塔式起重机安全评判专家系统的研制.doc

塔式起重机安全评判专家系统的研制 DevelopmentofExpertSystemforSafetyAementofTowerCrane HuangHongzhongYaoXiheng(SchoolofMechanicalEngineering,SouthwestJiaotongUniversity)ChenXiaoanLiRunfangQinDatong(StateKeyLab.ofMechanicalTramiion,ChongqingUniversity) AtractAsanimportantfacility,thetowercraneplaysanimportantroleincotructionindustry.Thoughitssafetyproblemhasbeenconcernedworldwidely,theaidentfrequencyhasbeenhigh.Itssafetyisstillapuzzleinthisindustry.AfterbuildingaDependRelationFigure(DRF),anexpertsystemforsafetyaementoftowercrane(TQES)isdevelopedinVisualCenvironment,usingtheexpertsystemframetechnologybasedonmoderndesignmethodology.TheTQEShasbeenverifiedsuefully,andcouldbeusedtoaethesafetyofgeneraltowercrane.Keywords：TowercraneExpertsystemSafetyaement 1引言塔式起重机（简称塔机）的安全问题，一直是塔机及其应用行业的主要忧患之一，受到各国政府、制造厂商和使用单位以及科研部门的高度重视。现有的解决塔机安全问题的方法，一般立足于生产管理、使用管理和安全检查上。但是，由于人为管理的脆弱性，塔机安全问题依然严重。为此，笔者通过对塔机安全问题的调查以及对塔机的安全检查、评判的研究，开发了塔机安全评判专家系统，便于对塔机的安全状况进行经常性的安全评判，从而提高塔机的安全性。2基本理论 2.1塔机安全的依赖关系图在万物复杂变化的世界中，许多事物所处的状况或状态都是由一定的因素造成的，而这些事物的状态同时又是影响其他事物的状态的因素。这种相互依存、相互影响的关系就叫做依赖关系。这样的依赖关系在现实世界中随处可见。如：“他生病了”与“他感到不舒服”；“塔机超载”与“塔机不安全”等。专家系统是一个基于推理、分析的系统，它的工作就是利用知识库的资源进行推理和分析，根据知识的相互依赖关系去寻求结论。因此，在建立专家系统前，知识并建立知识之间的依赖关系是基本的和必要的。在相关知识领域中，由基本因素到复杂因素进行分析，从而形成了一种复杂的依赖关系，用图形表示就是依赖关系图。依赖关系图有助于对领域知识系统体系进行更加直观的，有助于系统结构设计和知识库的建立。塔机安全的依赖关系图显示了塔机由于其自身因素和外界因素造成安全或不安全的依赖关系，在对塔机的事故和安全问题进行调查、分析、总结后，笔者给出了塔机的安全依赖关系图，如图1所示。 由于引起塔机不安全的因素的复杂性，塔机的安全依赖关系很复杂，这个依赖关系图只简单表明了塔机不安全的某些原因的某些主要发生点，具体的塔机的安全依赖关系将在专家系统知识库构造时全部装入系统。2.2基于现代设计方法学的专家系统构造技术专家系统的构造技术可以认为是一门高度智能化的边缘学科，把当代的相关科学领域的新的设计方法应用到专家系统的构造中，就形成了专家系统的新的构造技术即基于现代设计方法学的专家系统构造技术。现代设计方法学是一门新兴的学科，其研究对象不是某个领域，而是某个领 塔机安全问题的重要性在前面已有所叙述，而塔机专家是有限的，不可能对每一台塔机都配备专业的塔机专家进行实时监控，因此努力寻找新的方法来协助解决这一问题就十分必要。开发一个对应的塔机安全评判专家系统，能够对塔机随时进行安全评判，就是协助解决塔机安全问题的一种新方法的尝试。塔机安全评判的专家系统的构造不仅是必要的而且是可行的，其理由有四：1）塔机安全评判适宜于开发专家系统，根据前面提到的塔机安全评判的领域特点，其活动多为专家的推理活动，而评判的依据为专家群体知识，正好符合专家系统的开发要求；2）塔机安全评判的知识存在并且可以获取，这些知识一部分有关的规章制度，另外的专家的经验，这两方面的知识获取都是可行的；3）构造专家系统的技术比较成熟，专家系统也易于构造；4）设计人员有开发专家系统的能力。3系统模型设计考虑到塔机安全评判的专家系统是一个基于规则的评判类专家系统。因此，在建立系统之初，就考虑了系统的扩充性，即：建立的专家系统应该适用于塔机的安全评判，同时也可作为一个一般的专家系统工具来使用，在系统启动使用后，能够通过简单的重新构造系统的知识库再构造为其他的专家系统。根据这样的设计考虑，塔机安全评判的专家系统的知识库、知识库的建立、知识的获取应该是重要的，而且是用户可重新定义使用的部分。因此，该系统是一个基于规则的评判类专家系统和工具，为了方便和说明系统的功能，以后都把该系统简称为TQES系统。根据前面对专家系统结构的理论介绍和要求，TQES系统总体上的结构采用基于规则的一般结构，包括以下几部分：基本数据库，初始证据库，规则库，知识获取，推理机，解释机制，人机接口，综合数据库，最终数据库。其相互关系如图3所示。下面介绍其组成部分和功能。 图3TQES专家系统总体结构图 （1）库文件TQES系统包括5个库文件，其实就是通常的知识库和综合数据库的具体形式体现。规则库，即知识库，在基于规则的专家系统中，知识的表示是一组按照一定顺序排列的规则，这些规则一起组成规则库，规则库是知识的存放处。TQES的规则库包括了TQES专家系统用的所有知识。基本数据库为系统的初始化数据文件，它为规则库的建立提供统一格式的数据。在TQES中，使用的最基本的推理单位为节点，节点包含有某种数据值、值的可靠度、数据的标识符等参数。基本数据库由节点构成。中间数据库也叫综合数据库，该库是在推理中用的临时数据库，它也由节点组成。该库只有在TQES推理时存在，为动态库文件。最终数据库是TQES推理结束并且成功后的数据库，该库存放推理的成功数据，它也由节点组成。该库只有在TQES推理成功后才产生，为动态库，但是可以进行存储和多种方式的输出。推理机是TQES的主要的进行推理工作的模块，它根据用户的环境设定而进行推理。其主要功能实现如图4所示。 图4TQES专家系统总体流程图 （2）推理机（3）解释机制对推理的结论和推理的过程进行解释，增加推理的透明性。（4）人机接口人机接口模块是TQES的特色部分，它负责处理操作人员和系统的信息交换。包括对用户的输入信息转化为系统的形式，把系统的输出信息转化为自然化语言，动态显示推理进程、阅览检查、打印各个库文件和数据的模糊化处理等。（5）知识获取负责获取知识，具体来讲就是构造基本数据库文件和知识库文件。TQES通过可视化环境获取数据，动态、显示，自动格式化存储，并具有安全、不失真特性。4程序实现按照TQES结构模型，利用基于现代设计方法学专家系统构造技术进行了程序设计。所有的程序都在VISUALC环境下设计并调试通过，符合C规范。由于源程序较多（500多页，近20000行代码、40万字符），在此就不列出源代码。同时，由于TQES是一个真正Windows下的面向对象的程序，因此其功能部分和界面部分是综合的。下面列出主要源程序的作用。 Item.c节点定义功能实现ItemBase.c节点库实现文件ItemNameManager.c建立基本节点库ItemInit.c初始化基本节点库ItemBasePrint.c打印节点库ItemInitDate获取初始化数据MyTree.c以树形显示节点库MyList.c以列表形式显示节点库Rule.c规则定义功能实现RuleBase.c规则库实现RuleManager.c建立和管理规则RuleBasemanger.c建立和管理规则库RuleAddItem.c为规则增加前提或结论RuleDilay.c规则以自然语言显示在屏幕上RuleEqualEdit.c规则的前提和结论之间计算关系的公式器RuleList.c规则库以列表显示RulePreHeight.c规则前提权重分配Value.c节点的值实现Do.c推理驱动Doing.c推理进行DoSutuo.c推理设置ConclusionOut.c显示推理结论MainFrm.c主窗口管理Tqes.c程序进程总启动TqesView.c程序视图管理TqesDoc.c程序文档管理Tqes.t程序帮助的索引Tqes.rtf程序帮助的源文件内容 5结论TQES系统经过调试后全部达到功能指标，并对一些已经存在的塔机安全事故进行分析，结果正确、可靠，是一个值得信赖的塔机安全评判软件，可以对塔机的安全管理起到一定的协助作用。同时，考虑到软件开发的难度和塔机专业的局限性，在TQES开发之初就考虑到其功能和应用领域的不协调性。因此TQES在主文件不加修改的前提下，通过相应的库文件的重新构造或修改，就可应用到其他类似的评判类、推理类、故障诊断类专家系统中，TQES又是一个广义上的专家系统开发工具，它具有广阔的应用领域和光辉前景。 *国家自然科学基金、四川省跨世纪杰出青年学科带头人培养基金资助项目作者简介：黄洪钟1963年6月生，重庆市长寿县人。博士，教授。现任纽约科学院会员，日本机械工程师学会会员，中国现代设计法研究会可靠性学会理事，中国机械工程学会可靠性工程分会理事，中国机械工程学会机械设计分会理事。机械设计杂志编委，国际著名杂志ReliabilityEngineeringandSystemSafety,FuzzySetsandSystems,MicroelectronicsandReliability等论文特约评阅人。主要从事可靠性与安全性工程、CAD、智能优化设计、神经网络、模糊技术的研究工作。主持或参加国家级和省部级科研项目14项，获国家级和省部级科技奖3项，获国家专利1项，出版学术著作4部，在国内外学术刊物上发表论文120余篇。姚新胜1969年12月出生，山西晋城人。1993年7月毕业于西南交通大学，获学士学位。1993年8月至1996年8月在山西长治北机务段工作。1999年6月毕业于西南交通大学，获硕士学位。现正在西南交通大学攻读博士学位，研究方向为安全工程、智能CAD与专家系统。主持并研究国家级和省部级项目3项，发表学术论文4篇。：黄洪钟姚新胜（西南交通大学机械工程学院）陈小安李润方秦大同（重庆大学机械传动国家重点实验室）作者地址：四川省成都市；