专家系统应用于胶带输送机的设计和选型

D0I:10.13374/j.iss1001-053x.2001.02.013 第23卷第2期 北京科技大学学报 Vol.23 No.2 2001年4月 Journal of University of Science and Technology Beijing Apr.2001 专家系统应用于胶带输送机的设计和选型 许纪倩》王建华) 张福) 1)北京科技大学机械工程学院，北京1000832)北京机械工业学院，北京100085 摘要基于专家系统的基本理论，根据胶带输送机设计、选型的特点和现场的实际条件，开 发了胶带输送机设计、选型专家系统.该系统采用Visual C+语言编程，模块结构，图形化用户界 面等. 关键词 胶带输送机；设计；选型专家系统；Visual C+语言 分类号 TH165*.1 由于组成胶带输送机的基本部件有几十 库、推理机等组成；为了增强实用性，便于维护 种，每种又有若干类型，加上地形、工况、布置形 和操作，增加交互修改及用户界面模块 式的多种变化，使得胶带输送机设计、选型很 繁琐.为了适应用户不同的要求，必须向新产 2系统主要功能 品、多品种的方向发展，因此，沿用以往的手工 系统的用户界面元素主要有以下6项内容 设计方法已经不能满足当前的需要，采用现代 (1)文件.进行设计任务的输入与输出. 化的设计方法和CAD技术，增强设计单位的竞 (2)参数输入.有原始参数输入和缺省参数 争能力，是生产厂家急需解决的课题 检查修改两项，前一项用于输人用户要求的具 应用专家系统到胶带输送机的设计、选 体设计参数；后一项则是为了方便设计人员适 型过程中去，首先要建立选型知识库；其次，建 应不同的设计条件，系统给出了需要设计人员 立推理机；最后生成产品投标报价表. 输人的全部变量缺省参数表，设计人员可在表 1系统总体结构 中检查修改参数项 (3)计算.在完成了对参数输入与检查之后， 专家系统是基于知识的计算机软件系统， 系统自动进行圆周驱动力、主要阻力、附加阻 它拥有某个特殊领域内专家的知识，并能像专 力、倾斜阻力和电机轴功率等主要参数的计算. 家那样运用这些知识，通过推理作出智能决策. (4)选型.根据计算结果查询数据库，利用推 结构如图1所示.本文所研究的胶带输送机的 理机和知识库，自动选择输送机的各个部件.如 设计、选型专家系统，主要由计算、选型、知识 滚简、托辊、驱动装置、机架、中间架、支腿、拉 紧装置、清扫器、导料槽、头部漏斗等 数 选型模块 知识库 (⑤)修改.为了提高整个系统的设计灵活性， 在完成了参数输人、计算、选型的工作之后，设 计算模块 推理机 计人员还可以通过修改模块直接对输出结果进 行修改，也可以加入一些非标部件等. 输入模块 输出模块 (⑥)帮助.可了解系统各模块的功能及使用 修改模块 操作方法. 用户界面 3选型专家系统 图1系统主要结构框图 Fig.1 Main structure chart of the system 根据计算结果及地形、工况、布置形式等条 收稿日期2000-09-12许纪倩女，51岁，副教授

第 2 3 卷 第 2 期 20 0 1 年 呜月 北 京 科 技 大 学 学 报 OJ u r n a l o f U n iv e o iyt o f s c ic n c e a u d l 尧c 血n o l o gy B e ij 恤g M )1 . 2 3 N o . 2 A p .r 2 0 0 1 专家 系统应用于胶带输送机的设计和选型 许纪倩 ” 王 建华 2 , 张 福 ” 1冲匕京科技大学机械工程学院 ,北京 10 0 0 83 2月匕京机械工业学院 ,北京 1 0 0 85 摘 要 基于专家系统的基本理论 , 根据胶带输送机设计 、 选 型 的特点和现场的实际条件 , 开 发 了胶 带输送机设计 、 选 型专家系统 . 该系统采用 巧 su al C什语言编程 ,模块结构 , 图形化用户界 面等 . 关键词 胶带 输送机 ; 设计 ; 选 型专家系统 ; 劝s aul C一语言 分类号 T H 165 +.1 由于组 成胶 带 输送 机 的基 本 部件 有 几 十 种 , 每种 又有若干类型 , 加上地形 、 工况 、 布置形 式 的多种 变化 , 使得胶带输送机设计 、 选 型很 繁琐 . 为了适应用户不 同的要求 , 必须 向新产 品 、 多品种的方 向发展 , 因此 , 沿用 以往 的手工 设计方法 已 经不能满足 当前 的需要 , 采用现代 化 的设计方法和 C A D 技术 , 增强设计单位 的竞 争能力 , 是生产 厂家急需解决 的课题 . 应用专家 系统 【 ~l3] 到胶带输送机 的设计 、 选 型过程 中去 , 首先要 建立选型 知识库 ; 其次 , 建 立推理机 ;最后生成产品投标报价表 . 库 、 推理机等组成 ; 为 了增强实用性 , 便于 维护 和操 作 , 增 加交互修改及用户 界面模块 . 1 系统总体结构 专家 系统是基 于知识 的计算机 软件系统 , 它拥有某个 特殊领域 内专家 的知识 , 并能像专 家那样运用这些知识 , 通过推理作 出智能决策 . 结构 如图 1 所示 . 本文所 研究 的胶带输送机 的 设计 、 选型 专家 系统 , 主要 由计算 、 选型 、 知识 岌 知识库 2 系统主要功能 系统的用户界面元素主要有 以下 6 项 内容 . ( l) 文件 . 进行设计任务 的输人 与输 出 . ( 2) 参数输入 . 有原始参数输 人和缺省参数 检查 修改两项 , 前 一项用于输人用 户要 求的具 体设 计参数 ; 后 一项则是为 了方便设计人员适 应 不同的设计条件 , 系统给 出了需要设计人员 输 入的全部变量缺省参数 表 , 设计 人员可在表 中检查修改参数项 . (3 )计算 . 在完成 了对参数输人与检查之后 , 系统 自动进行 圆周驱动力 、 主要 阻力 、 附加 阻 力 、 倾斜阻力和电机轴功率等主要参数的计算 . (4) 选型 . 根据计算结果查询数据库 , 利用推 理机 和知识库 , 自动选择输送机 的各个部件 . 如 滚 筒 、 托辊 、 驱动装置 、 机架 、 中间架 、 支腿 、 拉 紧装置 、 清扫器 、 导料槽 、 头部漏 斗等 . (5 )修改 . 为 了提高整个系统 的设计灵活性 , 在 完成了 参数输人 、 计算 、 选 型 的工作 之后 , 设 计人员还可 以通过修改模块直接对输 出结果进 行修 改 , 也可 以加人一些非标 部件等 . (6 )帮助 . 可了解系统各模块 的功能及使 用 操作 方法 . 圈 1 系统 主要 结构框图 F i g . I M a纽 s t r u e加 er 比a rt o f 比e sy s et m 3 选型专家系统 根据计算结果及地形 、 工况 、 布置形式等 条 收稿 日期 2 0 0刁 -9 12 许纪倩 女 , 51 岁 , 副教授 DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 2001. 02. 013

·144· 北京科技大学学报 2001年第2期 件，胶带输送机基本部件的选取通常是一项非 一个对象可以由一个或几个（特性·值） 常繁琐的工作.我们建立了一个以知识库和推 对，以表征其不同的侧面.在这里，我们可以把 理机为核心的选型专家系统，用来模拟优秀设 符号原子看成是一个对象，其（特性·值）对可 计师的思维逻辑行为，能够在较短时间内对复 以存放于符号原子的特性表中，即符号原子的 杂问题作出高水平的解答 plist域中.特性表用表的形式存放： 3.1知识库 (特性1值1，特性2值2，，特性n值n) 知识库是用来存放领域专家提供的设计规 在此基础上，可实现对对象特征的存取等 则、经验等知识的.知识库里的知识分为“事实” 操作，这些操作如： 和“规则”，“事实”在系统里可以不断地改变， ①存放对象某一特征的值：putpropO; “规则”是关于如何根据现有事实和规则得到新 ②获取对象某一特征的值：getprop(; 的事实.而知识的表达是建立专家系统的关键， ③添加对象某一特征的值：addprop(;) 它们的形式、内容、组织方式等，直接影响到专 ④获取对象的所有特征值：plistO. 家系统刻画领域的能力，同时也会影响到推理 (4)用产生式规则表达知识.产生式规则的 机制、解释机制等专家系统中其他组成部分的 一般表示形式为：如果（条件或事实）那么（结论 结构和实现方法.由于要建立的专家系统是一 或动作)，规则的动作部分可以是向用户提问一 个专用系统，在比较多种知识表达方式后，采用 个问题，或执行一个标准的程序过程，也可以修 了产生式表达法. 改知识库的内容或开关某一个子程序.该系统 (1)数据结构的定义.为了便于符号的处理， 中的表示模型： 首先定义在本系统中使用的各种数据结构：符 F<条件1><条件2>…<条件n> 号原子；函原子；点对；表；符号单元.如符号原 THEN 子的定义： <结论1><可信度因子1> typedef struct pBeltObject *pBelt; <结论2>×可信度因子2> 符号原子： 八… struct atom <结论><可信度因子> { 例如：在带宽不大于500mm的情况下，传 pBelt val; 动滚简直径选500mm这条规则的表示： pBelt plist; F带宽<500 char *pname; THEN传动滚筒直径-5001.0 方 参照前面定义的数据结构，具体表达如下 (2)对结构的操作.主要由8个函数来完成， 所示： 即建立点对函数：newdot(0;建立符号原子：new- (RULE rule 1 atom(;建立整数原子：newint(0;建立实数原子： (<带宽500) newdoub0;建立串原子：newstr();建立函原子： (=传动滚简直径500)1.0) newfunc(;建立符号单元：mkcell(;消除符号单 存放在规则库中，知识可写成如下形式： 元：killcellO. RULE rulel ((:=ChuandongguntongDia500)) (3)函数映射表.函数映射表FunctionMap用 ((:=GaixiangguntongDia 400)1.0)) 于存放函原子，由于在程序运行中符号原子与 (RULE rule2 ((:=ChuandongguntongDia630)) 函原子之间经常要转换，以便能实现数据驱动 ((:=GaixiangguntongDia 500)1.0)) 的程序，所以应提供一个查找表，使符号与函数 体之间有一个对应关系. 3.2推理机 对FunctionMap的操作有添加与查找2种： 推理机的功能是根据一定的推理策略，从 添加是在建立一个新的函原子newfunc(时进行 知识库中选择有关的知识，对用户提供的证据 的，查找是在要运行与某一符号对应的函数eval 进行推理，得出理想的结论.这一过程是根据一 O时进行的. 定的原则从已知事实推出新的事实的思维过

. 14 4 - 北 京 科 技 大 学 学 报 2 0 1年 第 2 期 件 , 胶带 输送机基本 部件的选取通常是一项非 常繁琐 的工作 . 我们 建立 了一个 以知识库 和推 理机为核心的选型 专家 系统 , 用来模拟优 秀设 计师 的思维逻辑行 为 , 能够在较短 时间 内对复 杂 问题作 出高水平 的解答 . .3 1 知 识库 知识库是用来存放领域专家提供 的设计规 则 、 经验等知识 的 . 知识库 里的知识分为 “ 事实 ” . 和 “ 规则 ” , “ 事实 ” 在系统里可 以不 断地 改变 , “ 规则 ” 是关 于如何根据现有事实和规则得到新 的事实 . 而知识 的表达是建立专家系统 的关键 , 它们 的形式 、 内容 、 组织方式等 , 直接 影响到 专 家 系统 刻画 领域 的能力 , 同时也会影 响到推理 机制 、 解释机制 等专家系统 中其他组成 部分的 结 构和实现方法 . 由于 要建立 的专家系统是一 个专用 系统 , 在 比较多种知识表达方式后 , 采用 了产生式表达法 . ( l) 数据结构 的定义 . 为 了便于符号 的处理 , 首 先定义在本 系统 中使用的各种数据结 构 : 符 号原子 ; 函原子 ; 点对 ; 表 ; 符号单 元 . 如符号原 子 的定义 : 妙p e d e f s t ur c t P B e lt o bj e e t * BP e it ; 符 号原子 : Str U C t at o 幻n { BP e h v ;al BP e it P li st ; c h ar * nP 田旧e ; } ; (2 )对结构 的操作 . 主要 由 8 个 函数来完成 , 即建立点对 函数 : n e w d o t( ) ;建 立符号原子 : ~ - at o m ;() 建立 整数原子 : ~ int ;() 建立实数原子 : en w d o u b ;o 建立 串原子 : ~ str ;() 建立 函原子 : en w 丘nI c () ; 建立符 号单元 泪改c e l( ) ; 消除符号单 元 : ik ll e e ll() . (3 )函数 映射表 . 函数映射表 F un c t i o 川迈aP 用 于 存放 函原 子 , 由于 在程序运行 中符号原子与 函原子之 间经常要转换 、 以便 能实现数据驱动 的程序 , 所 以应提供一个查找表 , 使符号 与函数 体之 间有一个 对应关系 . 对 F u n c t l o 川功aP 的操 作有添加与查找 2 种 : 添加是在建立一个新的函原子 n ew fun c o 时进行 的 , 查找是在要运行与某一符号对应的函数 e v a l O时进行的 . 一个对 象可 以 由一个或几个 ( 特性 · 值 ) 对 , 以表征其 不同的侧 面 . 在 这里 , 我们 可 以把 符号原子看成是一个 对象 , 其 ( 特性 · 值 )对可 以存放于符号原 子的特性表 中 , 即符号原子 的 lP ist 域 中 . 特性表用表 的形式存放 : (特性 1 值 1 , 特性 2 值 2 , … , 特性 n 值 n) 在此基础上 , 可实现对 对象特征 的存取等 操作 , 这些操作如 : ①存放对象某 一特征 的值 : p u t Pr o P;() ②获取对象 某一特征 的值 : g e tP r o P () ; ③添加对象 某一特征 的值 : ad dP r o P( ) ; ④获取对象 的所有特征值 : lP ist( ) . (4 )用产生式规则表达知识 . 产生式 规则 的 一般表示形式为 : 如果 ( 条件或事实 )那么 ( 结论 或动作 ) , 规则的动作部分可 以是 向用户提问一 个 问题 , 或执行一个标准的程序过 程 , 也可 以修 改知识库的内容或开关某一个 子程序 . 该系统 中的表示模 型 : IF < 条件 >l < 条件 2 > : <条件 >n T H E N < 结论 1>< 可信度 因子 卜 < 结论 2>< 可信度 因子 2 > < 结论 n >< 可信度 因子 n > 例如 : 在带宽不大 于 s o r n 力。 的情况下 , 传 动滚筒直 径选 s o ln l n 这条 规则的表示 : IF 带宽父5 0 T H E N 传动滚筒直径 =A s o L O 参照前 面定 义的数据结构 , 具体 表达如下 所示 : (R U L E ulr -e 1 (( < 带宽 A s o o )) (( := 传 动滚筒直径 A s o o ) 1 . 0 ) ) 存放在 规则 库 中 , 知识可写成 如下形式 : R U L E ur l e l (( : =C h1 眨nI d o n g 到ntL o n gD i扩5 0 0 )) ( ( : = G a i x ian g g un t o n 叨i a A 4 0 0 ) 1 . 0 )) (班耳 E ulr e Z (( := C h uan d o n g g 侧吐 o n gD i扩6 3 0 )) ((户G a i x lan g g nU t o n 必i扩 5 0 0 ) 1 . 0 ) ) .3 2 推理机 推理机 的功能是根据一定 的推理策略 , 从 知识库 中选 择有关 的知识 , 对用户 提供的证据 进行推理 , 得 出理想 的结论 . 这一过程是根据一 定 的原 则从 已知 事 实推 出新 的事 实 的思 维过

Vol.23 No.2 许纪倩等：专家系统应用于胶带输送机的设计和选型 ·145· 程.推理机的控制过程是策略确定知识的选择， (④)在零部件选型阶段应用了专家系统，大 而推理方法确定具体知识的运用，在该系统中， 大提高了设计、选型过程的智能化； 采用基于规则的正向推理方法.即系统可以根 (⑤)在计算、选型工作完成后，输出产品的 据用户提供的原始信息，在知识库中寻找能与 投标报价表. 之相匹配的规则，找到后，就将知识块的结论部 分作为中间结果，利用它继续与知识库中的规 4结论 则匹配，直到得出最终结论，这种正向推理比较 将专家系统应用于胶带输送机的设计、选 简单易实现，但目的性不强，还需要用启发性知 型是完全可行的，不但可以缩短设计周期，降低 识来控制中间结论的选取.在系统中采用了“深 成本，而且可以利用专家经验和设计、选型方法 度优先”策略，即新产生的事实先进行数据驱 快速完成预定工作，提高产品质量和中标率，为 动.而且一条规则只能被利用一次，引用完以后 企业带来更好的经济效益和科技进步 就会从规则库中删去，从而保证了系统能快速 的选出正确的部件型号 参考文献 3.3系统特点 1史济建.专家系统实现技术，杭州：浙江大学出版社， 本工作用Visual C+语言编程，最终实现 1995 了一个胶带输送机设计、选型专家系统模块闯， 2冯培嗯，刘谨.专家系统.北京：机械工业出版杜，1993 并具有如下特点： 3 Dentsoras A,Gavrielatos T.Applying Expert System to Belt Conveyor Design.Journal of Systems Engineering, (1)友好的中文图形化用户界面，方便了设 1978.3(3):121 计者的使用； 4 Kruglinski D J.Visual C+技术内幕（第四版）.潘爱 (2)精简了输入原始设计参数的个数，减少 民，王国印译北京：清华大学出版社，1999 了设计者的工作量； 5机械工业部北京起重运输机械研究所.DTⅡ型固定 式带式输送机设计选用手册，北京：冶金工业出版社， (3)采用开放式数据连接，提高对数据库访 1994 问的灵活性，能适应于各种不同格式的数据库； Application of Expert System on Design and Selection of Belt Conveyor XU Jigian",WANG Jianhua,ZHANG Fu 1)Mechanical Engineering School,UST Beijing.Beijing 100083,China 2)Beijing Institute of Machinery Industry,Beijing 100085,China ABSTRACT Based on the study of the principles of expert system,the designing characteristics and com- ponent selection of belt conveyor as well as the real work condition,a expert system suitable for the design of belt conveyor and the selection of its specific components is established.This system is programmed in Visual C++language,developed in module structure,and has a friendly graphic user interface. KEY WORDS belt conveyor;design;expert system;Visual C++language

b l V 一 3 N 2 O 一 许纪倩 等 2 : 专 家系 统应用 于胶 带输送 机 的设计 和选 型 . 5 1 4 . 程 . 推理机的控制过程是策略确定知识 的选择 , 而推理方法确定具体知识 的运用 . 在该 系统 中 , 采 用基于规则 的正 向推理 方法 . 即系统 可 以根 据 用户提供 的原始信 息 , 在知识库 中寻找能与 之相 匹配 的规则 , 找到后 , 就将知识块 的结论部 分 作为 中间结果 , 利用它继续 与知识 库 中的规 则 匹配 , 直到得出最终结论 . 这种正向推理 比较 简单易 实现 , 但 目的性不 强 , 还需要用启发性知 识 来控 制中间结论的选取 . 在 系统 中采用了 “ 深 度优先 ” 策 略 , 即新产生 的事 实先进行数据驱 动 . 而且一条规则只能被利用一次 , 引用完 以后 就会从规则库 中删去 , 从 而保 证 了系统能快速 的选 出正确 的部件型号 . .3 3 系统特点 本工作用 iV su al C + 语 言编程’l] , 最终实现 了一个胶 带输 送机设计 、 选 型 专家系统模块 , , , 并具有 如下特点 : ( D 友好 的中文 图形化用户界 面 , 方便 了设 计者 的使用 ; (2 ) 精简 了输 入原始设计参数 的个数 , 减少 了设计 者的工作量 ; . (3 ) 采用 开放式数据连接 , 提高对数据 库访 问的灵 活性 , 能适应于各种不 同格式 的数据库 ; (4 ) 在零部件选型 阶段应用 了 专家系统 , 大 大提高 了设计 、 选 型 过程 的智 能化 ; (5) 在计 算 、 选 型 工作完成后 , 输出产品的 投标报价表 . 4 结论 将专家 系统应用于胶带输送 机的设计 、 选 型是完全可行 的 , 不但可 以缩短设 计周期 , 降低 成本 , 而且可 以利用专家经验和设 计 、 选型方法 快速完成预定工作 , 提高产品质量和中标率 , 为 企业带来更 好的经济效 益和科技进步 . 参 考 文 献 1 史济建 . 专家系统实 现技 术 . 杭州 : 浙 江大 学出版 社 , 199 5 2 冯 培 嗯 , 刘谨 . 专家 系统 . 北京 :机械工业 出版社 , 19 93 3 D e in s o ar s A , G a v ir e 】a t o s .T A PP ly in g E x P e rt s y set m t o B e it C von e y o r D e s ign . J o u 了n a l o f Sy s et m s E n g ine e inr g , 197 8 . 3( 3) : 12 1 4 K rU g l ins ik D J . iV s aul C一技术内幕 ( 第四版 ) . 潘 爱 民 , 王 国印译 . 北京 : 清华大学 出版社 , 19 9 5 机械 工业部北京起重 运输机械研究所 . D T n 型 固定 式带式输送机设计选 用手册 . 北 京: 冶金工业 出版社 , 19 94 AP P li e iat on o f E xP e rt Sy s ot m o n D e s i g n an d S e l e e t i o n o f B e lt C o Vn e y o r “ $ U ieJ ian l) , 恻刀G 涌沁n 加a2) , Z月讨N 召 uF l) 1) M e ch an ica l Egn in e inr g S e h o l ,U S T B e ij l n g , B o ij ing l 0 0() 8 3 , C 创血a Z ) B e ij ing il ” t in lt e o f M a c h 川 e yr ln du s lyt, B e ij ign l X() 0 85 , C h ina A B S T R A C T B as e d on ht e s ut dy o f ht e Pir n e iP l e s o f e xP e rt s y st em , t h e de s ig 山 n g e h ar a c et 雌s t i e s a n d e om - Po n e in s e l e e t ion o f b e it e von 盯o r a s w e ll as ht e er al w o kr c on id it on , a e xP ert s y s t e m s u i at b l e for het de s ign o f b e it e o n v e y or an d ht e s e l e ict o n o f it s sP e e iif e e o m Po n e nt s 1 5 e s at b li s h e d . Th i s s y s t e m i , p r o gr a ml n e d in 硒 s aul C+ + lan g u a g e , de v e lop e d in m o du l e s tr u e奴止 e , 助 d h a s a 伍e n d ly gr ap hi e u s er int e r fa e e . K E Y W O R D S b e h c ~ ey or ; de s i幼 ; e x Pe rt sy set m ; 叭sua l C什 lan g u a g e