（机械设计及理论专业论文）连续采煤机滚筒设计专家系统研究.pdf

辽宁工程技术大学硕士学位论文 摘要 本文围绕专家系统的关键技术，对专家系统技术在连续采煤机滚筒设计 中的应用进行了研究与探索。本文主要做了以下几个方面工作：( 1 ) 将专家 系统技术引入连续采煤机滚筒中，提出了以分层次的面向对象知识库为核心 的o o e s c m d d 的总体结构方案。( 2 ) 将面向对象技术应用于o o e s c m d 的 知识表示中，有效的表达了滚筒设计中的知识。( 3 ) 对于滚筒设计中的相关 知识以对象的形式存入数据库中，便于查询，也可作为初学者的教育部分。 ( 4 ) 开发了知识库的管理系统，可以帮助用户，知识工程师和专家完成知识 的获取和知识库的查询。( 5 ) 利用专家系统设计了1 2 c m l 8 - 1 0 d 型连续采煤 机上使用的滚筒。通过完成以上工作，初步建立了专家系统的框架结构，完 成了知识库管理模块和设计模块为进一步开发实用的连续采煤机滚筒设计专 家系统奠定基础。 关键词：连续采煤机，滚筒，专家系统，面向对象，知识表示，知识获取， 推理机 本论文内容选自：大型工矿装备实验研究中心( 辽宁省高校重点实验室) 开放基金项 目：连续采煤机的截割性及其拟实研究 辽宁工程技术大学硕士学位论文 a b s t r a c t r e s e a r c ha n dd i s c o v e r yo ft h ee x p e r ts y s t e mt e c h n o l o g ya p p l i e di nt h e d e s i g no fc o n t i n u o u sm i n e r sd r u ma r ec a r r i e do u ti nt h i sp a p e r ，a sf o rt h ek e y t e c h n o l o g yo fe x p e r ts y s t e m t h ef o l l o w i n gw o r ki sd o n ei nt h i st h e s i s ：( 1 ) t h e t e c h n o l o g yo fe x p e r ts y s t e mi sa p p l i e di nt h ed e s i g no fc o n t i n u o u sm i n e r s d r u m ag e n e r a lo o e s c m d ds c h e m eo fs t r u c t u r ei s p r o p o s e dw i t h t h e h i e r a r c h i c a lo b j e c t - o r i e n t e dk n o w l e d g ed a t a b a s ea st h ec o r e ( 2 ) t h et e c h n o l o g y o fo b j e e t o r i e n t e di su s e di nt h ek n o w l e d g er e p r e s e n t a t i o no fo o e s c m d ，w h i c h m a k e st h e k n o w l e d g ei nt h ed e s i g no fd r u me x p r e s s e de f f e c t i v e l y ( 3 ) t h e k n o w l e d g ei s s t o r e di nt h ed a t a b a s ei nt h ef o r mo fo b j e c t ，i no r d e rt om a k et h e i n q u i r ye a s y i tc a na l s ob eu s e dt oe d u c a t et h eb e g i n n e r s ( 4 ) t h em a n a g e m e n t s y s t e mo fk n o w l e d g ed a t a b a s e i s d e v e l o p e d ，w h i c hc a nh e l pt h eu s e r s ，t h e k n o w l e d g ee n g i n e e r sa n dt h ee x p e r t st og a i na n di n q u i r et h ek n o w l e d g e ( 5 ) t h e d r u mu s e di nt h e12 c m18 - 10 dc o n t i n u o u sm i n e ri sd e s i g n e dw i t ht h ee x p e r t s y s t e m b yt h ew o r ka b o v e ，t h ef r a m eo ft h ee x p e r ts y s t e mi s e s t a b l i s h e d b a s i c a l l y ，a n dt h em o d u l a ro fk n o w l e d g em a n a g e m e n ta n do fd e s i g na r ef i n i s h e d t h i si st h ef o u n d a t i o no ff u r t h e rd e v e l o p m e n to fp r a c t i c a le x p e f ts y s t e mo f c o n t i n u o u sm i n e r sd r u m k e y w o r d s ：c o n t i n u o u sm i n e r ，d r u m ，e x p e r ts y s t e m ，o b j e c t - o r i e n t e d ，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 ea c q u i s i t i o n ，r e a s o n i n ge n g i n e 辽宁工程技术大学硕士学位论文 创新点声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果： 本论文的有如下创新点：( 1 ) 目前国内首次将专家系统引入连续 采煤机滚筒设计中来。( 2 ) 针对设计的不同阶段建立了面向对象的分 阶段的知识库和推理机，使知识库的建立更符合连续采煤机滚筒设 计的特点。 尽我所知，到目前国内外文献未见报道。 作者： 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 连续采煤机滚筒设计专家系统的开发背景 1 1 1 连续采煤机在国外的发展和地位 自从1 9 4 9 年美国利诺斯公司将一个可摆动的落煤截割头安装在装煤机的 机身上，实现了割煤、落煤和装煤工序的连续作业一一形成了连续采煤机的 雏形。经过不断发展至今，连续采煤机已经发展到集破煤、落煤、装运、行 走、电液系统和锚掘于一身联合机组1 1 , 2 1 。 ， 在世界先进产煤企业中连续采煤机占有举足轻重的地位。在美国8 0 年代 中期占井工产量的7 0 + 以上，近几十年来，受长壁综采的影响，连续采煤机的 开采量有所减少，仍占井工煤炭总产量的5 3 左右。国外十大煤炭企业中有美 国的阿齐煤炭公司( 美国第二大煤炭公司) 、英国的r j b 采矿有限公司( 欧洲 最大的煤炭公司) 和南非的英格威煤炭公司三家公司使用不同型号的连续采 煤机进行开采，产煤量约占总产量的2 0 以上【4 l 。 1 1 2连续采煤机在我国的地位和发展前景 自从1 9 7 0 我国开始引进连续采煤机至今，连续采煤机已经作为我国煤炭 开采机械中不可缺少的一员，并且发挥越来越大的作用。2 0 0 0 年8 月大柳塔 矿连采二队掘进工作面的平均月迸尺在2 2 0 0 米以上，最高月进尺为3 2 7 2 9 米。2 0 0 1 年8 月份上湾矿连采一队，在旺格维利回采工作面配备，最高月产 创1 6 8 2 万吨的好成绩，两者均刨出当年全国第一，世界一流的水平。2 0 0 2 年榆家梁煤矿用1 2 c m l 8 一i o d 连续采煤机和运煤车进行断面掘进月进尺2 7 0 5 米，创造了当年世界记录。同年，该矿用连续采煤机与连续运输系统等设备 配套，在短壁综采工作面年生产原煤2 1 9 万吨；用连续采煤机与运煤车等设 备配套，在短壁综采工作面年生产原煤1 0 1 万吨，均创造了同类机型2 0 0 2 年 的世界最好成绩，工作面回采率达7 0 以上，节约了宝贵的煤炭资源【5 t6 1 。2 0 0 3 年1 月上湾矿使用连续运输系统作为连续采煤机的配套设备实现在煤巷掘进 中4 6 5 6 米的好成绩1 7 】。 生产实践证明，连续采煤机短壁机械化开采具有许多优点，其适用范围 广，能够在地质构造复杂而无法正规综采或普采的不规则块段、边角块段、 辽宁工程技术大学硕士学位论文 2 煤田残采区、煤柱回收及“三下”地区采煤【引；初期投资小，资金回收率高， 购买连续采煤机及其配套设备的费用仅为综采设备的6 0 左右；连续采煤机组 可掘采多条平巷和工作面，准备工作量小，搬迁方便省时( 一般约6 至8 小 时) ，集采、掘、装于一体，适应能力强；具有全液压控制系统和先进的故 障诊断系统，操作灵活方便、安全可靠；大自重有利于增强机器截割时的稳 定性；大功率有利于克服机器运行中的阻力；成本低、效率高，吨煤成本一 般低于普采，具有相当于长壁综采水平的工作效率，但煤矿工人的劳动强度 却低于综采劳动强度。由于连续采煤机的以上有点结合我国的实际情况，可 以预测未来连续采煤机在我国有十分广阔的应用前景。 1 1 3连续采煤机滚筒及其研究现状 滚筒是连续采煤机的重要组成部分之一，滚筒一般有左滚筒、右滚筒和 中间滚筒三部分组成，其中左右滚筒是对称的。滚筒是连续采煤机开采煤层 的直接执行机构，同时也承担落煤和装煤的部分工作，且消耗了连续采煤机 的大部分功率。在连续采煤机工作时，滚筒截割的煤层具有不均匀性、性质 多变、很大的随机性使其工作条件相当恶劣，且处于悬臂状态，使滚筒受力 复杂，载荷变化大，这将引起整机的较大振动，从而降低了机器传动件和连 接件的使用寿命，影响了机器工作的可靠性，并且增加了维修工作量和吨煤 成本。在对连续采煤机其它部分进行设计时都要参照滚筒的截割煤壁的各项 指标，因此说滚筒的设计是整机设计的基础。 目前国内外对连续采煤机滚筒设计研究主要集中在滚筒截割性能模型的 建立，包括载荷模型、截割煤炭质量模型、比能耗模型等，以及利用所建立 的模型进行计算机仿真，模拟出滚筒的各参数对上述各模型的影响，并且用 实验检验所建立的模型【乳1 8 】。虽然建立了评价滚筒性能和各参数对截割性能 影响的数学模型，但是在滚筒设计中还是无法量化确定滚筒的每一个参数， 还大量依赖滚筒设计专家的经验进行滚筒具体设计。目前以出现了大量的机 械设计专家系统从方案设计到具体零件设计，几乎涵盖了机械设计的各个领 域，并且取得了一定的效果，但是又都存在着某些不足t t 9 3 4 】。专家系统技术 在采煤机滚筒设计上有一定应用，取得了较好的效果，但是连续采煤机滚筒 辽宁工程技术大学硕士学位论文 3 设计专家系统还没有出现。 1 2连续采煤机滚筒设计专家系统的开发内容和意义 面向对象的连续采煤机滚筒设计专家系统，简称o o e s c m d d ( o b j c o t - o r i e n t e de x p e r ts y s t e mf o rc o n t i n u o u sm i n e rd r u md e s i g n ) ，顾名思义应是一 个能进行各种连续采煤机设计、性能分析、方案评价，并能达到相当于连续 采煤机专家的水平。建立连续采煤机滚筒设计专家系统将具有如下意义； 1 )连续采煤机滚筒设计专家系统可以延伸滚筒设计专家的能力。因为 本系统从分利用计算机的高速度、大容量的优势，从而高效率、准确无误、 迅速且不知不疲倦的工作；本专家系统设计滚筒时可以不受环境影响，不受 时间、空间限制，从而可以高质量、高效率的完成滚筒设计，同时带来巨大 的经济效益和社会效益。 2 )连续采煤机滚筒设计专家系统能汇集滚筒设计领域多个专家的知识 和经验。每个滚筒设计专家在设计滚筒时可能有不同的意见。建立专家系统 有助于分析和评价专家知识的优劣，从而克服个别专家的局限性，互相合作 解决问题，提高滚筒设计领域的发展水平。 3 )连续采煤机滚筒设计专家系统作为一种实用的工具，提供了对滚筒 设计专家宝贵知识的保存、传播、使用、和评价的一种有效手段。滚筒设计 专家本来很少，随着专家年龄增高和死亡，他们的知识能否得到继承，直接 关系到滚筒设计领域工作效率或领域发展水平。因而，保存和传播专家的知 识，无疑是一项有重要意义的工作。 1 3 论文的主要工作 显而易见o o e s c m d d 建立过程的难度与工作量都是巨大的，不可能一 步完成，而只能逐步进行。因此先就滚筒截齿排列这部分建立具有专家系统 总体框架与基本功能的模型，在此过程中研究系统的研制方法，解决其中的 关键技术问题，然后在此原型的基础上进一步扩充完善，逐步建立实用的连 续采煤机专家系统。本课题主要建立具有总体框架与基本功能模块的模型， 包括系统的总体结构、知识库系统的设计( 知识表示、知识库的组织、推理机 辽宁工程技术大学硕士学位论文4 的设计) 、人机界面等，为以后建立实用复杂的连续采煤机滚筒专家系统奠定 基础。 1 )将专家系统技术引入连续采煤机滚筒中，提出了以面向对象的知识 库为核心的o o e s c m d d 的总体结构方案 2 )研究各种知识表示方法，分析并归纳专家经验知识的特点，对知识 进行分类，采用面向对象的方法表示知识，设计并实现了独立的、开放的、 可维护的知识库。 3 ) 研究推理控制策略，包括推理方向、搜索策略和冲突消解法等，设 计并实现了以对象类为依托的面向对象的推理机。 4 )根据专家系统的建造原理和技术，创建了专家系统的主控界面、相 关参数设置对话框。用户可以格局自己的需要进行初始参数输入、设计结果 分析、设计结果修改等操作，为用户提供了灵活性的操作和友好的界面。 5 )利用v i s u a lc + + n e t 结合m a t l a b ，将滚筒设计中大量的数值计算 放在m a t l a b 中计算，并且用m a t l a b 绘制了相关图形。 6 )利用v i s u a lc + + n e t 结合p r o t o o l k i t 完成了滚筒截齿排列的三维 建模 7 )以w i n d o w sx p 为平台，使用面向对象编程工具v i s u a lc + + n e t 编制了大量的源程序，实现专家系统。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 5 2专家系统开发中应用的主要技术 2 1专家系统概论 专家系统也称为基于知识的系统，是人工智能的一个最为重要的应用领 域。专家系统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f 2 1 1 。 2 1 ，1专家系统的一般结构 专家系统一般应包含知识库( k n o w l e d g eb a s e ) 、推理机( r e a s o n i n g m a c h i n e ) 、综合数据库( g l o b a ld a t a b a s e ) 、解器( e x p l a n a t i o ns y s t e m ) 、知识获 取程序( k n o w l e d g ea c q u i s i t i o n ) 、人机接口( m a n - m a c h i n ei n t e r f a c e ) 等功能模块 其一般结构如图2 。1 所示【1 。 图2 一i 专家系统一般结构 专家系统一般结构中各模块的功能和作用简述如下1 2 0 1 1 )知识库：知识库是用以存放领域专家提供的专门知识这些专门知 识包括与领域相关的书本知识、常识性知识以及专家凭经验得到的试探性知 识知识库是建立专家系统的中心任务。 2 )推理机：推理机用于记忆所采用规则和控制策略的程序，使整个专 家系统能够以逻辑方式协调的工作，推理机能够根据知识进行推理和导出的 结论，而不是简单地搜索现成的答案。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 6 3 )综合数据库：综合数据库用于存放关于问题求解的初始数据、求解 状态、中问结果、假设、目标以及最终求解结果。 4 )解释器：解释器可以根据用户的需要，对系统给出的结论、求解过 程以及系统当前的求解状态提供说明，便于用户理解系统的问题求解，增大 用户对求解结果的信任度，在知识库完善过程中便于专家或知识工程师发现 和定位知识库中的错误，便于领域专业人员或者初学者能够从问题求解中得 到直观的学习。 5 )知识获取程序：知识获取程序是在专家系统知识库建造过程中用以 部分代替知识工程师进行专门知识的自动获取，实现专家系统的自学习，不 断完善知识库。 6 )人机接口：入机接口可以将专家或用户输入信息翻译为系统可接受 的内部形式，把系统向专家或用户输出的信息转换成人类易于理解的外部形 式。 2 1 2专家系统的基本特征 专家系统是一个基于知识的系统，它利用人类专家提供的专门知识，模拟 人类专家的思维过程，解决对人类专家都困难的问题，它应具备以下三个显 著的特征9 】： 1 )启发性：不仅能使用逻辑知识，也能使用启发性知识，它运用规范 的专门知识和直觉评判知识进行判断、推理和联想，实现问题求解。 2 )透明性；它使用户在对专家系统结构不了解的惰况下，可以进行相 互交往，并了解知识的内容和推理思路，系统还能回答一些有关系统自身行 为的问题。 3 )灵活性：由于专家系统的知识和推理机的分离，使系统不断接纳新 知识，调整有关控制信息和结构，确保推理机和知识库的协调，同时也便于 系统的修改和扩充。 2 1 3专家系统的分类 专家系统可以按许多不同的方法来分类t 2 都。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 7 按照应用领域来分类，如化学专家系统、医疗专家系统、气象专家系统、 地质专家系统、数学专家系统、物理专家系统生物专家系统、法律专家系统、 教育专家系统、工业专家系统等； 按照知识表示技术分类，如基于逻辑的专家系统、基于规则的专家系统、 基于语义网络的专家系统、基于框架的专家系统、面向对象的专家系统等。 按照所处理问题的类型分类，人把专家系统分为如下十种类型；解释 ( i n t e f p f e t a t i o n ) 型、预测( p r e d i c t i o n ) 型、诊断( d i a g n o s i s ) 型、调试( d e b u g g i n g ) 型、教育( i n s t r u c t i o n ) 型、维修( r e p a i r ) 型、规划( p l a n n i n g ) 型、设计( d e s i g n ) 型、监督( m o n i t o r i n g ) 型、控制( c o n t r 0 1 ) 型。以上十种类型并非完全独立，不 同类型之间往往相互关联，形成一种由低到高的层次结构。 2 2 专家系统的知识表示 知识是人类在改造世界的实践中所获得的认识和经验的总和，它是人类 进行一切智能活动的基础。在专家系统的设计中所研究的知识是指对学科领 域的理解。对于什么是知识，目前还没有统一的定义，比较有代表性的定义 方式有 2 3 1 ： 1 )e a f e i g e n b a u m 定义：知识是经过整理、加工、解释和转换的信息。 2 )b e r n s t e i n 定义：知识有特定领域的描述、关系和过程组成。 3 )f h a y e s r o t h 定义：知识= 事实+ 信念+ 启发式。 从专家系统的角度知识可分为如表所示的不同类型【1 9 】 a )过程性知识：描述如何解决问题。这类知识提供如何做事的建议。 b )陈述性知识：描述问题相关的已知信息。这包括断定为真和断定为 假的简单语句。这也包括一组更完整地描述一些对象的或概念的语句。 c )元知识：描述有关知识的知识。这类知识用来精选最适合问题求解 的其它知识。专家系统利用这类知识向最由希望的区域推理，以增强问题求 解的效率。 由启发式知识：米描述引导推理过程的拇指规则。启发式知识常称为 浅知识。它是经验性的，并且表示专家系统通过求解过去问题的经验编译知 识。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 8 e )结构知识：描述知识的结构。这类知识描述专家对此问题的整体智 力模型。专家智力模型由概念、子概念和对象组成，是这类知识的典范。 目前已经研制出了多种知识表示方法，常用的有：产生式规则表示法、 框架表示法、逻辑谓词表示法、语义网络表示法、过程表示法、脚本表示法 等f 2 1 】： 2 3 推理与控制策略 推理是根据一定的原则( 公理或规则) 从已知的事实( 或判断) 推出新的事 实( 或另外的判断) 的思维过程。其中推理所依据的事实叫做前提( 或条件) ，由 前提所推出的新事实叫做结论。在专家系统中，推理是以知识库中已有的知 识为依据，是一种基于知识的推理。基于知识推理的计算机实现就构成了推 理机z 9 。知识库和推理机是一个专家系统的核心部分。 2 3 1推理机的推理方式 1 )演绎推理与归纳推理 演绎推理是从一般较大的前提推出一般较小的结论的推理。 能生育知识。 归纳推理是从一般较小的前提推出一般较大的结论的推理。 是由个别到一般，归纳推理一般能生殖新知识。 2 )精确推理与不精确推理 演绎推理不 其思维过程 精确推理是指前提与结论之间有确定的因果关系，并且事实与结论都是 确定的。演绎推理是精确推理。精确推理所使用的己知数据和知识是完整的、 精确的，推理所得到的结论同样也是正确的、可靠的。但是人类知识中，有 一类属于人们的主观判断，是不精确的和含糊的。另外，为了推理而收集的 事实和信息也往往是不完全的和不精确的。因此，由这些知识归纳出来的推 理知识也往往是不精确的，基于这种不精确的推理知识进季于推理，形成结论 称为不精确推理。 3 )单调推理和非单调推理 建立在谓词逻辑基础上的推理所得结果是单调的 辽宁工程技术大学硕士学位论文 9 由于人们对周围世界中各种事务的认识、信念和看法，是处于不断变化 和调整之中的人类通过推理在获取知识( 某种结论) 时，往往是在情况不断变 化或对客观事务所掌握的信息不完全的情况下迸行的，因而，获得新知识时， 对原有知识可能要加以修改，甚至抛弃。这种推理时非单调的。 2 3 2推理机的推理控制策略 1 )正向推理 正向推理也称为自底向上控制、数据驱动控制、前向链推理、模式制导 推理和前向推理等。正向推理是从已知事实的一个初始状态到目标状态的推 理过程，推理前，需要用户事先提供一批事实，并放入事实库。在推理时， 正向推理机不断将这些事实和规则的前提条件进行比较，将匹配成功规则的 结论作为新的事实存在事实库中，直到没有被匹配的事实为止。正向推理可 以给定目标状态来控制推理结束。 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反应。其不足之处为知识启用与执行似乎漫无目标，求 解当中可能要执行许多与问题求解无关的操作，导致推理过程的低效率1 1 9 。 2 )反向推理 反向推理也称为从顶向下控制、目标驱动控制、后向链推理、目标制导推 理和后向推理等。逆向推理是从己知目标出发，然后试图寻找支持结果的事 实，如果这些事实得不到满足，则将这些事实作为新的假设，继续寻找新的 支持事实，直到所有的假设都得不到满足，推理才算失败。 反向推理控制策略的优点是推理过程的方向性强，不用寻找和不必使用那 些与假设目标无关的信息和知识。这种策略对它的推理过程提供明确解释， 告诉用户它所要达到的目标以及为此而使用的知识；另外，这种策略在解空 间较小的闯题求解环境下尤为合适。这种策略的不足之处是初始目标的选择 较为盲目，不能通过用户自愿提供的有用信息来操作。有解空间较大，用户 要求作出快速输入响应的问题领域，反向推理策略难以胜任l i ”。 3 )混合推理 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 辽宁工程技术大学硕士学位论文 l o 方法，其思想为：先使用正向推理帮助选择初始目标，即从已知事实演绎出部 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的更多信息，再正向推理，求得更接近的目标，如此 反复正向推理一反向推理这个过程，直至问题求解为止f 1 9 】。 2 4 面向对象方法概述 2 4 1面向对象的基本概念 面向对象是针对“面向过程”提出的，就是将现实世界的实体抽象为程 序中的一个封装好的对象类，用一组数据( 属性) 描述它的特征，并且支持一组 对它旌加的操作( 方法或事件) 。面向对象的关键概念是过程与数据的连接。 这个概念改变了传统程序中数据和程序分隔的状态p ”。 面向对象的方法是将现实世界中的对象和它的行为( 对它的操作) 作为一 个整体来考虑，用对象这个概念来完整反映客观事物的静态属性和动态属性； 通过抽象对象，设置属性，控制方法或事件，将其转化为程序设计中所要求 的对象类；其设计的思想是定义对象及建立对象问的通信系统，关心的是“做 什么”。故程序设计的范式是“对象十消息”，即程序系统中只有对象和消 息两个概念，“对象”是构造软件的基本组件，消息是对象之间通信的手段 【2 3 ，2 4 1 。 2 4 2面向对象系统的特征 面向对象系统最突出的特性就是封装性、继承性和多态性【3 7 1 。 1 ) 封装性( e n c a p s u l a t i o n ) 从字面上理解，封装就是将事物包起来，使外界不知道其实际内容在 程序设计中，封装就是将一个实体的属性( 数据) 和操作( 程序代码) 集成为一个 对象整体。封装提供了对象行为实现细节的隐藏机制，用户只需根据对象提 供的外部特性接口访问对象。 2 ) 继承性( i n h e r i t a n c e ) 继承性是父类和子类之间共享数据和方法的机制，是类之间的一种关系。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 在定义和实现一个类的时候，可以在一个己经存在的类的基础之上进行，把 这个已经存在的类所定义的内容作为自己的内容，再加入若干新的内容。继 承性是面向对象程序设计语言不同于其他语言的最主要的特点。 3 ) 多态性( p o l y m o r p h l i s m ) 在收到消息时，对象要予以响应。不同的对象收到同一消息可产生完全 不同的结果，这一现象叫做多态。在使用多态时候，用户可以发送一个通用 消息，而实现的细节则由接收对象自行决定。这样，同一消息可以调用不同 的方法。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 2 3连续采煤机滚筒设计专家系统 3 10 0 e s c m d d 开发的基本步骤 虽然现在专家系统还没有一种规范化的开发步骤，但总结已开发出的较 成功专家系统的经验结合滚筒设计的特点，提出了0 0 e s c m d d 的开发步骤。 开发o o e s c m d d 大致经历了如下阶段：准备阶段、研究问题、建立模型系 统、改进和扩充系统，测试和维护 1 )准备阶段：首先要确定连续采煤机滚筒设计和知识工程师。这里以 我国几名著名滚筒设计专家与研究方面的教授作为本系统专家知识的主要来 源，以鸡西煤机厂等单位滚筒设计方面的工程硕士作为专家知识的辅助来源， 以我作为本专家系统的知识工程师。经几方探讨研究决定开发出一个连续采 煤机滚筒设计方面的专家系统。 2 )研究问题：由我跟几位专家详细讨论滚筒设计领域的特点，获取专 家解决问题的方法及所使用的术语。在此阶段完成的工作为：a ) 把滚筒设计 这个大任务分解为若干子任务，根据子任务的难度和本人的时间及能力，首 先实现滚筒截齿排列这个子任务，其它各子任务根据实际情况决定是否实现。 b ) 确定出本专家系统是应该是在w i n d o w s 平台上使用单机班专家系统。 3 )整理知识：在问题求解范围和所需的各种资源确定后，双方就可以 着手整理领域专家解决问题所需的知识和概念由于专门知识在专家的头脑 中并没有很好的组织，一定要知识工程师和专家一起整理知识。知识工程师 通过参加知识的抽取工作，了解专家求解问题的过程和及其使用的方法，可 以更深刻的了解应用领域的特点。 4 )建立模型系统：在抽取了应用领域中的一些重要概念和知识并且仔 细地研究了至少一个典型实例的求解过程之后，知识工程师即可以着手设计 和实现一个模型系统。在设计和实现模型时不必追求系统尽善尽美，尤其是 不要追求知识库的完善；保持模型系统的简单化；开发一些简单的辅助功能， 如简单的知识获取功能等。 5 ) 改进与扩充：一旦模型系统通过测试，说明知识工程师所采用的方 案和技术是可行的。知识工程师和专家就可以全面开展系统开发和知识获取 辽宁工程技术大学硕士学位论文 工作。此阶段的主要工作有：完善推理机制，扩充解释功能和知识获取功能， 增加知识库中的知识，开发系统的测试工具，用更多的实例检测系统运行的 结果，不断修改系统并完善知识库 6 ) 测试与维护：测试的目的是对系统进行性能评估，并对系统进行适 当修改，使之符合专家定义的标准、领域专家在对系统性能评定时，帮助知 识工程师修改系统。维护也是不断进行的，使系统尽可能完善，解决在系统 运行时出现的各种问题。 3 2 0 0 e s c m d d 设计思想和功能要求 3 2 1 设计思想 为了建立出功能强大的o o e s c m d d ，提出了o o e s c m d d 的设计思想如 下： 1 ) 滚筒设计是在功能、原理、方案、结构型式基本确定的情况下，根 据用户不同的需要，对现有产品的结构配置和尺寸加以改变，使之适应于量 的方面所有变更的要求，即变异设计。根据这一特点，首先考虑建立一个滚 筒变异设计的专家系统整体模型，用此模型来整合专家系统的各个模块，使 各模块之问能协调工作。 2 ) 滚筒设计的过程是选择原型一一设计一一分析一一再设计这四个阶 段不断交瞽执行的过程，直到设计出满意的滚筒为止。根据这一特点，针对 以上每个阶段分别建立了连续采煤机滚筒参数库，滚筒设计知识库，结果分 析知识库，结果修改知识库。分别建立了与每个知识库对应的推理机和解释 器按照面向对象的思想，将每个阶段的知识库，推理机和解释器封装在一 个类中，使该类的对象作为一个能独立完成该阶段设计任务的模块。 3 ) 连续采煤机滚筒设计中涉及大量的知识，知识的类型又不相同，其 中包括陈述性知识、过程性知识、启发式知识、结构知识等。对这些知识采 用合理的表示方式和运用面前对象技术，将其封装成类的对象，储存在知识 库对象中，并且根据所应用的阶段，将其添加到该阶段的知识库类中。在知 识库类中实现对知识管理维护功能 4 ) 专家系统不仅要拥有知识，还要有运用知识解决问题和对求解过程 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 4 解释的能力。根据不同阶段知识库中的知识表示和内容不同，开发针对该知 识库的高效推理机和解释机，并将其封装在该知识库类中，实现对该阶段求 解过程推理和解释。 5 ) 由于滚筒设计涉及的概念多、参数多、求解过程复杂，为了帮助用 户更好的了解滚筒设计相关知识和专家系统的求解方式，专门开发了一个相 关知识知识库，可以作为教育型专家系统，方便用户对相关知识的查阅。 3 2 2对0 0 e s c m d d 提出的功能要求 借鉴一般设计型专家系统实现的功能基础上，对o o e s c m d d 提出如下 要实现的功能： 1 ) 设计原型选择功能：根据用户输入的设计要求，从连续采煤机滚筒 参数库选择出与用户输入要求最相符合的滚筒对象，作为滚筒设计原型。 2 ) 滚筒设计功能：在用户输入或者设计原型选择后，对滚筒具体参数 进行设计，直到滚筒设计完成。 3 )结果查询与分析功能：在滚筒设计或者结果修改后，实现对设计结 果具体参数查询和相关图形显示；实现与滚筒性能有关的各种指标查询和图 形的显示。 4 )结果修改功能：如果用户对设计完成的滚筒某些具体参数或者某些 评价指标不满，可以应用该功能设置具体参数或优化指标，使系统重新对滚 筒进行设计。 5 )滚筒设计相关知识查询功能：用户可以利用该功能对与滚筒设计有 关的知识进行查询和系统的相关知识进行查询，帮助用户掌握相关知识。 6 )知识库的管理功能：用户使用该功能可以方便的查询知识库中的知 识和了解知识库的结构；知识工程师或专家应用该功能可以高效的进行知识 库的扩充和维护，以能更有效地提高系统的问题求解能力及准确性 7 )人机接口功能：系统提供一种人机接口，既便于用户使用，同时又 能分析、理解用户的各种请求。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 3 30 0 e s c m d d 的总体结构 3 3 10 0 e s c m d d 的总体结构图 根据o o e s c m d d 的设计思想、将实现的功能要求和专家系统的一般结 构提出了o o e s c m d d 的总体结构图如图3 一l 所示。图中对o o e s c m d d 设 计部分采用了分阶段的构造方式，将设计过程分为四个即相互独立又相互联 系的四个模块。这四个模块分别为滚筒原型选择模块、滚筒设计模块、结果 分析模块、结果修改模块。 图3 一l 连续采煤机滚筒设计专家系统结构 3 3 2各模块的基本功能和特点 本系统由知识库、推理机、黑板、知识库管理系统、解释程序、人机接 口等模块组成各模块的基本功能和特点如下： 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 6 1 ) 知识库：o o e s c m d d 的知识库分为五个部分，它们分别是连续采 煤机滚筒参数库、滚筒设计知识库、结果分析知识库、结果修改知识库、相 关知识知识库。 现存连续采煤机滚筒参数库中存放着大量已经在连续采煤机上成功使用 滚筒的具体参数。这些滚筒参数主要来至久益公司、d b t 公司、菲尔奇公司 生产的连续采煤机上面所使用的滚筒，并且这些滚筒已经在我国的部分矿井 取得了良好的使用效果。 滚筒设计知识库是本专家系统的核心知识库，其中存放着与滚筒设计有 关的大量知识，这些知识是滚筒设计专家在长期的滚筒设计中取得的，其中 包括启发性知识、描述性知识、过程性知识。 结果分析知识库中存放着对设计完或修改完的滚筒进行各种分析评价的 知识。这些知识主要是过程性规则，其分析评价的内容主要包括：单齿瞬时 切屑厚度的分析，滚筒瞬时载荷的分析及波动系数分析，滚筒截割比能耗的 分析，煤炭品级的分析，产尘量的分析。 结果修改知识库中存放着对设计完的滚筒进行两种不同修改的知识一 种是用户对滚筒的某些具体参数不满意要进行修改所需要的知识，另一种是 用户对滚筒的某些评价目标不满意需要进行优化所需要的相关知识。这些知 识可以很好的帮助用户对已设计完成滚筒的进行修改。 相关知识知识库中存放着与滚筒设计和本系统的有关知识，其中包括滚 筒设计有关的相关概念，滚筒设计的过程，与滚筒设计有关的数值计算和 o o e s c m d d 的使用帮助等。 滚筒设计的过程：首先根据整机的设计要求，从现存连续采煤机滚筒中 选择一个与当前设计要求最相符合的滚筒作为原型；对其进行具体参数设计； 进行相关的分析评价t 对不满意的对方进行修改，直到满意为止。本系统将 设计知识库分成四个部分，充分体现了滚筒设计的特点。由于知识库分为五 个部分，大大降低了设计的不同阶段使用知识的规模，必然增加系统的执行 效率；由于采用面向对象技术，将设计每个阶段中的所用的知识库、推理机 和解释器都封装在该阶段的知识库类中，使每个类的对象都成为一个功能完 善的自主机，增前了系统的模块性；由于每个知识库对应一个具体的设计过 辽宁工程技术大学硕士学位论文1 7 程，使知识库建立的目的性更强，更加便于提取专家的知识。 2 )黑板：用于存放滚筒设计的初始数据、求解状态、中间结果及最终 求解结果。在此黑板中各种知识以数组的形式存储，便于修改，查询和管理。 3 ) 推理机：与滚筒设计过程相对应本系统的推理机也分为四个部分， 分别为匹配过程推理机、滚筒设计推理机、结果分析推理机、结果修改推理 机。 匹配过程推理机主要作用是把用户的要求和现存连续采煤机滚筒参数库 作匹配，计算其适应度，并且保存在匹配度数组中，等所有匹配都作完了， 在匹配度数组中找出最匹配的作为滚筒原型。 滚筒设计推理机、结果分析推理机和结果修改推理机的作用分别是在正 向推理的控制下针对黑板中的当前信息，分别识别和选取滚筒设计知识库、 滚筒分析知识库，滚筒修改知识库中对当前问题求解有用的知识进行推理。 4 ) 解释程序：解释程序与其对应的推理机紧密结合，把系统运行过程 中的重要的知识点告知用户，便于用户对问题求解过程的理解，便于专家发 现系统的不足。 5 )人机接口：本系统采用拆分窗口作为主界面，树视图作为拆分窗口 的左视图，以滚动视图作为拆分窗口的右视图，以对话框作为辅助界面。用 户的所有宏观操作都在树视图中完成，具体操作在弹出对话框中完成，右视 图及时反映用户对系统的操作或系统对求解的解释。这种接口具有操作方便 灵活，界面友好的特点。 3 40 0 e s c m d d 的开发环境及其语言的选择 专家系统是人工智能最活跃的一个分支，它与人工智能各个分支一样最 终都要落实到程序上，即程序设计。程序设计有赖于程序设计语言。程序设 计语言的选择不仅影响到建造速度，而且影响到建造专家系统的可行性。目 前国内外专家系统的开发语言很多。从这些开发语言的开发背景、开放目标、 开发机制和推理机制提供的功能等，可将开发语言分为四类：程序设计语言、 骨架系统、通用型工具和组合型工作。下面对这四种开发语言分别介绍【2 3 】： 1 )程序设计语言：常用的有l i s p 、p r o l o g 、c 、p a s c a l 等。 辽宁工程技术大学硕士学位论文1 8 2 ) 骨架系统：骨架系统是最早出现的专家系统开发工具，其基本思想 是：从一个已研究成功的专家系统出发，抽去该系统知识库中的专门知识， 留下一个固定化的知识表示框架及其相应的推理机制，知识获取机制和解释 机制。当骨架填入另一个领域的专门知识，就实现了一个新的专家系统 3 )通用型工具是一类把控制知识作为一种显示知识同知识库级知识一 样进行表示和推理的专家系统开发工具。比较有代表性的有o p s 5 、s 1 、o r s i e 等。 4 ) 组合型开发工具是从一类任务中分离出知识工程中所用的技术，并 构成描述这些技术的多种类型的推理机制和多种任务的知识库的预构件 这里采用了m i e r o s o f tv i s u a ls t u d i o n e t 与m a t l a b 相结合的开发环境。 m i c r o s o f tv i s u a ls t u d i o n e t 对于开发人员而言，n e t 是一个完美的开发平 台。它提供了一套公共的运行库，并制定了一套公共的语言规范，所有符合 该规范的语言都可以无缝使用这套运行库。在n e t 平台下，除了语法上的区 别，各种编程语言没有本质的不同。它们共享公共类库，具有类似的编程模 型和相差无几的功能。开发人员可以自由的选择自己喜爱的语言开发程序。 n e t 平台提供了大量的服务，包括垃圾自动收集、面向对象的多线程、基于 程序集的部署、异常处理、特性编程、远程处理、a s p n e t 网页框架、互操 作、安全性等，使开发人员可以快速构架任何应用，从传统的桌面应用到面 向w e b 的大型分布式应用，应有尽有 3 8 4 0 。 选择m i c r o s o f tv i s u a ls t u d i o n e t 、m a t l a b 和p r o t o o l k i t 相结合的开发环 境主要出于以下几方面的考虑：与基于其它程序设计语言的环境相比v c + + 提供了强大的接口功能，这有利于在此基础上开发的专家系统与其它c a d 、 c a e 、c a m 软件的结合，从而达到设计，分析，制造相结合。v c + + 提供 灵活的编程环境，在此环境下可以实现对不同知识表示方法的不同组合，以 适应不同领域知识的特点。面向对象技术( o o p l ，0 b j e c t o r i e n t e d p r o g r a m m i n g l a n g u a g e ) 是以后建立专家系统的趋势，v c + + 完全支持面向对象 技术。v c + + 在易于界面的开发，为专家系统提供友好的用户界面。m a t l a b 拥有强大的计算能力，可以为专家系统提供有力的数值计算和图形绘制功能。 p r o e 在我国有广泛的应用且功能强大，可以为专家系统提供强大的三维建模能力 辽宁工程技术大学硕士学位论文1 9 4 连续采煤机滚筒设计专家系统知识库的设计 4 1 滚筒设计的相关知识 由于滚筒设计的优劣需要用滚筒性能的评价指标来衡量，这些评价指标 模型的建立就成为滚筒设计不可缺少的环节。下面分别介绍这些评价指标的 数学模型的建立。 4 1 1 瞬时切屑厚度的计算 1 )截齿齿尖的截割轨迹线 假设截齿齿尖的运动轨迹为平面曲线。考虑滚筒的不均匀运动而做数值 计算时，假设该平面曲线为平面折线，如图4 一l 所示。 图4 1 瞬时切屑厚度示意图 b p l ， 图4 2 计算瞬时切屑厚度示意图 图4 1 中a a 为截齿a 的齿尖截割轨迹线，b b 为截齿b 的齿尖截割轨迹 线，截齿a 为超前截齿b 截割的截齿。截齿b 齿尖在所研究的当前时刻位于 p 点，此时螺旋滚筒的轴线位置为o 。 当截齿b 继续截煤时，折线b b 的b 端将沿着螺旋滚筒的截煤方向伸展， 而折线a a 的a 端由于b 截齿截煤的缘故将不复存在。若螺旋滚筒某截线上仅 有一个截齿，那么折线a a 则表示该截齿前一转形成的齿尖截割轨迹