（采矿工程专业论文）基于cs模式的顶板控制专家系统.pdf

：k 原理工人学硕士研究生学位论文 基于o s 模式的顶板控制专家系统 摘要 1 9 8 7 年8 月原煤炭工业部颁发了煤矿生产技术管理工作的若干规 定，要求每个工作面要根据矿压资料及地质资料，确定工作面顶板控制 方法、支护方式。1 9 9 7 年的煤生字2 3 7 号文件及2 0 0 4 年国家煤矿安全监 察局颁发的煤矿安全质量标准化标准中又进一步强调“作业规程中 支护设计应根据矿压资料及地质资料、顶板控制专家系统进行的科学计 算，支护方式、支护参数的选择要有科学依据”。本专家系统的开发正是 在这种背景下进行的。 本文根据离柳焦煤集团开采条件、围岩物理力学参数分析、地质力 学评估，经过理论分析及实际观测数据分析，构建了离柳矿区项板控制 数据库，开发出离柳矿区顶板控制专家系统。系统以面向对象语言v i s u a l b a s i c 和关系型数据库s q ls e r v e r2 0 0 0 为开发平台，采用二层的c s ( c l i e n t s e r v e r ) 结构进行开发，用v i s u a lb a s i c 来作为c l i e n t 端的开发 工具，s o ls e r v e r 作为s e r v e r 端的数据库服务器，同时通过d b l i b r a r y ( 这里的d b l i b r a r y 指的是v i s u a lb a s i cf o rs q ls e r v e r ) 作为c l i e n t 端 与s e r v e r 端的沟通桥梁。 该专家系统的主要功能为：根据输入的矿压观测数据，自动统计、 分析，并输卅报表；根据输入的岩石力学参数，自动生成柱状图；根据 i 太原理工大学硕士研究生学位论文 巷道顶、底、帮岩层强度、采深、煤柱宽度、岩体完整性指数、直接顶 厚度与采高比值，对巷道围岩稳定性进行分类，并提出了相应支护建议； 巷道支护形式合理选择及支护参数设计；根据输入的项底板特性参数对 工作面直接顶、老顶、底板进行分类；根据支架工作阻力及工作参数进 行底板比压计算，并对底板进行分类；根据老顶来压步距、支架控顶距、 直接顶厚度进行支护强度计算，并对支架合理工作参数进行选择。 通过顶板控制专家系统的应用，可以掌握离柳焦煤集团各矿区在不 同开采条件下回采工作面老顶来压显现规律、来压步距和来压强度，分 析回采空间支架与围岩相互作用关系，确定工作面采动影响范围及支承 压力分布变化规律，为合理地进行采区设计、巷道布置、选择采煤参数、 设备选型、工序安排、支护方式及项板管理方法提供科学依据。 该专家系统对于指导离柳焦煤集团各矿井安全生产，实现各矿井安 全质量标准化计算机管理，具有十分可观的经济效益和良好的社会效益。 关键词：c s 模式，顶板控制，关系数据库，专家系统 i i ：蜒原理工大学硕士研究生学位论文 t h ee x p e r ts y s t e mo f t h er o o fc o n t r o lb a s e d o nc s m o d e l a b s t r a c t i na u g u s to f1 9 8 7 ，t h em i n i s t r yo fc o a li n d u s t r yp r o m u l g a t e d ( ( s o m e r o l eo fc o a lm a n a g e m e n to fp r o d u c t i o na n dt e c h n i c a l ) ) ，i tr e q u i r et h a te v e r y f a c em u s tb a s eo nd a t ao fs t r a t ac o n t r o lo b s e r v a t i o na n dg e o l o g yt oc o n f i r m c o n t r o lm e a n sa n d s u p p o r tm a n n e ro ft h ef a c er o o f a c c o r d i n g a s2 3 7 # a r t i c l e so fc o a li n1 9 9 7a n d ( ( c o a ls a l t yq u a l i t ys t a n d a r d i z a t i o nc r i t e r i o n ) ) p r o m u l g a t e db ys u p e r v i s i n gb u r e a uo fc o a ls a f e t y , i tm o r ee m p h a s i z e dt h a t t h es u p p o r td e s i g no fo p e r a t i n gr u l e sn e e db a s eo nd a t u mo fs t r a t ac o n t r o l o b s e r v a t i o n ，g e o l o g yc o n d i t i o n sa n d s c i e n c ec a l c u l a t i o n s b y t h ee x p e r t c o n s u l t i n gs y s t e mo fr o o fc o n t r o l ，t h ec h o i c eo fs u p p o r tm a n n e ra n ds u p p o r t p a r a m e t e rm u s tb es c i e n t i f i ca n da p p r o p r i a t e t h e r e f o r e ，t h er e s e a r c hs u b j e c t w a se s t a b l i s h e d t h r o u g ho b s e r v i n gm a n t op r e s s u r ed a t u mo fe v e r yc o a lm i n eo fl i “u c o a l g r o u p ，c o m b i n g r o c k g e o m e c h a n i c sa n a l y s e sc a r r y i n gt h r o u g h g e o m e c h a n i c se v a l u a t i o n ，b a s e do nt h e o r ya n a l y s e sa n dc o m p u t e rn u m e r i c a l s i m u l a t i o nw ee s t a b l i s h e dd a t ab a n ko fr o o fc o n t r o la n df r a m ee x p e r ts y s t e m i i i 太原理 火学硕：l 研究生学位论文 o fr o o fc o n t r o lo fl i l i um i n e t h es y s t e mb a s e do nv i s u a lb a s i ca n ds o l s e r v e r2 0 0 0a n dd i de x p l o i t a t i o na d o p t i n gt w o l e v e lc s ( c l i e n t s e r v e r ) s t r u c t u r e ，u s i n gv i s u a lb a s i ca sd e v e l o p m e n tt o o lo fc l i e n ta n ds q l s e r v e ra s d a t ab a n ks e r v e ro fs e r v e re n d ，a tt h es a m et i m e a d o p t i n gd b l i b r a r y ( v i s u a lb a s i cf o rs q ls e r v e r ) a sc o m m u n i c a t i n g b r i d g eo fc l i e n te n da n d s e r v e re n d m a j o rf u n c t i o no ft h es y s t e m ：a u t o s t a t i s t i c ，a u t o - a n a l y s et h e no u t p u t r e p o r tf o r m sb a s e do ni n p u td a t a ；s e l f - c r e a t i n gb a rc h a r ta c c o r d i n gt oi n p u t r o c km e c h a n i c sp a r a m e t e r s ；c l a s s i f ya c t u a lm i n i n gr o a d w a ys t a b i l i t yb yw a l l r o c kf o r c eo fr o o f ，f l o o ra n ds i d e 、c o a lc u t t i n gd e p t h 、c o a lw e d g ew i d t h 、r o c k m a s si n t e g r i t yp a r a m e t e r 、d i r e c tt i ps i d et h i c k n e s sa n dr a t i ob e t w e e ns h e a r h e i g h ta n dc o a ls e a mt h i c k n e s s ；a p p r o p r i a t ec h o i c eo fs u p p o r tm a n n e ro f e n t r ya n dw o r k i n gp a r a m e t e r ；c l a s s i f yi m m e d i a t er o o f , m a i nr o o fa n df l o o ro f w o r k i n gf a c e ；c a l c u l a t es u p p o r t i n gs t r e n g t hb ys u p p o r tw o r k i n gr e s i s t a n c e a n dw o r k i n gp a r a m e t e r ；c a l c u l a t ef l o o r s p e c i f i cp r e s s u r eb ym a i nr o o f w e i g h t i n gd i s t a n c eb e t w e e nt w os t e p s 、s u p p o r tu n s u p p o r t e dr o o fd i s t a n c e 、 d i r e c tr o o ft h i c k n e s sa n dd oa p p r o p r i a t ec h o i c eo fs u p p o r tw o r k i n gp a r a m e t e r w ec a ng r a s pb e h a v i o u rf e a t u r e ，w e i g h t i n gd i s t a n c eb e t w e e nt w os t e p s a n dw e i g h t i n gs t r e n g t ho fw e i g h t i n go fm a i nr o o fo fw o r k i n gf a c eu n d e r d i f f e r e n tm i n ec o n d i t i o n so f l i l i uc o a l g r o u p a n a l y s ei n t e r d e p e n d e n c e b e t w e e ns u p p o r to fw o r k i n ga n dw a l lr o c k ，c o n f i r mm i n i n ge f f e c ta r e ao f i v ：杞原理工大学硕士研究生学位论文 w o r k i n gf a c ea n dd i s t r i b u t i n gr u l eo fb e a t i n gp r e s s u r e ，p r o v i d i n gs c i e n c eg i s t f o r a p p r o p r i a t em i n i n ga r e ad e s i g n 、e n t r yl a y o u t 、c h o i c eo fc o a lc u t t i n g p a r a m e t e r 、e q u i p m e n tc h o i c e 、p r o c e s sa r r a n g e m e n t 、s u p p o r tm a n n e r a n dr o o f m a n a g e m e n tm e a n t h i s s y s t e m c a n g u i d es a f e t y i n p r o d u c t i o n ，r e a l i z e s a f em a s s s t a n d a r d i z a t i o nb yc o m p u t e rm a n a g e m e n ta n dh a v ec o n s i d e r a b l ee c o n o m i c r e t u r n sa n df i n es o c i a lb e n e f i t s k e yw o r d s ：c sm o d e ，r o o fc o n t r o l ，c o n n e c t i o nd a t ab a n k ，e x p e r ts y s t e m v 声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名：二已二f j 钆一 日期：z 虚础u “二 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定。其 中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； 学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的， 复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) 。 签 名：圣j 二宝i _ 一 日期：j 塑生厶正 导师签名： 也帕西 日期 盘6f ，f 太原理工大学硕士研究生学位论文 第1 章绪论 1 1 选题的背景、目的和意义 早在1 9 8 7 年8 月原煤炭工业部颁发的煤矿生产技术管理工作的若干规定中 就对煤矿采、掘工作面矿i 【j 压力显现规律及顶扳管理做出这样的规定：“每个采掘工 作面都要根据本煤层和邻近采区的地质测量资料和矿压观测资料( 包括顶板来压规 律、下沉量、下沉速度、压力值等) ，确定采掘工作面的顶板控制方法、支护方式， 作为编制采、掘作业规程的依据；凡是没有顶板观测资料而制定的作业规程，不得审 批；新投产矿井、新开采煤层都应在生产中逐步积累矿压观测资料”。 煤生字1 9 9 7 ，2 3 7 号文件关于煤矿生产技术管理基础工作若干规定又进一步 强调“矿井应制定回采工作面支护质量顶板监测及矿压预报制度，矿压观测资料收集 处理应及时反馈指导生产，并定期进行顶板压力预报”。 2 0 0 4 年4 月国家煤矿安全监察局和中国煤炭协会制定的“煤矿安全质量标准化 标准考核评分办法”在采煤安全管理质量标准对顶板管理中也有具体要求，概括如 r ： 1 ) 坚持支护质量和顶板动态检测( 包括综采) 并有健全的分析和处理责任，有 记录资料； 2 ) 坚持开展对工作面工程质量、顶板管理、规程兑现及安全隐患整改的情况的 班评估_ l 作； 3 ) 有合格的作业规程和管理制度，作业规程中支护设计根据矿压观测、地质资 料、顶板控制专家系统进行科学计算，支护方式、支护强度的选择有科学依据。 以上要求和规定充分说明了矿山压力观测和项板管理在煤矿安全生产中的地位 和重要性。 离柳焦煤集团公司是山西省较大的生产焦煤基地，下有四个煤矿( 兑镇煤矿、朱 家店一矿、朱家店二矿和新民煤矿) ，现生产能力达到2 0 0 万l 以上。从回采工艺上 看有综采放顶煤开采、高档普采、高档炮采等。巷道支护形式有棚式支护、锚式支护 1 太原理 _ ：大学硕士研究生学位论文 和砌旋支护。从煤层围岩条件看，有顶板维护较好的砂岩顶板( 如新民煤矿) ，有伪 顶较厚的复合顶板( 如朱家店一矿、朱家店二矿) ，也有遇水膨胀的软弱底板( 如兑 镇煤矿) 。从煤层赋存状况( 煤层厚度、倾角、埋藏深度、层理、节理、构造等) 看， 更是不同。 因此，就离柳矿区顶板管理而言，顶板管理系统是一个受有多种因素影响的复杂 系统，通过对离柳焦煤集团各矿矿压观测，结合围岩力学参数分析，对各矿地质力学 进行评估，经过理论分析及计算机数值模拟，构建了离柳焦煤集团顶板控制参数数据 库，研制出符合该矿区实际的顶板控制专家系统，用以指导矿井安全生产，实现矿井 安全质量标准化计算机管理，具有较强的现实意义。 顶板控制专家系统的研制，目的是掌握离柳焦煤集团各矿在不同开采条件下回聚 工作面老顶来压显现特点、来压步距和来压强度，分析回采空间支架与围岩相互作用 关系，确定工作面采动影响范围及支承压力分布变化规律，为合理地进行采区设计、 巷道布置、选择采煤参数、设备选型、t 序安排、支护方式及顶板管理方法提供科学 依据。 1 2 国内外研究现状 专家系统在机械、军工等；爱域得到了广泛的应用。随着采矿技术的发展，专家系 统也愈来愈引起矿业界的重视，普遍认为现代科学技术为传统矿业科学的发展，提供 了新的有效手段和机遇，并将使传统矿业科学的研究和应用跨入一个新阶段，甚至将 引起传统矿业科学研究和应用手段的彻底变革。在已经开发出的一些矿山专家系统 中。有的己取得了令人满意的应用效果，并展示了美好的发展前景。 1 2 1 国外研究现状 1 、机械方面 ( 1 ) 连续采矿机液压系统维修诊断专家系统 机械故障和维修误工是采矿业减产和增加成本的主要原因，美国矿业局已开始致 力于把专家系统技术应用于连续采矿机液压系统故障诊断和维修。 这种液压系统的诊断维修号家系统是专用于j o y l 6 c m 连续采矿机的。 2 ：妊原理工大学硕士研究生学位论文 啥断维修专家系统( d i m e s ) f i q 两个单独部分组成：第一部分是液压诊断信息知识 库：第二部分是检验液压系统，是用一组传感器来显示故障的各种重要液压参考信息。 该系统的开发环境由g o l dw o r k s 提供，它不仅能提供基于规则的知识表达 方法，而且还能提供摹于框架的知识表达方法。每一框架中均存有表示框架或对象的 特征。g o l dw o r k s 是在m i c r o s o f t 的窗口操作系统下，并提供一个动态的图 形环境。采用这些设置，就可建立一个智能和友好的用户接口。g o l d w o r k s 还可 提供各种连接外部文件和程序的方法。 ( 2 ) 提高提升机安全性的专家系统 提升机是地下采矿作业的主要运输设备，不仅用来提升矿岩，也用来运送人员和 材料，它是运输作业的中枢，投资大，需要定期检测和维护。加拿大魁北克采矿公司 正在丌发一种提高提升机安全性的专家系统【”。该系统以v p - - e x p e r t 作为开发工 具，并连接d - - b a s ei i 和l o t u s 一1 2 3 ，用第四个软件包w i n d o w s 来控制， w i n d o w s 不仅管理整个系统，而且提供多任务环境。从矿业专家和安全专家获得 的作业规则和安全规程存放在v p e x p e r t 中，复杂规则、数学公式等存放在 l o t u s 文件中，v p - - e x p e r t 利用它来推理分析。系统的用户接口是方便的、智能 的。 另外，宾夕法尼亚州立大学开发了用于采矿设各故障诊断的专家系统m i n e r e x p e r t ，弗吉尼亚理工学院及州立大学研制了模拟连续丌采过程中开采、装载、运输、 顶板锚固和设备检查专家系统q n s i m 。 2 、边坡方面 ( 1 ) 边坡稳定性评价专家系统 边坡稳定性评价专家系统【3 5 】由英国诺丁汉大学采矿系开发研制。实现语言是 t u r b op r o l o g 语言，结构为模块式。目的是对露天矿边坡的稳定性进行评价。 ( 2 ) 边坡安全分析专家系统 边坡安全分析专家系统1 3 7 l 的实现语言是t u r b op r o l o g 语占，主要功能有：识 别现有滑坡类型；识别潜在泣坡类型；提供处理所识别潜在滑坡类型的可能措施。该 系统的持点：高度结构化、知识库容易扩充等。此外，该系统还试图利用一些研究者 所发表的数据建立数据库，从而对安全系数计算所需的剪切强度等级提出建议。 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 英国诺丁汉大学用专家系统通用语言e x p e n c c h 在微机上开发了露天矿边坡设计 家系统e s d s 。 3 、通风与安全方面 在第四届国际矿井通风会改上，国外学者提出了有关煤矿沼气和粉尘控制的三种 专家系统，它们是：连续采煤机粉尘控制系统，长壁工作面采煤机粉尘控制系统和沼 气控制系统。上述系统可就问题的自然性质和范围提问，内容涉及使用何种控制技术， 系统给出的建议不局限于一个问题而是根据操作者执j 亍建议的能力提出各种方法。 国外还有人用p c 工具或其它工具和语言开发出与矿井通风管理有关的其它方面 的号家系统，并得到了实际应用。 匹兹堡研究中心与其它单位合作开发了预防煤矿巷道底膨、瓦斯治理和煤尘控制 的专家系统，均采用专家系统通用语言l n s i g h t z + 编写，在微机上运行。英国煤炭公 司开发了用于预测层高瓦斯涌出带的专家系统u f e l 。 4 、地质勘探方面 与矿业有关的第一个专家系统是美国斯坦福国际研究所的矿藏勘探专家系统 p r o p e c t o r ，用于勘探评价、区域资源估值和钻井井位选择等，采用以规则为基础 的网络法表示知识，独创的贝叶斯方法为主要的不精确推理模型。整个专家系统共有 1 2 个模型、1 1 0 0 多条规则和4 0 0 多种岩石和地质术语，用l i s p 编写，应用十分成功。 5 、采矿方面 阿拉斯加大学编写了地下煤矿采矿方法选择专家系统；加拿大拉瓦尔大学用专 家系统工具k e e 在l i s p 机上开发了露天矿设备选型专家系统s c r a p e r ，以及井下 环境和露天矿环境影响评价的专家系统。 1 2 2 国内研究现状 目前，矿山专家系统涉及的方面包括围岩稳定性分类、巷道的支护、爆破设 计、液压支架选型、采矿方法选择、露天采运设备选型、“三下”开采设计、矿井 水治理、瓦斯突出预报、矿井火灾控制及企业升级评价等。如：煤科院抚顺分院 丌发的瓦斯治理专家系统、中国矿业大学的矿井火灾控制专家系统、中科院北京 开采所开发的顶板控制专家系统等等。 1 8 】【3 5 1 ) 中国煤炭科学研究院抚顺分院研制开发了矿井瓦斯防治专家系统，简称w s z j 4 太原理t 大学硕士研究生学位论文 系统。 w s z j 系统主要由知识库、数据库、推理机、知识获取、解释等模块构成。w s z j 系统的主要功能是自动查询我国抽放瓦斯的现状、抽放技术和各局抽放经验；具有强 大的图形制作功能；能够作为矿井环境实时监测系统的数据处理的接口软件。沈阳局、 郑州局、阳泉五矿等局矿的应用效果良好，并取得了显著的经济和社会效益。w s z j 系统作为真f 的专家系统目前还不够完善，如尚没有不确定推理能力、无法理解自然 语音、知识库的知识量小等。 2 ) 中国矿业大学研制了矿井火灾救灾专家系统 矿井火灾救灾专家系统包括大型、高质量，动态数据库的建立与维护，系统设计 中采用新的巷道分类方法等。 3 ) 福州大学和龙岩矿务局合作开发了安全专家决策系统 系统主要功能为：进行事故分析、事故预测和事故防治决策；编印安全检查表； 生物节律测试；安全指标的确定。 4 ) 支护设计及顶板控制专家系统，煤科总院北京开采所开发研制开发了支护设 计及顶板控制专家系统【1 5 j i ”i 。 支护设计及项板控制专家系统由3 个计算机软件组成：综采放顶煤采煤法专家系 统：回聚巷道支护形式与参数合理选择专家系统：回采工作面顶底板分类及支架、支 柱参数合理选择咨询系统。 这3 个系统软件的主要功能如下： ( 1 ) 综采放顶煤采煤专家系统软件：可实现根据地质因素评判放顶煤适应性； 根据工作面参数及工艺参数等评判综放工艺参数的合理性；进行支架支护强度计算及 合理选择综放设备；常规的辅助落煤措施、防瓦斯、防尘、防火措施。 ( 2 ) 叫采巷道支护形式与参数合理选择专家系统软件：可实现根据巷道顶、底、 帮围岩强度、采深、煤柱宽度、岩体完整性指数、直接顶厚度与采高比值，对回采巷 道围岩稳定性进行分类：巷道支护形式及工作参数合理选择；巷道金属支架选型。本 软件纳入了原煤炭部生产司颁发的巷道金属支架系列全部内容，可作为电子手册查询 支架架型。 ( 3 ) 回采工作而顶底板分类及支架参数合理选择咨询系统软件：可实现根掘输 5 太原理丁大学硕士研究生学位论文 入的顶底板参数对回采工作面直接项、老项、底板进行分类：根据支架工作阻力及工 作参数进行底板比压计算；根据老顶来压步距、支架控顶距、直接顶厚度进行支护强 度计算，并对支架合理工作参数进行选择。 5 ) 基于知识的软岩支护分区优化设计与决策专家系统( 简称o s d e 系统) ”“ o s d e s 系统由东北大学开发研制，实现语言是t u r b op r o l o o 语言，运行环 境是i b m p c 系列微机。 ( 1 ) o s d e s 系统的知识：耙源： 教科书、技术规范、标准、技术报告和其它文献资料： 现场实测和取样； 领域专家。 ( 2 ) o s d e s 系统的应用情况： 经在武钢程潮铁矿、莱芜铁矿、抚顺龙肛l 煤矿等矿部分巷道的应用结果表明。 o s d e s 系统不仅是可行的，而且可获得十分可观的经济效益和良好的社会效益。 6 ) 基于知识的岩体分类专家系统( 简称r m c e s 系统) r m c e s 系统的实现语言、主要组成和结构、推理机制等方面与o s d e s 系统基 本相同，主要不同在于知识库中的问题分解及知识种类。系统在程潮铁矿进行了实际 应用，获得了明显的经济和社会效益 7 ) 矿山伤亡事故原因分析专家系统 矿【i i 伤亡事故原因分析专家系统由东北大学开发研制，实现语言是c 语言，运 行环境是装有d o s 操作系缝的n e c - - 9 8 0 1 或i b m p c 系列微机。该系统对于矿山的 几大类事故，如竖井提升伤亡事故、井下外因火灾伤亡事故、采掘生产过程中的伤亡 事故等，研究编制了相应的事故原因分析专家系统。 1 3 存在的问题 目前国内已有的矿山专家系统都具有相当深度的领域知识，在很大程度上能模拟 专家们的思维过程，而且结果也比较令人满意。但是，由于专家系统这一学科的历史 还不长，以及矿山特有的复杂性，致使有关专家系统在矿山方面的应用还存在着这样 6 太原理工大学碗士研究生学位论文 或那样的问题 1 0 l ，这些因素的存在限制了系统的实际应用推广和进一步发展。目前 存在的主要问题有： 1 ) 多是单机版程序，网络版不多，特别是项板控制方面的专家系统； 2 ) 推理、解释功能、人机界面、接口、知识获取以及其它功能还不够完善，还 需进一步的研究、扩充和完善； 3 ) 不能准确完整地获取和表示专家的启发知识，而且知识库知识有限，不能补 充、更新： 4 ) 学习及设计方法简单，如推理机制，大部分只支持精确推理，不支持模糊推 理，这就使得无法解决复杂的工程问题： 5 ) 数据库设计简单数据结构单一，不支持复杂数据类型，无法实现数据共享， 造成极大资源浪费。 1 4 问题的提出 专家系统的设计开发是以计算机为基础，程序设计的好坏与计算机的发展有着密 切的关系，特别是数据库的发展和应用。目前，数据库技术的发展和应用已突破传统 的专家系统模式而进入了工程应用领域( 如c a d c a f p c a m ，c i m s 环境) ，新的应用 领域对数据库系统的软硬件部提出了新的要求【。工程环境的最大特点是多用户长期 并发处理和数据复杂性，这就要求工程数据库管理系统必须支持复杂数据类型和数据 共享 2 0 ，而以往的专家系统，由于当时计算机技术和丌发环境的限制，使得数据库 设计简单，数据结构单一，而且不支持复杂的数据类型，也无法实现数据的共享，因 此，也就无法满足工程的需要，这就要求我们必须寻求新的技术方法。目前人们常 用的网络数据模式主要由二层的客户l j l p 务器( c l i e n t s e r v e r ) 模式1 、三层的客户 服务器( c s ) 模式、浏览器服务器( b s ) 模式等。这些结构模式克服了以上存在 的不足。 c ，s 能够很快地得到推广应用，主要是由于它本身具有咀下优点： 1 ) 允许就近处理数据，减少网络冲突。 采用c s 模型以后，客户机就可以将数据中心主机上与本局部地区有关的数据一 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 次性复制到一个服务器上。这样，本局部地区的客户机只要就近访问服务器即可。这 一方面提高了数据访问的速度另一方面也减少了远程网络的访问冲突。 2 ) 允许用户使用工作站的图形用户界面。 采用c i s 模型后，许多处理任务由服务器承担，客户机重点承担数据表现工作。 因此对客户机的性能要求降低，这就允许用户使用廉价的、而且用户界面友好的工作 站。 3 ) 允许用户更好地提高桌面计算机技术。 采用c s 模型后，客户机的功能要求相对比大型机低，采用一般的桌面计算机就 能满足。客户机的价格低廉，使得用户可以购买更高性能的桌面工作站。客户机的大 量使用，使生产公司可以更好地提高桌面计算机技术。 4 ) 允许和鼓励接受开放式系统。 c s 模型是一种分布式合作开放环境，符合开放式系统的要求，因此在c s 模型 上建立开放式系统是十分方便的。 除此以外，由于服务器上的软件资源由许多客户机共享，因此软件及其维护费用 大为降低。 鉴于以上原因，我们通过对离柳焦煤集团各矿矿压观测，结合围岩力学参数分析， 对矿区地质力学进行评估，经过理论分析及计算机数值模拟，构建离柳矿区支护参数 数据库，在大型关系数据库和计算机网络的基础上，研制开发了适合离柳焦煤集 团各矿的“基于客户端和服务器( c l i e n t s e r v e r ) 模式顶板控制专家系统”。 1 5 课题研究方法和内容 l 5 1 研究方法 计算机软件技术发展进程要求不同技术问的相互渗透，矿山专家系统作为计算机 科学与技术的一个重要分支，已经越来越多地应用到矿业领域，目前应进一步提高矿 山专家系统的领域适应性，特别是其基于知识的问题求解与推理能力。随着“矿山信 息高速公路”的不断发展与应用，矿山专家系统在资源管理、信息检索、信息重构等 方面将发挥重要的作用。 因此，我们以而向对象语毒v i s u a l b a s i c 4 3 i 和关系型数据库s q ls e r v e r 2 0 0 0 f g l 为开 r ；托原理工大学硕士研究生学位论文 发平台，研制开发了基于c s 模式的离柳焦煤顶板控制专家系统。所谓的c s 模型 ( c l i e n t s e r v e r ) ，就是划分网络的应用系统为工作站( c l i e n t ) 和服务器( s e r v e r ) 两部分：前台( f r o n t e n d ) 处理在工作站上执行，强调清晰、友好的人机交互介面， 既可以是市场上随手可得的套装软件( 如；a c c e s s 或p a r d d o x ) ，也可以是客户自 行开发的应用程序。后台( b a c k e n d ) 处理则在服务器l 执行，强调灵活、高效的并 行环境，包括文件的存取，安全计算以及通信等。 本系统中，用v i s u a lb a s i c 来作为c l i e n t 端的开发工具，s q l s e r v e r 作为s e r v e r 端的 数据库服务器，同时通过d 1 3 l i b r a r y ( 这里f f j d b l i b r a r v 指的是v i s u a lb a s i cf o rs q l s e r v e r ) 作为c l i e n t 端与s e r v e r 端的沟通桥梁。 图1 1 中给出了v i s 1 b a s i c 与s o l s e r v e r 组合使用的基本结构。在c l i e n t 端的 v i s u a lb a s i c 应用程序接收由鼠标或键盘的输入后，通过请求d b u b r a r v 的程序库来包 装s q l s t a t e m e n t s ( s q l s e r v e r 可以接受的语言，由t r a n s a c t s o 嚆言所写成) ，经网 络传送到s q ls e r v e r ，s o l ：s e r v e r 在接收至u s q ls t a t e m a n t s 后，执行每一条s t a t e m e n t 并到指定的数据库中获取数据，然后再通过网络传输，将结果传回c l i e n t 。c l i e n t 收到 数据后，会对数据进行处理，然后将结果显示在屏幕上。 1 5 2 研究内容 本课题主要研究基于d s 模式下的顶板控制专家系统，主要内容如下： 1 ) 通过学习目前国内外在矿山专家系统中已有的研究成果，发现存在的问题， 提出今后的发展方向： 2 ) c s 模式在离柳焦煤集团顶板控制专家系统中的应用与实现方法。主要论述 了c s 模式结构特点、工作原理及设计方法；c s 模型的选择与构建；服务器端建模 及实现方法；数据语言的选择与连接方法等； 3 ) 离柳焦煤集团顶板控制专家系统模型设计与系统实现。根据专家系统设计的 思想，构建离柳焦煤集团顶板控制专家系统模型，包括板控制专家系统的数据结构及 数据库的设计、数据库访问方式及连接方法、知识库的设计、推理机制的实现、用户 界而及解释功能的设计。 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 v b 忡 t 帮取童鲁摩 图1 一lv i s u a lb a s i c 与s q l s e r v e r 组合使用基本结构 f i g1 - 1 t h eb a s i cs t r d c t u r eo f t h eu s ea b o u tv i s u a lb a s i c sa n ds q ls e r v e r ：长原理工大学硕士研究生学位论文 2 1 专家系统 第2 章c s 模式的专家系统基本原理 自从1 9 6 5 年世界上第一个专家系统d e n d r a l 问世以来，专家系统的技术和应 用在短短3 0 年问获得了长足的进步和发展，特别是8 0 年代中期以后，随着知识工程 技术的口渐丰富和成熟，各种各样的专家系统如雨后春笋般地在世界各地不断涌现， 那么，究竟什么是专家系统呢? 2 ，1 1 专家系统的定义 专家系统( e x p e r ts y s t e m ) 亦称专家咨询系统，它是一种智能计算机( 软件) 系统。 顾名思义，专家系统就是能像人类专家一样解决困难、复杂的实际问题的计算机( 软 件) 系统。从学科范畴讲，专家系统属人工智能的一个分支，而且是应用性最强、应 用范 目最广的一个重要分支。| 2 4 】 专家系统不同于传统的应用程序，是由它自身所具有的特征决定的。 首先，专家系统是一种属于人工智能范畴的计算机应用程序，人工智能学科的各 种问题求解技术原则上都适用于专家系统。 其次，专家系统的解题程序由三要素组成：描述问题状态的综合数据库或全局数 据库，存放启发式经验知识的知识库，以及对知识库中的知识进行推理的推理机。推 理机与知泌库分离的结构，使系统具有很强的灵活性，这是传统应用程序所无法实现 的。 第三，专家系统模拟的是人类专家在问题领域上的推理，而不是模拟问题领域本 身。模拟对象的不同，是专家系统与传统应用程序最显著的区别。 2 1 2 专家系统的基本组成 专家系统由若干模块组成，各模块依功能不同，相对独立【“。专家系统的基本组 成如下图2 - 1 所示： 太原理工大学硕士研究生学位论文 图2 1 专家系统的基本组成 f i g2 1 t h eb a s i cs l t u e t l l r eo f e x p e r ts y s t e m 以下5 部分是其基本组成部分： ( 1 ) 知识库 ( 2 ) 数据库 ( 3 ) 推理机 ( 4 ) 解释部分 ( 5 ) 知识获取部分 这5 部分的功能分别是： 知识库：领域知识与经验的存储器。 数据库：用于存储该问题的初始数据和推理过程中得到的各种中间信息，也就是 存放用户回答的事实，己知的事实和推理得到的事实。总之，数据库存放的是该系统 当前要处理对象的一些事实，即存放当前状态。 推理机：是一组用来控制、协调整个系统的工作程序。它根据当前输入的数据( 如 患者的症状、一组地质数据、一幅波形图等等) ，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。 解释部分：处理人机对话，即对用户的提问作出回答、为用户了解推理过程、向 系统学习和维护系统提供方便的一组程序。 1 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 知识获取部分：也称系统的学习功能，它为系统的改善提供了方便。主要工作是 知识库的维护，如知识库一致性检验、知识的扩充与修改等。 2 2 客户月务器( c l i e n t s e r v e r ，简称c s ) 模式 在当今信息管理领域内，计算机联网应用已成为普遍的要求，以实现在更大范围 内的信息和设备资源的共享。在谋求该问题各种解决方案的过程中，客户服务器 ( c l i e n t s e r v e r ，简称d s ) 体系结构【4 7 】已发展成为计算机工业和应用开发的主流。 2 2 1c s 体系结构的组成 随着新一代r l s e 工作站的出现，高档p c 机处理能力的增强和网络技术的进一 步实用化，在计算机体系结构的家族中己增添了一个称之为“客户j i l t 务器 ( c l i e n t s e r v e r ) ”的新成员。d s 体系结构同时涉及硬件和软件两个方面。 从硬件的观点来看，该体系结构至少需要一台服务器计算机和客户机计算机。前 者负责提供数据和文件管理、打印、通信接1 ：3 等标准化服务。后者运行客户程序或前 端应用开发工具，同时还可以通过网络获得服务器的服务，使用服务器上的共享资源。 这些计算机通过网络而联接成一个互相配合的有机整体。也就是说，c s 系统是能把 项工作任务分摊给客户机和服务器去完成的系统。服务器可以是大型机、小型机、 工作站或高档p c 机，它们可以是通用计算机，也可以是用作图象处理或大量t 算的 专用计算机。根据服务器所瞻供的服务形式，可将服务器细分为文件服务器、数据库 服务器、事务处理服务器、图象处理服务器和应用软件服务器等。客户机可以是工作 站、p c 机或终端。它们应该具有直观、友好的工作界面、丰富的应用工具和高效的 处理能力。客户t j i 务器的硬件组成如图2 2 所示。 从软件的观点来看，就：邑把原来运行在大中型、超小型机上的大型软件进行适当 的划分，在客户机和服务器之间进行合理的分配。更确切地说，在客户服务器系统 巾，需要将一个整体应用分离成分散的、独立的、可重用的部分，这些部分通常应在 整个网络上可互操作，以满足用户的需求。其中客户部分通常与用户交互，而服务器 部分则通过提供服务或从其它服务器上获得服务来响应客户的请求。例如。采用c ，s 体系结构的s y b a s e 把应用划分成几个逻辑功能用户界面、表现逻辑、事务逻辑、 1 3 太原理上大学硕士研究生学位论文 终 回壁 嚣 降种 6 回，崔灶牛 图2 2 客户，服务器的硬件组成 f i g 2 2 t h ec o n s t r u e n to f h a r d w a r e sa b o u tc l i e n t s e r v g r 数据存取。它把前两个功能安排在客户机上处理，而把后两个功能安排在服务器上处 理，由此获得极大的好处。 作为一项成功的c s 系统殴计，除了应给系统中的每个组成部分分配最合适的工 作任务，配制最合适的软件模块之外，还必须使应用程序中数据的存取对用户是透明 的，即用户不必知道各种资源：芷网络中的逻辑位置和物理位置。 2 2 2c s 体系结构的效益 c s 体系结构把硬件和软件合理的配置和设计，可以极大地推动联机企业信息系 统的实现。传统的作法是以硬件来分配控制和职责( 公司级m i s 使用大型机，部门 级m i s 使用小型机，在各办公桌则使用微型机或终端) 。但在采用c s 体系之后，各 种类型的硬件通过网络而集成起来，此时的控制则是依据功能要求柬分布的，因此给 联机企业带来的好处是： 能把各类数据源及服务器集成起来； 能把各类客户工具和各应用程序融为一体： 对关键数据实施完整性和安全性控制； 对联机实时应用提供高性能和高可靠性； 系统容易扩充升级并可保护原有软硬件投资。 2 23