冬第五章U ni v ers i ty of S ci ence and T echnol ogy B ei j i ngU ni v ers i ty of S ci ence and T echnol ogy B ei j i ngWINTERWINTER了解面向对象的知识表示方法、基于约束满足的智能设计和智能设计系统的发展趋势；熟悉设计的概念，基于规则、原型的智能设计方法；掌握智能设计的概念，基于案例的智能设计方法，智能设计系统的概念和关键技术具体包括：在CAD、CIMS等概念中了解智能设计的产生，从对象的概念和对象的表达中了解面向对象的知识表示方法，了解基于约束满足的智能设计方法应用的场合；从设计的本质和3个基本特征熟知设计的概念，熟悉基于规则的智能设计方法中产生式规则的概念和使用、基于原型的智能设计方法的流程；掌握智能设计的5个特点和基于案例的智能设计方法的流程和优势，掌握智能设计系统的抽象层次模型、4种人工智能方法和4种智能设计策略目录CONT E NT SCONT E NT SU UN NI I V VE ER RS SI I T TY Y O OF F S SC CI I E EN NC CE E A AN ND D T TE EC CH HN NO OL LO OG GY Y B BE EI I J J I I N NG G鼎新四季 Introduction to intelligent design 智能设计概述从广泛意义上讲，设计是指人类从事任何有目的的活动之前都要进行的构思或谋划。
因此，设计无处不在、无所不需，人类文明的历史就是不断进行的设计活动的历史产品是设计结果的物质表现如果设计人员所设计的产品，是以一定的技术手段来实现社会特定需求的人造系统，则称之为技术系统一般来说，技术系统可以用右图来描述，它的处理对象是能量、物料和信息设计的目的是保证系统功能的实现，建立性能优良、成本低廉、价值最佳的技术系统它在产品的整个生命周期中占据着非常关键的位置，从根本上决定着产品的内在和外在品质、质量和成本，其重要性是不言而喻的右图用一条曲线显示了设计的作用：产品成本的约70%是由设计阶段决定的；而运用计算机辅助设计/计算机辅助制造（CAD/CAM）技术的工程阶段，只决定约20%的成本；加工过程控制阶段，则只决定约10%的成本由此可见，设计是决定产品命运的重要环节设计是一种创造性活动，设计的本质是创造和革新设计的本质具有约束性、多解性、相对性等基本特征约束性约束性多解性多解性相对性相对性设计是在多种因素的限制和约束下进行的，其中包括科学、技术、经济等发展状况和水平的限制，也包括生产厂家提出的特定要求和条件，同时还涉及环境、法律、社会心理、地域文化等因素解决同一个技术问题的方法是多种多样的，满足一定条件的设计方案通常也不是唯一的。
任何设计对象本身都是包括多种要素构成的功能系统，其参数的选取、尺寸的确定、结构形式的设想等都具有很强的可选性设计要求的多目标特性使得设计人员经常处于一种矛盾的状态之中这种相互矛盾的要求给设计工作增加了难度，加上事先难以预料的一些不确定因素的影响，使得设计人员在设计方案选择和判定时，只能做到在一定条件下的相对满意智能设计的产生可以追溯到专家系统技术最初应用的时期，其初始形态都采用了单一知识领域的符号推理技术设计型专家系统，这对于设计自动化技术从信息处理自动化走向知识处理自动化有着重要的意义，但设计型专家系统仅仅是为解决设计中某些困难问题的局部而产生的，这只是智能设计的初级阶段智能设计的发展与CAD的发展紧密联系在一起在CAD发展的不同阶段，设计活动中智能部分的承担者是不同的，如右表所示智能设计技术代表形式智能部分的承担者阶段传统设计技术人工设计/传统CAD人类专家非智能设计阶段现代设计技术ICAD设计型专家系统智能设计初级阶段先进设计技术I2CAD人机智能化设计系统智能设计高级阶段智能设计与CAD的发展过程智能设计是设计人员重要的辅助工具，它通过应用现代信息技术，模拟人类的思维活动来提高设计系统的智能水平，使设计系统能够更多地代替设计人员完成设计过程中的复杂任务。
智能工程是智能设计的关键技术和基础，而智能设计则是智能工程的重要应用领域智能设计的特点以设计方法学为指导以人工智能技术为实现手段以传统CAD技术为数值计算和图形处理工具面向集成智能化提供强大的人机交互功能U UN NI I V VE ER RS SI I T TY Y O OF F S SC CI I E EN NC CE E A AN ND D T TE EC CH HN NO OL LO OG GY Y B BE EI I J J I I N NG G鼎新四季Intelligent design methods 智能设计方法在智能设计概念被明确提出后的几十年里，智能设计方法研究取得了很大的进展，目前已演化和形成一系列较为成熟的智能设计方法，这些方法对于模拟人类在常规设计活动中通过逻辑思维活动运用和加工相应类型设计知识的行为尤为重要面向对象的知识表示方法基于规则的智能设计方法基于案例的智能设计方法基于原型的智能设计方法基于约束满足的智能设计方法OOKR是以知识所描述或针对的对象为单位来组织知识，并用对象之间的关系来表示关系型和层次型知识的一种混合型知识表示方法OOKR以领域对象为中心组织知识库系统结构，对象是知识库的基本单元。
OOKR将多种单一的知识表示方法按照对象的程序设计原则组合成一种混合知识表达形式对象的表达由4种集合组成，如右图所示面向对象的知识表示方法面向对象的知识表示方法（Object-Oriented Knowledge Representation，OOKR）RBD方法是源于人类设计者能够通过对过程性、逻辑性、经验性的设计规则进行逐步推理来完成设计的行为，是最常用的智能设计方法之一该方法将设计问题的求解知识用产生式规则的形式表达出来，从而通过对规则形式的设计知识推理而获得设计问题的解RBD的基本过程右图所示，关于设计问题的各种设计规则被存储在设计规则库中，而综合数据库中存放有当前的各种事实信息基于规则的智能设计方法基于规则的智能设计方法（Rule-Based Design，RBD）CBD方法是通过调整或组合过去的设计解来创造新设计解的方法，是人工智能中基于案例推理（Case-Based Reasoning，CBR）技术在设计型问题中的应用，它源于人类在进行设计时总是不自觉地参考过去相似设计案例的行为CBD的基本过程右图所示，大量设计案例被存储在设计案例库中基于案例的智能设计方法基于案例的智能设计方法（Case-Based Design，CBD）人类设计专家经常能够根据以往的设计经验把一种设计问题的解归结为一些典型的构造形式，并在遇到新的设计问题时从这些典型构造形式中选取一种作为解的结构，进而采用其他设计方法求出解的具体内容。
这些针对特定设计问题归纳出的设计解的典型构造形式，即“设计原型”这种采用设计原型作为设计解属性空间的结构并进而求解属性空间内容的智能设计方法，称为基于原型的设计方法PBD的基本过程如右图所示，设计原型被存储在设计原型库中备用基于原型的智能设计方法基于原型的智能设计方法（Prototype-Based Design，PBD）CSD方法是把设计视为一个约束满足的问题（Constraint-Satisfied Problem，CSP）进行求解人工智能技术中，CSP的基本求解方法是通过搜索问题的解空间来查找满足所有问题约束的问题解但是，智能设计与一般的CSP存在一些不同在一个复杂设计问题中，往往涉及众多变量，搜索空间十分巨大，这使得通常很难通过搜索方法而得到真正设计问题的解因而，CSD常常是借助其他智能设计方法产生一个设计方案，然后来判别其是否满足设计问题中的各方面约束，而CSP一般只用于解决设计问题中的一些局部子问题约束在产品几何表达方面的应用由来已久，CAD系统的“鼻祖”Sketchpad就是一个基于约束的交互式图形设计系统，这一技术一直被延伸和发展到目前的三维产品造型技术中智能设计显然是与产品几何密不可分而需要具有几何约束的，而且对于设计对象的功能性、结构性、工程性、经济性等各个方面也都可能提出一定的约束。
此外，设计中的一些常识性知识也可能通过约束来表达需要明确的是，虽然设计约束并不被直接用于产生设计解，但它在判别设计解的正确性或可行性方面是不可缺的，因而是产品设计知识的重要组成部分由于设计约束的内容十分丰富，因而它存在多种表达形式常见的判断型约束常表现为谓词逻辑形式的陈述性知识，但也存在许多具有前提条件的约束此时，约束包括前提和约束内容两部分，具有类似于规则的形式另外，对于一些复杂约束还存在相应的特殊表示方法基于约束满足的智能设计方法基于约束满足的智能设计方法（Constraint-Satisfied Design，CSD）U UN NI I V VE ER RS SI I T TY Y O OF F S SC CI I E EN NC CE E A AN ND D T TE EC CH HN NO OL LO OG GY Y B BE EI I J J I I N NG G鼎新四季Intelligent design system智能设计系统引用日期2021-05-08概念掌握结构体系掌握抽象层次模型掌握集成求解策略掌握智能设计系统是面向CIMS的智能设计的高级发展阶段，是人机高度和谐、知识高度集成的设计系统。
虽然它也需要采用专家系统技术，但只是将其作为自身的技术基础之一，与设计型专家系统之间存在着根本区别设计型专家系统只处理单一领域知识的符号推理问题，相当于模拟设计专家个体的推理活动，属于简单系统；而智能设计系统则要处理多领域知识和多种描述形式知识，是集成化的大规模知识处理环境，需要模拟和协助人类专家群体的推理决策动，属于人机复杂系统这种人机复杂系统的集成性要求对跨领域知识子系统进行协调、管理、控制和冲突消解等，而且应有必要的机制保证人和机器的有机结合设计型专家系统一般只能解决某一领域的特定问题，只是围绕具体产品设计模型或针对设计过程某些特定环节的模型进行符号推理，比较孤立和封闭，难以与其他知识系统集成；而智能设计系统面向整个设计过程，要考虑整个设计过程的模型，设计专家思维、推理和决策的模型（认知模型）以及设计对象（产品）的模型，特别是在CIMS环境下的并行设计，更需要体现出其整体性、集成性、并行性等设计型专家系统解决的核心问题是模式设计，方案设计可作为其典型代表；与设计型专家系统不同，智能设计系统要解决的核心问题是创新设计，这是因为在CIMS大规模知识集成环境中，设计活动涉及多领域和多学科的知识，其影响因素错综复杂，很难抽象出有限的稳态模式。
即使存在设计模式，设计模式也是千变万化的，几乎难以穷尽这样的设计活动必定更多地带有创新色彩根本区别从问题描述的角度分析，任何复杂系统都有必要抽象出统一的表达模型，通过抽象可以把复杂的问题进行分层分类，然后采用相应的处理方法参考ISO/OSI参考模型（七层协议），可以总结出智能设计自身的特点，给左图5.7所示的智能设计系统抽象层次模型图的左边层次体现了智能设计过程中层与层之间的相互关联，上一层以下一层为基础，下一层为上一层提供支持和服务同时可以看出，每一层都有自己的任务，正是这样的分层和分类，才构成了复杂系统设计的统一整体图的右边体现了抽象层次模型在具体应用时所承担的任务，同时也呈现出如左边一样的特性建立智能设计系统的抽象层次模型，是智能设计系统集成求解的基础 目标层是智能设计要达到的总目标，声明系统要达到的要求，往往与市场的需求、用户的要求相关联 决策层把要实现的总目标分解成子目标，并采用相应的求解方法和策略，表现为任务的分解和进一步的决策 结构层提供问题组织与表达的方法结构层的合理确定，是保证系统统一和完整的先决条件如目前广。