永磁起動(dòng)機(jī)電機(jī)設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)1 2韓懷勝馮紹輝山東工業(yè)大學(xué)（濟(jì)南250061）濟(jì)南發(fā)電設(shè)備廠博山電機(jī)廠了該專家系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)、知識(shí)庫(kù)、推理機(jī)和設(shè)計(jì)調(diào)整策略等關(guān)鍵問題。

1永磁起動(dòng)機(jī)電機(jī)設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)與控制結(jié)構(gòu)1.1總體結(jié)構(gòu)在永磁起動(dòng)機(jī)電機(jī)設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)中，永磁起動(dòng)機(jī)電機(jī)設(shè)計(jì)方案用狀態(tài)空間表示，永磁起動(dòng)機(jī)電機(jī)設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程即是利用專家知識(shí)（規(guī)則）使設(shè)計(jì)方案由初始狀態(tài)（初始方案）向目標(biāo)狀態(tài)（目標(biāo)方案）轉(zhuǎn)化的過程。因而系統(tǒng)應(yīng)具有以下結(jié)構(gòu)：狀態(tài)變量存儲(chǔ)區(qū)、規(guī)則存儲(chǔ)區(qū)、推理機(jī)、存儲(chǔ)候選初始狀態(tài)的靜態(tài)存儲(chǔ)區(qū)和與電機(jī)設(shè)計(jì)有關(guān)的計(jì)算方法。電機(jī)設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)的智能模型可用一個(gè)五元組表示：ds=tdb，im，kb，sdb，prog）其中：tdb為動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)，是記錄動(dòng)態(tài)信息的內(nèi)存區(qū)域，主要記錄當(dāng)前設(shè)計(jì)狀態(tài)的有關(guān)信息，包括兩部分：記事冊(cè)記錄設(shè)計(jì)的性能指標(biāo)要求和當(dāng)前的子任務(wù)，事實(shí)庫(kù)記錄設(shè)計(jì)中的有關(guān)事實(shí)。在設(shè)計(jì)過程中tdb是動(dòng)態(tài)刷新的，對(duì)它的操作由推理機(jī)控制。

im為推理機(jī)，是系統(tǒng)的總控制，其主要功能是：①確定當(dāng)前待執(zhí)行的子任務(wù)；②分配子任務(wù)給記事冊(cè)；③根據(jù)不同的子任務(wù)，選擇相應(yīng)的知識(shí)；④根據(jù)所選擇的知識(shí)進(jìn)行推理，調(diào)整設(shè)計(jì)方案。

kb為知識(shí)庫(kù)，用于存儲(chǔ)與設(shè)計(jì)有關(guān)的專家知識(shí)。

sdb為靜態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)，用于存儲(chǔ)已有設(shè)計(jì)方案。

prog為與電機(jī)設(shè)計(jì)有關(guān)的計(jì)算方法。

1.2控制結(jié)構(gòu)永磁起動(dòng)機(jī)電機(jī)設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)如下頁(yè)的所示。

1.3內(nèi)部數(shù)據(jù)通訊永磁起動(dòng)機(jī)電機(jī)設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)內(nèi)部通訊包括：計(jì)算算法與推理機(jī)的接口、計(jì)算算法與數(shù)據(jù)庫(kù)的接口和支撐軟件與推理機(jī)的接口。由于系統(tǒng)中各部分采用了不同的語(yǔ)言編程（計(jì)算算法用fortran語(yǔ)言，推理機(jī)用c語(yǔ)言，數(shù)據(jù)庫(kù)及其管理系統(tǒng)用foxbase語(yǔ)言，知識(shí)庫(kù)編輯軟件用turbo prolog語(yǔ)言編程），各種語(yǔ)言之間的直接通訊困難很大。為此，本系統(tǒng)中算法軟件與其它軟件接口都使用數(shù)據(jù)文件為中介，這樣各軟件只同數(shù)據(jù)文件發(fā)生關(guān)系，避免接口的復(fù)雜化。為保證數(shù)據(jù)文件的通用性，本系統(tǒng)統(tǒng)一采用普通的數(shù)據(jù)文件格式。

2永磁起動(dòng)機(jī)電機(jī)設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)的靜態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)為提高初始設(shè)計(jì)方案的質(zhì)量，在該文開發(fā)的永磁起動(dòng)機(jī)電機(jī)設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)中，采用“事例模糊設(shè)計(jì)法確定初始設(shè)計(jì)方案，即對(duì)已有設(shè)計(jì)方案進(jìn)行評(píng)價(jià)，從中選取合適方案的某些零部件進(jìn)行新電機(jī)的設(shè)計(jì)，以充分利用現(xiàn)有生產(chǎn)設(shè)備。因而這些設(shè)計(jì)方案必須以一定的結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)，以便于設(shè)計(jì)過程中系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)的訪問。該文采用foxbase 2.10數(shù)據(jù)庫(kù)管理語(yǔ)言建立了永磁起動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)及其管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)的作用是接受推理機(jī)對(duì)已有設(shè)計(jì)方案的訪問、完成永磁起動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)的管理，包括方案輸人、方案修改、方案查詢、方案打印和方案刪除等功能。

3知識(shí)庫(kù)管理系統(tǒng)為了提高規(guī)則表示的直觀性，本文定義了一種直觀、自然的規(guī)則表達(dá)形式，既便于知識(shí)庫(kù)的建立，又便于使用人員對(duì)知識(shí)庫(kù)的維護(hù)。在知識(shí)庫(kù)的管理上，采用了框架管理方式，便于大型知識(shí)庫(kù)的管理。

3.1規(guī)則表達(dá)形式用于規(guī)則庫(kù)中知識(shí)的表達(dá)，產(chǎn)生式規(guī)則表示形式為：其中w，（x麻為規(guī)則的前提，即3.2知識(shí)庫(kù)結(jié)構(gòu)知識(shí)庫(kù)由規(guī)則庫(kù)和參量庫(kù)組成。參量庫(kù)是規(guī)則庫(kù)中所有變量的名稱及其數(shù)值類型的集合；規(guī)則庫(kù)包含多個(gè)按問題領(lǐng)域劃分的規(guī)則組，考慮到規(guī)則庫(kù)比較龐大，將規(guī)則庫(kù)分成幾個(gè)獨(dú)立的規(guī)則文件，一個(gè)文件包含一個(gè)或多個(gè)規(guī)則組，一個(gè)規(guī)則組包含一條或多條規(guī)則。

規(guī)則庫(kù)的管理采用了框架形式，一級(jí)框架的名為規(guī)則庫(kù)，其槽值為二級(jí)框架；二級(jí)框架的名為規(guī)則文件名，其槽值為三級(jí)框架；三級(jí)框架的名為規(guī)則組號(hào)，其槽值為四級(jí)框架；四級(jí)框架的名為規(guī)則號(hào)，其槽值為規(guī)則體。其特點(diǎn)是以規(guī)則為主體，輔之以框架。在推理過程中，推理機(jī)根據(jù)設(shè)計(jì)的當(dāng)前狀態(tài)，確定需要調(diào)用的規(guī)則框架，最后找到合適的規(guī)則。

3.3知識(shí)庫(kù)語(yǔ)法規(guī)則為便于推理機(jī)對(duì)知識(shí)庫(kù)的使用，該文定義了知識(shí)庫(kù)的語(yǔ)法規(guī)則，規(guī)則庫(kù)源文件的擴(kuò)展名為kb，參量組的擴(kuò)展名為pam.語(yǔ)法規(guī)則如下。

3.3.1參置與參置組的定義參量組是所有參量的集合，以數(shù)據(jù)文件的形式存在，擴(kuò)展名為pam，用于定義參量的名和數(shù)值類型，便于推理機(jī)和算法的通訊。其物理結(jié)構(gòu)如下：其中參量的名以英文字母開頭，參量類型與其相應(yīng)代號(hào)的對(duì)應(yīng)關(guān)系為：整型一integer，實(shí)型一float.參量定義的先后順序與校核計(jì)算程序中輸人輸出文件中參量的順序相對(duì)應(yīng)，參量組以end語(yǔ)句結(jié)束。

設(shè)計(jì)時(shí)，首先將參量名和參量類型讀人內(nèi)存，而參量的值在設(shè)計(jì)中生成，對(duì)參量的訪問是通過參量名實(shí)現(xiàn)的。

3.3.2規(guī)則庫(kù)定義⑴規(guī)則組定義語(yǔ)句其格式為：rulegroup：number用于說(shuō)明規(guī)則組在該文件中的編號(hào)（相當(dāng)于規(guī)則組名），規(guī)則名定義語(yǔ)句其格式為：rule：number用于說(shuō)明規(guī)則在該規(guī)則組中的編號(hào)。

規(guī)則定義語(yǔ)句其格式為其中premise，為第i個(gè)前提，m個(gè)前提之間是合取，即"其中“為關(guān)系運(yùn)算符，為數(shù)學(xué)運(yùn)算符，a、b、c、d為參量。允許的關(guān)系運(yùn)算符< >6種，允許的數(shù)學(xué)運(yùn)算符有+、-、、/、〃5種，分別為加、減、乘、除、乘方運(yùn)算。

在規(guī)則庫(kù)中，規(guī)則名占一行，規(guī)則的前提和結(jié)論可分別占多行，但二者不在同一行，這是規(guī)則庫(kù)和推理機(jī)的約定。

計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用2000.1 175可執(zhí)行文件調(diào)用語(yǔ)句用于可執(zhí)行文件調(diào)用，例如：system語(yǔ)句的意義為：將a、b、c 3個(gè)參量的值從動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)依次寫人數(shù)據(jù)文件bbbbb.dat，然后調(diào)用可執(zhí)行文件modu.exe，modu.exe從bbbbb.dat輸人計(jì)算所需要的數(shù)據(jù)，計(jì)算并將輸出數(shù)據(jù)e、f寫人數(shù)據(jù)文件ut.dat，最后將e、f從out.dat送到動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)。

結(jié)束語(yǔ)句其格式為：end 3.4知識(shí)庫(kù)開發(fā)系統(tǒng)知識(shí)庫(kù)開發(fā)系統(tǒng)充當(dāng)知識(shí)庫(kù)與用戶之間的界面，便于用戶建立自己的領(lǐng)域知識(shí)庫(kù)。該系統(tǒng)用prolog語(yǔ)言開發(fā)了一個(gè)功能強(qiáng)大的知識(shí)庫(kù)編輯軟件，用c語(yǔ)言開發(fā)了知識(shí)庫(kù)檢查程序，這兩個(gè)軟件都直接嵌在系統(tǒng)中，用戶在系統(tǒng)內(nèi)即可對(duì)知識(shí)庫(kù)進(jìn)行編輯修改和檢查。

4推理機(jī)初始條件為初始事實(shí)或目標(biāo)時(shí)，推理的起點(diǎn)是不同的，因而推理方法也不同。正向推理是從證據(jù)節(jié)點(diǎn)向目標(biāo)節(jié)點(diǎn)推理，是面向事實(shí)的推理，適合于初始條件為初始事實(shí)的推理；逆向推理是從目標(biāo)節(jié)點(diǎn)向證據(jù)節(jié)點(diǎn)推理，是面向目標(biāo)的推理，適合于初始條件為目標(biāo)的推理。對(duì)于電機(jī)設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)，系統(tǒng)得到的是一組設(shè)計(jì)目標(biāo)，據(jù)此進(jìn)行推理、設(shè)計(jì)，是逆向推理；另一方面，系統(tǒng)根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)得到一初始方案（即初始事實(shí)），在此基礎(chǔ)上利用規(guī)則調(diào)整設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，這是一個(gè)根據(jù)事實(shí)向目標(biāo)推理的過程，是正向推理，在該系統(tǒng)中正、逆向推理同時(shí)存在，從總體上講，是逆向推理，但在實(shí)施過程中將逆向推理轉(zhuǎn)化為一系列正向推理，因而在系統(tǒng)內(nèi)部采用正向推理。

該文用c語(yǔ)言開發(fā)了推理機(jī)，該推理機(jī)為一函數(shù)，具有通用性，可供其它程序調(diào)用，其人口參數(shù)為規(guī)則文件名和規(guī)則組編號(hào)，調(diào)用該函數(shù)后，推理機(jī)將對(duì)給定規(guī)則文件中給定規(guī)則組的所有規(guī)則進(jìn)行推理。實(shí)現(xiàn)了知識(shí)庫(kù)和推理機(jī)的分離。

5設(shè)計(jì)調(diào)整過程的實(shí)現(xiàn)在永磁起動(dòng)機(jī)電機(jī)設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)中，整個(gè)設(shè)計(jì)調(diào)整過程類似人類設(shè)計(jì)專家的設(shè)計(jì)方式，是一個(gè)"校核-評(píng)價(jià)-調(diào)整-再校核“的過程，具體如下：（1）根據(jù)用戶的性能指標(biāo)要求，利用有關(guān)初始設(shè)計(jì)的專家知識(shí)確定初始方案；（2）利用算法支撐庫(kù)中的校核程序?qū)υ摲桨高M(jìn)行校核汁算，結(jié)果送人動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)中；⑶利用評(píng)價(jià)模塊對(duì)結(jié)果進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，若方案合格或用戶所給的性能指標(biāo)要求太高，則轉(zhuǎn)（4）；若方案達(dá)不到要求，則利用知識(shí)庫(kù)中的專家知識(shí)和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)中的事實(shí)進(jìn)行推理，確定最佳調(diào)整方法，進(jìn)行結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的調(diào)整，將調(diào)整后的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)由動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)轉(zhuǎn)移到一數(shù)據(jù)文件中，返回（2）；（4）設(shè)計(jì)方案輸出。

在設(shè)計(jì)調(diào)整過程中，為提高設(shè)計(jì)效率，采用“最優(yōu)調(diào)整”

控制策略氣該策略在進(jìn)行設(shè)計(jì)方案時(shí)，首先利用專家知識(shí)對(duì)所有的調(diào)整方法進(jìn)行評(píng)價(jià)，選擇最優(yōu)調(diào)整方法進(jìn)行設(shè)計(jì)調(diào)整，這樣能保證以最篼效率找到可行方案。

6結(jié)論為提高永磁起動(dòng)機(jī)電機(jī)設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)的設(shè)計(jì)能力，該文重點(diǎn)對(duì)專家系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)、知識(shí)庫(kù)、推理機(jī)和設(shè)計(jì)調(diào)整策略等關(guān)鍵問題進(jìn)行了探討。提出了一種直觀自然的規(guī)則表達(dá)形式，定義了一套完善的知識(shí)庫(kù)語(yǔ)法規(guī)則，采用了框架管理的知識(shí)庫(kù)結(jié)構(gòu)，便于大型知識(shí)庫(kù)的建立和維護(hù)；開發(fā)了知識(shí)庫(kù)開發(fā)系統(tǒng)，集知識(shí)編輯、修改、檢查于一體，能對(duì)知識(shí)庫(kù)進(jìn)行自動(dòng)的語(yǔ)法檢查，提高了知識(shí)庫(kù)開發(fā)效率；根據(jù)所確定的知識(shí)表達(dá)方式，利用c語(yǔ)言開發(fā)了高效、靈活的推理機(jī)。采用了“最優(yōu)調(diào)整”控制策略，使專家系統(tǒng)能以最高效率找到可行方案。（定稿日期：1999年2月）