（电气工程专业论文）面向对象的调度命令票专家系统.pdf

面向对象的调度令票专家系统v。6 5 4 6 0 2电力系统及其自动化研究生汪康康指导教师周步祥陈立调度命令票的填写是电力系统进行电气操作前必须履行的项重要的工作，调度命令票制度是我国电力系统调度运行管理中一种重要的安全措施，对电力系统的安全运行起到了极其重要的作用，正确无误地填写调度命令票是电力生产的基础。长期以来，调度命令票都是由调度人员手工拟定和填写。但这种方法存在许多的弊端和不足，特别是在任务繁多的情况下，这种重复的劳动成为调度员的沉重负担，也为电力生产埋下了安全隐患。自从八十年代中期以来，国内已经出现了一些以专家系统为核心的调度命令票自动生成系统，但它们很多都只把重点放在于调度命令票的知识获取，推理的方法等方面，忽略了调度命令票的本身特点一一电气操作对象的确定，因此这类系统存在着通用性差，功能单一，用户界面不友好等缺陷，应用推广缓慢。本文研究了近年来国内一些兄弟单位的调度命令票专家系统的运行情况，学习了调度命令票编写的要求，规范和流程，并分析了调度命令票中操作术语的结构，电气操作对象的属性，应用数据库理论和面向对象程序设计方法开发了全w i n d o w s 风格的调度命令票专家系统。本文的调度命令票专家系统将面向对象程序设计方法和专家系统，操作机制，数据库理论有机地结合起来，采用专家系统技术，和面向对象程序设计方法将调度操作规程用专家系统中的规则描述出来，在此基础上构成专家系统的规则库，将调度操作对象的调度操作术语用简明的格式描述出来构成专家系统的数据库，推理机动态地操作规则库和数据库，由此构成调度命令票专家系统。本系统在进行数据结构设计时，应用面向对象的程序设训思想，将电气操作确柬薮黼“抵鬈珏8 程嚣定为父类和子类两个对象，即在电气操作设备的基础上，针对该电气设备的可能的电气操作任务封装成为一个基本的对象。这种方法确定了基本对象后，能够充分利用面向对象的封装性，继承性和多态性，使设计出来的专家系统具有推理机和规则库设计简单，程序代码短，容易修改和容易扩充的优点。本系统除了具有自动生成调度命令票的功能外，系统还能对调度命令票进行自动保存，手动保存，编辑，查询，打印，操作时间和顺序修改等功能，具有良好的人机界面和扩展功能。该系统在成都电业局调度局配网调度网络已经试运行了将近一年的时间，取得了良好的效果，获得了调度员的一致好评。关键词：调度命令票专家系统面向对象技术数据库ad o sa u t o g e n e r a t i n ge x p e r ts y s t e mb a s e do no o pm e t h o de l e c t r i cp o w e rs y s t e ma n di t sa u t o m a t i o ng r a d u a t ek a n g k a n gw a n ga d v j $ o rb u x i a n gz h o ul ic h e at h ec r e a t i o no fd i s p a t c h i n g0 r d e rs h e e t ( d o si ns h o r t li sa l li m p o r t a n tt a s k 血t h eo p e r a t i o no f t h ep o w e rs y s t e m t h ed o ss y s t e mi sa l le f f e c t i v es a f e t ym e a s u r ei ne l e c t r i cp o w e rs y s t e mo p e r a t i o na n dm a n a g e m e n t ，a tt h es a n l et i m ei tp l a y sa ni m p o r t a n tr o l et ot h es a f e t yo p e r a t i o no f t h ep o w e rs y s t e m f o ral o n gt i m e ，t h ed o sw a sd r a f t e db yh a n d s t h e r ew e r em a n y 出a w b a c k si nt h i sm e t h o d e s p e c i a l l yw h e nt h e r ea r em a n yt a s k s ，d r a f t i n gs h e e t sm a yb eah e a v yb u r d e nt ot h ed i s p a t c h e r s s i n c et h em i d d i ee i g h t i e s ，r e s e a r c h e r sh a v ed e v e l o p e ds o m ed o se x p e r ts y s t e m s m a n yo ft h o s ee x p e r ts y s t e m ss t r e s s e do nt h ed o sk n o w l e d g ea c q u i r e m e n ta n dt h er e a s o n i n gm e t h o d si n s t e a do ft h ec o n f i r m a t i o no fe l e c t r i co p e r n i o no b j e c t s ，w h i c hi sp r a c t i c a l l yv e r yi m p o r t a n ti ng e n e r n i n gd o s t h i si st h em a i nr e a s o nw h ys u c he x p e r ts y s t e m ss p r e a ds os l o w l y t h ea u t h o rs t u d i e st h ea c t u a lo p e r a t i o ns t a t u so fs e v e r a ld o sa u t o g e n e r a t i n gs y s t e m st h e s ey e a r s a f t e rc a r e f u l l ys t u d i e so ft h ed e m a n d ，c r i t e r i o na n dp r o c e s so fd r a f t i n gd o s 。a n da r i a l y s i so ns t r u c t u r e so fo p e r a t i o nt e r m si nd o sa sw e l la sp r o p e r t i e so fe l e c t r i co p e r a t i o no b j e c t s ，t h ea u t h o ra p p l i e st h ed a t a b a s et h e o r ya n do o p ( o b j e c t o r i e n t e dp r o g r a m m i n 9 1m e t h o dt od e v e l o pa1 1 1 1 i v e r s a ld o sa u t o g e n e r a t i n ge x p e r ts y s t e m ，w h i c ha p p l i e sn e ww i n d o w ss t y l e t h ed o sa u t o - g e n e r a t i n ge x p e r ts y s t e mp r e s e n t e di nt h i sp a p e rc o m b i n e st h eo o pm e t h o d ，e x p e r ts y s t e m ，o p e r a t i o nm o d e ，a n dt h et h e o r yo fd a t a b a s e f i r s t d e s c r i b et h ed i s p a t c ho p e r a t i o nr u l e si na l g o r i t h mt oc o n s t i t u t et h er u l eb a s eo ft h ee x p e r ts y s t e mb yu s i n g 也ee x p e f ts y s t e mt e e h n i q u ea n dt h e0 0 pm e t h o d t h e l ld e s c r i b e 血eo p e r a t i o nt e r m so ft h ed i s p a t c ho p e r a t i o no b j e c t ss i m p l yt oc o n s t i t u t et h ed a t a b a s eo ft h ee x p e r ts y s t e m f i n a l l y , t h er e a s o n i n gm a c h i n em a n a g e st h er u l eb a s ea n dd a t a b a s ed y n a m i c a l l yt oc o n s t i t u t et h ed o sa u t o g e n e r a t i n ge x p e r ts y s t e m w h e nt h ed a t as t r u c t u r ei sd e s i g n e d w es e tu pt w ok i n d so fo b j e c t si n c l u d i n gs u p e r t y p eo b j e c t sa n ds u b t y p eo b j e c t s ：e n c a p s u l a t ea l lp o s s i b l ee l e c t r i co p e r a t i o n so fc e r t a i ne l e c t r i ce q u i p m e n tt oab a s i co b j e c t b e c a u s eo fe n c a p s u l a t i o n ，i n i l e r i t a n c ea n dp o l y m o r p h i s mo ft h eo o p ，t h er e a s o np r o c e s s i o na n dk n o w l e d g eb a s eo ft h i ss y s t e mi ss i m p l i f i e d a l s o ，t h i se x p e r ts y s t e mh a ss h o r tc o d e sa n di se a s yt om a i n t a i n ，a m e n da n de x p a n d b e s i d e sa u t o m a t i c a l l yg e n e r a t i n gt h ed o sw i t hw o r k i n ga r r a n g e m e n tc o n t e n ta n dt h ed o s 丽t hs w i t c h i n gs e q u e n c e ，t h i se x p e r ts y s t e mh a sm a n yo t h e rf u n c t i o n ，s u c ha sa u t os a v i n g ，m m m a is a v i n g ，e d i t i n g ，q u e r y i n g ，p r i n t i n g ，c h a n g i n gt h eo p e r a t i o nt i m ea n ds e q u e n c ee t c t h i se x p e r ts y s t e mi sd e s i g n e df o rc h e n g d ue l e c t r i cn e t a c t u a l l yi th a sb e e ni no p e r a t i o ni nc h e n g d up o w e rb u r e a uf o ro v e ro n ey e a ra n dg a i n e dw i d ep r a i s ef o ri t ss a t i s f a c t o r ye f f e c t k e yw o r d s ：d i s p a t c h i n go r d e rs h e e te x p e r ts y s t e mo o pd a t a b a s e四川人学一l 程硕士学位论文( 2 0 0 4 )第一章概论1 1目的和意义调度命令票是为了完成某一特定操作任务填写的，并下达给相关变电站执行的一系列操作指令。变电站的值班人员就根据调度员下达的调度命令票进行一系列的倒闸操作，将变电站的电气设备由一种运行方式转换为另外一种运行方式。因此调度命令票的填写是电力系统进行电气操作前必须履行的一项重要工作，正确无误的调度命令票是电力安全生产的基础。调度命令票的编写要求十分严格，要求字迹清晰，设备名称用双重编号，各项操作的顺序有严格的逻辑关系，不能有错字，漏字，涂改。由于对于一项大型操作调度员所写的调度命令票要涉及多达十几个操作单位，几十项操作，而这些操作和单位有严格的逻辑关系。如果在调度命令票的填写过程中有遗漏，顺序混乱，添加或写出不符合操作规定的操作项目，可能就会导致误操作事故。所以正确清晰地填写调度命令票是一项十分细致，认真，责任重大的工作，也是一件相当费时，费力的工作。随着我国国民经济的不断发展，各地的经济水平不断提高全国各地的调度所管辖的变电站不断增加，调度员每天面对的操作有几十项之多。如果还用手工书写调度命令票，不仅劳动强度过大，而且有时根本来不及。调度命令票的填写就成了调度员的沉重负担，并且要花费大量的时间，从而延误停送电的操作，手工填写调度命令票已很难适应现代化太电网安全优质，经济运行的要求，因此，利用计算机代替人工来自动填写调度命令票是调度员所希望的，它可以使调度员从繁琐的调度命令票手工填写中解脱出来，并且保证调度命令票的正确性，这无疑有利于提高电力系统的安全可靠性。随着国民经济的经济不断发展，用电负荷不断上升，一个地区级地调所管辖的变电站也逐渐增加。例如一个西部省会城市的调度直接调度的2 2 0 k v 变电站有1 5 座，1 1 0 k v 变电站7 4 座，该城市电网的日用电最大负荷达到2 4 0 0 m w 。现在该城市电网的整个输电网络相当庞大，电气设备的故障率还比较高，使得电网的日常检修工作和电力系统故障的几率也比以前有很大的增加，这也给电网调度运行人员的日常调度工作增加了工作量和难度。其中比较突出的是调度四川大学工程硕士学位论文( 2 0 0 4 )运行人员在日常的工作期间，把大多数时间和精力都用在电力系统调度命令票的任务和操作内容( 涉及1 1 0 k v , 3 5 k v 和1 0 k v ) 的编写上，十分费时，费力，工作效率很低。如何能减少调度员在编写调度命令票上所花费的时间，让调度员把更多的精力放在电网的安全，稳定和经济运行上来，这对供电企业的经济和社会效益有很显著的帮助。电网调度员在编写调度命令票时，调度员一方面要根据所要停，送电设备的状态编写操作命令，另一方面还必须考虑线路潮流的变化和继电保护定值修改的问题。这些工作都需要调度员具备丰富的运行经验。随着电网结构的日趋复杂及有经验的调度员的不断减少，命令票编制过程中出错的概率也不可避免的增加。另外，电网调度员面对的是不断增加的变电站和输电线路，这相对于一个变电站的倒闸操作票专家系统而言，调度命令票专家系统要求有更高的可操作性及方便的可维护性。电网调度部1 3 如何提高工作效率，减少调度人员的工作量，同时又能保障电网设备的安全，可靠的运行，减少调度员的人为误操作，让调度人员有更多的精力与时间投入到电网的安全，稳定和经济运行与调度上来，已是追在眉睫，急待解决的问题。面向对象的调度命令票专家系统就是为了可以较好地解决以上存在的问题而建成的。1 2国内外研究动态专家系统是人工智能技术的一个重要分支。根据专家系统的问题求解类型，专家系统可分为两大类：分析型和设计型。分析型专家系统的领域知识通常是具有清晰的原理概念，明确的数据结构，较多的事实，故求解易于搜索，采用较浅层的知识就可以达到目的。这种系统往往输入较多，而输出较少，如故障诊断专家系统就是典型的分析型专家系统。设计型专家系统的知识领域通常难以建立一个详细，精确的数学模型以及完备的解决方案，常常包含大量的启发性知识，这些启发性知识经常是相互冲突矛盾的，所以还需要更深层次的知识加以指导，解决。这种专家系统往往输入较少，而输出较多，如电力变压器继电保护设计专家系统就是典型的设计型专家系统。在国内外，专家系统在电力系统中运用到实际工程中的还是少数，目前国际，国内应用的专家系统是一些比较简单而具体的系统，比如倒闸操作票系统，2四川大学工程硕士学位论文( 2 0 0 4 )调度命令票系统，继电保护整定系统，交电设备故障诊断系统。专家系统在e m s中只是辅助调度员作出决策，而不是取代。专家系统在电力系统中的运用( 尤其是实时运用) 还有以下的问题需要解决：( 1 ) 与数值程序接口的问题：对电力系统运行而言，浚问题有特殊的重要性，现有的接口效率很低。( 2 ) 太慢的符号运算速度：提高数据存取时间也许是提高计算速度的关键，这个问题如果不能解决，就很难实现专家系统的在线运用。这对于专家系统在电力系统中的运用而言是一个十分关键的问题。可能解决的方法有：采用更大容量，更快运算速度的计算机，开发专用硬件等。f 3 ) 知识的获取：这是专家系统的主要困难和重要问题。知识获取是建立专家系统过程中最困难的一个阶段。一般而言，专家的知识著不都是可以用语言来适当描述的。专家处理问题也并不是仅仅只靠逻辑推理，这就表现在不同的专家有不同的经验，而这些经验又是相互矛盾的，但这些经验都可以成功地处理问题。解决知识获取问题目前主要有两条路可走，一是研究自然语言，使专家系统能直接用自然语言与专家对话，扩大通信能力。二是研究机器学习系统，当把知识输入进计算机后，由机器学习系统在此基础上发现新的知识。对于专家系统运用到调度命令票系统中国外的研究较少，就以报道的研究成果来看，他们所考虑的问题比较简单，操作任务种类少。如文献【1 中由日本的t a k a s h i a b e 等人开发的v i r g o 专家系统，它采用知识撼述语言k d l 实现，操作任务仅仅限于四种：停电，送电，并列，单独运行。所涉及的电气设备也很简单。在国内，人工智能，专家系统技术在电力系统中的运用- _ _ 变电站操作票系统和电网调度命令票系统一直是科研人员研究的重点，对这方面的研究和应用比国外较深入。国内自从8 0 年代后期以来，一些高校，科研单位与电力部门一起开展了这方面的工作，并开发了一系列的针对一具体变电站和电力网络的操作票系统和调度命令票系统。这些系统现在都投入到实际的电力生产管理中，他们的有效性也逐步得到了运行人员得认可。从各种参考文献及在现场运行的情况看，他们有的采用专家系统的设计思想来实现，有的是采用传统的程序设计方法来实现的，各有优点，他们对计算机生成调度命令票和操作票的推四川大学i 程硕士学位论文( 2 0 0 4 )广起着重要作用。有关国内外研制和开发的计算机自动生成调度命令票和操作票系统有以下几类：f 1 ) 产生式系统方式这类专家系统一般是早期开发的系统，那时的计算机软件和硬件水平都不高，在软件中还没有面向对象的概念，软件的编写对象还是针对每一个电气元件，这类专家系统一般都是在d o s 操作系统下运行。它们一般是利用l i s p 和b a s i c 语言来实现的。陔系统一般是由数据库，知识库和推理机三大部分组成的，如图1 1 。它采用产生式规则作为知识的表示方法。数据库内存放发电厂，变电站的主接线形式及相关的设备名称，调度术语。知识库中存放着电气操作的规则和要求。推理机依据对知识规则的分类和管理。完成与目标任务的匹配，在数据库和知识库中找到与操作任务相关的电气元件和调度术语，并按调度规则把他们组合起来。在现在看来这类专家系统所运用的开发工具是很原始的，但它的程序设计思路还是很先进的，随着计算机软机水平的提高，面向对象的程序设计方法的出现，本文就是采取的是用面向对象的程序设计方法来设计的调度票专家系统。图1 1 产生式系统方式的专家系统( 2 ) 典型票的计算机管理系统这种系统将各类典型的调度命令票全部输入计算机，建立典型调度命令票库，由程序进行统一管理，查询，调用，j ：- j e p 。每一个操作任务的操作内容以整张票的方式用文本方式进行存储，调度员通过选择分类检索的方法，就能调四川犬学i ：程硕士学位论文( 2 0 0 4 )出相应的调度命令票，并可以对它进行编辑和修改，从而生成相应的操作内容。其意义是加强了调度票的资料管理，提高了调度票的生成的规范，减少了写票的工作量，提高了调度员的工作效率，改善了调度员的工作条件。但是，我们应该看到，由于一个地区调度管辖的电气设备是十分多的，如果每种操作都要涉及的话，哪就有几十万种操作方式，显然编写典型调度命令票的工作是十分巨大的，这种方式对于大型地区调度来讲是行不通的。( 3 ) 程序，模块方式这类系统通过对应用对象进行仔细分析，用编制一段程序的方法来实现各类操作任务的生成。整个系统有很多个子程序构成，每个子程序完成一个操作任务，使系统程序条理比较清晰，设计起来比较容易。系统将操作任务按电压等级分为高，中，低三个等级。或按电气元件来编制不同的推理机。( 4 ) 谓语逻辑推理的调度票生成系统这是采用智能型的t u r b o p r o l o g 语言实现的命令票专家系统选用的方式。该语言支持谓语逻辑，数据和程序的结构统一，语法简单，接近自然语言的描述方式，具有自动模式匹配和回溯的控制机制，只需要定义与求解问题有关的对象的事实及对象之间因果关系，不必指定求解问题的详细步骤，推理过程中推理机根据操作任务将有关对象的事实与知识库中的规则进行匹配。这种方式的系统电网图由专门模块管理，推理机由开发人员设定。我们单位原来就是运用的这类型的调度命令票专家系统。这类系统由于本身的语言限制，图形功能差，编制程序和数据库复杂，运用在d o s 操作系统下，可操作性不强。( 5 ) 图形校核开票方式这类系统开发出一种逼真的图形化的用户界面，用户通过用鼠标点取图上的相应的电气元件来完成填写调度命令票过程。每点取一个元件即可自动生成一条相应的操作指令。在执行某一操作步骤当中，如果用户的操作违反了预先设定到程序中的操作程序，系统就会报警，提示操作人员。( 6 ) 通用单元的方式这类系统以典型间隔为操作票的通用单元，其他的结构和操作任务是典型间隔上的裁减，并采用基于开关逻辑的推理机，将操作规则用开关逻辑表示。这种方式的问题求解转化为基于逻辑控制的从初始状态到目标状态空间转移过四川火学： = 程硕士学位论文( 2 0 0 4 )程，其初始状态就是当前系统的状态，目标状态是由操作任务，即停送电申请：来决定的。( 7 ) 另外一种面向对象的技术方式这种专家系统的知识表示和推理即中也用到了面向对象的技术，它把变电站中的次设备按类型分为几类，如：母线，丌关，变压器，刀闸等，每一类又可以根据不同的接线方式迸一步细分为几个小类。而每一大类定义为- - 9 属性，根据每类之间的关系来形成调度命令票。其类层次结构如图1 2 所示。母线开关避雷器刀闸电容变压器t tj l 厂线路开关旁路开关两圈变三圈变图1 2 一种面向对象的技术方式1 3 本系统解决的问题及功能本文的主要工作本着减少调度员的在编写调度命令票上所花费的时涮，让调度员把更多的精力放在电网的安全和经济运行上来的目的而编写的运用系统软件。该系统以w i n d o w s 为运行环境，基于面向对象的数据库开发而成。该系统把面向对象的程序设计方法o o p ( o b j e c to f f e n t e dp r o g r a m m i n g ) 和专家系统，数据库理论有机地结合起来，根据操作目的的不同类型把操作任务分为几大类，以操作目的为不同对象而开发的调度命令票自动生成专家系统。该系统软件拥有良好的人机界面，方便调度员能够快捷，方便，正确地生成调度命令票。该系统软件的数据库可以方便地加入新的变电站，新的判断条件来满足电力系统不断更新的要求。该系统汇集了有经验领域专家的知识和经验，确保了操作票的正确性，从而保证了电力系统操作的安全性。该软件内部的推理机设有现场设备倒闸操作顺序判别依据，能够防止带地线( 刀) 合开关，带负荷拉合刀闸，非同期并列等恶性电力事故的发生。能够有效地防止因为调6四川大学： 程硕士学位论文( 2 0 0 4 )度员的人为失误而造成的误操作事故，这对保障电网的安全，稳定运行起着重要的作用。本系统改进与提高了调度命令票的清晰和规范化，提高了出票的速度，有利于调度票的存取和管理，从而提高了效率，解除了调度人员过多的重复劳动，从而使他们有更多的精力处理复杂的运行问题。该系统软件完全能够胜任辅助调度员完成日常的从i o k v 电压等级到l i o k v 电压等级的电力系统的调度倒闸操作。浚专家系统具有以下功能：( 1 ) 能够根据不同的操作任务自动生成命令票。( 2 ) 能够实时调用s c a d a 系统中变电站接线图，让调度员随时了解设备的运行情况。( 3 ) 能够方便查阅变电站资料，比如：主变容量，导线型号，开关型号及保护，c t 变比等对调度员来讲十分重要的信息。( 4 ) 能够对自动生成的调度命令票进行方便地浏览，编辑( 包括对操作时间，单位，顺序的修改等) 。( 5 ) 能够检验调度命令票的操作任务及内容。( 6 ) 能够自动打印及存储命令票。( 7 ) 能够根据编号查找调度命令票。( 8 ) 能够承担起培训新调度员的工作。四川大学工程硕士学位论文( 2 0 0 4 )第二章专家系统的基本概念和理论2 1专家系统的基本思想专家系统e s ( e x p e r ts y s t e m ) 也称为基于知识的系统，是人工智能的一个重要的应用领域。专家系统是一种计算机程序，它可以以人类专家的水平完成专门的，一般是比较困难的专业任务。研制专家系统的目的，就是要使计算机在特定的领域中起到该领域人类专家的作用。设计专家系统的基本思想是使计算机的工作过程竭尽全力地模拟人类专家解决实际问题的工作过程，也就是模拟人类专家如何运用他的知识和经验来解决所要解决的问题的方法和步骤。在许多应用领域，解决问题时需要用到大量的数据，文献和其他有关信息，而任何人类专家都是难以精确掌握如此之多的数据和信息的。专家系统借助于计算机可以准确，快速地查询这些数据和信息，并利用他们来进行推理和判断。专家系统首次出现在2 0 世纪6 0 年代中期，经过这些年的科学研究，理论和技术慢慢成熟，特别是计算机软件和硬件水平的提高，专家系统的应用得到了飞速发展。现在，世界各国己经在医疗诊断，化学工程，语音识别，图像处理，电力工程，地质勘探，石油，军事等领域研制出了大量的实用专家系统，其中有不少系统在性能上已经达到了人类专家的专业水平，已经产生或正在产生巨大的经济和社会效益。专家系统的研制促进了人工智能理论和技术的发展，开辟了计算机求解非数值问题的有效途径。专家系统已经成为世界各国最热门的竞争性研究课题，日本，美国，英国，德国等西方发达国家都已经纷纷把它列为国家重点研究项目，投入了大量的人力和资金。我国对专家系统的研究工作起步较晚，但经过了二十几年的艰苦努力，已经在理论研究和应用开发方面取得了很大程度的发展。但是我们应该看到有一些困难而又有趣的问题都没有处理的算法。就是因为许多重要的课题来源于复杂的社会和现实的世界，它们常常难以精确地描述和严格地分析。这些问题通常是和人类的第三思维相关联的，如：食品开发，产品设计，服装设计等。他们都不能提供现代的符号和数学推理方法，在专家系统中的运用性是非常有限的。2 2 专家系统的定义四j 1 1 大学。r 程硕士学位论文( 2 0 0 4 )目前对专家系统这个术语还每有一个统一的定义。产生这种情况的因素很多，主要的因素是专家系统是一个新进的科研课题，其严格的内涵和外延还每有形成。其次由于各个应用领域的特点不同，看待问题的观点不同，要求达到的目的也不一样，从而导致了各个专业领域的人们对专家系统的定义存在不一致的看法。从字面意思上来讲，我们可以认为专家系统就是一种基于知识的计算机程序系统，就是利用存储在计算机内的某一特定领域人类专家的知识，来解决过去需要人类专家才能解决的现实问题的计算机系统。它能模拟专门领域的专家求解问题的能力，对所面临的复杂问题做出专家水平的结论。由于它解决问题的能力主要取决于它所拥有的知识，所以又称专家系统为知识库系统。这种基于知识的计算机程序系统，事先将有关专家的知识，经验总结出来，形成一系列规则，并将这些规则用程序的方式写入计算机，即建立知识库，然后采用合适的控制策略，按输入的原始数据选择一定的规则进行推理，演绎作出判断和决策，并根据用户的要求给出答案。从专家系统的结构角度来讲，我们可以给出专家系统的定义如下：一个专家系统是由一个四个元素组成的方程式。e s = f ( p 。s ，l k )( 2 - 1 )其中f 是四个元素相互联系的纽带，p 是要解决的问题，s 是系统的推理策略，l 是学习机制，k 为知识库。专家系统的这个定义从结构上来讲比较明确，其四个部分相互独立。任何一个部分实现用的具体方法不会受其他部分的影响和限制。专家系统的知识库用以存放专家提供的专门知识。这些知识包含与领域相关的信息，它是由规则库和事实库组成。规则库中存放的启发式知识，是专家系统中所要遵循的规则，是知识表述的主要形式。事实库中存放着与专家系统相关领域所要用到的数据和信息。所以知识库可以表示成一个二元方程组：k = f ( r b ，f b )( 2 - 2 )其中f 是两个元素相互联系的纽带，r b 是规则库，f b 是事实库。一个知识库由规则互不相交的知识块组成，每个知识块包含有限个数的规四川大学工程硕士学位论文( 2 0 0 4 )则组，事实组。用k j 表示知识块，j 表示知识块号k2u 。ki ，r b i n r 五k = 01 j 胛，1 _ i s 以，j k( 2 3 )2 3 专家系统的基本结构和基本特点2 3 1基本组成及一般结构专家系统的基本组成由图2 1 所示。专家系统的基本结构包含两个主要部分：知识库和推理机。这种结构比较简单。知识库中存放着领域专家的相关知识，推理机根据用户的问题和提供的原始数据，运用知识库中的知识给出问题的答案，并将答案输出给用户。问图2 1 专家系统的基本组成目前大多数专家系统有五个部分组成：知识库，推理子系统，综合数据库，解释子系统和知识获取子系统。如图2 2 所示：知识库：用以存放专业领域内专家提供的专门知识。这些专门知识包含与专业领域相关的书本知识，常识性的知识以及专家的经验积累的知识。专家系统的问题求解是运用专家提供的专门知识来模拟专家的思维方式来解决问题的。所以知识库中拥有的知识的质量和数量就成为一个专家系统中系统性能和问题求解能力的关键因素。推理系统：在一定的控制策略下针对用户提出的问题，识别和选取知识库中相关的信息对当前的问题进行求解。综合数据库：用于存放系统运行过程中所需要和产生的所有信息，包括问题的描述，中间结果，解题过程的记录等信息。解释子系统：负责回答用户提出的各种问题，包括与系统运行有关的问题1 0四j i l 大学工程硕士学位论文( 2 0 0 4 )和与运行无关的关于系统本身的一些问题。解释子系统是实现系统透明性的主要部件。知识获取子系统：负责管理知识库中的知识，包括根据需要修改，删除或添加知识及由此引起的一切必要的改动，维持知识库的致性，完整性等。图22 专家系统的组成2 3 2 专家系统的特点专家系统所具有的区别于其他计算机程序的一些显著特点有阻下几个方面：( 1 ) 启发性：人类专家在科学试验和生成实践中积累起来的知识很多是经验性知识，往往是某一现象或某一结果多次重复出现使其成为一条值得注意的经验。他们没有严谨的理论依据，也很难建立精确的数学模型，但对于解决实际问题是非常有效的，这就是启发性知识。由于专家系统主要是应用在那些需要推理的领域，这些领域中的任务大多数靠经验知识，而不仅仅靠书本的知识来完成的，因此，专家系统不仅要能使用严格的逻辑知识，而且也要能使用启发性的知识。( 2 ) 透明性：专家系统能解释其推理的过程，并且对有关它的知识的询问作出问答。也就是说每条知识都应该具有良好的用户接口，要求专家系统具有可理解性，就是指系统不单能够提供问题的解答，还能够以某种形式显示出四川大学： 程硕士学位论文( 2 0 0 4 )得到该结论的推理过程。( 3 ) 灵活性和可扩充性：由于人类的知识是在不断增加和更新的，一个专家系统应该很容易加入新的知识。另外，专家经验知识的表达式是非常困难的，解决问题的微妙想法是很难传授给别人的，这就要求专家系统允许专家经验在反复修改的过程中表达出来，在系统运行中发现问题。( 4 ) 智能性：专家系统是人工智能的分支，它必须具有智能性，就是要有相对独立的解决问题的能力，成为一个独立的对象，它不应该是领域专家的附属品，而应该是和领域专家具有相同水平的专家。( 5 ) 实用性和任务的专业性：专家系统强调实用，是解决人们的生产实践，科学研究及其他领域的实际性的问题。一个特定的专家系统完成的任务领域比较窄，解决的问题也比较专一。2 4 推理机推理机是专家系统的重要组成部分，它具有依据定策略进行推理的能力，即以一定的推理策略，有效地选择知识库中的知识，根据用户提供的问题进行推理，得到用户可以接受的结论。专家系统中采用的推理策略有冲突消解策略，正向推理策略，方向推理策略，混合推理策略，双向推理策略及控制策略。下面简单介绍一下我们最常用的三种控制策略：( 1 ) 芷向推理控制策略正向推理也称自底向上控制，数据驱动控制，前向链推理，前向推理等。正向推理策略的基本思想是：当问题满足知识的条件时，就可继承知识的结论。如没有可用的知识，就同用户继续对话得到更多的信息，以找到可用知识。一般来说，实现正向推理应该具备一个存放当前状态的数据库和一个存放知识的知识库以及进行推理的推理机。用户将与求解问题有关的信息存入数据库，推理机根据这些信息，从知识库中选择合适的知识，得出新的信息存放在数据库，再根掘当前状态选用知识，如此反复，直到给出答案。正向推理控制策略的优点是用户可以主动提供问题的有关信息，可以对用户输入事实作出快速的反映。其缺点就是推理策略要验证每条知识，导致推理的过程低效率。四川大学工程硕士学位论文( 2 0 0 4 , )( 2 ) 反向推理控制策略反向推理也称从顶向下控制，目标驱动控制，向后链推理，向后推理等。反向推理控制策略的基本思想为：先假设一个目标，然后在知识库中找到哪些结论部分导致这个目标的知识集，再检查知识集中每条知识的条件部分，如果某条知识的条件中所含有的条件项均能被当前知识库中的知识相匹配，则把该条知识加入到数据库中去，从而推理出答案。反向推理控制策略只注意考虑那些对某个特定目标可用的规则，不用寻找和不必要使用那些与假设目标无关的信息和知识，推理过程的方向性很强是反向推理控制策略的优点。这种推理控制策略对它的推理过程提供明确的解释，告诉用户它所要达到的目标以及为此而使用的知识。成都电业局调度命令票专家系统开发中就是应用的反向推理控制策略。( 3 ) 混合推理控制策略正向推理控制策略和反向推理控制策略是两种极端的方法，正向推理控制策略的主要缺点是推理的目标性不强，在推理的过程中可能出现许多与求解无关的操作。反向推理控制策略的缺点是如果初始目标的数量多的时候推理过程容易混乱。混合推理控制策略是一种综合利用正向推理和反向推理各自优点的有效方法。其思想是：先使用正向推理帮助选择初始目标，即从已知事实中演绎出部分结果，据此选择一个目标，然后通过反向推理求解该目标，在求解这个目标时又会得到用户提供得更多的信息，再正向推理，求解更接近的目标，如此反复正一反向推理过程，直到给出一个大家都很满意的问题答案。2 5 知识库知识库是专家系统的核心部分，它由数据库和规则库构成，存储由电力系统运行专家提供，知识工程师使用知识获取工具获取知识，输入计算机建立知识库。知识获取工具就是知识库维护工具，它包括系统数据库模块，操作规则维护数据库模块等。开发人员和知识工程师使用这些工具建立和维护系统知识库。2 ，51 知识的特点四川大学工程硕士学位论文( 2 0 0 4 )信息是客观事物发展内在规律的外部表现，它具有客观事物的物理属性。人类能够通过信息认识客观世界，这个过程就是人类的学习过程。信息是人类学习的基本原始材料。有些信息可以建立起数模型，而另外一些信息还无法建立数学模型。知识是系统化了的信息，是人类对客观世界和主观世界信息的内在联系的认识。知识= 事实+ 认识+ 启发性推理人类头脑中的知识好比是一个庞大的语义网络，一旦得到新的知识，通过联想迅速插入到合适的结合点上，这就是人类吸取前人经验的过程。知识的占有在于知识的应用，知识是分层次的，最低级的是目标级知识，即关于问题领域的事实，定律，方程等，目标知识上面有关于这些目标知识的知识，也就是元知识，关于元知识的知识称为元元知识或超知识，这样一直分下去，也就形成了知识的树形层次结构。知识表示是描述知识的语法和语义的集合，是知识的符号化过程。在专家系统中，知识有许多种表示的方式，象规则，框架，原型等，它们各有所长。在不同领域可以选取不同的知识表示方式，它们必须满足可用性，可读性和可扩充性。25 2 知识的获取知识的获取是建立知识库的核心问题，也是建立专家系统的瓶颈问题。知识获取过程就是从某些知识源中提炼出求解问题的知识，并转化成为计算机程序。能否有效地获取知识是专家系统成败的关键步骤。知识获取主要有以下三种方式：( 1 ) 最简单的知识获取是知识工程师与领域专家的对话。它把专家经验编入计算机程序，存入知识库，这种方式如图2 3 所示。图2 3 一种知识获取方式1 4四川大学工程硕士学位论文( 2 0 0 4 )( 2 ) 领域专家还可以通过与编辑程序( 知识工程师编制的有良好人机界面的程序) 对话，把经验知识直接输入到知识库。这种对话是按一定格式来进行的，有一个默认的约定，系统按照约定获取知识，它的结构如图2 4 所示。图2 ，4 种知识获取方式( 3 ) 另外，可以从数据库中由学习系统自动获取知识，这是国内外专家系统研制着们讨论的热点，近几年来发展很快，其一般的流程如图2 5 所示。数据图2 5 一种知识获取方式专家系统的性能是由知识来决定的，学习是系统改进自身性能的过程，许多计算机专家认为：没有学习就谈不上人工智能。死记硬背是最简单的学习过程，即直接接受专家的知识存入数据库。但这并不意味着简单的数据复制，进入专家系统的原始知识只是信息或者数据，还不能算为知识，必须建立起它们本身之间和它们与原有知识之间的相互联系，进行系统化处理后才能成为知识，才能被专家系统所应用。在专家系统中，这种学习方式是几乎必不可少的。2 5 3数据库数据库是专家系统中用来存放运行过程中所需的初始信息和推理所得的中间信息。对于调度命令票专家系统来讲，它应该存放电力系统类调度管辖范围内变电站的电气资料，操作元素，变电站主接线图，与电气操作有关的知识四川大学工程硕士学位论文( 2 0 0 4 )以及在专家系统推理过程中所产生的与结果有关的中间信息等。2 5 4规则库规则库用来存放专家系统运行过程中对每一个模块都有指令意义的规则，以确保该部分功能的实现。一般是由“如果，那么”等一系列规则组成。例如在调度命令票专家系统中的：如果要停用主变，那么就要停用i o k v 出线，或者合上i o k v 母联9 3 0 开关。事件表达式式一种合法的逻辑公式，它要求专家系统推理出的结果要满足该规则。四川大学工程硕士学位论文( 2 0 0 4 )第三章系统分析3 1 面向对象的程序设计方法面向对象技术和方法o o p ( o b j e c to r i e n t e dp r o g r a m m i n g ) 是7 0 年代提出，8 0 年代发展，9 0 年代趋于成熟的。面向对象的方法是一种分析方法，设计方法和思维方法。其基本思想是：对问题空间进行自然分割，以更接近人类思维的方式建立问题域模型，以便对客观实体进行结构和行为模拟，从而使设计出的软件尽可能直接地描述现实世界，构造出模块化，可重复使用，维护性好的软件。面向对象技术以其独特的封装性，继承性和多态性为软件工程带来了一场变革。同以前的结构化技术相比，它能更好地抽象现实世界，软件开发效率高，软件运行可靠，软件调试，维护和扩充方便等优点。面向对象技术在越来越广泛的软硬件领域得以发展，如面向对象数据库、面向对象操作系统、面向对象开发环境、面向对象计算机体系结构等。面向对象技术将成为新一代的占主导地位的软件工程技术。成都电业局调度命令票专家系统就是利用面向对象的编程技术，以数据库为开发平台实现的。3 1 1 面向对象的概念面向对象方法认为系统是一系列彼此独立却又互相联系的实体一一对象组成。对象间通过消息传递和数据关联( 数据流) 实现相互联系。从面向对象的观点来看，系统是一个由所有对象组成的有机体。各个对象并不关心别的对象在干什么，能干什么，它只关心的是自己能干什么。它采用了不同的视角看待系统。它认为对象本身就是一个具有一定状态保持和实施动作能力的实体，因此最终系统的功能体现在对象所具有的操作和通过消息机制的组合，而数据流则体现在对象对于状态的保持和对象间的数据关联和消息参数上。面向对象模型中看不到功能处理，看不到明显的数据流。因此，我们可以看出面向对象方法是一个全新的方法，它使对象是同时具备静态和动态特性，这使得该方法从一开始就从整体的角度来对待系统的静态和动态特性。面向对象分析方法的目标是识别对象和对象间的关系，并定义对象应具有的状态保持和动作能力。面向对象方法一般都提供一种解决规模复杂性的机制，四川大学工程硕士学位论文( 2 0 0 4 )我们可以统一地称为包。包将那些紧密相关的对象放置在一起，从而建立了层次化的系统视图，解决复杂性问题。其程序结构图如图3 1 所示。数据圈3 1面向对象分祈方法序结构图3 12 面向对