12、智能系统在设计与选择中的应用

智能系统在设计与选择中的应用

1 设计过程

设计是一个综合运用科学原理和技术信息的过程，旨在定义一个能够执行特定功能的机械结构、机器或系统，以实现经济性和效率的最大化。设计不仅限于技术需求，还包括美学方法。设计可以被定义为一个过程，通过使用多种知识来源来指定满足来自多个来源约束的工件描述。

设计过程通常分为几个阶段，包括市场调研、制定产品设计规格（PDS）、概念设计、优化与评估、详细设计、制造和销售。每个阶段都有其特定的目的和任务，这些阶段共同作用，确保最终产品能够满足市场需求并实现高效生产。

1.1 市场调研

市场调研阶段的主要任务是确定产品的需求，识别问题，分配资源，并针对最终用户。市场调研的结果直接影响产品的设计方向，因此至关重要。在这个阶段，设计师需要深入了解用户的需求和期望，以便为后续设计提供坚实的基础。

1.2 制定产品设计规格（PDS）

PDS是产品需求的表达，而不是产品本身的规格。它描述了产品的规格和性能要求。例如，汽车的PDS可能会规定一个产品，可以舒适地运送多达四人，并在道路上以法定限制的速度行驶。PDS的制定是设计过程中的关键步骤，它为后续的设计提供了明确的方向和依据。

2 设计作为搜索问题

设计可以被视为一个搜索问题，因为它涉及到寻找最佳或适当的设计解决方案。搜索问题的挑战在于如何从众多可能的解决方案中找到最优解。为了使搜索问题可管理，需要方法来排除不可行的设计，并通过启发式算法修剪搜索空间。

2.1 生成和测试方法

设计在被发现时可能会被测试，以检查它们是否可行并满足设计要求。这是生成和测试方法。在诊断等应用领域，一旦找到解决方案就可能足以终止搜索。但在设计中，我们希望找到“最佳”的解决方案。因此，搜索可能会继续进行，以便找到许多可行的设计，从中进行选择。

2.2 启发式算法

启发式算法是通过经验法则或直觉来指导搜索的一种方法。它可以帮助缩小搜索空间，使搜索过程更加高效。例如，在设计房屋时，通过启发式算法可以排除那些不符合建筑规范的设计，从而减少不必要的计算和时间浪费。

3 计算机辅助设计（CAD）

计算机辅助设计（CAD）工具可以帮助设计过程，但早期的CAD系统主要用于帮助绘图，而不是直接支持决策过程。现代智能系统可以帮助设计师做出设计决策，提供了更强大的支持。

3.1 传统CAD系统

早期的CAD系统主要帮助设计师在计算机屏幕上绘图。所有尺寸都会自动计算，设计可以轻松地重新塑形、调整大小或其他修改。这类系统对设计过程产生了巨大影响，因为它们消除了大量的繁琐工作并促进了修改。

3.2 智能CAD系统

现代智能CAD系统不仅能够帮助绘图，还能提供决策支持。例如，智能系统可以根据设计要求自动生成设计方案，并提供优化建议。这些系统利用了大量的知识库和智能算法，使得设计过程更加高效和精准。

4 产品设计规格（PDS）：电信案例研究

通过电信网络设计的案例研究，说明了制定设计规格的重要性及复杂性。此部分展示了如何通过不同的视图来表示通信网络的需求。

4.1 通用交通模型（CTM）

通用交通模型（CTM）是一种用于表示通信网络需求的模型。它适用于各种形式的通信流量，如模拟语音、分组数据或同步数据。CTM允许同时表示通信网络的不同视图，最简单的视图是一组以站点之间的链接和这些链接上要使用的应用程序定义的要求。

4.2 网络的替代视图

网络可以从多个角度进行视图表示。例如，从客户视角（根据使用的应用定义）到服务提供商视角（根据提供的设备和服务定义）的转换决定了通信网络的成本和效率。这种转换就是设计任务。

视角	描述
客户视角	根据使用的应用定义网络需求
技术视角	分解为语音和数据组件
服务提供商视角	根据提供的设备和服务定义

4.3 实施

网络的需求被表示为一组对象实例。例如，如果电信公司的客户在纽约有一个办公室，那么这个办公室被表示为一个具有名称和位置的对象，并且是对象类客户站点的一个实例。

graph TD;
    A[网络需求] --> B[对象实例];
    B --> C[客户站点];
    B --> D[信息流];
    B --> E[设备];
    C --> F[名称];
    C --> G[位置];
    D --> H[应用流];
    D --> I[数据流];
    E --> J[电信公司设备];
    E --> K[私人设备];

通过以上内容，第十二章全面探讨了智能系统在设计和选择中的应用，强调了设计过程的复杂性和智能工具的支持作用。下一节将深入探讨从概念设计到详细设计的过程。

5 概念设计、优化与评估、详细设计

通过飞机客舱地板的设计案例，阐述了从概念设计到详细设计的过程，包括几何设计和材料选择等方面。每个阶段都有其独特的挑战和任务，这些阶段共同作用，确保最终设计的可行性和最优性。

5.1 概念设计

概念设计是产品整体形态决策的阶段。设计师在这个阶段可以自由创新或在严格约束下工作。创新设计可以分为发明和较为谦逊的创新。发明利用了新的知识，而创新则是现有知识或设计的重新应用。设计的三个类别可以总结为：发现新知识或设计的创新使用；常规设计。

5.1.1 发明与创新

发明和创新的区别在于是否利用了新的知识。例如，第一架直升机是发明，而第一架双旋翼直升机则是创新。创新设计依赖于灵感的火花，而发明则需要全新的思路和技术突破。

5.1.2 设计过程中的头脑风暴

头脑风暴是创新设计的重要组成部分。通过类比、变异和类比推理，可以生成新的设计概念。例如，将门切开会生成两个板块，每个板块覆盖半个门框。这个操作可能导致摇摆的沙龙门或手风琴门的设计。

5.2 优化与评估

优化与评估阶段提供了进行详细设计决策所需的信息。在这个阶段，设计师需要做出许多具体的决策，如选择材料、厚度、连接方法等。这些决策之间存在强烈的交互作用，因此需要综合考虑多种因素。

5.2.1 材料选择

材料选择是设计过程中的关键方面。例如，在夹层梁的设计中，需要选择芯材、上表面材料、下表面材料以及它们的厚度。这些决策不仅影响结构的性能，还涉及到成本和制造工艺。

决策	描述
芯材选择	根据刚度和重量要求选择
上表面材料选择	根据强度和耐久性选择
下表面材料选择	根据耐磨性和成本选择
厚度选择	根据刚度和重量要求选择

5.3 详细设计

详细设计阶段包括对产品及其组件的精细化设计，以满足所有约束。例如，在汽车设计中，详细设计可能包括传动系统的布局、烟灰缸的位置、座椅的覆盖以及门锁的总体设计。这个阶段的决策可能包括几何设计、材料选择和制造工艺。

6 选择问题

选择替代方案在设计中占有重要地位，特别是在材料选择方面。类似的技术也可应用于设计中的其他选择方面。选择问题的解决需要综合考虑多个因素，如性能、成本和可行性。

6.1 评分技术

评分技术是基于根据要求对候选材料的性能进行评分，然后选择得分最高的材料。例如，通过计算优点指数（Merit Index），可以为每种候选材料进行排名，从而帮助设计师做出更好的选择。

6.1.1 优点指数

优点指数通过根据组合属性对材料进行排名来帮助做出选择。例如，夹层梁表面材料的优点指数可以是弹性模量与密度的比值（Es/ρs）。优点指数可以帮助设计师在多个候选材料之间做出最佳选择。

6.2 两阶段选择

选择过程包括两个阶段：首先，通过应用数值规范（如最小可接受的冲击强度）减少候选列表的长度；其次，系统需要权衡用户的目标，以达到平衡的折衷解决方案。

6.2.1 流程说明

1. 生成短名单 ：通过应用约束条件，筛选出符合条件的候选材料。
2. 排序短名单 ：根据每个候选材料的优点指数进行排序，选择得分最高的材料。

graph TD;
    A[生成短名单] --> B[应用约束条件];
    B --> C[筛选候选材料];
    C --> D[排序短名单];
    D --> E[根据优点指数排序];
    E --> F[选择得分最高的材料];

7 总结

设计过程是一个复杂且多层次的任务，需要综合运用多种知识来源。智能系统在设计和选择中的应用，为设计师提供了强大的支持工具，帮助他们在复杂的决策过程中找到最优解。通过电信网络设计的案例研究，展示了制定设计规格的重要性及复杂性。通过飞机客舱地板的设计案例，阐述了从概念设计到详细设计的过程。选择问题的解决需要综合考虑多个因素，如性能、成本和可行性。未来，随着智能系统的不断发展，CAD工具与智能系统决策支持的集成将为设计过程带来更高的效率和精度。

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通过以上内容，全面探讨了智能系统在设计和选择中的应用，强调了设计过程的复杂性和智能工具的支持作用。智能系统不仅提高了设计的效率，还为设计师提供了更多的创新空间，使得设计过程更加高效和精准。