（机械制造及其自动化专业论文）甘蔗收获机械智能设计系统知识库系统的优化与复合推理.pdf

甘蔗收获机械智能设计系统知识库系统的优化与复合推理 摘要 本论文是结合国家自然科学基金资助项目“基于知识的甘蔗收 获机械智能设计系统关键技术研究”而展开的。在对智能设计系统 发展状况以及知识库优化与维护方法进行调研和论述的基础上，给 出了甘蔗收获机械智能设计系统的总体结构以及各关键模块的主要 功能； 针对甘蔗收获机械智能设计系统存在的两个不能融合的知识 库，本文对甘蔗收获机械设计知识特点的分析以及对基础知识库和 衍生知识库知识表达方式差异分析的基础上，构造了基础知识库与 衍生知识库之间的接口模块，衍生知识库中的知识经过接口的分析 和转化，再存入基础知识库，从而整合优化了知识库； 在对知识库系统人工维护弊端分析的基础上，通过构造和分析 规则库条件集和规则库结论集，从比较规则的结论出发，提出一有 效算法检测知识库中的冗余规则，矛盾规则，并给出了循环规则的 检测算法，实现了知识库的一致性维护；本文给出了甘蔗收获机械 知识库规则中选择子的概念，通过构造各选择子之间的集合来检测 知识库中存在的不可达子句，死子旬，并给出了遗漏规则的检测算 法，实现了知识库的完整性维护； 本文论述了甘蔗收获机械规则推理和神经网络的优缺点以及两 l i 者之间的差异，并在此基础上构建了砍蔗机构的复合推理及其具体 结构，论述了砍蔗知识的归一化处理，神经元网络的学习算法，推 理条件和推理结论的确定，采用s 型函数输出限幅算法来改进神经 元网络，并给出了复合推理具体的推理流程。 关键词：甘蔗收获机械智能设计完整性维护一致性维护神经 网络规则推理复合推理 i t h eo p t i m i z a t i o na n dc o m p o s i t e r e a s o n i n go fk n o w l e d g eb a s es y s t e m o ft h ei n t e l l i g e n td e s i g ns y s t e mo f s u g a r c a n e h a r v e s t e r a b s t r a c t t h i st h e s i si sb a s e do nt h ei t e ms u b s i d i z e db yn a t u r a la n d s c i e n t i f i cf o u n d a t i o nn a m e da s t h er e s e a r c ho nk e yt e c h n i q u eo f i n t e l l i g e n td e s i g ns y s t e m a b o u t s u g a r c a n e h a r v e s t e rb a s e d0 1 1 k n o w l e d g e t h i st h e s i sg i v e st h eg e n e r a ls t r u c t u r eo fi n t e l l i g e n td e s i g n s y s t e mo fs u g a r c a n eh a r v e s t e ra n dt h em a i nf u n c t i o no fk e yc o m p o n e n t o fs u g a r c a n eh a r v e s t e ro nt h eb a s i so fs t u d y i n ga n dd i s s e r t a t i n go ft h e d e v e l o p m e n t o f i n t e l l i g e n td e s i g ns y s t e ma n d t h em e t h o d so f o p t i m i z a t i o na n d m a i n t e n a n c eo f k n o w l e d g eb a s es y s t e m t h ei n t e l l i g e n t d e s i g ns y s t e mo fs u g a r c a n eh a r v e s t e rh a st w o d i f f e r e n t r e p o s i t o r i e s ，i ta n a l y z e s t h ec h a r a c t e r i s t i co f s u g a r c a n e h a r v e s t e r sd e s i g nk n o w l e d g ea n dd i f f e r e n c e sb e t w e e nb a s i ck n o w l e d g e b a s ea n de x t e n d e d k n o w l e d g e b a s e s k n o w l e d g er e p r e s e n t a t i o n ， c o n s t r u c t sa ni n t e r f a c em o d u l eb e t w e e nt w ok n o w l e d g eb a s e ，t h e k n o w l e d g ec a nb ea n a l y z e da n dt r a n s f o r m e d ，t h e np u a e di n t ob a s i c i v k n o w l e d g e b a s e i ta n a l y z e st h ed e f e c to fm a n u a lm a i n t e n a n c eo fk n o w l e d g eb a s e s y s t e m ，c o n s t r u c t s c o n d i t i o n a g g r e g a t e a n dc o n c l u s i o n a g g r e g a t e ， c o m p a r e st h ec o n c l u s i o n o ft h er u l e ，t h e np u t sf o r w a r da ne f f e c t a r i t h m e t i ct oc h e c kt h er u l e so fr e d u n d a n c e ，r u l e so fa n t i n o m y , a n dg i v e s t h ec h e c ka r i t h m e t i co fc y c l er u l e s ，t h e na c h i e v e st h ec o n s i s t e n tc h e c ko f k n o w l e d g eb a s es y s t e m i tg i v e s t h en o t i o no fs e l e c t i o no fr u l e s ， c o n s t r u c t st h eg a t h e r sb e t w e e ns e l e c t i o n st og e tt h eg o a lo fc h e c kt h e r u l e sw h i c hb en o ta l l o w e dt o r e a c h ，o m i t t e da n dd e a d ，t h e n a c c o m p l i s h e st h ei n t e g r a l i t yc h e c k o fk n o w l e d g eb a s es y s t e m t h i sp a p e rd i s c u s s e st h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fr u l e so f r e a s o n i n ga n dn e u r a ln e t w o r k ，t h ed i f f e r e n c e sb e t w e e nt h e m i tg i v e s s u g a r c a n ec u r e r sc o m p o s i t er e a s o n i n g a n dp u t sf o r w a r dc o n c r e t e s t r u c t u r e ，i td i s c u s s e su n i t a r yp r o c e s s i n go fk n o w l e d g e ，n e u r a ln e t w o r k l e a r n i n ga l g o r i t h m s ，h o wt od e c i d et h ec o n d i t i o n sa n dc o n c l u s i o n so f c o m p o s i t er e a s o n i n g ，i ta d o p t ssf u n c t i o nt oi m p r o v en e u r a ln e t w o r k , a n dg i v e sd e t a i l e df l o w o fc o m p o s i t er e a s o n i n gp r o c e s s k e yw o r d s ：s u g a r c a n eh a r v e s t e r ；i n t e l l i g e n td e s i g n ；n e u r a l n e t w o r k ； m a i n t e n a n c eo fi n t e g r a l i t y ；m a i n t e n a n c eo f c o n s i s t e n t ；r u l eo fr e a s o n i n g ；c o m p o s i t er e a s o n i n g v 广西大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的成果和 相关知识产权属广西大学所有，本人保证不以其它单位为第一署名单位发表或使用本 论文的研究内容。除已注明部分外，论文中不包含其他人已经发表过的研究成果，也 不包含本人为获得其它学位而使用过的内容。对本文的研究工作提供过重要帮助的个 人和集体，均已在论文中明确说明并致谢。 论文作者签名：式，土刘席各灭们年月工口日 学位论文使用授权说明 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本： 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务； 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 请选择发布时间： 函口时发布口解密后发布 ( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定) 敝储虢恻栎聊躲料一牌多月日 甘蔗收获机械智能设1 , 1 - 系统知识库系统的优化与复合推理 第1 章绪论 1 1 甘蔗收获机械智能设计系统研究的现状及意义 1 1 1 甘蔗收获机械研究现状 甘蔗是禾本科甘蔗属植物，原产于热带、亚热带地区。甘蔗是高光效的c 4 植物，光饱和点高，二氧化碳补偿点低，光呼吸率低，光合强度大，因此，甘 蔗生物产量高，收益大【1 】【2 】 3 1 4 1 0 。甘蔗是我国制糖的主要原料。在世界食糖总 产量中，蔗糖约占6 5 ，我国则占8 0 以上。糖是人类必需的食用品之一，也 是糖果、饮料等食品工业的的重要原料。同时，甘蔗还是轻工、化工和能源的 重要原料。因而，发展甘蔗生产，对提高人民的生活、促进农业和相关产业的 发展，乃至对整个国民经济的发展都具有重要的地位和作用。 从上世纪3 0 年代开始，广东及沿海蔗糖业逐步发展，到了4 0 年代以后取 代四川发展为中国新的产糖区，一直到1 9 9 2 年6 0 多年中，广东成为中国制糖 业的中心，但是从上世纪7 0 年代末我国实行改革开放以来，由于广东的地理位 置和改革开放的差异，农村城市化的发展壮大，导致整个蔗糖产业结构的大规 模调整，致使中国的食糖生产向广西，云南转移，从1 9 9 2 1 9 9 3 开始到现在广 西甘蔗种植面积，蔗糖产量已连续1 2 个榨季居全国第一。在广西蔗糖业发展的 同时，云南蔗糖生产也得到了迅速的发展，跃居全国第二大甘蔗种植面积，产 糖大省，随后稳定发展，并一直保持全国第二的位置。广西地处祖国的南疆， 山多，丘陵多，其中甘蔗种植地很大一部分是丘陵地带。而丘陵地带的一个主 要特点就是沙石多，地势起伏不平，有坡度。蔗田地块小而分散，距离糖厂远， 运输条件差，土地准备和田间管理的各个环节没有为机械化收获创造条件，没 有统一的耕作制度，糖厂对含杂率指标要求过高( 我国o 5 ，国外5 - 2 0 ) ，蔗农 缺乏对合理使用机械的认识和训练。因此目前在我国，蔗断式收获机的使用根 甘蔗收获机械智，i 乏设计系统知蕾u 薯身0 晓的优化与复合推理 本不可能实现，整株式收获机仅在少数农场使用，大多数甘蔗产地，仍以人力 收获为主。由于我国甘蔗生产机械化程度较低，制约了先进农业技术的应用， 劳动效率低、生产成本高，己成为我国蔗糖业与国际竞争的障碍。 目前国外一些产蔗国家，为了提高劳动生产率，进一步促进甘蔗生产的发 展，都在积极发展甘蔗收获机械化。澳大利亚，美国等发达国家都实现了甘蔗 收获机械化。日本、古巴、巴西、菲律宾、南非等国家正在引进或自行设计制 造甘蔗收获机，已在不同程度上取得了一些进展。根据其地域广阔、平坦，糖 厂自动化程度高，生产工艺先进等特点，其主要发展方向为大型联合甘蔗收获 机械，此类收获机分为切断式和整杆式两类。国外主要用切断式收获机械，少 量用整杆式甘蔗收获机械。澳大利亚几乎全部用切断式收获机械，并有完全取 代整杆式收获机械的趋势。切断式收割通常需火烧甘蔗叶，才能有效的进行收 获。此法收割的甘蔗必需在1 6 小时内送糖厂进行加工，否则会造成糖份损失和 变质；而整杆式甘蔗联合收获机对倒伏严重的甘蔗较棘手，含杂率最低为 7 1 0 。甘蔗联合收获机械的机械化程度高，效率高，但机械成本也高，如美 国生产的联合收获机械每台成本约2 0 0 万元左右。 我国从上世纪7 0 年代就开始研制甘蔗收获机械，所研制的机型也主要分为 两种型式：切段式甘蔗联合收割机和整杆式甘蔗收割机。切段式甘蔗联合收割 机：该类机型是仿照国外大型甘蔗联合收割机改进而成。通过改造中马力轮式 拖拉机的轮系，抬高拖拉机的离地间隙，以适应甘蔗垄作和原料蔗输送。割台 悬挂于拖拉机尾部，以拖拉机后退方向为收割前进方向，可一次性完成：切梢、 扶倒、切割、喂入、切段、输送、清选、装载等工序。该类机型代表是广西农 机研究所研制的4 g z - - 1 4 0 型自走切段式甘蔗收割机。由于切段原料不受糖厂 欢迎，该类机型没有得到推广应用。整杆式甘蔗收割机：整杆式甘蔗收割机的 收获方式为整杆式，有两种主要型式：一种为收割与剥叶联合式，另一种为收 割与剥叶分段式。联合式整杆甘蔗收割机可一次性完成：切梢、扶倒、切割、 输送、清选、剥叶等工序。这类代表机型有广西农机研究所研制的以中马力轮 式拖拉机作底盘的k a l t o r - - 8 0 型甘蔗联合收割机。分段式整杆收割机可一次 性完成扶倒、切割输送、铺放( 或打捆) 等工序。配上剥叶机和运输车，就可 实现甘蔗收获分段式机械化作业。这类机型有自走底盘式、侧挂大中马力轮式 2 甘蔗收获机械智能设- h 系统知蕾u # 膏藏的优化与复舌推理 拖拉机式和利用手扶拖拉机底盘式等型式，代表机型有广东农机所研制的4 g z 3 5 型侧挂式甘蔗收割机、华南农大研制的侧挂式甘蔗收割机和自走底盘式甘 蔗收割机、仙游县农机厂研制的配套手拖的4 g z - 一1 2 型甘蔗收割机( 与日本产 n b 一1 l k 型相似) 、南宁市百乐机电公司研制的配套耕整机的甘蔗收割机等。 与分段式收割机配套的剥叶机，均为人工喂入、集堆，可一次性完成切梢、 剥叶等工序。主要代表机型有广西大学的4 z b 6 a 型、广西农机所的4 z b 一 1 2 型、南宁市百乐机电公司的b l 0 2 a 型等。以上机型，有的已停产，有的经 试验表明，技术路线是正确的，但是适应性、可靠性有待提高，所以目前均没 有大量推广使用。 一 虽然国内开发了不少机型，目前研发的热度也正在高涨，但是适合生产实 际应用的成熟、稳定机型基本上还没有。在这种情况下，研制小型、轻便、经 济、适用于丘陵地带的甘蔗收获机械就显得尤为重要： 1 1 2 智能设计系统概述 人工智o 皂( a r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e ) ，英文缩写为m 【5 】【6 1 【7 】【引。人工智能是计算 机科学的一个分支，它企图了解智能的实质，并生产出一种新的能以人类智能 相似的方式作出反应的智能机器，该领域的研究包括机器人、语言识别、图像 识别、自然语言处理和专家系统等。专家系统是一个智能计算机程序系统，其 内部含有大量的某个领域专家水平的知识与经验，能够利用人类专家的知识和 解决问题的方法来处理该领域问题。也就是说，专家系统是一个具有大量的专 门知识与经验的程序系统，它应用人工智能技术和计算机技术，根据某领域一 个或多个专家提供的知识和经验，进行推理和判断，模拟人类专家的决策过程， 以便解决那些需要人类专家处理的复杂问题，简而言之，专家系统是一种模拟 人类专家解决领域问题的计算机程序系统。专家系统是人工智能中最重要的也 是最活跃的一个应用领域，它实现了人工智能从理论研究走向实际应用、从一 般推理策略探讨转向运用专门知识的重大突破。 专家系统的发展已经历了3 个阶段，正向第四代过渡和发展。第一代专家 系统( d e n d r a l 、m a c s y m a 等) 以高度专业化、求解专门问题的能力强为特点。 但在体系结构的完整性、可移植性等方面存在缺陷，求解问题的能力弱。第二 甘蔗收获机械智能设计系统知识库习溉的优化与复合推理 代专家系统( m y c i n 、c a s n e t 、p r o s p e c t o r 、h e a r s a y 等) 属单学科专业型、应用 型系统，其体系结构较完整，移植性方面也有所改善，而且在系统的人机接口、 解释机制、知识获取技术、不确定推理技术、增强专家系统的知识表示和推理 方法的启发性、通用性等方面都有所改进。第三代专家系统属多学科综合型系 统，采用多种人工智能语言，综合采用各种知识表示方法和多种推理机制及控 制策略，并开始运用各种知识工程语言、骨架系统及专家系统开发工具和环境 来研制大型综合专家系统。在总结前三代专家系统的设计方法和实现技术的基 础上，已开始采用大型多专家协作系统、多种知识表示、综合知识库、自组织 解题机制、多学科协同解题与并行推理、专家系统工具与环境、人工神经网络 知识获取及学习机制等最新人工智能技术来实现具有多知识库、多主体的第四 代专家系统。专家系统与传统的计算机程序系统有着完全不同的体系结构，通 常它由知识库、推理机、综合数据库、知识获取机制、解释机制和人机接口等 几个基本的、独立的部分所组成，其中尤以知识库与推理机相互分离而别具特 色。专家系统的体系结构随专家系统的类型、功能和规模的不同，而有所差异。 为了使计算机能运用专家的领域知识，必须要采用一定的方式表示知识。 目前常用的知识表示方式有产生式规则、语义网络、框架、状态空间、逻辑模 式、脚本、过程、面向对象等。基于规则的产生式系统是目前实现知识运用最 基本的方法。产生式系统由综合数据库、知识库和推理机3 个主要部分组成， 综合数据库包含求解问题的世界范围内的事实和断言。知识库包含所有用“如 果： ，于是： 形式表达的知识规则。推理机( 又称规则解释器) 的任务是运用控制策略找到可以应用的规则。正向链的策略是寻找出前提可以 同数据库中的事实或断言相匹配的那些规则，并运用冲突的消除策略，从这些 都可满足的规则中挑选出一个执行，从而改变原来数据库的内容。这样反复地 进行寻找，直到数据库的事实与目标一致即找到解答，或者到没有规则可以与 之匹配时才停止。逆向链的策略是从选定的目标出发，寻找执行后果可以达到 目标的规则；如果这条规则的前提与数据库中的事实相匹配，问题就得到解决； 否则把这条规则的前提作为新的子目标，并对新的子目标寻找可以运用的规则， 执行逆向序列的前提，直到最后运用的规则的前提可以与数据库中的事实相匹 配，或者直到没有规则再可以应用时，系统便以对话形式请求用户回答并输入 4 甘蔗收获机械智能设 h - 系统知蕾u 茕习u 晓的优化与复合推理 必需的事实。 1 1 3 研究基于知识的甘蔗收获机械智能设计系统的意义 由于目前农机企业普遍采用传统设计方法，在应用现代设计方法上远远落 后于航天、汽车等其他行业，农机企业之间重复型设计多，企业信息资源利用 率低，造成农机产品型号杂、产品标准化程度较低，产品质量提上不去，影响 企业效益。农业机械设计领域的特点： 结构类型多、型号多。 功能结构比较稳定、结构复杂程度较小。 农业机械试验受季节性影响大、研究开发周期长。 在农业机械设计中，不仅有理论性的东西，更重要的，还有着许多未上升 到理性的实践经验和实验测试数据，这些经验性的知识，在实际设计中有着非 常重要的作用，农业机械的设计水平更是常常依赖设计人员的实践经验。在农 业机械教科书中，大量的知识是以实验图表及实验数据给出的。每一位农业机 械专家都有自己的实践经验和解决问题的独特方法。显然，基于传统程序设计 的农业机械辅助设计是难以利用这些丰富的实践经验的，而且不能模拟专家基 于经验知识的推理过程，更无法汇总来源于不同专家的经验和知识，也就不能 更好地实现设计目标和推动农业机械学科的综合发展。智能设计系统正好可以 弥补这些不足，为充分综合利用各个专家的研究成果及实践经验提供有效的途 径。在农业机械设计中引入智能设计系统，可以解决农业机械企业中重复性设 计多、信息资源利用率低的难题，缩短产品开发周期，具有巨大的经济效益和 应用前景。 目前，国外产糖国( 如：古巴、巴西、澳大利亚、美国等) 因其甘蔗种植在 广阔、平坦地域，以发展切断式大型甘蔗收获机械为主，其收获机械化程度高。 但国外应用的切断式大型甘蔗收获机械在国内并不适用，在国内从七十年代起 就有许多科研院所研制甘蔗收获机械或引进国外联合收获机械进行仿制，但由 于采用传统的物理样机的研发模式，研制费用高、周期长，目前还一直处于研 究阶段。经联机检索，至今尚无成熟的适用于丘陵地带的小型甘蔗收获机械问 世。因此，如何采用先进的设计开发技术尽快开发出适用于我国南部地区甘蔗 a - 蔗收获机械智熊设计系统知识库习0 睫的优f 七与复合推理 种植情况及生产力发展水平的甘蔗收获机械是重要而紧迫的。而研究基于知识 的智能设计技术与虚拟设计技术相结合的创新设计系统是解决这一问题的有效 途径。 甘蔗收获机械属复杂机电产品，其设计过程必须把设计知识、设计经验同 设计对象、设计信息有机的结合起来。一方面应考虑设计是否合理可行，设计、 生产成本是否可以接受；另一方面，鉴于设计中存在的大量不确定因素，设计 方案可通过仿真和智能决策支持系统加以确定。国内外的研究表明，传统的设 计技术多是不连续的设计任务，而虚拟设计分析技术在缩短产品开发周期，提 高产品的一次性研发成功率方面具有重要的作用，有利于计算机辅助设计脯0 造 装配分析的集成及产品动态性能的模拟；智能设计技术的引入则使产品的开 发技术进入了一个新时代，它有利于建立面向整个设计过程以及同时满足数值 计算和知识推理的动态设计对象模型。因此，从工程自动化的角度看，充分发 挥具有数值计算、仿真分析优化等能力的虚拟设计系统与具有知识处理、决策 能力的人工智能系统的优势，把虚拟样机技术和人工智能技术结合起来将成为 一种创新设计的必然趋势。 甘蔗收获机械的开发设计过程属于“强经验、弱理论的思维决策过程， 在这过程中，不仅需要大量的领域知识，而且需要很强的求解问题的技巧，而 专家的经验知识在其中将起关键性作用。将智能设计引入到产品设计中，有利 于提高设计自动化与智能化的水平。将领域的专家知识融合到智能设计系统并 将其使用到产品设计过程，既有利于保存经过多年积累的设计经验，又有利于 提高产品质量、降低成本、缩短产品开发周期。通过虚拟样机技术对甘蔗收获 机扶蔗、砍蔗、断尾、剥叶等关键部件及整机性能进行仿真分析：使用合理的 知识表达方式，结合虚拟设计技术和人工智能技术，建立甘蔗收获机械智能设 计系统，通过p d m 技术建立智能化集成平台，实现对产品设计分阶段、多层 次、多视角的全面评判，从而高效、快速、可靠的开发出甘蔗收获机械，为甘 蔗收获机械的创新设计及系列化开发提供可靠的工具。 6 g - 西大掌硕士掌位论文甘蔗收获机械智期豺兜- g - l - 系缬：知识库习溉的优化与复合推理 1 2 知识库系统的优化与复合推理综述 1 2 1 知识库的整合 知识是人类对客观世界的认识，一般来说，知识是先由底层数据经过一系 列加工，如分类、归纳、综合等处理过程而得到的上层信息，这种信息再经过 解释、比较、推理得到我们所获取的知识【9 】 1 0 l 1 l 】0 2 。知识有显性知识和隐性 知识之分，显性知识指可编码化知识，可以用文字和数字表达，易于以硬性数 据、科学公式、编码程序或普适原理的形式传播和共享；隐性知识是指难以规 范化和编码化的知识，由形象、概念、信念和知觉组成，具有高度专有性，并 且是在不断演变的。隐性知识需要人们的相互交流，需要通过对知识库的挖掘， 对分散的知识进行集成，才能创造新的知识。 知识库即规则集，是专家系统的核心之一，是专家系统和智能决策支持系 统的重要组成部分，其质量直接决定了系统的性能高低。知识库中存储的知识 主要有两种类型：一类是相关领域中所谓公开性的知识，包括领域中的定义， 事实和理论在内。这些知识通常收录在相关学术著作和教科书中；另一类领域 专家的所谓个人知识，它们是领域专家在长期业务实践中所获得的一类实践经 验，其中很多知识被称为启发式知识，正是这些启发式知识使领域专家在关键 之处能做出训练有素的猜测，辨别出有希望的解决途径，以有效的处理错误或 不完全的信息数据。这些知识是只可意会、难以言传的经验知识。它们是专家 长期实践的结晶。就目前人类的认知水平，难以直接得到，这样知识获取就成 为设计智能系统的瓶颈；而且由于主客观的因素，知识库难免出现矛盾、蕴涵、 冗余和循环等问题。由于知识收集和整理的形式化以及知识组织过程都可能存 在不同程度的疏忽，曲解和错误，因而所建立的知识库必然存在缺陷，这影响 了系统的推理能力。由于非自动型知识获取和自动型知识获取的局限性，难以 获得完全、无噪声的知识库，所以有必要对知识库进行补充、优化和校验，以 得到高质量的知识库，知识库的优化，已引起人们注意。 甘蔗收获机械智能设计系统存在两个知识库，一个是基础知识库，里面存 放通过人工获取的知识，另一个是衍生知识库，里面存放着系统半自动获取的 知识，系统半自动所获取的知识由于采用了不同于基础知识库的知识表示方式， 7 甘蔗收获机械智能设- g t 系统知蕾u 举习0 睫的优| 七与复合推理 所以不能和基础知识库中的知识相融合，存放不到基础知识库中，衍生库中的 知识也不能被系统所充分的利用。所以本论文对知识库系统所做的优化之一便 是将两个结构不同的知识库进行整合。 优化的方法就是在基础知识库和衍生知识库之间建个接口，这样衍生知识 库中的知识经过接口的转化，能够存入基础知识库中，能够被推理机所用。这 样智能设计系统本身产生的新的知识存储入基础知识库中，有利于知识的扩充 和维护，从而提高了智能设计系统利用知识库知识进行智能设计的范围，使智 能设计系统充分发挥其作用，提高了基于知识的智能设计系统的智能化程度， 缩减了产品的设计周期，提高了产品的设计质量。 1 2 2 知识库系统的维护 甘蔗收获机械知识库根据设计知识的多样性，层次性，划分为：整机总体 知识库，零部件知识库，甘蔗生长知识库和地形地貌知识库p 5 1 【3 6 1 【3 7 1 。在系统 建立初期，由于知识库规模小，内容较简单，规则数目小，用人工方法就可以 对知识库进行维护，对其中的规则和事实进行逐项检查，就可以保证它们的一 致性和完整性。但是随着时间的推移，人们对知识库在最初阶段的种种考虑逐 渐淡薄，同时由于智能系统在运行过程中又有许多新的知识不断加入知识库， 使的知识库的规则越来越多，内容越来越复杂，规模越来越大，知识库中各知 识单元之间的相互影响和相互联系就随之变得复杂，难以跟踪和琢磨，严重影 响了系统推理的效率和精度，在这种情况下，知识库的一致性维护和完整性维 护就变得特别重要，所以本论文对知识库系统所做的优化之二便是建立一个知 识库维护模块，对甘蔗收获机知识库进行维护。 所谓知识库的维护，就是指为保证知识库自身的有效性及知识库的规则间 的一致性所进行的一系列操作【3 8 】【3 9 】m 4 q 。人们期望从根本上解决知识库的维 护问题，但是知识库维护方法的实现还存在很大的困难，很多方法在理论上可 行，但面对庞大，复杂的知识库系统则显得软弱无力。不过我们可以通过适当 的途径，充分利用知识专家的经验，研究出切实可行的知识库维护方法。 一致性维护主要检测甘蔗收获机械知识库中是否存在冗余性规则，矛盾性 规则以及循环性规则【4 2 】 4 3 】。冗余知识会降低系统的效率，造成知识库不必要的 广西大掌硕士掌位论文 甘焉收获机械智能设专1 - 习0 晓知蕾u # 系兢的优化与复合推理 增大，使推理时间延长，同时使知识库的维护难度增大，因此要减少冗余知识。 当知识库中含有矛盾规则时，已知事实集中的某些规则将被删除( 因为他们是 自相矛盾的，相当于不知道这些事实) ，系统维护时，有些情况只能把相互矛盾 的两条或几条规则检测出来，但不能自动决定删除哪条规则，必须经过人机交 互由领域专家仔细斟酌衡量进行删除。本文通过构造和分析规则库条件集和规 则库结论集，从比较规则的结论出发，提出一有效算法来实现知识库系统冗余 性规则和矛盾性规则的检测，并给出了循环规则检测的详细流程，从而实现了 甘蔗收获机械知识库系统的一致性维护。 完整性维护主要检测知识库中是否存在不可达子句，死子句以及遗漏子句。 如果知识库中存在知识的不完整性问题，在系统运行时会产生错判和漏判的错 误，或者在某些情况下，得不到任何结论，这是专家系统的使用者不希望看到 的，在使用过程中遇到这种情况可能导致使用者对专家系统丧失信心。本文给 出了甘蔗收获机械知识库规则中选择子的概念，提出了相应的不可达子句和死 子句的检测算法，并给出了遗漏规则的检测算法。从而实现了甘蔗收获机械知 识库系统的完整性维护。 通过甘蔗收获机械知识库维护模块，可解决知识库系统一致性和完整性维 护，提高了系统推理的效率和精度，提高了产品的设计质量，从而达到系统优 化的目的。 1 2 3 砍蔗机构的复合推理m 【4 5 】郴】【4 7 】【4 8 l 【4 9 】 s o l 砍蔗是甘蔗收获过程的关键环节，选择合理的切割参数，则可以减少切割 过程中的切割损失和功率消耗，可以降低甘蔗收割成本，具有重要的社会效益 和经济效益，砍蔗机构的复合推理就是帮助专家推出砍刀的合理切割参数。神 经网络的特点在于它通过专门的学习算法直接从实例中学习，并且训练好后的 神经网络速度比较快。而规则推理有一个友好的用户界面以解释系统所作的选 择，并且有人机交互的能力，解决问题的过程有可视性，并且提供给系统具有 启发性和可判断性的数据，它能用于辅助构造，操作和维护神经网络，如果将 这两种推理方式合理运用到同一推理中，则其功能要比单一的规则推理和神经 网络更强有力。本模块运用神经网络与规则推理相结合的复合推理，发挥两者 9 甘蔗收获机械智能设计系统知蕾u # 习0 睫的优化与复台嘈生理 的优势，这样就能推出更合理的切割参数。 1 3 本论文研究内容及意义 本课题属于国家科学自然基金项目“基于知识的甘蔗收获机械智能设计系 统关键技术的研究 编号( 5 0 3 6 5 0 0 1 ) 。本论文是在甘蔗收获机械智能设计系统 知识库基本构建完成的基础上，继续完善优化知识库系统。本论文从实用角度 出发，完成了对知识库系统的优化，使智能设计系统充分发挥其作用，提高了 推理机的推理机制和推理效率，提高了基于知识的智能设计系统的智能化程度， 缩减了产品的设计周期，提高了产品的设计质量。 本论文主要完成了以下研究工作： ( 1 ) 研究了甘蔗收获机械智能设计系统的总体结构以及各关键模块的功 能。 ( 2 ) 研究了甘蔗收获机械设计知识的特点，并分析了基础知识库与衍生知 识库知识表示方法的不同，在此基础上完成了基础知识库与衍生知识库之间的 接口模块，整合优化了知识库。 ( 3 ) 分析了知识库人工维护的缺点与不足，提出了几种常用的知识库维护 方法。针对知识库中存在的冗余规则，矛盾规则和循环规则，给出其定义并提 出一有效算法实现了知识库的一致性维护。 ( 4 ) 针对知识库中存在的不可达子句，死子句以及遗漏规则，给出其定义 并提出一有效算法实现了知识库的完整性维护。 ( 5 ) 分析了规则推理的优缺点，神经网络的优缺点及规则推理和神经网络 的差异的基础上，提出了砍蔗模块的复合推理并给出了复合推理的具体结构。 ( 6 ) 提出了砍蔗知识的归一化处理，神经元网络具体的学习算法，并且提 出了s 型函数输出限幅算法来改进神经元网络。最后给出了神经元网络和规则 推理相结合的复合推理的具体流程和实例。 1 0 甘蔗收获机械智能设计系统知识库系统的优化与复台j t 理 第2 章甘蔗收获机械智能设计系统的总体结构 2 1 基于知识的甘蔗收获机智能设计系统总体结构 基于k b e 的甘蔗收获机智能设计系统的应用，可以使设计师长期积累下来 的设计经验得到最大限度的重用，可以解决概念设计过程中大量的重复性工作， 有效地缩短新产品研发周期，促进甘蔗收获机系统的迅速研发。结合丘陵地区 甘蔗收获机械开发中的难题，构建丘陵地势地貌及甘蔗种植特点知识库，通过 虚拟样机技术对甘蔗收获机扶蔗、砍蔗、断尾、剥叶等关键部件及整机性 图2 1s h i d s 系设计总框图 f i g 2 - 1t h eg e n e r a ls t r u c t u r eo fs u g a r c a n eh a r v e s t e ri n t e l l i g e n td e s i g ns y s t e m 1 l 甘蔗收获机械智期澈计系统知识车身：统的优化与复合推理 能进行仿真分析。使用合理的知识表达方式，结合虚拟设计技术和人智能 技术，建立甘蔗收获机械智能设计系统。其总体结构如图2 1 所示： 甘蔗收获机械智能设计专家系统符合“t o 呻o w n 的设计模式。首先针 对用户提出的设计要求和使用条件( 比如收获效果、甘蔗生长状况、地形等) 完成甘蔗收获机的功能设计和总体选型设计，并返回给用户若干个可行的设计 方案，通过友好的用户界面，用户可根据各方案带可信度的评价进行选择：然 后，进入甘蔗收获机械各关键部件的结构设计和参数设计；再以设计获得的主 参数驱动生成数字样机；若不满足要求则返回重新设计，最后得到用户满意的 设计结果，并把设计成功的结果作为实例存储。在整个过程中，系统的解释模 块将对设计过程和结果提供合理的解释。基于知识的甘蔗收获机械智能设计系 统主要由数据库、知识库、推理机、知识维护、人机接l 1 ，c a d c a e c a m p d m 系统等几个部分组成。各主要模块功能如下 s j 【9 】： ( 1 ) 数据库指长期储存在计算机内的、有组织的、可共享的数据集合。甘 蔗收获机械智能设计系统的数据库用于存储领域内的初始数据和推理过程中得 到的各种信息，该数据库可随时将更新的数据加到各自相应的数据库中，同时 实现数据库设计过程与各数据库的自动联结； ( 2 ) 知识库是知识工程中结构化，易操作，易利用，全面有组织的知识集 群，是针对某一( 或某些) 领域问题求解的需要，采用某种( 或若干) 知识表示方式 在计算机存储器中存储、组织、管理和使用的互相联系的知识片集合。甘蔗收 获机械设计知识主要包括丘陵地带甘蔗种植地势地貌环境、甘蔗生长情况及机 械系统设计的各种知识和模型，其设计知识获取的主要来源于甘蔗收获机械设 计领域知识、数字仿真、物理样机实验、产品市场信息及用户要求等。由于甘 蔗收获机械属于复杂机械，论文研究采用层次化知识库组织模型。参数算法库 主要存储各种有限元计算方法、优化设计方法、甘蔗收获机械各部件设计约束 函数等； ( 3 ) 推理机根据甘蔗收获机械设计要求和使用条件，调用相应知识模块， 对设计问题进行求解。推理机是模仿专家思维方式的核心，它决定在设计的某 个阶段启用哪条知识。为提高效果和效率，本专家系统建立多种推理机制：正向 推理、反向推理、正反向混合推理、双向推理及复合推理等。 1 2 、 - b - 蔗收获机械智能设计系统知识率膏筑的优化与复舌推理 ( 4 ) 人机接口的目标是让机器为人服务，降低人的沟通难度，人机之间基 于自然语言的智能化沟通将成为必然。本系统的人机接口是智能设计系统与用 户通信的部分，用来接收来自用户的信息，并将其翻译成系统可接受的内部形 式，将问题的结果输出给用户。 ( 5 ) 知识获取是把用于问题求解的专门知识从知识源中提炼出来，并转换 为计算机程序或将其存储的过程。专家系统的推理能力是由它拥有知识的数量 和质量决定的，知识获取的效率是专家系统成败的关键。 ( 6 ) 知识维护是指为保证知识库自身的有效性及知识库的规则间的一致 性所进行的一系列操作。主要包括知识库的一致性维护和完整性维护。一致性 维护主要检测知识库中是否存在冗余性规则，矛盾性规则以及循环性规则。完 整性维护主要检测知识库中是否存在不可达子句，死予句以及遗漏子句。 2 2 甘蔗收获机械知识库系统总体结构 不同领域的知识库系统，其功能、结构都不尽相同。有些可以作为用户的 “顾问 来解答其提出的某个专门领域的问题，有些可以作为专家的“学生 ， 图2 - 2 知识库系统运作模式 f i 9 2 - 2 t h ef u n c t i o no fk n o w l e d g e 而不断地获得新知识以增添或改善所拥有的知识；有的则可以作为“专家 广西大d 明页士掌位论文甘蔗收获机械智能设- h - 系统知蕾u # 系兢的优化与复合推理 或“教授 ，向用户传授某个专门领域的知识。甘蔗收获机械知识库系统由甘蔗 收获机知识库、知识库管理，知识库评价以及知识库维护体系四个模块组成， 如图2 2 所示。 2 2 1 甘蔗收获机知识库特点及其组织原则 知识库的出现可以说是一个必然趋势，因此以非数值计算为主题的应用和 研究需求已经变得越来越多，特别是符号计算、符号推演、模糊和非精确计算、 逻辑决策等等不仅在许多前沿学科中占有重要地位，而且在实际的工具、商品 应用系统中也是变得不可缺少。 知识是人类智慧的结晶。知识库使基于知识的系统( 或专家系统) 具有智能 性。并不是所有具有智能的程序都拥有知识库，只有基于知识的系统才拥有知 识库。现在许多应用程序都利用知识，其中有的还达到了很高的水平，但是， 这些应用程序可能并不是基于知识的系统，它们也不拥有知识库。一般的应用 程序与基于知识的系统之间的区别在于：一般的应用程序是把问题求解的知识 隐含地编码在程序中，而基于知识的系统则将应用领域的问题求解知识显式地 表达，并单独地组成一个相对独立的程序实体。知识库的特点如下： ( 1 ) 知识库中的知识根据它们的应用领域特征、背景特征( 获取时的背景信 息) 、使用特征、属性特征等而构成便于利用的、有结构的组织形式。 ( 2 ) 知识库的知识是有层次的。最低层是“事实知识”，中间层是用来控制 “事实”的知识( 通常用规则、过程等表示) ；最高层次是“策略”，它以中间层知识 为控制对象。策略也常常被认为是规则的规则。因此知识库的基本结构是层次 结构，是由其知识本身的特性所确定的。 ( 3 ) 知识库中可有一种不只属于某一层次( 或者说在任一层次都存在) 的特 殊形式的知识一可信度( 或称信任度，置信测度等) 。对某一问题，有关事实、 规则和策略都可以标以可信度，这样，就形成了增广知识库，在数据库中不存 在不确定性度量，因此在数据库的处理中一切都属于“确定型”的。 在一定程度上，不同的知识表示模式应有知识库的不同的组织方式【8 j 。但 是不管怎样组织，都应遵循一些基本原则： ( 1 ) 知识库的组织应该保证今后知识库与处理机构( 或推理模块) 的某种独 1 4 广西大学硕士掌位论文甘蔗收获机械智能设计系统知识庠系葳的优化与夏台推理 立性，使得不会由于知识库内部组织方式的改动而引起知识处理机构的大改动， 这是为什么要把知识库从知识处理系统中独立出来的一个重要原因： ( 2 ) 要尽量便于今后对知识库的扩充、维护与修改，使今后无论作功能上 的扩充，还是作性能上的改进都有可能； ( 3 ) 要尽量便于今后对其内容的各种运用和输入输出等： ( 4 ) 要考虑到在一个知识库中同时存放多种模式表示的知识的可能； ( 5 ) 要尽量便于知识库内容一致性和完整性等的检查和维护，要便于输入 知识时“同化”与“调整等动作的进行； ( 6 ) 要考虑对其内容作各种处理的时间效率，例如要使检索和匹配起来尽 量快； ( 7 ) 要考虑知识在库中存放的空间效率，即要尽量节省存储空间。 知识库包含问题领域的各种知识，知识用规则来表示，所以它是规则的集 合，它存储专家经验、书本知识与常识性知识，是智能设计系统的核心部分。 甘蔗收获机械设计知识主要包括丘陵地带甘蔗种植地势地貌环境，甘蔗生长情 况及机械系统设计的各种知识和模型，其设计知识主要来源于甘蔗收获机械设 计领域知识，数字仿真，物理样机试验，产品市场信息及用户要求等。通过层 次分解可以将甘蔗收获机械智能设计系统知识库划分为整机总体知识库，零部 件知识库( 扶蔗机构，砍蔗机构，剥叶机构，断尾机构) ，甘蔗生长情况知识库 和地形地貌知识库，每个知识库对应一个设计对象，每个设计对象包含规则库， 参数库和实例库。 2 2 2 甘蔗收获