并行工程（Concurrent engineering，Ce）是一種哲理和方法，基于知識的并行設計智能計算機支持系統(tǒng)是實現(xiàn)這一哲理的有效手段。并行工程環(huán)境下的設計活動具有諸多特性，決定了這樣一種系統(tǒng)勢必在知識表示形式、知識庫結構、推理過程和決策算法等方面將更加復雜。因此，建立一種綜合型的智能推理決策系統(tǒng)來對產(chǎn)品設計全生命周期提供支持，以便設計問題計算機化、可視化，為智能化和自動化提供有力的支持，已成為一項復雜且極具挑戰(zhàn)性的工作。

1 并行設計的實質

    并行設計強調產(chǎn)品開發(fā)各環(huán)節(jié)之間實現(xiàn)最大程度的交叉、并行及協(xié)調，其中包括產(chǎn)品的可制造性、可裝配性、可靠性、生產(chǎn)成本和可服務性等環(huán)節(jié)。并行設計的實質就是把傳統(tǒng)的“設計-評價-再設計”的大循環(huán)，轉變?yōu)槎啻蔚?ldquo;設計-評價-再設計”小循環(huán)，以便盡可能地在設計的早期發(fā)現(xiàn)設計存在的問題。產(chǎn)品并行設計是許多設計循環(huán)（或回路）和子設計循環(huán)的集合，并行設計過程就是在多循環(huán)反饋控制下進行的。產(chǎn)品并行設計是產(chǎn)品設計和過程設計的優(yōu)化，它通過增加子循環(huán)過程來減少大設計循環(huán)過程，從而縮短產(chǎn)品開發(fā)周期。在每一個小循環(huán)中，設計活動是順序執(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，并行設計過程可形式化地表達為多個部件多個小循環(huán)的疊加：

    式中：CD——并行設計；MC——微循環(huán)；n——產(chǎn)品設計過程大循環(huán)數(shù)；m——產(chǎn)品設計過程第i個大循環(huán)中的小循環(huán)總數(shù)；j——第j個部件。

2 基于知識的并行設計智能支持系統(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)、技術數(shù)據(jù)、文檔、圖形、圖像等信息進行管理。隨著產(chǎn)品復雜性的增加，PDM已成為企業(yè)實現(xiàn)協(xié)同工作、提高效率的有效手段。一個正在設計的產(chǎn)品背后都有一個信息流，該信息流表明產(chǎn)品設計是一個不斷改進的決策過程，這些決策需要不同類型的知識予以輔助。設計實質就是從功能需求、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，知識基智能計算機支持下的并行設計活動，首先是一個以知識為基礎的推理求解過程（knowledge-based design），設計知識可分為規(guī)程、步驟、模型和實例（case）。同時又是一個以決策為基礎的評判過程（decision-based design），設計從客戶要求開始，確定工程指標，提出方案，評估方案，最后為細節(jié)設計選擇最佳方案，并最終對產(chǎn)品設計的總體方案進行綜合評價。這樣，建立在知識與決策基礎之上的并行設計智能計算機支持系統(tǒng)，便構成了一個復雜巨系統(tǒng)，其原理框圖如圖1所示。

    圖1 基于知識的并行設計智能支持系統(tǒng)的原理框圖

    當智能計算機輔助設計（Intelligent Computer Aided Design，ICAD）系統(tǒng)需要進行設計評價時，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，調用知識庫中相關的知識和模型進行決策；最后，決策系統(tǒng)向CAD系統(tǒng)提供反饋信息或改進建議等。事實上，PDM和PKM相集成，給設計人員提供了一個在設計初期就能充分考慮設計、制造、裝配和維護等產(chǎn)品生命周期因素，包括產(chǎn)品設計數(shù)據(jù)、設計知識在內，支持創(chuàng)造性設計的新一代設計支持系統(tǒng)的原型。

    2.1 知識基設計支持系統(tǒng)概述

    知識基設計支持系統(tǒng)中人工智能（Artificial Intelligence，AI）技術的應用是典型的知識工程問題，其主要目的是為了幫助設計者收集、組織、處理和精化設計知識，并有效地利用這些設計解。設計知識的系統(tǒng)化和實用化需要一個能將不同的知識工程技術集成起來的AI體系。目前，開發(fā)知識基設計系統(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，為智能設計支持提供一個通用的知識基設計支持體系結構。因此，深入理解設計行為的智能化，使用合理的知識表達方法，提高知識基體系結構的集成化程度，使其更易維護和拓廣，加強設計知識的有效獲取和設計知識的系統(tǒng)化，成為知識基設計支持系統(tǒng)工程化、實用化、智能化的關鍵因素。

    2.2 并行設計智能支持系統(tǒng)體系結構

    本文提出基于知識的并行設計智能支持系統(tǒng)體系結構，如圖2所示。它建立在信息自動化的基礎上，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，實現(xiàn)產(chǎn)品開發(fā)活動相關信息的交流與共享。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 基于知識的并行設計智能支持系統(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)品功能的多結構，建立描述產(chǎn)品各級功能的邏輯信息模型；

    （2）零件設計建模根據(jù)功能模型，按照設計特征的結構定義和技術特征定義，建立包含幾何拓撲信息、尺寸公差、表面粗糙度、材料特性和其它非幾何技術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，分層次對所設計零件的工藝性能進行分析和評價，指出存在問題并提供修改建議�？芍圃煨苑治鲞^程的實質是工藝生成的過程；

    （4）特征變換協(xié)調器基于知識的特征變換協(xié)調用于控制功能特征、設計特征和制造特征，并在不同設計階段或功能模塊中的應用；

    （5）人機接口顯示各功能模塊的運行結果，為用戶提供編輯、修改和其它相應的手段；

    （6）系統(tǒng)總控控制并行交互的過程，協(xié)調各模塊的工作。系統(tǒng)總控利用元知識對各種知識進行分類、抽象、整理，形成二叉決策樹；

    （7）知識基推理決策系統(tǒng)采用面向對象的知識表達方法，對多知識源進行描述，每一知識源代表一種對象，并發(fā)接受在黑板結構中由復雜任務分解而來的具有松散耦合關系的子任務，并通過消息傳遞進行動態(tài)推理，實現(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構作為系統(tǒng)總體結構，如圖3所示。上層為圖形用戶接口（Graphical User Interface，GUI），設計師通過GUI與系統(tǒng)進行交互，可在GUI環(huán)境中進行知識庫的瀏覽、查詢，提交待解決的問題，進行各種對象類的定義以及知識庫的建立和維護等工作。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、知識學習模塊、可視化查詢模塊和瀏覽編輯器以及ICAD輔助方法模塊等，其主要功能是實現(xiàn)設計知識的表達、查詢以及基于知識的設計求解。底層由多庫集成知識源和知識源調度器兩部分組成，其中實例庫存放以往的設計求解及其答案；規(guī)則庫存放各種與領域知識有關的if-then規(guī)則；數(shù)據(jù)庫保存導彈設計領域中的專業(yè)技術性數(shù)據(jù)（如設計數(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；圖形庫存儲各種標準的工程圖例或部件圖；支撐庫存儲各種工程設計過程中的算法和其它支撐軟件，例如檢索數(shù)表、查取標準值、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)及實例研究建立并行設計智能支持系統(tǒng)是一個反復過程，尤其是知識庫部分需要不斷完善，不可能一步到位。所以，本文采用面向對象思想和原型開發(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)品總體方案設計，原型系統(tǒng)的建立和運行過程如下：

    （1）按照系統(tǒng)提供的知識描述模式和知識組織結構，輸入相關領域的知識（包括實例），建立方案評價指標體系和推理決策模型，準備相關數(shù)據(jù)；

    （2）輸入主要的設計參數(shù)；

    （3）確定導彈綜合信息，檢索相似導彈實例；

    （4）估算改善因子，啟動相應的方法推理機；

    （5）分配和計算系統(tǒng)參數(shù)，啟動相應的分析過程；

    （6）對目標方案進行約束檢查，并做相應的修改。重復步驟（5）直到目標方案完全滿足設計要求，形成最終設計方案；

    （7）將最終設計方案作為新實例存入實例庫中，并對其歸納學習，更新實例檢索模型，使其能被檢索到，以便在將來的設計中起到支持設計的作用。

4 結論

    本文提出一種知識基設計支持系統(tǒng)體系結構，作為知識基設計應用程序開發(fā)的集成軟件內核。分析了并行設計的過程特點，提出基于“設計-評價與決策- 再設計”的小循環(huán)模式的并行設計過程模型。討論了知識基設計支持系統(tǒng)的評價準則，提出一種基于知識的并行設計智能支持系統(tǒng)的體系結構，這種結構集成了幾個AI設計方法和CAD系統(tǒng)。最后，給出面向對象的知識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)，并結合航天某型號產(chǎn)品的研制開發(fā)并進行驗證。

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本文標題：一種基于知識的并行設計智能支持系統(tǒng)的體系

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