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基于智能工程的集成化智能设计系统及其在钟手表设计中的应用

段国林  
【摘要】: 智能工程是在知识密集型工业发展阶段,为适应工业决策自动化及对大规模的集成化、智能化和自动化的更高要求,而提出来的一门新学科。它能用计算机系统建立和求解复杂问题的复合知识模型。布局问题是具有NP完备计算复杂度的离散组合优化问题。它很难用单一模式的知识模型(如数学模型)来精确表达。钟手表设计过程既要用到传统CAD技术求解数值模型及几何模型,还要用到专家系统求解符号模型,同时在机芯总体布局设计中,需要用布局理论指导问题优化模型的求解,因此只有用智能工程技术才能将这样复杂的复合知识模型集成起来。本文基于智能工程的思想,提出了一种并行分层结构的集成化智能设计系统,并在钟手表设计课题中得到了成功的应用。全文围绕集成化智能设计系统这一主线,讨论了系统中用到的各种理论和先进的设计技术。主要研究内容如下: 首先分析了人工智能、CAD、智能CAD、智能设计及智能工程之间的联系及区别,指出智能工程对指导工程实践活动具有重要意义。通过对钟手表设计及布局问题研究现状的分析,结合钟手表CAD课题,提出了并行分层结构的集成化智能设计系统。 然后介绍了钟手表智能设计系统的构成及各子模块的内容。着重讨论了整个系统的集成者和管理者——元系统的结构及工作原理。本文基于智能工程思想提出的并行分层的集成化智能设计系统的体系结构,对涉及众多领域、众多知识的复杂的设计问题求解具有指导意义。 根据钟手表机芯设计的特点,本文采用专家系统进行进行总体布局初步设计,然后利用遗传算法和模拟退火法对设计结果进行优化设计。专家系统由自行研制的设计型专家系统工具GDEST来构造。对专家系统的发展概况进行介绍之后,详细介绍了GDEST的原理及使用指南。 通过对不同领域内启发式方法研究现状的分析,提出以智能工程思想为指导,加强各研究领域的合作,将对解决工程实际难题具有特殊效果的启发式方法的研究推向高潮。 钟手表机芯设计中齿轮参数的优化设计问题是一个组合优化问题,很难用传统优化方法解决。本文首次将遗传算法引入钟手表机芯设计领域,成功地解决了齿轮参数优化设计问题。对遗传算法的基础理论及收敛性做了详细论述,介绍了用遗传算法解决齿轮参数问题的整个过程,并讨论了遗传算法本身参数对设计结果的影响。这些研究及应用拓展了遗传算法的应用范围,对设计领域内的组合优化问题的求解具有重要的指导作用。 齿轮的空间布局优化设计在机芯设计过程中占有重要位置,本文首次利用布局理论指导钟手表总体布局优化设计,使布局理论有了新的实践结合点。介绍了用模拟退火法解决三维布局问题的过程,全面讨论了退火策略各个参数对设计结果的影响,并提出了模拟退火法应加强研究的方向。由于钟手表机芯在机械设计中的典型性,模拟退火法的成功使用也对一般的机械设计具有指导作用。 论述了利用八叉树结构对机芯进行干涉检查的原理。本文利用AutoCAD软件可以方便输入任意三维物体并能生成IGES文件的特点,开发了任意布局物体提取系统,解决了布局问题中布局物体输入计算机并换成八叉树结构的问题。 最后,对全文工作进行了总结并对以后的研究方向做了展望。


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