrical apparatus field perfationals design knowledge. A method which used product hierarchy structure to extract product modes simplest attribut set was proposed based on attribute reducti

8、on of rough set theory,and on the base of this,a method which used to make weight distribution of product simplest attribution was been proposed according to the importance and support degree of the rough set theory. Case based Reasoning (CBR),used the comcepts such as membership degree and closenes

9、s degree to build the function of fuzzy similarity of souce example and object example, a fuzzy similarity sloveing method was proposed. At mean time, two different sloveing methods were proposed based on fuzzy comprehensive decision and evidence theory to solve the uncertain parameters problems in

10、the product design and it slove the fuzzy uncertain problems in the design effectively. KEY WORD: Artificial Intelligent(AI), electrical apparatus, knowledge processing, attribute reduction, weight distribution, fuzzy similar degree, uncertain parameters 河北工业大学硕士学位论文 1 第一章 绪 论 1-1 电器产品智能设计的重要性和必要性 在

11、航空航天、电力系统、工业生产过程、通讯等领域的各种自动控制设备中，电器产品都是极为重 要的基础元件。高度自动化的现代制造业，对电器产品的开发提出了越来越高的要求，这种高要求主要 体现在如下三个方面 1 ： （1）越来越高的设计质量要求； （2）越来越短的设计周期要求； （3）越来越复 杂的设计对象及其环境的要求。 设计在制造业中占有举足轻重的地位，不仅决定着产品的技术性能，而且决定着产品全生命周期总 成本的 70；而在运用 CAD/CAM 技术的工程阶段，只决定产品成本的 20；生产过程控制和规划阶 段对产品成本的影响仅占 10左右 2 。可见，设计是决定产品内在和外在品质的最重要环节。电器产

12、器 设计的重要性主要表现在以下方面： （1）产品设计直接决定产品的功能和性能 产品的功能、工作过程和质量指标等最终都是由设计确 定的，可以说产品的水平主要取决于设计水平。而设计的失误、缺陷，甚至考虑问题不细致不全面、都 会导致灾难性结果。如果由于产品使用不当或由于制造装配中出现问题，所造成的不良后果还是可以再 补救的或修复的，这是局部性和偶然性问题; 如果设计本身就存在问题，则不良影响是根本性或全局性 的，所造成的后果是难以弥补的。 （2）设计对企业的生存和发展具有重大意义 产品生产是企业的中心任务，而产品的竞争力影响着 企业的生存与发展。产品的竞争力主要在于的它的性能和质量，也取决于经济性，

13、而这些因素都与设计 密切相关。 （3）设计直接关系人类的未来及社会的发展，所设计的产品要紧跟时代步伐，有一定的预见性， 尤其是影响面较大的电器产品，还能够加速促进技术进步。蒸汽机的出现引起世界性的工业革命，从 1770 年开始的以后 70 年中英国的工业生产率提高了 20 倍 3 。因此电器产品设计应着眼于未来，适应技 术发展，同时也应努力促进技术发展。 因此，满足现代制造业的要求、采用现代设计方法实现电器产品的智能化设计，无论在理论方面还 是在经济效益方面都具有重要意义。 传统的产品设计方法以经验总结为基础，运用长期设计实践和理论计算而形成的经验、公式、图表 设计手册等作为设计的依据，通过经

14、验公式、近似系数或类比等方法对产品进行设计 4 。分析传统的电 器产品设计过程，可以看出传统设计的每一个环节都是依靠设计者用手工方式来完成的。首先凭借设计 者直接的或间接的经验，通过类比分析或经验公式来确定方案，内于方案的拟定很大程度上取决于设计 人员的个人经验 即使同时拟定几个方案， 也难于获得最伏方案。 由于分析计算受人工计算条件的限制， 只能用静态的、 近似的方法， 参考数据偏重于经验的概括和总结， 往往忽略了一些难解或非主要的因素， 因而造成设计结果的近似性较大，有时不符合客观实际的需求。此外，信息处理、经验或知识的存储和基于人工智能技术的电器设计方法研究 2 重复使用方面还没有一个理

15、想的有效方法，解算和绘图也多用于工完成，这不仅影响设计速度和设计质 量的提高，也难以做到精确和优化的效果。这些都是传统手工产品设计的局限性。 随着现代科学技术的的飞速发展、生产技术的需要和市场的激烈竞争以及先进设计手段的出现，这 种传统手工设汁方法难以满足当今时代的要求，从而迫使设计领域不断研究和发展新的设计方法。 随着设计实践经验的积累，设计理论的发展以及科学技术的进步，特别是 AI 技术的高速发展，设 计工作包括电器产品的设计过程产生了质的飞跃。 以人工智能技术为基础的电器产品设计方法是对过去 的传统设计方法的延伸利发展，是传统设计方法的深入、丰富和充实。 产品设计是一项复杂的创造性活动，

16、含如下两类工作： （1）包括计算、绘图等在内的数值处理工作， 采用传统的 CAD技术即可完成； （2）包括概念设计、评价、决策等在内的知识推理工作，对设计质量 的优劣具有决定性影响。要完成此类工作，仅凭传统 CAD 技术是无能为力的，必须基于人工智能(AI) 技术，开发智能设计系统，实现知识处理的自动化 5 。电器产品智能设计以知识为依托，以人工智能技 术为手段，以计算机辅助设计技术为主体，以满足市场产品的质量、性能、时间、成本、价格综合效益 最优为目的，研究、改进、电器产品的整个设计过程。 与传统设计方法相比，以 AI 为核心的电器智能设计方法有如下特点： （1）设计过程智能化 这是指借助人

17、工智能和专家系统技术，由计算机完成一部分原来必须由设计者进行的创造性工作。 由于生物中人的智能最高，人能通过知识和信息的获取、推理和运用，解决极复杂的问题。在已被认识 的人的思维规律的基础上，在智能工程理论的指寻下，以计算机为主模仿人的智能活动，能够设计出高 度智能化的产品和系统。 传统设计局部上自发地运用某些仿生规律，但这很难达到高度智能化的要求。 （2）设计手段的汁算机化和数字化 计算机在设计中的应用已从早期的辅助分析机绘图， 发展到现在的优化设计、 并行设计、 三维建模、 设计过程管理、设计制造一体化和虚拟制造等。特别是人工智能技术的应用加速了设计进程，提高了 设计人员对设计进程的管理，

18、方便了各有关部门及协作企业问的信息交换。 传统设计足人上计算、绘图，使用简单的工具，设计的准确性和效率部受限制，修改设计也不方便。 （3）设计和制造一体化 它强调产品设计制造的统一数据模型和计算机集成制造。设计过程组织方式由传统的顺序方式逐 渐过渡到并行设计方式，与产品有关的各种过程并行交叉的设计，这可以减少各种修改工作量，有利于 加速工作进程，提高设计质量。并行设计的有关专家协向工作，有利于得到整体最优解。设计手段的拟 实化，三维造型技术、仿真及虚拟制造技术以及快速成型技术，使得人们在零件制造之前就可以看到它 的形状其至摸到它，可以大大改进设计的效果。现代电器产品设计方法利用高速计算机，可以

19、将人工智 能领域骨的各种设计方法、设计手段综合起来，以求得系统的整体最优解 6 。 1-2 产品现代设计技术概况 设计是人类改造自然的基本活动之一，是复杂的思维过程，其过程蕴含着创新和发明的机会。设计河北工业大学硕士学位论文 的目的是将预定的目标经过一系列规划与分析决策，形成一定的实现方案并通过制造使其产品。设计是 知识、能力等人的因素与工具、装备等物化因素的统一，受到所处的时代人类智力与科学技术发展水平 的制约。随着科学技术的进步，使得以前认为很复杂甚至认为是不可能的计算成为现实，相关科学、技 术的发展使人们在掌握事物的客观规律，掌握人的思维规律方面有了全新的突破，从而引起设计方法学 和创造

20、方法学的迅速发展。 现代设计是过去设计活动的延伸和发展。是随着设计实验经验的积累，由个别到一般、由具体到抽 象、由感性到理性，逐步归纳、演绎，丰富、发展起来的 7 。由于电子计算机的发明，设计方法学和创 造方法学的迅速发展， 以及科学技术的进步， 使人们得以在掌握事物的客观规律的同时， 运用有关科学、 技术原理进行复杂的、甚至在这以前认为不可能的计算。这就使电器产品的设计工作发生了质的变化。 国际上， 上世纪六十年代末期， 在电器产品的设计领域相继出现了一系列新兴学科， 主要有设计方法学、 计算机辅助设计、优化设计、价值工程、可靠性设计、工业艺术造型设计、模块化设计、有限元等；并 且计算机技术

21、的高速发展，使 CAD的内涵越来越丰富，除了最早的数值计算、文字处理外，辅助绘图、 仿真、多媒体、并行工程、网络远程通信等凡可以计算机处理的设计内容均为 CAD 的范畴 810 。人工 智能技术的提出和发展， 以计算机来模拟人的专家系统和神经网络两大分支改变了单纯靠脑力劳动来决 策事物的思维方式，各种设计方法和先进技术的相辅相承使得设计工作发生了质的变化。 现代设计理论主要由设计过程理论、性能需求驱动理论、知识流理论和多方利益协调理论四部分 构成 11 。 （1）设计过程理论 设计过程理论是研究设计过程构成及任务的理论。设计过程的复杂程度是与所设计的对象复杂程 序、涉及的智力资源的复杂程度相关

22、的。设计过程一般可以分为三个阶段，第一阶段是任务的提出，确 定需求和潜在的需求； 第二阶段是可理解的形成， 即概念设计， 包括扫描技术可能和产生矛盾统一设想； 第三阶段是对可能解的评估、优选和确认，并产生最终解，称为结构设计和详细设计，包括经济和技术 分析、设想的优选和确认、结构的优选和确认、材料的优选和确认、加工过程的优选和确认、综合评价 和产生及表达最终解。设计过程示意图如图 1.1所示。 “构造”任 务空间 “联想” 产生 可能解集合 “协调”产 生最终设计 第三阶段 第二阶段 第一阶段 已有知识 新知识获取 市场信息 图 1.1 设计过程示意图 Fig.1.1 schematic di

23、agram of design process 3 基于人工智能技术的电器设计方法研究 4 然而，环境变化会要求与过程构成任务相关的概念等发生相应的变化，但设计过程理论必须以“创 新是设计的灵魂”作为原则，才能符合“制造业的竞争实际上是设计竞争”的时代特征。从竞争的角度 来看，构成产品竞争力的要素有性能（包括功能和质量） 、价格（包括成本、效益） 、交货期、售后服务 （包括维修、升级和培训） 、环境（包括人、机）相容性和营销策略。确定竞争策略有多种选择，但从 根本和长远的角度考虑，还是要制造具有别人不能制造的性能的产品。只有功能上的创意和质量上的保 证，才能使产品具有全新的卖点和较强的竞争力。

24、 （2）性能需求驱动理论 从竞争的角度看，设计的任务是要制造出别人不能制造的性能的产品，所以，性能或满足性能需求 成为设计追求的主要目标。也就是说，设计是由性能需求驱动的。性能是功能和质量的集成，质量是功 能实现和保持性的度量。在全生命周期设计中，设计对象就是一个时变系统，功能和质量是时间函数， 全生命周期设计要预测和控制这个函数，同时还要预测和控制与约束条件有关的变量。对于多数产品， 真正意义上的全生命周期设计还做不到，但这是设计追求的目标。 用户对产品的要求是从性能出发的，是设计的起点和完成标志，性能特征应当成为控制整个设计过 程的基本特征。设计过程就是在“要达到什么（性能） ”和“如何达

25、到（即解决方案） ”之间反复迭代的 过程 12 。性能驱动，有时是功能需求驱动，有时是质量需求驱动，有时则是功能需求和质量需求交替 驱动；可能来自外源，可能是知识服务，也可能是另一个设计或产品 13 。所以，到外界去寻求服务和 评估得到可能解，是性能需求驱动和满足性能需求的标准。 （3）知识流理论 现代设计是以知识为基础，以新知识获取为中心的。所以从某个角度看，设计的过程可以看成是知 识在设计的各个节点和各个相关方面之间的流动过程 14 。现在产品设计竞争的焦点之一就是如何尽快 引进最新技术。在分布式智力资源的环境下，企业要进行产品开发，就必须直接面对知识流的问题。研 究知识流实际上就是研究动

26、态的知识，包括知识的分类、动态特征、运动机制、知识获取和流动控制， 研究目标是为以知识获取为中心的设计活动作出清晰的描述，为研究实现方法和工具研发提供理论基 础。从流动完成的任务及特征看，知识流可以分为四类：第一类流动为知识融合并物化为解决方案，知 识在这里流过所有设计过程主要决策节点；第二类流动为知识及知识获取服务，知识和知识获取是资源 依赖的，知识和获取的新知识是由分布的智力资源汇集到设计的决策节点上的；第三类流动是信息到知 识的转变，是在各个智力资源单元内部进行的，根据请求方的请求采集信息并加工成为可以支持设计的 知识流动；第四类流动是信息采集，是各个智力资源单元根据需要采集信息过程中的

27、流动。 （4）多方利益协调理论 由于一个设计是由不同的利益方完成的，因此，设计的最终解释不能实现通常意义上的最优，而且 也不能由通常优化算法得到。即使是多目标优化，也只能获取非意愿知识和实现非意愿决策。既然设计 要由不同的利益方完成， 那么设计的完成就体现了各参与方的主要利益。 各参与方具有不同的利益属性， 选择某种解决方案会给各方带来不同的利益，即参与各方对于决策会有不同意愿。所以，认识的统一和 合作的进行，就要求各方在保证主要利益的前提下，在次要利益上让步。其中的规律就构成了多方利益 协调理论。 我国对设计领域中的新兴学科的研究究如始于上世纪八十年代，为了强调对设计领域的革新，我们河北工业

28、大学硕士学位论文 5 把国际上新倔起的设计学科称为 “现代设计” ，而把我国过去常用的设计方法和手段称为“传统设计” 。 传统设计是在过去大量经验数据、图表、公式的基础上采用复制、类比方法的经验性设计；现代设计是 传统设计的继承、延伸和发展，将传统设计中的经验、类比方法提高到逻辑的、理性的、系统的设计方 法，它突出了人的认识能力、智能活动能力和创新性的逻辑推理和判断决策能力。现在产品设计是面向 产品生命全周期的全过程的设计活动，其过程可以描述如下：需求的确认技术可能扫描矛盾统一设 想（概念）的产生经济、技术分析设想的优选和确认结构的优选和确认材料的优选和确认加 工过程的的优选和确认产品的销售与

29、运输售后服务产品的回收等。 由此可见现代设计中的产品设 计内容不仅仅考虑产品本身结构，更多考虑的是产品的制造、生产、运输、售后服务等产品生命周期全 过程的技术和经济的各方面 15 。 现代设计技术是现代制造技术的重要部分， 是制造技术的首要环节。 产品的技术水平 （功能、 性能） 、 质量水平、成本利润、使用和研制周期，首先取决于产品设计阶段。根据德国工程师协会的调查分析， 产品设计成本约占成本的 5%7%，但决定了产品制造成本的 75%85%。所以，在产品设计过程中设法 降低成本具有决定性意义。设计所采用的原理方案简易与复杂；结构的工艺性；标准化、能用化、系列 化水平；能耗水平；材料价值及其

30、利用率等都直接影响着产品成本。产品的经济性，无论购置成本和使 用成本都与设计关系极大 15 。 广义的计算机辅助工程 CAE 涵盖了狭义计算机辅助设计 CAD、狭义计算机辅助工程分析 CAE、 计算机辅助工艺过程设计 CAPP、狭义计算机辅助制造 CAM、产品数据管理 PDM 和产品生命周期管理 PLM，以及制造资源计划 MRP II 与企业资源计划 ERP 等，而广义的计算机辅助设计 CAD 则包括狭义 的计算机辅助工程分析 CAE，广义的计算机辅助制造 CAM则包括计算机辅助工艺过程设计 CAPP。本 书讲述的是广义的计算机辅助设计，即 CAD/CAE。 计算机辅助设计（CAD）的高速发展

31、使其边界越来越模糊，凡可以计算机化的设计内容均可列为 CAD的范畴，如辅助绘图、仿真、多媒体、并行工程、网络远程设计等。但不管 CAD内容多么丰富， 它只是一种技术范畴，并不是前面所述的设计理论和设计方法。作为设计应用来说，它是一种强有力的 手段，其能力和发展依赖于上述各项理论和科学技术的发展。人工智能（AI）的提出和发展改变了单 纯靠脑力劳动来决策事物的思维方式，而是用计算机来模拟人。人工智能（AI）仍属于技术范畴。技 术不是理论或方法，但它的功能和解决问题的能力会超过某种理论和方法。理论、方法和技术是相辅相 成的，成为现代产品设计的实际应用。 现代设计方法，不仅应把设计的一般规律各一般途径

32、作为研究对象，并建立系统的理论体系，而 且应把如何在计算机及其所构建的网络上实现这些先进的设计思想的相关技术纳入研究范畴。 由于设计 还处于发展中不断深化，所以现代设计方法的确切内容难以确定，但大致可以可包括：创新设计、造型 设计、优化设计、可靠性设计、有限元分析、设计型专家系统、计算机辅助设计（CAD） 、以及在此基 础上进一步发展起来的智能 CAD（Intelligent CAD）和集成化（ICAD，I 2 CAD）等。其核心内容大致 可分为以下几个方面： （1）数字化 产品在其生命周期内的数字化建模是现代设计方法的关键技术之一，它包括：1. 全 局产品的信息定义，要用计算机来支持产品生命

33、周期的过程，就必须用计算机能理解的方式给出产品生 命周期全过程的数字化定义；2. 产品的数字化工具，即广义的计算机辅助工具，它能将产品信息自动基于人工智能技术的电器设计方法研究 6 数字化；3. 产品数据管理，即用计算机对产品开发与生产全过程中的大量数字化信息进行全面的管理 与控制。 （2）并行化 它是在计算机软硬件支持的信息共享基础上，采用团队工作模式，可在异地进行设 计开发的一种现代化设计方法与手段。它有助于实施强强联合，优势互补，极大地提高企业的产品设计 开发能力。 （3）智能化 是指现代设计方法及技术越来越明显的智能化倾向：它能使设计开发人员不必了解 设计开发低层的全部细节，而由计算机

34、智能地设计并最终制造出合乎要求的产品；设计系统具有自动获 取新知识、并丰富自己的能力。 （4） 集成化 是指现代设计系统不再是单一的 CAD、 CAM或 CAPP （Computer Aided Process Planing, 计算机辅助工艺规划）系统，而是支持产品生命周期全过程的现代设计集成系统。 现代设计方法在国际上忆研究和应用了 40 多年，在多个领域的应用中取得了极大成就，并在把设 计作为一门学科来研究和深化。 1-3 人工智能技术在电器产品设计中的应用情况 现代 CAD技术在国内外电器行业得到了广泛应用。国外对高低压电器、开关板、继电保护屏等成 套装置的设计以及产品的动静态特性分析

35、等基本上采用了现代 CAD技术，比较著名的公司有：德国西 门子、日本东芝、美国通用电气和西屋电气公司；国内各电器生产厂家和研究单位对 CAD技术的应用 也相当普遍。 在电器现代设计技术当中，智能设计被认为是最有成就的方向之一。最先在设计领域体现出智能 的人工系统是设计型专家系统，这类系统的显著特点是把人工智能作为一项主要的技术支撑，具有知识 的自动处理能力，能够完成推理、判断、决策等以往需要由人来完成的工作，通过知识的自动化处理来 求解设计问题，这些特点是以往的计算机辅助设计系统（CAD）所不具备的。设计型专家系统目前仍 大量应用在设计领域。 为了使设计系统能够在进行知识处理的同时也进行图形处

36、理和数值处理，专家系统技术常与 CAD 技术结合起来，成为 ICAD 系统，这类系统在设计实践中更为多见。随着产品设计集成化要求的日益强 烈，智能设计从信息集成、过程集成渐次向企业集成的方向发展，一些先进的设计模式和制造模式被提 出， 包括计算机集成制造(CIM) 、 并行工程(CE)、 虚拟制造(VM)、 敏捷制造(AM)等； 随之， 集成化 ICAD （I 2 CAD）系统和协同式、分布式智能设计系统应运而生。 继人工智能之后，计算智能（CI）也被大量应用到产品设计中来。计算智能是一种智力方式的低 层认知，它与人工智能的区别只是认知层次从中层下降至低层而已。中层系统含有知识，低层系统则没

37、有。按照 Bezdek 的观点，计算智能是基于操作者提供的数据，而传统人工智能是基于“知识”。计算 智能主要包括：人工神经网络（ANN） 、进化计算（EC） 、模糊计算（FC） 、粗糙集（Rough Set） 、混沌 （Chaos） 、分形（Fractal） 、人工生命等 12 。 在各种计算智能方法中，神经网络的联想能力和容错能力、进化算法的并行搜索能力以及二者都 具有的自组织、自适应、自学习能力，使其广泛应用在智能设计系统的机器自学习和优化设计中。另外，河北工业大学硕士学位论文 7 在概念设计 16 、非常规设计 17 、知识表达 18 等方面，进化计算亦已获得应用。近年来，一些文献 19

38、21 也对如何采用粗糙集理论来实现机器自学习的方法进行了研究。 模糊理论和粗糙集理论都可用来处理不 确定性信息。由于设计问题中不确定性较多地体现为模糊性，因此在设计领域，模糊理论常被用来进行 系统推理 22 ，相应地，系统中知识表示的逻辑基础也带有不确定性。 智能设计系统都包含至少一个显性知识库，用于求解设计问题的有关领域知识储存其中。为了使 计算机能够使用这些知识，需要首先把知识表达成计算机能够识别的符号和语言，即人工智能中的所谓 知识表示。以往常用的知识表示方法包括谓词逻辑、产生式规则、语义网络、框架、过程、脚本等，近 年来基于 Petri 网的知识表示法也有所发展 23 ，面向对象的表示

39、法也常被采用 24 ，更多的系统则混合采 用多种表示方法共同完成知识的表达 8,15 。另外，由于设计问题的特殊复杂性（例如设计任务的多层次 性、设计空间的约束性、设计解的非唯一性等等） ，所以对产品智能设计知识的表示方法和建模方法进 行研究是十分必要的，目前这方面的研究已取得一定成果。 系统的推理方法与其所采用的知识表示方法密切相关。例如，系统的知识库中如果同时包含了以 产生式规则和实例形式表达的知识，则系统在使用这些知识时，必然混合采用基于规则的推理 (Rule-based Reasoning, RBR)和基于实例的推理(Case-based Reasoning, CBR)。这种混合推理机

40、制在智能 设计系统中很常见，较多的是 RBR与 CBR 的混合；倘若还为设计对象知识建立了模型，则还需混合使 用基于模型的推理(Model-based Reasoning, MBR)。 作为一种类比推理方法，CBR 在智能设计领域常被采用，这是因为优秀的设计实例本身蕴含了丰 富的领域知识，在此基础上，根据待求问题的具体情况进行适当修改而获得的设计方案往往拥有较高的 质量和实用性。同时，通过把新的设计变为实例存入实例库，可以保留设计专家的宝贵经验，实现系统 的自学习，提高系统对设计问题的求解能力。近年来的大量文献对这种推理方法进行了讨论。 按照设计活动中创造性的由低到高的顺序，设计分为常规设计、

41、革新设计与创新设计。创新设计 以获得新颖的设计解为目的，并使之拥有更好的内在和外在品质。尽管人们为创新设计的实现进行了诸 多有益的探讨，但迄今为止，由人工系统完成创新设计的先例甚为鲜见，大量创新性的设计工作仍然需 要由人类专家来完成，机器智能在这方面的表现是十分有限的。对此，不仅需要人们对智能设计在技术 方面作进一步深入的研究， 更为迫切的是需要人们通过对人类设计专家的行为特征和对设计活动组织特 征的观察，在更高的层面上认识设计的本质，逐步建立、完善至今仍未建立起来的设计理论体系，从而 有效指导智能设计的实践，使人类专家的设计活动过程在计算机系统内部得以被合理组织并模拟执行。 如此，智能设计才

42、能在一个新的高度上体现出“智能” 。 利用遗传算法、神经网络等对电器产品的某个部件进行优化设计，是智能方法应用于电器设计中 的最初尝试。仅在最近的数年内，智能设计技术才被逐步用在电器产品的整机设计中，并取得阶段性的 成果。例如文献20讨论了电器的协同设计方法；文献25 27讨论了电器设计专家系统开发中的几项 关键技术，包括系统结构以及知识的表示、推理方法；文献28研究了基于实例的推理（CBR）在电器 智能设计系统中的实现方法；文献29研究了此类系统基于 CBR 和进化计算的机器自学习机制。 针对电器产品，一些可用于智能系统完成某项设计任务的方法和算法相继提出，例如产品的概念 设计和选型设计方法

43、，对继电器成品的综合品质、概念设计方案的可靠性进行评估的方法；带有区间约 束的产品设计参数的确定方法，等等 12 。 基于人工智能技术的电器设计方法研究 8 随着混沌理论、遗传算法、神经网络、聚类分析以及模糊控制理论等人工智能理论和技术的深入 发展，以及微型计算机的普及和处理能力的提高，使得智能系统的研究不断得到深入，应用领域也越来 越广泛。与其它领域（例如机械设计领域）相比，电器领域应用智能设计技术在时间上相对较晚，且在 深度和广度上都有待扩展。 1-4 本文的主要研究工作 本文工作基于河北省自然科学基金项目（低压电器产品智能化设计及模糊可靠性度量方法研究，项 目编号 F2007000115

44、）而展开，利用人工智能技术，研究电器领域内的知识建模、表达、推理、获取等 方面以及与智能设计有关的算法。 本文共分五章。其中第二章的研究内容为电器智能设计系统的构建方法，以人工智技术为基础，根 据电器领域的相关知识，构建了电器智能设计系统的总体结构以及系统的工作流程，阐述了系统中各个 模块的功能特性以及系统的推理方法。第三章论述了电器智能设计中的知识处理方法，主要研究电器领 域内的知识建模、表达、获取等方面。第四章详细介绍了几种电器智能设计中的相关算法，首先根据粗 糙集理论中的属性约简，提出了一种利用产品层次结构提取产品模型的属性集的方法；在此基础上，根 据产品的不同属性在其产品设计中的作用不

45、同，借助粗糙集理论中重要性和支持度等概念，提出了一种 为产品最简属性集进行权重分配的方法。基于实例的推理（CBR） ，借助隶属度和贴近度等概念，构造 了目标实例与源实例的模糊相似度函数，提出了一种模糊相似度的求解方法。同时，对于产品设计中存 在的不确定参数问题，分别基于模糊综合决策和证据理论，提出了求解不确定参数的两种方法，有效地 解决了设计中的模糊不确定问题。第五章对本文工作进行了总结，指出了本课题的下一步研究目标。 河北工业大学硕士学位论文 第二章 电器智能设计系统的构建方法 2-1 系统结构 9 基于知识的电器智能设计系统主要由数据库、知识库、实例库、推理机、人机界面、解释机构、黑板、

46、方案评价及优化等部分组成。其中数据库、知识库、实例库、推理机和人机接口是智能系统的必要部分， 它可以根据用户的设计要求、借助计算机来完成电器产品概念设计、详细设计、性能分析、方案优化及 评价等。该系统的任务是根据设计要求，求出满足设计问题约束的目标配置。其主要特点是：第一，善 于从多方面的约束中得到符合要求的设计结果；第二，系统需要检索较大的可能解空间；第三，善于分 析各种子问题，并处理好子问题间的相互作用；第四，能够试验性地构造出可能设计，并易于对所得设 计方案进行修改；第五，能够使用已被证明是正确的设计来解释当前的设计 30 。 图 2.1 是基于人工智能技术的电器产品设计系统的总体结构框

47、图。目前，在电器产品的整体结构设 计中，数据库、知识库、实例库、推理机、评价子系统、人机接口等模块已经进行了初步研究和实现。 知识库 实例库 数据库 知识获取 实例获取 推理机 解释机构 方案评 价及优 化 造型显 示及绘 图 人机界面 黑板 用户 领域专家 图 2.1电器智能设计系统的基本结构 Fig.2.1 Basic structure of electrical apparatus intelligent design 其各自的功能简述如下： （1）知识库 知识库提供了对领域知识的存储和管理功能，是智能设计系统的核心。以继电器为例，电器设计系 统的知识主要包括继电器的材料方面的特性（如触头、簧片、衔铁、线圈、外壳等） 、电器系统设计的 一般性知识、继电器整机和部件的设计参数和模型以及各自的仿真信息等。