并行工程（Concurrent engineering，Ce）是一种哲理和方法，基于知识的并行设计智能计算机支持系统是实现这一哲理的有效手段。并行工程环境下的设计活动具有诸多特性，决定了这样一种系统势必在知识表示形式、知识库结构、推理过程和决策算法等方面将更加复杂。因此，建立一种综合型的智能推理决策系统来对产品设计全生命周期提供支持，以便设计问题计算机化、可视化，为智能化和自动化提供有力的支持，已成为一项复杂且极具挑战性的工作。
1 并行设计的实质
并行设计强调产品开发各环节之间实现最大程度的交叉、并行及协调，其中包括产品的可制造性、可装配性、可靠性、生产成本和可服务性等环节。并行设计的实质就是把传统的“设计-评价-再设计”的大循环，转变为多次的“设计-评价-再设计”小循环，以便尽可能地在设计的早期发现设计存在的问题。产品并行设计是许多设计循环（或回路）和子设计循环的集合，并行设计过程就是在多循环反馈控制下进行的。产品并行设计是产品设计和过程设计的优化，它通过增加子循环过程来减少大设计循环过程，从而缩短产品开发周期。在每一个小循环中，设计活动是顺序执行的，但总体上却是并行的，即微观上串行，宏观上并行。因此，并行设计过程可形式化地表达为多个部件多个小循环的叠加：
式中：CD——并行设计；MC——微循环；n——产品设计过程大循环数；m——产品设计过程第i个大循环中的小循环总数；j——第j个部件。
2 基于知识的并行设计智能支持系统
产品数据管理（PrOduct Data Management，PDM）是指对产品的工程数据、技术数据、文档、图形、图像等信息进行管理。随着产品复杂性的增加，PDM已成为企业实现协同工作、提高效率的有效手段。一个正在设计的产品背后都有一个信息流，该信息流表明产品设计是一个不断改进的决策过程，这些决策需要不同类型的知识予以辅助。设计实质就是从功能需求、求解原则、装配、加工等不同角度不断做出决策，逐渐演化改进的过程，在此过程中，知识起着决定性作用。由此可见，知识基智能计算机支持下的并行设计活动，首先是一个以知识为基础的推理求解过程（knowledge-based design），设计知识可分为规程、步骤、模型和实例（case）。同时又是一个以决策为基础的评判过程（decision-based design），设计从客户要求开始，确定工程指标，提出方案，评估方案，最后为细节设计选择最佳方案，并最终对产品设计的总体方案进行综合评价。这样，建立在知识与决策基础之上的并行设计智能计算机支持系统，便构成了一个复杂巨系统，其原理框图如图1所示。
图1 基于知识的并行设计智能支持系统的原理框图
当智能计算机辅助设计（Intelligent Computer Aided Design，ICAD）系统需要进行设计评价时，向知识基推理决策系统（Knowledge based Intelligent Inference Design System，KbIIDS）发送这一消息，启动决策过程；决策系统通过PDM系统和产品知识管理（Product Knowledge Management，PKM）系统获得CAD系统的产品信息，调用知识库中相关的知识和模型进行决策；最后，决策系统向CAD系统提供反馈信息或改进建议等。事实上，PDM和PKM相集成，给设计人员提供了一个在设计初期就能充分考虑设计、制造、装配和维护等产品生命周期因素，包括产品设计数据、设计知识在内，支持创造性设计的新一代设计支持系统的原型。
2.1 知识基设计支持系统概述
知识基设计支持系统中人工智能（Artificial Intelligence，AI）技术的应用是典型的知识工程问题，其主要目的是为了帮助设计者收集、组织、处理和精化设计知识，并有效地利用这些设计解。设计知识的系统化和实用化需要一个能将不同的知识工程技术集成起来的AI体系。目前，开发知识基设计系统的方法主要有四个：即ICAD方法、积木法、原型法和基于约束的方法。但是，现有的这些方法都未能从知识工程的角度，为智能设计支持提供一个通用的知识基设计支持体系结构。因此，深入理解设计行为的智能化，使用合理的知识表达方法，提高知识基体系结构的集成化程度，使其更易维护和拓广，加强设计知识的有效获取和设计知识的系统化，成为知识基设计支持系统工程化、实用化、智能化的关键因素。
2.2 并行设计智能支持系统体系结构
本文提出基于知识的并行设计智能支持系统体系结构，如图2所示。它建立在信息自动化的基础上，以知识基推理决策系统为核心，以集成化产品信息模型为基础，实现产品开发活动相关信息的交流与共享。系统是由产品建模功能（包括功能建模、特征建模和可制造性分析等）以及信息管理机制（由数据库、知识库、PDM系统和PKM系统）共同组成，系统所包含的主要功能模块如下：
图2 基于知识的并行设计智能支持系统体系
（1）产品功能建模根据用户对产品性能的要求，逐级分解产品的总功能，得到描述产品功能的多结构，建立描述产品各级功能的逻辑信息模型；
（2）零件设计建模根据功能模型，按照设计特征的结构定义和技术特征定义，建立包含几何拓扑信息、尺寸公差、表面粗糙度、材料特性和其它非几何技术信息的零件特征模型；
（3）可制造性分析根据制造特征的要求和定义，从工艺生成角度，分层次对所设计零件的工艺性能进行分析和评价，指出存在问题并提供修改建议。可制造性分析过程的实质是工艺生成的过程；
（4）特征变换协调器基于知识的特征变换协调用于控制功能特征、设计特征和制造特征，并在不同设计阶段或功能模块中的应用；
（5）人机接口显示各功能模块的运行结果，为用户提供编辑、修改和其它相应的手段；
（6）系统总控控制并行交互的过程，协调各模块的工作。系统总控利用元知识对各种知识进行分类、抽象、整理，形成二叉决策树；
（7）知识基推理决策系统采用面向对象的知识表达方法，对多知识源进行描述，每一知识源代表一种对象，并发接受在黑板结构中由复杂任务分解而来的具有松散耦合关系的子任务，并通过消息传递进行动态推理，实现并行、协同求解。
3 知识基智能推理决策系统集成功能模型
知识基智能推理决策系统（KBIIDS）是按照智能工程理论和方法开发建造的，它采用并行分层、开放式集成化智能软件结构作为系统总体结构，如图3所示。上层为图形用户接口（Graphical User Interface，GUI），设计师通过GUI与系统进行交互，可在GUI环境中进行知识库的浏览、查询，提交待解决的问题，进行各种对象类的定义以及知识库的建立和维护等工作。中间层包括主控制器、黑板控制器和综合型协同式推理器、知识学习模块、可视化查询模块和浏览编辑器以及ICAD辅助方法模块等，其主要功能是实现设计知识的表达、查询以及基于知识的设计求解。底层由多库集成知识源和知识源调度器两部分组成，其中实例库存放以往的设计求解及其答案；规则库存放各种与领域知识有关的if-then规则；数据库保存导弹设计领域中的专业技术性数据（如设计数据、工艺过程数据以及维修数据等）以及工程图表等；图形库存储各种标准的工程图例或部件图；支撑库存储各种工程设计过程中的算法和其它支撑软件，例如检索数表、查取标准值、四舍五入取整等。
图3 知识基智能推理决策系统功能模型
原型系统开发及实例研究建立并行设计智能支持系统是一个反复过程，尤其是知识库部分需要不断完善，不可能一步到位。所以，本文采用面向对象思想和原型开发思想——快速原型法，形成一个原型系统KBIIDS/V1.0。针对某型号产品总体方案设计，原型系统的建立和运行过程如下：
（1）按照系统提供的知识描述模式和知识组织结构，输入相关领域的知识（包括实例），建立方案评价指标体系和推理决策模型，准备相关数据；
（2）输入主要的设计参数；
（3）确定导弹综合信息，检索相似导弹实例；
（4）估算改善因子，启动相应的方法推理机；
（5）分配和计算系统参数，启动相应的分析过程；
（6）对目标方案进行约束检查，并做相应的修改。重复步骤（5）直到目标方案完全满足设计要求，形成最终设计方案；
（7）将最终设计方案作为新实例存入实例库中，并对其归纳学习，更新实例检索模型，使其能被检索到，以便在将来的设计中起到支持设计的作用。
4 结论
本文提出一种知识基设计支持系统体系结构，作为知识基设计应用程序开发的集成软件内核。分析了并行设计的过程特点，提出基于“设计-评价与决策- 再设计”的小循环模式的并行设计过程模型。讨论了知识基设计支持系统的评价准则，提出一种基于知识的并行设计智能支持系统的体系结构，这种结构集成了几个AI设计方法和CAD系统。最后，给出面向对象的知识基智能推理决策系统集成功能模型，开发了知识基推理决策原型系统，并结合航天某型号产品的研制开发并进行验证。
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本文标题：一种基于知识的并行设计智能支持系统的体系
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