（矿业工程专业论文）龙湖煤矿采掘工作面安全技术措施专家系统研究.pdf

摘要 本文以v c + + 6 0 为开发环境设计并实现了采掘工作面技术安全措施自动编 制专家系统，系统主要包括综采工作面技术安全措施、综掘工作面技术安全措 施、文献检索等内容。 在设计过程中，本文在面向对象程序设计语言环境下构造了一个以产生式 规则为主体、将谓词与过程的表达和推理相结合的通用推理模型。模型以面向 对象知识表示方法为基础，将命题对象、谓词对象和过程对象作为规则的基本 组成元素，提供了良好的知识表示接口，能灵活表示领域知识。模型内部封装 了知识库、推理机等专家系统核心部件。 工作面技术安全措施自动编制专家系统将此模型用于系统主要功能模块 的设计，较好地解决了系统中所涉及到的设计、咨询等问题。结合龙湖矿东一 采区1 1 工作面实际应用表明，工作面技术安全措施自动编制专家系统能够实 现技术安全措施的自动编制工作。 关键词：专家系统技术安全措施推理模型产生式系统面向对象知识表 示 a b s t r a c t a ne x p e r ts y s t e mf o re x t r a c l i o nf a c et e c h n o l o g ya n ds a f eo fa u t o m a t i c g e n e r a t i o ni sd e s i g n e da n di m p l e m e n t e dw i t hv c 嗡0i nt h i sp a p e r t h es y s t e m c o n t a i n ss u c hs u b s y s t e m 丛f u l l ym e c h a n i z e dc o a lm i n i n gf a c e 。f u l l ym e c h a n i z e d r i p p i n gf a c ea n dl i t e r a t u r es e a r c h ，e t c au s e f u tm o d e li sc o n s t r u c t e di n o b j e c t o r i e n t e dp r o g r a m m i n gl a n g u a g e a c c o r d i n gt or e q u i r e m e n t so f t h ed e s i g n t h i sm o d e li sm a i n l yb a s e do np r o d u c t i o n r u l e tw h i c hc o m b i n e sr e p r e s e n t a t i o na n dr e a s o n i n go f p r o c e d u r e o nt h eb a s i so fo b j e c t - o r i e n t e d k n o w l e d g er e p r e s e n t a t i o n ，t h em o d e l z u p p o r t sp r o p o s i t i o no b j e c t ，p r e d i c a t i o no b j e c ta n dp r o c e d u r eo b j e c ta sb a s i c e l e m e n t so f p r o d u c t i o no b j e c t t h es y s t e mp r o v i d e sag o o di n t e r f a c eo nk n o w l e d g e r e p r e s e n t a t i o n ，w h i c hc a r le x p r e s ss o n l ec o m p l e xk n o w l e d g e i te n c a p s u l a t e zs e v e r a l k e r n e lc o m p o n e n t so f e x p e r ts y s t e m ，s u c ha sk n o w l e d g eb a s ea n di n f e r e n c ee n g i n e b yu s i i a gt h i sm o d e l ，t h ee x p e ns y s t e ms o l v e ss u c hp r o b l e ma sd e s i g na n d p r e d i c t i n gi n v o l v e d 弧t h es y s t e me f e c t i v e 坶弧i 5p r o v e dw i t ha p p 3 i c a f i c no fe 1 1 w o r k i n g f a c e o fl o n g h u m i n i n gt h a tt h ee x p e r ts y s t e mo fe x t r a c t i o nf a c e t e c h n o l o g ya n ds a f em e a s u r e sc a l lr e a l i z ei n q u i r ea n de d i tf o rt e c h n o l o g ya n ds a f e m e a s u r eo f w o r k i n g f a c e k e y w o r d ：e x p e r ts y s t e m ；t e c h n o l o g ya n ds a f em e a s u r e s ；i n f e r e n c em o d e l ； p r o d u c t i o ns y s t e m ；o b j e c l o r i e n t e dk n o w l e d g e r e p r e s e n t a t i o n 1绪论 1 1 问题的提出 采掘工作面技术安全措施是回采工作面作业规程的一部分重要内 容，是保证工作面安全生产及正规循环作业的指导性技术文件。常用的 编制方法是以煤矿安全规程和采煤工作人员的实际经验为依据，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 实现对采掘工作面技术安全措施进行完整的、动态的描述。 目前，我国采掘工作面技术安全措施是指导工作面生产管理的法 规，每个矿井的回采工作面技术人员根据煤矿安全规程和实际经验 及工作面的特点制定了自己的措施进行指导生产管理。但是由于各煤矿 的生产技术及自然条件不同，难免会出现技术安全措施编制的不完善， 据有关部门统计，大约有2 0 一4 0 的事故是由于技术安全措施编制遗 漏造成，所以构造一个系统、完整的采掘工作面技术安全措施自动编制 专家系统对于煤矿安全生产具有重要的指导意义。 1 2 专家系统及其在矿业中的应用现状 1 2 1专家系统 从事多年人类专家行为研究的科家p e j o h n s o n 曾这样详细地描述 了专家的特征：“专家是这样的一类人。因为他们经过了训练和积累了 经验，从能够做些其他人不能做的事。专家不仅技艺娴熟，而且工作 稳妥高效。他们拥有大量的知识，面且具有将他们所知道的知识运用到 具体问题和任务中的决窍和避开失误的方法。他们擅长于从许多不相关 的信息中发现本质问题。同样他们也擅长把所遇到的问题归结为已熟悉 的问题类型。专家行为的基础是称为专业知识的有效知识实体，因此， 有理由这样假设：当我们需要表达那些使专家能成为专家的专门知识 时，我们必须求助于这些专家。” 所谓专家系统( e x p e r ts y s t e m 简称e s ) 就是一个在菜一特定的领 域内，运用人类专家丰富的知识进行推理求解的计算机程序系统。它是 基于知识的智能系统，主要包括知识库、数据库、推理机制、解释机制、 人机接口和知识获取等功能模块。 一个专家系统具有以下主要优点：适应性强、成本低、危险性低、 持久性、启发性、透明性和灵活性，即能利用专家的知识进行启发式推 理，能够解释其推理过程，对用户的询问做出回答，并且能够不断地、 灵活地增加新的知识。 1 2 2 专家系统的产生与发展 专家系统是在入工智麓( a i ) 研究过程中产生豹一门新兴学科，是 人工智能最为重要的应用领域之一。6 0 年代，人工智能科学家试图通 过发现解决各类问题的一般方法来模仿复杂的思维过程，并将此方法运 用于通用阉题求解程序中。但这些研究来产生任何实质性突破事实证 明，想开发通用的问题求解程序是徒劳的。一个单一的程序能够处理的 问题种类越多，那么对每一个问题所能做的就越少。所以人工智能专家 转而把精力放在研究开发特殊问题( 专门问题) 的通用求解方法上。到7 0 年代，在通过对知识表达与搜索的研究后发现：程序的问题求解能力不 仅取决于使用形式体系和推理模式，更重要地取决于它所拥有的知识。 即要使个程序具有智能，必须给它提供大量有关问题领域的高质量的 专门知识。这种谈识导致了“专家系统”嚣产生，它能在某些狭窄的揭 题领域内具有与专家水平基本同等的解题能力。 对于专家系统的发展，般来讲，大致可分孕育( 1 9 6 5 年以前) 、产 生( 1 9 6 5 1 9 7 1 ) 、成熟( 19 7 2 】9 7 7 ) 和发展( 19 7 8 - ) 四个阶段。几个阶段的 主要代表系统如下； 1 9 6 8 年，以e a f e i g e n b a n m 为主研制开发成功了d e n d r a l 专家 系统，它能够进行质谱数据分析，推断化学分子结构。该系统是最早 的专家系统。 1 9 7 1 年，美国麻省理工大学( m i t ) 的c e n g l e m e n 等人研制成功 了m a c s y m a 数学专家系统，它能够求解多种数学问题。 19 7 4 年，s t a n f o r d 大学的e h s h o r t | i f f e 等入研制成功了m y c i n 医学诊断专家系统，它能诊断和治疗感染性疾病。该专家系统第一次使 用了知识库。 。 t 9 7 6 年，s t a n f o r d 大学灼d ，b l e n a i 等人研制了用机器模拟人类归 纳推理、抽象概念的a m 系统。 1 9 8 1 年，s t a n f o r d 国际研究所的r o d u d a 等人研制成功了 p r o s p e c t o r t 系统，它拥有十多种矿藏地质知识，在钼矿勘探工作中 获得了成功的应用。 此外，还有其它许多专家系统在各地被研制成功，并在各自的领域 获得不同程度的应用。 1 2 。3 专家系统基本结构 专家系统通常由下列几部分组成，结构如图1 1 所示： 用户界面( u s e ri n t e r f a c e ) 一用户和专家系统之间的通信机制。 解释杌( e x p l a n a t i o nf a c i l i t y ) 一给用户解释系统的推理。 工作内存( w o r k i n gm e m o r y ) 一被规则所使用的事实的全局数据 库( g l o b a ld a t a b a s e ) 。 ， 推理机( i n f e r e n c ee n g i n e ) 一通过决定哪些规则满足事实或目标， 并授予规则优先级规则来进行推理。 议程( a g e n d a ) 一由推理机创建的个规则优先级表，这些规则匹 配工作内存中的事实或目标。 知识库一相关专家知识，及有关推理规则。 知识获取机( k n o w l e d g ea c q u i s i t i o nf a c i l i t y ) 一为用户建立一个知 识自动输入方法，以代替知识工程师去编码知识。 图1 1基于规则的专家系统的基本结构 1 2 4 专家系统的符点 专家系统具有汇集多个领域、众多专家的知识、经验并利用他们相 互合作解决问题的能力，因而，它解决问题的舱力和知识的广博常常是 单一人类专家所不能及的。 从本质上讲，专家系统是包含着知识和推理的计算机程序，但是专 家系统与传统程序的根本区别在于前者使知识库和运用知识的机构相 互独立从程序设计方法学角度来看，传统的程序设计方法可以写成： 数据+ 算法= 程序 而专家系统的设计方法为 知识+ 推理= 系统 与传统程序相比，专家系统有下列特点： a 专家系统能够高效率、低消耗、准确无误、周密全面、迅速而不 4 知疲倦地进行工作，能避免人类专家在实际工作过程中难免会因 疏忽、遗忘、对闯紧张、精神疲倦等各种因素而可能产生彦偏差 和错误； 一 b 专家系统在解决实际问题时不受周围环境的影响。而人则不然， 由于有感情因素掺杂其问，在处理实际问题时，人往往要受到周 围环境因素( 包括自然的、社会的和自身的各种因素) 的影响； c 专家系统可使人类专家的经验一再受时阗和空间和限制而得以 永久保留并广为推广应用。而人类专家的生命和精力总是有限 的。所以开发出一套专家系统就等于造就出了千千万万个有无限 寿命的专家； d 专家系统的研制能使特定领域中多个专家的专业知识和解决问 题的能力得以总结、综合、精炼和发展。这使特定领域内的专家 们有了一个相互合作及相互参考学习的新场所，将有力地促进特 定学科的进步发展。 专家系统的设计具有以下特点： 高性能。系统能以此领域里专家的同等或更高水平响应，也 就是说系统所给建议的质量必须很高。 适当的响应时间。系统必须能在合理的时间内工作，此时间 与与专家得出一个结论所需要的时间相当或更好。 好的可靠性。专家系统必须可靠，且不易崩溃，否则就不能 使用。 可理解性。在执行过程中，系统能解释推理步骤，使这易于 理饵。 灵活性。专家系统可能有大量的知识，因此具有一个增加、 修改和删除知识的毫效机制是十分重要的， 。 列出支持和反对某个假设的原因。 列出所有可解释观测证据的假设。 解释假设的所有推断结果。 提供需要用户进一步信息的问题的依据。 提供程序所用知识正确的依据。 1 2 5 专家系统辅助开发工具简介 虽然专家系统的应用价值很高，但是构造一个专家系统的工作量也 非常之大，不但需要收集专家知识，将知识编码，构造推理机，还需要 做许多辅助性设置的设计工作，如解释机制、输入输出接口以及编辑器 等。这一过程往往要花费很长的时间。建立周期过长及过程的复杂常常 影响了专家系统的开发和应用，于是，专家系统开发工具应运而生。 目前流行的商品化专家系统工具比较多，大致可以分为以下四类： a 人工智能程序设计语言：l i s p 和p r o l o g 等是当前在人工智 能领域使用最广泛的程序设计语言。p r o i o g ( p r o g r a m m i n gi nl o g i c ) 是一 种以逻辑推理为基础的逻辑型程序设计语言。它以处理一阶谓词演算为 背景，自动实现模式匹配和回溯，有p r o l o g 语言求解问题时，只需程 序员描述问题的对象及它们之问关系的一些已知事实和规则。它强调描 述对象之间的逻辑关系，而不必告诉计算机运算执行的先后次序。l i s p 是一种表处理语言，虽然为开发者提供了最大的灵活性，但由于缺乏关 于怎样表达知识或访问知识库的准则，因而所有的工作必须融入程序开 发的始终，工作量非常大。 b 通用型知识工程语言：也称专家系统语言，是针对知识工程发 展起来的比l i s p 或c 更高层次的程序设计语言，它们不与具体的应用 有紧密联系，用户可以用来描述各自领域的知识，包括控制知识，以使 控制推理过程和解释过程更合理、更有效。如产生式语言系统 o p s 8 3 ( o f f i c i a lp r o d u c t i 0 1 1s y s t e m ) 、基于框架理论的u n i t s 、以及 r o s i e 、h e a r s a y 等。这类语言比较容易去做某些事情，但能够解决 问题的范围也更小。 c 骨架系统：从已有的专家系统中抽出其领域知识，而保留它的 知识表示形式、推理机制，解释机制以及知识获取等支撑设施。这样， 开发一个新的专家系统只需重新建立领域知识库，这将大大缩短专家系 统开发周期。按这种思想构造的专家系统开发工具即骨架系统。典型的 骨架系统有从著名的m y c i n 发展而来的e m y c i n ，有从p r o s p e c t o r 系统而来的k a s 以及由c a s n e t 而来的e x p e r t 等等。这种工具的局 限性主要表现在原有系统的知识形式和推理策略不能进行有效的扩充 和修改。 。 d 模块组合型工具：组合型工具为开发专家系统提供了一个初级 开发环境。其主要任务是从一类任务中分离出知识工程中所有的技术， 并构成描述这些技术的多种类型的推理机制和多种任务的知识库的蓣 构件，以及建立使用这些构件的辅助设施。这些使用程序可能包括文本 图形编辑器、调试器、文件管理器和代码生成器的功能。例如，a g e 、 6 a d v i s e 、e s p a d v i s o r 、r u l e m a s t e r 等。这种系统可以帮助建造 者选择结构，设计规则语言和使用和和构件，以成为一个完整的专家系 统。 一 通过比较不难看出，人工智能程序设计语言适用范围广，它更注重 普遍意义上的逻辑推理，用其建造专家系统的工作面很大；而通用型知 识工程语言是特意为构造和调试专家系统而设计的，提供了为构造专家 系统所需要的特别的设施，但是表达和处理知识的格式比较固定，不如 人工智能程序设计语言那样灵活，在很多情况下，需要从专家系统语言 中暂时退出以便去执行过程语言的一个函数，不过它比骨架系统提供了 更多的数据存取和查找的控制；骨架系统可以比较快速她建立一个实用 的专家系统，但却很难脱离原有的知识表示形式和推理机制，缺乏通用 性灵活性，仅适合予某一有限类的问题：组合型工具则给了用户更多的 选择余地，可以挑选所需的构件来组成一个专家系统。 专家系统工具和专家系统一样，基本上也是由上述的几大部分组 成。综合它们的特点，一个比较完善的专家系统开发工具应该是一个多 种类型的核心工具与多种要求的辅助工具结合，人机接口友善的交互方 式、综合性开发环境。如功能更大的知识获取设施，包括知识库编辑器i 知识表示模式库、知识库管理系统以及保证知识库一致性的知识库检查 模块。 1 2 6 几种常见的开发工具 1 ) v i s u a lp r o l o g ( p e r s o n a ie d i t i o nv e r s i o n5 2 ) v i s u a lp r o l o g 是一个p r o l o g 程序设计语言环境，由p d c ( p r o l o g d e v e l o p m e n tc e n t e r ) 开发。v i s u a lp r o l o g 包含用来生成大型应用程序 所需要的各大部件，包括一个编译程序，一个连接器和一个绑定到许多 专业化a p i 的库。允许用户为对话框、菜单和工具栏等进行图形编辑。 v i s u a lp r o l o g 内部包含了4 种代码专家：一个应用程序专家、一个窗口 专家、一个对话框专家和一个工具栏专家。应用程序专家生成一个新的 应用程序的所有基本部件，例如一个项目文件，源文件，菜单，工具栏， 图标，位图和一个帮助文件。窗口专家自动地生成处理许多在窗口化的 系统中发生事件的p r o l o g 子句。对话专家自动地生成对话框。工具栏 专家可有助你为工具栏的操作产生缺省代码。v i s u a lp r o l o g 支持数据 库。 2 1m 1 7 m 1 是美国技术知识公司( t e k n o l e d g e ) 开发的通用型商品化专家 系统开发工具。为研究知识的特殊应用提供了训练探索和概念验证的能 力，可以用于设计、建造和运行独立的知识系统。系统具有类自然语言 的知识表示、交互的知识库调试、自动问题生成、合法响应校验、解释 设施。可信度因子及知识描述语言中变量的使用提供了知识工程的能 力，易于掌握和使用。在装入知识库后，用户针对应用问题以问答的方 式与m 1 进行对话。 3 1c l i p s ( cl a n g u a g ei n t e g r a t e dp r o d u c t i o ns y s t e mc 语言集成 产生式系统) 美国宇航中心8 0 年代后期推出的专家系统工具c l i p s ，是一种多 范例编程语言，支持基于规则的、面向对象的和面向过程的编程。基于 规则的c l t p s 编程语言的接理农表达能力与o p s 5 扭似，但功黪更强。 并具有不确定性推理能力。目前最高版本6 0 5 ，可在d o s ，w i n 3 1 ， w i n d o w s 9 5 等环境中运行。 4 ) 雄风系统农业专家系统开发工具 作为国家“8 6 ) ”重点课题“农业专家系统开发平台的研制及其应 用研究。技术成果，合肥智能所研发的“雄风”x f 系统l o 多个农业开 发平台，形成了农作物栽培管理、畜禽饲养管理和水产养殖等近1 0 0 种 专家系统。x f 系列采用面向对象的。知识体+ 对象块”的综合知识表 示方式，提供了以文本方式避行一般问题求解模型描述的专家系统开发 环境，是一个基于构件体系结构的开放性专家系统开发平台，并提供了 筒单友好静检错功能和完善的操作蘩助功能。系统可在w i n d o w s 操终 系统下运行，集成了多媒体技术、地理信息系统技术、机器学习技术、 数据库技术等，主要用于构造农业专家系统。 上述几个系统中，v i s u a lp r o l o g 需要非常专业的程序设计人员，开 发的代价也比较大；m 1 和c l i p s 虽然提供了基于知识工程的一些处理。 使用它们进行设计也需要较长时间的学习，而且其表现能力有限，用户 接口均未脱离命令行方式，无法完全满足应用的实际要求，m 1 不适合 设计基于模型推理的问题。此外，南京大学人工智能实验室在这方面傲 过不少工作，他们在9 5 年左右开发了一个类似m 1 商品化开发工具( 基 于d o s 平台) ，接下来开发了基于w i n d o w s 平台的故障诊断专家系统开 发工具d b e s t ，该系统提供了分类框架、产生式援剐、模糊矩阵等多 种知识表示方法，具有多种非精确推理策略，提供比较完善的解释机制， 8 是一个有效的故障诊断专家系统开发工具。但目前市场上几乎见不到国 产的专家系统开发工具，这些系统大部分已经跟不上计算机软件的发 展。 。 1 2 7专家系统在矿业中的应用现状 专家系统能解决的问题具有数据不完整、尚未形成完整的科学体 系、无严格的规律可遵循等待征。这些特征正是矿业工程中绝大多数问 题所具有的。正因为如此，8 0 年代后期，在美、英、澳等国家兴起了 一股开发研究矿业工程中各种专家系统的热潮，并取得了不少实际成 果，如美国的探矿专家系统石油钻井专家系统、地下煤矿瓦斯控制专 家系统、露天矿台阶刨破专家系统、地下采煤方法选择专家系统等，英 国的露天矿边坡设计专家系统等。 7 0 年代束。我国开始进彳亍专家系统的研制工作，现已遍及各个领 域。在地质找矿方面，有地质科学院矿床所和航空物探总队协作研制的 “勘探专家系统”、“航空物探专家系统”；有南京大学研制的“新构造 找水专家系统”和”边坡优势面分析专家系统”：浙江大学研制的“钼 矿专家系统”；陕西省1 9 4 煤田地质队研制的。古城煤环境分析解释专 家系统”，另外，北方工业大学研制“有色金属探矿专家系统”；东北大 学研制的“伤亡事故原因分析专家系统”等。 ， 在采矿方面，主要有中国矿业大学就京研究生部研制的m e c s 瓦斯 刨炸专家系统和p s s s 顶板支护方式选择专家系统，采用x i p l u s 工具 建模，应用l i s p 语言设计的具有模糊信息处理、最优方案选择和方案 咨询解释等功能的s m e s 建筑纺下条带开采专家系统；采用p r o l o g 语言编程，运用模糊推理，山东矿业学院研制的适用于长壁单体支柱工 作面的“顶板控制设计专家系统”；1 9 9 7 年，煤炭科学研究总院北京开 采所完成的基金项且“长壁工作面围岩可控性分类与宏观控制专家系 统”。 但是对于采煤工作面技术安全措施自动编制专家系统方面的研究 仍处发展阶段，而且现有专家系统软件多为d o s 应用软件，其界面的 友好性、美观性和可操作性较差。两且，其软件开发技术远不能跟随目 前先进的计算机应用软件开发方法的潮流，降低了专家系统应用软件的 开发效率，也增加了专业技术人员开发专业领域内专家系统应用软件的 难度t 对采矿领域的工程技术人员蘑言，直接采攘l i s pp r o o g 等翟序 设计语言来开发专家系统存在着许多困难。寻求一种利用用户都熟悉的， 关系数据库系统和直接形象的可视化编程方法来开发专家系统的途径 将是一个解决问题的捷径。 1 3开发采掘工作面技术安全措施自动编制专家系统的意义 近些年来，我国矿井事故接连不断，主要是由于企业忽视安全生产， 严重违反矿山安全规程，遗漏或不按规定制定技术安全措施等等。同时 工作面技术安全措施仍然采用传统的方式进行编制，通常采用的w o r d 编制，很多工作中积累的经验和教训没有及时的补充、反映在技术安全 措施中，通过专家系统的数据库维护功能则可以弥补这一漏洞。工作面 技术安全措施是保证矿井正常、可靠、安全生产的重要规章制度，只有 健全的技术安全措施，才能保证矿井的正常生产工作顺利进行。所以开 发工作面技术安全措施自动编制专家系统保证煤矿企业的安全生产成 为必要。 1 4 本文的主要研究工作 在认真了解国内外关于采掘工作面技术安全措施自动编制专家系 统的发展与现状，以及存在的问题基础上，研究采掘工作面技术安全措 施自动编制专家系统的面向对象知识表示方法及面向对象的推理机的 实现问题。本文的主要工作： a 建立一个关于生产实践中保留和积累下来各工作面的技术安全 。 措施通用数据库。 ， b 构建适合于各工作面的具有通用性的专家系统推理模型。 c j 采掘工作面技术安全措施自动编制专家系统的面向对象的知识 表示的实现。 d 针对龙湖煤矿的实际情况，为煤矿建立通用的采掘工作面技术安 全措施自动编制专家系统软件，实现各工作面技术安全措施的自 动生成和编制工作。 2采掘工作面技术安全措施自动编制专家系统的设计与实现 2 1采掘工作面技术安全措旅自动编制专家系统研究背景 对于采煤工作面技术安全措施自动编制专家系统的研究的和开发 还很少，采矿方面的专家系统在井巷工程、矿山开采系统、综采工作面 设备配套选型、作业规程编制等方面较多，但对于技术安全措施方面主 要有黑龙江矿业学院开发的采煤工作面安全措施专家系统( f t a m e s ) ， 是采用t u r b op r o l o g 语言编写，在d o s 系统下运行。在采煤作业过程 中对于安全生产起重要作用的采煤作业规程编制过程中，技术安全措施 还主要依靠人为给出。几乎没有实用的软件实现技术安全措施的自动编 制，这也是实现矿井自动化管理的一项重要内容。本文结合龙湖煤矿的 实际条件及该矿生产管理需求，构造了采掘工作面技术安全措施自动编 制专家系统。 2 2安全技术措箍自动编制专家系统的总体结构和设计思想 2 2 1 工作面技术安全措施自动编制专家系统总体结构 本文在广泛收集、整理大量的工作面技术安全措施的基础上，进行 科学的归纳、分析、推理，开发了工作面技术安全措施自动编制专家系 统。 图2 一i 采煤工作面技术安全措施自动编制专家系统总体结构图 采掘工作面技术安全措施自动编制专家系统的总体结构如图2 1 所示。主要由六部分构成；综采工作面子系统、综掘工作面子系统( 本 文主要介绍的部分) ；刨煤机工作面子系统；工。作面数据库子系统；文 献检索子系统；联机帮助子系统。 l l 2 2 2t 作面技术安全措施自动编制专家系统的设计思想 本系统涉及整个矿井生产工作面技术安全措施的各个方面，知识来 源于采矿理论专家及现场的实践经验，经过知识专家转换为机器语言， 系统考虑了采煤工作面的各种相关因素：生产技术条件、地质条件、通 风系统等。开发该系统的目的是实现工作面技术安全措施的自动编制， 并且在采煤工作中得到的现场经验及教训及时整理、补充，建立完善、 可靠的技术安全措施。 为了选择合适的专家系统模型，首先归纳了所需要处理的知识的特 点，在系统的前三个主要模块中，需要针对不同的知识进行处理，而这 些知识归纳后的类型基本类似。所以考虑构造一个具有通用性的专家系 统推理模型，用此模型来实现对知识的存储、管理以及基于知识的推理 等功能，然后将此模型与需处理的知识结合起来，最终实现各采煤工作 面技术安全措施自动编制专家系统。 本系统的主要设计思想是： 提供有效的知识表示方法，将领域专家的知识形式化，建立知 识库。 建立有效的推理机制，能充分利用知识库的知识、进行准确的 推理。 领域专家能比较方便地对知识库进行更新、改进。 建立直观的解释机制，向用户解释推理机工作的理由。 2 。2 3 各予系统功能 工作面技术安全措施自动编制专家系统主要包括以下六个部分： a 综采工作面子系统 该系统主要是针对综采工作面而设计，通过建立综采工作面各项技 术安全措施的初始知识库，调用建立的专家系统模型，选择合适的推理 策略进行推理，实现技术安全措施的生成和编辑操作。该子系统进行技 术安全措施生成的界面如图2 2 所示。 图2 2 综采工作面子系统界面 b 综掘工作面子系统 该系统主要针对的是在矿井开采过程中掘进煤巷、岩巷、及半煤岩 巷等工作中的技术安全措施的生成与编制，其初始界面如图2 3 所示。 图2 3综掘工作面子系统初始界面 c 刨煤机工作面子系统 本系统的功能是实现刨煤机生产工作面技术安全措施的生成。在铁 法矿区有一部分矿井的煤层厚度不适合大型机械化采煤，而适合于用开 b 采薄煤层的刨煤机开采，那么在该系统中，针对刨煤机工作面开采的各 项疫术安全措旌如图2 4 所示。 图2 4刨煤机工作面各项技术安全措施 d 工作面数据库子系统 工作面数据库子系统是存储整个矿井已经开采工作面的数据，提供 了增加、修改、删除、查询等基本操作，为后续的开采工作面提供实际 依据。此数据库的实体e r 图2 5 如下： 图2 5 工作面实体e r 图 工作面数据库设计结果如2 1 表所示及工作面数据库字系统界面 如图2 6 所示。 表2 1工作面数据库设计表 图2 6工作面数据库子系统 e 文献检索子系统 系统收集有关工作面技术安全措施自动编制专家系统的研究以及 系统建立所需要的研究领域的文献资料、标准规程和现场经验总结，然 后对文献知识进行全面评论，并分门别类地进行整理，建立完整的专家 系统资料库。用户可根据作者名、题目名、关键词、日期等多种混合条 件进行摸糊检索。文献检索系统的数据用m i c r o s o f ta c c e s s 数据库进行 存储，程序通过o d b c 进行访问。如图2 7 所示。 图2 7 文献检索系统界面 f ：联机帮助子系统 在该系统中，用户可通过它了解技术安全措施方面的基本情况和知 识，了解系统知识的可靠性，了解系统推理和解释的合理性和科学性。 该子系统主要采用超文本技术，将这些内容以w i n d o w s 标准h e l p 的形 式提供给用户( 图2 8 所示) 。 帮助系统与软件的操作相互关联，以利于用户随时获取所需的信 息。 图2 8工作面技术安全措施自动编制专家系统帮助系统界面 2 3 系统实现技术 系统采用面向对象的思想和技术，通过封装、继承、多态等特征实 现软件系统对现实世界的直接模拟，以v i s u a l c + + 6 0 为主要开发工具。 2 4 推理模型的设计和使用 在系统的各个子系统功能模块中，需要针对不同工作面的知识进行 处理，但这些知识在类型上具有相同点，领域专家通常将其表达为“i f t h e n ”的产生式规则形式。我们考虑构造一个通用的推理模型( 专家系 统模型) ，用此模型来实现对知识的存储、管理以及基于特定知识的推 理等功能。 工作面技术安全措施自动编制专家系统的知识表示和推理系统主 要依赖予专家系统模型，将专家系统模型作为一个独立的通用构件嵌入 到各个功能模块中，提高了系统研制效率 模型封装了对知识的动态、静态存储、实现数据驱动的搜索功能， 模型与具体的领域知识相互独立。在使用该模型时，只要与特定的知识 与推理控制策略福结合，就篚快速构造成专家系统的各个模块，该模型 在专家系统中的结构示意图如图2 9 所示。 1 7 通 用 模 型 卜1 i _ _ 1 一 l l柳识工程师，领域专家 人机接口 使用者接口开发者接口 图2 9专家系统模型在工作面技术安全措施系统中的结构图 模型提供了两个方面的接口功能：开发者接口和使用者接口。其中 开发者接口用于领域知识的录入和知识库构造，使用者接1 ：3 主要是控制 模型的推理行为，在用户和模型推理之间传递信息。 培 3专家系统模型的设计与实现 3 1 模型的提出 3 1 1现有工具技术的分析 现有系统的研究已有3 0 余年的历史，取得了不少成就。但研制周 期长、适应性差、开放性差仍是专家系统研究开发面临的困难。 研制专家系统开发工具是解决上述问题的五种有效途径。专家系统 在基本结构上具有许多共性，人们可以提取它的共性，抽取其实现机理， 为系统开发提供设计环境。迄今已有不少专家系统辅助开发工具研制出 来并得到应用。 ， 知识表示一直是人工智能和专家系统研究的重点。当代知识理论认 为，用符号形式表达的领域知识，从其行为特征出发，可以概括地分为 陈述性知识和过程性知识。 ， 在众多知识表示方法中产生式系统由于表现形式直观，问题求解 过程符合人的认知过程而得到广泛应用。传统的产生式系统采用相互独 立的事实及规则表示知识，易于表达基于逻辑的启发性知识，具有良好 的陈述性知识描述能力，但缺乏高级的结构化概念和动态的表达能力。 基于过程的面向对象程序设计语言具有过程和对象的表示能力，但缺乏 专家系统的一般设施，在面向对象程序设计语言中开发专家系统，知识 工程师需要用面向对象程序设计语言来构造知识库和推理祝等部件。 在目前常见的几种知识工程语言和工具中，基于谓词逻辑的p r o l o g 程序设计语言己被广泛接受。o p s 8 3 提供了基于规则和过程的知识表示 方法和模块化结构支持；c l i p s 提供了产生式、面向对象过程和面囱对 象的知识表示方法；m 1 提供了基于规则的知识表示和良好的用户交互 能力；v i s u a lp r o l o g 在p r o l o g 的基础上提供了功能强大的外部接口 尽管这些语言和知识表示及自动推理方面有着众多优势，但其计算 能力或接口能力却不尽人意，使其使用受到一定限制。现代不少专家系 统出于功能考虑，都采用面向对象的程序设计语言作为开发工具。我们 在工作面技术安全措施自动编制专家系统开发中，就以m i c r o s o f tv i s u a l c + + 作为主要开发工具。 表3 1逻辑程序设计和面向对象程序设计的比较 另一方面，逻辑程序设计和面向对象程序设计，是以往专家系统中 开发采用的主要手段，逻辑程序设计( l o g i cp r o g r a m m i n g ，简称l p ) 和面向对象程序设计( 0b j e c t o r i e n t e dp r o g r a m m i n g ，简称o o p ) 的比 较见表3 一l 。从中我们可以看出，两者在许多方面是互补的，已有不 少研究考虑将它们相互结合起来。 此外，目前流行的多种利用面向对象技术开发专家系统的方法，主 要是借助面向对象的思想对系统进行功能分解，很多系统都将规则设计 到一个类的结构中，这种结构具有较好的实用性，有利于专家系统的开 发和实现，但缺乏通用性，有时造成一条规则跨越多个类，影响了类的 封装性。 3 1 2模型的设计目标 在工作面技术安全措施自动编制专家系统的开发过程中，分析了领 域知识的类型，决定采用以产生式为主的知识表示方法。在知识表示方 面，如何结合产生式系统和面向对象程序设计语言，充分发挥它们各自 的优势，是设计专家系统模型时考虑的一个主要方面。传统产生式规则 的知识表示形式和功能比较单一，要满足应用复杂的需要，必须考虑在 产生式系统基础上引入面向过程或面向对象的知识表示方法。 在推理机制方面，综合面向对象程序设计和逻辑程序设计的一些基 本特点：考虑在模型中提供统一的推理机制，并用c + + 直接实现，以提 高推理效率。模型要提供足够的推理机功能构件，并能将功能构件进行 配置和组装，实现符合领域特点的推理、解释系统。 在结构方面，模型首先应具有知识表示、推理机和控制策略的基本 框架。在此框架的基础上，开发知识库构造工具以辅助领域知识的获取。 模型能将所生成的知识库及组装好的推理、解释等功能构件作为可分离 的组件，以提供给其他应用程序进行调用。这样能充分发挥语言+ 组件 的优势，熟悉普通程序设计语言的开发人员就能够利用此工具，使专家 系统的开发、调试、和交付更为方便。 在实现方面，将采用v i s u a lc + + 6 0 作为开发环境，该模型在各组 件定义的基础上，用面向对象程序设计语言进行设计和实现。 因此，设计专家系统模型的主要目标是： a 提供一定的知识表示模式：在面向对象程序设计语言( c + + ) 环境下提供合适的知识表示模式，能表达所涉及领域比较复杂的问题。 b 具有知识自动管理功能：模型对知识进行自动管理，加入知识 库后的知识无需用户干预，提供用户( 知识工程师) 进行知识查询、更 新的接口。 c 提供灵活的推理机制和解释机制：提供多种推理控制策略，可 供用户选择。对推理的过程能给予解释，使系统的透明性、可靠性提高。 用户能通过加入的知识影响推理行为。 d 辅助调试功能：在推理机运行过程中，能向知识工程师提供当 前运行的中间结果，对知识库的完整性、一致性进行检查，以帮助专家 系统进行调试。 e 友好的人机接口：主要指开发接口和使用接口。考虑希望达到 以下两个方面的要求：模型简单适用，开发者不必进行复杂的学习，只 需掌握专家系统一般知识和面向对象程序设计的方法就能使用；模型的 运行适合w i n d o w s 用户交互的消息驱动方式。- 早期的辅助开发工具大 都在d o s 平台下运行，此时用户接口是简单的命令行字符界面。用户 输入输出与程序运行是简单的同步等待方式，其设计和实现都较简单， 而现在通用的w i n d o w s 的图形化界面和多任务、消息驱动的交互方式 都与之有较大的差别。 。 f 用面向对象程序设计语言实现该模型：在推理中能进行比较高 效的处理，设计的模型在面向对象程序设计语言中能方便地引用：向用 户提供一套符合对象机制的知识表示语言，用户可以按照面向对象的设 计方法采用这种语言构造类、对象等面向对象元素，并进而开发出应用。 系统。 3 2 模型总体结构 与专家系统的完整性的结构相比，设计的模型不能包括专家系统的 全部，而只能保留其中最核心的部分，以保证其通用性。 专家系统模型内部主要封装了知识库、推理机和推理使用的动态数 据库，提供了知识库维护、自动推理等功能，同时向用户提供一组在面 向对象程序设计语言中能方便调用的模型接口。模型总体结构见图3 一 l 。 模型核心模型接口 知识库 | 亳l 口j 知 识 推理机 | 。 叶蚴燃口口l一 一3 一一 工 。 动态数据库 1 翘、查询嗤口l 程 师 图3 一i专家系统模型总体结构 模型核心：封装在模型内部，包括了知识库和推理机等专家系统核 心部件。这些部件对用户是透明的，用户通过模型接口与核心部件进行 交互。 知识库：用于存储和管理用户提供的特定领域的知识。 推理机：负责控制策略的识别、执行和具体知识的利用，。 动态数据库：用于存储推理机工作时使用的数据、推理的中间结 果等 模型接口：一组在c + + 语言中能够直接弓l 用的类和函数，提供用 户操作模型的基本手段。 模型知识表示接口：提供给用户用于知识表示手段，知识工程师 借助它们表达领域知识。 知识库操作接口：提供了添加、删除、维护知识库中知识的方法。 推理和查询接口：用于模型的推理控制和结果的查询等。， 在模型的接口中，模型的知识表示接口是一个关键，与模型的知识 表示能力、知识的存贮与推理行为直接相关。 3 3模型的知识表示 3 3 1知识表示 人之所以有智能行为是因为有知识。要使专家系统具有某种人的智 能，必须以专家的知识即经验作为其工作的基础。所谓知识表示是将关 于世界的事实、关系和过程等编码成为一种合适的数据结构。知识表示 的过程就是知识的符号化和形式化的过程。知识表示方法研究各种数据 结构的设计，通过这种数据结构把问题领域的各种知识结合到计算机系 统的程序设计过程。一般来说，对于同一种知识可以采用不同的表示方 法，反过来，一种知识表示模式可以表达多种不同的知识。然而，在解 决某一问题时，不同的表示方法可能产生完全不同的效果。迄今为止， 人们还没有找到一种通用、完善的知识表示方法，知识表示还没有完善 的理论可循。 知识的表示、获取和利用是构造专家系统的三个关健技术，而其中 最关健的问题，就是知识表示只有确定了知识表示的恰当形式才有可 能将客观世界的知识有效地在计算机中表示，也才有可能让获取的知识 充分发挥作用。 专家系统的研究者们经过多年的努力，目前已经研制出了多种行之 有效的知识表示方法，其中最为常用的有： 过程表示法 产生式表示法 逻辑表示法 剧本表示法 框架表示法 语义网络表示法 神经网络表示法 自然语言表示法 以上所列的表示法各有特点，没有绝对的优劣之分。在专家系统开 发过程中，所涉及的知识是多方面、多类型的，因此，只有根据求解问 题的性质和方法灵活地选用合适的知识表示法，才能使开发的专家系统 具有较强的使用性。一般而畜，选用知识表示的方法就遵循以下的原则： 。 a 直观性：知识能够直观地表示； b 有效性：在执行过程中能相对容易地存取