智能設計關鍵技術

1、第六章智能設計關鍵技術6.1智能制造系統(tǒng)的設計智能制造系統(tǒng)是基于人工智能研究，為應對不斷增長的設計信息和工藝信 息，以及隨之帶來的生產線和生產設備內部信息的增加而出現的先進制造系統(tǒng)。 通過借助計算機模擬的人類專家的智能活動， 智能制造系統(tǒng)可以進行分析、判斷、 推理、構思和決策，取代或延伸制造環(huán)境中人的部分腦力勞動。 同時，通過收集、 存儲、完善、共享、繼承和發(fā)展人類專家的制造智能，將其融入感知、決策、執(zhí) 行等制造活動中，賦予產品制造在線學習和知識進化的能力。制造系統(tǒng)的智能化 提高了其對于爆炸性增長的制造信息的處理能力、 效率及規(guī)模，表現出高度靈活、 敏捷、智能的特征，使得制造系統(tǒng)由原先的能量驅

2、動型轉變?yōu)樾畔Ⅱ寗有?。智能制造系統(tǒng)代表著制造業(yè)數字化、網絡化、智能化的主導趨勢和必然結果，蘊含著 豐富的科學內涵，匯聚了廣泛的產業(yè)鏈和產業(yè)集群，是高新技術的制高點。智能制造系統(tǒng)的構成一般而言，制造系統(tǒng)在概念上認為是一個復雜的相互關聯(lián)的子系統(tǒng)的整體集 成，從制造系統(tǒng)的功能角度，可將智能制造系統(tǒng)細分為設計、計劃、生產和系統(tǒng) 活動四個子系統(tǒng)。在設計子系統(tǒng)中，智能制定突出了產品的概念設計過程中消費需求的影響； 功能設計關注了產品可制造性、可裝配性和可維護及保障性。另外，模擬測試也 廣泛應用智能技術。在計劃子系統(tǒng)中，數據庫構造將從簡單信息型發(fā)展到知識密集型。在排序和 制造資源計劃管理中，模糊推理等多類的

3、專家系統(tǒng)將集成應用。智能制造的生產系統(tǒng)將是自治或半自治系統(tǒng)。 在監(jiān)測生產過程、生產狀態(tài)獲 取和故障診斷、檢驗裝配中，將廣泛應用智能技術。從系統(tǒng)活動角度，神經網絡技術在系統(tǒng)控制中已開始應用，同時應用分布技術和多元代理技術、全能技術，并采用開放式系統(tǒng)結構，使系統(tǒng)活動并行，解決 系統(tǒng)集成。智能制造系統(tǒng)的設計要素智能制造系統(tǒng)的設計是基于人機一體作業(yè)研究， 通過信息整合與分析，優(yōu)化 制造系統(tǒng)內部作業(yè)模式，提高作業(yè)效率及可靠性，以達到智能化制造的目的的設 計活動。智能制造系統(tǒng)所處的環(huán)境以及對其功能要求決定了在設計時要注意三個 方面的要求，即要滿足可靠性，適應性和可擴充性，因此應采用開放式體系結構， 包括功

4、能的開放性、結構的開放性和軟硬件的開放性。 此外，智能制造系統(tǒng)的設 計必須考慮到其與智能制造技術、智能制造裝備、智能制造服務的配合與銜接。與傳統(tǒng)制造系統(tǒng)相比，智能制造系統(tǒng)的設計應關注以下幾類要素:1）自律能力 智能制造系統(tǒng)的設計應通過建立強有力的知識庫和基于知識 的模型，使系統(tǒng)自主搜集與理解環(huán)境信息和自身的信息，進行分析、判 斷并規(guī)劃自身行為，表現出獨立性、自主性和個性，促使各組成單元協(xié) 調運作與競爭。2）學習能力 智能制造系統(tǒng)的設計應保證其能夠不斷地充實知識庫，具有自學習功能?？梢栽谧鳂I(yè)過程中自主地進行故障診斷、故障排除、自我維護。這種特征使智能制造系統(tǒng)能夠自我優(yōu)化并適應各種復雜的環(huán)境。3）

5、人機一體化智能制造系統(tǒng)的設計不是建立單純的“人工智能”系統(tǒng)，而 是建立一種混合智能，即人機一體化智能系統(tǒng)，通過這種混合智能，制 造系統(tǒng)不僅能進行邏輯思維，還能進行形象思維和頓悟思維。4）智能交互界面以計算機為基礎，融信號處理、動畫技術、智能推理、預 測、仿真和多媒體技術為一體，通過虛擬現實技術的應用，借助各種音 像和傳感裝置擬實制造過程和未來的產品，實現虛擬制造，從感官和視 覺上使人獲得完全如同真實的感受，進而實現高水平人機一體化作業(yè)。5）自組織與超柔性智能制造系統(tǒng)的設計使各組成單元能夠依據工作任務 的需要，自行組成一種最佳結構，其柔性不僅表現在運行方式上，而且 表現在結構形式上，所以稱這種柔

6、性為超柔性，如同一群人類專家組成 的群體，具有生物特征。智能制造系統(tǒng)的相關技術1. 智能無線傳感網絡的應用使智能制造系統(tǒng)具有較強的識別和通信能力，大大拓展了智能制造系統(tǒng)的作業(yè)效率和適應能力，為系統(tǒng)內協(xié)同作業(yè)搭建了良好的平臺。它由部署在監(jiān)測區(qū)域的無線傳感節(jié)點組成， 傳感節(jié)點間以無線通信方式 組成監(jiān)控網絡，能夠實時地感知和采集網絡監(jiān)測區(qū)域內的環(huán)境或監(jiān)測對象的相關 信息，并對信息進行協(xié)作處理和網絡傳送。智能無線傳感網絡具有快速部署、自 組織成網、較強的抗毀和協(xié)同工作能力等優(yōu)點。2. 云計算的興起為智能制造系統(tǒng)的設計帶來了新的突破。它一種基于互聯(lián) 網的計算方式，通過這種方式，系統(tǒng)內部各環(huán)節(jié)的數據和信息

7、無需分別進行存儲 和處理，而是由云端系統(tǒng)集中完成，系統(tǒng)內部共享的軟硬件資源和信息可以按需 求提供給各級子系統(tǒng)，從而提升信息存儲、加工、共享和分配的效率。3. 大數據是由數量巨大、結構復雜、類型眾多數據構成的數據集合，能用于幫助智能制造系統(tǒng)進行分析決策、 故障診斷，對作業(yè)流程進行規(guī)劃，引導自主 開發(fā)系統(tǒng)的能力。并可以通過智能系統(tǒng)將巨大的難讀數據整理成為人類所能解讀 的信息，提供簡單、客觀的結論。4. 物聯(lián)網技術是一個基于互聯(lián)網、傳統(tǒng)電信網等信息承載體，讓所有能夠被獨立尋址的普通物理對象實現互聯(lián)互通的網絡。通過物聯(lián)網技術的應用，智能 制造系統(tǒng)的設計可以更加開放地考慮智能制造系統(tǒng)內部之間及其與外部環(huán)

8、境的 溝通和協(xié)作。6.2智能化設計流程隨著市場及用戶數據的采集，分析，挖掘，基于偏好的推薦，以及參與式設 計支撐技術的發(fā)展，傳統(tǒng)的設計流程已經可以實現從以設計師主導的為用戶設計 向基于用戶的需求的智能化設計的轉變。智能化設計的流程智能化的設計流程可以被分解為：1）智能化的需求產生以及基礎設計數據 獲得的過程；2）智能化的用戶參與式的設計過程；3）設計信息和生產信息的智 能化集成。與傳統(tǒng)的市場分析，競品分析，用戶調研不同，智能化設計始于基于 市場與用戶數據分析的智能需求定位。產品功能與形式的設計也不再是設計師基 于用戶調研結果的主觀行為，而是用戶直接參與的基于自身喜好的產品定制過 程。設計方案的

9、對具體實現的控制也可以通過設計信息與生產信息的聯(lián)動得以智 能化。智能化的設計流程是從用戶到用戶的。它體現了設計歷史上從為用戶設計， 到幫助用戶設計，到用戶為自己設計的轉變。智能化設計的參與人群在智能化設計中大眾變成了技術創(chuàng)新的主體，其意識、需求貫穿生產鏈，其創(chuàng)新逐步得到重視，影響著設計以及生產的決策。產品和服務提供方也由單向的 技術創(chuàng)新、生產產品和服務體系投放市場，等待客戶體驗，轉變?yōu)橹鲃优c用戶服 務的終端接觸，進行良性互動，協(xié)同開發(fā)產品。專家不再是技術創(chuàng)新的壟斷者， 而成為在消費端、使用端、生產端之間的匯集各方資源的組織者，在這個生產鏈 巨大網絡下起到推動作用。不僅是政府，商業(yè)機構、企業(yè)、N

10、GONP等都會共同為這個多元主體技術創(chuàng)新提供空間和平臺。雖然在智能化的設計過程中專家不再象以往一樣在表面上處于主導的地位， 其作用仍然是不可低估的。專家一方面要根據設計經驗和對用戶的理解設計出體 驗良好并且能夠獲取產品關鍵屬性信息的支持用戶參與設計的流程節(jié)點與框架， 一方面還要為智能用戶需求理解及實現平臺的搭建提供大量的設計元素，語匯， 及其組合規(guī)律的專業(yè)知識素材。同時，專家還要負責定義市場需求及用戶模型信 息在設計模板上的體現，以及負責定義設計結果在對生產工藝的預期， 生產加工 精度的把握，材料成型方式的估計等方面的影響因子。智能化設計的支撐平臺對應于智能化設計流程的三個重要環(huán)節(jié)，智能化設計

11、的實現需要三個支撐平臺系統(tǒng)。1市場及用戶信息采集與分析平臺本系統(tǒng)需要通過對市場及用戶數據的收集與積累， 提取對構建設計方向有指 導價值的信息， 并通過對這些信息的分析與整理， 發(fā)現產品需求， 目標用戶特點 與偏好，以及市場預期等重要的設計導向信息， 并進而總結出一系列用于指導設 計進行的結論，提供給智能化設計平臺， 用以設置智能化設計的核心參數與模板。它的主要特點有：1) 通過廣泛且靈活的信息來源，充分收集全面反應用戶偏好、習慣和特征 的原始數據。2) 通過建立數據分析標準和機制以篩選可用數據并組織關聯(lián)信息，以提供 真實可靠的用戶模型和市場偏好。3) 通過全面的信息處理能力，預測設計結果，完成

12、設計方向的制定。2智能化用戶參與設計平臺本系統(tǒng)的建立必須基于對用戶需求的充分理解和專業(yè)知識庫的不斷完善。 它 是一個將設計原理和信息集成、分析、處理、呈現技術相結合的綜合平臺，它不 僅能通過調整產品和服務的特征參數控制設計模型， 而且能將專家人員在設計過 程中采用的設計思想、 準則、原理等以容易理解的方式表達出來， 比傳統(tǒng)設計流 程更能體現產品特征，更適應現代設計的發(fā)展需要。它的主要特點有：1) 基于設計本身和整個設計過程的信息建立設計方案特征的模型庫。2) 以知識庫為基礎，用設計、分析方法和用戶模型等構成設計條件，聯(lián)合 構建設計模型。3) 根據主動獲取和集成的設計知識等自動修改模型，提高設計

13、對象的自適 應能力。4) 利用之前建立的特征模型，與現有的設計標準進行整合、優(yōu)化，形成新 的設計模式。5) 將產品和設計過程的設計經驗、規(guī)范、思想等多領域和多種描述形式的 設計知識采用顯性表達，并儲入知識庫中，成為顯性知識，以便在基于 知識的智能化設計過程中加以充分運用。3智能設計信息與生產信息集成平臺 本系統(tǒng)可以自主地將設計要求轉化成生產標準， 由產品特性智能地選擇最優(yōu) 的生產流程和工藝，保證設計質量的可靠性。 并且能夠引導設計過程向著可持續(xù)、 環(huán)境友好、高效能的方向發(fā)展。它的主要特點有：1) 有較好地理解能力和翻譯能力，能夠將設計過程的一系列要素轉化為生 產過程的具體實施細則。2) 具有足

14、夠充足的預制方案來完成設計要求的轉化，并能夠隨著新技術和 工藝的出現自主地更新預案。3）平臺具有選擇和決策能力，能夠通過各種因素的權衡提供最優(yōu)生產方案4）平臺以用戶需求和社會效益為導向，以保證設計預期效果的實現為原則6.3智能服務的設計智能服務的設計是通過完善能夠自動辨識用戶顯性和隱性需求的機制，達到主動、高效、安全、綠色地提供高度人性化服務的設計活動。智能服務實現的是 一種按需和主動的智能，即通過捕捉用戶的原始信息和后臺積累的數據， 構建需 求解構模型，進行數據挖掘和智能分析。智能服務除了可以分析用戶的習慣、 喜 好等顯性需求外，還可以進一步挖掘與時空、身份、工作生活狀態(tài)關聯(lián)的隱性需 求，主

15、動給用戶提供精準、高效的服務。智能服務既需要傳遞和反饋數據，也需 要系統(tǒng)進行多維度、多層次的感知和主動、深入的辨識。智能服務設計的主要層面1. 智能層的設計這一層面的設計首先要解決需求解析功能集的機制協(xié)調，使其持續(xù)積累服務 相關的環(huán)境、屬性、狀態(tài)、行為數據，建立圍繞用戶的特征庫，挖掘服務對象的 顯性和隱性需求，構建服務需求模型。其次要建立敏銳的服務反應功能集， 從而 結合服務需求模型，發(fā)出服務指令。2傳送層的設計這一層面的設計旨在建立一種負責交互層獲取用戶信息的傳輸和路由的承 載實體，通過有線或無線等各種網絡通道，將交互信息送達智能層。3. 交互層的設計這一層面的設計旨在完善系統(tǒng)和服務對象之間

16、的銜接，借助各種軟硬件設 施，實現服務提供者與服務對象之間的雙向交互，向用戶提供服務體驗，達成服務目標。智能服務設計的技術支撐及前提條件智能服務的設計是在集成現有多方面的信息技術及其應用基礎上，以用戶需求為中心，進行服務模式和商業(yè)模式的創(chuàng)新。它需要跨平臺、多元化的技術支撐。 在智能層設計階段需要存儲與檢索技術、特征識別技術、行為分析技術、數據挖 掘技術、人工智能技術等進行有效的數據解析和反應；在傳達層需要網絡技術、 通信技術、傳感技術等保證信息傳輸的通暢；在交互層設計則需要音視頻采集技 術、環(huán)境感知技術、時間同步技術、多媒體呈現技術、自動化控制技術等完成服 務的實現。完成智能服務的設計還需要以

17、下四個方面的前提條件：1）信息基礎設施的建設信息基礎設施包括使信息能夠容易獲取的感知設備、隨時隨地可接入的 網絡及進行海量的存儲和彈性的計算所需的設備等。當前信息基礎設施已經 初具規(guī)模，數字化和網絡化已相對成熟，信息基礎設施的建設逐漸轉向對前 端和后端發(fā)展的關注。前端依靠物聯(lián)網發(fā)展，后端則依靠云計算的發(fā)展?；?礎設施建設的關鍵在于標準化，通過實現基于標準的信息基礎設施的無縫連 接，建立廣泛意義的智能服務。2）可高效使用的數據的積累充足的數據積累是實現真正的智能服務的前提， 只有通過數據的充分積 累，才能加入數據挖掘、智能分析等手段。金融、電信等行業(yè)由于較早地完 成了信息化，有了較好的數據積累基

18、礎，并且數據都是經過精心組織的，檢 索和使用的效率高，最有可能率先提供智能服務。3）數據的開放和共享智能服務要求各行業(yè)之間和行業(yè)內部不能是一個個的信息孤島， 要通過 信息總線和中間件等技術，較好地實現數據的開放和共享。 未來數據就是一 種最重要的資產，可以自由地按照規(guī)則進行交易和交換。數據流動涉及到監(jiān) 管、度量、交易、交換等諸多技術和政策問題。4）數據的安全保障數據需要合法的獲取、合法地使用，需要安全技術，也需要安全法規(guī)加 以保障。隨著科技的發(fā)展，人的隱私空間不斷地縮小，因此，法規(guī)顯得尤為 重要。智能服務失去安全保障，社會就會陷入無隱私主義橫行的狀況， 造成重大的損失。同時，在保障數據安全時，

19、也要保障數據的自由流通。6.4智能產品設計智能產品的特征1. 環(huán)境的感知 智能產品可通過傳感器獲取外界環(huán)境變化的信息，調整自身的狀態(tài)，或作出相關反應。這種特點提升了產品的適應能力， 保持產品功能的持 續(xù)性，并在能夠在不同的條件先實現產品相應的功能。2. 靈活的響應 智能產品對輸入的指令會作出及時且適當的響應，并能基于 當時情境作出相應的決策。靈活的響應是保證產品功能適時、適當實現的前提。3. 適應性 根據用戶的反應和任務調整自身的屬性和狀態(tài)。4. 網絡性智能產品可以通過網絡隨時與用戶和其他產品保持聯(lián)系，這種聯(lián)系超越了空間的限制，可以實時地反饋信息。產品可以通過網絡獲取信息，來規(guī) 劃自身功能，并

20、且及時地應對變化的環(huán)境。5. 交互性 用戶可以通過不同的形式順暢地與智能產品交流，操作產品完成任務。產品也可以某種形式直觀地反映自身狀態(tài)，向用戶反饋自身狀態(tài)，并實現功能需求。6. 個性化 智能產品可以根據用戶特性調整自身的功能模式，以適應用戶特定的需求，同時實現自身功能的多樣性。7. 主動性 智能產品可以預測用戶的使用計劃，提前產生作用，使產品功能 的實現更加流暢。8. 功能的可拓展性 智能產品的功能不是固定不變的，用戶通過對產品可以 延伸和拓展產品的功能， 還能開發(fā)出之前不具備的新功能。 使產品不斷更新自身 的限度，實現更多可能性。9. 服務性 智能產品除了本身功能的實現，通常會結合附加的服務，以提升 產品使用過程的用戶體驗，進而形成一套產品服務的體系。10. 學習能力