（机械设计及理论专业论文）基于web的注塑模知识库系统的建立.pdf

摘要 分析国内外知识库系统的特点，结合注塑模行业的实际。开展了基于w e b 的注塑模 知识库系统的研究。最终完成了一套能够方便的进行注塑模设计知识的获取、推理和管 理的软件系统。 本系统的基本功能分为知识表达、知识推理、知识获取和知识维护。利用i n t e r n e t 技术使本系统能够更好的实现知识资源共享，并对其他软件系统提供知识库功能的支持。 本系统使用基于规则、面向对象、基于案例和基于数据表的混合的知识表达方式进 行知识表达。通过对注塑模知识的分析整理，得到了不同知识表达法在表达注塑模知识 时的一般原则。在知识的推理过程中，对不同的知识表达方式采用相应的推理策略和搜 索策略。在知识获取过程中，采用关键词选择添加的方式，使得知识录入不用掌握很多 的知识库的理论，就可以方便的进行知识的添加。 在确定了知识表达和推理方法后，用于软件工程的思想，对系统进行了分析与设计， 规划了系统的体系结构。划分了各个功能模块。使用j a v a 技术完成了系统的开发。利用 人机交互和网络技术，本知识库系统能够直观方便的完成使用者和系统之间的交流。并 可以使得在异地的用户也可以使用本系统。 基于w e b 的注塑模知识库系统的建立对于模具设计具有重要的意义，通过它可以加 快设计的效率和准确性，进而缩短模具的交货的时间。本课题的研究对于人工智能和知 识库在模具领域的应用具有一定的参考价值；对于实现模具设计的智能化作出了一定的 探索性的工作。 关键词：注塑模具；知识库；知识获取；知识表达；知识推理。 a b s t r a c t t h er e s e a r c ho fk n o w l e d g e b a s es y s t e mo fm e l dh a sb e e nd o n eb ya n a l y z i n g t h ec h a r a e t e r i s t i co ft h ek n o w l e d g e - - b a s es y s t e m a tl a s t ，t h es o f t w a r es y s t e m h a sb e e nc o n s t r u c t e dw h i c hc a nr e a l i z et h ek n o w l e d g ea c q u i s i t i o n ，r e a s o n i n g ， m u e a g e m e n l t h eb u s i cf u n c t i o no ft h es y s t e mi n c l u d e dk n o w l e d g ee x p r e s s i n g ，r e a s o n i n g ， a c o u i s i t i o n m a i n t e n a n c e t h er e s o u r c e s h a r i n gb e c o m eb e t t e rb yc o n n e c t i n g w it h i n t e r n e t t h em i x i n gk n o w l e d g ee x p r e s s i n gm e t h o d si n c l u d i n gt h er u l e ，t h eo b j e c t w e r e a d p l i e db yt h es y s t e m b ya n a l y z i n gt h ek n o w l e d g eo fi n j e c t i o nm o l d ，t h es y s t e m a d o p t st h eg e n e r a lp r i n c i p l e s o fk n o w l e d g er e p r e s e n t a t i o ne x p r e s s i n gt h e k n o w l e d g eo fm o l d i nt h ec o u r s eo fr e a s o n i n go fk n o w l e d g e ，t h es y s t e ma d o p t s t h ec o r r e s p o n d i n gr e a s o n i n ga n ds e a r c hs t r a t e g yf o rt h ed i f f e r e n tm e t h o d o f k n o w l e d g ee x p r e s s i n g i nt h ec o u r s eo fk n o w l e d g ea c q u i s j tj o n ，t h es y s t e ma d o p t s t h ew a yo fc h o o s i n gk e y w o r d s a f t e rd e t e r m i n i n gt h em e t h o d so ft h ek n o w l e d g ee x p r e s s i n ga n dr e a s o n i n g , t h es y s t e mi sd e v e l o p e dw i t hj a v at e c h n o l o g y t h ee x c h a n g eb e t w e e nt h eu s e ra n d s y s t e mc a ng e t e a s i e rw i t ht h et e c h n o l o g yo fm a n m a c h i n ei n t e r a c t i o na n d t h e e e t w o r k i tis i m p o r t a n t t od e s i g n i n go fi n j e c t i o nm o idb yt h i sk n o w l e d g e - - b a s e s v s t e mo fi n j e c t i o nm o l do nw e b t h i ss y s t e mc a na c c e l e r a t et h ee f f i c ie n e ya n d in 1 d r t ) v et h ea c c u r a c yo fd e s i g n in g ，a n ds h o r t e nt h et i m ef o rd e s i g n i n g o fi n j e c t i o n l n o u l d 1 1 h er e s e a r c ho f t h i ss u b j e c th a se e l ta ier e f e r e n c ev a l u et ot h ek n o w l e d g e b a s e sa d p l i c a t i o ni nt h ef i e l do fm o u l da n dd o n ec e l t a i ne x p l o r a t o r yw o r kf o r d es i g n i n go fm o l di n t e l l i g e n t l y t h ek e y w o r d ：i n j e c t i o nn o l d ；k n o w l e d g eb a s e ：k n o w l e d g ea c q u i s i t i o n ；k n o w l e d g e r e p r e s e n t a t i o n ；k n o w l e d g er e a s o n i n g 。 基于观b 的注塑模知识库系统的建立 1绪论 注塑模工业在激烈的市场竞争中，技术得到了快速的发展。但是各种问题也暴露了 出来，如何快速的响应市场变化按时的完成一套模具设计是一个十分突出的问题。但是 新材料，新工艺的应用；高精度，复杂模具结构的需求，使得注塑模具的设计所要考虑 的问题越来越多，能否在模具设计的整个工程中很好的掌握并利用这些知识，是能否在 市场中生存的重要条件。传统的模具设计在很大程度上依赖于模具设计人员的经验。设 计过程中涉及很多的信息、资料、数据，这些不仅是一个繁杂的查询问题，有时必须对 其进行逻辑推理与计算，通过分析判断来得到一个可行的方案、规划。因为模具知识是 专业很强的知识，想进行模具设计的门槛还高，如果能将专家的知识储存起来，为日后 的项目开发作一个好的参考，对其他人员学习也是一个帮助，是很有实用意义和经济意 义的途径。 利用w e b 技术和计算机技术可以使专家的经验不受时间和空间的制约，带来更大的 方便。现在的模具设计软件系统大都建立在数据库的简单查询或者进行简单的线性计算 和简单的逻辑判断，但对逻辑性和结构性强的知识没有太好的解决方法，这正是计算机 在某些方面比人“弱智”的原因。利用专家系统与知识工程理论可以在一定的程度上提 高计算机的“智力”，为设计人员提供更好的知识支持 1 】。 知识库系统不仅可以得到推理结果，还可以给出推理的过程：解释推理结果得出的 原因和过程。通过知识的获取，本系统可以扩大知识的容量和范围，为知识的进一步推 理提供条件。 1 1 课题研究的背景及作用 1 1 1 国内外注塑模知识库系统研究现状及特点分析 ( 1 ) 国内研究概况 1 ) 上海交通大学 上海交通大学模具c a d 国家工程研究中心的迟晓毅、马浩军、赵震、彭颖进行的支 持混合知识表达的黑板型冲压工艺专家系统研究，研究了新一代专家系统在冲压工艺设 计中的应用。针对冲压工艺知识的复杂性与灵活性。提出了一种面向对象的黑板模型，可 将产生式、框架和过程等知识表达方法集成于面向对象机制中，实现混合知识表达，满足 冲压工艺设计的要求弘j 。 上海交通大学模具c a d 国家工程研究中心的赵震、彭颖红进行的基于知识的冲裁模 具结构智能设计关键技术的研究，根据冲裁模具结构设计特点，提出了基于知识的冲裁 模具结构智能设计的方案，建立了一种简洁的基于链表的冲裁模具结构装配模式，研究 了模具结构设计知识语言bd skl 及基于bdskl 建立设计知识库的方法【3 】。 上海交通大学汽车研究所陈炜和陈关龙与上海大众汽车有限公司的童亚平提出了 基于知识的汽车覆盖件模具半创成设计方法，研究了应用半创成方式设计汽车覆盖件拉 延模的方法：通过对p r o e n g i n e e r 软件平台进行二次开发，建立了相应的c a d 系统。该 系统实现了由覆盖件冲压工艺分型面驱动来设计三维覆盖件模具、二维工程图及生成管 理文件等，并做到了基于特征的全参数化设计，提出的知识库与c a m 系统的接口设计方 法 ”。 基于w e b 的注塑模知识库系统的建立 上海交通大学塑性成形工程系的孔维亚，赵震进行的拉深工艺设计专家系统关键技 术研究。利用专家系统技术在拉深工艺设计中的应用，论述了建立拉深工艺设计专家系 统的关键技术，包括产品特征建模、知识表示、知识获取和推理技术，对于提高拉深工艺 设计效率和质量具有重要的意义q 2 ) 华中理工大学 华中理工大学塑性成型模拟及模具技术国家重点实验室的文劲松、李德群进行的基 于实例推理的注塑模结构设计研究中，提出了基于实例的推理是根据问题的描述，从实 例库中提取相似的实例，经过修改后得到问题的解。提出了基于塑料制品实例推理的注 塑模具结构设计方法，研究了实例模型、管理、相似度计算和检索等关键技术，并给出了 推理流程建立的方法【b j 。 华中理工大学塑性成形模拟及模具技术国家重点实验室的周华民。李德群、张宣生 构建的塑料成型缺陷诊断专家系统，可以帮助工艺师准确可靠地完成这项工作。知识表 达是基于规则和过程，使用了不精确推理和混合推理技术。系统具有良好的用户界面，操 作方便，易于使用与维护【7 。 3 ) 广东工业大学 广东工业大学机械系的王桂棠、潘振鹏等人建立了锤锻模具、热挤压模具、热挤压 模具材料优化专家系统本系统能够根据用户提出的制品特点和模具工作条件等初始信 息，由专家系统提出尽量合理的建议。还可以应用户要求给出材料的化学成分、物理性 能、热加工与热处理工艺及性能等技术资料，并由用户初始信息、系统选材建议及被选 材料的技术资料构成用户技术文件。本专家系统采用了规则推理和实例推理，规则推理 又细分为大、小规则推理的推理策略，使模具材料优化选择逐步深化、全面而趋向合理。 用户对模具应用要求采用选项形式进行信息输入，优化结果以用户技术文件形式输出， 在操作时不断及时给出提示，使系统使用方便快捷阍。 广东工业大学材料与能源学院的单方、陈璞、李美村进行的事例推理技术在注塑模 设计中的应用研究提出通过对基于事例推理技术及注塑模设计过程分析的方法，构建了 一个基于事例推理的注塑模结构设计系统，讨论了基于事例推理在注塑模结构设计系统 的应用中关于事例的表示、事例的检索、事例的修改等方面的问题p 】。 4 ) 其它研究的部门： 浙江大学的百立新等人做的模具c a d 、c a m ( 冲裁模) 系统运用了专家系统的技术， 提高了模具c a d 选型，c a d 中工艺安排的问题，文章中提出了图论算法，和数据结构的 理论比较好的解决了冲裁模的知识库的知识表达问题。 机械科学与工程学院的陈幼农等人完成的汽车覆盖见模具智能化加工方法提出把 加工的过程进行数学建模，应用混合型推理的机制提高了推理的效率。其对于模具这种 特殊的单件加工形式很效”。 天津大学的程斌、张世昌进行的基于c b r 的注塑模结构知识库的研究，对塑料模具 的典型结构进行分类、归纳，以美国p t c 公司的p r o e 系列软件为开发平台，运用人工智 能领域的c b r 技术表示塑料模具结构知识，以产生式规则表示基于结构特征的决策知识， 建立了塑料模具c a d c _ a i f 系统的典型模具结构知识库，获得初步成功，建立了完整的系统 架构。 研究的特点： l 。利用现有的知识库知识，在模具设计的某几个关键步骤中实现智能设计功能 2 基于w e b 的注塑模知识库系统的建立 与现有的c a d c a m 的成熟的工程技术进行集成，产生乘法效应 结合注塑模工程的特点进行知识表达模型的探索 提出更加可靠，高效的知识推理的算法 模糊性知识的推理的研究 ( 2 ) 国外研究概况 专家系统技术，虽然至今也只仅有三十多年的历史，但它的发展速度也非常迅速， 特别是1 9 7 7 年知识工程概念提出以后，更是步入了高速发展时期，有成千上万个专家 系统研制成功，它们广泛应用于医疗诊断、气象预报、电路设计、农作物产量预报、军 事系统、地质勘探、科学分析、教育等多个领域，产生了显著的经济效益和社会效益【1 2 。 二十世纪八十年代中期以来，更有一些面向应用领域的专家系统走上了实用的商业化阶 段。如s p i ( 德国饭金c a d 设计专家系统) 等，【1 3 】而美国d e c ( 数字设备公司) 研制的设计 专家系统r l 用来设计v a x 计算机的外形和结构，更创造了超过人类专家的记录，每年 可为d e c 节省几千万美元的设计费用。知识库系统在工程方面也得到了广泛的应用 旧。 0 ) d k b v l s i 帕洛阿托谢罗克斯研究中心及斯坦福大学开发的实验性专家系统，用于 v l s i 电路的设计。 s a c o n 斯坦福大学开发的专家系统，可以帮助结构工程师鉴别每个问题的最佳分 析策略。 c a l l i s t 0 卡内基一梅隆大学开发的实验性专家系统。可以模拟、监视、调度和管 理大型项目。 i s i s 一梅隆大学发的车间调度专家系统。 日立系统研究发展实验所正在开发的解决集成电路生产过程中制造问题的专家 系统，大型营造项目风险评价专家系统蒸汽锅炉成本估计专家系统。 日立能源所正在开发的核动力反应堆管理专家系统。 从8 0 年代机械和模具知识库系统的研究开始进入到实用阶段：研究初期的简单的 利用知识工程的理论来建立知识库，到后来根据模具和机械工业的特点来，提出基于模具 的知识库系统理论并产生了广大的应用价值。应用于塑料注射成型机械领域的知识库系 统。主要有上海模具技术研究所开发的注塑模塑件缺陷诊断专家系统i m d d e x p ：日本 1 9 8 6 年研制的注塑机选型系统：王立新等人开发的注射成型原料选择专家系统：华中理工 大学塑性成型模拟及模具技术国家重点实验室周华民等开发的塑料成型缺陷诊断专家 系统：陈焕文等开发的选择注塑机的一专家系统等。具体来说2 0 多年的发展取得的主要 研究成果有： i ) 基于模具的知识表达和推理方法被证明是有效的算法 2 ) 根据模具工业的特点提出了构建知识库的多种系统模型； 3 ) 有利于知识发掘和提取的机械知识元的表达方法和处理算法； 4 ) 从图形中提取特定知识的知识表达方法； 5 ) 利用神经网络技术，遗传算法的理论来进行模糊推理和模具的总体设计； 6 ) 如何从现有的模具设计与制造系统中提取知识和把知识库中的知识转变为现有 系统可利用的方法 7 ) 如何利用网络技术和w e b 技术来与基于模具的知识库系统的融合 8 ) 基于模具工业的知识库系统构建的软件语言，开发系统，宜于使用的人机接口的 研究 基于w 韶的往塑模知识库系统的建立 国外的基于模具知识库系统的实际应用已经取得的很大的效果： 1 ) 机械工业中的c a d c a e c a m c a p p p d m 其中部分应用了知识库的功能很好的提 高了系统的使用效率 2 ) 基于模具特定设计过程的知识库系统的建立，可以为设计人员提供多种方案 3 ) 利用网络技术使得响应市场的变化的时间大大缩短，可以扩大企业服务的市 场，利用基于w e b 的模具知识库可以实现远程”产品报价”；模具设计和制造知 识的有效重复利用 1 1 2 注塑模知识库系统研究的不足 1 ：对注塑模设计知识的研究总是在具体的某几项知识的研究中。如塑料的选择；注 塑机的选择；分型面的确定。没有全面的考虑注塑模设计所包括其他很多其他的 知识。 2 ：知识表达，推理，和获取，没有根据注塑模知识的特点加以改进。缺乏合理的知 识扩充和维护机制，不利于知识的积累和系统功熊的完善。 3 ：还没有一个能实现在完整的注塑模设计的过程中，对模具设计能进行知识表达和 推理的软件系统。 4 ：现有的系统大多没有网络功能，因此影响了知识库系统的使用范围。 5 ：以前知识库的实现使用的开发语言是专业的开发语言，因此使得开发的知识库不 能和其他设计，分析软件进行和好的集成。 1 2课题研究的内容及意义 1 2 1 课题研究的意义 通过对注塑模设计知识的理解，利用知识库的理论。将设计的知识用不同的知识表 达的方法进行表示。得到注塑模知识知识表达的一般原则和方法。根据注塑模不同的知 识表达的具体情况，根据注塑模本身的特点。选择不同推理机制和搜索策略。对注塑 模知识的获取方法进行具体的实现。 使用本知识库系统使设计人通过该系统能够方便的进行注塑模设计知识的查询，计 算推理。加快设计的效率和准确性。进而缩短模具的交货的对闯。方便知识专家可以 对知识库中的知识进行不断地添加，使得设计专家的知识可以得到资源的共享。知识管 理人员可以对知识进行管理，来保证知识库中知识的准确性和可靠性。排除知识的冗余 和歧义。 利用w e b 技术可以镁专家的经验不受时间和空间的制约，知识库系统不仅可以得到 推理结果，还可以绘出推理的过程，解释推理结果得出的原因和过程。通过某种方式知 识的学习，本系统扩大知识的容量和范围，为知识的进一步推理提供条件。本系统的开 发使用了通用的而不是专一的开发语言，使鸯该知识库系统可以和其他的设计和分析系 统进行很好的集成，为其提供知识推理功能服务。 1 2 2 预期达到的成果 l ：实现一个注塑模设计知识库软件系统，使其可以通过w e b ，提供注塑模知识的查询， 推理功能，并对设计过程遇到的计算闷题进行计算。 2 ：模具设计人员根据知识表达的般性原则，可以进行知识的自由添加。使得该系统 4 基于w e b 的注塑模知识库系统的建立 中的知识能够得到不断地完善。 3 ：知识库管理人员对知识库中不同知识，进行一般性的修改和删除，并可以对知识进 行冗余性和一致性的检查。 1 2 。3 研究的主要内容 1 ：通过对注塑模设计知识的理解，利用知识库的理论。将设计的知识用不同的知识表 达的方法进行表示。得到注塑模知识知识表达的般原则和方法。 2 ：根据注塑模不同的知识表达的具体情况，在根据注塑模本身的特点。选择不同推理 机制和搜索策略。 3 ：根据注塑模不同的知识表达的具体情况，根据注塑模设计的特点，对注塑模知识的 获取方法进行具体的实现。 4 ：对系统用软件工程的思想来建模，用面向对象思想来进行系统设计，设计各模块的 接口。 5 ：完成一个注塑模设计知识库系统的基本框架，并实现其基本功能，使其可以根据设 计的过程方便的进行使用。 基于w e b 的注塑模知识库系统的建立 2 注塑模与知识库理论概述 课题的题目是注塑模知识库系统的构建，因此必须对注塑模的基本知识和设计过程 有一定的了解。知识库知识主要包括知识的表达，知识的推理，知识的获取，知识的维 护等相关的知识，这些理论是将注塑模知识分类整理的理论基础。 2 1 注塑模具理论介绍 注塑模的发展及其相关技术【l 6 j 【”1 模具在机械、电子、轻工、汽车、纺织、航空、航天等工业领域里，日益成为使用 最广泛的、工业化生产的主要工艺装备，它承担了这些工业领域中6 q 9 0 产品零件、 组件和部件的加工生产。模具工业是国民经济的基础工业，是国际上公认的关键工业，也 是投资大、回报慢的劳动密集型和技术密集型行业。高技术的模具工业在国际上被称之 为“点铁成金”的行业。因此，先进工业国家无不把发展模具工业放在优先地位。作为 一项基础工业，模具的质量、精度、寿命、成本、服务和制造交货周期，对于其他产业和 基础科学的研究与发展不仅有促进作用，同时也受其他相关产业和科学技术的制约。当 今，“模具就是产品质量”、“模具就是经济效益”的观念，已被越来越多的人所认识、所 接受。模具技术的发展直接关系到产品的质量、生产效率、更新和发展。 注塑模工作原理是：任何注塑模都可以分为定模和动模两大部分。定模部分安装固 定在注塑机的固定模板( 定模固定板) 上，动模部分则安装在注塑机的移动模板( 动模 固定板) 上。开始注塑成型时，合模系统带动动模朝着定模方向移动，在分型面处与定模 对合( 或称闭合) 。动、定对合之后，凹模与凸模构成与制品形状和尺寸一致的闭台模腔， 模腔在注塑过程中可以被台模系统提供的合模力锁紧，以避免它在塑料熔体的压力作用 下涨开。注塑机从喷嘴中注射出的塑料熔体经由开设在定模中央的主流道进入模具，再 经由分流道和浇口进入模腔，待熔体充满模腔并经过保压、补缩和冷却定型之后，合模系 统便带动动模后撤复位，从而使动、定模从分型面处开启。当动模后撤到一定位置时，顶 出脱模机构会在合模系统的推顶装置作用下与动模其他部分产生相对运动，于是制品和 浇口及流道中的凝料被它们从凸模上以及从动模一侧的分流遭中顶出脱落，就此完成一 次注塑成型过程。 2 2 知识库理论的介绍 专家系统是一种智能的计算机程序，它能够运用知识进行推理，解决只有专家才能 解决的复杂问题。也就是说，专家系统是一种模拟专家决策能力的计算机系统。 专家系统是以逻辑推理为手段，以知识为中心解决问题的。 专家系统的研究【i 踟，可以上溯到上个世纪s o 年代，当时的英国科学家t u t i n g 首先 提出所谓“智力机”的想法，并着手探索。人们将这一工作看作现代人工智能, ( a r t i f i c i a l i n t e l l i g e n c e ) 研究的开端。早期的人工智能研究者认为，人的智能行为总是遵循某种思维 的“普遍定律”的，因此，研究的重点也偏重于对这种“普遍定律”的探索。后来的事 实证明，虽然依照这条途径研究也取得了一些进展，但终究未取得实质性突破。专家系 统的出现，在某种意义上说，也可看作人工智能在实用化研究中最引人注目的成果。从 本质上讲，专家系统反映了在该领域中对获取知识、表示知识以及用计算机处理知识的 能力的需求。于是出现了“知识工程( k n o w l e d g e e n g i n e e r i n g ) ”的概念。 知识工程是一1 7 以知识为研究对象的新兴学科( 1 9 】，它将具体智能系统中那些共同的 基本问题抽出来，作为知识工程的核心内容，使之成为指导研制各类具体的智能系统的 6 基于骶b 的注塑模知识库系统的建立 一般方法和基本工具，成为一门具有方法论意义的科学。有人认为知识工程是研究知识 信息处理的科学，提供开发智能系统的技术，是人工智能、数据库技术、数理逻辑、认 知科学、心理学等学科交叉发展的结果。除了专家系统之外，知识工程的研究范围还可 以包括决策支持系统、自然语言理解、智能机器人、智能诗算机的声像识另等等，但是， 专家系统毕竟是对人工智能研究方法的一个最明显的突破，也可看作人工智能在实用化 研究中最引人注目的成果。图2 1 是知识库系统功能图。 模型核心模型接口 圈2 - i 知识库系统功能图 f i 9 2 1 t h es y s t e m a t i cf u n c t i o n a ld i a g r a mo fk n o w l e d g eb a s e ( i ) 知识库( k n o w l e g eb a s e ) 知识库用于储存某领域专家的专门知识。包括事实、可行操作与规则等。为了建立 知识库，要解决知识获取和知识表示问题。知识获取涉及知识工程师如何从专家那里获 得专门知识的问题；知识表示则要解决如何用计算机能理解的形式表达和存贮知识的问 题。 ( 2 ) 推理机( r e a s o n i n gm a c h i n e ) 推理机控制、协调整个系统。并根据当前输入的数据( 即数据库中的信息) ，利用知 识库中的知识，按一定的推理策略，去解决当前的问题。根据系统的要求，推理机选择 合适的控制策略并从知识库中选择合适的规则来进行推理，通过事实与规则前件的匹配 与否，从而对规则的条件进行验证，以决定是否启动该规则，然后按规则的要求对总体 数据库作相应的修改，即用规则的动作部分代替出现在总体数据库中的事实信息，由这 里可以看出，规则连续不断执行实际上就是不断地用当前执行的规则的动作对总体数据 库中的信息进行修改。 ( 3 ) 解释器( e x p l a n a t o r ) 解释部分它是一组程序，负责对推理给出必要的解释，为用户了解推理过程、向系 统学习和维护系统提供方便，使用户易于理解与接受。通过这一设备用户可跟踪系统所 使用的知识和推理过程，并使用户知道为什么系统需要提供某一信息，以及中间和最后 结果是怎样获得的，从而使系统具有透明性，这一性能的好坏将直接关系到系统是否能 推广，是否能受到用户的理解和欢迎。一个没有解释设备的专家系统( 或者解释功能很 差的专家系统) 是很难为用户所接受的，由于用户对系统的行为一无所知，从而大大降 低了用户对系统推导的结论的信任程度。 基于w e b 的注塑模知识库系统的建立 ( 4 ) 使用者接口( u s e ri n t e r f a c e ) 使用者接口又称界面，它能够使系统与用户进行对话，使用户能够输入必要的数据、 提出问题和了解推理过程及推理结果等。系统则通过接口，要求用户回答提问，并回答 用户提出的问题，进行必要的解释。 ( 5 ) 综合数据库( g l o b a ld a t a b a s e ) 综合数据库又称全局数据库或总数据库，它用于存贮领域或问题的初始数据和推理 中得到的中间数据( 信息) ，即处理对象的一些当前事实。它用于存储领域内的初始数据 和推理过程中得到的各种中间信息，包括运行中所生成的假设和决策。系统内任何两个 组成部分不能直接相互作用，每个部分只能在总体数据库中“写”出信息或从总体数据 库“读”信息来进行联系，因而总体数据库实际上是一个通讯连接设备，它的功能与网 络传输系统中的邮箱十分相似。规则的实际执行就是对总体数据库的不断修改。 ( 6 ) 知识获取接口( k n o w l e g e a c q u i s i t i o ni n t e r f a c c ) 知识获取接口提供编辑、增删知识库功能。 2 3 知识的表示方法 所谓知识，其实质就是人类在生活实践中所积累的各种认识和经验【2 0 】。一般认为： 知识是经过解释、挑选和改造了的信息。 知识的表示、获取和利用是构造知识库系统的三个关键技术，而其中最关键的问题， 就是知识的表示。只有确定了知识表示的恰当形式才有可能将客观世界的知识有效地在 计算机中表示，也才有可能让获取的知识充分发挥作用。 知识库系统的研究者们经过多年的努力，目前已经研制出了多种行之有效的知识表 示方法，其中最为常用的有： 1 基于规则的表示法 2 基于关系的表示法 3 谓词的表示法 4 基于案例的表示法 5 框架表示法 6 语义网络表示法 7 面向对象表示法 以上所列的表示方法各有特点，没有绝对的优劣之分。在专家系统开发过程中， 涉及的知识是多方面、多类型的，不同的知识表达方法都有其局限性和针对性，而且有 时同一领域知识可采不同的知识表达结构来表示。 一般而言，选用知识表示的方法应遵循以下的原则： 1 、直观性：知识能够被直观地表示。 2 、有效性：在执行过程中能相对容易地存取特殊知识。 3 、充分性：在给定结构中能够表示系统所需要的所有知识。 4 、模块性：知识片段可以相互独立地存储。 其中，直观性便于知识的识别，有效性便于推理，充分性便于表示多种知识，模块性 则便于知识的管理和维护。因此，只有根据求解问题的性质和方法灵活地选用合适的知 识表示法，才能使所开发的专家系统具有较强的使用。 产生式规则表示法：历史悠久并且使用最多的知识表示系统。它在自动机理论、形 式方法和程序语言中早已得到了广泛的应用。每条产生式规则分为左部和右部两个部 分，它是一个具有如下形式的语句： 基于w e b 的注塑模知识库系统的建立 “如果条件那么动作” 它是依据人类大脑记忆模式中的知识块之间的大量存在的因果关系，并以 i f t h e n ”的形式，即产生式规则表示出来的。这种形式的规则捕获了人类求解为问题的 行为特征，并通过认识行动的循环过程求解。产生式规则的表示方法的知识形式单 一，便于理解和解释，规则之间相互带来，规则的结构化较好，有利于知识的提取和形 式化，其闻题求解过程同人类的认识过程相似。产生式规则的简洁和易实现性，使其有 利于问题的求解和系统的开发，因而广泛应用于各类专家系统与人工智能领域。局限为： 效率不高，不能表达结构化知识。常用与相对独立的知识源的知识库中。领域知识多事 经验性，没有精确、统一的理论，领域问题的求解过程可被表示为一组相对独立的操作， 一个操作可被表示为一条或多条产生式规则。 语义网络表示法：语义网络被用来描述基于网络结果的知识表示方法，语义网络最 初是作为研究人脑的心理学模型而提出的，现已成为种标准的知识表示方法。语义网 络有结点和描述结点的关系的弧连接而成，其中结点表示目标、概念或事件，弧可根据 表示的知识来定义。一个语义网络为一个带标示的有向图，其中带有表示的节点表示问 题领域重点物体、概念。事件。动作或姿态，节点之闯的有向弧又带有标示，表示节点 之间的语义联系。有时又将弧称为联想弧，所以语义网络又称联想网络。节点可分为实 例节点和类节点。以表示事实为例来说明 如果有s m i t h 的如下断言： s m i t hi sa m a n a g e r “s m i t hw o r k si nt h ep r o d u c t i o nd e p a r t m e n tl o c a t e di nt h eb u i l d i n g - 1 ” “s m i t hi s4 0 y e a r so l d “s m i t h h a sb l u ee y e s ” 则它的语义网络表示如图4 8 所示。 w 。血譬1 0 w o 小r 堂k s - p m 8 m 8 m i b l u e e y e s + _ s i m 廿1 + 1 n a i l a g e r ii s 4 0 - - y e a r s - o l d 圈2 - 2 语义网络表示法 f i 9 2 - 2 s e m a n t i cn e t w o r kr e p r e s e n t a t i o n 语义网络的主要优点是：重要相关性能被明确清晰地表示出来：相关的事实可以 从其直接相连的结点中推导出来，而无须遍历整个庞大的知识库：能在网络中建立性质 继承层次：能够利用少量的基本概念的记号建立状态和动作描述。 其主要缺点：不能保证网络操作所的结论的有效性；对于网络不存在标准的术语 和约定，语义解释取决于操作网络的程序：网络的搜索需要强有力的级织原则。 框架表示法：正是用来表示这种经验性知识的一种知识表示方法，框架是一种组织 和表示知识的数据结构。它有框架明和一组用于框架各方面具体属性的槽组成。每个槽 又设有一个槽名，槽名下面有对应取值，称为槽值或填充值。在较为繁杂的系统中，槽 的下面还可以进一步区分多个侧面，每个侧面又可以有各自的取值。框架是一种经过组 织的结构化知识表示方法，适合于表示概念、事件和行为。可表示复杂的知识系统，推 理过程中可实现信息共享。 9 毗 1 a喈mm， ub 基于w e b 的注塑模知识库系统的建立 槽名i ：侧面名( ( 值1 1 ， 侧面名( 值2 1 ， 槽名j ：c 框架名 值t 2 ，) ( 缺省：值) ) 值2 2 ，) 框架模式的主要优点： 有利于“期望制导”的处理，即人们所在的特定环境寻找期望的事情： 在给定的状况下，通过设计能决定其本身的可利用性或提供其它框架； 知识组织方式有利于推理。 其主要缺点： 许多实际情况与原型不符框架系统的理论没有完整的理论体系，实际创建时是 一件很复杂的工作； 对新的情况不易适应。 谓词表示法：谓词逻辑能够把客观世界的各种事实表示为逻辑命题，但它就有较大 的局限性，即它不适合于表示比较复杂的问题。谓词逻辑允许我们表达那些无法用命题 逻辑表达的事件。逻辑语句，更具体的说，一阶谓词推演时一种形式语言，其根本目的 是在于把数学中的逻辑论证符号化，它具有完整的逻辑系统推理严密，但是它专门只能 表达简单的知识。 面向对象的知识表达方法：是以对象为中心组织知识库系统结构对象( o b j e c t ) 是知 识库的基本单元面向对象方法中另一重耍概念是对象类( o b j e c t c l a s s ) 将具有相同结构、 操作、并遵守相同约束规则的对象聚集成一组，这组对象的抽象就称为对象类。对象类 中的一个具体对象称为对象实例每个对象类都定义了一组所谓“方法”( m e t h o d ) ，它们实 际上可视为允许作用于该类对象上的各种操作对象类实现了数据与操作的封装 鬟 规 ：b - 基婵 罂篱霜籍 r hr kr 1 nr 1 i 广1 冀毳墨壅羹罂萎墓萋差箍蠢蓬疆粜覆瑶曩裔霾妻名霸藿 ir _ l r _ i 蹦2 对缘鞋达a 口罄车嫡构 图2 _ 3 对象表达结构图 f i 9 2 - 3 t h eo b j e c tr e p r e s a n t t h es t r u c t u r ec h a r t 面向对象的知识表示方法的主要特征为抽象性、封装性、继承性和多态性 1 ) 抽象性广义上说抽象是对复杂的现实世界的简明表示在面向对象的知识表达 1 0 慧卷泵羹暴窟义士；耋垂槊 基于w e b 的注塑模知识库系统的建立 中，对象类是实现了抽象的数据类型，通过将对象类实例化，可得到一个个具体设计对 象的知识表达。 2 ) 封装性封装性是保证知识库具有模块化的基础。所谓封装是指每一对象类都有 其明确的范围与边界对象内的数据只有对象内定义的方法才能操作，对象与对象之间只 能靠消息的发送互相联系，因此面向对象的知识表达方法具有对象间联系少、独立性强 的特点。这一特点使得知识库的维护与修改变得方便易行。 3 ) 继承性体现在类层次结构的共享机制中，即在类层次结构中，子类可以自动地 继承超类的所有属性如果类层次具有两层以上时，这种继承还具有传递性，即最低层的 子类可自动地继承其超类、超类的超类、乃至最顶层超类的全部属性这一特性提高了知 识的重复利用率，减少了知识库中的知识冗余度。 4 ) 多态性多态性使得类中的操作可在不同时间内保存、取用以及返回不同的类型 值，也就是相同的操作可作用于多种类型的对象上并获得不同的结果正是由于以上特 点，使得面向对象的知识表达方法具有其它表达方法所无法比拟的表达能力。 基于案例表示 2 2 】； 基于事例的知识表示方法是由s c h a n k 在1 9 8 2 年提出，1 9 8 3 年k o l o d n e ：开始在计算 机上实现的。以前的事例按一定的方式组织起来，存储在知识事例库中，即以事例库模拟 人脑的记忆，按一定的组织方式存储一些过去的相关经历( 事例) ，在设计新产品时，通 过检索事例库，找出与新问题相似的一个或几个事例，当被检索出的事例与新问题的情 况不一致时，对旧的事例做出修改，以满足新的情况或问题的解 其基本思想是把记忆的问题( 源范例) 与当前所面临的问题( 目标范例) 相联系，通过 目标范例的提示而获得记忆中的源范例，并由源范例来指导目标范例的求勰。范例推理 自提出以来，在规划、设计、医学、故障诊断、预测预报等领域获得了相当的成功。基 于范例推理中知识表示是以范例为基础，范例的获取比规则获取要容易，从而大大简化 了知识获取。对于边坡这样的复杂系统，其知识的获取本身就是一件非常不容易的事情， 而长期的理论研究与工程实践，人们已经对大量的边坡实例的稳定性状况有了明确的结 论。在表现形式上有两种类型，问题的求解型与解释型前者侧重于对过去策略的适配与 修改，而后者则强调用旧事例的方法对新事例做出评价与解释。总的来说，c b r 系统适 用于问题空间开放而边界描述模糊，理论抽象较弱而经验因素较强的场合，其应用领域 较宽。 基于关系的知识表示： 自c o d d 在7 0 年代初提出关系数据库技术以来，关系数据库得到了长足的发展，至 今仍然是数据库技术的主流，关系方法具有严密的数学基础，尤其适合于表达大量的形 式化的简单事实。因此基于关系的知识表达方法在知识库的研究和开发中占有重要的地 位。 2 4知识的推理方法 在知识库中，知识推理是非常关键的技术，其不仅关系到整个系统的工作方式和工 作效率，而且反映了系统的智能化程度。专家系统的知识推理是专家系统的核心。推理 机制是一个十分复杂的过程，牵扯到许多相关技术，需要它们彼此之间的相互配合和协 调。因此，需要详细了解推理机制基本理论和控制策略。 1 推理的基本概念 所谓推理一般是指按照某种策略由己知条件推出其它结论的过程。知识的运用是专 家系统的最终目的。在知识处理中要研究的知识运用主要包括： 基于w e b 的注塑模知识库系统的建立 1 ) 推理一各种推理的方法与模式的研究，研究前提与结论之间的各种逻辑关系。 2 ) 搜索一各种搜索方式与方法的研究，研究如何从一个包括的对象( 包括知识本身1 空间中搜索满足给定条件或要求的特定对象。 2 推理控制策略 推理是在问题求解过程中，每个状态下控制知识的选择和运用。控制策略是知识应 用的顺序和选择的过程。推理控制策略是在推理的过程中，通过利用领域知识引导，使 得每个问题状态都能选择适当的知识，从而避免与解无关的可用知识的选择与应用的费 用常用的推理控制策略有三种：正向推理、反向推理和混合推理。 1 ) 正向推理 正向推理也称由底向上控制、数据驱动控制、前向链推理、模式制导推理和前件推 理等。其基本思想是从己知的信息出发，选用合适的知识，逐步求解待解的问题。具体 过程是：用户将与求解问题有关的信息存入动态数据库，推理机根据这些信息、，从知识 库中选取适用的知识，得出新的信息存入动态数据库，再根据当前状态选用知识，如此 反复，直到求出解为止。 正向推理的主要优点是允许用户主动提供有用的事实信息，而不必等到系统需要时 提供，而且可以求出全部解。正向推理的特点使该控制策略主要适合于“解空间”很大 的一类问题。正向推理的主要缺点是知识激活和执行目的性不强，有可能系统为达到某 个目标执行了若干次无用动作。 2 ) 反向推理 反向推理也称目标制导的推理、后件推理、由项向下控制、反向链控制、目标驱动 控制等。其基本思想是选定一个目标，然后去证明此目标成立与否。 反向推理的主要优点是不必使用与目标无关的知识，目的性很强。它特别适合于解 空间小的问题。不太适合解空间大的场合。它的主要缺点是初始目标的选择盲且，没有 充分利用用户提供的信息。 3 ) 混合推理 由于正向推理和反向推理都存在缺陷。因此，人们很自然地想到采用正反向混合推 理。具体实现是：先使用正向推理帮助选择某个目标，即从己知事实先演绎部分结果， 从中选择一个目标，而后通过反向推理求解该目标。它的主要优点是融合了正向推理与 反向推理两者的优点。 3 推理搜索策略 当系统为推理丽进行匹配操作时，可能会遇到三种可能的结果：一是只有一条规则匹 配成功，那么毫无疑问，应该“激活”这条规n ：- - 是没有规则匹配成功，那么或者终止 推理，或者采取别的什么措施：第三是有多条规则匹配成功，那么需要建立一种原则使得 能够从中选取一条来执行。这种原则称之为冲突消解策略或问题求解策略。 对问题求解方法的研究是人工智能领域的重要课题之一。问题求解的目标就是寻找 最好的搜索技术，它能生成一条有效的解题途径。搜索技术分为两大类：盲目搜索和启发 式搜索。盲目搜索又可分为广度优先搜索和深度优先搜索，当问题的状态空间很大时， 盲目搜索很可能导致组合爆炸。启发式搜索是利用启发式信息寻找一条费用最小的路径 的方法。它是在宽度优先搜索和深度优先搜索的基础上发展起来的。肩发式搜索是否有 效在很大程度上取决于启发式函数的设计。将搜索策略运用到消解冲突上时，就形成了 相应的冲突消解策略。 1 ) j t 度优先搜索 广度优先搜索方法