（安全技术及工程专业论文）基于可扩充知识库采煤面瓦斯治理专家系统研究.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t e x p e r ts y s t e mi so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tc o m p o n e n t si na if i e l d a tp r e s e n t ， e si sm o s t l yi m p l e m e n t e db yp r o d u c t i o ns y s t e m t h er e p r e s e n t a t i o no f p r o d u c tr u l ei s t h eb a s i cm e t h o df o r e x p r e s s i n ge x p e r t s k n o w l e d g e i nt h ep a p e rk n o w l e d g e r e p r e s e n t a t i o nb yp r o d u c tm l ea n df r a m ei su s e d a tt h es a m et i m e ，t h ea u t h o rp u t f o r w a r di d e ao fd y n a m i ce x t e n s i b l er e p o s i t o r y , w h i c hi m p r o v e st r a d i t i o n a ls t a t i c r e p o s i t o r y , s o l v i n gt h ep r o b l e mo fk n o w l e d g ee x p l o s i o ni nc o m b i n a t i o na n di n e f f i c i e n t m a t c h i n gi ns e a r c h i n gr u l e s t h es t u d yi nt h ep a p e ri sb a s e do nt h eb a c k g r o u n do fm e t h a n et h r e a te l i m i n a t i o n k n o w l e d g e i no r d e rt oe l i m i n a t et h e i n f l u e n c eo fh u m a nf a c t o r so nc o r r e c t n e s s ， v e r a c i t ya n ds c i e n t i f i cr e a s o n a b l e n e s si nt h ew o r ko fm e t h a n et h r e a te l i m i n a t i o ni n c o a l f a c e s ，t h ea i t h o rp u tf o r w a r dt h ei d e ao f d e v e l o p m e n to f e x p e r ts y s t e mf o rm e t h a n e t h r e a te l i m i n a t i o ni nc o a l f a c e sb a s e do n e x p a n s i l er e p o s i t o r yb a s e do ne x p e r t s k n o w l e d g ea n dt h em e t h a n et r e a t m e n tm e t h o d so b t a i n e di np r a c t i c e ，w i t ht h eh e l po f e x p e r ts y s t e mp r i n c i p a l sa n do b j e c t - o r i e n t e dm e t h o d s i t sp r o v e dt h a tt h es y s t e m o p e r a t i o ni s s t a b l ea n di t s h e l p f u l f o rm e t h a n et h r e a tc o n t r o li n p r a c t i c ea n d r e p r e s e n t e dc e r t m nl e v e lo fe x p e r t sa f t e ri t sa p p l i c a t i o ni nc o a lm i n e t h ep a p e rc o n s i s t so f5p a r t s mt h ef i r s tp a r ti si n t r o d u c t i o nt oe sa n dm e t h a n e t h r e a te l i m i n i n a t i o nt e c h n o l o g y , t h ei d e ao fd e v e l o p m e n to ft h es y s t e mi se d u c e d ；i nt h e s e c o n dp a r tt h e c o n c e p t so fk n o w l e d g e ，k n o w l e d g ea c q u i s i t i o na n dk n o w l e d g e r e p r e s e n t a t i o na r ed i s c u s s e d ；i nt h et h i r dp a r tt h et e c h n o l o g y ，m e t h o d sa n ds t e p so f e s d e v e l o p m e n ta r er e p r e s e n t e d ；t h ef o r t l lp a r ti st h ek e yo n eo ft h es t u d yw o r k 。w h i c h i n c l u d e s6i t e m s ：( i ) t h ew a y so f k n o w l e d g ea c q u i s i t i o nf o rt h es y s t e m ，( 2 ) t h em e t h o d o fk n o w l e d g er e p r e s e n t a t i o nf o rt h es y s t e m ，( 3 ) t h ed e v e l o p m e n to fi l f f e r r i n ge n g i n e f o rt h es y s t e m ，( 4 ) t h ed e s i g no fb a s i c p a r a m e t e r sd a t a b a s e ，( 5 ) t h ed e s i g no f e x p l a n i a t i o nm e c h a n i s m ，( 6 ) t h es y s t e mr e a l i z a t i o n ；i nt h ef i f t hp a r tt h ee x a m p l eo f a p p l i c a t i o no fe x p e r ts y s t e mf o rm e t h a n et h r e a te l i m i n a t i o ni nc o a l f a c e sb a s e do n e x p a n s i l er e p o s i t o r y i sr e p r e s e n t e d f i g u r e ，【2 8 】t a b l e 【1 0 】r e f e r e n c e 51 】 k e yw o r d s ：e x p e r ts y s t e m ，e x p a n s i l ek n o w l e d g er e p o s i t o r y , m e t h a n et h r e a tl i m i n a t i o n c h i n o s eb o o k sc a t a l o g ：t d 7 1 2 独创性声明 本人声明所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以外， 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 塞邀堡王太堂或其他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。 学位论文作者签名： 衅 日期 举j 月尘日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塞邀堡王太堂有保留、使用学位论文 的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属于 塞徼堡三太堂。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权安徽理工大学 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位 论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：灏觋聋 i 。；：l ： 。 别醛各反鸭 签字日期：胪7 年j 月扣日 签字日期：h 辨二月f 鲴 引言 引言 瓦斯，是一种非常规天然气，其主要成分为甲烷，在成煤的第二阶段，这 种气体大多未经逸散而存储在煤层中，成了煤矿生产的重大危害，也是导致煤 矿严重自然灾害的主要原因之一。 瓦斯的存在可使人窒息、遇火源会爆炸、燃烧，而且瓦斯爆炸极易引起煤 尘爆炸。我国大多数煤矿均为瓦斯矿井，大中型煤矿中，高瓦斯矿井占2 0 3 4 ， 突出矿井占1 9 7 7 ；小型煤矿中，高瓦斯矿井占1 5 左右，随着开采深度的不 断增加，开采强度的不断增强，瓦斯涌出量还会迸一步增大，在我国的高瓦斯 煤矿中，瓦斯爆炸危险普遍存在，危害十分严重。在我国的煤矿安全事故中， 瓦斯爆炸事故已占全国煤矿重大事故总数的7 0 以上，是经济损失最大、人员 伤亡最多的事故，也是造成社会影响最大的事故。据国家煤矿安全监察局统 计，1 9 9 0 - 1 9 9 9 年全国煤矿发生瓦斯事故2 7 6 7 起，共死亡2 0 6 2 5 人，2 0 0 2 年发 生瓦斯爆炸伤亡事故共1 5 3 起，占煤矿瓦斯灾害伤亡事故的4 7 1 ，死亡1 2 1 6 人，占煤矿瓦期灾害伤亡事故的7 1 4 。由此可见，有效地进行瓦斯治理是改 善我国煤矿安全状况的重中之重，防治瓦斯灾害已成为煤矿安全工作中迫切需 要解决的闯题。 从国内外来看，目前，回采工作面防治瓦斯措施有区域性措施和局部性措 施两种，区域性措旋主要有：瓦斯抽放、开采保护层、煤层大面积注水等；局 部性措施主要有：松动爆破、超前钻孔、水力冲孔、卸压槽等。在这些措施中， 瓦斯抽放在许多国家，已成为降低工作面瓦斯涌出量和防止突出的一种主要措 施；在实际生产过程中，严格遵循煤矿安全规程也是很重要的方面，但在 实际操作过程中常常遗漏或不按规定制定瓦斯治理技术安全措施等，同时很多 工作中积累的经验和教训没有及时补充到日常安全生产规程中。由于千变万化 的地质条件、复杂的设备配置及人的判断、经验有限，很难实现对采煤工作面 瓦斯治理方法选择及技术安全措施进行完整的、动态的描述。 基于可扩充知识库的采煤工作面瓦斯治理专家系统分析工作面瓦斯治理安 全措施方面的概念和经验知识，对该领域的有关知识进行归纳、整理，并将知 识进行智能化、形式化，提出了可扩充知识库的采煤面瓦斯治理专家系统结构， 实现了知识库的动态维护，并运用框架推理和规则推理机制，开发出了可扩充 知识库采煤面瓦斯治理专家系统软件。本系统实现了采煤面瓦斯治理措施的智 能化决策，提高了决策的质量和技术水平，避免人为因素造成的决策失误。为 安徽理工大学硕士论文 采煤瓦斯治理提供一种有效的技术手段，具有一定的理论意义和实用价值。 专家系统虽然越来越多地应用于矿业领域，但由于不能准确完整地获取和 表示专家的启发性知识，学习及设计均采取最简单的方法等，由于这些问题的 存在，专家系统的应用水平受到限制。另外，由于目前技术水平的限制，相当一 部分矿山专家系统都只是针对于某一方面知识进行构建的专家系统，具有片面 性。今后需要解决的问题是建立功能完善的系统，形成广泛意义的矿山专家系 统，解决的问题将不仅是某一狭窄的领域，丽是多方面多领域的综合性闯题。 一般的矿山专家系统开发环境的核心是对矿业知识的获取，而自动知识获取工 具目前还处在研究阶段。同时由于专家系统知识不一致或知识不完各，在实践 应用中，不能对矿山所存在问题给出正确的求解结果，这种不完备性使矿山专 家系统失去了智能行为，极大地限制了问题的求解能力，甚至导致专家系统问 题求解的错误，所以在实践应用中存在较大的局限性，另外从国内外的研究来 看，现有的专家系统大多是不能及时扩充知识库，所以新的经验和规则不能及 时添加，针对于以上问题，本课题研究可扩充知识库的采煤工作面瓦斯治理专 家系统。 课题研究目的：( 1 ) 实现瓦斯治理专家系统知识库的随时更新和扩充功能； ( 2 ) 通过计算机软件实现瓦斯治理措旋的智能化优选，并及时将生产实践中的 新经验和规则添加到知识库中，及时完善知识库，提高决策的智能化水平，以 辅助矿井安全生产。 课题研究的主要内容：( 1 ) 设计出可扩充知识库的采煤面瓦斯治理专家系 统结构；( 2 ) 建立采煤面瓦斯治理技术的通用知识库的结构和实时扩充方法； ( 3 ) 构建适合于采煤工作面瓦斯治理专家系统推理机的推理机制；( 4 ) 采煤面 瓦斯治理专家系统的面向对象的知识表示的实现；( 5 ) 可扩充知识库采煤工作 面瓦斯治理专家系统软件的开发。 课题研究的主要方法：通过现场考察、咨询领域专家和阅读大量国内外文 献，分析瓦斯治理的各项措施和实际生产经验，并进行归类处理，建立基本参 数数据库、规则库和动态知识库，运用可视化编程语言实现规则库与知识库之 间的内部连接，从而实现推理机的运作，实现基于可扩充知识库采煤工作面瓦 斯治理专家系统。 2 绪论 l 绪论 专家系统f i 】( e x p e r ts y s t e m ) 是用来完成一系列非常复杂、在过去也许只有 极少数经过高级训练的人类专家才能完成的任务的系统。采煤工作面瓦斯治理 一般依据煤矿安全规程和实际经验进行操作，但由于人为因素的影响，对 采煤工作面瓦斯治理的正确性和科学性难以保证，本文提出通过多种知识获取 方式得到领域专家的经验和知识，采用产生式和框架的知识表示方法存储在数 据库中，实现基于可扩充知识库的采煤工作面瓦斯治理专家系统。 本章概略介绍专家系统相关知识。介绍了专家系统的定义、发展以及它的 前沿技术；对现有的矿山专家系统进行了概述并提出了存在的不足之处。 1 1 专家系统的综述 1 i 1 专家系统的概念 专家系统是一种智能的计算机程序，它能够运用知识进行推理，解决只有专 家才能解决的复杂问题；也就是说，专家系统是一种模拟专家决策能力的计算机 系统，它是以逻辑推理为手段，以知识为中心解决问题。专家系统是一种具有推 理能力的智能程序系统，是根据某一特定领域内专家们的知识和经验，按照一 定格式构建而成。建立专家系统的主要目的，是利用某一特定问题领域的专家 知识，支持和帮助该领域的非专家人员去解决复杂问题。 图1 人工智钱的一些领域 f i g 1s o m ef i e l d so f a r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e 专家系统是人工智能中的一个重要分支闭。人工智能是计算机科学的一门 - 3 安徽理工大学硕士论文 研究领域，它试图赋予计算机以人类智慧的某些特点，用计算机来模拟人的推 理、记亿、学习、创造等智能特征过程，主要方法是依靠有关知识进行逻辑推 理，特别是利用经验性知识对不完全确定的事实进行的精确性推理。人工智能 的一些应用领域见图l 。 专家系统早期提出者之一，斯坦福大学的e d w a r df e i g e n b a u m 教授i 引，他 把专家系统定义为“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( e x p e r t ) 才能解决的复杂问题”。现在的专家系统技术包括专门的专家系统语 言、程序以及为了辅助专家系统开发和执行而设计的硬件。从实用的角度出发， 一个完整的专家系统应包括用户界面、知识库、数据库、推理机、解释和学习 机( 知识获取) 6 个部分，图2 体现了专家系统的基本构成。有些专家系统还包 括表格及图形功能，数据统计分析功能和外接数据库功能。专家系统内部包括两 个主要部分：知识库和推理机。知识库包含有为推理机所使用和得出结论的知 识，这些结论是专家系统对用户询问的响应；推理机是从知识库中找出知识， 并推出新知识的软件系统，它的推理过程是用于推得所要求知识的一种搜索策 略f 4 】。 图2 专家系统的基本结构 f 遮2t h eb a s i cs t r u c t u r eo f e s 1 e s 的特点 知识工程师( k n o w l e d g ee n g i n e e r ) 通过长时间的与人类专家进行接触而 获得知识，然后将知识编码到知识库中，随后由专家来评估系统性能情况并返 4 圈 蓦 固 绪论 回意见给知识工程师，这个过程一直循环，直到设计的系统性能为专家所满意 为止。专家系统具有许多显著的优点：适应性强、成本低、持久性好、能复合 专家知识、可靠性高、响应快以及始终理智、稳定和完整的响应。 2 e s 的应用范围 专家系统应用广泛，几乎遍布所有的知识领域，其中有些被设计为研究工 具，有些则履行着重要的商业和工业功能。专家系统应用的具体广义分类5 1 ， 见表i 所示。 表1 专家系统的广义分类 t a b l e1e x t e n s i v ec l a s s i f i c a t i o no f e s 种类通用的领域 系统配置 诊断问题 智能教学 解析数据 监测预测 规划行为 ，预澳结果 补救措施 控制管理 以正确的方法配置系统的组成 基于己观察到的迹象推断潜在的问题 智能教学使得学生可以问为什么，怎么样等等之类的问题，如同入在教 学一样 解释分析观察和测得的数据 比较观察数据和预测数据以判断性能 规划行为以产生预期结果 预测给定情况的结果 对问题给定补救措施 管理一个过程。可能要求解释，诊断，检测，预测和补救 3 e s 的适用领域 一个专家系统的适用领域取决于很多因素，在开始建造专家系统之前，必 须分析专家系统的选择是否正确，这方面取决的因素有【6 】： 边界( b o u n d a r y ) ：问题域容易确定边界吗? 需求( d e m a n d ) ：该专家系统是否有需求? 专家( e x p e r t ) ：有至少一个愿意合作的人类专家吗? 理解( c o m p r e h e n d ) ：专家能够解释他的知识，以使知识工程师理解吗? 求解( r e q u e s t & a n s w e r ) ：求解问题的知识主要是启发式和模糊式吗? 由上面的问题可知，专家系统最适合于那些没有高效算法解决的情况，即 非结构化问题，一个非结构化闯题很难找到一个较好的算法来解决。 随着技术的更新和发展，专家系统广泛适用于医疗诊断、图像处理、石油 - 5 - 安徽理工大学硕士论文 化工、地质勘探、金融决策、实时监控、分子遗传工程、数学及军事等领域。 1 1 2 专家系统的发展 专家系统技术的发展有着广阔的背景，国外的发展较早，而国内较晚，但 发展速度较快，目前，已应用到很多领域。 1 国外发展状况 在2 0 世纪5 0 年代后期至6 0 年代初，人们编写了大量的以通用问题求解为 目标的程序【”。其中，最著名的是通用问题求解器，它把人类问题求解的模型 归纳为：长期记忆( 规则) 、短期记忆( 工作内存) 和认知处理器( 推理机) ，这 三者是现在基于规则的专家系统的基础。直到6 0 年代中期，人工智能的主要目 标是依赖少量的知识和功能强大的推理方法来生成智能系统。7 0 年代初期，领 域知识才是建造具有人类专家水平的问题求解器的关键【8 1 ，随着基于知识系统 的广为接受，产生了许多成功的专家系统。到1 9 8 0 年，专家系统从大学实验室 里推出并且出现商业性产品。随着专家系统的逐渐成熟，专家系统的应用领域 迅速扩大，而且不断向纵深发展。 与矿业有关的第一个专家系统是1 9 7 8 年美国斯坦福国际研究所的矿藏勘 探和评价专家系统p r o s p e c t d 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。8 0 年代以来，美国矿山局匹兹堡研究中心与其它单位合作开发了 预防煤矿巷道底臌、瓦斯治理和煤尘控制的专家系统；宾夕法尼亚州立大学开 发了用于采矿设备故障诊断的专家系统m i n e re x p e r t ；弗尼吉亚理工学院及州 立大学研制了模拟连续开采过程中开采、装载、运输、顶板锚固和设备检查专 家系统c o n s i m ；阿拉斯加大学编写了地下煤矿采矿方法选择专家系统【9 】。英国、 法国、加拿大和西班牙等国家在专家系统方面都取得了巨大的研究成果。 最早应用于医疗诊断的专家系统是m y c i n 。1 9 8 2 年，美国p i t t s b u r g h 大学 m i l l e r 发表了著名的作为内科医生咨询的i n t e r n i s t 2i 内科计算机辅助诊断系统 的研究成果，其知识库中包含了5 7 2 种疾病，约4 5 0 0 种症状。其实早在1 9 7 4 年i n t e m i s t 2 i 的基本模型已完成，1 9 7 7 年改进为i n t e r n i s t 2i i ，再经过一番改进 而成为后来的c a u c e u s ；1 9 9 1 年美国哈佛医学院b a r n e t t 等开发的 d e x p l a i n ，包含有2 2 0 0 种疾病和8 0 0 0 种症状【1 0 1 。 2 国内发展状况 我国研制专家系统起步较晚，7 0 年代末才开始，但是发展速度很快。由于 6 绪论 我国中医具有非常好的数据处理的原型，推理过程清晰，适合专家系统的设计， 因此，我国首先在中医领域取得了突破，早期的有北京中医学院研制开发的“关 幼波肝炎医疗专家系统”，它是模拟著名老中医关幼波大夫对肝病诊治的程序， 按照他的治病方法，根据患者的病症不同，在2 0 0 0 多种症状和化验指标及1 7 0 多种药物的基础上，让计算机从成千上万个实用处方中选出合适的处方，同时 还可以编写病历卡、计算医疗药品价钱、填写假条等，从数据输入到诊断结束 只需十几秒钟。8 0 年代初；福建中医学院与福建计算机中心研制开发了林如高 骨伤计算机诊疗专家系统，该系统在分析研究著名中医骨伤专家林如高大夫医 疗经验的基础上，重点剖析了5 0 0 个病例，并结合中医理论确定了症状表、分 型、标准症候群以及处方等，经临床验证，符合率达9 8 。8 0 年代末，厦门大 学人工智能和计算机研究所研制开发了盛国荣教授冠心病诊疗系统；1 9 9 2 年， 中国中医研究院和中国科学院软件研究所共同研制开发了中医治疗专家系统： 这一系统收集了2 0 多种诊治疾病的经验；可以治疗男性不育症、早泄遗精、前 列腺炎等病人【j 1 】f 1 2 】。 在现代医学领域，相继开发了一些诊断专家系统，如重庆大学王勇等研发 的诊断外周神经系统疾病的专家系统，应用实践表明，在已测试的5 l 例病例中， 其诊断准确率达到9 6 。河南医科大学开发的昏迷诊疗计算机专家系统，可判 断1 4 7 种昏迷病因，并提出治疗措施及进一步检查项目，经临床验证，诊断正 确率达9 1 6 9 4 1 ，与专家诊断正确率无显著差异。深圳市人民医院开发的 血气酸碱分析计算机辅助诊断专家系统，长春大学开发的脑神经硬化症辅助诊 断专家系统，北京医院检验科研发的全自动微生物鉴定专家系统，均已在临床 中使用。 八十年代初，开发工作相继渗透到交通运输、地质勘探、矿业工程、科学 预测、气象预报和农业技术等领域。在进行专家系统开发实践的同时，我国入 工智能和专家系统研究者在基本领域和基本技术方面也做了大量研究工作。 1 1 3 专家系统的前沿技术 在未来的几十年内，专家系统将会向着实时化( r e a lt i m e ) 、网络化 ( n e t w o r k ) ，对象化( o r i e n t e d ) 、机器自学习和人工神经网络等方向发展。从技 术的角度看，专家系统未来研究的焦点是机器自学习问题，遗传算法，模糊控 制，以及人工神经网络( a n n ) 【6 舯】。 一7 安徽理工大学硕士论文 l 实时化专家系统( r e a lt i m ee x p e r ts y s t e m ) 专家系统技术一半用于数据静态并且无严格时间要求的领域，许多早期的 诊断、设计和配置专家系统都显示了这样的特性。这种基于知识的传统专家系 统难以实现对整个复杂大系统进行状态监测和故障诊断，针对实时控制问题则 需要将人工智能技术与实时控制技术结合开发出实时专家系统( r t e s ) ，利用机 器直接操纵动态环境以帮助解决实时问题。主要的应用领域有工业过程控制、 矿井动态监控、空中交通控制、自主飞行器导航以及各种科研军事等方面。实 时专家系统( r t e s ) 除具有一般专家系统的功能外，应具有响应时间同步性， 实时推理和实时控制，与外部环境相结合，具有异步性、非单调性和集中资源 等特性。目前，已有专家系统( e s ) 的开发工具用于实时专家系统( r t e s ) 的 开发比较困难，应为其构造专门的开发工具。实时专家系统( r t e s ) 的开发已 引起了很多领域专家的广泛重视，这将是未来的研究热点之一。 2 网络化专家系统( n e t w o r ke s ) 网络i n t e r n e t i n t r a n e t 的高速发展，为专家系统提供了新的系统平台。 利用i n t e r n e t 技术在w e b 浏览器上接受用户信息、反馈专家的建议和结论，这 是专家系统发展的必然趋势。从w w w ( w o r l dw i d ew e b ) 的任一站点，i n t e r n e t 用户端可以浏览相关专家系统中的信息，提出问题，浏览结论，在线咨询，进 行各种信息检索，这就是基于w w i r ( w o r l dw i d ew e b ) 的专家系统，显然要求 支持i n t e r n e t i n t r a n e t 各项标准，具有分布式应用体系结构，它可以看作是 有多主机、多数据库与多台终端通过i n t e r n e t i n t r a n e t 组成的网络，其网络 客户端作为专家系统功能层和数据管理层，用以获得信息和各种应用，网络服 务器端作为数据维护层，提供数据信息和系统服务。 3 面向对象专家系统( o b j e c to r i e n t e de s ) 客观世界是由对象组成的，每一个对象都有其独特的运动规律和自然属性。 传统的程序语言仅把呆板的、被动的数据或者数据结构作为解空间的对象，使 程序设计者只有借助极其复杂的算法或过程才能操作解空间对象而得到问题的 解。显然，这种面向过程的方法与人类认识客观世界的思维方法存在着很大的 区别，导致计算机的求解空间与客观实际的问题空间之间存在着一条鸿沟。 由专家系统的特征可知，面向对象方法学适合于建造专家系统，面向对象 方法学所追求的基本原则是使求解空间与领域问题空间在结构上尽可能的一 致。程序设计者可以按着问题空间中对象的丰富特征，自由地定义解空间的对 象，从而用面向对象方法学构造的软件系统或知识系统能够比较自然地反映思 - 8 绪论 考问题的方式，同时也为e s 的知识表示和被模拟领域中实体的表示提供了条 件。 面向对象方法具有许多与人类思维过程相类似的特性，是专家系统开发的 一种趋势，它能有效地表达现实世界中大多数领域的知识，具有广阔的应用范 围，用面向对象方法来建造专家系统，给专家系统的研制带来新的活力和生机。 4 机器学习( m a c h i n el e a r n i n g ) 目前较成功的专家系统普遍存在着共同的问题： 1 ) 不能自行修正其知识及知识体系中的错误； 2 ) 不会通过己有经历改善自身性能； 3 ) 不能自主的获取新知识； 4 ) 不能自动地产生合理的启发式方法和推理策略； 5 ) 不能由类比产生新的问题解答。 这些缺点都从不同的侧面反映了现有专家系统本身的不完善。机器学习 ( m l ) 是一个有特定目的的知识获取过程，其内部表现为新知识结构的建立与 修改，外部表现为机器的工作能力的高低。学习是人类智能的主要标志和提高 智能的基本手段。机器学习是使计算机具有智能的根本途径，基于上面的分析， 自学习问题在专家系统的研究与开发中至关重要的，也是未来研究的核心之一。 5 人工神经网络专家系统( a r t i f i c i a ln e u t r a ln e t w o r ke s ) a n n e s 是由大量类似于神经元的处理单元相互连接而成的非线性复杂网络 系统。它是在现代神经科学研究成果的基础上提出的，试图通过模拟大脑神经 网络处理和记忆信息的方式完成人脑那样的信息处理功能。神经网络的应用己 渗透到模式识别、语音处理、机器人、专家系统等各个领域，是未来的前沿学 科。根据人工神经网络具有的特征，利用神经网络可以实现专家系统的功能， 神经网络设计的专家系统的知识表示、知识获取、并行推理、适应性学习、理 想推理、容错能力等方面显示了明显的优越性。这些方面恰好是传统专家系统 所欠缺，所以，a n n e s 越来越受到广大研究者的关注。 神经网络专家系统的特点： 1 ) 神经元网络知识库体现在神经元之间的连接强度( 权值) 上，它是分布式 存储的，适合于并行处理； 2 ) 推理机基于神经的件信息处理过程； 3 ) 神经元网络有成熟的学习算法； 4 ) 容错性好。 9 安徽理工大学硕士论文 从目前的研究进展来看，随着神经元网络的发展，人工神经网络己显示了 巨大的优越性，a n n e s 正在兴起。进一步研究其技术、方法有着重大的意义， 其广泛应用将是对人工智能和专家系统的有力推动。 1 2 矿山专家系统概述 矿山专家系统是矿山人工智能领域中的一个重要分支。所谓矿山专家系统， 实际上是以矿山知识库为核心进行问题求解，能够模拟人类思维，具有矿业专 业知识，能对矿山问题提供专家水平解答的计算机程序系统，即基于知识的智 能系统。这就是说，矿山专家系统是一个智能计算机程序，其处理对象是矿业 中复杂的问题，通常这些问题的求解需要专家知识。矿山专家系统与矿山普通 程序系统之闯最本质的区别是专家系统在控制、知识和数据3 个方面的严格分 离1 1 4 】，即修改其中的一个方面不影响另外两个方面。从实用的角度出发，一个 完整的矿山专家系统应包括用户界面、知识库、数据库、推理机、解释和学习 机( 知识获取) 6 个部分。矿山专家系统的核心部分是知识库和推理机。有些矿 山专家系统还包括表格及图形功能，数据统计分折功能和外接数据库功能。 专家系统和基于知识的系统是两个经常遇到的概念。在矿山专家系统中知 识，主要是特定问题领域中的知识与专家系统的其它知识：关于如何解决问题 的知识、如何与用户之间进行交互的知识等是分开的。矿山专家领域知识的集 合称为矿山知识库【 】，而关于问题求解的一般性控制知识称为推理机，具有按 这种方式组织起来的特定领域知识的程序被称之为“基于知识的系统”，但反过 来不一定成立。矿山专家系统不仅仅将知识按一定的方式存储，更重要的是如 何利用这些知识解决矿业中存在的实际应用问题，并可在应用中不断学习提高。 1 2 1 现有矿山专家系统 迄今所报道的有关矿山专家系统中，有一部分仅是利用了“基于知识的系 统”或“专家系统”的知识与推理的概念，结构意义上不属于专家系统，因而 功能受到限制。在矿山专家系统出现的初期，主要是解决那些难于用现成理论 和方法定量描述，而需用个人的经验或直觉来解决的问题，如地质构造预测、 瓦斯突出危险性预测以及矿压控制等。但目前已扩大到那些既使有现成的理论、 方法和模式但解决起来比较麻烦、费时且易出错之类的问题，如采煤接替计划 编制、矿山企业升级评审及生产调度等，下面将国内外有关的矿山专家系统作 以概述。 1 0 绪论 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 s 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、11 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，运用该系统成功地在华盛顿附近发现了一座价值上亿美 元的钼矿床。8 0 年代以来，美国矿山局匹兹堡研究中心与其它单位合作开发了 预防煤矿巷道底臌、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i n s i g h t 2 + 编写，在微机上运行；但该系统比较简单，领域知识的深度不够。 宾夕法尼亚州立大学开发了用于采矿设备故障诊断的专家系统( m i n e r e x p e r t ) ； 弗尼吉亚理工学院及州立大学研制了模拟连续开采过程中开采、装载、运输、 顶板锚固和设备检查专家系统( c o n s i m ) ；阿拉斯加大学编写了地下煤矿采矿方 法选择专家系统1 1 6 】；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 ) ；英国诺丁汉大学用专家系统通用语言 e x p e r t e c h 在微机上开发了露天矿边坡设计专家系统( e s d s ) ，以及井下环境和 露天矿环境影响评价的专家系统；英国煤炭公司开发了用于预测煤层高瓦斯涌 出带的专家系统u f e l 和用于安德森( a n d e r s o n ) a m 5 0 0 采煤机故障诊断的专家 系统s h e a r e r ，已在矿山实际应用；前苏联、澳大利亚和德国在这方面也作了 不少工作【1 7 】f 1 8 】【1 9 1 。 一 “ 我国是较早开始进行矿山专家系统研究的国家之一，涉及方面包括围岩稳 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 2 0 】。比较有名的专家系统有：山东科学技术大学的顶板支护专家 系统、中国矿业大学的矿井火灾控制专家系统、中科院的瓦斯治理专家系统、 西安冶金建筑学院的露天矿采矿方法及设备选择专家系统 2 1 】。这些系统都具有 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，而且结果比较 令人满意。但同时也存在着一些需要进一步改进的问题，包括不能准确完整地 获取和表示专家的启发性知识；学习及设计均采取最简单的方法。由于这些问 题的存在，专家系统的水平受到限制。 中国煤炭科学院抚顺分院用两年的时间研制开发了矿井瓦斯防治专家系 统，简称w s z j 系统，该系统主要由知识库、数据库、推理机、知识获取、解释 等模块构成；该系统的主要功能有：自动查询我国煤矿抽放瓦斯现状、抽放技 术和各矿务局抽放经验，具有强大的图形制作功能，能够作为矿井环境实时监 安徽理工大学硕士论文 测系统数据处理的接口软件。w s z j 系统最大的不足是知识库的存储量小，不具 备扩充功能。 福州大学和龙岩矿务局合作开发了煤矿安全专家决策系统，该系统由b a s i c 语言实现；主要功能有：进行事故分析，事故预测和事故防治决策，编制安全 检查表，生物节律测试，安全指标确定；该系统的缺点是：知识库和数据库的 修改权限为设计者，所以使用面较窄。表2 综述了国内外报道的矿山专家系统 的研发和应用状况。 1 2 2 现有矿山专家系统的不足 矿山专家系统虽然越来越多地应用于矿业领域，但同时由于专家系统知识 不一致性或知识不完备性，在问题求解过程中，不能对矿山所存在所有问题给 出正确的求解结果。这种不完备性使矿山专家系统失去了智能行为，极大地限 制了问题的求解能力，甚至导致专家系统问题求解的错误。在今后很长的一段 时间内，该问题将成为矿山专家系统研究的一个首要难题。另外，现有矿山专 家系统还存在如下不足： 1 )由于目前技术水平的限制，相当一部分矿山专家系统都只是针对于某 一方面知识进行构建的专家系统，具有片面性。今后需要解决的问题是建立功 能完善的系统；形成广泛意义的矿山专家系统，解决的问题将不仅是某一狭窄 的领域，而是多方面多领域的综合性问题。 2 )一般的矿山专家系统开发环境的核心是对矿业知识的获取，而自动知 识获取工具目前还处在研究阶段；另外及时扩充和完善知识库功能也处于研究 起步阶段。 3 )在国内对于采煤工作面瓦斯治理专家系统还处于初步研究与开发阶 段，关于能及时扩充知识库的专家系统的报道很少见。 尽管存在诸多不足之处，但过去的研究工作仍对获取专家系统的开发经验 和促进专家系统在矿业中的应用和发展起到了积极的促进作用。 本论文共有五个部分，第一部分是关于专家系统和瓦斯治理的有关介绍； 第二部分是对知识、知识表示和知识获取等概念的理解和思考；第三部分是对 开发专家系统的技术、方法和步骤介绍，为后面的软件实现做准备；第四部分 是本人所做的研究工作，主要内容：( 1 ) 瓦斯治理专家系统的知识获取方法， ( 2 ) 瓦斯治理专家系统的知识表示，( 3 ) 推理机设计，( 4 ) 数据库设计，( 5 ) 解释机制的设计，( 6 ) 系统编程工具选择；第五部分是实现可扩充知识库采煤 1 2 面瓦斯治理专家系统，从总体设计到相关界面及其有关模块都有论述和应用介 绍。 表2 矿山专家系统的研发和应用情况 t a b l e2d e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no f e si nm i n i n gi n d u s t r y 类别 序号专家系统名称 用途研发者 l m e t h p m 系统 用于煤矿井下瓦斯含量预测美国 2 矿井通风设计e s用于辅助通风设计及计算美国，中国 3 围岩分类失稳预测e s 应用于围岩分类失稳预测美国、中国 4 煤矿井下自然监测e s应用于煤自然监测英国、中国 5 矿井瓦斯防治e s ( w s z j 自动查询我国煤矿瓦斯抽放中国煤科院 系统)现状和技术 6 矿井火灾救灾e s矿井火灾救灾方法中国矿大 安 7井下环境和露天矿边坡 应用于井下环境模拟和嚣天英国诺丁汉大 全 设计e s矿边坡设计学 技 8u f e l 用于预测煤层瓦斯涌出带英煤炭公司 术 9 顶板支护e s用于顶板支护设计山东科大。 类 1 0 矿井火灾控制e s用于矿井火灾控制预测中国矿大 1 l巷道锚网量护设计e s 设计巷道锚网支护系统北京科大 1 2 采掘工作面技术安全措用于采掘工作面技术安全措 中国辽宁工程 施自动编制e s 。施自动编制科技大学 。1 3 p r o s p e c t o r 系统矿产资源勘探评价和区域资美国斯坦福国 源估值以及钻井井位选择等 际研究所 1 4 安全专家决策系统事故分析、预测、舫治策略、福州大学与龙 编制安全检查表、生物节律测岩矿务局合作 试、安全指标的确定 1 5 矿山伤亡事故原因分析 对矿山的提升事故、井下外因东北大学 e s 火灾事故、采掘生产事故等伤 亡事故原囡进行分析 - 1 3 安徽理工大学硕士论文 表2 ( 续) 类别序号 专家系统名称用途研发者 1 6露天爆破设计e s露天爆破设计咨询法国、中国 1 7勘探矿床技术经济评价技术经济评价参数 中国 参数选择 1 8 基于g s 和e s 的矿产资结合g i s 技术和e s 对矿产中国吉林大学 源评价e s资源进行评价 1 9矿山安全咨询和预测e s用于巷道掘进、巷道支护、北京科大与金川 咨 采场生产、填充工艺，运输有色金属公司合 询 系统、提升系统和机电系统作 评 的安全咨询和预铡 价 2 0 矿床开拓e s 选择地下矿床开拓方案中国 类 2 l 露天开拓方案选择系缝 用于选择露天开拓方案中国 2 2 建筑物下条带开采e s 建筑物下开采方案选择中国 2 3矿物加工方案选择e s确定矿物加工方案 中国 2 4露天矿设备选型用于露天矿设备的最优选加拿大 e s ( s c r a p e r 系统) 择 2 5 露天矿采矿方法及设备用于露天矿采矿方法和设 中国西安 选择e s 备的最优选择 2 6 数字找矿e s 实现数字化寻找矿资源方中国地质研院 法 。 2 7冶金矿山建设决策e s用于冶金矿山建设智能决北京科大 策 2 8 地下煤矿采矿方法选择用于地下煤矿采矿方法选 阿拉斯加大学 e s择 故障2 9 c o n s i m 系统模拟连续采矿过程中的开 美国 诊断 采、装卸、运输、顶板锚固 类和设备检查 3 0 s h e a r e ra m 5 0 0 采矿机故障诊断 a n d c r s o n 3 1 采矿设备故障诊断e s 用于采矿设备诊断美国 1 4 - 知识获取和知识表示 2 知识获取和知识表示 2 1知识及知识获取的概念 2 1 1 知识的概念 知识一词，很难进行确切定义，图3 表示了知识在层次结构中的位置，最 底层是噪音，由几乎没有意义的事项和含糊难解的数据组成：往上一层是数据， 是一些有潜在意义的事项；经过加工后具有意义的数据在第三层也就是信息； 再上一层就是代表专门化信息的知识；最上面的知识是元知识 ( m e t a - k n o w l e d g e ) ，是关于知识和专家知识的知识【2 2 1 。 图3 知识层次的结构 f i g 3h i b e r a r c h yo f k n o w ! e d g e 国际经济合作与发展组织把知识分成四大类】：k n o w - h o w ，k n o w w h a t ， k n o w - w h o 。也有人将知识