基于面向对象和数据库技术的机床选择专家系统.pdf

第 l O期 2 0 1 1 年 l 0月 机 械 设 计 与 制 造 Ma c h i n e r y De s i g nMa nu f a c t u r e 71 文章编 号 1 0 0 1 3 9 9 7 2 0 1 1 1 0 - 0 0 7 1 - 0 3 基于面向对象和数据库技术的机床选择专家系统 术 伍丽峰 陈岳坪 1 , 2 聂小东 谌炎辉 ， 广西工学院 机械工程系， 柳州 5 4 5 0 0 6 广东工业大学 机 电工程学院 ， 广州 5 1 0 0 0 6 Ma c h i n e t o o l s e le c t i o n e x p e r t s y s t e m b a s e d o n o b j e c t o r ie n t e d a n d d a t a b a s e t e c h n o l o g y W U L i f e ng ． CHEN Yu e pi n g 1 2 , NI E Xi a o -d o ng 2 , CHEN Ya n h ui De p a r t me n t o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ， G u a n g x i U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， L i u z h o u 5 4 5 0 0 6 ， C h i n a 2 S c h o o l o f M e c h a n i c a l a n d E l e c t r o n i c E n g i n e e r i n g ， G u a n g d o n g U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， G u a n g z h o u 5 1 0 0 0 6 ， C h i n a ’t 舯 一 1 “ 斤 斤 州 州 ” 、 ． 一 、 ． 斤 斤 肿 舯 圳 州 一 【 摘要】 机床选择是机械加工工艺设计中的一个重要环节。专家系统是人工智能的一个主要研 究方向， 非常适合处理需要大量经验知识的设计问题。提 出将面向对象方法和数据库技术相结合 ， 进行 了机床选择专家系统总体结构设计 ， 并介绍 了各模块对应的功能 ， 研究了基 于产生式规则的知识表示 方法、基 于关系型数据库的知识库的管理和基 于正向推理方式的推理机 的设计和推理过程等关键技 术 ， 以 V i s u a l C 和 A c c e s s 为开发工具 ， 实现了机床选择专家系统。 关键词 机床选择； 专家系统 ； 面向对象 ； 数据库技术 【 A b s t r a c t 】 T h e s e l e c t io n of m a c h i n e t o o ls i s a n i m p o r t a n t s t e p d u r i n g t h e m ach i n i n g p r o c e s s ． The e x - p e r t s y s t e m i s a m a i n r e s e a r c h are a i n t h e art ific i a l i n t e l l i g e n c e ． h i s s u i t a b l e for s o l v e t h e d e s i g n p r o b l e m s t h a t r e q u i r e I T t u c h e x p e r i e n c e k n o w l e d g e ． T h e c o mb i n ati o n of o b j e c t o r i e n t e d m e t h o d a n d d at aba s e t e c h n o l o g y i s pr e s e n t e d t o d e v e l o p t h e ma c h i n e t o o l s e l e c t i o n e x pe r t s y s t e m． A n d s e v e r al k e y t e c h n i q u e s ， s u c h as t h e m e t h o d o f k n o w l e d g e r e p r e s e n t ati o n b a s e d o n t h e p r o d u c t i o n r u l e ， t h e m ana g e me n t of k n o w l e d g e b ase b ase d o n t h e r e l ati o n al d ataba s e and t h e d e s i gn o f i n f e r e n c e e n g i n e b ase d o n f o r w ard r e aso n i n g are 一 t r ate d．Th e ma ch i n e t o o l s e l e c t i o n e x pe r t s y s t e m i s r e ali z e d b y t a ki n g Vi s ua l C a n d Ac c e s s as t h e d e v e l o pme n t t o o 1 ． Ke y w o r d s Ma c h i n e t o o l s e l e c t i o n ； E x p e r t s y s t e m； Ob j e c t - o r i e n t e d ； Da t a b a s e t e c h n o l o g y 中图分类号 T H1 6 ， T P 3 9 1 ． 7 3 文献标识码 A 1 引言 机床选择是机械加工工艺设计中的一个重要环节 。机床 选择是否得当， 对零件的加工质量、 设备利用率、 负载平衡 、 生产 周期、 工人劳动强度 事肓直接影响。 同时， 机床选择又是一个非常复杂 、 涉及因素众多的问题 ， 需要综合考虑零件的加工精度、 使用要求和材料性能等方面的情 况， 因此 ， 它不仅要求设计人员掌握基本理论和方法 ， 同时还要求 设计人员具有一定的实践经验。 专家系统是人工智能的一个主要 ★来稿 日期 2 0 1 0 1 2 2 5 ★基金项 目 广西科学基金资助项 目 桂科 自2 0 1 l Gx N s F F 0 1 8 o 0 4， 桂科青 0 8 3 2 0 1 5 广西科学研究 与技术开发计划项 目 桂科能 0 8 1 2 6 0 0 2 表 2部分测试样本识别结果 6结束语 提出了利用赤迟信息准则优化 R B F网络， 以获取响应速度 快、 识别精度高的旋转机械故障诊断新方法 ； 并以柴油机连杆铜 套磨损状态识别为例验证了该方法的有效性和工程实用性 ， 效果 明显， 易于实现， 该方法也适用于其他复杂旋转机械的振动诊断。 参考文献 [ 1 ]B e c h h o e f e r ， E ． ， Ma y h e w， E ． ， Me c h a n i c a l Di a g n o s t i c s S y s t e m E n g i n e e r i n g i n I MD H UMS ， I E E EA e r o s p a c e [ J j ．B i gS k y , 2 0 0 6 ． [ 2 ] 黄强， 宋士华， 丁志华， 刘鑫．基于振动分析的柴油机故障程度的研究 r J ] ． 华 中科技大学学报 自然科学版 ， 2 0 0 7 ， 3 5 6 1 0 5 1 0 7 ． [ 3 ] 黄强， 刘鑫， 张晓． 变尺度特征提取在数控机床状态识别中的应用[ J ] _ 机床与液压 ， 2 0 1 0 ， 8 1 0 8 3 8 4 ． [ 4 ] B e c h h o e f e r ⋯ E B e r n h a r d ， A． ， U s e o f N o n - G a u s s i a n D i s t r i b u t i o n f o r A n a l y 8 i s o f S h a f t C o m p o n e n t s ， I E E E A e r o s p a c e [ J ] ． B i g S k y ， 2 0 0 6 ． [ 5 ]D o n g ， M． ， He ， D ． ， H i d d e n S e mi Ma r k o v Mo d e l s f o r Ma c h i n e r y He a l t h D i a g n o s i s a n d P r o g n o s i s T r a n s a c t i o n s o f N AMR F S ME ， 2 0 0 4 3 2 ． 1 6 j C HE NY o n g ， WAN GG u o - y i n ， J I NF a n ， e t a 1 ．An o v e l g e n e r ali z e d c o n g r u e n c e n e u r a l n e t w o r k s[ C ] ／ ／ P r o e o f t h e 2 n d I n t e rna t i o n a l S y mp o s i u m o n N e u r al Ne t wo r k s 20 05 45 5 - - 4 6 0 ． 7 2 伍丽峰等 基 于面向对象和数据库技术的机床选择专家系统 第 1 0期 研究方向 。 对于上述需要大量经验知识的设计问题 ， 专家系统方法是非 常理想的。采用面向对象和数据库技术， 以V i s u a l c 和 A c c e s s 为 开发工具， 完成了机床选择专家系统的建造工作。 2机床选择专家系统总体结构 机床选择专家系统总体结构如图 l 所示。各模块对应的功 能 ， 如图 1 所示。 图 1机床选择专家系统总体结构 1 系统总控模块 用来协调其它各个模块的工作，使各个模块联接成一个有 机的整体。 用户可根据提示 ， 通过菜单和对话框的操作， 驱动各模 块工作 。 2 创建知识库模块 把专家总结出来的规则按要求输入到系统中，建立规则链 表， 生成知识库。 3 修正知识库模块 在原知识库的基础上， 对规则进行修改或补充， 建立新的规 则链表， 生成新的知识库。 4 机床选择模块 用户通过对话框与“ 专家” 进行对话 ， “ 专家” 根据对话情况 进行推理并给出结果。 5 专家解释模块 用户若对机床选择的推理结果有疑问， “ 专家”将在对话框 中给出该选择的理由。 3基于面向对象的知识表示方法 面向对象程序设计不仅是一种程序设计方法，也是一种很 好的认知方法。与传统的人工智能程序设计方法相比， 由于它引 入了对象类的概念及消息传递 ， 实现了数据抽象 、 信息隐蔽和类 之间的继承性， 因此它更接近于人类的思维， 更能体现人类思维 过程的 自然性。 可见， 面向对象程序设计方法适用于解决人工智能问题， 尤 其适用于建造专家系统 l。 面向对象的方法是知识表示的一种新的、 理想的形式。在面 向对象系统中， 现实世界中任一个事、 物、 概念等， 都被定义为一 个对象， 具有相同籽眭的对象抽象为一个类 对象类 。将数据和 操作封装在对象的统一体中， 作用在对象上的所有操作都是通过 传递消息来实现的。 知识表示是构造专家系统中的一个关键过程。本专家系统 采用面向对象的产生式规则表示机床选择的知识， 向用户提供 了 传统产生式系统所不具有的封装和对象局部存储机制， 以增强系 统的结构化知识表示能力。 产生式规则由前提 条件 和结论组成， 其基本形式为 I fT h e n 。例如规则 规则号 0 1 3 I f 用 车床类机床 A N D加工长径 比小 A N D重量大 的零 件 T h e n用立式车床 一 条具有多前提的规则 各前提之 间的关系为“ A N I ” ， 其 处理方法是 前提中具有 n个“ A ND ” 就分解成 n l 条前提 、 在机床选择的知识中． 每条知识 即为 一条事实 ， 若 f 条前提 事实和一条结论事实构成一条规则 ； 所有的规 则组成知识库以 面向对象的观点分析 ， 事实可以看做一类对 象 ； _口 『 以把 事实的结 构以及关于事实的操作定义成事实类 C F a c t 。 同理 ， 可 以把规则的结构 以及 关于规则 的推理定义成规 则 类 C R u l e ， 由规则类生成的所有规则对象以链表的形式连结起来 便构成了知识库， 对知识库的操作由规则类的操作方法提供． 事实类 C F a c t 与规则类 C R u l e 分别定义加 下 c l a s s C F a c t ／ ／ 定义事实类 { p r o t e c t e d 属性 C S t r i n g m s t r F a e t ； 俑 提事实名 B O O L m b F l a g ； H 沦性前提事实 标记 是 1 否 O CF a c t * m _p N e x t ； ／ ／ 指 向同规则中下 一条前提事实的指针 D u b l i c 操作 C F a c t ； ／／ 构造函数 ～ C F a c t ； l l Pf r 构函数 1 ． c I a s s C R u l e ， ／ 定义规则类 f p r o t e t e d 属性 i n t m N o ； ／ ／ 规则 号 C F a c t m p F h e a d ； ／ ／ 本规 则断 属前提事实 的头指针 CS t r i n g m _s t r R u l e ； ／ ／ 规则的结论 B O OI m b l l a g ； ／ ／ 最终结论标志 是 l 否 0 CRu l e* m _p N e x t ； ／ ／ 下 ⋯条规则的指针 p u b l i c 操作 C R u l e ； ／ ／ I A 造函数 C R u l e * C r e a t e L i s t ； 腱 立规 则链表 ， 生成知识库 v o i d Ma r k F a c t ； 记各条事实 C R u l e *Mo d i f y 1 i s t ； ／ ／ 修正规 则 链表 ， 生成新的知识库 C R u 1 e R e a s 0 n ； ／／ 推理 函数 v o i d E x p l a i n ； ／／ 推 理解释 ～ ； R u l e ； N析构函数 } 知识库链表的结构， 如图2所示。 图 2知识库链表的结构 创建知识库的界面 ， 如图 3 所示 。专家系统与刖 户的对话 如图 4所示 一 图 3知识库规则 录入界面 图 4专家系统与用户的对 话 4基于关系型数据库的知识库管理 知识库的管理是专家系统的一个重要组成部分，它对知i _； l 进行组织、 维护、 控制 ， 并向用户提供对知识的使用手段。关系数 据库是目前非常流行的数据管理工具 ， 有一套完整的关系理论 基础 ， 并在实际应用 中取得很大发展 ， 其强大的数据存储 、 检索 、 No． 1 0 0 c t ． 2 0 1 1 机械 设 计 与 制造 7 3 组织及管理能力正是当前知识库管理系统所不具备的。 如果能够 充分利用关系数据库强大的管理能力构造管理知识库 ， 那 么无疑 会有利于知识的共享和检索效率， 进而提高推理能力。 为了有效提高专家系统对知识的管理能力， 系统采用了专 家系统与数据库相结合的方法， 其具体做法如下 对专家系统中的知识进行一定的处理后 ， 可以用数据库结 构和处理方法来管理和表示， 建立起基于关系型数据库的知识 库， 从而使数据库由处理数据上升到处理知识的高层次， 具有一 定的智能性 。 机床选择专家系统的规则是存储在规则数据库中的，规则 数据库的表结构， 如表 1 所示。 表 1规则库表结构 规则号 前提部分 结论部分 规则号是在同一规则库中规则的唯一标识号，通过对规则 号索引， 将索引次序作为规则启用的优先级来解决冲突。规则号 用数字字符串来表示 规则的前提部分及结论部分是推理时进行 识别、 匹配及推理结果实现的重要部分。 利用 V i s u a l c 6 ．0提供的 D A O编程接口建立上述数据库 类，并对 A c c e s s 数据库进行访问。主要用到 D A O的三个类 C D a o D a t a b a s e 类、 C D a o T a b l e D e f 类、 C D a o R e c o r d s e t 类。通过这种 方式， 可以方便地实现对规则的查询、 增加、 删除和修改等操作。 系统将所有的机床选择规则都总结成知识库的规则 ，并将 其存储在数据库文件中， 独立存在于主程序之外 ， 大大方便了知 识库内容的更新。 对规则的修改将是系统维护的主要工作， 系统使这个工作 完全开放， 对知识库内容的修改只要单独编辑数据库文件即可完 成， 充分体现了系统的开放性。 5推理机的设计 图 5系统推理框 图 专家系统常用的推理方式有 3种 正向推理、 反向推理和双 向推理 。 鉴于 正向推理 比较成熟 ， 应用广泛 ， 系统采用正 向推理方 式 。 在系统中“ 专家” 与用户采取“ 对话” 的方式进行机床的选择。 系统首先拿规则的前提事实询问黑板， 若黑板不知道， 则询问用 户， 并将用户的回答存入黑板， 根据用户作出的“ 是” 或“ 否” 回答 将询问过的事实分别加入 Y e s 和N o 链表。系统与用户的对话 ， 如图 4 所示 。 推理过程， 如图5所示。系统根据用户提供的原始信息， 在 知识库中寻找与之匹配的规则， 若找到， 则将该规则的结论部分 作为中间结果， 利用这个中间结果继续与知识库中的规则匹配， 如此循环往复 ， 直到得出最终 的结论。 在上述过程中， 每次匹配成功的规则又连接成 C o n c l u s i o n 链表。 系统可以根据此链表， 给出它作出最终选择的充足理由； 这 些理由环环相扣， 逻辑严密。 系统对某机床选择结果所作的解释， 如图 6 所示。 一 图 6专家解释 6结束语 关于专家系统的开发， 目前已有许多成熟的理论和方法， 而 采用面向对象的程序设计语言 c 进行专家系统的开发， 则是近 年来出现的一种新方法， 它将面向对象方法和专家系统理论有机 地结合在一起， 可以大大地缩短问题空间与解空间的距离， 是一 个很有前景的方向。 面向对象具有许多与人类思维过程相类似的 籽陡， 是专家系统开发的一种趋势。 用面向对象语言开发完成和充分测试之后的专家系统 ， 仍 需要修改和扩展以适应用户环境。由于许多软件包是用 c语言 编写的， 因而用 c 开发的专家系统更容易集成到这些应用环境 中去， 且易于移植， 具有较高的运行效率。 参考文献 [ 1 ] 丁景民， 丁金福．高速切削与机床选择[ J ] 模具工程， 2 0 0 7 3 3 0 3 3 ． [ 2 ] 刘 忠 ， 段正澄． 柔性 制造系统机床选 择建模研究 [ J ] ． 制造 业 自动化 ， 2 0 0 3 ， 2 5 1 2 2 2 4 ． [ 3 ] 李铁军， 唐庆华， 王洁．专家系统及常用开发语言[ J ] ．辽宁工业大学学 报 自然科学版 ， 2 0 1 0 ， 3 0 3 1 4 7 1 5 0 ． f 4 ] 李燕 ， 孟春岩 ， 孔德瑾 ． 面向对 象的专家系统设计方法 [ J ] ． 电力学 报 ， 2 0 0 I ． 1 6 1 3 2 3 5 ． [ 5 ] 王欢， 吴阳年 基于面向对象方法 的汽车制动专家 系统 的研究 与开发 [ J ] _ 北京汽车， 2 0 1 1 1 3 9 - 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