OO技术在煤性—炉型耦合专家系统中的应用研究.pdf

西安工业大学硕士学位论文OO技术在煤性炉型耦合专家系统中的应用研究姓名：李仁义申请学位级别：硕士专业：计算机软件与理论指导教师：范会敏200705220 0 技术在煤性炉型耦合专家系统中的应用研究学科：计算机软件与理论研究生签字：居4-义指导教师签字：云丘玩捅璺专家系统是人工智能领域的一个分支，将专家系统技术应用于煤性炉型耦合体系中，利用该领域专家的经验和知识来设计煤性炉型耦合专家系统，有助于提高燃煤电厂的经济效率和安全性，同时也促进了该领域信息的智能化发展。本文主要就如何开发基于面向对象的煤性炉型耦合专家系统给出了设计方案，并最终实施。本论文首先分析了专家系统在煤粉锅炉领域应用状况及发展趋势，指出了专家系统在该领域应用中出现的不足和利用面向对象技术开发专家系统的优越性。其次，利用面向对象技术对煤性炉型耦合专家系统进行总体设计，并建立了系统的对象模型和动态模型以及结构模型。然后，分析了煤性与炉型耦合问题域的结构，设计了系统的知识对象模型，并用面向对象表示了专家知识，在此基础上设计了基于面向对象的推理机。最后，将面向对象的专家系统理论应用于煤性炉型耦合体系中，设计了煤性炉型耦合专家系统原型，并实现其部分功能。在设计煤性炉型耦合专家系统的知识库时，选用基于面向对象的知识表示法。根据领域的特点将知识库分为：煤质试验数据、煤性评价知识库和炉型推荐知识库，这样推理时就不必搜索整个知识库，只需搜索与求解问题有关的领域知识，可使搜索的规则数减少。关键词：面向对象技术；知识表示；专家系统；煤性炉型耦合体系R e s e a r c ho nt h eA p p l i c a t i o no ft h eO b j e c t O r i e n t e dT e c h n o l o g yE x p e r tS y s t e mf o rC o a lC h a r a c t e r-b o i l e rT y p eC o u p l i n gD i s c i p l i n e：C o m p u t e rS o f t w a r ea n dT h e o r yS t u d e n tS i g n a t u r e：分呦；S u p e r v i s o r s i g n a t u r e：加以椭A b s t r a c tE x p e r ts y s t e mi sab r a n c ho fa r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e W h i l ee x p e r ts y s t e mt e c h n o l o g yi sa p p l i e dt ot h eC o a lc h a r a c t e r b o i l e rt y p ec o u p l i n gs y s t e m，w er e s e a r c ha n dd e s i g nt h ee x p e r ts y s t e mo fc o a lc h a r a c t e r b o i l e rc o u p l i n g，i tm a yi m p r o v ee c o n o m i ce f f i c i e n c ya n di n t e l l i g e n td e v e l o p m e n to f t h ec o a l f i r e dp o w e rp l a n t。T h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ed e s i g ns c h e m eh o wt od e v e l o pt h eo b j e c t-o r i e n t e de x p e r ts y s t e mo fc o a lc h a r a c t e r-b o i l e rc o u p l i n gw i t hc o m p u t e rp r o g r a m m i n g F i r s t l y,t h i sp a p e ra n a l y z e sa p p l i c a t i o na n dd e v e l o p m e n to fe x p e r ts y s t e mi nt h ec o a lf i r e db o i l e r sf i e l d，p o i n t so u tt h ed e f e c t so fe x p e r ts y s t e mi nt h i sf i e l da n dp r o p o s e st h es u p e r i o r i t yo fu s i n go b j e c t o r i e n t e dt e c h n o l o g yt od e v e l o pe x p e r ts y s t e m S e c o n d l y,w eu s et h eo b j e c t o r i e n t e dm e t h o dt od e s i g ne x p e r ts y s t e mo f c o a lc h a r a c t e r-b o i l e rc o u p l i n g，a n db u i l dt h eo b j e c tm o d e l，d y n a m i cm o d e la n ds t r u c t u r em o d e lo ft h i ss y s t e m T h e n，i ta n a l y s e st h es t r u c t u r eo ft h ec o a lf u r n a c ew i t hs e x u a lc o u p l i n gd o m a i n,d e s i g n st h eo b j e c tm o d e lo fk n o w l e d g e，a n dt h e nd e s i g n st h eo b j e c t o r i e n t e di n f e r e n c ee n g i n eb a s e do nk n o w l e d g er e p r e s e n t a t i o nu s i n go b j e c t-o r i e n t e dt e c h n o l o g y F i n a l l y,a p p l i n gt h eo b j e c t o r i e n t e dt h e o r yt oc o a lf l L r-l l a c e c o u p l e ds y s t e m，w ed e s i g n st h ee x p e r ts y s t e mp r o t o t y p eo f t h ec o a lc h a r a c t e r-b o i l e rc o u p l i n ga n dr e a l i z ei t sf u n c t i o n W h i l ed e s i g n i n gt h ek n o w l e d g eb a s eo f t h ec o a lc h a r a c t e r-b o i l e rc o u p l i n ge x p e r ts y s t e m，w eu s ek n o w l e d g er e p r e s e n t a t i o nb a s e do no b j e c t o r i e n t e d a c c o r d i n gt ot h et h e f e a t u r e so fk n o w l e d g eb a s e，w ed i v i d et h ek n o w l e d g eb a s ei n t ot h r e ep a r t s：c o a lt e s tc h a r a c t e rd a t a，k n o w l e d g eb a s eo fc o a lc h a r a c t e re v a l u a t i o na n dk n o w l e d g eb a s eo fr e c o m m e n df u r n a c et y p e i nt h i sw a yw ej u s tr e q u i r es e a r c h i n gt h er e l a t i v ed o m a i na st om a k et h er u l e ss h o r t，w i t h o u tt h en e e d st os e a r c ht h ee n t i r ek n o w l e d g e K e yw o r d：O b j e c t O r i e n t e dt e c h n o l o g y；K n o w l e d g er e p r e s e n t a t i o n；E x p e r ts y s t e m；C o a lc h a r a c t e r-b o i l e rc o u p l i n gs y s t e m学位论文知识产权声明学位论文知识产权声明本人完全了解西安工业大学有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间，学位论文工作的知识产权属西安工业大学。本人保证毕业离校后，使用学位论文工作成果或用学位论文工作成果发表论文时署名单位仍然为西安工业大学。学院有权保留送交的学位论文的复印件，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存学位论文。(保密的学位论文在解密后应遵守此规定)学位论文作者签名：艿仁义指导溯签名：磊蔓及F 1 期：训。7 心、17学位论文独创性声明学位论文独创性声明秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的学位论文是我个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外，学位论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，不包含本人已经申请学位或其它用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所作的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示致谢。学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。学位论文作者签名：巷仁艾指导教师签名：函譬及R 期：伽。1、D r t u1 绪论1 1 专家系统的发展状况1 1 1 发展历史1 绪论人工智能与原子能技术和空间科学一起并称为2 0 世纪三大科技成就，专家系统(E x p e r tS y s t e m，E S)是一种模拟人类专家解决领域问题的计算机程序系统，是人工智能应用研究中的一个分支。1 9 5 6 年J M c C a r t h y 等提出了人工智能,(A r t i f i c i a lI n t e l l i g e n c e，A 0的概念，当时研究者认为人工智能作为一门学科也应该像数学、物理学等学科那样能够有自身的定理、定律，这些规律才应该是构成人类所有智能行为的特点，那么发现这些规律就可以方便地利用机器模拟人类智能行为，从而解决各种领域的问题。于是，人们编写了基于万能通用问题求解为目标的程序。但后来发现人类专家求解问题时并不是完全依赖于推理，而是依赖于他们多年所积累下的大量启发式知识和经验，只有当专家不能用他们的专家知识求解问题时，才去推理或是求教另外专家。直到2 0 世纪6 0 年代末期，人们才意识到领域知识才是设计具有人类专家水平的问题求解器的关键。1 9 6 8 年E A F e i g e n b a u m、J L e d e r b e r g 和C D j e r a s s i 等人合作研制成功世界上第一个专家系统根据化合物的分子式及其质谱数据来帮助化学家推断分子结构的计算机程序系统D E N D R A L。7 0 年代是专家系统的成熟期，这一时期对专家系统技术发展做出特殊贡献的典型系统有M Y C I N，C A S N E T,H A R S A Y,P R O S P E C T O R 等【2】o 在这些系统中，有关专家系统的主要技术，如人机接E l、解释功能、自学能力、不精确推理技术以及元知识的概念等，得到了研究和应用，标志着专家系统技术已基本成熟。而且，在专家系统研究中提供了一个模块化的结构“黑板”。这种黑板结构被所有知识源使用，用来记录系统推理过程中所用到的控制信息、中间假设和中间结果的数据库，使系统运行时不同知识源的知识和策略进行组合具有了极大灵活性，避免了不必要的重复推理，便于知识库的修改，而且便于在控制策略下对问题的求解状态有一个整体的了解。在以后的发展中，黑板结构逐渐成热，并成为专家系统结构中一个重要的组成部分。随着专家系统理论研究的深入，人们发现用于指导实践的专家知识在描述自然过程或解决问题中并不都是以确定的形式进行，不确定性和不完全性是大多数专家知识的共同特征，这样就导致了将不确定性理论应用于专家系统的实践。P R O S P E C T O R 3 1 是最初将不确定性应用于专家系统设计的实例之一，它是个根据地质数据寻找矿藏的专家咨询系统。在知识组织上，它运用了规则与语义网相结合的混合表示方式，在数据不确定和不完全的情况下，推理过程运用了一种似然推理技术，它还有一个知识获取子系统K A S。语义网和似然推理技术作为P R O S P E C T O R 的两个特点，给后期的专家系统研究提供了借鉴。两安丁业大学硕十学位论文7 0 年代中期以前的专家系统多数属于数据信号解释型和故障诊断型系统，它们所处理的问题基本上是可分解的问题。随着专家系统技术的逐渐成熟，其应用己渗透到各个领域。直到2 0 世纪8 0 年代，专家系统一直由基于规则的系统主宰，从9 0 年代开始向面向对象的专家系统转变，特别是进入2 1 世纪以后，随着专家系统的应用只益广泛，处理问题的难度和复杂度不断增大，导致基于面对对象专家系统的研究不断深入。我国从1 9 7 8 年才开始设立人工智能的研究课题，专家系统的研究也取得了可喜的成就。我国研制出的第一个专家系统肝病专家系统，是由中科院自动化研究所生物控制论小组开发的，这个小组在与肝病著名医生关幼波的合作下开发了这个系统，该系统能使患者在使用系统时如同被关幼波医生亲自医病一样。在我国的“8 6 3”高科技术研究计划中，人工智能专家系统也被列入重点发展主题，主要致力于智能化的可视计算、事务处理、信息管理、信息分析与服务等方面的研究。1 1 2 传统专家系统的不足专家系统发展至今已取得了很大成功，然而实践证明传统的专家系统存在三大突出弱点：知识的脆弱性；推理的单调性；自动获取知识能力差。这些弱点的根源在于知识表示这一瓶颈问题的难以解决。特别是随着专家系统在大型复杂问题领域中的应用，对大型知识库的易修改性、共享性和重用性的要求越来越重要和紧迫。面向对象程序设计技术被认为是9 0 年代计算机科学领域的导向技术之一，已成为计算机界研究的热门课题。近几年来，人们正在从更多、更广的角度研究面向对琢的设计方法和理论。从认识论的观点出发，面向对象比较符合人类的思维方式，它不仅限于程序设计领域，而且己渗透到了计算机的每个分支，其中一个很有发展前景的分支就是基于面向对象的专家系统研究与开发，不过，目前仅仅限于用面向对象的语言来实现专家系统软件程序的开发，而对基于面向对象的知识表示和推理机设计的研究却不太深入。因此，我们探索一种将面向对象技术应用于专家系统软件开发的整个过程中，即从系统的分析，设计到实现全过程均采用面向对象技术，并重点研究面向对象的知识表示和面向对象推理机设计，并结合煤性炉型耦合专家系统的设计开发，作为应用研究。1 2 煤粉锅炉专家系统的发展状况煤粉锅炉专家系统是运用人工智能的专家系统技术，结合煤粉锅炉领域特点发展起来的一门高新技术。煤粉锅炉是一个很复杂的系统工程，涉及到热工、化学、地质诸多学科，这就造成了煤粉锅炉专家系统所研究的内容也是十分复杂的，同时也就出现了各种类型的煤粉锅炉专家系统。专家系统在煤粉锅炉领域的应用始于8 0 年代仞，如丹麦S m i t h 公司研制的水泥窑模糊逻辑控制系统和美国C l i f t o n【4 1 等人建立的关于硷耐久性方面的D U R C O N 专家系统等。在我国，对于煤粉锅炉领域中的专家系统研究主要集中在锅炉运行和煤质特性两方2西安丁业大学硕士学位论文面，其主要目的是提高锅炉运行的安全和效益。1 2 1 锅炉专家系统1)四管爆漏诊断专家系统煤粉锅炉作为大型的动力设备，一旦当锅炉运行时发生故障，严重时会发生重大事故，将直接影响到电厂经济效益，甚至威胁到员工的生命安全。例如，锅炉的四管爆漏问题就是现行锅炉运行中存在的一个主要问题。据统计：全国大容量发电机组由于锅炉事故而引起的非计划停机时间占全年总停机时间的一半以上。一个成功的专家系统将能够实时监测锅炉的运行状况，在事故发生前予以报警，防止事故发生。而且可以快速有效地分析爆管原因及其需要采取的对策，缩短检修时间，较快发现四管爆漏潜在的规律和原因，有效地减少爆管重复发生的可能性，降低四管爆漏次数，提高机组可用率。华中理工大学煤燃烧国家重点实验室针对锅炉水冷壁管故障诊断开发了一套专家系统。对锅炉水冷壁管失效机理作一般分析，总结出五大类1 6 种水冷壁管失效机理，并分析导致水冷壁横向裂纹的主要原因。使用面向对象的方法对水冷壁管故障诊断问题进行分析，研究了基于产生式规则、适合于不精确推理的规则表达方法，给出了诊断推理过程中的规则匹配及置信度传递算法，采用简便合理的数据结构，使用C 语言实现了规则的表示和推理机制，给出了一个实用的锅炉炉管故障诊断专家系统。该系统由文档管理、炉管模型、实时监测、知识维护、故障诊断、帮助等六大模块构成，其主要功能有：锅炉系统结构参数、运行参数及历史泄漏情况的记录与查询；锅炉炉管运行状况实时监测系统；锅炉炉管故障诊断知识库维护与管理；锅炉炉管故障诊断与运行指导。该系统在某厂2 0 0 8 t h强制循环锅炉上获得了较好的应用效果。2)锅炉受热面积灰监测专家系统锅炉各部分受热面不可避免地存在灰污现象，受热面的灰污是影响主蒸汽温度、锅炉出力、排烟温度、锅炉效率等关键运行参数的重要因素，从而影响到锅炉的可利用率。为了防止严重积灰，目前在大容量锅炉中，各部分受热面均装备各种形式的吹灰器。通常，吹灰系统采用的是定期吹扫的运行方式。由于这种运行方式是在不了解受热面的实际灰污程度的情况下盲目进行的，因此不可避免地产生吹灰不足和过度吹灰的问题，这两种情况均会影响锅炉运行的经济性。吹灰系统的最优运行方式应当是根据受热面的实际灰污程度，而且只在必要的时候，才将吹扶器投入运行，这样的一种运行方式，只能建立在对锅炉受热面的灰污状况进行实时监测的基础上。因此，对锅炉受热面灰污状态和部位进行实时监测的研究，是锅炉炉况诊断的一个重要领域。武彬、沈幼庭提出了一种基于模糊神经网络的新的预报方法，与常规计算机程序和一般神经网络(O nB P 网络)相比，模糊神经网络的计算过程是透明的，推理过程易于被入理解，因此比较直观易懂，能够实现推理过程的自解释。两安T 业大学硕十学位论文1 2 2 煤质专家系统一些发达国家在经历了劣质煤带来的烦恼后，都纷纷开展对煤质的调查与研究。美国在这方面的工作己进入全面和系统化，英国l E A 煤炭研究所也对1 2 个国家的6 0 个电厂进行了调查，从电厂实践和经验来确定煤质对电厂运行的影响。美国电力研究协会(E P R I)不仅立题组织研究，而且还定期组织召开国际会议。大约在8 0 年代初E P R I 就成立了一个名为“煤质对发电厂运行和成本影响的研究”课题，分三个阶段进行：第一阶段通过文献调研以及向大量单位调查了解，完成对现状和现有技术的回顾和总结，并制定下一步计划，这阶段工作于1 9 8 6 年结束，并出版了4 卷报告；第二阶段根据煤质与电厂运行、成本的关系，开发出“煤质影响模型”(C o a lQ u a l i t yI m p a c tM o d e l C Q I M)，这阶段工作己于1 9 8 9 年完成；第三阶段将上述技术转化到电力工业中应用。自1 9 8 9 年C Q I M 问世以来，已有7 0 家以上的电力公司、工程公司和煤炭公司应用C Q I M 于很多方面，包括对燃料进行评估、研究如何满足“清洁空气条例修正案”的要求、指导如何变更燃料以及在新建或改建电厂时进行工程评估等。为了对C Q I M 的实用性和正确性作出评价iE P R I 于1 9 9 0 年选了6 个燃煤电厂作全面的现场试验，试验机组容量从1 7 5M W 到9 0 0 M W，试验包括磨煤机、炉膛、空气预热器和除尘器等。同时还研究了一套炉膛结渣和受热面积灰的测量方法和诊断技术。现场试验的另一目的是将试验获得的数据用来支持一种新计算机模型“煤质专家”(C o a lQ u a l i t y E x p e r t，C Q E)的开发。为满足2 0 0 0 年生效的“清洁空气条例修正案”的要求，美国很多电力公司近年都致力于对各种环保方案进行评估与比较，从此对煤质影响的研究也就很自然地与这些环保方面的研究结合起来了。在E P R I 的资助下，美国还开发了一个“煤质评估系统”(C o a lQ u a l i t yE m a l u a t i o nS y s t e m，C Q E S)，它能使电厂运行人员在煤尚未进入燃烧前就获知煤质情况和对运行影响的预测，还可以采取适当的预防措施或修改运行参数，使其与即将燃烧的煤相匹配。“煤质影响”的研究在有些发展中国家也开始采用。例如印度尼西亚的一座正在建设的4 0 0 0 M W 电厂，当电厂为其第一期工程2 台4 0 0 M W 机组订购燃煤时，就使用了计算机模型来估算煤质对锅炉和全厂运行的影响。该模型对可能获得的不同煤质进行运行和维修成本的计算，还依据各种计算方法来估算各种煤的结渣和积灰倾向、计算飞欢的电阻特性以及其它排放参数等。对煤质特性的研究在我国己经开展了许多年，内容包括煤的燃烧特性、磨损和腐蚀特性、污染物的排放特性，以及煤质特性与锅炉特性的适应性。我国普华煤燃烧技术开发中心在大机组的煤燃烧特性与锅炉结构特性及两者结合后运行特性相关规律方面做了相当深入的研究工作。1 9 9 1 年提出了“动力用煤锅炉设计型谱”第一版，9 0 年代后期又提出了第二版，并开发了锅炉燃烧设备设计专家系统，对锅炉的设计、燃烧、运行提供了4两安下业大学硕十学位论文建议。用户通过阅读锅炉设备设计型谱了解样机的燃烧、锅炉结构及运行情况，从而合理选用样机，然后输入锅炉设计或校核煤种的媒质特性数据，以及样机的截面热负荷等参数，或样机锅炉的主要尺寸，就可以进行预示运行效果。但是该专家系统设计简单且数据陈旧，所以智能化不高。1 3 研究背景1 3 1 课题的来源本课题来源于西安热工研究院有限公司的“煤性炉型耦合专家系统”项目。由于煤的成煤地质年代、地质条件的不同，使煤性有较大的差异。而在煤粉锅炉中，因燃烧方式以及燃烧设备的不同而呈现运行性能的差异。煤性与炉型两者实际上是相互独立的，各自都具有丰富内涵的大系统，特定的煤性与特定的炉型耦合起来，并通过运行经验检查其耦合效果，则构成庞杂的煤性炉型祸合体系，而经验则是两个系统的中间链环。收集、存储两个系统的数据和资料，并对两个系统的主要性能做出评价，用经验显示两者的关联，则可以设计为煤性妒型耦合的专家系统。煤质特性与锅炉型式耦合效果，对锅炉机组安全经济运行至关重要。尤其是大容量锅炉炉体庞大，结构复杂，一旦设计制造完毕，很难就炉膛容积和形状做实质性修改。因此，在锅炉设计之初，就应根据机组容量和设计煤质选定适宜的燃烧方式、炉膛关键特征参数、制粉系统和磨煤机型式，使新建锅炉能达到较高的燃烧效率、较大的负荷调节幅度和较低的N O x 生成浓度值；对于易结渣煤种，则在结合定期吹灰等运行措施下，炉膛结渣倾向能降低到可保证锅炉安全可靠运行的程度。西安热工研究院自7 0 年代开始就致力于动力用煤特性、炉型及其与运行的相关理论研究，并积累了大量的煤常规试验和煤着火、燃尽和结渣特性非常规分析试验等数据。且拥有一支由煤粉锅炉燃烧专家和煤性分析专家所组成的“煤性炉型耦合”的专家队伍。由于煤粉燃烧锅炉是个高速发展的领域，新的燃烧技术也层出不穷，而且在该领域内的实践超前于理论，导致经验成为引导技术发展的主线。所以专家的知识在很大比例上是由他们的实践经验构成的，而且近年来专家的流动及高龄也给该领域提出新的难题。因此开发和研究“煤性炉型耦合专家系统”是迫在眉睫的，以确保燃煤机组的经济性和安全性。1 3 2 研究的意义将面向对象技术应用于煤性锅炉耦合专家系统的设计开发中具有以下意义：研究面向对象技术在专家系统开发中的理论，特别是将基于面向对象的知识表示及推理机制应用到实际项目中，可以提高专家系统效率，探索完善专家系统理论；将专家系统应用到煤粉燃烧锅炉领域，有助于促迸燃煤电厂的智能化和信息化发展，从而丰富完善煤粉燃烧锅炉理论：两安、业人学硕十学伉论文开发设计煤性炉型耦合专家系统有助于提高了燃煤电厂的安全性和经济效益。1 4 本文的主要工作1 4 1 研究内容本系统通过对面向对象的专家系统知识库和推理机制的研究，开发设计煤性锅炉耦合专家系统的原型，本文的主要研究内容如下：研究面向对象的专家系统设计，重点是基于面向对象的知识表示方法：研究基于面向对象的推理机制；理论应用于实践，将所面向对象的专家系统理论应用于煤性炉型耦合专家系统中，并设计出系统的原型。1 4 2 论文的章节安排论文全文共分六章：第一章绪论。这一章首先对国内外在专家系统发展和应用现状进行综述，主要探讨专家系统在煤粉锅炉领域中的智能化应用；然后结合本课题介绍了煤性炉型耦合专家系统的开发背景和主要研究工作。第二章煤性炉型祸合专家系统的总体设计。通过分析煤性炉型耦合体系和用户需求，采用面向对象的方法进行总体设计包括建立系统对象模型和系统动态模型，最后根据系统的功能模块来建立系统的总体结构图。第三章煤性炉型耦合专家系统的知识获取与表示。结合煤性炉型耦合领域来探索一种系统化的面向对象知识表示的设计方法。利用面向对象技术分析煤性炉型耦合体系，分析专家知识的层次关系，设计了知识对象模型和知识库，进而详细分析了煤性评价和炉型推荐所涉及到专家知识类。第四章煤性炉型耦合专家系统的推理机设计。本章在对推理控制策略及推理机构件进行分析的基础上，着重介绍了煤性炉型耦合专家系统的推理机的设计。第五章系统原型的实现这一章是将理论和对系统的设计应用煤性炉型耦合专家系统，设计系统原型和实现部分功能。着重论述了实现部分，即煤性评价的功能，并用实例验证了推理过程。第六章结论与展望。首先对所做的设计与开发工作进行了总结，然后阐述了将来进一步的扩展与完善此专家系统需要做的设计与开发工作。62 煤性炉审耦合专家系统的总体设计2 煤性炉型耦合专家系统的总体设计通过分析煤性炉型耦合体系和用户需求，选用L r M L 建模语言对系统进行面向对象的分析设计并在此基础上建立了系统的用例图、类图和顺序图。最后设计了系统的总体结构图。2 1 煤性炉型耦合体系简介煤性是指煤质燃烧特性，主要包括煤的着火特性、燃尽特性、结渣特性，还包括一些辅助的特性指标如发热量、灰分、可磨性、灰沾污特性等。炉型是指炉体特征参数，包括煤粉燃烧方式、制粉系统、炉膛的结构特性(受热面积布置及主要辅机特性等)。煤性炉型耦合体系【卜“1(如图2 1)是指煤质和炉型通过燃烧过程(运行)耦合起来，研究两者的适应性问题，以运行状况检验其耦合效果，并研究煤质与炉型两大系统的耦合性。图21 煤性一炉型耦台体系在煤性炉型耦合体系中燃烧运行经验是两个系统的中间链环。收集、存储两个系统的数据和资料，并对两个系统的主要性能作出评价，用经验显示两者的关联，就可以利用人工智能技术设计煤性一炉型耦合专家系统。本系统的耦合关系主要有两个方面：一方面是根据煤种的特性来选择燃烧锅炉的型号，燃煤电厂根据需要燃烧煤种的特性，对锅炉设计单位提出要求；另一方面燃煤电厂对正在运行的锅炉改换燃烧煤种，对煤的特性提出要求，以寻求适合锅炉运行的煤种。2 2 系统的U M L 模型U M L 是面向对象开发中一种通用的图形化建模语言，L r M L 建模”叫8 I 就是用模型元素来组建整个系统的模型，模型元素包括系统中的类、类和类之间的关联、类的实例相互配合实现系统的动态行为等，所以选用L q V I L 建模语言对本系统进行面向对象分析和设计。首先建立系统的用例图，即从用户角度描述系统功能，并指出各功能的操作者：然后西安I：业人学硕士学位论文建立系统的类图，描述系统中类的静态结构；最后建立系统的顺序图，描述系统的动态结构，主要分析对象之间的动态合作关系。1 1 需求分析与用例图根据用户的需求可将煤性炉型耦合专家系统划分芏b-个功能模块：煤性评价、炉型推荐和知识库管理。煤性评价模块又可划分为：发电厂煤粉锅炉用煤质量划分、煤的结渣性能评价、煤的沾污硫腐蚀磨损特性评价和煤的燃烧特性评价。炉型推荐模块可划分为：燃烧方式的推荐、制粉系统的推荐和炉膛参数的推荐。用例图主要由参与者(A c t o r)、用例(U S eC a s e)、箭头组成。它是系统的高级视图，着重从系统外部参与者的角度来理解系统，描述待开发系统的功能需求，并指出这些功能的参与者。参与者不是特指人，是指系统以外的，在使用系统或与系统交互时所扮演的角色。参与者在画图中用简笔人物画来表示，人物下面附上参与者的名称。在本系统中参与者主要是指燃煤电厂用户和系统管理员。用例是指参与者对系统的应用方式，即系统执行的一系列动作(用椭圆表示)；通过参与者与系统的交互过程描述来详细说明用户的真实需求。本系统的用例是指煤性炉型耦合专家系统需要提供的功能。用例图直观的给出了煤性炉型耦合专家系统为(执行者)提供的功能(用例)：包括知识库的维护(煤质试验数据库维护、煤性评价规则库扩充、炉型推荐实例库的更新、炉型推荐规则库的扩充)、煤性的评价(发电厂煤粉锅炉用煤质量划分、煤的结渣性能评价、煤的沾污硫腐蚀磨损特性评价、煤的燃烧特性能评价)和炉型的推荐(燃烧方式的推荐、制粉系统的推荐和炉膛参数的推荐)。本文就系统的主要用例图(如图2 2 所示)说明如下：系统管理员负责维护系统的知识库：普通用户使用系统的煤性评价模块或炉型推荐模块；知识库的维护用例包含着煤质试验数据库的添加用例、评价规则库修改用例和实例库的更新用例；煤性的评价用例包含着用煤质量的划分用例、结渣性能的评价用例、沾污腐蚀性能的评价用例和燃烧性能的评价用例；炉型的推荐用例包含着炉膛参数的推荐用例、制粉系统的推荐用例和燃烧方式的推荐用例。西安工业大学硕士学位论文系统管理员i n e l u d e 7图2 2 系统的主要用例图2)系统的总类图类 蛩(C l a s sD i a g r a m)主要描述系统中类的静态结构。类图用于定义系统中的类，包括描述类、类的内部结构(即类的属性和操作)及其类与类之间的关系(关联、依赖、聚合等1。首先确定煤性炉型耦合问题域中所涉及的类：系统控制、煤性评价管理、炉型推荐管理、求解器、事实、知识库管理，知识库、推理结果，推理记录，参数解释。它们之间的关联是：系统总控选择煤性评价管理或炉型推荐管理或知识库管理；煤性评价管理或炉型求解管理选择求解器、推理、推理记录和炉型参数解释；求解器利用知识库；知识库管理选择规则库、实例库和试验数据库；知识库中拥有规则库、实例库和试验9西安I：业大学硕十学位论文数据库；求解器利用知识库。最后从系统的实现角度作一些补充和细化，又可产生几个类：全局黑板类是系统的全局数据区，记录全局事实、全局变量和整个系统的求解状态及踪迹，它从M F C 库的C D o c u m e n t 类派生而来。专家系统的人机交互类，设计了结果显示窗口，推理过程显示窗口，这些人机交互类都从M F C 的C W i n 类继承而来。C W i n A p p 派生出的应用类称为E x p o-t A p p。经过面向对象的分析设计可以得到系统的总类图(如N 2 3 所示)。图2 3 系统的总类图0西安工业大学硕十学位论文3)系统的顺序图顺序图表示了对象之间的动态合作关系，它强调对象之间消息发送的顺序，同时显示对象之间的交互。我们分析设计了煤性护型耦合专家系统的知识库管理和煤性评价功能模块的顺序图。知识库管理模块的顺序图(如图2 4 所示)描述如下：固一。厣晤匡回国国一目*月*F 一1 一_ _ _ 一。_ 一o 一 一：显示知坍库臂理界面：请选择钉u，J 牢盎择r 知l 咤：r 叫显示馕质试验库界面：；一：4 1 选择知识库管理功能r 氯可南吾面一，一。：显示规州库再面：-一卜斗鳖荔嚣裂盏鲨一i,删除虑功一r l l 垃择规刚臂理功胞：显示知识库管理界面：睡吐择知口 库管理功盹实例腭骨埋r d阻示喜州库 呵：叫请进忤宜例序种理功能推出(雌自l f l 删睬和自的惮)：显示知识库管理界面卜竺篙型坠一r _ i 森瓦磊而一!请选择专辜i 统功能-1图2 4 正常情况下的知识库管理顺序图“系统总控”要求用户选择专家系统功能(知识库管理、煤性评价管理、炉型推荐管理1。用户选择知识库管理：系统总控要求“知识库管理”显示其管理界面；“知识库管理”要求用户选择“知识库”，用户选择了所需的知识库；“知识库管理”要求被选中的“知识库”显示其界面：“知识库”要求用户选择知识库功能(添加、删除、浏览、修改、退出)。用户或选择“添加”：“知识库”要求用户输入新知识，用户输入新知识；两安r 业大学硕十学位论文“知识库”要求用户确认新知识，用户确认：“知识库”存储新知识并要求用户选择知识库功能(添加、删除、浏览、修改、退出)。或用户选择“删除”：“知识库”让用户浏览知识选定要删除的知识，用户选定了要删除的知识；“知识库”让用户确认删除功能，用户按确认键：“知识库”存储新知识并要求用户选择知识库功能(添加、删除、浏览、修改、退出)。或用户选择“浏览”：“知识库”列出所有知识供用户浏览，用户浏览完毕按退出浏览键；“知识库”存储被修改的知识并要求用户选择知识库功能(添加、删除、浏览、修改、退出1。或用户选择“修改”：“知识库”让用户浏览知识选定要修改的知识，用户选定了要修改的知识；“知识库”让用户确认修改功能，用户确认修改；“知识库”存储被修改的知识并要求用户选择知识库功能(添加、删除、浏览、修改、退出)。或用户选择“退出”：“知识库”要求“知识库管理”显示其界面：“知识库管理”要求用户选择知识库，用户按退出键；“知识库管理”要求“系统总控”显示其界面：“系统总控”要求用户选择系统功能(知识库管理、煤性评价管理、炉型推荐管理)。煤性评价模块的顺序图(如图2 5 所示)描述如下：回囤囤国国攥性评价If。主示煤性评价臂理#南啸-馁矗五五i 磊。i：i 1r _ j-*t 镕；_ i j。1&i*m ；$t 月$*l 卜i 而岳磊囊瞳功；jl 一一；一竺掣坐一；一一堂等等图2 5 系统正常情况下的煤性评价顺序图西安r 业大学硕士学位论文“系统总控”要求用户选择专家系统功能(知识库管理、煤性评价管理、炉型推荐管理1：用户选择“煤性评价管理”；“系统总控”要求“煤性评价管理”显示其界面；“煤性评价管理”要求用户选择功能(煤质试验数据录入、煤性评价、推理记录、参数解释、输出结果、存储系统工作状态、退出)，用户或选择“煤质试验数据录入”：“煤质试验数据录入”让用户输入试验数据；“煤质试验数据录入”让用户确认录入数据，用户确认数据录入：用户或选择“煤性评价”：“煤性评价”激活“求解器