并行工程(Concurrent engineering,Ce)是一種哲理和方法,基于知識的并行設(shè)計(jì)智能計(jì)算機(jī)支持系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)這一哲理的有效手段。并行工程環(huán)境下的設(shè)計(jì)活動具有諸多特性,決定了這樣一種系統(tǒng)勢必在知識表示形式、知識庫結(jié)構(gòu)、推理過程和決策算法等方面將更加復(fù)雜。因此,建立一種綜合型的智能推理決策系統(tǒng)來對產(chǎn)品設(shè)計(jì)全生命周期提供支持,以便設(shè)計(jì)問題計(jì)算機(jī)化、可視化,為智能化和自動化提供有力的支持,已成為一項(xiàng)復(fù)雜且極具挑戰(zhàn)性的工作。
1 并行設(shè)計(jì)的實(shí)質(zhì)
并行設(shè)計(jì)強(qiáng)調(diào)產(chǎn)品開發(fā)各環(huán)節(jié)之間實(shí)現(xiàn)最大程度的交叉、并行及協(xié)調(diào),其中包括產(chǎn)品的可制造性、可裝配性、可靠性、生產(chǎn)成本和可服務(wù)性等環(huán)節(jié)。并行設(shè)計(jì)的實(shí)質(zhì)就是把傳統(tǒng)的“設(shè)計(jì)-評價-再設(shè)計(jì)”的大循環(huán),轉(zhuǎn)變?yōu)槎啻蔚?ldquo;設(shè)計(jì)-評價-再設(shè)計(jì)”小循環(huán),以便盡可能地在設(shè)計(jì)的早期發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)存在的問題。產(chǎn)品并行設(shè)計(jì)是許多設(shè)計(jì)循環(huán)(或回路)和子設(shè)計(jì)循環(huán)的集合,并行設(shè)計(jì)過程就是在多循環(huán)反饋控制下進(jìn)行的。產(chǎn)品并行設(shè)計(jì)是產(chǎn)品設(shè)計(jì)和過程設(shè)計(jì)的優(yōu)化,它通過增加子循環(huán)過程來減少大設(shè)計(jì)循環(huán)過程,從而縮短產(chǎn)品開發(fā)周期。在每一個小循環(huán)中,設(shè)計(jì)活動是順序執(zhí)行的,但總體上卻是并行的,即微觀上串行,宏觀上并行。因此,并行設(shè)計(jì)過程可形式化地表達(dá)為多個部件多個小循環(huán)的疊加:
式中:CD——并行設(shè)計(jì);MC——微循環(huán);n——產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程大循環(huán)數(shù);m——產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程第i個大循環(huán)中的小循環(huán)總數(shù);j——第j個部件。
2 基于知識的并行設(shè)計(jì)智能支持系統(tǒng)
產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理(PrOduct Data Management,PDM)是指對產(chǎn)品的工程數(shù)據(jù)、技術(shù)數(shù)據(jù)、文檔、圖形、圖像等信息進(jìn)行管理。隨著產(chǎn)品復(fù)雜性的增加,PDM已成為企業(yè)實(shí)現(xiàn)協(xié)同工作、提高效率的有效手段。一個正在設(shè)計(jì)的產(chǎn)品背后都有一個信息流,該信息流表明產(chǎn)品設(shè)計(jì)是一個不斷改進(jìn)的決策過程,這些決策需要不同類型的知識予以輔助。設(shè)計(jì)實(shí)質(zhì)就是從功能需求、求解原則、裝配、加工等不同角度不斷做出決策,逐漸演化改進(jìn)的過程,在此過程中,知識起著決定性作用。由此可見,知識基智能計(jì)算機(jī)支持下的并行設(shè)計(jì)活動,首先是一個以知識為基礎(chǔ)的推理求解過程(knowledge-based design),設(shè)計(jì)知識可分為規(guī)程、步驟、模型和實(shí)例(case)。同時又是一個以決策為基礎(chǔ)的評判過程(decision-based design),設(shè)計(jì)從客戶要求開始,確定工程指標(biāo),提出方案,評估方案,最后為細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)選擇最佳方案,并最終對產(chǎn)品設(shè)計(jì)的總體方案進(jìn)行綜合評價。這樣,建立在知識與決策基礎(chǔ)之上的并行設(shè)計(jì)智能計(jì)算機(jī)支持系統(tǒng),便構(gòu)成了一個復(fù)雜巨系統(tǒng),其原理框圖如圖1所示。
圖1 基于知識的并行設(shè)計(jì)智能支持系統(tǒng)的原理框圖
當(dāng)智能計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(Intelligent Computer Aided Design,ICAD)系統(tǒng)需要進(jìn)行設(shè)計(jì)評價時,向知識基推理決策系統(tǒng)(Knowledge based Intelligent Inference Design System,KbIIDS)發(fā)送這一消息,啟動決策過程;決策系統(tǒng)通過PDM系統(tǒng)和產(chǎn)品知識管理(Product Knowledge Management,PKM)系統(tǒng)獲得CAD系統(tǒng)的產(chǎn)品信息,調(diào)用知識庫中相關(guān)的知識和模型進(jìn)行決策;最后,決策系統(tǒng)向CAD系統(tǒng)提供反饋信息或改進(jìn)建議等。事實(shí)上,PDM和PKM相集成,給設(shè)計(jì)人員提供了一個在設(shè)計(jì)初期就能充分考慮設(shè)計(jì)、制造、裝配和維護(hù)等產(chǎn)品生命周期因素,包括產(chǎn)品設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、設(shè)計(jì)知識在內(nèi),支持創(chuàng)造性設(shè)計(jì)的新一代設(shè)計(jì)支持系統(tǒng)的原型。
2.1 知識基設(shè)計(jì)支持系統(tǒng)概述
知識基設(shè)計(jì)支持系統(tǒng)中人工智能(Artificial Intelligence,AI)技術(shù)的應(yīng)用是典型的知識工程問題,其主要目的是為了幫助設(shè)計(jì)者收集、組織、處理和精化設(shè)計(jì)知識,并有效地利用這些設(shè)計(jì)解。設(shè)計(jì)知識的系統(tǒng)化和實(shí)用化需要一個能將不同的知識工程技術(shù)集成起來的AI體系。目前,開發(fā)知識基設(shè)計(jì)系統(tǒng)的方法主要有四個:即ICAD方法、積木法、原型法和基于約束的方法。但是,現(xiàn)有的這些方法都未能從知識工程的角度,為智能設(shè)計(jì)支持提供一個通用的知識基設(shè)計(jì)支持體系結(jié)構(gòu)。因此,深入理解設(shè)計(jì)行為的智能化,使用合理的知識表達(dá)方法,提高知識基體系結(jié)構(gòu)的集成化程度,使其更易維護(hù)和拓廣,加強(qiáng)設(shè)計(jì)知識的有效獲取和設(shè)計(jì)知識的系統(tǒng)化,成為知識基設(shè)計(jì)支持系統(tǒng)工程化、實(shí)用化、智能化的關(guān)鍵因素。
2.2 并行設(shè)計(jì)智能支持系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)
本文提出基于知識的并行設(shè)計(jì)智能支持系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu),如圖2所示。它建立在信息自動化的基礎(chǔ)上,以知識基推理決策系統(tǒng)為核心,以集成化產(chǎn)品信息模型為基礎(chǔ),實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品開發(fā)活動相關(guān)信息的交流與共享。系統(tǒng)是由產(chǎn)品建模功能(包括功能建模、特征建模和可制造性分析等)以及信息管理機(jī)制(由數(shù)據(jù)庫、知識庫、PDM系統(tǒng)和PKM系統(tǒng))共同組成,系統(tǒng)所包含的主要功能模塊如下:
圖2 基于知識的并行設(shè)計(jì)智能支持系統(tǒng)體系
(1)產(chǎn)品功能建模根據(jù)用戶對產(chǎn)品性能的要求,逐級分解產(chǎn)品的總功能,得到描述產(chǎn)品功能的多結(jié)構(gòu),建立描述產(chǎn)品各級功能的邏輯信息模型;
(2)零件設(shè)計(jì)建模根據(jù)功能模型,按照設(shè)計(jì)特征的結(jié)構(gòu)定義和技術(shù)特征定義,建立包含幾何拓?fù)湫畔、尺寸公差、表面粗糙度、材料特性和其它非幾何技術(shù)信息的零件特征模型;
(3)可制造性分析根據(jù)制造特征的要求和定義,從工藝生成角度,分層次對所設(shè)計(jì)零件的工藝性能進(jìn)行分析和評價,指出存在問題并提供修改建議?芍圃煨苑治鲞^程的實(shí)質(zhì)是工藝生成的過程;
(4)特征變換協(xié)調(diào)器基于知識的特征變換協(xié)調(diào)用于控制功能特征、設(shè)計(jì)特征和制造特征,并在不同設(shè)計(jì)階段或功能模塊中的應(yīng)用;
(5)人機(jī)接口顯示各功能模塊的運(yùn)行結(jié)果,為用戶提供編輯、修改和其它相應(yīng)的手段;
(6)系統(tǒng)總控控制并行交互的過程,協(xié)調(diào)各模塊的工作。系統(tǒng)總控利用元知識對各種知識進(jìn)行分類、抽象、整理,形成二叉決策樹;
(7)知識基推理決策系統(tǒng)采用面向?qū)ο蟮闹R表達(dá)方法,對多知識源進(jìn)行描述,每一知識源代表一種對象,并發(fā)接受在黑板結(jié)構(gòu)中由復(fù)雜任務(wù)分解而來的具有松散耦合關(guān)系的子任務(wù),并通過消息傳遞進(jìn)行動態(tài)推理,實(shí)現(xiàn)并行、協(xié)同求解。
3 知識基智能推理決策系統(tǒng)集成功能模型
知識基智能推理決策系統(tǒng)(KBIIDS)是按照智能工程理論和方法開發(fā)建造的,它采用并行分層、開放式集成化智能軟件結(jié)構(gòu)作為系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu),如圖3所示。上層為圖形用戶接口(Graphical User Interface,GUI),設(shè)計(jì)師通過GUI與系統(tǒng)進(jìn)行交互,可在GUI環(huán)境中進(jìn)行知識庫的瀏覽、查詢,提交待解決的問題,進(jìn)行各種對象類的定義以及知識庫的建立和維護(hù)等工作。中間層包括主控制器、黑板控制器和綜合型協(xié)同式推理器、知識學(xué)習(xí)模塊、可視化查詢模塊和瀏覽編輯器以及ICAD輔助方法模塊等,其主要功能是實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)知識的表達(dá)、查詢以及基于知識的設(shè)計(jì)求解。底層由多庫集成知識源和知識源調(diào)度器兩部分組成,其中實(shí)例庫存放以往的設(shè)計(jì)求解及其答案;規(guī)則庫存放各種與領(lǐng)域知識有關(guān)的if-then規(guī)則;數(shù)據(jù)庫保存導(dǎo)彈設(shè)計(jì)領(lǐng)域中的專業(yè)技術(shù)性數(shù)據(jù)(如設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、工藝過程數(shù)據(jù)以及維修數(shù)據(jù)等)以及工程圖表等;圖形庫存儲各種標(biāo)準(zhǔn)的工程圖例或部件圖;支撐庫存儲各種工程設(shè)計(jì)過程中的算法和其它支撐軟件,例如檢索數(shù)表、查取標(biāo)準(zhǔn)值、四舍五入取整等。
圖3 知識基智能推理決策系統(tǒng)功能模型
原型系統(tǒng)開發(fā)及實(shí)例研究建立并行設(shè)計(jì)智能支持系統(tǒng)是一個反復(fù)過程,尤其是知識庫部分需要不斷完善,不可能一步到位。所以,本文采用面向?qū)ο笏枷牒驮烷_發(fā)思想——快速原型法,形成一個原型系統(tǒng)KBIIDS/V1.0。針對某型號產(chǎn)品總體方案設(shè)計(jì),原型系統(tǒng)的建立和運(yùn)行過程如下:
(1)按照系統(tǒng)提供的知識描述模式和知識組織結(jié)構(gòu),輸入相關(guān)領(lǐng)域的知識(包括實(shí)例),建立方案評價指標(biāo)體系和推理決策模型,準(zhǔn)備相關(guān)數(shù)據(jù);
(2)輸入主要的設(shè)計(jì)參數(shù);
(3)確定導(dǎo)彈綜合信息,檢索相似導(dǎo)彈實(shí)例;
(4)估算改善因子,啟動相應(yīng)的方法推理機(jī);
(5)分配和計(jì)算系統(tǒng)參數(shù),啟動相應(yīng)的分析過程;
(6)對目標(biāo)方案進(jìn)行約束檢查,并做相應(yīng)的修改。重復(fù)步驟(5)直到目標(biāo)方案完全滿足設(shè)計(jì)要求,形成最終設(shè)計(jì)方案;
(7)將最終設(shè)計(jì)方案作為新實(shí)例存入實(shí)例庫中,并對其歸納學(xué)習(xí),更新實(shí)例檢索模型,使其能被檢索到,以便在將來的設(shè)計(jì)中起到支持設(shè)計(jì)的作用。
4 結(jié)論
本文提出一種知識基設(shè)計(jì)支持系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu),作為知識基設(shè)計(jì)應(yīng)用程序開發(fā)的集成軟件內(nèi)核。分析了并行設(shè)計(jì)的過程特點(diǎn),提出基于“設(shè)計(jì)-評價與決策- 再設(shè)計(jì)”的小循環(huán)模式的并行設(shè)計(jì)過程模型。討論了知識基設(shè)計(jì)支持系統(tǒng)的評價準(zhǔn)則,提出一種基于知識的并行設(shè)計(jì)智能支持系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu),這種結(jié)構(gòu)集成了幾個AI設(shè)計(jì)方法和CAD系統(tǒng)。最后,給出面向?qū)ο蟮闹R基智能推理決策系統(tǒng)集成功能模型,開發(fā)了知識基推理決策原型系統(tǒng),并結(jié)合航天某型號產(chǎn)品的研制開發(fā)并進(jìn)行驗(yàn)證。
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本文標(biāo)題:一種基于知識的并行設(shè)計(jì)智能支持系統(tǒng)的體系
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