第五章 人工智能与专家系统及 PDM

罗天洪 博士 副教授

重庆交通大学机电与汽车工程学院

1. 人工智能的定义

人工智能 (Artificial Intelligence) 的定义也可以描述为：研究用机器来模拟人类的诸如理解语言、学习、推理和解决问题等智能活动，模拟和探索人的感觉和思维过程的规律而设计出类似人的某些智能的自动机的科学。其最终目标是为程序和计算机最大限度地解放人类真实智能，将人类从繁琐的脑力劳动中解放出来。

目前通常所说的人工智能是指借助技术和理论手段，应用数学方法和（或）数字逻辑研究智能的各个方面的问题。简言之，就是研究如何用人工的方法与技术，即利用计算机等工具，模拟、延伸和扩展人的智能，实现某些机器思维或脑力劳动的自动化。

• 1956 年夏季，达特莫斯大学的麦卡锡、哈佛大学的明斯基、贝尔实验室的申农和 IBM 公司的洛切斯特，邀请了一批年轻科学家，共同探讨用机器模拟人工智能的问题，其中包括后来著名的人工智能专家塞缪尔、纽厄尔和西蒙等人。在这次会上，麦卡锡提议使用“人工智能 AI” （ Artificial Intelligence ）这一术语。从此，人工智能作为一门学科正式诞生了。

• 同年，塞缪尔研制了一个跳棋程序。 1959 年这个程序击败了塞缪尔本人， 1962 年又击败了一个州冠军。

2 人工智能的起源与发展

1948 年，美国数学家诺伯特 维纳出版了《控制论》（或《动物与机器的控制与机器传播》）一书，创立了控制论。同年，美国数学家申农发表了《通讯的数学理论》，创立了信息论。这时，人工智能作为一门学科诞生的条件已经基本成熟。

(1) 、人工智能诞生： 1956 年夏季，达特莫斯大学的麦卡锡（后被人誉为人工智能之父）、哈佛大学的明斯基、贝尔实验室的申农和 IBM 公司的洛切斯特，邀请了一批年轻科学家，共同探讨用机器模拟人工智能的问题，其中包括后来著名的人工智能专家塞缪尔、纽厄尔和西蒙等人。在这次会上，麦卡锡提议使用“人工智能 AI” （ Artificial Intelligence ）这一术语。从此，人工智能作为一门学科正式诞生了。 同年，塞缪尔研制了一个跳棋程序。 1959 年这个程序击败了塞缪尔本人， 1962 年又击败了一个州冠军。

(2) 、西蒙简介

西蒙是人工智能和认知心理学派的主要代表，他曾自学汉语，中文名叫“司马贺”，西蒙是个通才，在许多领域都有杰出的表现。可能是自 1956 年以来在人工智能领域取得了令人瞩目的进展，西蒙的过于乐观而导致下面一段著名论断。

①预言

他与纽厄尔于 1958 年做出了如下的预言：“ 10年内，计算机将成为世界象棋冠军； 10年内，计算机将发现并证明新的数学定理； 10年内，计算机将谱写出能被评论家认可的乐曲。”

②预言未实现

但事实上，计算机一直到 1997年才战胜了人类的象棋冠军，至于其他预言，还远未实现。从20 世纪 60年代中期起，人工智能研究处于相当困难的阶段。主要原因是人们没能很快地取得突破性的进展，人们从刚开始的狂热中冷静下来，开始更加理智地看待人工智能。

③批判

1971 年，应政府的要求，英国剑桥大学的应用数学家詹姆士在进行了一番研究后，发表了一篇关于人工智能的综合报告，该报告对人工智能做了批判，他甚至说：“人工智能即便不是骗局，也是庸人自扰”。这篇报告当时产生了巨大的影响，英国的人工智能研究经费被削减，机构被解散。美国 IBM 公司也开始放弃了它一向热衷的人工智能研究。整个人工智能学界遭遇到了前所未有的危机。

④坚持

尽管在这种情况下，还有一些人工智能学者仍在坚持他们的研究，他们的研究后来终于得到了回报。到了 20 世纪 70年代中期，专家系统作为一个新兴的分支得到了发展。从此，人工智能摆脱了那高高在上的形象，开始投入到实际应用中。

3 、专家系统

20 世纪 70年代以来，出现了许多优秀的专家系统。 1975 年，由费根鲍曼小组研制的 Mycin 程序在诊断脑膜炎方面，超过了一般的医生。 1976 年，斯坦福大学杜达等人研制了一个地质勘探系统 Prospector，该系统于 1982年准确地预测到华盛顿州一个钼矿的位置。

3.1 定义　　 专家系统是一个含有大量的某个领域专家水平的知识与经验智能计算机程序系统，能够利用人类专家的知识和解决问题的方法来处理该领域问题。简而言之，专家系统是一种模拟人类专家解决领域问题的计算机程序系统。

3.2 专家系统特点

　 启发性：专家系统能运用专家的知识与经验进行推理、判断和决策。　 透明性：专家系统能够解释本身的推理过程和回答用户提出的问题，以便让用户能够了解推理过程，提高对专家系统的信赖感。　 灵活性：专家系统能不断地增长知识，修改原有知识，不断更新。

3.3 专家系统的优点　　具体地说，包括下列八个方面：

(1) 专家系统能够高效率、准确、周到、迅速和不知疲倦地进行工作。(2) 专家系统解决实际问题时不受周围环境的影响，也不可能遗漏忘记。(3) 可以使专家的专长不受时间和空间的限制，以便推广珍贵和稀缺的专家知识与经验。(4) 专家系统能促进各领域的发展。

(5) 专家系统能汇集多领域专家的知识和经验以及他们协作解决重大问题的能力。(6) 军事专家系统的水平是一个国家国防现代化的重要标志之一。(7) 专家系统的研制和应用，具有巨大的经济效益和社会效益。(8) 研究专家系统能够促进整个科学技术的发展。

3.4 专家系统的类型

1 、解释专家系统　　任务 通过对过去和现在已知状况的分析，推断未来可能发生的情况　　特点 数据量很大，常不准确、有错误、不完全能从不完全的信息中得出解释，并能对数据做出某些假设，推理过程可能很复杂和很长　　例子 语音理解、图象分析、系统监视、化学结构分析和信号解释等。

2 、预测专家系统　　任务 通过对已知信息和数据的分析与解释，确定它们的涵义。　　特点 系统处理的数据随时间变化，且可能是不准确和不完全，系统需要有适应时间变化的动态模型　　例子 有气象预报、军事预测、人口预测、交通预测、经济预测和谷物产量预测等

3、诊断专家系统　　任务 根据观察到的情况 ( 数据 ) 来推断出某个对象机能失常 ( 即故障 ) 的原因　　特点 能够了解被诊断对象或客体各组成部分的特性以及它们之间的联系，能够区分一种现象及其所掩盖的另一种现象，能够向用户提出测量的数据，并从不确切信息中得出尽可能正确的诊断　　例子 医疗诊断、电子机械和软件故障诊断以及材料失效诊断等。

4 、设计专家系统　　任务 寻找出某个能够达到给定目标的动作序列或步骤。　　特点 从多种约束中得到符合要求的设计；系统需要检索较大的可能解空间；能试验性地构造出可能设计；易于修改；能够使用已有设计来解释当前新的设计。　　例子 VAX 计算机结构设计专家系统等。

5 、规划专家系统　　任务 寻找出某个能够达到给定目标的动作序列或步骤。　　特点 所要规划的目标可能是动态的或静态的，需要对未来动作做出预测，所涉及的问题可能很复杂 。

　　例子 军事指挥调度系统、 ROPES 机器人规划专家系统、汽车和火车运行调度专家系统等。

6 、监视专家系统

　　任务 对系统、对象或过程的行为进行不断观察，并把观察到的行为与其应当具有的行为进行比较，以发现异常情况，发出警报。　　特点 系统具有快速反应能力，发出的警报要有很高的准确性，能够动态地处理其输入信息。　　例子 粘虫测报专家系统

7、控制专家系统　　任务 自适应地管理一个受控对象或客体的全面行为，使之满足预期要求。　　特点 控制专家系统具有解释、预报、诊断、规划和执行等多种功能。　　例子 空中交通管制、商业管理、自主机器人控制、作战管理、生产过程控制和质量控制等。8 、调试专家系统　　任务 对失灵的对象给出处理意见和方法。　　特点 同时具有规划、设计、预报和诊断等专家系统的功能。　　例子 在这方面的实例还比较少见。

9 、教学专家系统　　任务 教学专家系统的任务是根据学生的特点、弱点和基础知识，以最适当的教案和教学方法对学生进行教学和辅导。　　特点　　 (1) 同时具有诊断和调试等功能。　　 (2) 具有良好的人机界面。　　例子 MACSYMA符号积分与定理证明系统，计算机程序设计语言和物理智能计算机辅助教学系统以及聋哑人语言训练专家系统等。　　

10、修理专家系统　　任务 对发生故障的对象 (系统或设备 )进行处理，使其恢复正常工作。修理专家系统具有诊断、调试、计划和执行等功能。　　例子 美国贝尔实验室的 ACI 电话和有线电视维护修理系统。　　此外，还有决策专家系统和咨询专家系统等。

3.5 专家系统的简化结构

专家系统简化结构图

专家系统的结构是指专家系统各组成部分的构造方法和组织形式。系统结构选择恰当与否，是与专家系统的适用性和有效性密切相关的。选择什么结构最为恰当，要根据系统的应用环境和所执行任务的特点而定。

理想专家系统的结构图

　　知识库包括两部分内容。一部分是已知的同当前问题有关的数据信息；另一部分是进行推理时要用到的一般知识和领域知识。　　

调度器按照系统建造者所给的控制知识，从议程中选择一个项作为系统下一步要执行的动作。执行器应用知识库中的及黑板中记录的信息，执行调度器所选定的动作。协调器的主要作用就是当得到新数据或新假设时，对已得到的结果进行修正，以保持结果前后的一致性。　　解释器的功能是向用户解释系统的行为，包括解释结论的正确性及系统输出其它候选解的原因。

CAD/CAPP/CAM集成 :要求数控加工程序的生成是以 CAPP的工艺设计结果和 CAD的零件信息为依据，自动生成具有标准格式的刀位文件。

CAD/CAPP/CAM集成系统结构框图

4. CAD/CAPP/CAM集成

（ Cutting Location ）文件，然后经过适当的后置处理，将刀位文件转换成 NC加工程序，并且该 NC加工程序应该是针对不同的数控机床和不同的数控系统的。

CAD/CAPP/CAM集成的关键技术：

（ 1 ）特征技术。建立 CAD/CAE/CAPP/CAM范围内相对统一的、基于特征的产品定义模型，并以此模型为基础，运用产品数据交换技术，实现 CAD 、 CAE 、 CAPP 和 CAM间的数据交换与共享。该模型不仅要求能支持设计与制造各阶段所需的产品定义信息（几何信息、拓扑信息、工艺和加工信息），而且还应该提供符合人们思维方式的高层次工程描述语义特征，并能表达工程师的设计与制造意图。

（ 2 ）集成数据管理。已有的 CAD/CAM系统集成，主要通过文件来实现 CAD 与 CAM 之间的数据交换，不同子系统文件之间要通过数据接口转换，传输效率不高。为了提高数据传输效率和系统的集成化程度，保证各系统之间数据的一致性、可靠性和数据共享，需要采用工程数据库管理系统来管理集成数据，使各系统之间直接进行信息交换，真正实现 CAD/CAM 之间信息交换与共享。

（ 3）产品数据交换标准。为了提高数据交换的速度，保证数据传输完整、可靠和有效，必须采用通用的标准化数据交换标准。产品数据交换标准是 CAD/CAE/CAPP/CAM集成的重要基础。

（ 4 ）集成框架（或集成平台）。数据的共享和传送通过网络和数据库实现，需要解决异构网络和不同格式数据的数据交换问题，以使多用户并行工作共享数据。集成框架对实现并行工程协同工作是至关重要的。

CIMS ：指以企业为对象，借助计算机和信息技术，使经营决策、产品设计与制造、生产管理有机结合为一个整体，从而缩短产品开发周期、制造周期、提高产品质量及生产率，充分利用企业的各种资源，获得更高的经济效益。

5. 计算机仿真

所谓“仿真”一般是指利用模型对实际系统进行实验研究的过程。 根据模型的种类将仿真分为两类：

物理仿真：采用物理模型数学仿真：采用数学模型。由于数学模型的解算离不开各种类型的计算机，所以计算机是数学仿真的重要工具，因此数学仿真又称为“计算机仿真”。

5.1 计算机仿真的基本类型：

1 、模拟计算机仿真 用模拟计算机进行的仿真称模拟计算机仿真。

模拟计算机由许多运算放大器组成模拟解算装置。运算放大器的输入量及输出量都是随时间连续变化的电压量（称为模拟量），所以称为“模拟计算机”。模拟计算机能快速地解算常微分方程，因此，当采用模拟计算机仿真时，应设法将所研究的问题描述为微分方程。

2 、数字计算机仿真 采用数字计算机进行的仿真称为数字计算机仿

真。数字计算机不仅能快速地解算常微分方程，同时还可解算其他形式的复杂的数学方程和具有逻辑判断能力，因此，数学计算机仿真能解决的问题要比模拟计算机仿真广泛得多。

3、混合计算机仿真 混合计算机是一种将模拟计算机与数字计算机

通过一套接口组合在一起的混合计算机系统，它兼有模拟计算机和数字计算机的优点。采用混合计算机进行的仿真称为混合计算机仿真。

5.2 仿真基本步骤：1 、建立数学模型 要用计算机对一个系统进行仿真，必需根据所研

究系统的复杂程度和仿真研究的目的，将实际系统抽象成数学模型，这一过程称为建模过程。

2 、模型变换 建立数学模型以后，根据计算机的类型将数学模型转变成适合计算机处理的形式（仿真模型），这一过程称为模型变换。3、模型实验 把仿真模型装载，使之在计算机上运转起来，并记录模型中各个变量的变换情况及仿真结果，这一阶段称为模型试验阶段。

6.PDM

• 1. 我国企业存在的问题• 2.PDM 的基本概念• 3.PDM系统的体系结构 • 4.PDM软件系统的功能 • 5.PDM 的发展趋势

6.1 我国企业存在的问题

• (1 ) 信息共享程度低。 • (2 ) 信息反馈慢。 • (3)产品开发方式陈旧。 • (4) 设计重用度差。

6.2 PDM的基本概念

• 1.PDM 定义• 2.PDM 的应用范围 • 3. 企业实施 PDM有的作用

PDM 的定义• 目前对PDM 技术尚未有统一的定义 • CIMdata公司给出的 PDM 定义是：“ PDM 是一门用来

管理所有与产品相关信（包括零件信息、配置、文档、CAD文件，结构，权限信息等）和所有产品相关过程（包括过程定义和管理）的技术”。

• 加特纳集团（ Gartner 　 Group）公司把 PDM 定义为： “ PDM 是为企业设计和生产构筑一个并行产品艺术环境（ Concurrent art－ to－ product environment，由供应、 工程设计、制造、采购、销售与市场、客户构成）的关键使能技术 。

• 从这些论述可以看出， PDM 是一门管理所有与产品相关的信息和与产品相关的过程的技术。

PDM 的应用范围

PDM 的应用范围如图所示

企业实施 PDM有以下作用： • ①通过改善企业信息流，提高生产效率；• ②消除由于无效分布而造成的数据丢失及减少数据冗余；

• ③支持并行工程，缩短产品开发时间；• ④提高数据的可靠程度，保证产品设计的质量；• ⑤改善过程和数据的集成度、可追踪性；• ⑥缩短产品上市时间、减少生产成本，全面提高企业竞争力。

6.3 PDM系统的体系结构 PDM 是以计算机网络环境下的分布数据库系统为技术支撑，采用客户 / 服务器结构和工作方式，为企业实现产品全生命周期的信息管理、协调工作流程和进而建立的并行化产品开发协作环境， PDM系统的四层体系结构见下图。

6.4 PDM软件系统的功能

PDM软件的主要功能 1．电子仓库（ Data Vault ） 2．工程文档管理（ EngineeringDocument Managemen

t ） 3．工作流程管理（ Workflow or Process Management ）4．分类和检索（ Classification and Retrieval ） 5．产品配置管理（ Product Configuration Management ）6．项目管理（ Project Management ） 7．电子协作功能8．工具和集成件功能

PDM系统主要功能模块

1．电子仓库（ Data Vault)

• 电子仓库是 PDM核心模块• 它的功能包括：• ①文件的检入（ Check in ）和检出（ Check o

ut ）；• ②按属性搜索机制；• ③动态浏览 /导航能力；• ④分布式文件管理 /分布式数据仓库；• ⑤安全机制（记录锁定、域锁定）。

2．工程文档管理（ Engineering Document Management ）

• (1)文档管理对象 • (2)PDM文档管理模型 • (3) 工程图档管理体系结构• (4 ）工程图档管理的主要功能

文档管理对象

• ①原始档案• ②设计文档 • ③工艺文档 • ④生产过程的计划与管理数据• ⑤维修服务• ⑥专用文件，如电子行业的电气原理图或布线图、印刷电路板图和零件插件图等

PDM文档管理模型

• PDM把上述文档分成五种类型进行管理• ①图形文件 由不同 CAD软件产生的描述几何图形

的文件。• ②文本文件 描述产品或部件、零件性能的文件。 • ③数据文件 如进行有限元分析产生的数据文件。• ④表格文件 • ⑤多媒体文件 媒体文件主动地反映了产品的性能

指标、生产过程、维修指南等信息。

工程图档管理体系结构见下图

工程图档管理的主要功能

• ①图档信息定义与编辑模块。• ②图档入库与出库模块。 • ③图档浏览模块。 • ④图档批注模块。

工作流程管理（ Workflow or Process Management ）

• 1 工作流程管理涉及到 Ronni Marshak 的 3R问题 即路由（ Routes ）、规则（ Rules ）和角色（ Ro1es ）。

• 2 工作流程管理的功能是实现对工作过程的建模、控制与协调它包括：

①过程定义 ②过程运行 ③过程监控

工作流程管理功能模块

工作流程运行过程

分类和检索（ Classification and Retrieval ）

PDMS 的检索的主要功能包括：• ①零件数据库接口 • ②基于内容的而不是基于分类的检索• ③构造数据电子仓库属性编码过滤器的功能。

产品配置管理（ Product Configuration Management）

• （ 1 ）产品配置目标 • （ 2 ）产品结构树 • （ 3）产品配置与变更管理的主要功能

（ 1 ）产品配置目标的功能 • ①集中管理产品数据资源及使用权限。 • ②统一管理产品生命周期内全部数据的有效性。

• ③各部门物料清单（ BOM ）的一致性。• ④提供用户关心的不同类型的产品配置信息。• ⑤灵活的产品数据配置模式。

（ 2 ）产品结构树 • 产品结构树是由产品装配系统图、产品零部件明细表（包括通用件、标准件、自制件、外购件，外协件、原材料）产生 。

• 树中各结点分别表示部件或组件，叶结点表示零件。它反映了产品、零件之间的层次关系。反映了产品、零件之间的层次关系。结构树的每个结点都连接着相关的零部件属性。

（ 3）产品配置与变更管理的主要功能 • ①产品结构定义与编辑模块 提供了一种快速访问

和修改 BOM 表的方法 。• ②产品结构视图管理。

• ③产品结构查询与浏览为用户提供多种条件查询与浏览，并用直观的图示方式显示产品零部件之间的层次关系。

项目管理（ Project Management ）

• 项目管理的主要功能包括：• (1)项目的创建、查询、审批、统计等功能。• (2) 提供项目人员组织机构的定义和修改。• (3) 在项目人员组织机构的基础上，实现人员角色指派与对产品数据操作权限的规定。

电子协作功能

电子协作主要实现人与 PDM 数据之间高速、实时地交互功能，包括设计审查时的在线操作、电子会议等较为理想的电子协作技术能够无缝地与 PDMS 一起工作，允许交互访问 PDM 对象，采用 CORBA 或 OLE消息的发布机制把 PDM 与图像紧密结合起来。

工具和集成件功能

• ①批处理语言。• ②应用接口（ API ）。• ③图形界面 / 客户编程能力。• ④系统 /对象编程能力。• ⑤工具封装能力。• ⑥集成件（样板集成件、产品化应用集成件、基于规则集成件）。

6.5 PDM 的发展趋势 • （１）构架在分布式计算环境上。• (２）基于WEB 的客户端。 • （３）功能模块的独立性。 • （４）完备的应用工具集。 • （５） PDM系统与 ERP系统的集成。 • （６）与图形核心系统的集成。