（系统工程专业论文）编组站管理信息专家系统模型的研究.pdf

摘要 、3 1 3 5 s 缡维菇管瑾信息系统是全鼹运辕警理信息系鲮( t i s ) 麓重要缝成蒸 分。本文运用专家系统的建模技术，通过对编组站现行作业模式、信息流 程的洋尽、系统的分析，结合大型关系数攒库技术、模糊控制与软件工程 静瀵论，建立了缡缝站警瑾信怠专家系统，并隧其捧的谣车作翌为铡，给 出了专家系统的控制与决策过程。最后针对我国编组站的现状和将来的发 展，提出了智能化编组站管理信息系统，并提出了需要解决的问题。 关键词：编组站调车作业专家系统模糊控制人工智能 a b s t r a c t y a r din f o r m a t i o ns y s t e ml sa ni m p o r t a n tp a r to ft r a n s p o r t a t i o n 、4 a n a g e m e n ti n f o r m a t i o ns y s t e m ( 1 m i s ) ，t h i sp a p e re x e r t st h ee x p e r t ? s l ；e mle s ) t e c h n o l o g y ，a r i a l y s e al h ep r e s e n tw o r k i n gm o d e la n d i n t o r m a i o n p r o c e s s o fy a r d a n do nt h eb u s i so fl t ，s e tu pt h e h a n a g e m e n t i n f o r m a t i o n e x p e r ts y s g e m c o m b i n e dw it hd a t a b a s e t e c h n o l o g y f u z z yc o n t r o la n ds o f t w a r ee n g i n e e r i n gt d e a l s a n da s a ne x a m p l eo fe sc o n t r o la n dd e c is i o n v e h i c t ew o r k i n gi sd i s c u s s e d ， a tl a s t ，a c c o r d i n gt ot h ec u r r e n ts i t u a t i o na n dd e v e l o p i n gd i r e c t i o n o fr a i l w a yy a r d ，t h ep a p e rb r i n g su pt h ei n t e l li g e n ty a r di n f o r m a t i o n s y s t e m ( i y i s ) ，a n de r e c t st h ee s s e n t i a im o d e l k e y w o r d ：r a i l w a yy a r dv e h i c i ew o r k i n ge x p e r ts y s t e m f u z z yc o r t t r o l a r t i f i c i a l i n t e i g e n c e 第一章绪论 第一节我国编组站发展概况 编组站是铁路运输嗣络l 的关潍节点，是制造列车的工厂，铁路车辆 在编绳站的停留时间占车辆髑转时闻的三分之一以上，编组站二 = 传是由不 同部门、多项工萃孛联合协作来完成鹃，各级指挥入员既要进行籁繁的计划、 组织与协调工作，又嚣及时、准确地发布指挥命令：既要进行浩繁的信息 处理工作，又要考虑动态变化的环壤影响和各季申随机因素的干扰，因此， 系统静笺杂性已经超出了人工能够攀撵嵇控制的陵度。过去，盘于爱备、 技术落后，运营管理沿装传统的方式，作业效率低，加之“大动脉”长期 处于超负旖状态，站内 乍业全靠手工来完成，对浩繁的信心处理，瞬闻的 动态变化葶西各种随机因索的调整，全靠人脑攀握控制，致使编组站工作人 员过分的消耗脑力和体力，造成编组站工作经常处于被动地位。 醚番改革开放和经济迅速发展，铁路运量日蕊增大，编鳃站鲍 乍业量 也相应墩遮年递增，仅靠从设备和 嚣的作业方式l 挖潜，己不能适应国民 经济发展的需要，而必须采用现代信息技术、计算机设备，运用新的运输 组织韶运藏管理方式秉提高 乍韭效零积编组站黝综合运输能力。广泛采用 货车管理信息系统这一现代化手段，是彻底摆脱编缠站工作彼动局面的援 本出路之。 分毫跨我謦编缓站信息系统戆发鼹，可将其归纳为以下三个除段： 1 传统手工阶段 编组站运输生产过程和运营管理工作全部或主要用手工操作来完成。 2 。拐步魂代纯阶段 编缀站运输生产过程和运营篱璎工作基本使用计算机米辅助，裙步 北方交通大学硕士学位研克生论更 现代化编组站应具有编组站管理信息系统和过程控制系统( p c s ) 。 3 现代化阶段 编组站运输生产过程和运营管理工作主要使用计算机辅助完成，使编 组站的行车工作，调车工作，计划指挥及统计分析等综合地实现自动控制 和实时处理，以代替人们在日常工作中的繁重的体力劳动和繁琐的脑力劳 动。现代化编组站应具有编组站管理信息系统、过程控制系统( p c s ) 、调 度监督系统( c t c ) 、车辆跟踪系统( r v t s ) 、车号自动识别系统等。 编组站信息系统的运用，改善了编组站信息处理人员的劳动条件，提 高了劳动效率，据驼峰调车场现代化系统运营分析，货车管理信息系 统能时解体效率提高1 。5 一2 。9 ，由此可产生巨大的经济效益与社会效 益。 2 北辛变通上学艚士学幢研竞生论夏 第二节现有编组站管理信息系统的描述 缡筑始管理售意系绫是垮现钱豹毫子技拳、诗冀秘控割理论等科学技 术的新成果运用到编组站的运输生产过程和运营管理工作中，使编组站的 列车工作，调车作业，计划指挥以及统计分析等综合地实现自动控制与实 嚣整理，代替入铜在曩露王髂中懿繁麓俸力舅瑟葶f l 繁琐薤力舅动，有利予 实现编组站运输生产的燎大化，促使铁路运营管理更加科学化。 编组站信息管理的主要内用与功能如图1 2 ，1 ： 到达蛹、 调车场、一 出发扬 辅制车站作业计曼4 图1 - 2w 1 编组站数据处理自动化系统 一、列车预确报自动传送 1 到达列车预确撤：计算机通过信息传输网接受并贮存到达列车 羧礁摄豹缮息，封印掇翔达列车编缀鞭序表。 2 娃j 发列车预确撤：由计算机将其编制的班发列车编缀顺序表的信 息，通过信息传输网自动传送。 1 3 箍骧蛙镑计划棒站费孳落爨拣解体辫计划穆袖赞举赫意 北方交通大学硕士学位研完生诧戳 二、理车耋动狻黯鞠掌握 1 现车核对：计算机通过设瀣在进路咽喉处的车辆自动识别装置在 车辆经过时接蹙其实际信息，并对贮存的车辆信息自动矫正，使蕻与现车 绦持完全一致。氇霹以剥曩设置在遽路嘲嚷处黪毫视慕蒙蔽对现车录象， 然后放映出来邂车核对，发现不符时采用人机对话的方式矫正计算机原先 贮存的车辆信怠。 2 臻车攀握：诗葵撬将到达列车编组颓廖表中全聱裂站车辍靛售慰 贮存起_ 来，并按照车辆在站内作业和移情况自动跟踪修改。实时掌握其j i 吁 在的线路和位置。根据需要可以随时打印出每祭股道肉的现车分布状况。 3 车滚稚算：诗冀橇不毽憝按已确定麓车列籍髂镑计划，计算调车 场线路内的存车数，预测到满线，并且还能按编组去向推算出几小时后的 车流集结情况。 4 编翻弼车编维颓彦表：诗舞辊檄据编维完擎瓣列车瓣实酝信惠， 自动编印出发列车编组顺序表。 三、作业计划自动编制和下达 1 基本瓷精贮存：将剜车运行圈、弼车编组计翻、车楚设备运曩方 案和技术作业过程等基本资料，预先贮入计算机，撮供编制车站作业计划 的基本依据。 2 俸登许强编潮：赉计算穰蠡动镌或采取j 久辊对话静方式，裰掇贮 存的基本资料，结合上级绘定的任务、车流变化情况和实默彳乍业进度等日 常信息，编制列车到达、解体、编组和出发的作业计划。檄据矫雁后的到 达确车编组顺序表帮调车线路上车辆集缩情 凭，编潮粥车群体与编维韵谎 车钩诗划。 3 作业计划下达：计算机指令设鼍在编组站备车场值班室的远程打 印祝，自动打印出备种作业计翊袭，下达执行。 4 ，诗划执行熬监督：在列车解涔绽组过程孛，车辆移动与计划不符 4 馥方变速太譬磺士掌谊爵宽生论又 时，需要变更作业计划，可采用人机对话方式输入计算机及时修改，并撙 次下达执行。 四，货车统计摄告囊动编制帮转送 计算机随着货车在车站的作业过程，不断地自渤积累统计和分析资 料，梭规定格式定时编制和打印出货车统计报告，通过信怠传输嘲上撤。 我国编缌站，期于各个站信息管理系统开发豹对闼不潮疆及诗算枫技 术的飞速发展，现有3 2 站的y i s 表现出明显的特点，主要有： 1 系统滞发形式的多样性 y i s 麴开发形式主要有嚣类：第一类是囊奉站蓥独开发；第二类是联 合开发，其中有局电子中心、分局电子中心与车站的三级联合开发，也有 车站与其他科研单位共同参加的联合开发。 2 + 系统软弊熬多样技 运行在y i s 上的操作系统荫v m s 、x e n i x 、d o s 、u n i x 等多种类 型及多种版本，应用系统语言既有汇编语言，又有f o r t r a n 、p a s c a l 、 b a s i c 、c 等蹇级溪言，这怼予系统运行速度、瑗户友葑撼都毒濒影响。 3 系统硬件设备的多层次性 以系统主机为例，既肖现已淘汰的h p l 0 0 小型机，又有具有9 0 年代 裙诗葵撬寇逡零平戆v a x 4 2 0 0 、4 3 0 0 小鍪辊海5 8 6 搬辊，这穗主辊辊型、 档次上的差辨，必然导致内存容量上的差异，从而影响系统的整体水平。 其计算机系统结构模式也存在着较大的差异 托方吏莲走举疆士学砬研竞生论文 第三节课题研究的鹜景及必要性 编缝站是铁路赞甥运输豹重要基层生产孳经，一一般均设在商大客货漉 产生和消逝的地点，或大量车流集散地点，它在铁路运输过程中起着重大 地作用。当前中国铁路运输能力紧张在很大程度上是由于繁忙干线的点线 缝力不协调，编组懿熬捧业驻力与线路遥过能力不殛嚣，以及货车在绽缎 站上的作业和停留时间过长等引起的。 伴随于货车在缡组站中移动的同时，在编组站的作、i k 过程中还存在着 大量豹货车信怠魏波动。爨纛整个编组蛄熬馋照过穰楚货车这一蜜体弱流 动过程和作业信息流动过稷的统一。一般来讲，信息的流动( 如接收确报、 编制计划和传送出敷列车确报) 超前于实体的流动( 如列车到达、解编、 滋发) ，繇戳提裹货车倍感豹蠡磁化楚理程度黠热逮车辆褒缡缦斌中数移 动具有指导意义。 另一方面，虽然列车从到达至出发的作业过程中需臻各种各样的信 慧，然焉磊懿车菇对这些倍惠懿浚集、处理、馋辕及统诗大帮分却还鄯建 以手= i _ ：方式完成的，即使使用计算机，在很多作业环节上还停留在对信息 只收集而欠管理的阶段。这样做不仅效率低、速度慢，而且还存在易出错、 不准确等歃点。因魏，扶键离工作效率寒讲，提毫编缰臻赞车售怠管理瓣 智能化不仅对加速列车周转有指导意义，丽且也是现场迫切需要的。 因此，除了大力加强编组站的改扩建外，实现不同程度、不间规模的 编缀辩作监信惠警遴宣动纯是扩大铁路运输煞力静羹要途径之一。它可戳 加快撼蜂速度，提磷驼峰溜放车辆的安全连接率，减少调车机车下峰整理 次数，以显著提高编组站作业能力这薄弱环节，即解体能力；加强作业 许翔静及薅浚和准确淫，黻全面逑撵嵩作监效率，瀚快货车蠲转；减少作 业和人身事敬，以保证安全；还可以改善劳动条件，减轻劳动强发，以实 现文明生产。 建方盔连太学磋圭拳桩研究生话竞 第二章现有编组站作韭方式及信惠流分析 第一节编组站的生产活动及技术作业 、缟缀站鹁 乍矮及妊务 编组站是制造列车的工厂，是铁路运输网络中的重要节点。编组站的 主要任务和作艏为( 如图2 1 1 所示) ： 1 编蜒不羁类型包瑟，l 、运转在内熬各静爨翅列车，按运行凰援定正 点接发车，是编组站最首要也是最基本的任务。 2 供应列车动力、熬备、检修、僳养机车，处淫机车临时故障，楚 缡壤熬第二臻主要任务。 3 在编组站上，还担负有贷车日常技术保养任务，即货车的日常检 遘和摘车或不摘车修理。 编缀站终她 l 整备检修谗遂l ii 。卜 i l 弱遮捌车)l 鳃缡捧韭 | 出发嬲车 y ii l 嚣攀技术擐赛l li 圈2 1 1编组站主要任务图 二、编缀蛄嬲生产溪动 编组站的生产满动包括行车技术作业、货运作业。 行车技术作业，如办理列车的接发作、监、到达技术侔娩和出发技术作 业，列车熬聪体积缡组作渡，车壤攮接颠取送 乍业等。 货运作业，如办理货物的承运、漱车、卸车、保管、交付，零担 7 北再交通大学碗士学桩研究生论文 货物的中转，货运票据的编制与处理等。 在编组站办理的货车有： 1 无调中转车：随无改编中转列车或部分无改编中转列车到达，在 该站进行到发技术作业后，有随原列车继续运行的货车。 2 有调中转车：随到达解体列车或部分改编中转列车到达，在该站 经过一系列改编作业后，再随自编始发列车或另一部分改编中转列车继续 运行的货车。 3 货物作业车( 或称本站作业车) ：随到达解体列车或部分改编中转 列车到达、在车站进行货物作业( 卸车或装车) 的货车。 编组站对各种车流分别办理不同技术作业，这些作业如同工厂生产产 品一样，要按照一定的程序进行，这是所谓的车站技术作业过程。其作 业过程是到达解体列车在到达场进行到达作业，经驼峰进行解体，解体的 车辆在调车场进行集结，满轴后编成新的列车，送出发场，在出发场进行 出发作业，然后按运行图的规定时刻出发。 三、编组站的技术作业过程 编组站的一般作业过程如图2 i 2 所示 作业名称作业延续时间 到达作业 解体作业 集结过程 编组作业 h 一 出发作业 ff f 延续时分 图2 1 2 有调中转车技术作业过程 1 到达作业就是在到达场上对到达解体列车所进行的技术作业。其 作业过程为首先是准备接车进路，将列车接入到达场，然后摘掉本务机， 北方交通走学硝士擘住研究生论t 车长与裂这场车号虽交矮货票及运绕一，乡 蘩车号受核对魏事，翊检夫晏 进行列检，扣修故障车辆，商检人员进行货物检杰，在根据调车长拉风讨 划拉风，摘掉风管。其作业流程如图2 - 1 3 所示； _ 交接货票运统一i 一 叫棱对现率卜，一 一列 梭l 卜 u 商检k 图2 - 1 。3 到达技术作业 2 + 船镕爨车就是农耱蜂或牵爨线上搀到达簸 搴捌车或车缀按车辆的 至0 达地点( 有调中转车按列车编组计划，到达卸车的重车按货物作业地点， 不良车接检修地点) 分解到调车场备固定线路的调车作业，详细作业过程 为：镶享送长辗据缡缎诗翔等象终缡铡解钵钩诗划，通过钩诗划传输打印 系统或电话口头通知器作业点钩计划，驼峰人员根据计划准备各解体避 路，调牮机对解体列车连挂，在调率人员指挥下推峰，提钩人员根据解体 铐诗翅在骏峰握钩，车辆开媲疆裁，至一定位震遵行潮动。篡 乍监滚翟妻叠 图2 1 ，4 所示： 图2 - 1 4 解体技术作业 3 蘩缝过程簸建毅分解羁谲车线上赘爨车，按垂达蘩蒙集成襄熬过 程。在车辆解体后进行集结的同时，车号长根据解体情况将到达列车货黎 北方交通大学硕士学位研究生论丈 重新组织，以便形成新的车列，毛玻璃助调根据解体情况在毛玻璃板上进 行绘制，随时掌握各车场及股道的车辆情况，计划助调推算车流和计算 列车重量确认各车列情况，峰尾调车区长则编制编组钩计划以形成新的出 发列车。其作业过程如图2 1 - 5 所示： 图2 1 - 5 集结过程 4 编组作业就是在牵出线上将集结的货车按列车编组计划和铁路技术 管理规程的要求，选编成车列或车组所进行的调车作业。其作业过程为调 车组根据编组钩计划进行编组作业，车号长根据编组计划对货票进行重新 编排，编组完毕车号长或车号人员编制新的出发列车运统一。其 作业过程如图2 - 1 6 所示： 图2 - 1 6 编组作业 5 出发作业就是在出发场或到发场上对自编始发列车所进行的技术 作业。出发作业与到达作业类似，外勤车号人员将编排好的运统一及货票 与待发列车进行核对，并交接车长，列检人员检查车辆状态，商检人员检 查货物状态，以确认是否可以出发，车站值班人员准备列车出发进路，开 放信号发车。其作业过程如图2 1 7 所示； 1 0 北万交通太学硕士擘位研充生砖忑 图2 ，1 7 出发技术作业 经过编组站的作业擎流，分为上行车流和下行车流，其1 乍姚流程分别 经遘各叠懿鬟这场、调霉场秘密发场送行终整，当缡缓始连接多令方每嚣， 上下车流中将出现折角车流，这些车流将通过交换场进行交流。 四、编组站作业物理模型 编缀结幸葭据一定瓣缝织管莲鬃棱，按照备耱作篷援程，合理运蠲各 种技术设备，高效、寂全地完成列车和车辆的技术作业，其物理模型如图 2 1 - 8 所示： 图2 - 1 8 编组站作业物理模型 l l 建方盔适太带颤圭学糠研克生诖x 构成编组站物理模型的实体主要有设备、人员、车辆，设备、人员为 服务机构，车辆为编缀站的活动实体，车辆的有序流动与车站各种实体( 设 餐、趣糕、久燹等) 凌韬摆关，反绶车站懿技术 乍业i 熏l 望。 第二节编组站各作业点作业 一、各作业点主要作业分析 1 确报所 主要 乍霓：逶过毫掇翻彀至列车编缀频穿表甄毫缀确摄嚣，手工译掇， 按照列车编组计划标记每去向车辆数，并将其送交调度室、车号室和到 达场接车车号员；对于本站出发列车，通过电报网，向前方站发送该列车 编组颓滓表确鞭。 ： 2 到达场接车车号员 主要作业：按照到达列车确报，人工核对现车，并将核对结果电话道 镪车号室；鞠达秘牵不设运转车长对，密接辜摹号爨薅货装爱传送装饕或 人工传送绘车号室。 3 车号室到达车号员 主要佟娩：裣蓬捌车编组鼷滓表及赞运擎攥，始发瑶错误，燹l l 通翔诞 度室计划助理站调( 或调车区长、场调) 修难调车作业计划；对本站作业 车加盏图章 将贷票交调度室现在车助理站调( 或车号长) ；将核对过的 剜车编组颓痒表送交统计室；接收，l 、运转到车确报。 4 。车站调度贯 主要作业：根据标记过的列车编缀顺序寝、班计划，只能列车编组计 翊、视车牵写l 定数、歹l l 孳计长及瓶定鹃编挂黻制、调车区静翊分、调军祝 豹 乍她分工，在技术 乍业图表上安排除段计划、提冀车漉；根据编组场现 车情况，安排线路使用方案，并电话通知计划助调( 或场调、调车区长) ： 编糊峰尾编组计翔、转场计划( 有交换场静犬站) 发取送作监计鲻，并传 送绘现在攀助理站调( 或车号故、调车区长) 。 5 计划助理站调 托再盔通史学砸士学位研究生论五 主要俘髓：程蠢列车缡遂矮痔表、线路谴塌方寨，久上鳊裁缝俸镑计 划；将解体作业钩计划人工或电话传送至站调、货调、驼峰指撵楼、执行 楼及峰顶、瞻峰调车区长、峰尾调车区长等，并交给现在车助理站调( 或 车号长) ；邀话接收鳃俸箨篷诗麓完成继惑。 6 现在车助理站调( 货车号长) 主要作业：按调车作业计划顺序在毛玻璃板上记载每条调车线上存放 车辆熬事号；在羹运蕈攘分类絮上溪廖攥放爨蘩；对本站俘、受车，接疆车 作业计划分类存放其贷黎货移交货运室；手工及时计算以集结满轴的车列 重量，并通知站调；根据站调的编组调车计划挑选货票，并将货票交车号 室窭菱享号爨。 7 车号室出发车号员 主要作业：根据现谯车助调移交的货票，编制出发列车顺序表；将出 发囊车编缀暝彦裹与赞逡肇据瘸转送狻萋或手工遴往出发场笈车车号员； 将列车编组顺序表送交统计室和电报所。 8 出发场车号员 主要佟竖：摄据焚黎及翻车编缀联序表菝对筏莩；与运转车长羲辍车 乘务员办溅交接。 9 统计室 主要筝监：根据辜号室菝车车譬爨瑟发车车号爨移交豹捌车编经颓穿 表，进行车流统计计簿和分析；进行车辆停留时间统计分析：电话上报统 计结果。 一 l 。镑长或主管运输翡割站长、磷凄室圭饪袋裁主任 主要作业：根据分局调度所下达的班计划命令，结合本站具体情况编 制班计划，由站长或副站长审批；将班计划在接班前召开的溅计划会上向 各有关入受传达布置。 1 1 调车区长 努为骢漳诵车区长、蜂尾谖车避长饔辘韵场溺车区长( 鸯辏翡场教 站) 。 ( 1 ) 驼峰调车区长主要作业：在有计划助调( 或场调、驼峰调度员) 鹣编组蛙，鸵蜂调车区长受责巍行蠢诗翅韵调( 或场壤、驻峰调昃) 编毒 的解体钩计划；在无计划助调( 或场调、驼峰调艘员) 的编组场，驼峰调 车区长的作业同5 。 行动”威“前提一 结论”，即用 “i f t h e n ”诿甸表示令籍谈璎 产生式规则的左半部一般为蒋干事实的逻辑税，确定了规则可应用 的先决条件，右半部描述了规则的先决条件得到满足式所采取的行动或得 出戆结论，箨蓝可对数攥瘁进行搡份，生成菝豹状态。产生式麓鄹承先凌 条件不断与数据库中的事实进行匹配，在顺序执行规则的同时就形成推理 链。 产生式羧剩已残菇专家系绞申聚漉行戆翔谖褒示方法，这黉系统一般 有称为基于规则的系统戏产生式系统。 ( 2 ) 框架 框絮式一耱主要袭示窳透涟翔谈赘数据结獠，逶鬻爱予攘逑事秘、 概念的固定不变的若千方面。一个框架有各个方面的槽组成，每个槽可有 若干个侧髓，而每个侧颇有可有若干个属性值，如此形成一个具有嵌套的 连接表： ( 框架名) ( 槽1 )( 侧蕊1 1 ) ( 值1 1 1 ) ( 值1 1 2 ) ( 经甏1 2 ) ( 僮1 2 1 ( 僮1 2 2 ) ( 楷2 )( 侧耐2 1 ) ( 值2 1 1 ) ( 值2 t 2 ) ( 瘸瑟2 2 ) ( 僮2 2 1 ) ( 篷2 2 2 ) 框架的内容可根据需要取舍。框架的侧面可以是“值”侧面( 属性德 已知的侧筒) ，或者是“默认”侧耐( 填入默认慎供属性不明确时用) ，或 3 5 北方交通太学硕士学桩研究生论吏 者是“如果需要”侧面( 填入计算属性值的过程信息) ，或者是“如果加 入”侧面( 填入说明是否启动“如果需要”侧面中的过程) 。框架可以链 接起来组成具有层次结构的框架系统。 f 3 1 语义网络 语义网络是通过概念及其相互问语义关系，图解表示知识的网络。其 中，结点表示事物或事件的概念，结点间用弧连接，弧上加有标记说明语 义关系。另外，结点可以是变量，通过增加中间结点可以使语义网络表示 多元关系，基于语义网络的最简单的推理是通过继承关系得到结点事物的 属性值。 ( 4 ) 过程 知识的过程表示法是将某一专门知识及其使用方法表达为一个求解子 问题的过程，即子程序。在进行知识推理时，只需调用这些子程序。 知识表示方法还有谓词逻辑、状态空间、概念从属、脚本、知识表达 语言k r l 等。 知识的获取是将外部知识源转换到计算机内部的过程。由领域专家、 知识工程师和计算机之间一系列交互过程构成。它可划分为概念化、形式 化和知识库求精三个阶段，这三个阶段的工作要反复进行。 每一领域内都有特定语言，专家很难用日常用语表达这些行话，所以 专家处置问题靠的是经验与直觉，很难采用数学理论或其他决定论的模型 加以精确刻画。作为专家，他必须懂得比领域的原理与事实多得多的东西。 由于信息表示形式的影响、问题表达的需要、源于多个信息渠道的知识元 之间的相互冲突以及其他心理学上的原因，专家对领域知识的表达可能会 与实际的使用经验不一致。 知识获取的方法有手工、半自动与自动知识获取。手工、半自动获取 包括心理学方法、知识工程语言与知识获取工具。 初始知识库往往缺乏相应的意外问题处置方法，寻找矛盾或冗余的规 北万交通大学顶士学位研究生论t 则，或知识的使用结果与专家给出的结论无法吻合，这就需要对它进一步 求精。可以通过以下步骤进行： 1 调试初始知识库，获取有关求精的信息，即找出存在的问题。 2 对初始知识库求精，常采用启发式方法。由两类规则构成。 ( 减少前提) 第一类为一般规则指修改的条件使得结果更容易满 足。 ( 增加前提) 第二类为特殊规则意味着修改规则的条件使得结论更 难以满足。 3 测试求精后的知识库。 三、专家控制系统的分类 对于专家控制及其实现的研究可以有不同的分类看法。 根据专家系统技术在控制系统中的功能结构，可分为直接式专家控制 系统和间接式专家控制系统。直接式专家控制中，领域专家的控制知识和 经验被用来直接生产过程或调节受控对象，常规的控制器或调节器被代之 一个模拟手动操作功能的专家系统，直接给出控制信号。这种控制方法适 用于模型不充分、不精确，甚至不存在的复杂过程。而在间接式专家控制 系统中，各种高层决策的控制知识和经验被用来间接地控制生成过程或调 节受控对象，常规的控制器或调节器受到一个模拟控制工程师智能的专家 系统的指导、协调或监督。专家系统技术与常规控制技术的结合可以非常 紧密，二者共同作用方能完成优化控制规律，适应环境变化的功能；专家 系统的技术也可以用来管理、组织若干常规控制器，为设计人员或操作人 员提供辅助决策作用。一般认为，紧密型的间接式专家控制研究具有典型 的意义。 根据专家系统技术在控制系统中应用的复杂程度，可以分为专家控制 系统和专家式智能控制器。这控制系统具有全面的专家系统结构、完善的 知识处理功能，同时又具有实时控制的可靠性能。这种系统知识库庞大、 北方交通大学硕士学位研宄生论五 推理机复杂，还包括知识获取子系统和学习予系统，人机接口要求较高。 而专家式智能控制器是专家控制系统的简化，针对具体的控制对象或过 程，专注于启发式控制知识的开发，设计较小的知识库，简单的推理机制， 甚至采用“c a s eb yc a s e ”的方式，省去复杂的人一机接口等。当专家控 制系统功能的完备性、结构的复杂性于工业过程的控制的实时性之间存在 矛盾时，专家式智能控制器是合适的选择，但它于专家控制系统在基本功 能上是没有本质的区别的。 还可以根据专家系统的知识表示技术或推理方式对专家控制的实现系 统进行分类，例如产生式、框架式、串行推理、并行推理等。专家系统技 术于达系统理论相结合，还可以设计多级专家控制系统。 基于模糊规则的控制也可以于专家系统技术相结合，形成所谓专家 式模糊控制的研究，例如，利用一个专家控制器根据系统动态特性知识去 修改模糊控制表的参数。 四、专家系统的开发技术 专家系统的开发一般分为认识、 阶段，五个阶段的工作要反复进行， 1 - 2 所示： 概念化、形式化、实现和测试这五个 才能得到较满意的专家系统。如图3 一 再认识 il 再丹析li 再设计ii 鱼鸯墼 麓攀俐辩劁秽拶 问题h 要求卅念建立h 概念卅识组织h 推理卅库及推理h 系统卅及系统功 特征ll li 关系 i ili 结构 l l i l 机l l _ j l 能 图3 1 2 专家系统开发技术流程 北万交通太学硕士学性研究生论墨 第二节专家控制系统的基本原理 裂嚣蕊为盘，专家羧镧著没有骥硝韵公认定义。邃臻造谈，专家控剡 是指将专求系统的设计、和运行机制于传统控制联论和技术楣结合而成的 实时控制系统设计、实现方法。 一、专家蔽翻熬功麓嚣薮 专家控制的功能目标是模拟、娥伸、扩展“控制专家”的思想、筻略 和方法。 瑟谤“笈裁专家”，菠据一般鑫旗控裁技零豹专门臻究誊、设诗雾季、 工程师、也指具有熟练操作技能的控制系统操作人员。他们的控制思想、 策略和方法包括成熟的理论方法，知觉经验和手动控制技能。专家控制并 不是对绩绫控澍瑾论秘技零瓣簧 蓐、登幸 三，磊燕对它翻静毽签鞍发震。专 家控制不仅可以提高常规控制系统的控制品质，拓宽系统的作用范围，增 加系统功能，而且可以对传统控制方法难以奏效的复杂过稔实现闭环控 裁。 专家控制的理想目标是实现这样个控制器戏控制系统； ( 1 ) 能够满足任意动态过程的控制需要，包括时变的、非线性的， 受虱各种于抗酶控割对象或生成遗稔。 ( 2 ) 控制系统的运行可以利用对象或过程的些先验知识，而且只 需要最少蔗的先验知识。 ( 3 ) 有关对蒙裁过程静翔谖霹戳不断逸增黼、积累，据强改遥控镧 性能。 ( 4 ) 有关控制的潜在知识以透明的方式存放，能够容易修改和扩充。 ( 5 ) 蠲户可醵对羧翻系统靛穗煞进行定毪的说疆。 ( 6 ) 用户可以访问系统内部的信息，并进行交互。 北方交通太学硕士学位研究生论王 专家控制的上述目标可以看作是一种比较含糊的功能定义，它们覆 盖了传统控制在一定程度卜可以达到的功能，但又超过了传统控制技术。 按照专家控制的功能目标，并考虑其具体实现，应当注意到，专家控制虽 然引用了专家系统的思想和技术，但它与一般的专家系统还有着重要的差 别： ( 1 ) 通常的专家系统只完成专门领域问题的咨询功能，它的推理结 果般用于辅助用户的决策；而专家控制则要求能对控制动作进行独立的 自动的决策，它的功能一定要具有连续的可靠性，较强的抗干扰性。 ( 2 ) 通常的专家系统一般处于离线工作方式，而专家控制则要求在 线地获取动态反馈信息，联机完成控制，它的功能一定要具有使用的灵活 性，符合要求的实时性。 二、设计规范和运行机制 专家控制的设计规范是建立数学模型与知识模型相结合的广义知识模 型，它的运行机制是包含数值算法在内的知识推理。专家控制的设计规范 和运行机制是专家系统技术的基本原则在控制问题中的应用。 1 控制的知识表示 专家控制把控制系统总的看作为基于知识的系统，系统包含的知 识信息内容表示为如图3 2 1 所示： 控制系统 的知识 圈 控制、耕识、 诊断知识 问题粪型 开环特性 中间状态 特性变化 定性知识：各种经验、逻辑、直观判断 图3 2 1 控制系统 4 0 j e 方变速夫攀硪士擘位研克生论爻 按照专家系统知识库的构造，有关控制的知识可以分裳组织，形成数据麾 和规则库。 ( 1 ) 数擐痒 数据库中包括： 事实已知的静态数据。 蒌爨测量到瓣动态数据。涯据麴类型跫骞巽熬，霉攀带毒噪 声、延迟，也可能是不完懿的，甚至相互之间有冲突。 假设由事实和证獬推导得到的中间状态，作为当前攀实集合 麓羚充。 目标一一系统的性能目标。 上述控制知识数据通常用框架形式表示。 ( 2 ) 窥虽蓦疼 规则库实际上是专家系统中判断性知识集合及其组织结构的代名词。 对于控制问题中各种启发式控制逻辑，般常用产生式规则表示； 搿( 控澍局势 t h e n ( 摄俸结谂 其中，控制局势即为事实、证据、假设朔日标等各种数据项表示的前提条 件，而操作绪论即为定性的推理结果。在通常的专家系统中，产生式规则 的前擒条侔怒知谖条器，攘理结莱或者是往数据瘁中灌蕊些薪鑫孽知蓼 遴 疆，或者是修改数摄库中其他某嫂原鸯的知识条目。丽在专家控制中，产 生式规则的推理结果可以魑对原有控制局势知识条目的更新，还可以悬某 种控潮、估诗算法鹣激活。 专家控制中的产生式嫂则可藿作是系统状态的飚数。但由于数据摩的 概念比控制理论中的“状怨”具有更广泛的内容，因而，产生式规则熏比 通常的传递函数含义更丰鬻。 判叛性知识 圭谯嚣要凡秘不题豹表示形式，铡魏对予包含大攫| 亨列成 分的子问题，知识用过程式表示就比规则自然得多。 4 l 北方交通太学硕士学柱研究生论t 专家控制中的规则库常常构造成“知识源”的组合。一个知识源中包 含了同属于某个子问题的规则，这样可以使搜索规则的推理过程得到简 化，而且这种模块化结构更便于知识的增删更新。 知识源实际上是基本问题求解单元的一种广义化知识模型，对于控 制问题来说，它综合表达了形式化的控制操作经验和技巧，可供选用的 些解析算法，对于这些算法的运用时机和条件的判断逻辑，以及系统监控 和诊断的知识等。 2 控制的推理模型 专家控制中的问题求解机制可以表示为如下的模型 u 2 f ( e k t1 ) 其中，u = ，“。，“。为控制器的输出作用集，e f 岛，e z e 。，为控 制器的输入集，k = ，岛k z 缸，为系统数据项集，= f f ji zf 。，为具体推理 机构的输出集。而厂为一种智能算子，它可以般地表示为： ea n dkt i - n ( i t h e n ，) 即根据输入e 和系统中的知识信息世进行推理，然后根据推理结果，确 定相应的控制行为u 。在此智能算子的含义用了产生式的形式，这是因 为产生式结构的推理机制能够模拟任何一般的问题求解过程。实际上智能 算子也可以基于其他知识表达形式( 语义网络、谓词逻辑、过程等) 来实 现相应的推理方法。 专家控制推理机制的控制策略一般仅仅用到正向推理是不够的。当 个结论不能自动得到推导时，就需要使用反向推理的方式，去调用前链控 制的产生式规则知识源或者过程式知识源验证这一结论。 三、黑板模型 黑板模型是一种高度结构化的问题求解模型，用于“机遇”问题求解。 机遇问题的求解模型的特点为：问题求解的第步，根据当时的求解状态 及其变化情况，选择最适宜的知识及问题的求解方法，不断逼近问题的最 北方交通走学硕士学位研竞生论文 终解。冀怒发结构琵据瓣窒阗秘镶域知识在组织方式上豹蹇凄缝羧诧，囊 题通常层次划分为松散造接的若干予问题。 黑板横趔主要由一组识源、黑板机构和调度器组成，如图3 2 。2 所示： 图3 - 2 。2 黑板模型的系统结构 以下介绍黑板模型谯专家控制系统典型结构中的运用。 1 知识源 知识派楚与控制阚麓子任务有关的一些知识缓块。可畈藏它稻看 乍莛 不同子任箨问题领域的小专家。一个控制问题的子任务划分是自然的，例 如控制器设计( 不同的控制算法) 、建摸及模型验证、各； 中监控方法、信 号历史情掇懿统计等。应该指出，知识源所表示鹣楚各静数德舞法所涉及 的启发式逻辑，而不砖掉法本身的具体内容。 每个知识源都具有比较完整的知识痒结构： 推理知识“t f 。t h e n ”产生式规鄹，条件部分是全两数据库( 熏 板) 或是周部数据库( 知识源内设) 中的状态撒述，动作、结论部分主要 是对黑板傣息或局部数挺痒内容的添加或修改。这些援鄹可按髓向链或后 向链方式控铝4 推理，推理知识也可以糟过程式表示。 局部数据库存放与子任务糊关的中间推理结果，用框架表示，其 4 3 北万交通史学硕士学位研究生论叉 中各个槽的值即为这些中间结果。 操作源语一一类是对全局或局部数据库内容的增添、删除和修改 操作，另一类是对本知识源或其他知识源的控制操作，包括激活、终止和 固定时间间隔等待或条件等待( 例如停止知识源的工作，直到黑板上出现 某项内容或某个其他知识源结束运行) 。 2 黑板机构 黑板是一个全局数据库，即各个知识源都可以访问的公共关系数据 库。它存放、记录了包括事实、证据、假设和目标所说明的静态、动态数 据。这些数据分别为不同的知识源所关注。通过知识源的访问，整个数据 库起到在各个知识源之间传递信息的作用；通过知识源的推理，数据信息 得到增删、修改、更新。 3 调度器 调度器的作用是根据黑板的变化激活适当的知识源，并形成由次序的 调度队列。 激活知识源可以采用串行或并行激活的方式，从而形成多种不同的调 度策略。 串行激活方式又分3 种： 相继触发个激活的知识源的操作结果作为另一个知识源的触发 条件，自然激活，此起彼伏。 预定顺序按控制过程的某种原理，预先编一个知识源序列，依次 触发。 动态生成顺序对知识源的激活顺序进行在线规划。每个知识源都 可以附上一个目标状态和一个初始状态，激活一个知识源即为系统状态的 次转移，通过逐步地比较系统的期望状态与知识源的目标状态，以及系 统的当前状态与知识源的初始状态，就可以规划出状态转移的序列，即动 态生成了知识源的激活序列。 北方交通走学硕士学桩研究生论王 并行激活方式即为同时激活一个以上的知识源。 调度器的结构类似于一个知识库。其中包括一个调度数据库，用框架 形式记录着各个知识源的激活状态的信息，以及某些知识源等待激活的条 件信息。调度器内部的规则库包括了体现各种调度策略的产生式规则。 4 5 北万交通大学硕士学桩研究生论五 第三节模糊控制的基本原理 自1 9 6 5 年l 。a 。扎德提出了模糊集合概念以来，模糊集合理论发展 十分迅速，并在许多领域中获得了应用。它在控制中的应用尤为引人注目， 模糊系统不仅在工业控制中获得了广泛应用。而且也已扩展到其他领域。 由于模糊控制主要是模仿人的控制经验而不是依赖于控制对象的模型。因 此模糊控制器实现了人的某些智能，因而，它也是一种专家控制。 模糊集合理论是介于逻辑计算与数值计算之间的一种数学工具。它形 式上是利用规则进行逻辑推理，但其逻辑取值可在0 与l 之间连续变化， 采用数值的方法而非符号的方法继续处理。符号处理方法可以直截了当地 用规则来表示结构性知识，从而用数值的方法来处理。模糊系统也可看成 是一种不依赖于模型的自适应估计器。给定一个输入，便可得到一个合适 的输出。它主要依赖于模糊规则和模糊变量的隶属度函数，而无须知道输 出和输入之间的数学依存关系。 一、模糊控制器的基本结构和组成 图3 - 3 1 表示了模糊控制器的基本结构 1 模糊控制器的组成 模糊控制器主要由以下4 部分组成 北万交通太擘硕士擘住研完生谐t ( 1 ) 模糊化 这部分的作用是将输入的精确量转换成模糊化量。其中输入量包括外 界的参考输入、系统的输出或状态等。模糊化的具体过程如下： 首先对这些输入量进行处理以变成模糊控制器要求的输入量。 将上述已经处理过的输入量进行尺度变换，使其变换到各自的论域 范围。 将已经变换到论域范围的输入量进行模糊处理，使原先精确的输入 量变成模糊量，并用相应的模糊集合来表示。 ( 2 ) 知识库 知识库中包含了具体应用领域中的知识和要求的控制目标。它通常由 数据库和模糊控制规则两部分组成。 数据库主要包括各语言变量的隶属度函数，尺度变换因子以及模糊 空间的分级数等。 规则库包括可用模糊语言变量表示的一系列控制规则。e f l l 反映了 控制专家的经验和知识。 ( 3 ) 模糊推理 模糊推理使模糊控制的核心，它具有模拟人的基于模糊概念的推理能 力。该推理过程是基于模糊逻辑中的蕴含关系及推理规则来进行的。 ( 4 ) 清晰化 清晰化的作用是将模糊推理得到的控制量( 模糊量) 变换为实际用于 控制的清晰量。它包含以下两部分内容： 将模糊的控制量经清晰化变换变成表示在领域范围的清晰量。 将表示在论域范围的清晰量经尺度变换变成实际的控制量。 2 模糊条件旬与模糊控制规则 正如前面所说，模糊控制是模仿人的一种控制方法。在模糊控制中， 通过用一组语言描述的规则来表示专家的知识，专家知识通过具有如下的 北方交通太学硕士学桩研究生论丈 形式： i f ( 满足一组条件) t h e n ( 可以推出一组结论) 在i f t h e n 规则中的前提和结论均是模糊的概念，常常称这样的i f t h e n 规则为模糊条件旬。因此在模糊控制中，模糊控制规则也就是模糊条件句。 其中前提为具体应用领域中的条件，结论为要采取的控制行动。i f t h e n 的模糊控制规则为表示控制领域的专家知识提供了方便的工具。对于多输 入多输出( m i m o ) 模糊系统，则有多个前提和多个结论。例如，对于两 输入单输出( m i s 0 ) 系统，模糊控制规则具有如下的形式： r l ：如果x 是a 1 a n dy 是b 1 则z 是c l r 2 ：如果x 是a 2 a n dy 是b 2 则z 是c 2 k ：如果x 是a n a n dy 是b 。则z 是c 。 其中x ，y 和z 均为语言变量，x 和y 为输入量，z 为控制量。a ，b ，和c ( i = l 2 ，n ) 分别是语言x ，y ，z 在其论域上的语言变量值，所有规则组合 在一起构成了规则库。对于其中的一条规则： r ：如果x 是a a n dy 是b ，则z 是c ， 其模糊蕴含关系定义为： “r i = p ( a i 阻d b 。c n ( x ，y ，z ) = u i o 【) a n d pb i ( y ) uc f ( z ) 其中“a ia n db i ”是定义在x x y 上的模糊集合a ，b ；，r 。= ( a ，a n db 。) c 【 是定义在x y z 上的模糊蕴含关系。 3 模糊控制中的几个基本运算操作 ( 1 ) 模糊化运算 x = f z ( x o ) 其中岛是输入的清晰量，x 足模糊集合，f z 表示模糊化运算符 ( f u z z i f i e r ) ( 2 ) 句子连接运算 4 8 r 2a l s o 固，憨，酗 其中k ( i = 1 , 2 ，n ) 是第i 条规则所表示的模糊蕴含关系。r 是n 个 模糊关系的组合，组合遮算用符号a l s o 表示。 ( 3 ) 台簸运雾 z = ( x a n dy ) + r 其中x 和y 是输入模糊量，z 是输出模糊量，a n d 是甸子迄接运算符， 哪”是合成运冀簿。 清晰化运算 以上推理过程得到的输出量z 仍是模糊量，而实际的控制必须为清晰 量。墨建蘩送行舞下麓淹骧毒艺运霎 z 。= d f ( z ) 其中z 。为控制输出的清晰化量，d f 表示清晰化运算符( d e f u z z i f i e r ) 二、模糊纯运雾 模糊化运算是将输入空间的观测量映射为输入论域上的模糊集合。模 糊化处理不确定信息方颇有重要的作用。在模糊控制中，观测到的数据常 鬻是涛嚷爨。峦于壤獭羧翱器怼数攥送行处理是鏊予模鞍集会瓣方法。强 此对输入数据进行模糊化是必不可少的一步。在进行模糊化运算之前，首 先需要对输入量进行尺度变换，使冀变换到相应的论域范围。下面所讨论 静模霸纯逡算孛熬辕入蘩俊定兔已经遗尺度交歉懿塞。 在模糊控制中主黎采用以下两种模糊化方法。 1 。举点模糊集合 露暴输入董数据掩楚准确懿，翔逶零将萁模獭纯鸯擎点模糊集合。设 该模糊集合用a 表示，则有 ( x ：x 0 ( x ) 【o ) 4 9 l 0 一 一 产溶 # 其隶耩疫遁鼗鲡强3 - 3 2 瑟示： 图3 - 3 2 单点模糊集合的 袋震度垂数 h ox 口砩+ o * 躅3 - 3 3 三角模糊集合的 隶嚣瀵遗数 这种模糊化方法只是形式上将清晰嫩转变成了模糊量，而实质上它表示的 援是准确爨。在攘糕羧鬻中，当溅纛数据准确爨，莱翅这样弱模程讫方法 是十分自然和合理的。 2 三角形模糊集合 懿袋浚入量数据存凌隧壤涮曩臻声，这嚣搂獭铯运算裰当予褥蘧援量 变换为模糊量。对于这种情况，可以取模糊量的隶属度函数为等腰三角形， 如图3 - 3 3 所示。三角形的顶点相