（航空宇航制造工程专业论文）塑料产品缺陷分析的cai及专家系统.pdf

。南京航空航天大学硕士学位论文 摘要 计算机辅助教学( c a i ) 是计算机科学、教育学和心理学等多门学科的综合应用， 它利用图形、动画、声音、图像等多种手段进行教学内容的呈现与传递，是一种新型 的教学手段和教育技术。专家系统( e x p e r ts y s t e m ) 是一种模拟人类专家解决领域问 题的计算机程序系统。它是人工智能( a i ) 应用研究领域中最活跃的分支。自从1 9 6 5 年第一个专家系统d e n d r a l 在美国斯坦福大学问世以来，各种专家系统已遍布各 个专业领域，取得了很大的成功。 本文根据塑料产品缺陷分析知识的特点，将专家系统融入计算机辅助教学中开发 了p f a c a i 教学软件，它可以辅助老师完成课堂的教学任务，帮助学生进行课后复习。 p f a c a i 与传统的c a i 教学软件不同，它不但对书本的理论知识进行了整理、简化， 而且还结合了领域专家( 塑料模具) 的经验知识。让学生在学习理论知识的同时，还 可以了解到一位领域专家( 塑料模具) 在查找导致产品缺陷原因时的思路以及正确的 解决方法。从而使学习更具有实践性。其中基于c l i e n t s e r v e r 结构的关系型数据库技 术的使用实现了资源共享，可将p f a c a i 扩展到网络环境，服务于更多的用户。在本 文的最后，作者提出了一些改进p f a c a i 的设想。 关键词：计算机辅助教学，c a i ，专家系统，数据库 塑料产品缺陷分析的c a i 及专家系统 a b s t r a c t c o m p u t e ra s s i s t a n ti n s t r u c t i o n ( c a i ) s y n t h e s i z e sv a r i o u sr e s e a r c h f i e l d ss u c ha s c o m p u t e rs c i e n c e ，e d u c m i o n s c i e n c ea n d p s y c h o l o g y t o d e v e l o p i n t oai r m o v m i v e r e s e a r c ha r e a b e c a u s ei tc a ni n t r o d u c et h ek n o w l e d g eo ft h ec o u r s ew i t i lt h eu s eo f p i c t u r e s ，a n i m a t i o n s ，v o i c ea n do t h e rm u l t i - m e d i a ，c a ii sa ni n v e n t i v ee d u c a t i o nm e t h o d e x p e r ts y s t e mi so n eo ft h em o s ta c t i v er e s e a r c hb r a n c h e so fa i e x p e r ts y s t e mi st h e c o m p u t e rp r o g r a m m i n gs y s t e m w h i c hc a ns i m u l a t et h eh u m a ne x p e r t st os o l v et h e p r o b l e m s 。w i t l lt h ea p p e a r a n c eo ft h ef i r s te x p e r ts y s t e mc a l l e dd e n d r a l i n19 6 5 e x p e r ts y s t e m s h a v eb e e n a p p l i e di nv a r i o u sr c s a r c hf i e l d ss u c c e s s f u l l y t h ea u t h o ro f t h i st h e s i sh a sd e v e l o p e da t e a c h i n gs y s t e m n a m e dp f a c a ii nw h i c ha n e x p e r ts y s t e mi s i n v o l v e db a s e do nt h ec h a r a c t e r so ft h ek n o w l e d g eo np l a s t i cp a r t s f a u l t s p f a c a ic a nb o t hh e l pt h et e a c h e r sa c c o m p l i s ht h et a s ko f t e a c h i n ga n d a s s i s tt h e s t u d e n t si nr e v i e w i n gt h e i rl e s s o n s p f a c a ii sd i f f e r e n tf r o mt h et r a d i t i o n a lc a i n o t o n l yd o e sp f a c a i s o r to u ta n ds i m p l i f yt h et h e o r e t i c a lk n o w l e d g e b u ta l s oi ti n c l u d e s t h ee x p e r i e n c eo f h u m a n e x p e r t si nt h ea r e ao f p l a s t i cm o u l d s w i t ht h eh e l po f p f a c a i s t u d e n t sn o to n l yo b t a i nt h et h e o r e t i c a lk n o w l e d g eb u ta l s om a s t e rt h et h i n k i n gt h a t h u m a n e x p e r t s f i n dr e a s o n sw h i c hc a u s et h e p l a s t i cp a r t s f a u l t s ，a n dt h ew a y t h a th u m a n e x p e r t ss o l v ep r o b l e m s i no r d e rt o s h a r er e s o u r c ea n ds e r v em o r ec l i e n t s 。t h ea u t h o r u t i l i z e st h ed a t a b a s eb a s e do nc l i e n t s e r v e r a t l a s t ，t h es u g g e s t i o n s f o rf u r t h e r i m p r o v e m e n t o f p f a c a ia r e g i v e n k e yw o r d s ：c o m p u t e r a s s i s t a n t i n s t r u c t i o n ，c a ；e x p e r ts y s t e m ，d a t a b a s e 儿 南京航空航天大学硕士学位论文 1 1 研究背景 第一章引言 8 0 年代末开始，随着计算机技术、多媒体技术和网络技术的迅速发展，以及信 息技术在教育科学和教育理论研究中的应用，计算机辅助教学( c o m p m e r a s s i s t e d i n s t r u c t i o n - - c a i ) 应运而生了。尤其是9 0 年代入工智能和超媒体技术的实用化，计 算机辅助教学内容的组织和呈现方式表现出多样化特点，进入了一个崭新的阶段。计 算机辅助教学是计算机科学、教育学和心理学等多门学科的综合应用，经过多年的发 展，逐渐形成了自己独有的理论研究和开发应用。当今人类社会已跨入信息化时代， 其特征是数字化、可视化、网络化和智能化。在这种形势下，社会早期形成的以教师 为中心的班级授课模式已不能完全适应信息社会对知识的需求。加强计算机辅助教 学，就是要将现代计算机科学技术运用到课堂教学和课外学习中。这不仅有利于扩大 课堂教学的信息量，调动学生学习的积极性和主动性，也有利于学生牢固地掌握知识， 培养学生的创新精神和实践能力，提高学生的整体素质。 目前计算机辅助教学正朝着多媒体化( 把多媒体信息，如文字、图像、动画、声 音等，有机的结合在一起，让抽象的概念、复杂的运动形式生动地表现出来，使学习 者通过一系列的入机交互操作，进行学习的一种方法) ，网络化( 即把i n t e r n e t 作为 未来教育的虚拟大课堂，它是实现全球化教育的基本条件) ，智能化( 这是将a l 技术 引进c a l 系统，它能根据学习者的学习特点、学习历史和学习风格，采用不同的教 学方法和教学策略) 的方向发展。也就是说，未来学校之间的竞争，可能会具体到课 程与课程之间的竞争。在这种形势下，如果我们不大力发展和推广这些新的教育技术， 我国和发达国家之间教育水平的差距将会进一步拉大。因此，为了提高教学的质量， 减轻老师的负担，很有必要开发高质量的计算机辅助教学系统。 1 2 研究现状 我国计算机辅助教学起步较晚，但发展很快。大体上经历了三个阶段： 第一阶段从6 0 年代开始，到7 0 年代结束。由于国内的具体情况，当时从事这项 工作的人员很少，主要是进行探索，也没有走出实验室的范围。 第二阶段为8 0 年代。这期间c a i 研究有了较大的发展，大学、中学、小学的教 师对此产生了兴趣，一些有条件的学校教师开始自己动手研制c a i 教学系统，如华东 师范大学老师开发的“微机辅助b a s i c 语言教学系统”。1 9 8 7 年，成立了全国计算机 辅助教育学会。这个时期研制出的一些教学软件，结合了多媒体技术，但起点还比较 1 塑料产品缺陷分析的c a i 及专家系统 低，低水平重复的状况比较多。 第三阶段从9 0 年代开始。随着网络技术的迅猛发展，c a i 的实现不但结合多媒 体技术，还结合了网络技术，致使在各学科中涌现出了一些较为优秀的c a i 教学系 统。如1 9 9 8 年清华大学和北京邮电大学开通的远程教育，杨连发和张兰芳于2 0 0 1 年开发的“模具设计基础多媒体c a i 课件”( 1 9 ) ，崔卫东利用v b 开发的“多 媒体数据结构c a i 课件”( 2 2 ) 等。 目前，国内开发的c a i 教学系统已实现了多媒体化和网络化，正朝着智能化的 方向发展。虽然对智能化的研究还处于起步阶段，但已有众多的专家学者对“智能化 计算机辅助教学”进行了探讨和研究，如王晓京，张景中等于1 9 9 9 年开发的“基 于知识库及其自动推理机制的i c a i ( 化学) 系统”( 2 6 ) ，聂永红和邓国和于2 0 0 0 发表的名为“i c a i 探索”的文章( 3 0 ) 以及李铮和赵桂钦于2 0 0 2 年发表的名为“i c a i 系统学习者建模的研究”的文章等( 2 9 ) 。 与国内c a i 教学系统的发展相比，国外c a i 教学系统的设计与开发经历了一个 较大的观念转变过程。过去c a i 教学系统的设计开发，着重在传播知识，并通过计 算机向学生提出问题，由学生做出解答来评估学生的能力。随着教育思想的发展，他 们开发的c a i 教学系统从原来的由计算机向学生提问方式转变为学生向计算机提出 问题和要求，再通过学生与计算机之间的交互作用，去探索解决问题的途径。目前国 外网络化和多媒体化技术也已成熟，他们正在进一步研究智能化在计算机辅助教学中 的应用，以及网络化、多媒体化和智能化三体相结合的研究，如y o s h i o k a ，t 和 k o j i m a s 等人于1 9 9 6 年开发的“w w w - b a s e di n d i v i d u a ll e a r n i n gs y s t e mi n t e r m so ft e c h n i c a le n g l i s hw o r d s ”( 2 ) 实现了网络化，a y a m a m o t o k i t o 等人开发的“p r o t o t y p e c a is y s t e m ”( 8 ) ，实现了网络化和智能化的结合，并且它 还采用了语音识别系统和语音合成系统，z o n gc h e n g q i n g ，w a n gy i n g z i ，h u a n g h e y a n c h e nz h a o x i o n g 开发的智能化计算机辅助教学系统c c i c a i 1 0 ，采用 了启发式自然语言理解技术。由此可见，将a l 技术引进计算机辅助教学将是以后的 发展方向。 1 3 课题研究的意义 塑料模具设计是机械专业方向和模具专业方向的主修课程，该课程主要讲授 了有关塑料零件以及塑料模具设计的基本原理。作者经过一段时间的调研发现此课程 具有内容抽象、知识涉及面广、实践性强等特点，无论是授课还是学习都有一定的难 度，再加上课时有限以及课堂授课手段的单一，学生普遍反映无法正确和全面的理解 老师所讲的内容，具有枯燥乏味的感觉，经常造成重点不能完全掌握、难点不能彻底 理解、疑点不能完全解开、教学效果大打折扣等现象。为了能使学生更好地掌握此门 南京航空航天大学硕士学位论文 课程的内容，也为了有效地减轻教师的教学负担，作者开发了塑料模具设计c a i 这一教学系统。 塑料模具设计c a i 系统是计算机辅助教学系统，这是一种具有现代特色的新 型教育方式的具体体现。它根据塑料模具设计这门课程的教学内容和特点，通过 不同的画面( 静态和动态) 、不同的表现形式( 图像、动画、视频和声效等) 、不同的 颜色等手段将原本内容繁多、抽象、无法观察和难于理解的东西简单化、具体化、形 象化和易于理解化；创造了一个动静结合、图文并茂的视、听结合的形象化教学环境， 从而改变了原来将知识信息仅以单一视觉或听觉符号来表现的教学形式，弥补了传统 教学在时间和空间上的不足。从学生角度来看，有利于调动学生学习的兴趣，促进和 加深学生对教学内容的理解；而对于老师，借助这套c a i 系统可以教的更轻松省力。 所以，开发塑料模具设计计算机辅助教学系统来取代过去那种“满堂灌”的教学 方法势在必行，具有极其重要的意义。 1 4 课题的主要研究工作 本课题研究的初衷是开发完整的塑料模具设计c a i 教学软件系统，但由于技 术以及时间等问题，作者只实现了塑料模具设计中“塑料产品缺陷分析”的c a i 及专家系统的制作。我们在w i n d o w s 环境下以v i s u a lb a s i c6 0 和s q ls e r v e r2 0 0 0 等 作为开发工具完成了这套系统。该系统可协助老师完成课堂教学任务，也是课后学生 继续学习的良好工具。具体研究工作如下： ( 1 ) 塑料产品缺陷分析c a i 系统的总体构想，其中包括功能设计、结构设计 和实现方案设计。 ( 2 ) 各种素材( 包括文字、图形、图像、动画、视频、音乐等) 的收集和制作， 以及如何根据教育心理学的原理将这些素材进行整合、布置，从而使内容变 得直观、简单和易于理解，人一机界面变得易于交互。 ( 3 ) 塑料产品缺陷分析c a i 系统中所用到的数据( 如图片、动画、视频等) 的存储方式。 ( 4 ) “塑料产品缺陷原因查询”专家系统的整体设计，包括知识的表示、知识库 的创建与维护、推理机的设计和简单自然语言的理解等。 ( 5 ) 注重系统的实用性，不能只顾表现手法的多样性，而失去真正的教学目的， 真正的实现以学生为中心，而不是以课件为中心。 ( 6 ) 尽可能减小系统的存储空间。 塑料产品缺陷分析的c a i 及专家系统 第二章p f a c a i 系统的总体设计 2 1p f a c a i 系统的开发过程 塑料产品缺陷分析c a i ( 简称p f a c a i ) 系统是针对塑料模具设计这门课程 中的“塑料产品缺陷分析”这一教学难点进行开发的。它可辅助老师完成课堂教学任 务，帮助学生课后继续学习。鉴于以往开发c a i 教学系统的过程以及“塑料产品缺 陷分析”教学内容的特点，其总体开发过程如下： 图2 1 系统的开发过程 2 2p f a c a i 系统的功能设计 p f a c a i 系统提供了塑料产品缺陷分析的知识，可根据需要在诸如缺料、飞边过 大和空洞等方面进行内容切换，并跗有基于各个小节特点的动画演示、内容讲解、背 景声效和背景图案等选择；如果有需要，还可以保存对某小节的学习心得。另外， p f a c a i 系统还根据专家系统的原理实现了“塑料产品缺陷原因查询”的功能，只要 输入缺陷的名称，便可以列出导致此缺陷的原因以及解决方案列表，其中列表的内容 和顺序是从专家提供的经验知识中提取的，它是通过一层或多层的推理完成的。 概括的说p f a c a i 系统具有以下两大功能： 1 ) 塑料产品设计与缺陷分析的知识展示 为实现这一功能需要做的工作包括：理论知识的整理展示，相应动画的制作， 背景声效、图案的制作，数据扩充功能的实现。 2 ) 塑料产品缺陷的原因查询 南京航空航天大学硕士学位论文 为了达到这一目的需要做如下的工作：知识表示的选择，推理机的设计，知识 的获取，知识库的创建与维护，简单自然语言的理解。 2 3p f a c a i 系统的结构设计 根据p f a c a i 系统的设计思想和所需要实现的功能，p f a c a i 可分为t e x t s y s t e m ( 实现塑料产品缺陷分析的知识展示) 和q u e s t i o n s y s t e m ( 实现塑料产品缺陷的原因 查询) 两个子系统，t e x t s y s t e m 和q u e s t i o n s y s t e m 的详细情况将分别在第三章和第四 章中进行介绍，本节主要讨论p f a c a i 系统的总体结构。 2 3 1p f a c a i 系统的框架结构 p f a c a i 系统是基于关系型数据库开发的。系统由数据库的前端和后端组成，前 端包括应用程序的人机界面和数据库接口；后端是综合数据库，包括存储图片数据和 动画数据的数据库，存储专家系统条件集、知识库的数据库等，如图2 2 。 图2 2p a c a i 系统的结构；i c 程图 塑料产品缺陷分析的c a i 及专家系统 2 3 2p f a c a i 系统的功能结构 确定了p f a c a i 系统的框架结构后，作者将采用若干子系统来构建整个系统。依 据“塑料产品缺陷分析”的特点，将p f a c a i 系统分为以下几个子系统： 1 主控系统 2 用户管理 3 t e x t s y s t e m 子系统 4 q u e s t i o n s y s t e m 子系统 下面分别介绍各子系统所完成的主要功能： 1 主控系统 p f a c a i 的主控系统是各个子系统之间的桥梁，完成系统各个子系统之间的调用、 联系和协调。 2 用户管理子系统 该子系统用来设定用户的访问权限，用户的权限不同，系统提供给每个人的功能 也不同。例如一般用户只能浏览系统的资源，而特定的用户除了可以浏览系统的资源 外，还可以对数据库中的知识进行增删等操作。用户管理子系统的设置有利于 t e x t s y s t e m 数据库、q u e s t i o n s y s t e m 综合数据库的维护，提高了系统的安全性。 3 t e x t s ) r s t e m 子系统 t e x t s y s t e m 予系统展示了“塑料产品缺陷分析”的知识，它把书本上繁多、抽象 的知识简单、形象化并辅助教师进行课堂教学，帮助学生课后复习和自学。 4 q u e s t i o n s y s t e m 子系统 q u e s t i o n s y s t e m 子系统是一个“塑料产品缺陷分析”的专家系统，它根据输入的 缺陷名称，在知识库中进行搜索，通过推理机进行层层推理，最终给出导致此缺陷的 原因列表，并且该列表是按在以前的工作中出现的概率大小进行排列的，从而可以减 少塑料模具设计师查找缺陷原因的时间，也可以让初学者尽快通晓一个塑料模具专家 在查找导致塑料产品缺陷原因时的思路。 2 4 p f a c a i 的实现方案 本节讲述了p f a c a i 系统的开发方法和实现环境。 2 4 ip f a c a i 的开发方法 在选择开发方法时，考虑到p f a c a i 系统的应用领域，以及未来的应用前景和使 - 6 - 。南京航空航天大学硕士学位论文 用价值，作者未采用传统的开发方法，而是选用了客户机服务器( c l i e n t s e r v e ) 的 结构来开发p f a c a i 系统。c l i e n t s e r v e r 是以网络环境为基础、将计算机应用有机地 分布在多台计算机中的结构，如图2 3 所示，其中的一个或多个计算机提供服务，称 为服务器( s e r v e r s ) ，其他的计算机则接受服务，称为客户机( c l i e n t s ) 。c l i e n t s e r v e 模式把系统的任务进行了划分，它把用户界面和数据处理操作分开在前端( 客户端) 和后端( 服务器端) ，服务器负责数据的存储、检索和维护，而客户机负责提供g u i 接口，承担诸如处理与显示检索所得的数据、解释和发送用户的请求等任务。因此在 网络中传输的数据仅仅是客户需要的那部分数据，而不是全部。这个特点使得 c l i e n t s e r v e 的工作速度主要取决于进行大量数据操作的服务器，而不是前端的硬件 设备：同时大大降低了对网络传输速度的要求，使系统性能有了较大的提高。 c l i e n t s e r v e 方式增加了数据库系统数据共享能力，服务器上存放着大量的数据，用 户只需在客户机上用标准的s q l 语言访问数据库中的数据，便可方便地得到所需的 各种数据及信息。 网络 p c p c 图2 3 客户机月务器结构 c l i e n t s e r v e 系统基本由三个部分组成：客户机、服务器、客户和服务器之间的 连接。客户机是一个面向最终用户的接口或应用程序，它向服务器请求数据服务，将 结果显示给用户。服务器的主要功能是建立进程和网络服务地址，监听用户的调用， 处理用户端请求，将结果返回给客户和释放与用户的连接。客户机和服务器之间的连 接是通过网络连接实现的，对应用系统来说这种连接更多的是一种软件通信工程( 如 网络协议等) ，现有多种连接客户和服务器的标准接口和软件，如开放数据库连接 ( o d b c ) 、a d o 编程等。 塑料产品缺陷分析的c a i 及专家系统 目前，基于c l i e n t s e r v e r 的关系型数据库管理系统包括s q ls e r v e r ，o r a c l e ， s y b a s e ，i n f o r m i x 等，由于s q ls e r v e r2 0 0 0 所具有的如下特点更适合于p f a c a i 教 学系统的开发，因此作者选用s q ls e r v e r2 0 0 0 作为p f a c a i 的数据库管理系统。 1 强大的图形化管理功能：可以说s q l s e r v e r2 0 0 0 具有十分强烈的微软气 息，它的管理系统使用图形化的管理工具。s q l s e r v e r2 0 0 0 的所有管理 都可以使用s q ls e r v e re m e r p f i s em a n a g e r ，即s q ls e r v e r2 0 0 0 企业管 理器实现，这是一个基于图形用户界面的集成管理工具，使用起来十分 方便直观。 2 具有丰富的编程接e l ：s q ls e r v e r2 0 0 0 提供了d b l i b r a r yf o rc 、 t r a n s a c t - s q l 、嵌入式s q l 开发工具、o d b c 规范、o l ed b 规范等开 发工具，用户可根据自己的需要开发更为适合处理事务的要求。 3 支持多线程操作：由于支持了多线程操作，s q ls e r v e r2 0 0 0 可以在多用 户并发访问时，并不占用系统的过多资源，从而可以承受较大访问量的 冲击。 4 良好的并发控制：在s q l s e r v e r2 0 0 0 中，用户可以不用关心并发操作中 的锁定过程，系统自动利用动态锁功能防止用户在进行查询、修改、删 除等并发操作时发生的相互冲突。 5 强大的数据引擎：s q l s e r v e r2 0 0 0 拥有强大的数据引擎，高级的管理方 式，大大降低了检索的开销。此外，s q ls e r v e r2 0 0 0 支持x m l ，h t t p ， 并与w e b 相结合。 6 与操作系统良好的接口：s q ls e r v e r2 0 0 0 即能够运行于w i n d o w s 9 8 9 5 操作系统下( 只能作为客户端) ，也可以运行于w i n d o w s n t 和w i n d o w s 2 0 0 0 ( 包括w i m o w s2 0 0 0s e r v e r a d v a r l c es e r v e r ) 环境下。作为微软自 己开发的数据库管理系统，s q l s e r v e r2 0 0 0 与以上的操作系统有着良好 的接1 2 ，并充分利用其中所提供的服务，提高s q ls e r v e r2 0 0 0 数据库管 理系统的运行性能。 在p f a c a i 系统的数据库实现中，将数据存放在同一台数据库服务器内的关系数 据库中。存放在基表中的数据对不同的用户设置不同的访问权限。 开发客户端时，作者之所以采用了v i s u a lb a s i c6 0 ( v b 6 o ) 作为系统前端开发 工具是因为v b 6 0 具有如下优点： 1 具有面向对象的可视化设计界面：在v b 6 0 中，应用面向对象的程序设计 方法( o o p ) ，把程序和数据封装在一起视为一个对象，而且每个对象是 可视的。编写程序时，只要按照界面设计要求，用鼠标把所需的控件拖放 到屏幕上的适当位置，并作必要的属性设置和编写响应事件的程序代码就 可以了。 南京航空航天大学硕士学位论文 2 具有事件驱动的编写机制：程序员只需要编写响应用户动作的代码，各个 动作之间不一定有必然的联系，这样的代码一般都比较短，使程序易于开 发和维护。 3 支持多种数据库系统的访问：利用数据控件或o d b c 能够访问多种数据库 系统，如m i c r o s o f ta c c e s s 、d b a s e 和s q ls e r v e r 等。同时，v b 6 0 新增的 a d o 技术，是m i c r o s o f t 指定的应用程序级数据访问接口，支持所有的 o l e d b 数据库产品，a d o 包括了现有的o d b c ，占用内存少，访问速度 快。 4 支持o l e 技术：v b 6 0 支持对象的链接与嵌入( o l e ) 技术，利用o l e ， 可以开发出集声音、图像、动画、w e b 等对象于一体的应用程序。 5 强大的网络功能：v b 6 0 提供了d h t m l 设计工具。这种技术可以使w e b 页面设计者动态地创建和编辑页面。而且v b 6 0 地应用程序向导可以自动 创建不同类型、不同功能地应用程序( 如i i s 应用程序、d h t m l 、数据库 应用程序等) 。 系统前端应用程序与后端数据库管理系统采用a d o 编程发送和接受数据。a d o 是为m i c r o s o f t 最新最强大的数据访问范例o l ed b 而设计的，是基于o l ed b 之上 的技术。因此，a d o 通过其内部的属性和方法提供了统一的数据访问接口，是一个 便于使用的应用程序层接口。a d o 对象可以在所有支持c o m 和o l e 的平台上使用， 如v b 、v c + + 和j a v a 等，是一个独立于开发工具和开发语言的简单而且易于使用的 数据接口。它可以访问各种数据源，包括传统的关系型数据库，以及e x c e l 表格、文 本文件、图形文件和无格式文件等。 2 4 2p f a c a i 系统的开发环境 为了构造一个基于c l i e n t s e r v e 结构的实用性强且便于推广的教学软件系 统，将开发p f a c a i 系统的软、硬环境设定如下： 1 网络的主要数据指标： 类型 通讯频带 传输介质及速率 网络协议 网络管理软件 通讯方式 小型局域网 基带型 普通电线( 双绞线) t c p i p ，i p x 压j p x s q l s e r v e r2 0 0 0 ，w i n d o w s 2 0 0 0s e r v e r c l i e n t s e r v e 2 数据服务器平台为一台性能优越的微机，微机主频1 7 0 0 m ，内存2 5 6 m ，以 w i n d o w s2 0 0 0s e r v e r 和s q ls e r v e r2 0 0 0 为平台； 塑料产品缺陷分析的c a i 及专家系统 3 p f a c a i 在p c 机及其他兼容机上开发，以w i n d o w s2 0 0 0 为平台，内存不小 于1 2 8 m ： 4 采用v i s u a lb a s i c6 0 作为开发语言； 南京航空航天大学硕士学位论文 第三章t e x t s y s t e m 的设计与实现 t e x t s y s t e m 实现了p f a c a i 系统的第一个功能，即塑料产品缺陷分析的知识展 示。t e x t s y s t e m 的整个制作过程是以? 教育心理学”为中心，将书本的内容简单化、 形象化，使学习者通过多种感观获得知识，增强理解，以达到提高教学效率和增强教 学效果的目的。t e x t s y s t e m 的制作流程如图3 1 。 需求分析 l 编写脚本 j i脚本分析及系统结构 _ l 采集、制作多媒体素材 文字音乐图像视频动画 制作声音图形制作制作 制作制作 l 素材数据的存储 1 系统集成和测试 图3 1t e x t s y s t e m 的制作过程 从图3 1 可知，素材的采集和制作是t e x t s y s t e m 的基础，采用何种方式存储数据 是t e x t s y s t e m 实现的关键。因此，本章将从素材制作、素材整合、数据存储和 t e x t s y s t e m 的运行机制等方面进行论述。 3 1 t e x t s y s t e m 素材的采集与制作 在t e x t s y s t e m 应用系统的制作过程中，素材的准备工作量大且耗时，需要投入 大量的人力物力。好素材的获取依赖于工作人员的文化艺术素质、创意及奉献精神 - 1 l - 塑料产品缺陷分析的c a i 及专家系统 取决于对各种软硬件的正确掌握和熟练使用以及日常对大量素材的留心搜集于与管 理。 不同类型数据文件的制作方法以及所需的软硬件环境是不相同的。对于文本文 件，一般是通过自处理软件录入与编辑的；对于声音文件，一般是先通过声卡进行录 制，而后用声卡或w i n d o w s 系统提供的工具进行修改以及编辑；对于图形、图像文 件，可通过绘图工具绘制或对原创图像进行扫描等方式得到；对于视频文件，可用视 频卡捕捉；对于动画文件，可采用二维或三维专门动画制作软件，或用含动画意4 作功 能的多媒体创作工具来制作。 根据“塑料产品缺陷分析”的特点，t e x t s y s t e m 中主要采用了文字描述、图像显 示、动画演示等手段。下面，对t e x t s y s t e m 中使用到的索材制作方法加以论述。 3 1 1 文字制作 在多媒体素材中，文字的地位十分重要。多媒体素材中的文字分两种：一种是文 本文字；另一种是图形文字。它们的区别是： 1 产生文字的软件不同。前者多使用文字处理软件( 如书写器、w o r d 等) ， 通过录入、编辑排版后而生成，而后者多使用绘图工具软件( 如画笔、 p h o t o s h o p 等) 来生成。 2 文件的格式不同。前者为文本文件格式，如 ( t 、w r i 、d o c 等，除包 含所输入的文字外，还包含排版信息，而后者为图像文件格式，例如b m p 、 t i f 等。他们都取决于所使用的软件和最终有用户所选择的存盘格式。图 像格式所占的字节数一般要大于文本格式。 t e x t s y s t e m 采用的是图形文字，由绘图工具p h o t o s h o p6 0 生成。 3 1 2 图像数据的制作 图像数据的获取方法主要有以下几种： 1 使用扫描仪扫入图像。通过扫描仪可将各种照片、美术品转换成单色、灰 度或彩色的多种格式的图像文件，并可利用多种图像处理软件对图像文件 进行修饰和编辑。 2 利用绘图软件创建图像。这类软件往往具有多种功能，除了绘图以外，还 可以用来对图形扫描、修改等，如c o r e l d r a w 、p h o t o s h o p 等。 3 从商品图像库中获取。 南京航空航天大学硕士学位论文 4 使用摄像机捕捉。通过帧捕捉卡，可利用摄像机实现单帧捕捉，并保存为 数字图像。 5 数码照相机。数码照相机是一种用数字图像形式存储照片的照相机，它可 将所拍的照片以位图文件的形式存储在磁盘中。 t e x t s y s t e m 中的图像数据，主要通过绘图工具p h o t o s h o p6 0 来完成，还有一些 由数码照相机获得，再通过p h o t o s h o p6 0 将b m p 文件转换成j p g 文件存储，减小文 件的存储空间。 3 1 3 动画的制作 动画采用f l a s h 5 0 制作，f l a s h 5 0 是m a c r o m e d i a 公司三大拳头产品之一，是矢 量图编辑器和动画制作的专业应用软件。由f l a s h 5 0 产生的矢量图动画具有体积小、 交互性强、放大不失真、可带同步音效等特点。并且。f l a s h 5 0 既可以生成自动可执 行文件( e x e ) ，还可生成用f l a s h 播放器播放的文件( + s w f ) ；也可以做成单独的动 画，如自制的小电影、m t v 等。 3 2 t e x t s y s t e m 的素材整合 3 1 节论述了t e x t s y s t e m 所需素材的采集过程和制作方法，这节讨论素材的有效 组织及结合形式。不同的教学内容要匹配不同的素材。对于简单、直观的内容只需文 字描述，如产品收缩率的知识；像关于塑料产品采用圆角过渡以及塑料产品产生缺料、 气泡等缺陷的知识，除了文字描述外，还需配有二维静态图片的展示，通过增强视觉 效果来促进学生的理解；而对于诸如脱模斜度、加强劲等需要具有较强空间想象能力 的知识，除了必要的文字描述外，还需增加三维动画演示和视频素材来帮助学生理解 课程内容。如图3 6 展示了脱模斜度的知识内容，作者除了采用必要的文字叙述外， 还增加了二维静态图片进行说明，对于缺乏空间想象能力的同学可通过三维动画演示 ( 添加声效效果) 模拟有脱模斜度零件的脱模情况和无脱模斜度零件的脱模情况，也 可用视频播放器播放一些由摄像机拍摄的一些现场实际情况。 塑料产品缺陷分析的c a i 及专家系统 图3 6t e x t s y s t e m 的人机界面 3 3 t e x t s y s t e m 数据的存储 数据在大多数人的头脑中第一个反应就是数字，但就广义范围而言，数字只是数 据的一种形式，数据的种类很多，如文字、图形、图像、声音、学生的档案记录、货 物的运输情况等都是数据。t e x t s y s t e m 中使用的大部分是图形、图像数据，这类数据 的特点是占用较大的存储空间，如果采用传统的文件系统存储方式，数据的独立性和 易扩展性差。因此作者采用数据库技术进行数据的存储。 3 3 1 数据库系统概述 数据库技术是现代信息科学和技术的重要组成部分，是计算机数据处理与信息管 理系统的核心。数据库技术研究和解决了计算机信息处理过程中大量数据有效地组织 和存储的问题，在数据库系统中减少了数据存储的冗余、实现了数据共享、保障了数 据安全、提高了检索数据和处理数据的效率。 下面概要介绍数据库系统的特点、控制功能、数据管理模型以及发展历程。 南京航空航天大学硕士学位论文 1 数据库系统的特点 数据库系统相比文件系统而言，克服了文件系统的数据冗余度大、数据联系弱等 缺点，在数据管理方面有了一次重大的飞跃。具体表现为如下几个方面： 数据库中的数据是结构化的。文件系统中的数据是无结构的，数据库系统不 仅考虑数据项之间的联系，而且还考虑记录间的联系。这种联系是通过存储 路径来实现的。 数据冗余度小，易扩充。文件系统的数据均是与某个应用相联系，而数据库 中的数据面向系统，减少了数据冗余，实现了不同应用间的数据共享。 较高的数据和程序独立性。数据库系统提供了两方面的映像关系，一方面是 数据的存储结构与逻辑结构之间的映像或转换功能；另一方面是数据的总体 逻辑结构与某类应用所涉及的局部逻辑结构之间的映像或转换功能。前者使 得当数据的存储结构改变时，数据的逻辑结构可以不变，从而应用程序可以 不必修改，这就是数据的物理独立性。后者使得当总体逻辑结构改变时，通 过对映像的相应改变而保持局部逻辑结构不变程序员根据局部逻辑结构编 写应用程序，因此应用程序可以不必改变，这是数据的逻辑独立性。 数据库为用户提供了方便的接口。用户可以用数据库系统提供的查询语言和 交互式命令操纵数据库，也可以用高级语言编写程序来操纵数据库，拓宽了 数据库的应用范围。 数据的最小存取单位是数据项。在数据库中用户即可以存取数据库中某一个 数据项或一组数据项，也可以存取一个记录或一组记录。 2 数据库系统的控制功能 数据库是系统中各用户的共享资源，计算机的共享一般是并发的，即许多用户同 时使用数据库，因此系统提供了统一的数据控制功能。主要表现如下： 数据的安全性控制。数据的安全性是指保护数据以防止不合法的使用所造成 数据的泄密和破坏。 数据的完整性约束。数据的完整性是指数据的正确性、有效性与相容性。在 输入、修改数据库的过程中始终符合原来数据的定义与规定。 并发控制。当多个用户同时存取、修改数据库中的数据时，可能会发生相互 干扰而使数据完整性遭到破坏，数据库的并发控制防止了这一现象的发生。 数据库的恢复。当数据库在运行过程中发生硬件或软件故障时，数据库系统 提供了将数据库恢复到最近某个时刻的正确状态。 3 数据库系统数据管理模型 数据库的数据管理模型如图3 2 塑料产品缺陷分析的c a i 及专家系统 图3 2 应用与数据库的关系 其中数据库是一组数据的集合，数据库中的数据以一定的组织方式存储，彼此相 互联系，并具有较小的冗余，且能被多个用户所共享。数据库管理系统( d b m s ) 是 一个通用的软件系统，由一组计算机程序构成，它能对数据库进行有效的管理，包括 存储管理、安全性管理、完整性管理等，使用户能方便的快速的建立、维护、检索、 存取和处理数据库中的信息。 4 数据库的发展经历下面三个阶段： 第一代是网状和层次数据库系统 第二代是关系数据库系统 第三代是以面向对象数据模型为主要特征的数据库系统 目前数据库的主流是第二代关系型数据库系统，几乎所有运行在c l i e n t s e r v e 计 算机网络上的数据库都是关系数据库。本章的t e x t s y s t e m 和下章的q u e s t i o n s y s t e m 均采用了关系型数据库存储数据。 3 3 2 关系型数据库 1 9 7 0 年i b m 公司的s a nj o s e 研究实验室的研究员e f c o d d 提出了关系数据模型， 从而开创历了关系数据库方法和关系数据库理论。 所谓关系数据库是指按照关系模型来存放数据的数据库。关系模型就是形如图 3 3 的一张二维表。表中的一行称为一个元组( 或称一条记录) ；一条记录中的一项 称为一个属性( 或一个字段) ；相同的属性构成表的一列，每个属性列都有一个名称， 称为属性名；全部属性名构成表的表头，整个表头又称为关系模式；一张表内的所有 数据称为一个关系。 南京航空航天大学硕士学位论文 关系模式 一个元组 属性名 关系 二维表中存放了两类数据：实体本身的数据和实体间的联系。实体间的联系是通 过不同的关系中具有相同的属性名来实现的。如表3 1 中的学生情况关系中存储了学 生的学号、姓名、年龄、班级号等信息，表3 2 在班级情况关系中存储了班级号( 假 设班级号唯一) 、专业、院系等信息。这两个关系通过班级号来实现二者之间一对朵 的联系。 表3 1 学生情况 学号姓名年龄班级号 2 0 0 2 0 0 l 张枫 1 90 3 2 2 0 0 2 0 0 2李勇2 00 3 l 2 0 0 2 0 0 3程字2 l0 0 1 2 0 0 2 0 0 4 王刚 1 90 0 3 表3 2 班级情况 班级号专业院系 0 0 l计算机应用计算机系 0 3 2车辆工程车辆工程学院 0 3 1机械设计机电学院 0 0 3经济管理经济学院 另外，数据库中关系的性质应具有如下要求： 1 列是同质的，即每一列中的值是同类型的数据，来自同一个域 2 不同的列