計算機(jī)輔助工藝設(shè)計(CAPP :Computer-aided process planning) 是指在人和計算機(jī)組成的系統(tǒng)中，根據(jù)約束條件和資源條件，將零件的設(shè)計信息轉(zhuǎn)換為制造零件所需的一系列加工操作，并人機(jī)交互或自動地生成零件的加工工藝規(guī)程. 也即是將產(chǎn)品設(shè)計信息與制造環(huán)境提供的所有可能的加工能力信息進(jìn)行匹配與優(yōu)化的過程. 迄今為止，CAPP的研究已經(jīng)歷了40 余年，取得了許多重大的研究成果，獲得了一定的經(jīng)濟(jì)效益. 特別是將專家系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊邏輯等人工智能技術(shù)應(yīng)用于CAPP之后，工藝知識獲取、表達(dá)和運用的有效性和靈活性有了很大改觀，CAPP系統(tǒng)的實用化和工程化水平得到了很大提高.盡管如此，CAPP 仍然有許多尚未解決的重要問題，其應(yīng)用的實際效果與企業(yè)的工程需求還相差甚遠(yuǎn)，已經(jīng)成為實現(xiàn)CAD/CAPP/CAM集成的瓶頸.
正當(dāng)CAPP 技術(shù)(包括人工智能技術(shù)) 的研究陷入困境而停滯不前時，國內(nèi)外專家學(xué)者提出了人機(jī)智能系統(tǒng)的構(gòu)想，這為CAPP 系統(tǒng)的研究與發(fā)展開辟了一條充滿光明前景的嶄新途徑. 早在1990 年，著名科學(xué)家錢學(xué)森就提出了“綜合集成工程”(Metasynthetic engineering) 的思想，指出“我們要研究的是人與機(jī)器相結(jié)合的智能系統(tǒng)，不能把人排除在外，是一個人機(jī)智能系統(tǒng)”. 1991 年，美國斯坦福大學(xué)的里南(Lenat) 和費根鮑姆( Feigenbaum) 提出“人機(jī)合作預(yù)測”(Man-machine synergy prediction) 是知識系統(tǒng)的“第二紀(jì)元”，并指出“系統(tǒng)將使智能計算機(jī)與智能人之間成為一種同事關(guān)系，人與計算機(jī)各自執(zhí)行自己最擅長的任務(wù)，系統(tǒng)的智能就是為這種合作的產(chǎn)物”;1994 年，法國克洛德·貝納爾—里昂第一大學(xué)的Francois Chevener 認(rèn)為:問題求解常常不能自動進(jìn)行，因為對于一些子問題，計算機(jī)找不到相應(yīng)的解決策略或知識，只能靠人來解決，所以人必須能夠干涉自動的問題求解過程. 1994～1995 年，路甬祥等又提出“人機(jī)一體化系統(tǒng)”(Humachine system) 的技術(shù)立論、科學(xué)體系和關(guān)鍵技術(shù). 1999 年，在第49 屆CIRP 年會上，瑞典的喬柏( Kjellberg) 所作的主題報告“面向人的生產(chǎn)系統(tǒng)的設(shè)計”得到了各國與會代表的認(rèn)同，并認(rèn)為21 世紀(jì)的制造系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)從面向技術(shù)轉(zhuǎn)向面向人.
由此可見，CAPP 系統(tǒng)今后的發(fā)展方向應(yīng)采取以人為中心、人機(jī)一體的技術(shù)路線，研究基于知識的人機(jī)智能化CAPP 系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)，建立一種新型的面向人的CAPP 系統(tǒng)， 從而真正提高CAPP 的應(yīng)用水平.
1 CAPP 系統(tǒng)的發(fā)展歷程
計算機(jī)輔助工藝設(shè)計的研究在國際上始于20世紀(jì)60年代后期，其早期意圖就是建立包括工藝卡片生成、工藝內(nèi)容存儲及工藝規(guī)程檢索在內(nèi)的計算機(jī)輔助系統(tǒng). 它只是將計算機(jī)當(dāng)作存儲、整理、計算和提取信息的工具，以幫助減少工藝人員所做的事務(wù)性工作，從而節(jié)省工藝設(shè)計的時間. 這樣的系統(tǒng)沒有工藝決策能力和排序功能，因而不具有通用性. 而真正具有通用意義的CAPP系統(tǒng)是1969年以挪威開發(fā)的AUTOPROS系統(tǒng)為開端，其后很多的CAPP系統(tǒng)都受到這個系統(tǒng)的影響. 將計算機(jī)輔助工藝設(shè)計正式命名為CAPP 則是在計算機(jī)輔助工藝設(shè)計發(fā)展史上具有里程碑意義的美國計算機(jī)輔助制造國際組織CAM-I (Computer aided manufacturing-international )于1976 年所推出的CAM-I’S automated process planning 系統(tǒng). 1985 年1 月CIRP 首次舉行了CAPP 專題研討會，11 月美國ASME 冬季年會的主題定為“計算機(jī)輔助/ 智能工藝過程設(shè)計”，1987 年6 月CIRP 又舉行了CAPP 的專題學(xué)術(shù)研討會，從而使CAPP 系統(tǒng)的研究進(jìn)入了一個嶄新的時代.
我國在20世紀(jì)80年代初期開始了CAPP的理論研究和系統(tǒng)開發(fā)工作. 1982年，同濟(jì)大學(xué)的TOJ ICAP系統(tǒng)率先研制成功并進(jìn)入國內(nèi)市場. 西北工業(yè)大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、西安交通大學(xué)、南京航空航天大學(xué)等單位也研制成功了適用于特定類型零件的CAPP系統(tǒng). 1986 年3月，我國制定并啟動863 計劃，并在后續(xù)的863/CIMS主題計劃中設(shè)立了多項與CAPP 相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)項目或子項目、目標(biāo)產(chǎn)品發(fā)展項目以及軟件重大專項，同時大力推廣應(yīng)用示范工程. 1988 年5 月，在南京航空航天大學(xué)召開了國內(nèi)第一次CAPP 的專題研討會，受到廣大科研院所和制造企業(yè)的普遍關(guān)注，引發(fā)了國內(nèi)的CAPP 研究熱潮. 1989 年，國家863/ CIMS 工藝設(shè)計自動化工程實驗室在上海交通大學(xué)正式建立，主要從事異地分布式CAPP 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)及實現(xiàn)技術(shù)等方面的研究與開發(fā)工作，取得了許多的研究成果.
2 CAPP 系統(tǒng)的智能技術(shù)
在CAPP 系統(tǒng)中，由于有相當(dāng)多的問題求解是極其復(fù)雜的，常常沒有算法可遵循，或者即使有計算方法，也是NP(Nondeterministic polynomial-bounded) 問題. 因此人們就用人工的方法和技術(shù)來模擬人類求解復(fù)雜問題的思維方式和過程，實現(xiàn)某些“機(jī)器思維”，從而解決需要人類專家才能處理的工藝問題，這樣就導(dǎo)致了人工智能的產(chǎn)生并在CAPP 系統(tǒng)中獲得廣泛應(yīng)用.
2. 1 人類智能及其特征
我們知道，人類被譽為萬物之靈，靈就靈在人類具有一個“智慧”的大腦. 然而，人類對客觀世界的認(rèn)識越來越清楚的同時，卻對自己的大腦產(chǎn)生智能的機(jī)理仍然迷霧茫茫，知之甚少. 如此看來，智能作為科學(xué)技術(shù)的三大起源難題(宇宙起源、生命起源和智能起源) 之一，只能有待于21 世紀(jì)解決了. 智能一詞來源于拉丁語“Legere”，意思是收集、匯集. 到目前為止，對于智能，還沒有一個統(tǒng)一的看法. 一般認(rèn)為:智能是運用信息和知識采取理智行動的能力. 通俗地說，智能可以理解為能獲取知識并運用知識解決問題的能力.
考察和分析人類智能活動的全過程，不難發(fā)現(xiàn)，思維是整個智能活動中最核心、最本質(zhì)和最復(fù)雜的部分. 沒有思維就沒有人類的智能，也就不可能使人類遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出其它動物而成為萬物之靈. 1984 年，錢學(xué)森教授倡導(dǎo)開展思維科學(xué)的研究，并將人類思維劃分為“抽象(邏輯) 思維、形象(直覺) 思維和靈感(頓悟) 思維”，同時指出雖然劃分為三種思維，但實際上人的每個思維活動過程都不會是單純的一種思維在起作用，往往是兩種，甚至是三種思維交錯混合在一起共同起作用. 三種思維的基本特點如表1所示.
人類智能的上述特點也正好說明了盡管馮·諾依曼(Von Neumann) 計算機(jī)處理速度極快、存儲容量極大、符號推理能力極強(qiáng)，但還是遠(yuǎn)不如人類聰明的根本原因. 當(dāng)然，人類智能畢竟是數(shù)十萬年的大腦進(jìn)化、數(shù)百萬年的人類進(jìn)化和數(shù)億萬年的生物進(jìn)化的結(jié)晶，是高度的時間復(fù)雜性和巨大的空間復(fù)雜性交織而成的，有著無限奧秘和無窮智慧的腦神經(jīng)系統(tǒng)的產(chǎn)物，遠(yuǎn)非采用若干硅片在數(shù)十年內(nèi)就能完全模擬成功的.
就工藝設(shè)計過程而言，人腦的思維活動就明顯地表現(xiàn)出了幾種思維形式的綜合特點. 它既是邏輯性和跳躍性的統(tǒng)一，又是順序性和并發(fā)性的統(tǒng)一;既可能“循序漸進(jìn)，逐步推理”，又可能“靈機(jī)一動，計上心來”，還可能“突發(fā)奇想，另辟蹊徑”. 人腦在思維時能夠根據(jù)以往經(jīng)驗分析大量的外界信息，對許多復(fù)雜問題做出判斷，然后再在此基礎(chǔ)上進(jìn)行概括和總結(jié)，以達(dá)到條理化和邏輯化，最后得到解決問題的滿意方案. 同時，人類思維還能夠根據(jù)直覺做出決策.譬如在對一個零件進(jìn)行工藝設(shè)計時，一個經(jīng)驗豐富的工藝專家可在看到零件圖紙的短暫時間內(nèi)，就能形成該零件的加工方法、裝夾方案和初步的加工路線，并能注意到可能存在的某些關(guān)鍵問題和重要工序，然后再按一定的工藝?yán)碚撝鸩椒纸夂图?xì)化，以形成符合制造環(huán)境的工藝規(guī)程. 在這一過程中，人類思維始終能夠前后一致、全面細(xì)致地進(jìn)行協(xié)調(diào). 但是，馮·諾依曼計算機(jī)在解決問題時，則不具備直覺性和并發(fā)性，既不能“突如其來，一氣呵成”，也不能在同一個時間內(nèi)形成多個問題的解決辦法并相互協(xié)調(diào)(盡管運算速度可以無限的快) ，即計算機(jī)總是有順序、有條理地按一定程序解決問題.
2. 2 人工智能及其特征
人工智能是相對于人類智能(即生物高級智能或自然智能) 而言的，它是采用人工的方法和技術(shù)來模擬、延伸和擴(kuò)展人類智能行為的一門綜合學(xué)科.1956 年夏天，在美國的達(dá)特茅斯學(xué)院召開了一次影響深遠(yuǎn)的歷史性會議，人工智能這個術(shù)語就是在此次會議上由該校數(shù)學(xué)助教約翰·麥卡錫等10 名年青學(xué)者在為期2 個月的“機(jī)器模擬人類智能”的學(xué)術(shù)研討會中正式提出來的. 后來，達(dá)特茅斯學(xué)院被看作是人工智能的誕生地，他們10 人也被科學(xué)界譽為“十大金剛”，并大多成為人工智能的泰山北斗，而麥卡錫本人，在美國也常常被認(rèn)為是“人工智能之父”. 人工智能與空間技術(shù)、原子能技術(shù)一起被譽為20 世紀(jì)的三大科技成就. 經(jīng)過40 多年的研究和發(fā)展，人工智能研究已取得不少成果，其應(yīng)用滲透到各個領(lǐng)域，特別是專家系統(tǒng)、智能決策、智能機(jī)器人、自然語言理解等方面的成就更是促進(jìn)了人工智能的進(jìn)一步發(fā)展. 人工智能主要包括推理、學(xué)習(xí)和聯(lián)想三大智能要素. 當(dāng)前，人工智能的推理功能已獲突破，學(xué)習(xí)功能正在研究之中，聯(lián)想功能尚處在探索階段.
由于人工智能是通過智能機(jī)器或智能系統(tǒng)來實現(xiàn)其功能的，且其中的控制核心是計算機(jī)，所以人類大腦與計算機(jī)的控制過程在某些方面具有相似性.然而，人類大腦畢竟不同于計算機(jī)，兩者之間存在著巨大的差異，如表2 所示.
由表2 可知，計算機(jī)在處理速度、存貯容量、數(shù)值計算、邏輯推理等方面具有非常明顯的優(yōu)勢，而人類大腦卻在學(xué)習(xí)能力、創(chuàng)造能力、環(huán)境適應(yīng)能力以及經(jīng)驗總結(jié)和知識歸納等方面有著計算機(jī)無法比擬的能力. 當(dāng)然，隨著計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展，將來的智能計算機(jī)是會具有創(chuàng)造功能的，但它的這種創(chuàng)造功能歸根到底也是由人事先賦予的，是人類創(chuàng)造功能的結(jié)果和延伸，在本質(zhì)上改變不了只是人的工具的屬性.
3 人機(jī)智能化CAPP 體系構(gòu)想
因為智能水平是衡量CAPP 系統(tǒng)性能的一個關(guān)鍵因素，更因為馮·諾依曼(Von Neumann) 計算機(jī)在解決工藝設(shè)計問題時所表現(xiàn)出來的嚴(yán)重缺陷，為了彌補其不足，更為了擴(kuò)展其性能，所以人們才考慮將人類智能與人工智能結(jié)合起來，將各種人工智能的思想、方法和技術(shù)引入到CAPP 系統(tǒng)中去.
最近十年，隨著IMS 的發(fā)展，人們對在制造系統(tǒng)中發(fā)揮人的創(chuàng)新能力和人的智能給予了高度關(guān)注.因此，在國內(nèi)學(xué)者提出了“人機(jī)一體化”思想的同時，國外也提出了“Holonic 制造系統(tǒng)”(Holonic manufacturing system:HMS) 的概念，且成為國際合作研究計劃IMS 的項目之一. 在HMS 中，人在制造中的作用被重新定義和更加重視. 人不再被看作是干預(yù)因素，而是被當(dāng)作構(gòu)成整個制造環(huán)境中一個重要的組成部分，并使個人技能得以充分發(fā)揮. 在CAPP的研究與實踐中，筆者也認(rèn)識到兩個基本準(zhǔn)則:一是人的積極參與，不僅不會削弱CAPP 系統(tǒng)的整體性能和運行質(zhì)量，而且會在更大程度上提高CAPP 系統(tǒng)的集成度和智能水平;二是人在系統(tǒng)中扮演的角色將更加重要，人將永遠(yuǎn)是系統(tǒng)中最有創(chuàng)造性的知識源和關(guān)鍵問題的最終決策者. 王先逵教授提出:建立一種“人機(jī)一體化”的智能系統(tǒng)，充分發(fā)揮人的智能優(yōu)勢，以合理的代價實現(xiàn)較高的智能，這在很長一段時間內(nèi)將是開發(fā)CAPP 系統(tǒng)的一個指導(dǎo)原則.
根據(jù)上述原則，在開發(fā)CAPP 系統(tǒng)時，就應(yīng)該基于人機(jī)一體化思想，將人類智能與人工智能技術(shù)結(jié)合起來，研究工藝規(guī)劃中人與計算機(jī)之間的耦合關(guān)系和協(xié)作方式，將過去的“完全智能化”變?yōu)椤斑m當(dāng)智能化”，將以往“以計算機(jī)為中心的人機(jī)交互”方式轉(zhuǎn)變?yōu)椤耙匀藶橹行牡娜藱C(jī)一體”方式，并應(yīng)用各種人工智能技術(shù)，實現(xiàn)各階段各種有效的智能化在線輔助，從而建立一種新型的面向人的人機(jī)智能化CAPP系統(tǒng). 圖1 給出了一種人機(jī)智能化CAPP 系統(tǒng)框架.
在圖1 中，系統(tǒng)的核心是人機(jī)協(xié)同決策模塊. 其基本思想是使人和計算機(jī)處在平等合作的地位上，使兩者的決策既有分工又有協(xié)作. 一方面通過人機(jī)決策任務(wù)分配，將適合于計算機(jī)的決策任務(wù)交給計算機(jī)去做，如加工刀具選擇決策和工藝尺寸計算決策等，將適合于人的決策任務(wù)交給人去做，如加工順序決策和裝夾方案決策等. 兩者在共同決策過程中取長補短，協(xié)商決策，以達(dá)成共識. 另一方面，由于人和計算機(jī)解決問題的方式、程序及其知識有所不同，所以人和計算機(jī)對有些問題可以同時做出決策，最后通過綜合評價得到比較合理的結(jié)果. 通過這樣的人機(jī)共同決策將人類智能與人工智能融合在一起，能夠進(jìn)一步提高決策的可靠性，但這種決策方式的全面實現(xiàn)還有待于機(jī)器學(xué)習(xí)以及對人類語言理解的進(jìn)一步提高.
4 人機(jī)智能化CAPP 系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)
在人機(jī)智能化CAPP 系統(tǒng)中，根據(jù)“以人為中心、人機(jī)一體化”的思想，采取“人機(jī)交互感知、人機(jī)綜合推理、人機(jī)協(xié)同決策”的技術(shù)路線，人與計算機(jī)共同組成一個綜合系統(tǒng)，通過人機(jī)智能接口，在人與計算機(jī)之間建立一種新型的耦合關(guān)系，從而實現(xiàn)人機(jī)最佳協(xié)同合作. 在這里，人機(jī)耦合是整個系統(tǒng)的瓶頸，而計算機(jī)技術(shù)和信息技術(shù)是實現(xiàn)人機(jī)耦合的核心，超介質(zhì)處理方法(即可視化技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)和智能體技術(shù)等) 是實現(xiàn)人機(jī)耦合的手段.
4. 1 人機(jī)交互感知技術(shù)
(1) 人類子系統(tǒng)通過視覺、聽覺、觸覺等感覺器官感知制造系統(tǒng)內(nèi)部和外部的各種信息(包括零件工藝信息) ，并將篩選后的有用信息輸入給系統(tǒng)的處理模塊，為零件的初始工藝設(shè)計或工藝規(guī)程的實時修正提供依據(jù);
(2) 計算機(jī)子系統(tǒng)通過掃描儀、數(shù)碼攝像、語音錄入、傳感器等物理設(shè)備感知圖紙、零件和聲音信息以及制造系統(tǒng)在運行過程中的其它信息，在對各類信息進(jìn)行歸納整理后，從中提取為工藝設(shè)計所需要的信息;
(3) 計算機(jī)子系統(tǒng)通過CAD/CAPP/CAM集成系統(tǒng)感知與工藝設(shè)計相關(guān)的信息，并將所感知的信息進(jìn)行加工處理后再傳遞給人類子系統(tǒng)，讓人類子系統(tǒng)進(jìn)行二次感知.
經(jīng)過人機(jī)交互感知，使系統(tǒng)獲得更完備、更準(zhǔn)確、更可靠的工藝設(shè)計信息.
4. 2 人機(jī)綜合推理技術(shù)
對于面向人的工藝設(shè)計系統(tǒng)，應(yīng)采用“層次分解、逐步求精”的方法，按照工藝?yán)碚撆c工藝習(xí)慣分層次分階段進(jìn)行規(guī)劃. 為此，需要將工藝設(shè)計任務(wù)分解為“毛坯設(shè)計、裝夾方案設(shè)計、加工方法決策、加工順序決策、設(shè)備與工裝選擇、工序設(shè)計和工藝規(guī)程設(shè)計”7 個子任務(wù). 每個子任務(wù)又可再劃分為若干個子子任務(wù). 這樣，人機(jī)綜合推理就可以對系統(tǒng)中的所有子任務(wù)進(jìn)行求解，全部子任務(wù)求解結(jié)束后，工藝規(guī)程即告完成.
(1) 計算機(jī)子系統(tǒng)應(yīng)該充分發(fā)揮邏輯推理能力和計算能力的特長，利用工藝知識庫和綜合數(shù)據(jù)庫進(jìn)行嚴(yán)密的邏輯推理，得出多個可行的、完整的零件工藝規(guī)程;
(2) 人類子系統(tǒng)應(yīng)該發(fā)揮形象思維和靈感思維的優(yōu)勢，運用過去積累的經(jīng)驗和直覺對人機(jī)交互感知的信息進(jìn)行綜合判斷，得出可行的工藝方案(該方案可以是完整的工藝路線，也可以是幾個重要工序的安排，還可以是某個工序工步的特殊安排) .
4. 3 人機(jī)協(xié)同決策技術(shù)
在已獲得的零件工藝規(guī)程基礎(chǔ)上，根據(jù)零件特征、加工條件、生產(chǎn)環(huán)境、工藝習(xí)慣等進(jìn)行決策.
(1) 計算機(jī)子系統(tǒng)對多個工藝方案進(jìn)行初步評價，得出符合當(dāng)前制造環(huán)境的備選工藝方案;
(2) 根據(jù)模糊綜合評判原則，人類子系統(tǒng)和計算機(jī)子系統(tǒng)協(xié)同對備選工藝方案進(jìn)行綜合評判，找出最佳工藝方案;
(3) 人類子系統(tǒng)對最佳工藝方案進(jìn)行修正與調(diào)整. 特別對于定位裝夾方案、工序工步排序和特殊工序安排等內(nèi)容，應(yīng)采取人主機(jī)輔的原則進(jìn)行決策.
5 結(jié) 語
綜上所述，在制造系統(tǒng)中，人的核心作用是不可替代的.在制造系統(tǒng)的人—機(jī)關(guān)系問題上，CIMS 最初的思想是強(qiáng)調(diào)高度自動化，但在研究和應(yīng)用實踐中產(chǎn)生的種種問題，使人們逐漸認(rèn)識到了適度自動化的重要性. 所以，對于CAPP 系統(tǒng)的發(fā)展，應(yīng)采取以人為中心，人機(jī)一體的技術(shù)路線，建立一種新型的面向人的CAPP 人機(jī)一體化智能系統(tǒng). 人與計算機(jī)相互合作，各自執(zhí)行自己最擅長的工作. 人類智能與人工智能相互補充，共同感知，共同思維、協(xié)同決策，以合理的代價實現(xiàn)較高的智能，使CAPP 系統(tǒng)達(dá)到最佳的經(jīng)濟(jì)目標(biāo)和最佳的整體效益. 當(dāng)然，我們還需要進(jìn)行進(jìn)一步的理論研究和實踐探索，著重解決在感知、思維、決策這三個層面上人機(jī)耦合的內(nèi)在機(jī)制和實現(xiàn)方法，從而真正提高CAPP 系統(tǒng)的實用化和工程化水平.
