《汽车变速器设计》word版.docx
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《汽车变速器设计》word版
4.2专家系统理论及方法介绍
4.2.1专家系统概述:
人工智能(ArtificialIntelligence简称AI)被誉为本世纪的三大科学技术成就之一,受到了世界各国的普遍重视。
而60年代中期作为人工智能的一个应用领域的专家系统(ExpertSystem简称ES)的出现,使得人工智能的研究从实验室走向了现实世界。
专家系统的研究同时又推动了人工智能的发展,开创了计算机求解非数值问题的有效途径,它和自然语言理解以及机器人技术一起已成为人工智能研究最活跃的三大领域。
随着它的飞跃发展,世界各国已经在化学分析、医疗诊断、地质勘探、气象预报、故障处理、语音识别、图象处理、过程控制、农业、经济和军事等领域研制了大量的专家系统,有些系统声称在性能上已达到甚至超过了同领域中人类专家的水平,它的应用已开始产生巨大的经济效益。
目前,专家系统已渗入到各个领域,并受到各行各业的普遍重视。
4.2.2什么是专家系统:
专家系统是迅速发展起来的一个人工智能的应用领域。
设计一个专家系统,其基本思想是使计算机在工作过程中能竭尽全力地来模拟领域专家解决实际问题的过程,即模拟领域专家如何运用他们的知识与经验来解决实际问题的方法和步骤。
所以专家系统实际上是一个(或一组)能在某特定领域内,以人类专家水平去解决该领域中困难问题的计算机程序。
由于专家系统的功能主要依赖于大量的知识,这些知识均存在于知识库中,通过推理机按一定的推理策略去解决问题,所以它也被称为知识基系统。
专家系统是研究用解决某专门问题的专家知识来建立人机系统的方法和技术。
由于知识在专家系统中起着决定性的作用,所以一般将建立专家系统的工作过程及应用知识到工程实际的过程称为知识工程。
4.2.3专家系统的特点:
专家系统是一种基于知识的智能程序,它与传统的程序相比有如下特点:
(1).具有启发性;
专家系统运用领域内的理论与常识性知识以及专家长期实践中积累起来的宝贵经验,这些经验通常没有严谨的理论依据,很难保证其在各种情况下的普遍正确性,但在一定条件下解决问题,它们往往简洁而有效,能够起到有效的简化问题或快速求解问题的作用。
这使计算机的应用范围大大地扩大了。
因为,世界上的大部分工作不是数值计算性的,而是以知识为基础,通过推理来完成的。
(2).具有透明性;
专家系统能解释本身的推理过程,给出求解过程的推理路径,使系统具有一种透明的界面。
它又能完成向用户提供咨询的任务,加强了用户对专家系统的可接受性,也为专家系统的改进、完善提供了方便。
(3).具有灵活性;
专家系统由于知识库和推理机的相对对立,使它可以方便地在非编辑状态下不断对知识进行增删和修改,有利于知识库的扩充及完善,不断提高系统的性能。
另外专家系统强调符号处理,并希望有一个理想的人机接口,做到专家或用户能以一种接近自然语言的语言甚至口语形式同系统进行信息的交流。
这些都是传统程序所不具备的特点。
4.2.4专家系统的分类:
专家系统按其求解问题的性质可分为以下几种主要类型:
(1).解释型系统;
它的任务是通过对输入数据的分析来确定这些数据的含义。
属于这类系统的有数据分析、信号解释、图象分析、语音信号理解和化学结构等。
(2).预测型系统;
它的任务是根据过去和现在的模型来预报未来的趋向。
属于这类系统的有天气预报、交通预报、人口预测、农业产量估计和军事预测等。
(3).诊断型系统;
它的任务是根据观察及测得的数据、推断出系统的故障。
属于这类系统的有医疗、机械、电子和软件诊断等。
(4).规划型系统;
它的任务是根据约束条件,作出行动的安排或调度方案。
属于这类系统的有工程规划、机器人行动规划、自动程序设计、通信网规划和军事作战规划等。
(5).设计型系统;
它的任务是根据约束条件,构思出所需的目标方案。
属于这类系统的有工业产品的设计等。
(6).监控型系统;
它的任务是分析运行过程中的当前状态,预测可能发生的结果,并在必要时实行控制。
这类系统的范畴很广,它的关键监控条件常常依赖于系统的当前环境,故它要求系统能够根据时间和环境的变化来改变所期望的条件,以防误报、漏报的发生。
(7).教学型系统;
它的任务是根据学生的行为表现,找出学生存在的问题和解决办法。
上述专家系统可以进一步归纳成分析型决策支持系统和设计决策支持系统两大系统。
解释、预测、诊断、监控和教育等型系统都属于分析型,它们的共性是通过对给定数据的分析,从事先准备好的候选结论中选择最合适的结论。
规划和设计型系统则属于设计型,其共同点是构造满足约束条件下的最合适的行动规划或设计系统。
4.2.5专家系统的基本结构:
一个完整的专家系统结构由图4.1所示的六个部分组成。
其中数据库、知识库、推理机和人机接口是必不可少的部分。
而解释部分、知识获取部分是期望部分。
图4.1专家系统的基本结构图
(1).知识库;
知识库是领域知识的存储器。
它存储专家经验、书本知识与常识性知识,是专家系统的核心部分。
知识库可以由事实性知识和推理性知识组成。
知识是决定一个专家系统性能的主要因素。
一个知识库必须具备良好的可用性、确实性和完善性。
知识的确实性与完善性决定于领域专家,而知识的可用性很大程度上取决于设计专家系统的知识工程技术人员如何表达专家的知识,即称为知识的表达。
如果存放在计算机中的知识用起来很不方便,这就是可用性差。
因此,要建立一个知识库,首先要从领域专家那里获取知识即称为知识获取。
然后将获得的知识编排成数据结构并存入计算机中,这就形成了知识库,可供系统推理判断之用。
(2).数据库;
数据库用于存储领域内的初始数据和推理过程中得到的各种信息。
(3).推理机;
推理机是用来控制、协调整个系统的。
它根据当前输入的数据即数据库中的信息,利用知识库中的知识,按一定的推理策略,去解决当前的问题,并把结果送到用户接口。
在专家系统中,推理方式有:
正向推理、反向推理、混合推理。
在上述三种推理方式中,又有精确与不精确推理之分。
因为专家系统是模拟人类专家进行工作,所以推理机的推理过程应与专家的推理过程尽可能一致。
(4).人机接口;
人机接口是专家系统与用户通信的部分。
它既可接受来自用户的信息,将其翻译成系统可接受的内部形式,又能把推理机从知识库中推出的有用知识送给用户。
(5).解释部分;
解释部分能对推理给出必要的解释。
这给用户了解推理过程,向系统学习和维护系统提供了方便,同时也便于专家和知识工程师及时发现知识库中的错误。
(6).知识获取部分;
知识获取部分为修改、扩充知识库中的知识提供手段。
这里指的是机器自动实现的知识获取,它对于一个专家系统的不断完善、提高起着重要的作用。
通常,它应具备能删除知识库中不需要的知识及把需要的新知识加入知识库中的功能。
最好还具有能根据实践结果,发现知识库中不合适的知识以及能总结出新知识的功能。
知识获取部分实际上是一种学习功能。
4.2.6本章介绍了作者课题组所采用的专家系统:
本课题的专家系统采用的是设计型专家系统,它通过采集国内外专家的设计经验、当今先进变速箱模型的结构和参数、工程手册的设计流程、标准化组织的设计标准以及加工工艺、机床结构等数据、知识和规则,通过整理、分类、优化、分析,将它们统一建立到此专家系统的数据库和知识库中。
并通过整理出来的工程设计规则来建立变速箱设计的推理过程,同时,用户可以在使用过程中随时添加数据、经验、规则、知识等,真正达到开放式系统。
从而使得最终设计出来的变速箱成为各种经验和优点综合起来的最佳产品。
汽车变速器设计专家系统主要由以下几个部分组成(如图4.2所示):
●数据库:
包括整车数据库、发动机数据库、变速箱数据库、齿轮数据库、齿轮轴数据库、齿轮轴承数据库、材料数据库和设计结果数据库。
可随时将新型变速箱添加到各相应的数据库中,同时实现变速箱设计过程与各数据库的自动相连。
●知识库:
包括变速箱专家知识库和齿轮设计经验知识库,其中包括设计规则、设计经验、数据曲线、图表、公式等。
在变速箱和齿轮的设计过程中起到约束设计和指引设计的作用。
●推理机:
包括整个变速箱和各档齿轮的设计过程,特别是齿轮的优化设计。
此外还有格林森齿轮和奥林康齿轮的设计推理过程。
●人机接口:
采用BorlandC++Builder、VisualC++、UG/OpenApi、JAVAWEB、Oracle和ODBC来编制整个系统的人机界面、核心代码、数据库、知识库、三维建模程序等。
图4.2人机接口示意图
以下为整个系统的流程图(如图4.3所示):
图4.3基于知识的变速器设计系统软件框图
(注:
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