（计算机应用技术专业论文）基于web的考核和训练专家系统研究与应用.pdf

摘要在互联网飞速发展的时代，传统专家系统的局限使得基于w e b 的专家系统开始被研究和应用，这是专家系统必然的发展方向，但是现有的基于w e b 的专家系统的开发却面临缺乏相应的合适丌发工具的问题。为了提高专家系统设计和丌发的效率，解决专家系统开发周期长的问题，本论文以起重机操作知识的要求作为需求，研究了基于w e b 的起重机考核培训专家系统的设计与实现。此课题来源于“武汉市重点科技攻关项目一桥式起重机虚拟操纵系统研究与开发”( 2 0 0 7 1 1 0 2 1 3 8 1 ) ，本论文首先介绍了基于w e b 的专家系统的基本概念、组成结构后，通过对国内外现有的考核专家系统的研究与分析，指出了现有系统在开发技术上的不完善。本论文根据详细的设计要求，采用先进的“浏览器w e b 服务器数据库系统”三层网络体系结构，在总体分析系统结构和各项功能基础上，提出用a s p n e t ( c j f j ) 与a m z i ! p r o l o g 混合编程方法开发专家系统框架的方案，并设计和实现了一个基于网络的起重机考核培训专家系统，论文从系统的组成、功能、采用的关键技术以及实现方法进行了介绍。本论文实现了网络环境下考核培训管理信息系统与操作故障分析专家系统的集成，运用a s p n e t ( c 捍) 技术实现了系统的网络设计，运用s q l s e r v e r 2 0 0 5设计了专家系统的数据库和知识库，运用a d o n e t 技术实现了数据库访问，运用a m z i ! p r o l o g 技术实现了专家系统推理过程，充分发挥p r o l o g 逻辑推理的功能，并对系统的网络安全问题进行了讨论和设计。本论文最后在局域网范围内模拟了此系统的实验，通过实验证明：a s p n e t和p r o l o g 两者语言结合最终实现的专家系统是高效的，本系统的方法有效、结构可靠，为开发基于w e b 的专家系统提供了一条方便快捷和高效的途径，使得本系统不仅具有一定的理论意义，而且具有广泛的实用价值。关键词：专家系统，逻辑推理，a s p n e t ，a m z i ! p r o l o g ，知识库a b s t r a c tw i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h ei n t e r n e t ，w e b - b a s e de x p e r ts y s t e m sh a v eb e e nr e s e a r c h e da n da p p l i e db e c a u s eo ft h el i m i t a t i o no ft h et r a d i t i o n a le x p e r ts y s t e m s i ti st h ei n e v i t a b l ed e v e l o p m e n td i r e c t i o nt ot h ee x p e r ts y s t e m h o w e v e rn o wt h ew e b b a s e de x p e r ts y s t e m sa r ef a c i n gt h ep r o b l e mo fl a c k i n gs u i t a b l ed e v e l o p i n gt o o l s i no r d e rt oi m p r o v et h ee f f i c i e n c yo ft h ee x p e r ts y s t e md e s i g na n dd e v e l o p m e n ta n ds h o r t e nt h ed e v e l o p m e n tc y c l eo fa ne x p e r ts y s t e m ，t a k et h ec r a n ek n o w l e d g ea st h ed e m a n d ，t h et h e s i ss t u d yt h ed e s i g n i n ga n dt h er e a l i z a t i o na b o u tt h et e s t i n ga n dt r a i n i n ge x p e r ts y s t e mb a s e do nw e b b yi n t r o d u c i n gt h ec o n c e p t sa n ds t r u c t u r e so fw e b - b a s e de x p e r ts y s t e m s ，t h et h e s i sp o i n t so u tt h ee x i s t i n gs y s t e mi m p e r f e c t i o n si nt h ed e v e l o p m e n tt e c h n o l o g yt h r o u g ht h er e s e a r c h e sa n da n a l y s e so ft h ec u r r e n tt e s te x p e r t s t h et h e s i si n t r o d u c e st h ea d v a n c e d b r o w s e r s w e bs e r v e r d a t a b a s es y s t e m ”，t h r e e - t i e rn e t w o r ka r c h i t e c t u r e ，n o to n l yp r o p o s e sa n di m p l e m e n t st h es c h e m eo fa ne x p e r ts y s t e ms h e l lb a s e do np r o g r a m m i n gi na s p n e t ( c # ) a s s o c i a t e dw i t hp r o l o g ，b u ta l s od e s i g n sa n dr e a l i z e sa nw e b - b a s e dc r a n ee x p e r ts y s t e mo ft h et e s t i n ga n dt r a i n i n gb a s e do nt h ed e t a i l e dd e s i g nr e q u i r e m e n t s t h et h e s i sh a sm a d ea ni n t r o d u c t i o nf r o ms y s t e m a t i cc o m p o s i t i o n ，f u n c t i o n ，k e yt e c h n o l o g ya n di m p l e m e n t a t i o nm e t h o da d o p t e d t h et h e s i sr e a l i z e st h ei n t e g r a t i o no ft h em a n a g e m e n ti n f o r m a t i o ns y s t e ma n dt h ee x p e r ts y s t e mo ft h eo p e r a t i o nf a i l u r ea n a l y s i s t h en e t w o r kd e i g ni si m p l e m e n tb ya s p n e t t h ed a t a b a s ea n dk n o w l e d g ed a t a b a s ei sd e s i g n e db ys q ls e r v e r2 0 0 5 ，a n dt h ed a t a b a s ea c c e s s i n gi si m p l e m e n tb ya d o n e t t h ee x p e r ts y s t e mr e a s o n i n gi sr e a l i z e db ya m z i ! p r o l o g ，m a yp l a yt ot h ef u n c t i o n so ft h ep r o l o gl o g i cr e a s o n i n g t h en e t w o r ks e c u r i t yo ft h es y s t e mi sd i s c u s s e da n dd e s i g n e d f i n a l l y ，t h es y s t e mi so p e r a t e dw i t h i nt h el a nn e t w o r k t h er e s u l tp r o v e dt h a tt h es y s t e mi se f f e c t i v ea n dt h es t r u c t u r eo ft h es y s t e mi sr e l i a b l e i tp r o v i d e sac o n v e n i e n t ，f a s ta n de f f i c i e n ta p p r o a c hf o rd e v e l o p i n gt h ew e b b a s e de x p e r ts y s t e m n o to n l yh a st h i ss y s t e ms o m et h e o r e t i c a ls i g n i f i c a n c e ，b u ta l s oh a sb r o a d l yi ip r a c t i c a lv a l u e k e y w o r d s ：e x p e r ts y s t e m ，l o g i cr e a s o n i n g ，a s p n e t ，a m z i ! p r o l o g ，k n o w l e d g eb r i s ei i i独创性声明本人声明，所呈交的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。尽我所知，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，也不包含为获得武汉理工大学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的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。研究生( 签名) ：埠立酝学位论文使用授权书本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：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电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印和其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的有关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息服务。( 保密的论文在解密后应遵守此规定)一( ：辞：幽武汉理下大学硕士学位论文1 1 研究背景第1 章绪论专家系统( e x p e r ts y s t e m ) 是人工智能应用研究最活跃和最广泛的领域之一。专家系统诞生于二十世纪六十年代末期。1 9 6 5 年，斯坦福大学计算机系的e a f e i g e n b a u m 研究了以往人工智能系统的经验和失败的教训，提出要使程序达到很高的性能，且能付诸实际使用，就必须把模仿人类思维规律的解题策略与大量的专门知识结合。1 9 6 8 年e a f e i g e n b a u m 教授和遗传学教授j l e d e n b e r g一起完成了具有代表性的第一个启发式专家系统d e n d r a l ，标志着专家系统的诞生。创始人e a f e i g e n b a u m 教授指出专家系统将是第二次计算机革命的工具。七十年代出现了一批卓有成效的专家系统，其中有代表性的专家系统有m y c i n ，c a s n e t , i n t e r n i s t , a m h e r s a y , p r o s p e c t t o r d 等。七十年代术，各种建造专家系统的开发工具也相继问世。2 0 世纪8 0 年代初，医疗专家系统占了主流，主要原因是它属于诊断类型系统且开发比较容易。但是到了8 0 年代中期，专家系统发展在应用上最明显的特点是出现了大量的投入商业化运行的系统，并为各行业产生了显著的经济效益。从8 0 年代后期开始，一方面随着面向对象、神经网络和模糊技术等新技术迅速崛起，为专家系统注入了新的活力；另一方面计算机的运用也越来越普及，而且对智能化的要求也越来越高。由于这些技术发展的成熟，并成功运用到专家系统之中，使得专家系统得到更广泛的运用。其应用领域也涉及到农业、商业、化学、通信、计算机系统、医学等多个方面，并已成为人们常用的解决问题的手段之一。那么，究竟什么是专家系统呢?对于专家系统，至今没有一个确切的定义，不过总结各种陈述可以得出，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【l 】。尽管不同应用领域和不同类型的专家系统的结构会存在一些差异，但其基本结构还是大致相同的。图l l 【2 】描述了一个基于知识的专家系统的基本结构。武汉理工大学硕士学位论文其执行过程为：知识库包含解决问题用到的领域知识，当满足规则的条件部分时，便激发规则执行动作部分。数据库包含一系列事实，用来和知识库中存储规则的i f ( 条件) 部分相匹配。推理引擎执行推理，由专家系统找到解决方法，其连接知识库中的规则、调用数据库中的事实。用户使用解释工具询问专家系统它是如何得到某个结论的，以及为何需要这些事实，所有的专家系统都必须能够解释其推理，并证明其建议、分析或结论的正确性。用户界面是用户为寻找问题的解决方法和专家系统问沟通的途径，这种沟通应该尽可能的有意义并且足够友好。外部接口使专家系统可以使用外部的数据文件和使用传统的编程语言，如c ，c 斗+ 等程序。开发界面通常包括知识库编辑器、调试工具和输入输出工具。外部d b 外部程序0 o用户知识工程师或专家图1 1 专家系统基本结构通常，一个专家系统的基本结构由知识库、数据库、推理机、解释模块、知识获取模块和人机接口六大部分所组成，其重点主要是两个部分：知识库和推理机。下面分别介绍专家系统的主要组成部分：2武汉理工大学硕士学位论文( 1 ) 知识库( k n o w l e d g eb a s e ) 是专家系统的重要组成部分，就是以一定表示形式存储在计算机中的专家知识和经验的集合。知识库通常是以一个文件的形式存放在外部介质上，专家系统运行时将被调入内存。为有效地利用知识，应把存放在计算机上的知识体系化、结构化，以便专家系统使用时能高效存取、检索和更新。因此，知识库的组织和结构形式对于提高专家系统效率至关重要。它主要功能在于存储和管理专家系统中的知识，其质量直接决定了系统性能的高低。知识库中的知识一般包括专家知识、领域知识和元知识。( 2 ) 动态数据库。动态数据库也称全局数据库、综合数据库、工作存储器、黑板等，它用于存储反映系统当前状态的事实数据的地方。这些数据包括用户输入的事实、己知的事实以及推理过程中得到的中间结果等，它们反映系统要处理的问题的主要特征和状态。作为系统操作的对象，这些数据在系统运行时是不断改变的，并且可以通过规则进行访问，是规则之间联系的纽带。( 3 ) 推理机( r e a s o n i n gm a c h i n e ) 是专家系统的核心部分，就是用于记忆所采用的规则和控制策略的的程序1 3 1 ，使整个专家系统能够以逻辑方式协调地工作。推理机是使用知识库中的知识进行推理而解决问题的，所以推理机也就是专家的思维机制，即专家分析问题、解决问题的方法的一种算法表示和机器实现。其主要功能就是使整个专家系统能够以逻辑的方式协调地工作。它能根据当前已知的事实，利用知识库中的知识，按一定的推理方法和控制策略进行推理【4 1 ，求得问题的答案或证明某个假设的正确性。按照搜索方式不同，把产生式系统分为正向推理、逆向推理和双向推理。所谓正向推理是从已知事实出发，通过规则库求得结论。逆向推理是从目标出发，反向使用规则，求得已知事实。双向推理是既自顶向下( t o p d o w n ) 又自底向上( b o t t o m d o w n ) 直至达到某一个中间环节两个方向的结果相符便成功结束。( 4 ) 解释器即解释程序。它能够向用户解释专家系统的行为，是实现系统透明性的主要模块。( 5 ) 接口又称人机界面。它负责使系统与用户进行对话，把用户输入的信息转化成系统能够识别的规范化的表示形式，将之提供给相应模块去处理。然后将系统输出的内部表示转换为用户能够轻易理解的外部表示形式。它是人与机器对话的窗口。一个专家系统一般有两个人机界面：一个是面向系统开发和维护者的；一个是面向最终使用者的。前一个界面由丌发工具提供；后一个则是专家系统自身的一部分。由于图形用户界面( g u i ) 的广泛使用，所以目前专家3武汉理工大学硕士学位论文系统的开发界面已达到相当高的水平。而专家系统的使用界面相对还比较落后。这是因为，使用界面往往要涉及“人机对话 ，如人对系统的询问、系统对人的回答，特别是系统对用户的解释。在一定的意义上，专家系统的开发重点在知识的获取、表现和运用上。因为数据库的构建，推理机以及解释器的完成都在一定程度上有章可循，而知识库的建立却由于领域的不同而有很大的差异。知识库和推理机构成了一个专家系统的基本框架。同时，这两部分又是相辅相成、密切相关的。因为不同的知识表示有不同的推理方式，所以，推理机的推理方式和工作效率不仅和推理机的算法有关，还与知识库中的知识以及知识库中的组织有关。因此，专家系统的开发工具的选用就显得丰常重要，在专家系统的发展过程中，己经形成了多种通用程序设计语言以及人工智能语言如l i s p ，p r o l o g ( p r o g r a m m i n gi n1 0 9 i c ) ，c 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 m ) 等，它们都适用于专家系统的程序设计，用这些语言来编写专家系统，设计者可以有较大的自由度，可以自己设计需要的知识表示模式和推理方法等，可塑性很大。特别是面向对象程序设计方法的兴起，进一步提高了专家系统软件的可重用性、可扩展性，目前己成为开发大型复杂软件行之有效的方法。只是使用这类通用程序设计语言开发专家系统软件，在增强灵活性的同时，其工作量也要比专用开发工具大得多。因此把现在的高级程序开发工具同专家系统专用开发工具两者结合起来可以方便、迅速地开发出用户界面友好并具有逻辑推理功能的“智能型 软件。1 2 课题来源及研究意义本课题来源于“武汉市重点科技攻关项目一桥式起重机虚拟操纵系统研究与开发”( 2 0 0 7 1 1 0 2 1 3 8 1 ) 。其研究目的在于通过对国内外关于起重机培训与考核专家系统研究现状广泛调研和分析的基础上，利用人工智能、专家系统、现代设计方法和技术、现代通信和网络技术，研究丌发基于w e b 框架的起重机训练和考核专家系统，并对其关键技术进行深入研究和技术实现，为我国起重机培训与考核专家系统平台提供理论技术和技术支撑。它具有重大意义：起重机司机的操作是否正确不仅直接影响了起吊工作的效率，而且也关系到司机自身的安全问题，因此起4武汉理工大学硕+ 学位论文重机操作人员的技术培训与考核受到各个方面的关注。目前起重机司机的操作培训方式大部分采用师傅带徒弟并在实际设备上实时操作的方式来完成的，而且要使一名新手取得上岗证书，周期大概需要一年左右时间，因此浪费人力、物力和时间。此课题的研究一方面可以为培训人员提供虚拟的操作环境，达到教学和培训的目的指导其正确操作，减少或避免学员在实际操作中造成重大事故的问题，也减轻了技术人员的工件压力，有助于技术人员进行技术推广，也可以向起重机培训学员提供操作训练考核服务，这样可以对培训人员的能力进行正确、科学的评估，使整个考核过程理性化、量化、科学化。另一方面它是基于网络化的，可以形成良好的资源共享，从而可以面向更多的使用者。另一方面它又是实现先进的训练和考核方式的前提条件和必要手段。从目前来看，计算机技术的不断进步，使得网络技术、专家系统技术、开发环境和数据库技术都有着成熟的应用，这些技术可以很好的应用于起重机训练和考核系统中。1 3 国内外研究现状分析随着信息技术的发展，专家系统得以迅速的发展，其经历了基于规则的专家系统、基于知识的专家系统、基于模糊的专家系统、基于神经网络的专家系统、基于面向对象的专家系统系统等。基于考核的专家系统的研究，一般大致有以下几种：( 1 ) 一个基于规则的考核专家系统【习；在这种系统中，各个事实之间以及各个规则之问是相互独立的，系统结构是充分模块化了的，因而有着简单、表达形式单一且模块化，在这种系统的问题求解过程中，首先要从规则库中选出可与综合数据库当前状态匹配的可用规则，若可用规则不止一个，就需要按某种冲突消解策略从中选出一条规则来执行。( 2 ) 运用面向对象技术的分析和设计方法构建考核评分系统；浙江大学化学工程与生物工程学的腾利明等人采用c + + 语言作为实现手段，建立了化工原理实验的操作考核评分系统。( 3 ) 基于模糊理论的考核专家系统；这种系统是一种采用模糊技术处理不确定性问题的专家系统。它是对人类认知和思维中所固有的模糊性的一种模拟。同济大学电气工程系的齐康等人建立了基于模糊理论的行车操作人员考核评价专家系统。5武汉理工大学硕十学位论文国内外关于起重机训练与考核专家系统的研究并不多，在国外，关于起重机方面的研究，19 8 8 年w a r s z a w s k i ，a ；p e l e d ，n 写了一篇a ne x p e r ts y s t e mf o rc r a n es e l e c t i o na n dl o c a t i o n 。在国内，西南交通大学机械工程学院的黄洪钟、姚新胜使用v i s u f lc + + 开发了塔式起重机安全评判专家系统t q e s 。其在建造了塔式起重机安全的依赖关系图的基础上，采用基于现代设计方法学的专家系统构造技术，通过对塔机安全问题的调查以及对塔机的安全检查、评判的研究，开发了塔机安全评判专家系统。该系统经全部测试通过，可对一般的塔式起重机进行安全评判。2 0 0 5年，上海海事大学研究设计出基于p b 语言的岸边集装箱起重机司机操作专家系统，这些研究对起重机操作专家系统的发展起了推动作用。以上的专家系统大多属于单机系统、静态系统，也就是说这些专家系统是独立单个的应用程序，以单线程、单任务的方式运行。随着信息技术的发展与应用，这些传统专家系统在应用上表现出了一些问题和局刚6 j ：( 1 ) 知识瓶颈：知识和知识推理是专家系统的核心，一般来说，一个专家系统所拥有的知识数量越多、质量越高，其智能就应该越强，但很难从不同的知识源来获取知识，专家们常常无法明确地表述他们的推理过程。( 2 ) 脆弱的表现：所有的专家系统都局限于它的狭窄领域内的专家技术代码，因此在这个界限之外表现得很差。( 3 ) 可用性：当限制在对单系统专家系统的使用时，要在所需的地方获得它提供的专家技术是很难的。( 4 ) 软件发行：更新软件和接口需要很多单独的很花时间的安装和升级，这常常超越了用户的能力。( 5 ) 与主流信息技术脱节：专家系统基本上是一种信息孤岛，与主流信息技术，如w e b 技术、数据库技术等脱节，这严重影响了专家系统的发展和应用。由于专家系统的应用同益广泛，处理问题的难度和复杂度不断增大，人们对开发工具的要求也越来越高。导致了传统的专家系统无法满足较为复杂的情况，迫切需要新的方法和技术去支持。随着i n t e r n e t 技术尤其是w e b 技术的迅猛发展，在i n t e r n e t 上构建专家系统是大势所趋。i n t e r n e t 的开放、资源共享特性，使得网络专家系统具有了零客户端，远程访问，多用户访问等优点。任何网上用户只需要浏览器即可访问运行有专家系统的站点，这就大大延伸了专家系统的合作范围和用户的服务范围，从而产生可观的社会和经济效益，极大地提高6武汉理：j = 大学硕士学位论文了专家系统的使用价值。因此，将a i 技术与i n t e m e t 结合【7 8 1 ，利用i n t e m e t 的网络支持，吸收和结合其上的新技术，运用其丰富的信息和软硬件资源，开发与之相适应的知识和其它智能系统，解决需要人类智能才能解决的问题，新一代的先进的专家系统在这种条件下应运而生。1 4 关键技术基于w e b 的起重机培训和考核专家系统，它是一个以培训、考核等知识融为一体的系统，其目标是利用适宜的技术路线，选择合适的方法，收集整理相应的领域专家知识，最后将各部分集成为训练和考核专家系统。涉及的关键技术主要有以下几种：( 1 ) 故障分析技术。其主要是根据所提供的起重机操作故障的现象，推理出现此现象的原因。其由a s p n e t 技术实现界面设计【9 0 0 】，由学员输入故障的现象，调用p r o l o g 语言，利用p r o l o g 的强大推理功能，推理出学员想要的结果，对起重机操作故障做分析，指导操作者学习正确的所有操作。( 2 ) 人工智能技术。网络化的培训考核专家系统是一个新型的、丌放式的专家系统，这具有知识库的高度开放性和可扩充性，具有培训考核过程的高度开放性。利用人工智能专用语言，实现系统的强大推理。( 3 ) 计算机网络技术。网络化的培训考核专家系统首先需要搭建一个基于w e b 构架的网络平台，培训考核专家系统采用b s 三层网络结构模型，采用w e b 技术，客户端使用浏览器与网络连接既可，而数据的复杂处理放在中间层，执行请求任务，对数据库操作，并对相应的数据进行处理。( 4 ) 数据库技术。随着计算机技术与网络通信技术的发展，数据库技术己成为信息社会中对大量数据进行组织与管理的重要技术手段及软件技术，是网络信息化管理系统的基础。网络化培训考核专家系统包含了大量的数据库建设，包括知识库和综合数据库等。综合数据库是用来存储此领域问题的事实、数据、初始状态和推理过程中得到的各种中间状态及目标等。知识库用来存放求解问题的领域知识，其领域知识用相应的知识表示方法将其表示出来，然后再进行形式化，并经编码放入知识库中，供专家系统在推理时使用。( 5 ) 接口技术。常用的人工智能程序设计语言本身提供的功能已不能满足设计完善的人机交互界面的需要，同时单独使用其编制的软件运行速度慢，知7武汉理：f 大学硕士学位论文识库维护困难，而过程性程序设计语割1 能够弥补这些缺陷，因此采用逻辑程序语言与过程程序语言连接起来进行专家系统开发，发挥各自的长处，开发出用户界面友好并具有逻辑推理功能的“智能型软件。1 5 本文的研究内容及章节安排1 5 1 本系统研究内容本论文是在借鉴国内外先进经验的基础上，从起重机培训与考核的整个过程入手，利用专家系统的知识、技术，研究了基于w e b 的起重机训练与考核专家系统的体系结构和系统功能。具体从以下几个方面进行研究：( 1 ) 研究、分析基于w e b 的起重机培训和考核专家系统所需的相关信息技术、起重机培训和考核的知识、经验和模型，并采用了适合起重机培训和考核知识的表示方式。( 2 ) 基于w e b 构架的起重机训练和考核专家系统方案设计：在对国内外关于训练和考核专家系统研究现状进行广泛调研和分析的基础上，研制出一种经济、高效的系统方案。对方案的可行性等进行论证和分析，经过综合优化，形成一个可行方案。( 3 ) 构建基于w e b 的起重机培训和考核专家系统的知识库、推理机、解释器、数据库等专家系统主要模块，并通过计算机技术对其进行实现。( 4 ) 基于w e b 构架的起重机训练和考核专家系统关键技术的研究；通过对基于w e b 构架的起重机训练和考核专家系统的技术分解，提取关键技术，主要包括专家系统技术，网络技术，基于w e b 构架的数据库和数据访问技术等。对这些关键技术解决方案和实现途径进行了深入分析和研究。1 5 2 本文章节安排本文的结构如下：第1 章绪论本章主要介绍论文的研究背景、研究目的及意义和研究内容。第2 章系统设计的总体目标与结构本章主要研究其设计目标、基于n e t 构架的网络化起重机考核与培训专家8武汉理：亡大学硕士学位论文系统的总体结构，各个模块的功能和各模块间的相互关系以及系统的网络结构设计。第3 章系统的关键技术研究本章对基于w e b 起重机考核与培训专家系统的关键技术进行了分析与研究，为实现此系统提供了重要的理论依据。第4 章系统的设计实现本章主要是在n e t 环境【1 2 】下实现，利用a s p n e t 和a m z i lp r o l o g 技术实现网络考核与培训专家系统各功能模块、以及a s p n e t 对s q ls e r v e r 数据库的操作。第5 章系统的调试及运行本章主要介绍此专家系统的实验运行结果，并通过实验去验证系统的结构、方法的有效性。第6 章总结与展望本章主要介绍论文的结论及进一步工作的展望。9武汉理工大学硕士学位论文第2 章系统设计的总体目标与结构2 1 起重机考核与培训专家系统概述起重机考核与培训专家系统是基于w e b 的训练与考核的专家系统，此专家系统主要完成培训过程，考核过程。根据起重机实际操作考核内容，规划虚拟培训内容，给出评价的参考，整理成规则的形式；并设计专家系统数据库，包含用户管理信息库、训练规则库、培训和考核记录等；还包括专家系统的人机交互界面设计，包含用户登入、打印成绩报表等。专家系统面向的用户主要有三类即普通学员，经过授权的专家和系统管理员。普通用户希望在任意时间，任意地点通过w e b 进行培训和考核；经过授权的专家和系统管理员也希望在任意时间，任意地点通过w e b 浏览器进行知识库的维护和整个系统的维护。因此，从技术和用户的角度，本系统基于b s 结构，采用人工智能程序设计语言和过程性程序设计语言结合实现，这是过程丌发工具语言与人工智能技术相结合的产物，二者结合的动力源于过程丌发语言对智能的需求，这种需求突出的体现在数据库管理和人机接口等方面。具体表现为：使用过程性程序设计语言作为开发平台集中管理数据库，维护知识库，控制推理机的推理，实现算法、数值计算、编写人机接口等强大功能；主要利用逻辑程序设计语言所具有的强大的逻辑推理功能，以及对不确定性问题所具有的模糊处理能力的特点，根据预先编制的知识库中的事实和规则来进行推理，从而获得满意答案，实现系统智能操控。使用该系统，学员可以通过i n t e m e t 对起重机模拟操作培训与考核系统进行实时操作和控制，实现远程培训，考核系统是该系统的另一个功能模块，它可以根据教学的要求制定考试的内容、考试的要求等，然后对学员的操作过程做出判断和评分，并给出评分的过程和修改的意见。2 2 系统模块的功能设计起重机考核与培训专家系统设计包括四个模块，分别为登录模块、考核模块、培训模块和管理模块。整个系统的结构图如图2 1 所示：1 0武汉理工大学硕士学位论文2 2 1 登录模块图2 1 专家系统功能结构图登录模块分为用户注册与用户登录两大部分，用户登录又分为管理员登录和学员登录，我们可以利用不同的身份进入不同的界面，已经有帐号的用户可以直接登录访问我们的网站，第一次访问我们站点的用户需要由注册系统来注册一个帐号，以便可以进入想进的网站。2 2 2 考核模块在线考试模块是本系统中的一个重要部分，基于浏览器的在线考试，关键技术在于网页的动态显示和管理，即从数据库中取得相应的试卷数据，并收集用户输入数据，能够对考试过程进行控制。管理端和考生界面全部采用b s 模式构建，系统的部署，应用，维护更加方便。它主要由试卷生成，在线考试，自动评分等构成，学员输入姓名和密码，如正确，进入考核系统，此考核系统武汉理工大学硕士学位论文包括单选题、多选题、判断题和填空题，可以考查起重机考试学员掌握起重机知识的一个考核系统。试卷做好后，可以自动评分，在界面中显示出各个题型的分值以及总分值，这样可以更清楚自己的知识掌握程度。2 2 3 培训模块此模块也是本系统中的另一个重要组成部分，在专家系统中它是以导航的形式出现，导航模块就是站点的相关的链接，我们通过起重机专家所提供的一些与起重机操作相关知识，设计出一些页面，可以方便学员学习。它主要由起重机操作知识、起重机维护、起重机指挥信号、起重机常见故障分析等信息组成，在起重机常见故障分析模块中，学员可以输入一些起重机出现的异常现象，让系统进行推理，得到出现此异常现象的原因，供学员学习。此部分是本专家系统的的关键技术，可以通过调用逻辑程序语言分析出起重机出现故障的原因，以便让学员具有排除故障的能力。此模块的设计在培训部分简单易用，对于新学员，无论是操作起重机的专业人士还是爱好起重机的普通群众都非常简单有效，方便可行，都能达到熟练掌握起重机操作原理的目的。2 2 4 管理模块管理模块也是本系统的另一个重要部分，主要有用户管理( 考生管理) 、题库管理、成绩管理、管理员管理功能。这一模块也可以称为系统维护模块，其后台管理系统将允许经过授权的专家和系统管理员对专家系统进行维护和管理，普通用户不能进入后台。进入后台的方式采用用户名，密码进行登陆，进入后台管理系统后，可以对系统内的有关起重机知识及故障现象进行管理、对考核系统中的题库、对学员和管理员进行管理，也才可以对后台数据库进行添加、修改和删除信息，一方面实现系统内知识的在线更新，另一方面实现了系统的安全性管理。2 3 基于w e b 起重机考核与培训专家系统的网络设计在网络化考核与培训专家系统中，考核和培训的结果均以网页的形式呈现，是典型的网络程序。学员可以通过网页查看所需的数据，并在任意时间，任意地点通过w e b 进行考核和培训，同时可以形成良好的资源共享。在网络化考核1 2武汉理t 大学硕士学位论文培训专家系统程序设计中，将采用最新的网络技术( 基于n e t 平台) 进行开发，并采用现在得到广泛使用的多层结构的程序设计方法。在逻辑上，网络化考核与培训专家系统分为数据层、应用逻辑层、表示层。各个层的软件能相对独立，具有安全、可靠，可维护性好等特点。2 3 1 专家系统的网络体系结构分析目前，针对资源在网络环境中的分布，主要有c s ，b s 两种模式，其实质是利用网络的优势，高效率、低成本、安全地共享和分配资源。从逻辑上来说，一个典型的应用可以分成三个组成部分：表示逻辑层( p r e s e n t a t i o n ) 、业务逻辑层( b u s i n e s s ) 和数据逻辑层( d a t a s e r v i c e ) 。表示逻辑层：它是应用中直接面向用户的部分，主要完成应用的前端界面处理，即人机界面处理。业务逻辑层：它实现应用的业务规则处理，决定程序的流程。数据逻辑层：它是应用中对数据进行管理的部分，主要完成应用对数据的存取、更新、管理等工作以及访问数据的安全性、完整性、一致性。常见的网络体系结构有以下3 种【1 3 。m 】：( 1 ) 两层客户机朋艮务器( c s ) 体系结构这种结构简称c s 模式，应用程序被分布到客户机和服务器上，其中表示层与应用逻辑层分布到客户机，数据资源层分布到服务器。客户端提供用户界面、运行逻辑处理应用；数据服务器接受客户端s q l 语句并对数据库进行查询，然后返回查询结果；客户端将数据进行计算并将结果呈现给用户。客户端完成一定的计算任务并通过一定的协议和接口与服务器通信，请求完成一定的服务或要求得到数据。此结构最大的优点在于结构简单，开发和运行的环境简单。其结构如图2 2 所示：表示层应j h j 逻辑层 二至至苎至三二卜一数据资源层图2 2c s 二层结构1 3武汉理t 大学硕士学位论文( 2 ) 三层客户机服务器( c s ) 体系结构在这种体系中分为三个层次：第一层是客户端；第二层为应用服务层；第三层为数据服务层。用户层由客户机完成用户的接口功能；应用服务层由各种应用服务器完成用户所需要的服务功能：数据服务器层完成数据存储和管理功能。三层c s 体系结构对应用程序处理作进一步的分离，并在逻辑上使其独立。其目的是使客户机上所有处理过程不直接涉及数据库管理系统。分离的结果导致了三层结构：负责可视化界面的客户层、基于业务逻辑处理的中间层和数据管理层。其结构如图2 3 所示：辑层源层图2 3 三层c s 结构图( 3 ) 三层b s 模型在实际应用中，经常会遇到一个不可回避的事实：表示逻辑并不完全独立于业务逻辑，也就是浼业务规则的变化必然导致表示逻辑的变化，即在更新了业务服务器上的业务逻辑之后，还得修改客户端的表示逻辑以适应业务的变化。这样以来，维护性问题并没有从实际上得到彻底解决。当我们把w w w 技术与三层c l i e n t s e r v e r 计算思想相结合，便产生了意想不到的效果，上面的问题得到了完美彻底的解决，这就产生了b r o w s e r s e r v e r 结构模式。基于b s 模式的三层体系结构将表示层、应用逻辑层、数据资源层分布到不同的单元中，表示层对应的客户端由浏览器和w e b 服务器的动态页面组成，接收用户的处理请求并交给应用服务器。应用逻辑层对应于应用服务器，应用服务器中的中间件完成业务逻辑处理，处理过程中会使用数据资源层的服务来得到必要信息或存储修改相应的数据。数据资源层对应于数据库服务器，数据库服务器实现对数据库的管理和库中数据的访问与增删改。1 4武汉理r t = 大学硕士学位论文在现实的物理结构中，w w w 服务器与业务服务器可以在同一台计算机上，也可以在不同的计算机上，它们共同组成了b r o w s e r s e r v e r 结构的应用层。在整个系统中支持客户端和服务器之间的全部软件，被统称为中间件。具体如下图2 - 4 所示：表示层应用逻辑层数据资源层图2 - 4b s 三层结构与传统的方案相比，基于w w w 的b r o w s e r s e r v e r ( b s ) 计算模型不仅具有三层c l i e n t s e r v e r 结构的所有优点，而且彻底解决了三层c l i e n t s e r v e r 结构的所有弊端，可以给系统开发者、管理者、使用者带来以下好处【i5 】：b s 系统非常容易使用，因为只要掌握了浏览器的使用，几乎不再需要其他软件，这样用户不必经常面对那些界面不断变化、操作多种多样、彼此互不相容的应用系统。这样用户无须培训就可以有效地使用系统，大大降低了培训费用。b s 系统比较容易维护，客户端除了安装操作系统和浏览器以外，不需安装任何为客户端开发的软件。客户端的表示逻辑都是从w w w 服务器上下载，因此几乎无须维护。b s 系统比较容易开发、实施。系统的丌发一般分为w e b 页面制作和w e b 丌发。w e b 页面制作比较简单，可以使用网页制作工具而无需编程，可以设常优美的页面。而w e b 应用开发一般可采用成熟的可视化开发工具和大量了的标准组件加快了开发速度，减少了开发难度。b s 系统具有良好的可扩充性，因为它是采用i n t e m e t 技术实现的，本身i n t e m e t 具有丌放性和扩充性。当企业规模增长，增加新的业务时，可以动态地在应用系统中增加新的计算能力。当企业兼并其他公司时，可以方便地将子公武汉理t 大学硕十学位论文司的应用同原系统集中在一起，即采用t c p i p 技术实现网络的统一，采用面向对象技术实现应用集成，采用数据仓库实现数据的集成。2 3 2 基于w r e b 起重机考核与培训专家系统的网络结构设计w e b 体系结构的发展经历了两层体系结构和三层体系结构阶段。通过对三种体系结构的分析，对于b s 结构来说，最明显的优势就在于客户端是标准通用的浏览器( 如微软的i e 浏览器) ，不需要安装其他的应用软件，实现了客户端的零维护，增加了使用的方便性，大大扩展了所开发系统应用的广泛性。所以，在我们的起重机考核与培训专家系统的丌发中，采用了b s 结构的开发模式。b s 结构主要由浏览器、w e b 服务器、数据库服务器组成。如图2 5 所示：川户终端专家终端- 一越。8 丌t h m )i 工逻辑层b y 川：四j = 巳辑数据访问层层一 ：善数据库服务器表示层逻辑应刚层数据层图2 5 网络结构图3 层体系结构将应用程序分成3 个不同的逻辑层次：表示层，应用逻辑层和数据层。具体表述为【1 6 】：第一层：表示层。表示层就是客户端，b s 结构的客户端就是客户的w e b浏览器。w e b 浏览器被从数据库服务器端的应用逻辑中剥离出来构成本层，通过浏览器，能够以可视形式提供丰富、灵活的用户交互界面，用来表示信息和收集数据，并利用业务逻辑层提供的功能服务完成用户请求，并且还可能会执1 6武汉理工大学硕士学位论文行一些简单的业务逻辑，比如对用户输入的数据进行简单的检查。第二层：逻辑应用层。考核培训中心是我们的应用逻辑层，它提供所有的考核培训服务，是系统的核心。它也采用模块化组件，根据具体的技术规范进行通信和互操作。这一层是整个网络化考核培训专家系统的大脑。除去数据库和浏览器的所有部分都位于这一层中，在这一层中最重要的是应用服务器。在应用服务器上运行着整个网络化考核培训专家系统程序。它的功能包括对用户的登录请求进行安全认证：根据用户的要求，生成包括用户所需数据的动态页面；当用户需要考核时，和远程的考核服务器进行通信，并返回考核结果等操作。在这一层中，往往又分为两个独立的子层：数据访问层和逻辑层。数据访问层负责与数据库的存储访问操作，逻辑层负责响应用户的请求并调用数据访问层中的相关单元。第三层：数据层。数据层主要负责数据的存储和组织、数据库的分布式管理、数据库的备份和同步等。数据库服务器和w e b 服务器在逻辑上是相互独立的。但在实际应用时往往运行在一台计算机上。在网络化考核培训专家系统，数据层主要包括培训知识库和考核培训数据库。2 4 小结本章介绍了起重机考核与培训专家系统设计的目标，对系统各个模块的功能设计做了详细的说明，分析当前专家系统的三种网络体系结构，针对起重机考核与培训专家系统的特点以及网络发展的需求，提出了适合的三层b s 结构来建立网络体系结构模式的总体思路。1 7武