（機(jī)械制造及其自動(dòng)化專業(yè)論文）定性推理在概念設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究.pdf

! _ j 摘要 概念設(shè)計(jì)時(shí)期，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的信息是不充足、不完全的，不能或不需要利用傳 統(tǒng)的數(shù)值分析工具進(jìn)行分析求解。多數(shù)情況下，只需利用系統(tǒng)的各種原理，進(jìn)行 定性的分析和推理即可獲得所需要的結(jié)果。定性推理是從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的定性描述出 發(fā)，導(dǎo)出行為描述，以便預(yù)測(cè)系統(tǒng)的行為并給出原因解釋。 一一。 定性推理主要包括兩部分：定性模型的建立和基于定性模型的推理本文在 深入研究各種定性推理方法的基礎(chǔ)上，利用d ek l e e r 的基于“流“的思想，建立 了一類問題的定性模型，并在建模過程中結(jié)合該類問題的特點(diǎn)給出了一些建模假 設(shè)，在此基礎(chǔ)上給出了一個(gè)定性推理框架，著重講述了推理中的因果關(guān)系和約束 傳播過程。因果關(guān)系是定性推理的一個(gè)重要方面，如何處理推理中的因果信息流 動(dòng)，需要根掘不同問題采用不同方法。針對(duì)文中解決的特定問題，采用因果序方 法建立系統(tǒng)全局因果關(guān)系圖，可以很好地解決這個(gè)問題。( 約束傳播過程可以看作 是求解約束滿足問題的過程，一般約束滿足問題是一個(gè)n p 問題，利用系統(tǒng)的因 果機(jī)制可以將這個(gè)問題簡(jiǎn)單化，傳播過程中加入優(yōu)先級(jí)排序方法有效地避免了使 用錯(cuò)誤假設(shè)并保證了按實(shí)際傳播路徑進(jìn)行q 7 最后為了實(shí)現(xiàn)并驗(yàn)證上述定性推理的 備項(xiàng)工作，設(shè)計(jì)了一個(gè)定性推理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)q s b 。 【關(guān)鍵詞】概念設(shè)計(jì)定性推理因果序因果關(guān)系圖約束傳播 a b s t r a c t i nc o n c e p t u a ld e s i g n ，t h ed e t a i l so f as t r u c t u r ea r ei n s u f f i c i e n tt ow a r r a n tt h eu s eo f n u m e r i ct o o l st r a d i t i o n a l l yu s e di ns t r u c t u r ea n a l y s i s m o s t l y i no r d e rt oo b t a i nt h e r e s u l t ，a l lk i n d so fp r i n c i p l e so fs y s t e mf o ra n a l y z i n ga n dr e a s o n i n ga r eo n l yn e e d e d ， t h eb a s i ct a s ko fq u a l i t a t i v e r e a s o n i n g i st od e r i v eb e h a v i o rf r o maq u a l i t a t i v e d e s c r i p t i o n o f a s y s t e ms t r u c t u r e a n de x p l a i nt h eb e h a v i o ro f p h y s i c a ls y s t e m q u a l i t a t i v er e a s o n i n g i n c l u d e st w o p a r t s ：q u a l i t a t i v e m o d e l g e n e r a t i o n a n d q u a l i t a t i v er e a s o n i n ga b o u tt h em o d e l b a s e do nr e s e a r c h i n gd e e p l ys e v e r a lr e a s o n i n g m e t h o d sa v a i l a b l e ，aq u a l i t a t i v em o d e li sp r o v i d e da c c o r d i n gt o t h ec o n c e p t u a lo f c o n f l u e n c ei n t r o d u c e db yd e k l e e r s o m ea s s u m p t i o n sa r eg i v e nt og e n e r a t et h em o d e l f o rq u a l i t a t i v ea n a l y s i sa n dt oc a r r yo u tt h ec o n s t r a i n tp r o p a g a t i o n t h i sp a p e rp r e s e n t sa q u a l i t a t i v er e a s o n i n gp r o t o t y p es y s t e m ( q s b ) a n de m p h a s i z e sc o n s t r a i n tp r o p a g a t i o n a n dt h ec a u s a l r e l a t i o n s h i p b e t w e e ns y s t e m s p a r a m e t e r c a u s a l i t y i sa ni m p o r t a n t a s p e c t h o w t op r o c e s st h ec a u s a l i t yi ns y s t e mi sas o p h i s t i c a t e dp r o b l e m a i m e da tt h e s p e c i a lp r o b l e mi nt h i sp a p e r , w ee m p l o y sac a u s a lo r d e r i n gm e c h a n i s mt o c r e a t ea c a u s a ld e p e n d e n c yn e t w o r k c o n s t r a i n tp r o p a g a t i o ni sac o n s t r a i n ts a t i s f i e dp r o b l e m ( c s p ) t h es o l u t i o no f ac s pi sg e n e r a l l yv e r yd i f f i c u l tt ob eg o t i tc a nb es i m p l i f i e dt o u t i l i z et h es y s t e m sc a u s a lm e c h a n i s m t h ep r i o r i t yo r d e r i n gd e v e l o p e db ya u t h o ri s i n t r o d u c e dt oa v o i de f f i c i e n t l yp e r f o r m i n gw r o n gh y p o t h e s i sa n dw a r r a n tt h er e a s o n i n g s u c c e s s f u l l y a tl a s t ，a ne x p e r i m e n ts y s t e mf o r t h eq u a l i t a t i v ea n a l y s i sa b o u tt h ec e n t e r o f g r a v i t y i sp r o p o s e dt ov e r i f yt h ew o r ki nq u a l i t a t i v er e a s o n i n ga b o v e k e yw o r d s c o n c e p t u a ld e s i g nq u a l i t a t i v er e a s o n i n g c a u s a l o r d e r i n g c a u s a ln e t w o r kc o n s t r a i n t p r o p a g a t i o n 聲明 y 主0 5 2 2 5 創(chuàng)新性聲明 本人聲明所呈交的論文是我個(gè)人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究 成果。盡我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝中所羅列的內(nèi)容以外，論文中不 包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果；也不包含為獲得西安電子科技大學(xué)或 其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過的材料。與我一同工作的同志對(duì)本研究所做 的任何貢獻(xiàn)均已在論文中做了明確的說明并表示了謝意。 本人簽名：冱莉f q 期蘭塑! ! 、圣 關(guān)于論文使用授權(quán)的說明 本人完全了解西安電子科技大學(xué)有關(guān)保留和使用學(xué)位論文的規(guī)定，即：學(xué)校 有權(quán)保留送交論文的復(fù)印件，允許查閱和借閱論文；學(xué)?？梢怨颊撐牡娜炕?部分內(nèi)容，可以允許采用影印、縮印或其它復(fù)制手段保存論文。 本人簽名 導(dǎo)帥簽名 閂期至翌堡： r 期圭型：墨 i ，0 第一章緒論 第一章緒論 1 1 課題的提 二十一世紀(jì)的今天，科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展，新知識(shí)、新技術(shù)不斷推陳出新，產(chǎn) 品更新?lián)Q代越來越快。如何縮短設(shè)計(jì)周期，降低成本，快速搶占市場(chǎng)先機(jī)已成為 眾商家立足市場(chǎng)的根本。隨著工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，設(shè)備和產(chǎn)品的功能與結(jié)構(gòu)日趨復(fù) 雜，產(chǎn)品設(shè)計(jì)在整個(gè)生命周期內(nèi)占有越來越重要的位置。作為只占5 產(chǎn)品成本 的設(shè)計(jì)活動(dòng)往往決定占到7 0 一8 0 的產(chǎn)品成本。因此，深入研究產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程和 特點(diǎn)、掌握其規(guī)律便成為產(chǎn)品設(shè)計(jì)的主要研究課題。 山于對(duì)設(shè)計(jì)的內(nèi)涵和設(shè)計(jì)的理論有不同的認(rèn)識(shí)、不同的理解，產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程 被描述為不同的形式，主要有以、- 三種”3 ：足p a h l 和b e i t z 認(rèn)為：機(jī)械設(shè)計(jì)分 為明確任務(wù)、概念設(shè)計(jì)、技術(shù)設(shè)計(jì)和施工設(shè)計(jì)等四個(gè)階段。二是k o l l e r 認(rèn)為：機(jī) 械設(shè)計(jì)分為產(chǎn)品規(guī)劃、功能設(shè)計(jì)、定性設(shè)計(jì)和定量設(shè)計(jì)等四個(gè)階段。三是鄒慧君 教授提出：機(jī)械設(shè)計(jì)分為產(chǎn)品規(guī)劃、方案設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)和改進(jìn)設(shè)計(jì)等四個(gè)階段。 在上述產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中，概括起來說，設(shè)計(jì)的主要步驟是兩步：一是概念設(shè)計(jì) ( c o n c e p t u a ld e s i g n ) ，另一是構(gòu)型設(shè)計(jì)( c o n f i g u r a t i o nd e s i g n ) 。其中概念設(shè)計(jì)是 產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的重要階段，它是決定一個(gè)項(xiàng)目或系統(tǒng)投資多少諸多因素中的一個(gè)重 要因素，是整個(gè)進(jìn)程中最終決定產(chǎn)品技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果的關(guān)鍵階段。對(duì)于概念設(shè)計(jì)的 本質(zhì)、特點(diǎn)及其實(shí)現(xiàn)是當(dāng)前智能c a d 中研究的關(guān)鍵技術(shù)。 概念設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)的早期階段，這一階段的設(shè)計(jì)結(jié)果直接影響到最終的設(shè)計(jì)過 程，關(guān)系到設(shè)計(jì)的質(zhì)量和效率。 然而，概念設(shè)計(jì)時(shí)期所給出的信息通常是不完全、不精確的。采用傳統(tǒng)的數(shù) 值分析工具對(duì)系統(tǒng)構(gòu)造精確的定量模型是十分困難或不可能的。而且很多時(shí)候， 我們并不需要對(duì)所要解決的問題建立精確的數(shù)學(xué)模型，只需依靠對(duì)問題中所蘊(yùn)含 的原理的理解，進(jìn)行定性地分析即可得到結(jié)果。這種對(duì)問題的原理性理解的基礎(chǔ) 就是定性知識(shí)，這種定性知以在實(shí)際解決問題- j 往往是十分有效的。 同時(shí)，概念設(shè)計(jì)階段不需要得f o i l 也不可能得到詳細(xì)的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)，只需給出 系統(tǒng)的大致描述。此過程中，人們常常只對(duì)有關(guān)系統(tǒng)本質(zhì)的定性知識(shí)感興趣j 龐 雜繁冗的精確定量知識(shí)一般是不必要的。而且概念設(shè)計(jì)是一個(gè)設(shè)計(jì)一分析一再設(shè) 計(jì)的螺旋式的反復(fù)過程，大量的重復(fù)設(shè)計(jì)是避免不了的，而利用設(shè)計(jì)初期階段的 知識(shí)對(duì)系統(tǒng)定性建模，定性地給出系統(tǒng)的行為預(yù)測(cè)及大致的設(shè)計(jì)方向，可以有效 地減少重復(fù)設(shè)計(jì)過程，提商設(shè)計(jì)效率，減小設(shè)計(jì)代價(jià)，降低設(shè)計(jì)成本。 隨著設(shè)計(jì)理論和方法以及人工智能技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)輔助概念設(shè)計(jì)系統(tǒng)的 研究已成為9 0 年代設(shè)計(jì)自動(dòng)化的一個(gè)重要研究領(lǐng)域。在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)中，對(duì) 定性推理在概念設(shè)計(jì)中的戍j h 研究 于方案、流程、原理圖的設(shè)計(jì)，由于其中含有大量不精確信息，故多采用專家系 統(tǒng)方式實(shí)現(xiàn)。然而，在專家系統(tǒng)中n “，根據(jù)專家們的經(jīng)驗(yàn)和判斷所建立的知識(shí) 是一種“淺層“知識(shí)，所謂“淺“是因?yàn)樗鼈兪侵苯訌默F(xiàn)實(shí)世界的觀察中總結(jié)- | 來的j 是種經(jīng)驗(yàn)性的“如果就“類型的知識(shí)，因此當(dāng)外界條件發(fā)生變化碰 到新情況或系統(tǒng)知識(shí)不完備時(shí)，系統(tǒng)往往不能做出幣確的判斷?；谝?guī)則的方法 中，經(jīng)驗(yàn)知識(shí)只是對(duì)現(xiàn)象和結(jié)論之間的相互關(guān)系的一種不完全的描述，它不能充 分體現(xiàn)兩者之間必然的因果聯(lián)系。在研究與應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)，存在一些基本的規(guī)律和 法則，它們能夠描述現(xiàn)象與結(jié)果之間必然的關(guān)系，例如在數(shù)學(xué)上表示為方程或函 數(shù)關(guān)系，這些知識(shí)我們稱之為“深層“知識(shí)。如何利用這些“深層“知識(shí)來改善 專家系統(tǒng)的性能呢? 新的方法采用了因果聯(lián)系，可以對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行結(jié)果給出準(zhǔn)確 的解釋。通過對(duì)物理學(xué)專家的因果推理機(jī)制的研究表 j 定性地描述模型中的變 量、它們的變化方向及作用在它們上面的約束是很重要的。定性推理方法提出了 基于對(duì)這些“深層“知識(shí)建立定性模型的推理方法，使第。原理( 即設(shè)計(jì)中所用 到的各種物質(zhì)世界的已有客觀規(guī)律) 和經(jīng)驗(yàn)知識(shí)有機(jī)結(jié)合，改善了知識(shí)庫(kù)的組織， 使知識(shí)庫(kù)便于管理和維護(hù)，系統(tǒng)性能增強(qiáng)。綜上所述，由于設(shè)計(jì)的早期階段知識(shí) 的不完備和不精確，概念設(shè)計(jì)及詳細(xì)設(shè)計(jì)分別需要不同的分析工具，使得定性推 理在產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)中的應(yīng)用成為必然的趨勢(shì)。 1 2 國(guó)內(nèi)外相關(guān)技術(shù)的發(fā)展 1 2 1 概念設(shè)計(jì)的研究動(dòng)態(tài) 目前，在構(gòu)造實(shí)現(xiàn)支持概念設(shè)計(jì)的系統(tǒng)時(shí)，常采用以下四種方式1 ) 基于模 型的設(shè)計(jì)( m o d e lb a s e dd e s i g n ) ；2 ) 基于原型的設(shè)計(jì)( p r o t o t y p eb a s e dd e s i g n ) 3 ) 基于事例的設(shè)計(jì)( c a s eb a s e dd e s i g n ) 4 ) 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法( a n n m e t h o d ) 。 基于模型的設(shè)計(jì)( m o d e lb a s e dd e s i g n ) 基于模型的設(shè)計(jì)方法是指從預(yù)先定義好的模型集合t i ，選取滿足設(shè)計(jì)需求模 型，并將這些模型組合起來，實(shí)現(xiàn)整個(gè)產(chǎn)品的需求?；谀Ｐ偷脑O(shè)計(jì)與規(guī)則表示 有著很自然的聯(lián)系，所以也稱為基于第一原則( f i r s t p r i n c i p l e ) 的設(shè)計(jì)。 基于模型的設(shè)計(jì)中最典型的研究當(dāng)數(shù)i m s ( i n t e l l i g e n tm a n u f a c t u r i n gs y s t e m ) 。 它是一個(gè)全球性的研究項(xiàng)目，目標(biāo)是要在制造領(lǐng)域內(nèi)為協(xié)同研究和協(xié)同發(fā)展項(xiàng)目 提供一個(gè)= 拿球性的框架。在i m s 中，g n o s i s 系統(tǒng)用于支持產(chǎn)品的概念設(shè)計(jì)。它 以知識(shí)庫(kù)為支持，從產(chǎn)品的功能定義出發(fā)，以功能一行為一結(jié)構(gòu)( f b s ) 為推理 線索，以物理特征為基本元素來生成產(chǎn)品的功能模型，得到產(chǎn)品的設(shè)計(jì)方案。在 c n o s i s 中，設(shè)計(jì)人員首先對(duì)產(chǎn)品的功能做功能分解。在功能分解定義的最底層， 通過物理特征將產(chǎn)品的功能行為和結(jié)構(gòu)聯(lián)系起來，得到一個(gè)功能分解圖和個(gè)行 一 二：整竺塑：絲：鯊： ! 為網(wǎng)絡(luò)圖。在此基礎(chǔ)上，采用定性仿真技術(shù)對(duì)產(chǎn)品方案作分析，完善產(chǎn)品方案。i m s 的方法在汽車和飛機(jī)等的功能可靠性設(shè)計(jì)中得到了應(yīng)用，但對(duì)創(chuàng)新設(shè)計(jì)的研究還 有許多工作要做。 基于原型的設(shè)計(jì)( p r o t o t y p eb a s e dd e s i g n ) 區(qū)別于基于模型的方法，當(dāng)對(duì)一個(gè)或一類完整的設(shè)計(jì)建立模型，并能將這個(gè) 模型用來支持新設(shè)計(jì)+ 時(shí)，就得到了基于原型的設(shè)計(jì)方法。在相當(dāng)多的文獻(xiàn)中，也 將這種方法稱為基于模板的設(shè)計(jì)( t e m p l a t eb a s e dd e s i g n ) 方法。這種方法的關(guān) 鍵在于怎樣刻畫原型的各組成部分及其關(guān)系，使之能便于新設(shè)計(jì)任務(wù)的查詢和完 成設(shè)計(jì)原型的實(shí)例化。 這種設(shè)計(jì)方法對(duì)結(jié)構(gòu)元素間耦合性很強(qiáng)的機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)有較好的效果。但 是，由于原型參數(shù)的取值空間多為離散空間，確定這些參數(shù)的值，使之能滿足新 設(shè)計(jì)或優(yōu)化設(shè)計(jì)就成了基于原型設(shè)計(jì)方法中的一個(gè)重要問題。在大部分的商品化 軟件中，原型通常是以參數(shù)化的形式表示和應(yīng)用的。 基于事例的設(shè)計(jì)( c a s eb a s e dd e s i g n ) 基于事例的設(shè)計(jì)是將以往的設(shè)計(jì)記錄作為事例，使用過去的設(shè)計(jì)結(jié)果來支持 當(dāng)前設(shè)計(jì)任務(wù)的方法。將事例方法用于產(chǎn)品早期設(shè)計(jì)過程，并形成了較為完善的 理論和技術(shù)方法的研究不多見，相當(dāng)多的工作集中于用事例方法對(duì)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)模 型做改進(jìn)設(shè)計(jì)。澳大利亞的l e n aq i a n 和j o h ns g e r o 等人在用事例方法支持產(chǎn)品 的概念設(shè)計(jì)方面作了較多工作。他們的主要思路是從產(chǎn)品的功能行為層次以規(guī)則 匹配的方法從事例中獲取產(chǎn)品設(shè)計(jì)所需的信息，但是沒有功能的形式化定義方法 和方案評(píng)估的方法。同時(shí)，由于在事例的信息獲取時(shí)沒有考慮功能和行為的語義， 使得功能匹配和行為匹配實(shí)際上是設(shè)計(jì)對(duì)象和事例分別在功能網(wǎng)絡(luò)圖和行為網(wǎng)絡(luò) 圖的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上的匹配。雖然這種匹配方法帶來了得到完全創(chuàng)新設(shè)計(jì)的極大可 能，但有時(shí)候也會(huì)得到讓人啼笑皆非的設(shè)計(jì)方案。 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法( a n nm e t h o d ) 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)( a r t i f i c i a ln e u r a ln e t ，a n n ) 是追求用機(jī)器實(shí)現(xiàn)人類智能的 技術(shù)最早技術(shù)之一。它用有向孤聯(lián)系的節(jié)點(diǎn)形成的網(wǎng)絡(luò)來模擬神經(jīng)系統(tǒng)的物理結(jié) 構(gòu)，用輸入向量模擬神經(jīng)系統(tǒng)的輸入信號(hào)，用輸出向量模擬神經(jīng)系統(tǒng)的輸出信號(hào)， 用閥值函數(shù)控制網(wǎng)絡(luò)的輸出，用輸入向量中各元素的加權(quán)和與閻值函數(shù)的值比 較，得到網(wǎng)絡(luò)的輸出。一般來說，a n n 方法對(duì)分類問題和與記憶相關(guān)的檢索問題 有較好效果。工程設(shè)計(jì)和產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的a n n 應(yīng)用更多表現(xiàn)在設(shè)計(jì)問題分類和確 定設(shè)計(jì)參數(shù)的最接近值兩個(gè)方向。a n n 方法應(yīng)用在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的局限是設(shè)計(jì)必須 由給定的屬性確定，因此，所采用的推理是相當(dāng)淺層次的。另外，應(yīng)用a n n 方 法需要大量的訓(xùn)練數(shù)據(jù)集，而這在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中是一個(gè)很大的負(fù)擔(dān)。 定性推理在概念設(shè)計(jì)中的麻川研究 1 2 2 定性推理的研究動(dòng)態(tài) 1 9 8 3 年x e r o x 實(shí)驗(yàn)室的s e e l yb r o w n 和j o h nd ek l e e r 發(fā)表有關(guān)定性推理的 第一篇論文“aq u a l i t a t i v ep h y s i c sb a s e do nc o n f l u e n c e “，產(chǎn)生了巨大反響，揭丌 了定性推理研究的序幕。1 9 8 4 年人工智能雜志第一次出版了關(guān)于定性問題的專 集。此后定性問題的研究成為人工智能的一個(gè)熱點(diǎn)，許多學(xué)者加入到這一研究領(lǐng) 域中，產(chǎn)生了大量的研究成果。1 9 9 1 年，人工智能雜志又出版了定性推理的第二 本專集，進(jìn)一步促進(jìn)了定性推理研究的發(fā)展。目前，定性推理基本上可分為三大 理論派別，即模糊仿真方法、基于歸納學(xué)習(xí)的方法和樸素物理學(xué)方法8 ”“。 由于模糊數(shù)學(xué)方法可以解決模型信息與測(cè)量數(shù)據(jù)的不確定性。所以在定性理 論中一般用來作為一種描述手段。最初，系統(tǒng)的定性值是采用區(qū)間模糊數(shù)的行為 來描述的，英國(guó)的q i a n gs h e n 進(jìn)一步將其發(fā)展到用凸模糊數(shù)來描述定性值，在數(shù) 據(jù)表示上前進(jìn)了一大步：此后，又有人在此基礎(chǔ)上引用概率論。來度量生成的多 個(gè)行為的可信度。當(dāng)前的模糊定性理論，在模糊數(shù)表示方面都存在一個(gè)重大弱點(diǎn)， 那就是系統(tǒng)真實(shí)值與模糊量空間的映射問題，即如何確定描述系統(tǒng)的模糊量。 基于歸納學(xué)習(xí)的方法中，最為典型的是g p s 理論，即通用問題求解理論。這 種方法要求輸入盡可能多的行為，然后通過歸納學(xué)習(xí)的方式，構(gòu)造系統(tǒng)的定性模 型，進(jìn)行仿真研究。這種方法需要采集大量的數(shù)據(jù)，并加以處理和維護(hù)：而且， 由于現(xiàn)實(shí)條件的限制，不能保證歸納的完備性。 在理論和應(yīng)用上發(fā)展得最成熟的是樸素物理方法，它興起于一些人工智能專 家對(duì)樸素物理系統(tǒng)的定性推理研究。根據(jù)建立系統(tǒng)定性模型的方法，又可分為很 多派別，比較有影響的有：s e e l yb r o w n 和j o h nd ek l e e r 提出的基于“流”的概 念的理論，k d f o r b u s 的定性過程理論，b j k u i p e r s 基于約束的用定性微 分方程描述的定性仿真理論等。 定性推理是近十年來新發(fā)展的門人工智能技術(shù)，對(duì)它的研究還處于初期階 段，尤其是在機(jī)械產(chǎn)品領(lǐng)域，其應(yīng)用還很少見。目前，概念設(shè)計(jì)中的定性推理研 究主要有以下幾個(gè)方面： ( 】) 定性推理與基于知識(shí)的系統(tǒng)的結(jié)合9 1 o 在機(jī)械、建筑、電路等設(shè)計(jì)領(lǐng)域中， 常常需要在早期設(shè)計(jì)階段對(duì)系統(tǒng)縮構(gòu)進(jìn)行預(yù)測(cè)，以檢驗(yàn)設(shè)計(jì)方案的可行性。傳統(tǒng) 的結(jié)構(gòu)分析方法主要采用數(shù)值分析方法。為了使i j 數(shù)值方法，必須給出結(jié)構(gòu)和其 紂 件的幾何、載荷等信息的詳細(xì)描述。然而，在初始設(shè)計(jì)階段被分析的結(jié)構(gòu)通常 被描述成一個(gè)定性框架，沒有足夠詳細(xì)的信息來保證數(shù)值分析工具的使用。但是， 在實(shí)際工程中，有經(jīng)驗(yàn)的工程師能夠利用第一原理和經(jīng)驗(yàn)知識(shí)進(jìn)行推理，定性地 給出結(jié)構(gòu)的行為。研究人類工程師的思維方式，采用定性推理與基于規(guī)則的知識(shí) 相結(jié)合的方法，對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行定性建模，定性知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)知識(shí)交互作用給出結(jié) 構(gòu)分析問題的定性描述，有效地指導(dǎo)了設(shè)計(jì)初期階段的結(jié)構(gòu)及其組件的選擇，減 c n o s i s 中，設(shè)計(jì)人員首先對(duì)產(chǎn)品的功能做功能分薅牟。仕切鴕萬胖疋義h _ 取膩店， 一_ j t jt t f i i 、 一 第章緒論 少了重復(fù)設(shè)計(jì)次數(shù)。 ( 2 ) 定性和定量的結(jié)合恥3 。概念設(shè)計(jì)過程是一個(gè)重復(fù)過程，由于設(shè)計(jì)的復(fù)雜性， 初始設(shè)計(jì)很少能滿足所有的設(shè)計(jì)要求及約束，需要多次重復(fù)修改，直到得到滿意 解。利用基于流的定性推理方法，用定性微分方程拙述系統(tǒng)的特征參數(shù)的變化， 通過對(duì)系統(tǒng)初始擾動(dòng)的定性分析給出系統(tǒng)其他特征參數(shù)的變化方向，從而在整體 上對(duì)參數(shù)的調(diào)整進(jìn)行全局控制。利用逐步增量和約束傳播的方式對(duì)定量約束關(guān)系 網(wǎng)進(jìn)行推理，局部調(diào)整參數(shù)。定性與定量的結(jié)合可以有效地縮小解空間，快速得 到滿意解。 1 3 本文所作的工作及研究目的 本文的目的是研究定性推理在概念沒i = 卜。1 1 的應(yīng)用，探討定性推理的手段、方 法及其過程，并結(jié)合一類問題給出可行的定性描述模型和相應(yīng)的定性推理框架， 說明其在概念設(shè)計(jì)中的實(shí)用性。 本文從概念設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，概念設(shè)計(jì)中所使用的知識(shí)，及概念設(shè)計(jì)過程入手， 探討了定性推理及定性知識(shí)在概念設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，并結(jié)合一類問題給出了定性推 理系統(tǒng)框架。 主要研究?jī)?nèi)容有： 深入探討了產(chǎn)品早期設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，指出了在早期設(shè)計(jì)階段，知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)相混 合，設(shè)計(jì)要求通常都是定性的而不是定量的，所得到的信息不完全、不精確等， 同時(shí)對(duì)設(shè)計(jì)過程進(jìn)行了再認(rèn)識(shí)，分析了設(shè)計(jì)期間所使用的知識(shí)，提出在設(shè)計(jì)知識(shí) 中有相當(dāng)一部分知識(shí)是定性知識(shí)，這些定性知識(shí)有助于在初始設(shè)計(jì)時(shí)快速地從頭 腦中篩選出更有利于設(shè)計(jì)的原理，方法等。結(jié)合作者對(duì)設(shè)計(jì)的理解，對(duì)設(shè)計(jì)中所 涉及的知識(shí)進(jìn)行了新的分類。 結(jié)合定性推理在設(shè)計(jì)中的某一類應(yīng)用，提出了定性推理框架，對(duì)定性推理框 架中的一些基本概念給出定義，建立了適合該類問題的定性模型，提出了建模準(zhǔn) 則和假設(shè)，并說明了該定性模型與其他描述模型的不同。 對(duì)其中的因果關(guān)系及約束傳播進(jìn)行了深入研究，構(gòu)造了適合特定問題的因果 關(guān)系圖，提出了約束傳播算法，并與其他約束傳播比較說明該算法的優(yōu)勢(shì)。 結(jié)合一合適背景，實(shí)現(xiàn)了定性分析和設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。 淪文的主要結(jié)構(gòu)如下： 第一章緒論。介紹本課題的目的，國(guó)內(nèi)外相關(guān)技術(shù)的發(fā)展動(dòng)態(tài)以及本文所作的 工作。 第二章概念設(shè)計(jì)與定性知識(shí)。探討了概念設(shè)汁階段的特點(diǎn)、過程、所使用的各 類知識(shí)及其作用，說明了設(shè)計(jì)過程是綜合運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)知識(shí)、定性知識(shí)、定量知識(shí)的 定性推理在概念設(shè)計(jì)中的麻州研究 過程。從知識(shí)的不同抽象層次重新對(duì)設(shè)計(jì)知識(shí)進(jìn)行了分類，對(duì)設(shè)計(jì)過程進(jìn)行了再 認(rèn)識(shí)，并特別指出定性知識(shí)、定性推理在概念設(shè)計(jì)中應(yīng)用的必然性和必要性。 第三章重心問題定性推理建模及系統(tǒng)框架。簡(jiǎn)要地介紹了定性推理研究的目的、 觀點(diǎn)和所采用的方法，結(jié)合特定問題創(chuàng)建了一個(gè)定性推理系統(tǒng)框架，對(duì)該系統(tǒng)中 定性模型建立和推理過程中所要用到的概念進(jìn)行了定義，描述了系統(tǒng)的大致框 架，詳細(xì)闡述了如何建立系統(tǒng)的定性模型及其巾引入的假設(shè)，系統(tǒng)的知識(shí)表示及 框架概述。 第四章因果關(guān)系和約束傳播。在定性推理系統(tǒng)框架中，推理由控制機(jī)和推理機(jī) 兩部分組成。在推理過程中，控制機(jī)的主要作用體現(xiàn)在因果關(guān)系圖和因果模型的 構(gòu)造上，推理機(jī)則根據(jù)得到的因果模型利用定性演算和約束傳播給出用戶滿意的 結(jié)論。故本章主要介紹因果關(guān)系的含義、作用，因果關(guān)系圖的構(gòu)造及因果模型的 表示，推理過程中的約束傳播過程和算法，傳播時(shí)采用優(yōu)先級(jí)排序的好處和如何 處理過分約束情況。 第五章定性推理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。結(jié)合重心問題說明定性推理系統(tǒng)框架 的實(shí)現(xiàn)。詳細(xì)介紹了框架中的主要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法。 第六章總結(jié)和展望。總結(jié)論文所做的主要工作，指出其中的不足及繼續(xù)要研究 的問題。 第二二章概念設(shè)計(jì)與定性知識(shí) 第二章概念設(shè)計(jì)與定性知識(shí) 理解產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程，尤其是對(duì)產(chǎn)品早期設(shè)計(jì)的過程、推理線索和特點(diǎn)有盡可 能深入的理解是構(gòu)造產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)支持工具的出發(fā)點(diǎn)。本章對(duì)概念設(shè)計(jì)進(jìn)行了較 深入的分析，給出了此階段設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，過程，及其中所涉及到的知識(shí)和這些知 識(shí)的作用，并特別指出了定性知識(shí)及定性推理在概念設(shè)計(jì)中的應(yīng)用及其作用。 2 1 產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)分析 2 1 1 概念設(shè)計(jì)的特點(diǎn) 概念設(shè)計(jì)階段的直觀特點(diǎn)很容易被精通或僅僅熟悉產(chǎn)品設(shè)計(jì)的人觀察到，比 如創(chuàng)造性等等。但是，這僅僅是外在的淺層次特點(diǎn)。要構(gòu)造能夠?qū)崿F(xiàn)概念設(shè)計(jì)的 支持工具，需要對(duì)產(chǎn)品早期設(shè)計(jì)深層次的特點(diǎn)有完整而確切的了解。 1 原理性知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)混合，而且兩者都是以不精確方式存在。 以下兩個(gè)事實(shí)證明它們?cè)诋a(chǎn)品早期設(shè)計(jì)中的重要作用： 1 ) 在產(chǎn)品設(shè)計(jì)的早期，設(shè)計(jì)人員往往是根掘自己的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，或者參考其他設(shè)計(jì) 人員的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)來生成產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案，然后依據(jù)自己的知識(shí)或經(jīng)驗(yàn)評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)方 案。 2 ) 在設(shè)計(jì)知識(shí)( 知識(shí)工程的一個(gè)關(guān)鍵實(shí)施步驟) 獲取時(shí)，設(shè)計(jì)人員往往是舉例說 明設(shè)計(jì)為什么是這樣，而不是那樣。對(duì)他們來說，要將蘊(yùn)涵在這些例子中的經(jīng)驗(yàn) 用規(guī)則等知識(shí)的形式化方法表示出來，相當(dāng)困難。 相當(dāng)程度上，設(shè)計(jì)人員對(duì)以往設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的獲取和使用處于較低的層次，可以 稱之為經(jīng)驗(yàn)的直接引用。如：采用能實(shí)現(xiàn)某一功能的結(jié)構(gòu)時(shí)，只是在參數(shù)或?qū)傩?上做修改。所以，可以說，產(chǎn)品的方案設(shè)計(jì)是從設(shè)計(jì)人員所能獲取的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)開 始的。但是，這僅僅是產(chǎn)品設(shè)計(jì)低層次的描述。由于多種因素的限制，當(dāng)設(shè)計(jì)人 員所面臨的產(chǎn)品需求所能得到的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)少到不足以直接產(chǎn)生一個(gè)設(shè)計(jì)方案時(shí)， 設(shè)計(jì)人員更多地是對(duì)以往的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行再加工，如類比推理或者是根據(jù)自己的 經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)，產(chǎn)生創(chuàng)造性的產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案。在這種情況下，原理性知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)混 合在一起，共同支持產(chǎn)品的方案設(shè)計(jì)。 2 約束、對(duì)象和參數(shù)的模糊性。 在設(shè)計(jì)過程的早期，決策常常遇到模糊性。這種模糊性表現(xiàn)為： 1 ) 非確定性 2 ) 非精確性 3 ) 非完整性 非確定性是指設(shè)計(jì)的決策基于某種可能性分柿。非精確性是指設(shè)計(jì)約束、設(shè) 定性推理在概念設(shè)計(jì)中的戍研究 計(jì)對(duì)象的變量和設(shè)計(jì)參數(shù)等只具有語言上或者是相對(duì)更好的值，而不是精確的 值，即通常所說的定性值。非完整性是指設(shè)計(jì)描述有不完整的約束和參數(shù)，忽略 了某些細(xì)節(jié)。 3 設(shè)計(jì)對(duì)象的高度抽象。 概念設(shè)計(jì)階段所涉及的設(shè)汁對(duì)象和設(shè)訓(xùn)+ 概念不象詳細(xì)設(shè)計(jì)階段的對(duì)象和概 念，相對(duì)更抽象。這種抽象表現(xiàn)在： 1 ) 產(chǎn)品的幾何細(xì)節(jié)不重要，甚至可以被忽略。 2 ) 與功能和行為無關(guān)的其它屬性被忽略。 3 ) 設(shè)計(jì)對(duì)象更多是詞匯意義上的表示，其具體外延尚需確定。 4 設(shè)計(jì)約束跨層次且覆蓋面大。 在產(chǎn)品的早期設(shè)計(jì)階段，從產(chǎn)品需求到設(shè)計(jì)方案，其中所涉及的約束既可以 是與功能有關(guān)的約束，也可以是與其它因素，如行為，甚至是與某些產(chǎn)品細(xì)節(jié)相 關(guān)的約束，如用戶要求采用某種特定的材料等，遠(yuǎn)比單純的幾何約束涉及的范圍 廣、因素多。這些約束由于模糊性等因素聯(lián)系在一起，使得產(chǎn)品早期設(shè)計(jì)的約束 定義、表示和使用成為一個(gè)難題。 5 產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)是一個(gè)病態(tài)紀(jì)構(gòu)問題。 病態(tài)結(jié)構(gòu)問題需要在解決的過程中不斷再定義問題是什么，問題需求空間隨 著問題的解決過程被逐步確定，問題的解也就隨之被確定。與之相對(duì)應(yīng)的是，傳 統(tǒng)的可以用問題求解方法或簡(jiǎn)單搜索方法解決的一類完整結(jié)構(gòu)問題，問題需求空 間在開始解決問題之前就已經(jīng)被確定，且在解決問題的過程中，需求空間不會(huì)再 變化。 2 1 2 產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)過程 由于概念設(shè)計(jì)具有上述特點(diǎn)，使得計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)輔助概念設(shè)計(jì)十分困難。為了 實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)自動(dòng)化，不同的人在設(shè)計(jì)方法、程式和規(guī)律等方面進(jìn)行了大量的探索， 發(fā)現(xiàn)智能c a d 系統(tǒng)的發(fā)展及設(shè)計(jì)自動(dòng)化的實(shí)現(xiàn)，從根本上講取決于對(duì)設(shè)計(jì)過程 本身的理解。 設(shè)計(jì)過程的模型國(guó)內(nèi)外已有很多論述，但這些論述多是對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)全過程的 研究，即從最初的明確任務(wù)到最后的詳細(xì)設(shè)計(jì)。本文在綜合各種設(shè)計(jì)過程模型的 基礎(chǔ)上，將精力主要放在概念設(shè)計(jì)階段，通過對(duì)一般設(shè)計(jì)行為的研究，發(fā)現(xiàn)概念 設(shè)計(jì)過程通常包括如圖2 1 所示的基本設(shè)計(jì)過程元素。 從圖中可以看出，產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過程是由一組設(shè)計(jì)說明丌始的，也就是圖中的 要求域。對(duì)這些設(shè)計(jì)要求抽象化，日的是為了確定產(chǎn)品的總功能，抽象過程中， 要抓住本質(zhì)，突出重點(diǎn)，淘汰次要條件，將定量參數(shù)改為定性描述，對(duì)主要部分 充分地?cái)U(kuò)展，只描述任務(wù)、不涉及具體解決辦法。通過這樣適度抽象化的過程， 第一：章概念毆計(jì)如定性知識(shí) 要求域 功能域 物理域 設(shè)計(jì)概念域 ( 抽象結(jié)構(gòu)) 圖2 1 概念設(shè)計(jì)的般過科 口o 功抽技 能象術(shù) 結(jié)原 構(gòu)理 獲得的功能定義擴(kuò)大了解的范圍。 然后，對(duì)總功能進(jìn)行功能分解，從要求域到功能域的過程就是功能分解的過 程，總功能被分解為各個(gè)子功能，形成圖中的功能域。一般說來功能是抽象地描 述輸入和輸出間的作用關(guān)系，如變換，放大等，對(duì)于這些抽象的功能描述在實(shí)現(xiàn) 上可以找到不同的技術(shù)原理。 各種功能的實(shí)現(xiàn)都是在以自然科學(xué)原理為基礎(chǔ)的技術(shù)效益的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的， 因此，物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)等客觀規(guī)律就構(gòu)成了設(shè)計(jì)中的物理域。功能域與物 理域不是一一映射關(guān)系，同一種功能可以利用多種物理原理，而同一個(gè)原理又可 以實(shí)現(xiàn)多種功能。因此如何根據(jù)功能選擇原理要根據(jù)具體情況而定。 設(shè)計(jì)概念域，也就是通常所說的方案原理解。物理學(xué)中的原理是一種抽象的 普遍的現(xiàn)象及規(guī)律。機(jī)械工程中主要利用的就是物理學(xué)原理，將物理學(xué)原理通過 一定的結(jié)構(gòu)方式在工程技術(shù)上加以利用，就是所謂的技術(shù)物理效應(yīng)，也就是這里 所說的設(shè)計(jì)概念域。這時(shí)得到的結(jié)構(gòu)是抽象結(jié)構(gòu)，沒有具體的幾何尺寸和裝配關(guān) 系。如要實(shí)現(xiàn)力平衡原理，可以使用杠桿。這罩杠桿就是一個(gè)具有一定抽象層次 的結(jié)構(gòu)。 定性推理在概念設(shè)計(jì)中的庸川研究 從功能到設(shè)計(jì)概念的轉(zhuǎn)化過程中，定性分析整個(gè)貫穿其中。前文說過，概念 設(shè)計(jì)過程的特點(diǎn)就是非精確性、非完整性及非確定性。i 別此利用精確的工具進(jìn)行 分析是不可行的也是不可能的，而實(shí)際上更多的時(shí)候是利用定性知識(shí)進(jìn)行定性分 析。對(duì)于定性知識(shí)及其作用，后面會(huì)詳細(xì)闡述。 從上面幾個(gè)步驟可以看出，產(chǎn)品設(shè)計(jì)足經(jīng)過多次綜合、分析、選擇彳從最初 的設(shè)計(jì)說明最終得到設(shè)計(jì)概念( 即方案原理解) 的。 2 2 概念設(shè)計(jì)中的知識(shí)分類及其作j 1 j 2 2 1 設(shè)計(jì)知識(shí)的分類 從設(shè)計(jì)的特點(diǎn)、過程可以看出，設(shè)計(jì)過程是一個(gè)對(duì)擇種知識(shí)進(jìn)行綜合運(yùn)用的 過程，各類知識(shí)在設(shè)計(jì)中起著不同的作用。對(duì)于知識(shí)的分類，從不同角度有不同 的分法，如：從知識(shí)的作用分類有描述性知識(shí)、判斷性知諺 和過程性知識(shí)，從作 用的層次來說可分為元知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)知識(shí)、原理知識(shí)和常識(shí)性知識(shí)等。作者認(rèn)為設(shè) 計(jì)過程是一個(gè)從抽象到具體，從模糊到精確的過程，從最初的模糊概念到最終的 實(shí)現(xiàn)，需要利用不同抽象程度的知識(shí)，這些知識(shí)使設(shè)計(jì)概念逐步清晰化、明朗化。 在此基礎(chǔ)上，通過對(duì)設(shè)計(jì)特點(diǎn)和設(shè)計(jì)思維過程的研究，從知識(shí)的精確度入手，結(jié) 合機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程，將知識(shí)分為以下幾類： ( 1 ) 經(jīng)驗(yàn)性知識(shí)，這里所說的經(jīng)驗(yàn)性知識(shí)指的是不能用數(shù)學(xué)模型描述的知識(shí)。 舉例來說，如鳥有翅膀，有羽毛等。這類知識(shí)是領(lǐng)域?qū)＜医?jīng)過多次實(shí)踐經(jīng) 驗(yàn)總結(jié)出來的知識(shí)，它很難以數(shù)學(xué)模型描述，但卻涵蓋了某種現(xiàn)象的規(guī)律 性東西。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)的早期，設(shè)計(jì)人員往往是根據(jù)自己的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，或者 參考其他設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)來生成產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案，此期間經(jīng)驗(yàn)的作用體 現(xiàn)得尤為突出，設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)決定了其設(shè)計(jì)的質(zhì)量與效率，設(shè)計(jì)的創(chuàng)新 性很大程度上也與設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)有關(guān)。設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)很難用某種準(zhǔn)確 的模型描述出來，但卻能使設(shè)計(jì)人員快速地解決問題，對(duì)于這類知識(shí)的利 用多采用基于知識(shí)的系統(tǒng)( k n o w l e d g e b a s e ds y s t e m ) 米解決。 ( 2 ) 定中i ：知識(shí)，這類知識(shí)又包含兩種。一種是對(duì)客觀規(guī)律的定性描述，如有以 下描述：在電阻一定的條件下，電壓與電流成正比，另一種是對(duì)客觀事物 的模糊描述，如重心偏高，這些知識(shí)有助于人們簡(jiǎn)化問題。對(duì)于什么是定 性? 哪些知識(shí)是定性知識(shí)? 目前還沒有一個(gè)統(tǒng)一的說法。通常所說的定性 是個(gè)廣泛意義上的概念，它包括各種對(duì)信息、知識(shí)等不精確的描述，甚 至有些時(shí)候一些模糊描述也被包含在這種說法【1 | 。剛定性推理處理所有這 些定性知識(shí)是不可能的，因此在這里將定性知識(shí)分為了兩類，定性推理能 處理的就是基于某些能用數(shù)學(xué)形式給出描述的客觀規(guī)律的定性知識(shí)。這類 第”二章概念毆訃與定性矢識(shí) 知識(shí)的作用可以使設(shè)計(jì)人員快速有效地縮小解空間，提高設(shè)計(jì)效率。如： 當(dāng)設(shè)計(jì)人員被要求設(shè)計(jì)一種永動(dòng)機(jī)時(shí)，他可以根據(jù)能量守恒定律很快地得 出該方案不可行。這里設(shè)計(jì)人員沒有進(jìn)行精確的數(shù)值計(jì)算，只是根據(jù)蘊(yùn)含 了某種客觀規(guī)律的知識(shí)定性地給出答案。這些客觀規(guī)律使設(shè)計(jì)人員能判斷 出設(shè)計(jì)是否可行，能不能實(shí)現(xiàn)及大致的設(shè)計(jì)方向，提高了設(shè)計(jì)效率。 ( 3 ) 定量知識(shí)，指的是在設(shè)計(jì)中所用到的精確的數(shù)值或數(shù)值分析及計(jì)算方法。 這類知識(shí)在詳細(xì)設(shè)計(jì)時(shí)是必不可少的。設(shè)計(jì)最終要以某種產(chǎn)品的形式得以 體現(xiàn)，因此詳細(xì)的幾何尺寸，各種設(shè)計(jì)參數(shù)的取值及要滿足的各種性能指 標(biāo)都需要精確的定量知識(shí)。 這些知識(shí)在設(shè)計(jì)的不同階段起到了不同的作用，如何針對(duì)設(shè)計(jì)的不同階段靈 活使用不同抽象層次的知識(shí)是目前設(shè)計(jì)領(lǐng)域研究的主要內(nèi)容。 從設(shè)計(jì)中可充分利用計(jì)算機(jī)的三個(gè)側(cè)面來看，計(jì)算機(jī)處理的最好的部分就是 利用具體的理論和數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)計(jì)算，日| j 在這方面的技術(shù)已很成型，涌現(xiàn)出各 種數(shù)值計(jì)算方法和設(shè)計(jì)軟件。在經(jīng)驗(yàn)方面，基于各種推理技術(shù)和知識(shí)庫(kù)的知識(shí)系 統(tǒng)也有不少。但是，在最有創(chuàng)造性的概念方面進(jìn)行的研究還較少，較成熟的技術(shù) 和方法也很少，尤其是在定性知識(shí)的研究上還很少見到有成型的產(chǎn)品。 2 3 定性知識(shí)在設(shè)計(jì)中的應(yīng)用 設(shè)計(jì)過程是一個(gè)非常復(fù)雜的過程，它涉及到多種不同類型的知識(shí)的應(yīng)用，包 括經(jīng)驗(yàn)性的、常識(shí)性的以及結(jié)構(gòu)性的知識(shí)，一般需采用多層知識(shí)表達(dá)模式，將元 知識(shí)、定性推理知識(shí)以及數(shù)學(xué)模型和方法等相結(jié)合，根據(jù)不同類型知識(shí)的特點(diǎn)采 用相應(yīng)的表達(dá)方式，在表達(dá)能力，推理效率與可維護(hù)性等方面進(jìn)行綜合考慮。根 據(jù)上文對(duì)設(shè)計(jì)中知識(shí)的分類和認(rèn)識(shí)，結(jié)合設(shè)計(jì)過程，從知識(shí)運(yùn)用的角度給出如圖 22 所示的框架。 框架中的第一原理指的是設(shè)計(jì)中需用到的各種自然科學(xué)原理，如物理學(xué)、化 學(xué)、力學(xué)等原理，用這些原理可以進(jìn)行定性分析也可以定量計(jì)算。 在這個(gè)框架中體現(xiàn)了定性知識(shí)在概念設(shè)計(jì)中的應(yīng)用及作用，現(xiàn)詳細(xì)說明如 下： ( 1 ) 在最初提出設(shè)計(jì)要求后，對(duì)設(shè)計(jì)說明進(jìn)行分析，以設(shè)計(jì)任務(wù)作為問題進(jìn)行 抽象，得出產(chǎn)品設(shè)計(jì)的功能總目標(biāo)。此時(shí)，功能是以抽象的、定性的方式描述的。 因此，在對(duì)其進(jìn)行分解和設(shè)計(jì)時(shí)，需利用非精確的知識(shí)，如經(jīng)驗(yàn)知識(shí)和定性知識(shí)， 舉例來說：如在某次設(shè)計(jì)中，需設(shè)計(jì)一種能實(shí)現(xiàn)標(biāo)明時(shí)間的儀器，利用設(shè)計(jì)者的 經(jīng)驗(yàn)可以得出以下幾種能實(shí)現(xiàn)此功能的原理，機(jī)械的、電子的、光學(xué)的，利用光 學(xué)原理的如原予鐘，因其設(shè)計(jì)成本高，不直采用，機(jī)械方式如機(jī)械表一般精度不 定性推理在概念設(shè)討1 巾的鷹川研究 圖2 2 概念設(shè)計(jì)中的知識(shí)運(yùn)h j 模) 鋰 高，故也被排除，最后采用電子鐘?？梢钥闯鲆ㄟ@個(gè)過程中，從功能域到物理域 的過程是設(shè)計(jì)者根據(jù)其經(jīng)驗(yàn)而得到的，在方案選擇時(shí)，一些定性知識(shí)如成本高等 起了關(guān)鍵作用，減少了可替代方案，提高了效率。 ( 2 ) 從功能到結(jié)構(gòu)的映射一直是個(gè)比較難解決的問題9 4 0 日, 在功能建立模塊 和結(jié)構(gòu)建立模塊的設(shè)計(jì)中會(huì)遇到功能“粒化問題”。具體地來講，功能“?；瘑?題”在功能建立模塊設(shè)計(jì)中就是功能的分解問題，而在結(jié)構(gòu)建立模塊中就是物件 的功能屬性。一般來說功能“?；钡倪^細(xì)，則將導(dǎo)致由功能到結(jié)構(gòu)形式映射算 法和結(jié)果相當(dāng)龐大，以致根本無法進(jìn)行下去。反之，若“?；钡倪^粗，則又可 能失去一些真f 具有創(chuàng)造性的設(shè)計(jì)概念。因此，在計(jì)算機(jī)輔助概念設(shè)計(jì)中，功能 的“?；眴栴}是關(guān)鍵問題之一。本文并沒有在這方面進(jìn)行深入的研究，在這里 引述是想說明定性知識(shí)的運(yùn)用，功能到結(jié)構(gòu)的映射通常不是映射的關(guān)系，一 種功能可能對(duì)應(yīng)著幾種結(jié)構(gòu)，當(dāng)功能分解完成后，將各子功能進(jìn)行組合以實(shí)現(xiàn)總 體功能時(shí)，會(huì)產(chǎn)生多種組合方案，在這些方案中會(huì)組合出一些新的結(jié)構(gòu)形式，那 么這些新的結(jié)構(gòu)是否能實(shí)現(xiàn)所要求的功能呢? 在此可以利用定性推理對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行 檢驗(yàn)，功能是通過行為實(shí)現(xiàn)的，定性推理的目的就是根據(jù)結(jié)構(gòu)的描述及初始描述 進(jìn)行推理，得出結(jié)構(gòu)的行為，通過檢驗(yàn)行為可以判斷功能是否實(shí)現(xiàn)。同時(shí)在分析 各分結(jié)構(gòu)的行為時(shí)，還可以根據(jù)行為是否匹配來去除不可能的組合。 ( 3 ) 在詳細(xì)設(shè)計(jì)階段，定性推理也起到很大作用，尤其是在參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)， 給出初始設(shè)計(jì)后，其中的某個(gè)或某些參數(shù)不滿足要求需進(jìn)行調(diào)整，一般的方法是 第二章概念波計(jì)與定性知識(shí) 進(jìn)行試探，這種方法比較盲目、效率低。而采用定性推理，根據(jù)參數(shù)間的因果關(guān) 系找到與不滿足參數(shù)相關(guān)的參數(shù)，有針對(duì)性地進(jìn)行調(diào)整，有助于快速得到所要求 的設(shè)計(jì)結(jié)果。 從以上綜述中可以看到，設(shè)計(jì)中要用到各種知識(shí)，這些知識(shí)分別起著不同的 作用，這里特別強(qiáng)調(diào)了定性知識(shí)和定性推理的作用。一方面是因?yàn)樵谠O(shè)計(jì)中尤其 是在概念設(shè)計(jì)中存在著大量的不精確信息，充分利用這些信息可以提高設(shè)計(jì)的質(zhì) 量及效率，另一方面實(shí)際設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員通常也確實(shí)是利用定性知識(shí)進(jìn)行定性 推理判斷的，而在計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)時(shí)，往往容易當(dāng)作經(jīng)驗(yàn)性知識(shí)來處理。然而對(duì)于那 些不包含客觀規(guī)律的定性知識(shí)來說，這樣處理比較妥當(dāng)，但是對(duì)于基于客觀規(guī)律 的定性知識(shí)來說，很多時(shí)候并沒有充分地利用其作用。舉例來說，物體高度增加 導(dǎo)致重心高度增加，如果將這條知識(shí)簡(jiǎn)單地認(rèn)為是經(jīng)驗(yàn)知識(shí)，那么在基于這條知 識(shí)的推理時(shí)，由于它跳過了許多中f j j 步驟，把問題與結(jié)果直接聯(lián)系起來，在需要 進(jìn)一步知道為什么問題與結(jié)果問有這樣的關(guān)系時(shí)，就不能得到滿意的解釋了。而 實(shí)際上，這條知識(shí)蘊(yùn)含著物體勻質(zhì)時(shí)重心與形心重合，高度增加形心增加的客觀 規(guī)律，有了這樣的定性知識(shí)就能更好地解釋問題了。所以要特別強(qiáng)調(diào)定性知識(shí)， 并對(duì)設(shè)計(jì)知識(shí)進(jìn)行了這樣的分類。 定性在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中有許多用途，如它可以用來預(yù)測(cè)系統(tǒng)的特性，從而在眾多 的方案中選出較好的方案；可以分析故障的原因，從而在系統(tǒng)失效時(shí)進(jìn)行診斷； 可以從系統(tǒng)的部分特性推斷其整體特性，從過去的行為推斷其將來的表現(xiàn)等等。 綜上所述，研究定性知識(shí)汞l 定性推理在概念設(shè)計(jì)中的應(yīng)用有其必要性和實(shí)用 眭。 定性推理在概念設(shè)計(jì)中的麻川i j | = 究 第三章重心問題定性推理建模及系統(tǒng)框架 定性推理是人工智能研究領(lǐng)域中一個(gè)活躍的分支。本章對(duì)定性推理進(jìn)行了較 為深入的探討，討論了定性推理的觀點(diǎn)、目的及解決問題的方法，對(duì)定性推理中 所涉及的一些概念給出了詳細(xì)定義，并描述了基于類問題的定性模型的建立方 法和基于此模型的定性推理系統(tǒng)框架( 以下簡(jiǎn)稱q s b ) 該框架結(jié)合第一原理和 經(jīng)驗(yàn)知識(shí)產(chǎn)生結(jié)構(gòu)的定性因果模型，并在基于用戶詢問的基礎(chǔ)上給出分析和建 議。 3 1 定性推理簡(jiǎn)介 3 1 1 定性推理的概念 定性推理是人工智能領(lǐng)域中的一種推理方法，它使用定性信息，對(duì)系統(tǒng)的結(jié) 構(gòu)、行為和功能進(jìn)行描述，并研究它們之間的關(guān)系和因果性，得出定性解釋，以 求模仿人類的定性常識(shí)推理。 定性推理方法模擬人類的思維方式，因而在對(duì)物理系統(tǒng)的行為求解的同時(shí)， 要求對(duì)行為做出解釋。這種解釋不是根據(jù)物理系統(tǒng)的功能直接得出的，而是根據(jù) 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)知識(shí)和物理規(guī)律推理得出的。例如：在解釋自來水為什么會(huì)從擰丌的 水龍頭中流出來時(shí)鄖l 。不能只講“因?yàn)樗堫^具有放水和截水的功能“，而要用 水龍頭、水管、水塔和自來水組成的物理系統(tǒng)以及胍強(qiáng)1 j 水位的物理關(guān)系來進(jìn)行 解釋。這種解釋既是深層次的，又是符合人們的直覺的。 概括起來說，定性推理的理論呵分為兩個(gè)部分：定。r l 模型的建立和基于定性 模型的推理。定性推理的目標(biāo)是尋求一+ 種計(jì)算理論_ ) 乏模擬人類處理定性知識(shí)的自 然過程，這種計(jì)算理論的一個(gè)主要特點(diǎn)是可以處理4 i 完全的系統(tǒng)知識(shí)。其目的之 一是提取和運(yùn)用常識(shí)，充分利用定性及不完全、不精確的信息來推理系統(tǒng)定性行 為，給出易于理解的行為描述和因果解釋。 3 1 2 定性推理的觀點(diǎn) 人類對(duì)物理世界的描述解釋，常是以某種直觀的定性方法進(jìn)行的，很少使用 微分方程及具體的數(shù)值描述。如人們?cè)隍T自行車時(shí)，為了避免摔倒和撞車，并不 需要使用書本上的運(yùn)動(dòng)方程，而是針對(duì)幾個(gè)主要參l i i = 的變化趨勢(shì)給與粗略的、直 觀的，但大體上準(zhǔn)確的描述，這就夠了o “日。 一般分析運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)行為的標(biāo)準(zhǔn)過程可分為蘭個(gè)步驟： ( 1 ) 決定描述對(duì)象系統(tǒng)特征的量。 ( 2 ) 用方程式表示量之間的相互關(guān)系。 第二章重心問題定性推理建模及系統(tǒng)框架 ( 3 ) 分析方程式，得到數(shù)值解。 這類運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)行為的問題用計(jì)算機(jī)進(jìn)行求解時(shí)，將面臨如下三個(gè)問題： ( 1 ) 步驟( 1 ) ( 2 ) 需要相當(dāng)多的知識(shí)，并且要有相應(yīng)的算法。 ( 2 ) 有的場(chǎng)合對(duì)象系統(tǒng)的性質(zhì)很難用數(shù)學(xué)式子表示。 ( 3 ) 步驟( 3 ) 得到了數(shù)值解，但是對(duì)象系統(tǒng)的行為并不直觀明了。 為了解決第二第三個(gè)問題，定性推理一般采用下列分析步驟： ( 1 ) 結(jié)構(gòu)認(rèn)識(shí)：將對(duì)象系統(tǒng)分解成部件的組合。 ( 2 ) 因果分析：當(dāng)輸入值變化時(shí)，分析對(duì)象系統(tǒng)中怎樣傳播。 ( 3 ) 行為推理：輸入值隨著時(shí)間變化，分析對(duì)象系統(tǒng)的內(nèi)部狀態(tài)怎樣變化。 ( 4 ) 功能說明：行為推理的結(jié)果表明對(duì)象系統(tǒng)的行為，由此可以說明對(duì)象系統(tǒng) 的功能。 定性推理的觀點(diǎn)大體上可這樣來理解： 1忽略被描述對(duì)象的次要因素，：摯握，t 要素簡(jiǎn)化問題的描述。 2 將隨時(shí)間t 連續(xù)變化的參量x f t ) 的值