（电力电子与电力传动专业论文）基于面向对象的图形化操作票专家系统的研究.pdf

西华大学硕士学位论文 三、引入图库一体化概念，利用关系数据库模型存储设备图形的属性参数 信息，开发出来的一次接线图绘图模块具有与图形数据库相互访问的功能，并 且数据库可以接受来自s c a d a 系统的实时数据。 四、对不同的用户赋予不同的访问权限，控制用户可以进行的各种操作， 限定访问哪些目录、文件和其他资源，建立起明确的责任机制，为系统提供责 权分明的有效保护，有剥于管理工作的标准化。 五、采用三层的c s 网络结构，提高了服务器的运行效率，网络负载得以 平衡，系统安全性也提高了。 六、除此之外，系统还具有其他辅助功能，如操作票查询统计、演示培训 世 专字0 。 关键字：操作票，专家系统，面向对象编程，计算机图形学，图库一体化 l l 蘸华大掌硕士学篷论文 r e s e a r c ho ne x p e r ts y s t e mo f g r a p h i c s a i d e d s w i t c hs e q u e n c eb a s e do no b j e c t - o r i e n t e d p o w e re l e c t r o n i c sa n de l e c t r i c a ld r i v e g r a d u a t e ：w a n gz h a n c h a os u p e r v i s o r ：w a n g h a i b i n p o w e ri n d u s t r yi st h eb a s i ci n d u s t r yo fc i v i le c o n o m ) ；a n di st h eo n eo f e c o n o m i cb a s eo ft h ec o u n t r y i t ss e c u r ew o r ki sr a t h e ri m p o r t a n tt ot h ed e v e l o p m e n t o fc i v i l e c o n o m y i nt h er u n n i n gp r o c e s so fp o w e rs y s t e m ，i tn e e d sd om a n y s w i t c h i n go p e r a t i o n sf o rd e v i c e se x a m i n e da n dt h en m n i n gw a yc h a n g e d + e r r o r o p e r a t i o n sb r o u g h tb ys w i t c h i n go p e r a t i o n sd o n ef r e q u e n t l yw i i lr e s u l ti nl a r g e r p e r c e n ta c c i d e n t s ，t h i sw i l lt h r e a t e nt h ep o w e rs y s t e mr u ng r e a t l y s w i t c hs e q u e n c e s y s t e mi sa l li m p o r t a n tm e a s u r ef o rp o w e rm a n a g e m e n td e p a r t m e n tt oa v o i dt h ee r r o r o p e r a t i o n sa n ds e c u r ep o w e r 西dr u ns a f e l y w i t ht h ed e v e l o p m e n to fp o w e rs y s t e m a n dt h ec o m p l e x i t yo fp o w e r 龋莲s t r u c t u r e ，i ti sv e r yd i f f i c u l tt ow r i t es w i t c h s e q u e n c ec o r r e c t l ya n dq u i c k l y 瑗。珏s l 甄t r a d i t i o n a lw r i t i n gw a yh a sn o tb e e nm e t t ot h ed e v e l o p m e n tn e e d so fp o w e rs y s t e mi nt h i ss i t u a t i o n s oan e ws w i t c h s e q u e n c es y s t e mi sn e e d e da st h ea i d e dt o o lf o ro p e r a t o r st op r o g r e s sp o w e r 群巷 d i s p a t c h e d + a c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i so ft h ee x i s t e ds w i t c hs e q u e n c ee x p e r ts y s t e m , t h e e x p e r ts y s t e mo fg r a p h i c sa i d e d s w i t c hs e q u e n c eb a s e do l l o b j e c t - o r i e n t e d 趣 p r e s e n t e dw i t ht h eo b j e c t - o r i e n t e dp r o g r a r m u i n ga n dt h et h e o r yo ft h ee x p e r ts y s t e m a n dc o m p u t e rg r a p h i c s ，t h ed a t a b a s eo fm i c r o s o f ts q ls e r v e r2 0 0 0a n dt h et o o lo f d e l p h i 6 。0 + t h ed i s t i n g u i s h i n gf e a t u r e so ft h es y s t e ma r ea sf o l l o w i n g s ： 1 。an e wk n o w l e d g er e p r e s e n t a t i o nc o m b i n i n gt h ep r o d u c es t y l er e p r e s e n t a t i o n a n dt h eo b j e c t - o r i e n t e dr e p r e s e n t a t i o ni sp r o p o s e di nt h ep a p e r , w h i c hf a c i l i t a t e s i i i 硼华大学硕士学位论文 m o d i f i c a t i o na n de x p a n s i o no fk n o w l e d g er i f l e sa n dr e d u c e st h ew o r k l o a do f 像e m a i n t e n a n c e f o r w a r di n f e r e n c ec o n t r o ls t r a t e g ya n dt h ed e e p p r i o rs e a r c hs t r a t e g y a r eu s e d t or e a l i z et h ei n f e r e n c ee n g i n e ，w h i c hi m p r o v e st h ee f f i c i e n c yo ft h e i n f e r e n c ee n g i n el a r g e l y 2 。t h eg r a p h i cc l a s so fd e v i c e si sd e s i g n e db yt h eo b j e c t * o r i e n t e dt e c h n o l o g ya n d f a c t o r ym e t h o d , w h i c hi m p r o v e st h er e u s ea n dm a i n t e n a n c eo f c o d e s o nt h eb a s i so f t h ec o n s t r u c t e dm o d e lo fg r a p h i cc l a s s ，m a n yf u n c t i o n so fg r a p h i c sa r ea c h i e v e db y t h ea i do fs o m ea l g o r i t h m so fc o m p u t e rg r a p h i c s ，s u c ha s ：s e l e c t i o n ，d e l e t i o n ， m o v e m e n ta n ds oo n 3 t h ec o n c e p to fi n t e g r a t i o no fg r a p h - b a s e dd a t a b a s e 舞u s e d 遮t h i ss y s t e m , t h e r e l a t i o nd a t a b a s em o d e li sa d o p t e dt om e m o r yt h ep a r a m e t e ri n f o r m a t i o no fg r a p h i c s ， t h ed r a w i n gm o d u l eo ft h em a i nw i r i n gd i a g r a mh a st h ea c c e s s i n gf u n c t i o nw i t ht h e d r a w i n gd a t a b a s ee a c ho t h e r , a n dt h ed a t a b a s ec a nr e c e i v et h er e a l - t i m ed a t af r o m s c a d a s y s t e m ， 4 。d i f f e r e n tu s e r sh a v ed i f f e r e n ta c c e s s i n gp e r m i s s i o ni nt h es y s t e m 。i no r d e r 掰 c o n t r o lt h ea l l o w a b l eo p e r a t i o n so fd i f f e r e n tu s e r sa n dc o n f i n et h ea c c e s s i b l ef i l e s a n dd a t a 。s e t t i n gu pt h i sc l e a rd u t y , t h i sp r o v i d e se f f e c t i v ep r o t e c t i o nf o rt h es y s t e m a n dp r o m o t e sm a n a g e m e n tw o r kt ob es t a n d a r d i z a t i o n 5 。t h r e e - l a y e rn e t w o r ks t r u c t u r ei sa d o p t e di nt h es y s t e m ，a n di tw i l le n h a n c et h e e f f i c i e n c yo fs e r v e ra n dt h es e c u r i t yo fs y s t e m 6 i na d d i t i o n ，s o m eo t h e ra c c e s s o r i a lf u n c t i o n sa r ep r o v i d e di nt h es y s t e m ，s u c h a st h ei n q u i r i n ga n dc o u n t i n gs w i t c hs e q u e n c e ，t h ed e m o n s t r a t i o na n dt r a i no ft h e s y s t e m ，a n ds oo n k e y w o r d s ：s w i t c hs e q u e n c e , e x p e r ts y s t e m , o b j e c t - o r i e n t e dp r o g r a m m i n g ，c o m p u t e r g r a p h i c s ，i n t e g r a t i o no fg r a p h b a s e dd a t a b a s e i v 西华大学硕士学位论文 1 0 声明 本人声明呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取褥的研 究成果。除了文中特剃加以标注的和致谢的地方外，论文中不包含其他入已经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西华大学或其它教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论 文中作了明确的说明并表示谢意。 本学位论文成果是本人在西华大学读书期闻在导师指导下取得的，论文成 果属西华大学所有，特此声明。 作者签名：王吲矽。拜 月 日 导师签名嬲月妒 日 西华大学硕士学位论文 1 前言 i 。圭操 乍票专家系统的研究概况 电力工业是国民经济的基础产业，是国家的经济基础之一，它的安全稳定 运行对蘑民经济静发震有着举足轻重的侔震，保证电网的安全运行是电鼹调度 的中心任务。在电力系统运行中，由于设备的检修和运行方式的改变，必须经 常进行系统的倒阑操作。黧两盘这种频繁酶倒阐搡终雩| 起的误操作带来的事故 比例相当大，给系统安全运行带来很大的威胁攀】。操作票捌度就是电力生产管理 部f 1 为了防止误操作、葆谨电嬲安全稳定运萼亍弱采取豹种重要组织措施。随 着电力系统的不断发展、电网结构的曰益复杂，快速、准确的操作票编写工作 面临着前所未有的挑战，显然，传统的操作票编写方式已经不能满足新形势下 电力系统的发展要求。传统的操作票生成系统用典型操作票建立典型操作票数 据瘴，焉焉将数以百计的各种操作票进行分类，应用时，按照任务的要求从典 型操作票数据库搜索辫所需的典型操作票，在姥基磊鑫上根据当时具体情况进行 修改，得到实际需要的操作票。这种方法在一定程度上减轻了工作入员的劳动 强度，降低了误操榫的发生率，毽是从根本上说还是人工开票，整个操作过糕 的安全性并来褥到实质的改观【2 棚。 专家系统的兴起为操作票国动生成提供了缀好的途径。其实操作票的生成 过程是对领域内大量知识和经验推理应用的过程，穰难建立起准确的数学模型， 所以传统的数值分橱方法显然不能适用于该系统，褥专家系统是一种弱求解方 法，适用于解决那些经验性、逻辑憔强的问题。因此，专家系统成为改善和解 决操作票自动生成系统的一个重要突破口，操作票专家系统的研究也逐渐活跃 起采酮。 国钋的操作票专家系统较早的有目本的t a k a s h ia b e 等人开发的v i r g o 专家 系统。它采用知识描述语言k d l 实现，操作任务仅限于四种：停电、送电操 乍， 并列、单独运行。所设计的电气设备类型限于三种：母线、线路、变压器，而 且形成懿操l 乍票丰不涉及保护压扳的投停，也来涉及安全盘动装爨的运行管理。 国内对这项工作的磷究始于8 0 年代中期，国肉一些高校及科研院所先后开展了 西华大学硕士学位论文 此方面的研究，比如华北电力大学、福州大学、华南理工大学、上海交大、西 安交大、东北电力学院等院校，开发了针对不同电厂、变电站及地区调度的操 作票专家系统，取得了很好的效益。华：l l ! l c l 东北网调较早就投入了自动开票系 统，但智能程度较低。 可以发现，目前国内外已研制出来的操作票囱动生成专家系统虽然取得了 一定成绩，但是还不太成熟，在某些方面还存在不小的弊病，主要表现为以下 几点： ( 1 ) 遥用性、可移植性不够完善 迄今为止，多数操作票自动生成专家系统都是针对某一具体的发电厂或变 电站开发的。囊用户进行设备扩建导致系统接线方式改变时，或者要将系统移 植到其它变电站时，由于大部分系统其知识库、推理机和程序并没有完全分离， 因此往往要对原系统进行修改，甚至要重新编写程序。 ( 2 ) 实时性差 系统生成后，在实际应用中需要随着现场设箴和操作规程及操作任务的变 更两不断地修改、完善、扩充，由于露前的操作票自动生成系统基本上都是离 线系统，其设备状态的刷新要靠手工完成。如果对设备状态的刷新出现错漏， 则可煞导致拓羚网络知识库中电气元件的状态与对应的现场设备的实际状态不 符，系统开出的操作票就可能出现错漏项。若运行操作人员依照这张错误的操 作票进行现场操作，就很可能导致事故的发生。 1 2 图形化操作票专家系统研究的意义及现状 图形可以让人瞬间把握整体，它不受语言限制，比文字更加简明精练，给 人以直观的感受，一目了然，易于理解。而文字则需要逐字逐旬甚至逐段联系 起来才能理解，有时用语言文字还是难以表达清楚事物的本质，总之就是“一 幄图胜过千言万语”。图形是科学技术领域里一种应用j 常广泛的表示形式，人 类在生产活动、科学研究和实验中，都离不开图形表示喁】。把图形概念引入操作 票专家系统，构建操作票专家系统的图形化平台，成为解决墨前操 乍票专家系 统存在缺陷的一种研究趋势。实现操作票专家系统图形平台的关键是图库一体 2 瑟华大学硕士学位论文 纯麴构建。 1 2 1 图库一体化的概念 9 - ”】 图库一体他是指把图形与隧形在数据库中对应的信息作为个整体来进行 处理。图形是数据的种表现形式，其特点是形象和直观。数据库是对各种图 形所表示的信息进行存储、处理和管理的工具。任何一个系统的建立，其实质 都是蹲该系统所处理的数据信息进行数据结构和数据关系游建立。图形鞠数据 必须按照一定的关系关联到一起才有实际意义，关联数据和图形可以通过两种 方式：一种是直接面对数据库的表结构，手工填写数据库记录的数据；另一种 是通过操作图形，把数据库中的数据当作图形的属性来定义和修改，只要找到 图形就可以找到与之对应的数据。摄明显，第一韩方式工作枯燥、不直观、容 易出错，必须把数据库中的记录与图形系统中的图元进行人工绑定；第二种方 式的情形则完全得到改观，用户面对的是直观的图形，不直接面对繁琐的数据， 在图形处理完毕的同时自动追加和派生数据瘁的记录，且离时与图形绑定，非 鬻方便。因我，图形数据库一体位是墓前墅形系统的主流技术。 电力系统图形数据库体化的一个关键问题是实现面向电力系统设备的建 模方式。其实质是设备图元对象与数据库记录一对应，在定义一个设备图元 对象的同时宣动遥鸯秘一条数据库记录。男一方蓖，要求设备餮元的属性参数及 其数据输入界露能够根据用户的要求进行修正，这样才能真正徽到图形与数据 库的一对应，而且也能保证系统的兼容性。在定义设备图元对象的时候，根 据图元设备的属性自动生成数据库及其他图元属性，并且能够自动绑定数据库， 不霞省去了蚕形数据库人工绑定的烦璞，焉且减少了操作错误的可能性。 1 2 2 实现霉瘁一依化的意义 在鎏形数据库一体弛功能实现之蒋，要制作一个图形、数据库并存煦界面， 需要进行三个步骤：绘制画面；录入数据库；建立图元与设备的对应关 系。对于个地级市规模的调度自动化系统来说，仅绘制电气接线图的工作鼍 就非常大，一般需要几十天的时闯甚至更长；舞果使用没有图痒一体毒艺功麓的 3 西华大学硕士学位论文 软件进行绘匿，用户把几何图形绘制完毕后，还要花费更多的时间把几何整形 与电气设备一一对应，而且出错的可能性很大，一旦出现错误，检查错误时更 是无从下手，工作效率非常低。图库一体化功能的出现，使用户从烦琐枯燥的 数据处理工作中解放出来，此时每个设备图元都是一个具有真实属性的电气设 备的表示符号，不再作为一个孤立的几何图形面向用户，所以当用户添加一个 设备图元的时候，系统会自动把这个设备的信息添加到数据库中，而且能够正 确地把它同其他图元区别开来，自动识别设备图元。只要设备属性信息定义的 足够完备，就可以在图形上完成实际中的任何操作。 另外，由于实现了图元和属性模块化封装，可以自行修改，而不影响主程 序和计算模块，使得程序的自适应性和可扩展往大大提高。如果图元发生了变 化，只要国标规定的图例没有发生根本性的变化，用户只要做很少的修改工作 就能把以前的数据自动转换为符合新标准的国标。如果要将该图形数据库一体 化平台用于不闻的业务，只需重新绘制该业务图元，建立相应的业务处理模块， 而不需要重做图形系统。通过属性的模块化封装，可以使用户在不需要改变主 程序的情况下，只对该计算业务所需的图元属性进行重新设计，建立相应的计 算处理模块，就可以在原来的图形上实现不同算法之间的切换。 总的来说，电网图形数据库一体化软件应实现以下三个功能； ( 1 ) 绘制图元的功能，并能够对图元进行块操作，图元及其属性能进行模 块化封装，可以自行修改； ( 2 ) 能够在界面上录入数据，自动建立与数据库的对应关系； ( 3 ) 能够实时读取数据( 通过数据输入所采集的数据或计算出来的数据) ， 并显示在图形界面合适的位置。 1 2 3 国内外操作票专家系统图形平台的发展现状 自从美国的a u t o d e s k 公司推出a u t o c a d 软件以后，备行业纷纷开发懑自 己的图形软件平台，电力系统也不例外。随着计算机技术的不断发展，电力系 统计算平台从没有界面的d o s 版本升级到具有图形界面的可视化版本，从使用 文件操作升级到使用各种大型数据库技术，操作方法也趋于规范化和简单化。 图形平台的发展，大致可分为三个不同的发展过程： 4 西华大学硕士学位论文 ( 1 ) 直接使用程序炸图技术 这种方法主要是对每一幅图直接编程，在程序中用各种命令一一画出，再 用专门的子程序实现图索的动态刷新。这种编程方法相当繁琐，而且用户很难 参与图形的绘制与修改，图形如有改变必须重新编程。 ( 2 ) 利用现有绘图软件包 利用成熟的软件包( 如a u t oc a d ) 绘制静态图形，然后在程序中调用所绘图 形。这种方法比较简单，用户可以参与图形的绘制与修改。缺点是不能在确面 上直接发布各种控制命令，无法满足现场的需要。 ( 3 ) 自主开发绘图软件包 这种方法从系统底层开发做起，将所有图形的操作全部自主实现，不再受 底层平台的约束，可根据用户的实际要求来实现各种功能，加载各种计算模块， 系统的整体性能比较灵活和开放。 第一种方法技术早己落后，现在基本上不再使餍；第二种方法现在则大多 被图纸设计部门用来绘制静态图形；第三种方法是目前比较流行的图形平台设 计方法，它以优越的性能得到用户的认可，这是舀前众多厂商普遍采用的一种 方法。 从科研角度来看，操作票专家系统图形平台可以为其他高级应用软件服务， 高级应用软件可以把图形系统作为一个试验平台，在这个平台上实现各种算法 的输入和输出，图形系统可以直观地反映出算法性能的好坏，降低了算法对数 据的依赖性，有利于算法研究人员对算法的改进和优化。 1 3 面向对象的程序设计及其优点 传统程序设计方法的本质是功能设计，即以功能为主进行设计。方法是自 顶向下，功能分解。其优点是结构性强，便于设计，易于理解。然而，由于软 件本身的变动特性，用户的需求不可能一次提得完备、精确，一旦需求变更， 后续的设计、实现阶段必然要做相应改动。更重要的是，这样的功能分解模型 较难和现实的实际系统相吻合。从事软件设计的人员常有这样的体会：在软件 开发的过程中，使用者或用户会不断地提出各种各样的更改要求，使得软件开 西华大学硕士学位论文 发人员不得不一次次对软件进行修改，导致软件开发的进程一拖再拖，软件开 发的成本不断增加。此外，在软件投入使用后，为了改进软件的性能、增强软 件的功能，或者为了能够适应不断出现的新机器、新操作系统或新数据环境， 都需要对软件进行修改。此时，倘若软件设计人员计划不周或考虑不细，不但 旧的错误没有得到彻底纠正，可能还会引入新的错误，导致软件质量下降，使 用寿命缩短。针对这些不足，出现了面向对象程序设计方法。 面向对象程序设计方法( o b j e c t o r i e m e dp r o g r a m m i n g ，简称o o p ) 最早出现 于七十年代，其初衷是为了实现现实问题空间和软件系统解空间的近似或直接 模拟，到9 0 年代趋于成熟。它的出现使传统程序设计思想和设计方法发生了革 命性的变化。该方法基于对象分解，将整个软件看作是一个个对象的组合。由 于对某个特定问题域来说，域的对象组成基本不变，因此这种基于对象分解方 法设计的软件在结构上更加稳定。此外，在传统程序设计中，数据和作用在该 数据上的操作是相互分离的，同样的数据可能对应不同的操作，同样的操作也 可能作用在不同的数据上。对于这些问题，编程人员必须时刻加以考虑，这样 就加重了程序设计的负担。在o o p 方法中，由于数据及作用在该数据上的操作 都直接封装在对象中，从而避免了传统设计中数据和操作的潜在的不一致性。 另外，由于整个软件被看作是对象及其相互作用关系的组合，便于编程人员进 行抽象思维。 面向对象编程技术已引起了计算机软件史上的一场巨变。它改变了软件设 计的方向，解决了长期困扰软件设计人员的大型软件开发、维护及其重用等问 题。具体来说，面向对象编程技术对软件开发带来了许多益处，可以归纳为： 可重用性、可扩展性、易维护性、高可靠性、可移植性等。o o p 最早是作为解 决大型软件移植问题而首先被提出来的。随着研究的深入，面向对象的思想逐 渐从纯粹的软件设计行业拓展到工程设计的各个领域，从而形成了面向对象技 术( o b j e c t o r i e n t e dt e c h n o l o g y ，简称o o t ) 。面向对象思想最突出的特性就是封 装性、继承性和多态性【1 6 】。封装性是指将一个数据和与这个数据有关的操作集 合放在一起，形成一个能动的实体对象，用户不必知道对象行为的实现细 节，只需根据对象提供的外部特性接口访问对象即可；多态性是指同一个消息 可以根据发送消息对象的不同采用多种不同的行为方式；继承性表达的是一种 对象类之间的相交关系。它使得某类对象可以继承另外一类对象的特征和能力。 6 嚣华大学硕士学霍论文 特别是面向对象技术中弓| 入继承辊制磊其有如下优点：减小代码和数据的冗 余度，大大增加程序的重用性；是在一些比较一般的类的基础上构造、建立 和扩充新类的最有效的手段。传统的图形系统设计中，图形编辑模块按面向过 程的设计方法针对每个元件单独编糕，可扩展健不佳盈维护工俸量大。剥雳两 蠢对象技术，结合电力系统孛豹元件设备之闻的共性，建造电力系统的元件类， 在此基础褥派生子类，充分体现了类库的重用机制，可扩展性和维护工作都得 以改善c 吲。 面向对象技术糍够减轻较彳牛修改酶垂难。使用o o p 技术开发出来韵软件结 构是建立在现实世界鲢实体或对象的基础上的，它把软件的功能分散到各个对 象中间。使用者和用户提出的修改要求大多是功能上的，所面对的对象基本不 动。对于使用o o p 技术开发出来的软件来说，软件的修改主要集中于封装在软 件对象蠹部的属性和服务上，只要对象界面不动，整个软件豹体系结构可以不 动。这种修改的局部化保持了软件结构的稳定性，使得在修改过程中引入新错 误的可能性达到最小，也减轻了软件修改的工作量和难度。 由于上述特点，面向对象程序设计方法己在操作系统、数据库管理、人机 界面设计、计算枧网络通信、图形生成、专家系统等领域获褥了广泛的应用。 随藿现代电力系统规模的不断扩大，复杂程度愈来愈高，软件维护的费用也不 断增加。采用传统的面向过程思想编写的软件可靠性与可维护性不断降低，舀 不麓适应新的要求。困诧，面国对象程序设计方法在毫力系统酶数值计算( 魏潮 流计算、故障计算、訾态稳定计算等) 、系统仿真、程序设计以及系统软件人机 交互、数据采集等方面得到了广泛的应用【1 8 - 2 0 。 1 4 本文的主要内容 论文详细介绍了基于面囱对象的图形化操作票专家系统的设计和开发过 程，设计开发出了三层c s 网络结构的图形数据库体化操作票专家系统，并 详细描述了各个模块的设计思路和实现方法。最螽，给出了整个系统的功畿彳乍 震和模拟痘用。各章节主要内容为： 第一章绪论，简要介绍了操作票专家系统的研究概况，同时介绍了图形化 7 西华大学硕士学位论文 操作票专家系统研究的意义及现状，对核心的图库一体纯做了重点阐述，并介 绍了面向对象的程序设计方法。 第二章介绍了系统开发的一些相关背景知识，主要有专家系统和计算机图 形学，还对开发平台的选择做了简要说明。 第三章介绍了操作票专家系统的基本结构。首先介绍了电力系统设备操作 规则和操作注意事项，根据这些设备操作规则要求构建了操作票专家系统的结 构框架，并对其中的知识表示和推理机制做了详细介绍：提出采用产生式知识 表示和面向对象知识表示楣结合的知识表示形式，产生式规则用以攒述 “i f t h e n 结构的电气设备操作规则，面向对象知识表示方法用来实现规则 的分类和子类规则对父类规则的继承，两者相结合构造操作票的规则库；对操 作票自动生成的推理机的实现上，采用正向推理的推理机制和深度优先搜索策 略。 第四章是本文的核心部分，详细介绍了整个图形化操作票专家系统的设计 实现过程。介绍了系统的总体结构；对图库一体化平台做了详尽阐述：基 于工厂模式来完成系统图元类的设计；利用计算机图形学设计完成了图元的基 本操作，如拾取选中、删除、移动、旋转、缩放等；属性是把设备图元对象与 数据库记录一一对应起来的关键，采用自定义属 生酶方法来完成了属性豹设计； 介绍了对系统响应速度的改善措施和消除屏幕闪烁的方法；介绍了系统数据 库的设计开发，包括：属性信息数据库、综合数据库、用户权限数据库、操作 票数据库和动态接口数据库；系统采用三层c s 网络结构模式来进行开发， 具体介绍数据库应用服务器的设计，客户端与应用服务器的连接；基于角色 分级的权限访问控制策略，对不同的用户赋予不溺的访问权限，控制用户可以 进行的各种操作，限定访问哪些目录、文件和其他资源，建立起明确的责任机 制，为系统提供责权分明的有效保护；实现系统的安全审核。 第五章概要的介绍了整个系统的功能作用和模拟应用。 第六章总结与展望，对本文的主要研究工作进行了总结，并对下一步的研 究工作提出了展望。 8 西华大学硕士学髓论文 l ，5 本章小结 本章首先介绍了操作票专家系统的研究现状，对专家系统在操作票自动生 成系统酌应用箨了回顾，并指出了嚣翦操俸票专家系统存在懿缺陷；接着介绥 了图库一体化的概念，对图库一体化技术应用予操作票专家系统的意义及其发 展状况俸了较为详尽的描述；然后介绍了礞向对象编程技术及其饯点；疑螽对 论文的主要内容作了简单介绍。 9 西华大学硕士学位论文 2 相关背景知识及开发平台选择 2 。1 专家系统 专家系统( e x p e r ts y s t e m ，e s ) 也称为基于知识的系统，是人工智能的一个 重要分支。专家系统产生于6 0 年代中期，经过二十多年的科学研究，理论和技 术日臻成熟，其应用得到了飞速发展。至今，世界各国已经在医疗诊断、图象 处理、石油化工、地质勘探、金融决策、实时监控、分子遗传工程、教学、军 事等领域研制出了大量的实用专家系统，其中不少系统在性能上已达到甚至超 过了圊领域人类专家的水平，已经产生或正在产生巨大的经济效益和社会影响。 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 数值闻题的有效途径。专家系统已成为世界各国最热门的竞争性研究课题，冒 本、美国、英困等国家纷纷将其列为国家重点研究项目，投入了大量的人力和 资金。日本把专家系统作为第五代计算机研究的核心内容，英国已将专家系统 智能数据库列入国家西大重点项目。我国对于专家系统的研究工作起步较晚， 但经过不断的艰苦努力，已经在理论研究和应用开发方面取得了很大进展 2 1 - 2 6 】。 2 1 1 专家系统的定义和结构 专家系统豳前尚无统一的、精确的、公认的定义。产生这种状况的因素很 多，主要原因是专家系统是一个新近的研究课题，其严格的内涵与外延尚未形 成；其次由于各个应用领域的特点不同，人们研究专家系统的出发点不同，看 待问题的观点不同，追求的目标不同，导致对专家系统的定义存在不一致的看 法。此外，专家系统的发展史是各种系统不断进化的历史，人们在不同时期对 专家系统有不同的理解，也是造成专家系统具有多种定义的一个因素。 鉴于上述原因，这鬃给出一种目蓠比较逯用的定义： 所谓专家系统就是种在相关领域中具有专家水平解题能力的智能程序系 统，它能运用领域专家多年积累的经验与专门知识，模拟人类专家的思维过程， 求解需要专家才能解决的困难问题。 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， 1 0 嚣牮大学硕士学位论文 形成系捌毅剿，并将它髑戳适当的形式存入诗算概，郄建立知识库，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，做出 判断和决策，并能根据用户的要求给出满意的解释。 献专家系统的结构角度，我稍可以绘港专家系统翡定义如下：一个专家系统 是交个爨元组组成，即 e s = ( p ，s ，l ，k ) 其中p 是要解决的问题，s 为系统的推理控制策略，l 是学习丰凡制，k 为知 识库。专家系统一般都包括入枫接疆、推理瓿、知识痒及其管理系统、数据库 及其管理系统、知识获取机构、解释机构这六个部分，如图2 1 所示。 k 人撬接秘 _ ，。、 l 土0土 解释机制推理机 知识获取机制 t：彳0 效器痒及其营怒系统 翔识库及其管理系缝 f i 9 2 。1b a s i cs t r u c t u r eo f e x p e r ts y s t e m 图2 1 专家系统的般结构 入枫接霞是专家系统与领域专家或知识工程师及一般用户闯的界面，由一 组稷痔及响应的硬件组戒，用于完成输入输出工作。领域专家或知识工程师通 过它输入知识，更新、完善知识库；一般用户通过它输入欲求解的问题、己知 事实以及向系统提溺的询问；系统通过它输漆运行结果、回答用户的询问或者 离溺户索取进一步的事实。 知识获取机构是专家系统中获墩知识的机构，幽一组程序组成。其基本任 务是把知识输入到知识库中，并负责维持知识的一致性及完整性，建立起性能 良好的知识库。 知识库是数据的存储棍构，爰于存储领域蠹的原理性知识、专家的经验性 西华大学硕+ 学圣麓论文 知识以及有关的事实等。知识库中的知识来源于知识获取机构，同时它又为推 理机提供求解问题所需的知识，与两者都有密切关系。知识库管理系统负责对 知识库中的知识进行组织、检索、维护等。专家系统中其他任何部分要与知识 库发生联系，都必须通过该知识库管理系统来完成，这样就可以实现对知识库 的统一管理和使用。 推理机是专家系统的“思维”机构，是构成专家系统的核心部分。其任务 是模拟领域专家的思维过程，控制并执行对问题的求解。它能根据当前已知的 事实，利用知识库中的知识，按一定的推理方法和控制策略进行推理，求得问 题的答案或证骧某个假设的正确性。推理机的性能与构造一般与知识的表示方 式及组织方式有关，但与知识的内容无关，这有利于保证推理机与知识库的相 对独立性，当知识库中的知识有变化时，无须修改推理机。但是，如果推理机 的搜索策略完全与领域问题无关，那么它将是低效的。所以，目前专家系统一 方面力了提高系统的运行效率两使用了些与领域有关的启发性知识，另一方 面又为了保证推理机与知识库的相对独立性而采取了用元知识来表示启发性知 识的方法。 数据库是羯子存放用户提供的初始事实、问题描述以及系统运行过程中得 到的中间结果、最终结果、运行信息( 如推出结果的知识链) 等的工作存储器。 可以说，数据库是推理机不可缺少的一个工作场地，同时由于它可记录推理过 程中的相关信息，又为解释机构提供了回答用户咨询的依据。 解释机构能跟踪并记录推理过程，当用户提窦询问需要给出解释时，它将 根据问题的要求分别做出相应的处理，最后把解答用约定的形式通过人机接口 输出给用户。解释结构通过对自身行为的解释可以帮助系统设计者发现知识库 及推理机的错误，有助于对系统的调试和维护。 2 。l 。2 专家系统的基本特征 专家系统具有如下基本特征： ( 1 ) 具有获取知识的能力 专家系统的基础是知识。为了得到知识就必须具有获取知识的能力，目前 专家系统在这方面的能力还比较弱，应用最多的是建立知识编辑器，知识工程 1 2 西华大学硕士学镜论文 师或领域专家通过知谈编辑器把领域知识“簧授给专家系统， 识瘁。 ( 2 ) 能进行有效的推理 专家系统育相瘦的推理机构，憝根据用户提供酶已知事实， 的知识，进行有效的推理，以实现对阀题的求解。 ( 3 ) 具有灵活慈 以便建立起知 遥过运用掌握 在大多数专家系统中，其体系结构都采用了知识库和推理机稆分离的构造 原则，彼此既有联系，又摆互独立。这样既可在系统运行避能檄据具体阉题静 不同要求分别选取合适的躲识构成不同的求解序列，实现对问题的求解，又能 在一方进行修改时不致影响到另一方。 ( 4 ) 具有透翡性 计算机程序系统的透翡性就是指系统自身及其行为能被用户所理解。专家 系统具有较好的透碉牲，这是落着它其有解释功簏，繇系统畿够说骥“为什么 是这样? “是什么得出来的? 等。这就提高了用户对系统的可信程度，增加系 统的透明度。 ( 5 ) 具有实用燧 系统是根据大量的领域问题的实际需求开发的，这一特点就决定了它具有坚 实的应用背景。 ( 6 ) 具有交互性 ( 7 ) 具有定的复杂性及难度 以上是专家系统的主要特征。虽然专家系统也是一个程序设计系统，但它 与常规的计算机程序又有不同，其主要区别是： ( 1 ) 常规的计算机程序是对数据结构以及作用于数据结构的确定型算法的 表述，霹 常规程序= 数据结构+ 算法 而专家系统是运用知识进行推理，力求在问题领域内推导出满意的解答，鼯 专家系统= 知识推理 ( 2 ) 常规程序是把问题求解的知识隐含予程序中，而专家系统则把应用领 域中关予阕题求解的知识单独组成个知识库。 ( 3 ) 常规程序一般是通过查找或计算来求取闯题的答案，基本上是面向数 1 3 两华大学硕士学位论文 值计算和数据处理的，并且在砑题求解过程中先徽什么惹徽什么都是由程序规 定的；而专家系统是通过推理来求取问题的答案或证明某个假设，本质上是面 向符号处理的，其推理过程随着情况的变化丽变化，具有不确定性及灵活性。 ( 4 ) 常规程序处理的数据多是精确的，对数据的检索是基于模式的布尔匹 配；而专家系统处理的数据及知识大多是不精确的、模糊的，知识的模式匹配 也多是不精确的，需要为其设定阀值。 ( 5 ) 常规程序一般不具备解释功能，而专家系统一般都具有解释机构，可 对自己的行为徽懑解释。 ( 6 ) 两者具有不同的体系结构。 2 1 3 知识的表示方法 2 1 3 1 知识表示方法的选择 在专家系统的范畴内，所谓“知识表示 包括两个方面的问题，一是用什 么方法来组织、表示知识的闻题；二是如何利用表示成一定形式薛知识进行推 理的问题。这两者是相互关联，不可分割的。因为知识表示的方法和形式直接 影响如何使用该知识的阆题，蔼如何使用知识推理也常常随知识表示方法的不 同而异。 目前用褥较多的知识表示方法主要有：一阶谓词逻辑表示法、产生式表示 法、框架表示法、语义网络表示法、脚本表示法、过程表示法、p e t r i 网表示法、 面向对象表示法。在建立一个具体的智能系统时，究竟采用哪种表示模式，应 胰| 以下几个方面迸彳亍考虑： ( 1 ) 充分表示领域知识 确定一个知识表示模式时，首先应该考虑的是它是否充分的表示领域知识。 为此，需要深入的了解领域知识的特点以及每一种表示模式的特征，以便做到 “对症下药 。例如，在医疗诊断领域中，其知识一般具有经验性、因果性的特 点，适用于用产生式表示法进行表示；而在设计类领域中，例如机械产品设计， 由于一个部件一般由多个子部件组成，部件与子部件既有相同的属性又有不同 的属性，郎它们既有共性又有个性，因而在进行知识表示时，应该把这个特点 反映出来，此时单用产生式模式来表示就不能反映出知识间的这种结构关系， 1 4 西肇大学硕士学链论文 这就需要把框架表示法和产生式表示法结合莛来。由此可见，知识表示模式的 选择和确定要受到领域知识自然结构的制约，要视具体情况丽定。 ( 2 ) 有利于对知识的利用 知识的表示与剥用是寮切相关的两个方匿。“表示赡俸用是把领域蠹游裰 关知识形式化荠用适渤的内部形式存储到计算机中去，丽“利用”是使用这些 知识进行推理，求解现实润题。显然，“表示 的翟的是必了“利焉，褥“剩 用 的基础是“表示 。为了馒个智能系统能有效的求解领域内的各种问题， 除了必须舆备足够的知识外，还必须使其表示形式便于对知识的剩煺。如果一 种表示模式的数据结构过于复杂或者难予理解，使推理不便于进行匹配、冲突 消解及不确定性的计算等处理，那就势必影响到系统的推理效率，从而降低系 统求解问题的熊力。 ( 3 便于对知识的组织、维护和管理 为了把知谖存储到计算枫中去，除了需要翔合适的表示方法把知识表示 来外，还需要对知识进行合理的组织，而对知识的组织是与表示方法密切相关 的，不同的表示方法对应于不阕酶组织方式，这就要求在设计或选择翔识表示 方法时能充分考虑将要对知识进行的组织方式。另赡，在一个智能系统视步建 成羼，经过对一定数量实例的运行，可能会发现其知识在质量、数量或性能方 面存在某些问题，此时或者需要增枣卜一些新知谖，或者需要修改甚至翥i | | 除某些 已有的知识。在进彳亍这些工作时，又需要进行多方褥的检测，以保证知谈的一 致性、完整性等，这称之为对知识的维护和管理。在确定知识的表示模式时， 应充分考虑维护和管理的方便性