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第九章 智能CAD的领域与方法 第一节 智能CAD的概念与历史 9.1.1智能CAD的概念及背景 智能CAD是人工智能(AI)和CAD技术相结合的一门综合性研究领域，其英文名为IntelligentCAD，或简写为ICAD，它将AI的理论和技术用之于CAD之中，使CAD系统能够在某种程度上具有设计师般的智能和思维方法，从而把设计自动化引向深入，这是CAD技术在学术上深化的一个重要方向。 自从1963年Ivan Sutherland在其博士论文中首次提出了CG和CAD的概念之后，CAD的应用迅速遍及机械、建筑、电子、广告等许多领域。比如在机械领域，有机械零件的图纸设计。这些设计的一个共同目标是在计算机上进行几何形状的表示、修改和显示。 CAD技术的不断发展激励了工业界去设计和生产比过去更高质量的新产品。一方面，要求产品的性能更好、可靠性更强，使产品的价格不断降低，另一方面，要求用更少的人力和更短的设计与制造的时间，只有这样，企业才能具有竞争的实力。 目前CAD系统的功能已经很强了，比如AutoCAD系统，具有强大的三维造型、真实感显示、制图、图纸输出的功能，如果把AutoCAD设计的模型输入到3D Studio进行三维编辑、上色处理、帧画面生成等，通过材料编辑、光源形成及自然现象(风、水、火、光等)和阴影处理，还可以完成广告设计。所以至今，作为CAD的初衷“计算机辅助绘制”早已实现了。人们已开始研制具有更高性能的新一代的CAD系统，即智能CAD系统。这就对传统的CAD提出了挑战。 智能CAD系统的主要目标是支持设计师在设计过程中的思维。为此，有相当多研究者致力于从现象学的角度描述设计过程，由此产生了多种多样的设计理论(Design Theory)和方法论，并已收录在许多教科书中。诚然，这些努力无论是对富有经验的设计师，还是对初学者均有益处。但是，这类描述不够精确，难以由此构造出新的CAD体系结构。 对不同设计过程的现象观察告诉我们：每一设计过程的活动均是领域相关的。比如轮船的设计和电子线路的设计就涉及了两个完全不同的过程。轮船的结构有足够的知识来构造：例如几何形体的流体动力学性质、材料的强度、引擎的特性、复杂系统的控制、浮体的稳定性等等；设计电子线路的必要知识包括电路理论、电子元件的特性等等，两个领域有着极其不同的知识。 参数设计是一种支持设计自动化的简便可行的很有前途的方法。现在已有若干特殊类型的电动摩托(Electrical Motors)和滚珠轴承的自动设计系统。这类设计系统均作了这样的假设：每一设计对象形式化成一组可以被改变的参数。一个电动摩托的自动设计系统可用以设计许多种类型电动摩托，但显然不能设计滚珠轴承。这样的系统尽管很有用，但是从原则上讲仅仅是一种重演设计机器人(Playback Design Robots)，即对于设计师的思维过程无法给予更为有用的支持，因为它的所谓设计，只不过有一个重演过程而已。 只有在设汁过程中找到了一种创造性的成分，我们才称其为“真正”的设计。 认知科学和人工智能(AI以及CAD的发展将智能CAD的研究引入了一个崭新的天地。如上所述，智能CAD的宗旨是使CAD系统具有智能，而不仅仅是一个重演过程。现在，越来越多的人热心于智能CAD领域的研究，他们分别来自于计算机科学、人工智能、机械工程、电子工程、土木工程、结构科学、控制工程等领域，这在很大程度上促进了智能CAD的发展。 9.1.2智能CAD的历史回顾 很难考证“智能CAD”(ICAD)一词究竟源自何人之手。事实上，这并无太大意义，因为即便是到今天，关于ICAD的确切定义仍在研讨之中。但是ICAD包含了丰富的研究内涵。许多人的工作都对它作了积极的贡献。 Sutherland于1965年首次提出了CAD的概念，在他完成的Sketchpad系统中，采用了用约束定义物体的方法，成为以后约束满足型智能CAD方法的先驱。 最早对于智能CAD的研究是用专家系统的办法，即构成所谓的设计专家系统。这同人工智能发展的历史正好相吻合，因为专家系统作为AI在应用中的突破在60年代末70年代初发生，一部分从事工程设计领域的学者开始将专家系统概念引入到设计领域。早期这方面的许多分散的工作已经收录在“Artificial Intelligence and Pattern Recognition in Computer-Aided Design”—论文集之中(1977年)。 1977年在法国召开了信息处理国际联盟(IFIP)WG5.2的工作会议,主题为“人工智能和CAD”，这次会议首先提出了人AI对于CAD的重要性，可以看作是AI和CAD的明确结合。 到下1985年，该工作组在日本东京召开了主题为“CAD”的设计理论工作会议，经过专家们的讨论，会议得出结论，认为在