人机智能化CAPP系统及其发展

       计算机辅助工艺设计(CAPP :Computer-aided process planning) 是指在人和计算机组成的系统中,根据约束条件和资源条件,将零件的设计信息转换为制造零件所需的一系列加工操作,并人机交互或自动地生成零件的加工工艺规程. 也即是将产品设计信息与制造环境提供的所有可能的加工能力信息进行匹配与优化的过程. 迄今为止,CAPP的研究已经历了40 余年,取得了许多重大的研究成果,获得了一定的经济效益. 特别是将专家系统、神经网络和模糊逻辑等人工智能技术应用于CAPP之后,工艺知识获取、表达和运用的有效性和灵活性有了很大改观,CAPP系统的实用化和工程化水平得到了很大提高.尽管如此,CAPP 仍然有许多尚未解决的重要问题,其应用的实际效果与企业的工程需求还相差甚远,已经成为实现CAD/CAPP/CAM集成的瓶颈.

       正当CAPP 技术(包括人工智能技术) 的研究陷入困境而停滞不前时,国内外专家学者提出了人机智能系统的构想

,这为CAPP 系统的研究与发展开辟了一条充满光明前景的崭新途径. 早在1990 年,著名科学家钱学森就提出了“综合集成工程”(Metasynthetic engineering) 的思想,指出“我们要研究的是人与机器相结合的智能系统,不能把人排除在外,是一个人机智能系统”. 1991 年,美国斯坦福大学的里南(Lenat) 和费根鲍姆( Feigenbaum) 提出“人机合作预测”(Man-machine synergy prediction) 是知识系统的“第二纪元”,并指出“系统将使智能计算机与智能人之间成为一种同事关系,人与计算机各自执行自己最擅长的任务,系统的智能就是为这种合作的产物”;1994 年,法国克洛德·贝纳尔—里昂第一大学的Francois Chevener 认为:问题求解常常不能自动进行,因为对于一些子问题,计算机找不到相应的解决策略或知识,只能靠人来解决,所以人必须能够干涉自动的问题求解过程. 1994～1995 年,路甬祥等又提出“人机一体化系统”(Humachine system) 的技术立论、科学体系和关键技术. 1999 年,在第49 届CIRP 年会上,瑞典的乔柏( Kjellberg) 所作的主题报告“面向人的生产系统的设计”得到了各国与会代表的认同,并认为21 世纪的制造系统应当从面向技术转向面向人.

       由此可见,CAPP 系统今后的发展方向应采取以人为中心、人机一体的技术路线,研究基于知识的人机智能化CAPP 系统的体系结构和关键技术,建立一种新型的面向人的CAPP 系统, 从而真正提高CAPP 的应用水平.

    　CAPP 系统的发展历程

       计算机辅助工艺设计的研究在国际上始于20世纪60年代后期,其早期意图就是建立包括工艺卡片生成、工艺内容存储及工艺规程检索在内的计算机辅助系统. 它只是将计算机当作存储、整理、计算和提取信息的工具,以帮助减少工艺人员所做的事务性工作,从而节省工艺设计的时间. 这样的系统没有工艺决策能力和排序功能,因而不具有通用性. 而真正具有通用意义的CAPP系统是1969年以挪威开发的AUTOPROS系统为开端,其后很多的CAPP系统都受到这个系统的影响. 将计算机辅助工艺设计正式命名为CAPP 则是在计算机辅助工艺设计发展史上具有里程碑意义的美国计算机辅助制造国际组织CAM-I (Computer aided manufacturing-international )于1976 年所推出的CAM-I’S automated process planning 系统. 1985 年1 月CIRP 首次举行了CAPP 专题研讨会,11 月美国ASME 冬季年会的主题定为“计算机辅助/ 智能工艺过程设计”,1987 年6 月CIRP 又举行了CAPP 的专题学术研讨会,从而使CAPP 系统的研究进入了一个崭新的时代.

       我国在20世纪80年代初期开始了CAPP的理论研究和系统开发工作. 1982年,同济大学的TOJ

ICAP系统率先研制成功并进入国内市场. 西北工业大学、北京航空航天大学、西安交通大学、南京航空航天大学等单位也研制成功了适用于特定类型零件的CAPP系统. 1986 年3月,我国制定并启动863 计划,并在后续的863/CIMS主题计划中设立了多项与CAPP 相关的关键技术攻关项目或子项目、目标产品发展项目以及软件重大专项,同时大力推广应用示范工程. 1988 年5 月,在南京航空航天大学召开了国内第一次CAPP 的专题研讨会,受到广大科研院所和制造企业的普遍关注,引发了国内的CAPP 研究热潮. 1989 年,国家863/ CIMS 工艺设计自动化工程实验室在上海交通大学正式建立,主要从事异地分布式CAPP 系统体系结构及实现技术等方面的研究与开发工作,取得了许多的研究成果.

　CAPP 系统的智能技术

       在CAPP 系统中,由于有相当多的问题求解是极其复杂的,常常没有算法可遵循,或者即使有计算方法,也是NP(Nondeterministic polynomial-bounded) 问题. 因此人们就用人

工的方法和技术来模拟人类求解复杂问题的思维方式和过程,实现某些“机器思维”,从而解决需要人类专家才能处理的工艺问题,这样就导致了人工智能的产生并在CAPP 系统中获得广泛应用.

      人类智能及其特征

       我们知道,人类被誉为万物之灵,灵就灵在人类具有一个“智慧”的大脑. 然而,人类对客观世界的认识越来越清楚的同时,却对自己的大脑产生智能的机理仍然迷雾茫茫,知之甚少. 如此看来,智能作为科学技术的三大起源难题(宇宙起源、生命起源和智能起源) 之一,只能有待于21 世纪解决了. 智能一词来源于拉丁语“Legere”,意思是收集、汇集. 到目前为止,对于智能,还没有一个统一的看法. 一般认为:智能是运用信息和知识采取理智行动的能力. 通俗地说,智能可以理解为能获取知识并运用知识解决问题的能力.

       考察和分析人类智能活动的全过程,不难发现,思维是整个智能活动中最核心、最本质和最复杂的部分. 没有思维就没有人类的智能,也就不可能使人类远远超出其它动物而成为万物之灵. 1984 年,钱学森教授倡导开展思维科学的研究,并将人类思维划分为“抽象(逻辑) 思维、形象(直觉) 思维和灵感(顿悟) 思维”,同时指出虽然划分为三种思维,但实际上人的每个思维活动过程都不会是单纯的一种思维在起作用,往往是两种,甚至是三种思维交错混合在一起共同起作用. 三种思维的基本特点 人类智能的上述特点也正好说明了尽管冯·诺依曼(Von Neumann) 计算机处理速度极快、存储容量极大、符号推理能力极强,但还是远不如人类聪明的根本原因. 当然,人类智能毕竟是数十万年的大脑进化、数百万年的人类进化和数亿万年的生物进化的结晶,是高度的时间复杂性和巨大的空间复杂性交织而成的,有着无限奥秘和无穷智慧的脑神经系统的产物,远非采用若干硅片在数十年内就能完全模拟成功的.

       就工艺设计过程而言,人脑的思维活动就明显地表现出了几种思维形式的综合特点. 它既是逻辑性和跳跃性的统一,又是顺序性和并发性的统一;既可能“循序渐进,逐步推理”,又可能“灵机一动,计上心来”,还可能“突发奇想,另辟蹊径”. 人脑在思维时能够根据以往经验分析大量的外界信息,对许多复杂问题做出判断,然后再在此基础上进行概括和总结,以达到条理化和逻辑化,最后得到解决问题的满意方案. 同时,人类思维还能够根据直觉做出决策.譬如在对一个零件进行工艺设计时,一个经验丰富的工艺专家可在看到零件图纸的短暂时间内,就能形成该零件的加工方法、装夹方案和初步的加工路线,并能注意到可能存在的某些关键问题和重要工序,然后再按一定的工艺理论逐步分解和细化,以形成符合制造环境的工艺规程. 在这一过程中,人类思维始终能够前后一致、全面细致地进行协调. 但是,冯·诺依曼计算机在解决问题时,则不具备直觉性和并发性,既不能“突如其来,一气呵成”,也不能在同一个时间内形成多个问题的解决办法并相互协调(尽管运算速度可以无限的快) ,即计算机总是有顺序、有条理地按一定程序解决问题.