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(shè)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(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)計全生命周期提供支持，以便設(shè)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(fù)雜且極具挑戰(zhàn)性的工作。
1 并行設(shè)計的實質(zhì)
并行設(shè)計強調(diào)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(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)計的實質(zhì)就是把傳統(tǒng)的“設(shè)計-評價-再設(shè)計”的大循環(huán)，轉(zhuǎn)變?yōu)槎啻蔚?ldquo;設(shè)計-評價-再設(shè)計”小循環(huán)，以便盡可能地在設(shè)計的早期發(fā)現(xiàn)設(shè)計存在的問題。產(chǎn)品并行設(shè)計是許多設(shè)計循環(huán)（或回路）和子設(shè)計循環(huán)的集合，并行設(shè)計過程就是在多循環(huán)反饋控制下進行的。產(chǎn)品并行設(shè)計是產(chǎn)品設(shè)計和過程設(shè)計的優(yōu)化，它通過增加子循環(huán)過程來減少大設(shè)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(shè)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(shè)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(shè)計；MC——微循環(huán)；n——產(chǎn)品設(shè)計過程大循環(huán)數(shù)；m——產(chǎn)品設(shè)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(shè)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(shù)數(shù)據(jù)、文檔、圖形、圖像等信息進行管理。隨著產(chǎn)品復(fù)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(shè)計的產(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(shè)計實質(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(shè)計活動，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(chǔ)的評判過程（decision-based design），設(shè)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(shè)計選擇最佳方案，并最終對產(chǎn)品設(shè)計的總體方案進行綜合評價。這樣，建立在知識與決策基礎(chǔ)之上的并行設(shè)計智能計算機支持系統(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)計智能支持系統(tǒng)的原理框圖
當智能計算機輔助設(shè)計（Intelligent Computer Aided Design，ICAD）系統(tǒng)需要進行設(shè)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(diào)用知識庫中相關(guān)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(shè)計人員提供了一個在設(shè)計初期就能充分考慮設(shè)計、制造、裝配和維護等產(chǎn)品生命周期因素，包括產(chǎn)品設(shè)計數(shù)據(jù)、設(shè)計知識在內(nèi)，支持創(chuàng)造性設(shè)計的新一代設(shè)計支持系統(tǒng)的原型。
2.1 知識基設(shè)計支持系統(tǒng)概述
知識基設(shè)計支持系統(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)計者收集、組織、處理和精化設(shè)計知識，并有效地利用這些設(shè)計解。設(shè)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(shù)集成起來的AI體系。目前，開發(fā)知識基設(shè)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(shè)計支持提供一個通用的知識基設(shè)計支持體系結(jié)構(gòu)。因此，深入理解設(shè)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(jié)構(gòu)的集成化程度，使其更易維護和拓廣，加強設(shè)計知識的有效獲取和設(shè)計知識的系統(tǒng)化，成為知識基設(shè)計支持系統(tǒng)工程化、實用化、智能化的關(guān)鍵因素。
2.2 并行設(shè)計智能支持系統(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)計建模根據(jù)功能模型，按照設(shè)計特征的結(jié)構(gòu)定義和技術(shù)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(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。可制造性分析過程的實質(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)計特征和制造特征，并在不同設(shè)計階段或功能模塊中的應(yīng)用；
（5）人機接口顯示各功能模塊的運行結(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(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(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(shè)計知識的表達、查詢以及基于知識的設(shè)計求解。底層由多庫集成知識源和知識源調(diào)度器兩部分組成，其中實例庫存放以往的設(shè)計求解及其答案；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)計領(lǐng)域中的專業(yè)技術(shù)性數(shù)據(jù)（如設(shè)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(shè)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(shè)計智能支持系統(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，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(jié)構(gòu)，輸入相關(guān)領(lǐng)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(guān)數(shù)據(jù)；
（2）輸入主要的設(shè)計參數(shù)；
（3）確定導(dǎo)彈綜合信息，檢索相似導(dǎo)彈實例；
（4）估算改善因子，啟動相應(yīng)的方法推理機；
（5）分配和計算系統(tǒng)參數(shù)，啟動相應(yīng)的分析過程；
（6）對目標方案進行約束檢查，并做相應(yīng)的修改。重復(fù)步驟（5）直到目標方案完全滿足設(shè)計要求，形成最終設(shè)計方案；
（7）將最終設(shè)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(shè)計中起到支持設(shè)計的作用。
4 結(jié)論
本文提出一種知識基設(shè)計支持系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，作為知識基設(shè)計應(yīng)用程序開發(fā)的集成軟件內(nèi)核。分析了并行設(shè)計的過程特點，提出基于“設(shè)計-評價與決策- 再設(shè)計”的小循環(huán)模式的并行設(shè)計過程模型。討論了知識基設(shè)計支持系統(tǒng)的評價準則，提出一種基于知識的并行設(shè)計智能支持系統(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)并進行驗證。
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本文標題：一種基于知識的并行設(shè)計智能支持系統(tǒng)的體系
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