（计算机应用技术专业论文）新型干法窑智能优化控制专家系统的研究.pdf

武汉理工大学硕士论文 摘要 新型干法水泥窑在水泥工业中得到了越来越广泛的应用，在干法窑的生产 中，如何实现从配科、烧成、到监控报警全程实现电脑监控是一个难题。人工 进行这些操作，首先长期增加了人力成本；其次，人为疲劳产生的疏忽轻则导 致生产线停产检修，重则损坏生产线设备，给企业带来巨大经济损失。因此， 实现水泥生产过程的计算机全程监控具有极其重要的意义。 专家系统是一种智能计算机程序，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，解决通常由专家才能解决的问题。目前，专家系统已经被 广泛地运用到各种领域，产生了巨大的经济效益和社会效益。本文将专家系统 理论与技术应用到水泥生产过程中，研究降低资源和能源消耗、提高燃烧效率和 结皮堵塞自动预警的方法。 本文首先介绍了专家系统的基本概念与原理，重点阐述了产生式规则、框 架、谓词逻辑、语义网络、面向对象几种知识表示方法。以及正向推理、反向 推理、混合双向推理和面向对象推理几种推理机制。其次介绍了本系统的开发 平台及相关核心技术，主要有面向对象方法的主要特点、优点以及面向对象方 法的设计与分析、三层架构的组织结构。介绍完本系统对涉及到的关键数据的 处理以后，介绍了本系统数据库设计实现原则和系统对异常数据的处理等。最 后给出了系统的具体设计及实现。 本课题的研究，不仅将水泥生产工人从繁杂的操作中解放出来，而且还可以 辅助企业领导进行决策分析。更重要的是充分利用工业废渣，减少一次性资源和 能源消耗、降低环境负荷、提高燃烧效率和减少结皮堵塞，具有良好的环境效 益、经济效益和社会效益。 关键字；专家系统，环境负荷，结皮堵塞，智能控制 茎坚塞三奎堂堡主堡塞 a b s t r a c t n e ws t y l ed r y p r o c e s sr o t a r yk i l ni su s e di nc e m e n ti n d u s t r ym o r ea n dm o r e h o wt od e c r e a s ee n v i r o n m e n tl o a d 、r e a l i z ei n t e l l i g e n tb u r n i n ga n di n t e l l i g e n tj u d g e o fb u n d u p sj a l l li sap r o b l e m w i t hm a n u a lo p e r a t i o n ，t h ef i r s ti n c r e a s ei nt h e l o n g - t e r mh u m a nc o s t s s e c o n d l y , i tm a yl e a dt of a t i g u ec a u s e db y t h en e g l i g e n c eo f a r t i f i c i a lc u t o f fp r o d u c t i o nl i n em a i n t e n a n c e ，e v e n , p r o d u c t i o nl i n e sw e r ed a m a g e d t ob r i n gh u g ee c o n o m i cl o s s t h e r e f o r e ，t h er e a l i z a t i o no ft h ec o m p u t e rm o n i t o ri s e x t r e m e l yi m p o r t a n t a ne x p e r ts y s t e mi sak i n do fi n t e l l i g e n tc o m p u t e rp r o g r a mw h i c hi sd e s i g n e d t oe m u l a t et h er e a s o n i n gp r o c e s s e so fa ne x p e r tt os o l v et h ep r o b l e m sw h i c h c a l lo n l y b es o l v e db ye x p e r t s a tp r e s e n t ，e x p e r ts y s t e m sh a v eb e e na p p l i e dt oa l lk i n d so f f i e l d sa n db r i n gg r e a te c o n o m i cp r o f i t sa n ds o c i a lb e n e f i t s i nt h i sp a p e r , t h et h e o r y a n dt e c h n o l o g yo fe x p e r ts y s t e ma r ei n t r o d u c e dt ot h ep r o c e s s e so fc e m e n tp r o d u c t i o n ， i no r d e rt or e s e a r c ham e t h o d ，w h i c hn o to n l yc a nr e d u c er e s o u r c e sa n dr e d u c ee n e r g y c o n s u m p t i o n b u t a l s oi m p r o v ec o m b u s t i o ne f f i c i e n c ya n di n t e l l i g e n tj u d g eo f b u i l d u p s j a m b a s i cc o n c e p t i o n sa n dp r i n c i p l e so f e x p e r ts y s t e ma r ef i r s t l yi n t r o d u c e d ，s o m e k n o w l e d g er e p r e s e n t a t i o nm e t h o d ss u c ha sp r o d u c t i o nr u l e ，f r a m e w o r k ，p r e d i c a t e l o g i c ，s e m a n t i cn e t w o r ka n do b j e c t o r i e n t e da n ds o m er e a s o n i n gm a c h i n e r ys u c ha s f o r w a r dr e a s o n i n g ，b a c k w a r dr e a s o n i n g ，c o m b i n i n go ff o r w a r da n db a c k w a r d r e a s o n i n ga n do 巧e c t - o r i e n t e dr e a s o n i n ga r cm a i n l yd i s c u s s e d a n dt h e nd e v e l o p m e n t p l a t f o r mo ft h i ss y s t e ma n dr e l a t e dt e c h n o l o g ya r ei n t r o d u c e d ，s u c ha st e c h n o l o g yo f o b j e c t o r i e n t e ds o f t w a r ed e v e l o p m e n tm e t h o d s a n dt h r e el a y e r sa r c h i t e c t u r ee r e t h e n i n s t r o d u c e dh o wt op r o c e s se s s e n t i a ld a t ai n v o l v e da n dd a t a b a s ed e s i g n r e a l i z a t i o n p r i n c i p l e ，u n u s u a l d a t a p r o c e s s i n g f i n a l l y , i n t r d u c e t h es y s t e md e s i g na n d 武汉理工大学硕士论文 i m p l e m e n t a t i o n t h er e s e a r c ho ft h i sp r o j e c tn o to n l yl i b e r a t e sw o r k e r sf r o mc o m p l e x o p e r a t i o n ，b u ta l s oc a nh e l pe n t e r p r i s el e a d e r sm a k ed e c i s i o n s m o r ei m p o r t a n t l y , i t c a l lm a k eg o o du s eo fi n d u s t r i a lw a s t er e s i d u ea sw e l la sr e d u c i n gt h ec o n s u m p t i o no f r e s o u r c ea n de n e r g y 、e n v i r o n m e n tl o a d 、b u i l d u p sj a m ，i m p r o v i n gc o m b u s t i o n e f f i c i e n c y a n dh a sag r e a te n v i r o n m e n t , e c o n o m i ca n ds o c i a lp r o f i t k e yw o r d s ：e x p e as y s t e m ，e n v i r o n m e n tl o a d ，b u i t d u p sj a m ，i n t e l l i g e n tc o n t r o l l i n g 1 1 1 此页若属实。请申请人及导师签名。 独创性声明 本人声明，所呈交的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。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得武汉理工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了谢意。 研究生签名： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅； 学校可以公布论文的全部内容，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生签名：三三塾车导师签名2 垄盔羔司日期掣 多 i、l 。7 武汉理工大学硕士论文 第1 章绪论 1 1 研究背景和意义 现代水泥工业中，新型干法窑得到了越来越广泛的应用，作为新技术的普 及推广，此技术在很大程度上推动了水泥工业的发展，不论是从数量还是质量 上现在的水泥相比立窑时代都有了很大的提高。根据商务部的数据，2 0 0 6 年中 国水泥产量为1 0 9 l 亿吨，其中预分解窑水泥熟料的产量为3 5 4 亿吨，占总水 泥熟料产量的3 2 4 。但是在使用新型干法窑进行水泥生产中有个问题经常困 扰着很多水泥企业，那就是如何摆脱过多的人工参与，实现从配料到烧成及结 皮堵塞预警全程的计算机智能控制。这个过程中任何一个人为的失误都可能造 成重大生产事故，一方面给企业带来很大的经济损失，另一方面会造成人身伤 亡。因此，全程实现计算机的智能控制、尽量减少事故发生的频率对企业安全 生产和提高经济效益具有非常重要的意义。 应用与实施专家系统进行实时过程控制的新技术对水泥工业特别有效。当 今的一些现代化大型水泥厂往往都装备有计算机的数据采集和控制系统，并且 对于开发与实施自动过程控制的专家系统的普及率和置信度在日益增长。资料 表明【1 l ；专家系统对窑设备的控制效果是非常好的，可提高熟料产量4 5 ，能 降低热耗1 8 5 ，能降低电耗0 3 0 ，节约耐火材料0 3 0 ，能提高熟料 质量，每年停窑时间减1 ，专家系统投资回收时间低3 年。专家系统在窑设备 中的应用可在2 年内收回投资。专家系统平均使用寿命约为8 年，因此其经济 效益是非常明显的。 配比、烧成及结皮堵塞预警任何一道环节都直接影响着能耗和水泥熟料的 产量质量。并附带影响系统工艺事故和环境质量。本专家系统的软件设计是基 于这样的工业需求而进行设计的：能够智能配比，提高燃烧效率，结皮堵塞自 动预警。满足了安全生产的要求。节约了人力物力，具有重要的现实意义。 武汉理工大学硕士论文 1 2 国内外研究现状 水泥生态化技术的研究与开发已成为当前世晃水泥工业的热门话题，但是 如何对水泥配料体系进行环境负荷评价，并结合环境负荷因子进行配料以及对 配比组分相关性能迸行预测在国内外尚属空白。虽然采用各种方法的三组分配 料系统已经在实验室和生产中应用，但是掺有工业废渣的多组分配料系统目前 尚未见相关报导，当然更加缺乏配料体系的专家系统 回转窑锻烧是水泥生产中最重要的工艺环节，其中包含了复杂的热工和化 工过程。回转窑的热工制度直接影响着水泥熟料的产量、质量和能耗。由于影 响热工制度的因素很多，对象复杂，对它的控制问题，国内外同行进行了大量 研究工作，也提出了一些有效的控制方案，如模糊控制、专家控制等，但都因 过分依赖具体对象，难以推广应用。目前国内水泥回转窑总体上仍处于人工或 半自动控制状态，即靠人工观察火焰，结合相关测量仪表，综合判断回转窑运 行状态，手动调节各控制量。显然，这种控制方式，受人为因素影响大、控制 不及时，即使有经验的操作工，也很难做到使回转窑长时间保持在最佳工作状 态。 国内外虽然对结皮的研究进行了很多，但对于如何解决结皮堵塞这一问题 并没有很有效的办法，一般提出的解决措施也仅限于对窑炉进行检查、控制生 料组分等不是特别针对生产进行中的实际情况的。等结皮发生以后再进行处理 无疑已经耽误了企业生产的宝贵时间，若在结皮发生之前就可以发现并采取措 施则会好得多，但是这项工作具有很大的难度，因为影响结皮的因素太多，很 难对所有的因素起进行判断，本系统结皮堵塞预警模块主要考虑对结皮影响 作用最大的三种组分硫碱氯，同时参考窑内温度、风压的变化，由计算机自动 采集数据自动进行各种数据的处理与比较，并结合预先输入计算机的专家知识 来对窑内可能发生的结皮情况进行判断。 国内外对于低环境负荷智能配比、智能燃烧、结皮堵塞任模块实现计算 机控制目前还处于不完善阶段。本系统不但进一步完善了目前已有系统，更创 新性的把三者结合在一起，实现整个流程的计算机智能控制。设计此系统与其 说是尝试，倒不如说是一种创新，蕴藏着很大的经济效益。 2 武汉理工大学硕士论文 1 3 本系统的主要工作 在业内众多资深专家的悉心指导以及课题组成员的共同努力下，初步设计 并实现了新型干法窑智能优化监控专家系统。本文主要进行了以下工作： ( 1 ) 研究了专家系统的基本原理，特别是知识表示方法及推理策略的实现。 本文在分析归纳相关领域知识、理论的基础上，采用产生式规则、框架等多种 知识表示方法和正向推理、反向推理等几种推理策略，设计并实现了新型干法 窑智能优化监控专家系统的知识表示和推理机。 ( 2 ) 研究了新型干法窑智能优化监控专家系统的开发平台及其相关核心技 术，如n e t 框架、a d o n e t 数据访问技术及面向对象的软件开发方法等。 ( 3 ) 根据节能利废、降低环境负荷、提高燃烧效率、结皮堵塞自动预警的 要求，设计并实现了一个新型干法窑智能优化监控专家系统原型，主要包括配 料比设计、智能燃烧控制、环境评价等核心功能。实现了从配料到烧成全程计 算机控制的专家系统，不仅达到了减少一次性资源和能源消耗、降低环境负荷 的目标，而且实现了提高燃烧效率和智能预警。 3 武汉理工大学硕士论文 第2 章专家系统基本原理 人工智能( a r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e ，a i ) 诞生于2 0 世纪5 0 年代，旨在研究如 何利用计算机等工具来模仿和执行人脑的某些智能行为。自诞生以来，人工智 能就是一个极富挑战性的领域。在众多的人工智能研究领域中，专家系统( e x p e r t s y s t e m ，e s ) 是一个最富有代表性和最重要的应用分支。 2 1 专家系统的定义 专家系统的研究工作始于6 0 年代末、7 0 年代初，其早期先导者之一美国斯 坦福大学教授e d w a r df e i g e n b a u m 曾把它定义为“一种智能的计算机程序，它运 用知识和推理来解决只有专家才能解决的复杂问题”。由此可见，专家系统是 一类具有大量专门知识的智能计算机程序系统，它运用个或多个特定领域专 家提供的专门知识和经验，采用各种推理技术来模拟人类专家的思维方式，解 决通常由专家才能解决的各种复杂问题，达到或接近专家解决问题的能力。 实践表明，只要经验知识和数据表述合理、准确，并且达到一定的数量， 通过计算机的高效处理能力，由专家系统代替人类专家迸行推理，其结果的准 确性和有效性并不逊于人类专家。在某些数据量巨大、复杂程度较高、模糊程 度较低的问题的处理上，专家系统甚至超过了人类专家。 2 2 专家系统的特点 专家系统与人类专家相比，具有许多吸引人的特征【2 】： ( 1 ) 适应性强。专家系统是专家知识的集成体，它在任何计算机硬件上都 是可以利用的，且可以重复利用。 ( 2 ) 低危险、高可靠。专家系统可用于那些可能对人有害的环境，性能稳 定可靠。在实时和突发情况下，不会像人类专家那样由于压力或疲劳受情绪状 态的影响而不能高效地解决问题。 ( 3 ) 持久性。专家知识是持久的，不会像专家那样会退休，或者死亡，专 家系统的知识会无限地持续。 4 武汉理工大学硕士论文 ( 4 ) 响应快。由于硬件和软件的飞速发展，计算机的处理速度和性能也随 之提高，专家系统可以反应得更迅速更有效，这对于某些实时性要求较高的领 域是必要的。 ( 5 ) 解释、说明。专家系统能明确、详细地解释导出结论的推理过程，明 确、详细的推理解释有利于正确的决策，可增强正确决策的信心。 2 3 专家系统的基本组成 专家系统一般由知识库、数据库、推理机、解释器、知识获取、用户接口 几个部分组成f 2 】，其基本结构如图2 。1 所示： ( 1 ) 知识库( k n o w l e d g eb a s e ，k b ) ，用于存放领域专家知识，包括计算 模型、表达式、判据、经验知识等。 ( 2 ) 数据库( d a t ab a s e ，d b ) ，用于存放推理的初始证据、中问结果及最 终结果等。 ( 3 ) 推理机( i n f e r e n c ee n g i n e ，i e ) ，根据一定的推理方式和控制策略，利 用知识库中的知识推导出结论。 ( 4 ) 解释器( i n t e r p r e t e r ) ，能够向用户解释专家系统的行为，包括解释推 理结论的正确性以及系统输出其它候选解的原因。 ( 5 ) 知识获取( k n o w l e d g e a c q u i s i t i o n ，k a ) ，用于从某个或某些知识源获 得专家系统实现问题求解所需要的专门化知识。 ( 6 ) 用户接口( u s e ri m e r f a c e ，u i ) ，用户和专家系统之间的通信机制，为 用户使用专家系统提供一个友好的操作界面。 用户专家 图2 - 1 专家系统基本结构 武汉理工大学硕士论文 2 4 知识库 知识库是专家系统的核心，它的主要工作是搜集人类的知识，将之系统地 表达或模块化，使计算机可以进行推理解决问题。知识库中包含两种知识形态： 一种是知识本身，即对物质及概念作实体的分析，并确认彼此之问的关系；另 一种则是人类专家所特有的经验法则、判断力与直觉。 知识库与传统数据库在信息的组织、并入、执行等方面均有所不同。概括 来讲，知识库所包含的是可作决策的知识，而传统数据库的内容则是未经处理 过的数据，必须经由检索、解释等过程才能被实际应用。 专家系统的基本技术是研究知识的来源、知识的表示和运用、知识的获取 和归纳等。即通过知识获取手段。采用定的知识表示技术，以某种或某几种 特定表现形式将领域专家解决特定问题的知识存放于数据库中。 2 4 1 知识的来源 专家系统的知识主要来自以下四个方面【3 】： ( 1 ) 相关的领域知识，如基础理论、方法体系，各种文献资料等。 ( 2 ) 通过与领域专家交流沟通，了解领域专家在长期的研究工作中积累的 大量丰富经验、设计思想以及对各种具体问题的分析、解决方案等，在此基础 上进行总结归纳而获得的知识。 ( 3 ) 实际生产中现有的大量数据资料。 ( 4 ) 行业设计规范、标准等。 2 4 2 知识的表示 知识表示是将知识符号化并存入计算机的过程，即将知识表示为一种合适 的数据结构。知识表示的目的不仅仅是要解决知识在计算机中的存储问题，更 重要的是通过这种表示使知识能够方便地被系统管理和运用。因此，知识表示 的方式直接影响专家系统的开发质量、工作效率、运行速度和可维护性。 迄今为止，已经提出了许多知识表示方法，如产生式、框架、语义网络、 谓词逻辑、面向对象表示法等。 6 武汉理工大学硕士论文 1 产生式也称产生式规则表示法，用于表示具有因果关系的知识，它的基 本形式为： p q 或i fpt h e nq 其中p 是产生式的前提条件，用于指出该产生式是否可用的条件：q 是产 生式的后件，是一组结论或操作，用于指出当前件p 被满足时，可以得出的结 论或应该执行的操作。 巴科斯范式b n f 给出了产生式的描述及语义： ：= 一 ：= l 【 】 ：事实 l 【 】 ：= a n d 【( a n d ) 】 i 0 r f ( 0 r ) 】 ：= 【( ，) 】 前提、结论和可信度是产生式规则的三个基本要素( 在确定性知识中可信 度为1 ) ，前提和结论的可信度一般由专家给出。 基于规则的产生式表示法之所以能成为当今最流行的专家系统知识表示方 法，主要因为其具有以下优点： ( 1 有效性，产生式表示法对于多种知识的表示法都有其优越性，它既可 以表示确定性知识，也可以表示不确定性知识，既有利于表示过程性知识又可 方便地表示启发性知识。 ( 2 ) 模块性。产生式规则是知识库中最基本的知识单元，通常规则具有相 同的形式，因而便于对其进行模块化管理，容易封装并可不断扩充。 ( 3 ) 易理解性。产生式规则用类似于人类认知过程规则的表示方式， “i f t h e n ”符合人们的思维推理习惯。 当然，产生式规则表示法也有其不足之处。首先，在使用产生式规则求解 闯题时，需要产生式规则的前件与已知事实相匹配，而极有可能存在多条规则 匹配成功的情形，这就会涉及到“冲突消解”问题，然后再选中规则执行，而 且知识库中的规则往往数量巨大，而匹配也较费时，因此反复的“匹配专冲突 消解寸执行”过程将会降低系统的推理效率。其次，产生式规则能够直观地表 达具有因果关系的过程性知识，但对具有结构关系的知识却无能为力，它不善 武汉理工大学硕士论文 于表达事物间的结构关系。 2 框架是一种描述对象的数据结构，类似于p a s c a l 等高级语言的记录结构 【4 】。与记录类型和记录值相对应的是槽和楮值。框架通常由若干个用来描述事物 的各个方面的“槽”组成，每个槽是一个结构。槽又可根据实际情况划分为若 干个“侧面”。槽用于描述对象某一方面的属性，侧面用来描述相应属性的一个 方面。槽和侧面都对应有不同的值，称为槽值和侧面值。一个框架的一般结构 如下 4 】： 槽名 框架结构中，槽值和侧面值不但可以是简单的数据类型，而且还可以是另 外一个框架的名字，这样就可以建立起不同框架间的横向和纵向联系，形成框 架网络。 框架是通过将知识模块化、结构化来表示知识。框架的实用性在于层次结 构和继承性，一个框架本质上是一组定义典型对象的属性项及其属性值的集合。 一个关于书的框架的例子如下： 表2 - 1 书的框架表示 槽槽值 i s b n7 1 1 1 0 7 5 8 1 1 书名专家系统原理编程 作者 ( 美) j o s e p hg i a r r a t a n o ，g a r yr i l e y 出版社机械工业出版社 出版时间2 0 0 0 年5 月 框架是有组织化的知识表示，较之有许多规则的产生式系统更易理解。但 是，框架系统也存在着自身的矛盾，当框架的属性值总是被允许修改，框架就 武汉理工大学硕士论文 失去了通用性，如果限制这些属性值的个性，框架就无法表示特殊对象。比如， 人有两只手，如果框架规定人是两只手的，那就排斥了独臂的残疾人，如果框 架不规定人是两只手的，就在某种程度上失去了框架作为约束对象属性的意义。 3 谓词逻辑表示法采用一阶谓词逻辑表示知识，是一种叙述性的知识表示 方法。最早的形式逻辑由希腊哲学家亚里士多德提出，它以三段式为基础，三 段式有两个前提和一个结论，前提给出结论的所必须的证据。典型的三段式举 例如下： 前提：任何一个哲学家都善于思考问题 前提：亚里士多德是哲学家 结论：亚里士多德善于思考问题 三段式是最古老且最简单的形式逻辑。形式逻辑只管语句形式，不关心语 义，可使我们集中于推理而不困惑于所推理的对象。但是建立在公理基础上的 形式逻辑系统不能总被证明是致的，因此无法避免矛盾。 为了分析更普遍的情况，提出了谓词逻辑。谓词逻辑最简单的形式是一阶 谓词逻辑，它是逻辑程序设计语言，如p r o l o g 语言的基础。谓词逻辑是一种 形式语言，它与自然语言比较接近，可以方便地存储到计算机中去，并被精确 地处理。谓词逻辑适合于表示事物的状态、属性、概念等事实性的知识，也可 方便地表示事物间的因果关系。使用逻辑法表示知识，需要将以自然语言描述 的知识，通过引入谓词、函数来加以形式描述，获得有关的逻辑共识。事实通 常用合式公式的“与或”表示( 用合取符号及析取符号连接起来的公式) ，规则通 常用蕴涵式表示。用谓词公式( 合式公式) 表示知识时，需要首先定义谓词， 指出每个谓词的确切含义，然后再用联接词把有关的谓词联接起来，形成一个 谓词公式表达一个完整的含义。 谓词逻辑使用了特殊的量词明确量化了其他词，使句子的语言更为确切。 逻辑表示法的特点有自然性、描述性、精确无二义性、严密性、易于模块化等， 但对于一些时真时假的不确定问题，却不能使用存在量词的谓词逻辑表示，如： 明天很可能会下雨。另外，一阶谓词逻辑的表达能力是有限的，具有归纳结构 的知识、多层次的知识类型都难于用一阶逻辑来描述。 4 语义网络是对人脑功能的一种模拟，较产生式规则更接近于人的认知思 维，适合于表示相互之间具有复杂联系的知识。语义网络法是用图形来表示知 识，其结构表示为结点和结点连接的弧。结点用来表示物理实体、概述或状态， 9 武汉理工大学硕士论文 连接结点的弧表示结点之间的关系【5 1 。语义网中的关系提供了组织知识的基本结 构，有了关系，知识就是一个可推出其他知识的具有内聚力的结构。结点间的 关系可以定义为包含或从属关系，从而使结点的属性值可以被复制给另一个结 点，这种继承是知识表达中非常有用的工具。语义网络法中关系为知识表示提 供了有效手段。 尽管如此，语义网络法表示知识也存在着局限性，其中之一就是组合爆炸， 在查询结点的时候，程序要在语义网中搜索很多甚至所有的连接关系。此外， 语义网的逻辑性不够充分，因为它不能像逻辑方法那样定义知识例。 2 4 3 知识的获取 知识获取是将知识从外部知识源转换到计算机内部的一个过程。如何有效 获取知识并把知识表达成为专家系统可用的形式，是专家系统开发中的主要瓶 颈之一，迄今还没有一种很好的知识获取方法。 知识获取的对象主要包括领域专家的知识和书本文献中的知识，这些知识 必须经过定的加工提炼才能加入到知识库中，从而充分提高专家系统解决问 题的能力。在提炼知识时，不仅要将知识转化为形式化的表示，同时还应遵循 以下的原则： ( 1 ) 准确性。所获取的知识，必须能够准确代表该领域专家的经验和思维 方法，其中不能包含有错误。 ( 2 ) 精炼性。所获取的知识相互之间不存在冗余现象。 ( 3 ) 可靠性。所获取的知识应能被大多数专家所接受，并能经得起验证。 ( 4 ) 完整性。所获取的知识应是全面的、充分的，并且是无矛盾的。 知识获取的主要途径可以概括为以下两种： 第一种，先由知识工程师通过和领域专家交流沟通，并做相应的阅读工作， 分析各种文献资料，以得到关于该领域的各种知识，然后再借助于知识编辑系 统，将知识存储到计算机之中。这种途径实际上就是由知识工程师代替机器去 学习，然后再将知识“传授”给机器。这是知识获取通常采用的途径。 第二种，让机器自己学习。机器在处理问题的过程之中学习知识、积累知 识，不断地“自动”丰富知识库，“自动”地提高专家系统解决问题的能力。为 了和上一种途径相区别，这一途径常称为“自学习”，即机器学习。 1 0 武汉理工大学硕士论文 至于知识获取的手段，一般采用两种方法：交互式获取和自然语言获取。 所谓交互式获取法，又称模块化方法，是指在系统中设计好专门的知识获取功 能模块，具有良好的用户界面，知识工程师或领域专家通过该界面，以规范化 的形式将知识输入知识库中，供系统使用；自然语言获取法，是指系统提供知 识库编辑器来编辑形式化的描述语言，用户借助此种语言来编辑知识，系统则 利用编译器将输入的知识编译为机器可以识别的内部表示形式，并加以使用。 2 5 推理机 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，是系统智能 化的具体体现。推理机是一组用来控制协调整个专家系统的方法策略的程序， 它根据用户的输入数据( 如现象、症状) ，利用知识库中的知识，按一定推理策 略求解当前问题，解释用户的请求，最终推出结论。在设计推理机时，应使其 符合专家的推理过程。一般来说，专家系统的推理机与知识库是分离的，这不 仅有利于知识的管理，而且可以实现系统的通用性和伸缩性口j 。 一般地，专家系统中采用的推理策略有正向推理、反向推理、混合双向推 理和面向对象推理，下面分别介绍这几种推理策略： 2 5 1 正向推理 正向推理也称模式制导推理和前向推理，用于断言那些与规则的前提相匹 配的事实，再利用这些事实进一步推断事实。其基本思想是：从现有信息出发， 寻找可用的知识，发现匹配规则就做出判断，找不到匹配的规则时需要通过用 户接口提供新的事实，找到多个匹配规则时要按一定的冲突消解策略解决冲突。 一般来说，实现正向推理应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。其工作过程为：在系统中建立一数据库， 在进行推理时用户先将与推理有关的信息存入数据库，推理机则根据这些信息 从知识库中选取合适的规则，若某条规则的所有事实前提都匹配成功则该规则 成立。某条规则只要存在一个不成立的事实前提，则跳过此规则。若某条规则 匹配成功，则把该规则的结论存入数据库，同时把该规则“是否使用”标记为 “是”，后面的推理中可以不必测试该规则。 武汉理工大学硕士论文 正向推理一般有两种结束条件：一是求出一个符合条件的解就结束；二是 将所有的解全部都求出才结束。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做出快速反应。其不足之处在于知识启 用与执行似乎漫无目标，求解当中可能有许多与问题求解无关的操作，导致推 理过程的效率相对较低。 2 5 2 反向推理 反向推理也称目标制导推理和向后推理等。其基本思想为：从要解决的目 标出发，寻找可得出有关该目标结论的规则，判断规则中的| j i 提是否满足，若 满足则该目标得到了证明，否则该规则的前提中出现了没有得到证明的新的目 标，那么要用相同的方法验证该子目标是否成立。 表2 - 2 反向推理 k bd bf b a 八b clc t 八y 八k zmz m nn m 八n ty h 八l kh 如表2 2 所示，要验证目标结论c 、z 是否成立。首先到d b 中查看是否有 c 这个结论，如有则该结论成立。显然d b 中无此结论，且k b 中也无可直接利 用的规则。像这样既不在d b 中又无直接规则可利用，就看能否间接推出。要使 c 成立，根据k b 中现有规则，必须a 与b 都成立才行，此时只能通过系统接 口向用户进行提问。若用户输入的a 、b 值均为真时则c 被证实，反之则证明c 不成立。对于z 结论，显然d b 中也不存在，但在k b 中z 要被证实只需t 、y 、 k 三个结论均成立。t 由于m 、n 均在d b 中可被证实，y 就在d b 中，k 由于 h 、l 均在d b 中也可被证实，故z 结论成立。 1 2 武汉理工大学硕士论文 2 5 3 混合双向推理 正向推理的主要缺点是推理目的性不强，在推理过程中可能出现许多与求 解无关的操作。反向推理的缺点是选择目标自由，尤其是初始目标的选择。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 理寸反向推理”这个过程，直至问题求解为止【s 】。 2 5 4 面向对象推理 随着面向对象技术在软件开发中的普遍应用，面向对象的推理也应用在专 家系统的推理机制中，它具有如下特点【9 l ： ( 1 ) 在面向对象的方法中，子类除了具有自己的属性和方法外，还具有父 类的属性和方法，因此在匹配过程中，若父类匹配不成功，则其子类也一定匹 配不成功，从而没有必要再匹配其子类。因此，对推理空间进行划分，可大大 缩小搜索范围，加快整个推理过程速度，从而提高效率。 ( 2 ) 不同的对象可拥有各自领域的特有知识和推理机制，从而使面向对象 的知识处理系统具有丰富多样的推理机制。 2 6 专家系统的开发步骤 专家系统的开发一般要经过以下几个步骤： ( 1 ) 计划。计划阶段的目的在于产生一个专家系统开发的正式工作计划， 它包括可行性分析、资源管理、任务指派、进度、初始功能设计、高层需求等。 ( 2 ) 知识定义。知识定义阶段的目的是定义专家系统的知识需求，包括知 识来源鉴别与选择，知识获取、分析与提炼等。 ( 3 ) 知识设计。知识设计阶段的目的是产生专家系统的详细设计。该阶段 包括知识定义和详细设计两个主要任务。 ( 4 ) 编码与校验。对系统进行编码实施，并使用测试数据、测试装置和测 武汉理工大学硕士论文 试分析程序测试代码。 ， ( 5 ) 知识验证。知识验证阶段的目的是确认完成的系统根据规格正确的建 置，性能是否能够接受，决定系统的正确性、完备性和一致性。 ( 6 ) 系统评估。专家系统的建立是一个反复的过程，原型系统总是要根据 测试情况的反馈信息进行反复修改，直至达到预期的性能。 2 7 专家系统的开发工具 通常，开发一个专家系统不但需要对系统进行应用性与可行性分析，而且 还要搜集整理专家知识，将知识进行编码存储，构造推理机、建立解释机制掣1 0 1 。 工作量如此之大，往往需要耗费几年之久，这严重影响了专家系统的开发和应 用。为提高系统开发效率、缩短开发周期，人们已经研制出一些比较通用的专 家系统开发工具，作为设计和开发专家系统的辅助手段和环境。现有的专家系 统开发工具主要分为四类：通用程序设计语言、骨架型开发工具、知识表示与 处理语言和专家系统开发环境。 1 通用程序设计语言 专家系统编程语言既可以采用l i s p 、p r o l o g 、c l i p s 等人工智能语言， 也可以使用诸如c 、p a s c a l 、f o r t r a n 等高级语言。特别是近年来面向对象技术的 兴起，c + + ，d e l p h i ，c 撑等面向对象的开发工具结合数据库等先进技术来开发 e s 愈来愈受到青睐。 2 骨架型开发工具 在一个理想的专家系统中，推理机完全独立于求解问题域，系统功能只依 赖于规则集的改变而改变。对于一个已经成功应用的专家系统，如果能抽去其 中的具体知识、保留其体系结构和功能，并将专用领域的界面改为通用的界面， 就能得到一个相应的专家系统外壳，也称为骨架型开发工具【1 1 1 。最具代表性的 专家系统外壳如，e m y c i n 是由m y c i n 而来，k a s 是由p r o s p e c t o r 而来， e x p e r t 是由c a s n e t 而来。通过向外壳中加入新的知识，就可以开发出新的 专家系统。 3 知识表示与处理语言 这类工具是根据专家系统的不同应用领域和人工智能活动的特征研制的适 合多领域专家系统开发的语言系统。它们并不严格地倾向于特定的领域和范例 1 4 武汉理工大学硕士论文 系统，所以比骨架系统的限制要少些【12 】。 4 专家系统开发环境 随着专家系统应用范围不断扩大，人们对专家系统建造工具的要求也越来 越高。人们不仅要求建造工具能够提供高效的推理机，而且还希望它能够提供 多种形式的知识表示模式、多种不确定性推理模式、多种知识获取的手段、多 种辅助工具( 如数据库访问、作图等) 以及多种友好的辅助界面( 如调试功能、 解释功能、自然语言接口等) 等等。因此，单一的建造工具就不能适合人们的 要求了，专家系统开发环境正是在这一背景下应运而生。 2 8 专家系统的应用与适用领域 专家系统是一种智能的计算机程序，它求解问题的方法不是传统程序的算 法，而是一种启发式方法，求解的问题也不是传统程序中的确定性问题，而是 只有专家才能解决的复杂的不确定性问题【1 3 】。因此，专家系统最适合于那些没 有高效算法解决的情况，这些情况被称为非结构化问题，且推理可能会是唯一 的好的解决办法。在建造专家系统之前要考虑以下方面【1 4 j ： ( 1 ) 对该专家系统是否有需求： ( 2 ) 专家知识的来源是否可靠； ( 3 ) 要求解的问题边界及功能是否明确； ( 4 ) 启发性和模糊性是否为求解问题知识的主要特点。 如果上述问题都能得到肯定的回答，那么这个问题适合应用专家系统来解 决；反之，则不适合为之建立专家系统。 2 9 本章小节 本章主要介绍了专家系统的一些基本概念。重点阐述了产生式规则、语义 网络等几种知识表示方法以及正向推理、面向对象推理等几种推理策略，同时 还简要介绍了专家系统的开发步骤和开发工具。 武汉理工大学硕士论文 第3 章系统开发平台及相关核心技术 任何一个软件系统的开发都离不开一定的开发平台、编程语言以及相关软 件开发技术和工具。本专家系统基于当前最为流行的n e t 平台，采用c # 程序 设计语言、面向对象的软件开发方法、三层体系架构开发设计。本章主要介绍 系统开发平台和相关核心技术。 3 1 。n e t 框架 n e t 是m i c r o s o f t 公司最新推出的具有战略性发展的新一代丌发平台，它彻 底地把计算模式从单机、客户机，服务器和w e b 网站的方式转向分布式计算 ( d i s t r i b u t e dc o m p u t i n g ) 。n e t 使开发人员能够比任何m i c r o s o f t 早期平台更为 有效地利用各种技术。具体来讲，n e t 将真正实现代码的重复利用、代码专用 化、资源管理、多语言开发、安全性、部署以及管理方面的好处。在设计这种 新型平台的同时，m i c r o s o f t 还改进了当前w i n d o w s 平台的一些功能。 n e t 框架主要由两个部分组成：公共语言运行时( c o m m o nl a n g u a g e r u n t i m e ，c l r ) 和，n e t 框架类库( f r a m e w o r kc l a s sl i b r a r y ，f c l ) 。 c l r 是n e t f r a m e w o r k 之中任何东西的基础，主要提供如内存管理、进程 和线程管理、语言集成、代码安全性验证、编译以及其它一些系统服务。c l r 支持所有能用公用中间语言( c o m m o n i n t e r m e d i a t el a n g u a g e ) 表示的编程语言， 从而为多种语言提供了一种统一的运行环境，使得组件和w e b 服务的综合使用 不再受编程语言的限制。同时它还提供了更多的功能和特性，比如统一和简化 的编程模型，避免了d l l 的版本更新阅题，从两大大简化了应用程序的发布和 升级。c l r 使开发者从编写所有确保灵活完善和确保应用程序安全的繁琐工作 中解放出来，使编写代码变成了一件容易的事。 f c l 是一个与c l r 紧密集成的可重用的类型集合，它为许多基于c l r 的应 用程序提供一个新的标准开发环境。f c l 是面向对象的，提供能被任何现代编 程语言所调用的类。与其他编程语言和操作环境提供程序员使用的函数库相比， f c l 明显不同。例如c 运行库、w i n d o w sa p i 、c 抖标准模板库以及m i c r o s o f t 的m f c 和a t l 库，所有这些类库存在的问题是：它们或者是语言相关的或者是 1 6 武汉理丁大学硕士论文 系统相关的或者是两者兼而有之甚至不能处理最简单的数据类型和公共操作。 f c l 包含的技术有：a s p n e t ，最新一代的a s p ( a c t i v es e r v e rp a g e s ) 技术； a d o n e t ，最新代的a d o ( a c t i v e xd a t ao b j e c t s ) 技术；以及对构建和使用 w e bs e r v i c e s 的支持等等。 n e t 框架旨在实现下列的目标： ( 1