采煤工作面突水预测专家系统研制.pdf

年第 期浏绘通报 采煤工作面突水预测专家系统研制 冯稚君张纪勇王 文林 北京 电视大学 专家系统是近几十年发展起来的新领域 , 尤其在系统非线性 、 坏境时变性和过程不确定 性的条件下 , 例如在医学 、 工程 、 工商管理 、 勘 探 、 采矿等方面得到了应用 。 由于煤矿突水灾害中 , 是采煤工作面 的突水 , 除受水文地质条件 、 顶底板岩性等因 素影响外 , 还受到 了开采所产生的矿压影响 , 从 而使工作面突水复杂化 。 而实际开采中 , 可提 供的突水预测参数较少 , 一些参数经常具有不 确定性 , 不易提取 , 不易计算 , 给预 测带来了 困难 。 因此建立专家系统 , 用专家经验和知识 预测底板突水简称 系统具有实际意义 。 本文介绍 了应用专家系统工具 一 研制 的 系统的结构原理 、 知识库设计及推理机 制 。 一 、 系统结构原理简介 预测工作面 突水与否的工作程序如图 所 示 。 本系统为人机对话 , 推理与知识库分离 , 运 行状态与程序分开的方式 。 因此既保持库的完 整 , 又利于将来知识库的修改和各种扩充工作 。 用户可通过人机交互界面进行多级选择 , 亦可 矿矿区水文文文工作面面面顶底 板板板顶底板应应应综合因因因突水水 地地质资料 、、、 构造造造岩性性性力及破坏坏坏素分析析析预测测 突突水资料料料分析析析析析深度测试试试计算算算算 分分析析析析析析析分析析析析析析 水 位 观 测 成 果衰 表 项项 目目地点点 互 差差 备 注注 小小小山东 娘宫 月月平 均水位 位 采用 个逐时水位平均值值 月月平均高平潮潮 采用 个高平潮的平均水位位 月月平均低平 潮 潮 一 一 采用 个低平潮的平均水位 位 由于小山东和娘宫相距较近 , 潮汐性质基 本相同 , 海面上纵比降很小 , 在成果表中月平 均水位较差 , 而两岸月平均高 、 低平潮潮 位成果相比 , 其误差愈小 。 另通过以上验潮资 料和跨海水准成果的分析比较 , 笔者认为潮汐 性质相同 , 距离 一 的海岛上 , 只要有 一个月的逐时水位资料 通过高 、 低平潮法水 面传递高程 , 同样可以达到三等水准精度 。 测绘通报 年第 期 通过系统进行各种功能的更改或者通过输入进 行推理 。 原理图如图 示 。 用用户户 人人机交互界 面面 专专家家家知识库库库分库对对对调入文文文文文文文文文文文文 知知识 识识管理理理话咨询询询件判断断断解释器器器学习机机 规规则库库 图 建造专家系统重点解决 反 映专家系统 知识水平的知识库 , 反映系统思维能力的 推理机制 。 一 专家工具在解决这两方面 问题有其明显 的优点 。 二 、 知识库设计 一 知识库 知识库用于存储专家知识和推理过程 。 每 个 知识库由因素 、 结果 和权 值 组成 。 显示 形式如下 局因素 。 外部程序 一 系统工具 , 侧重点是对专家知识 的组织与管理 , 因素对于因素之间的函数计算 , 逻辑判断以及比较方面功能较差 , 现采用外部 程序这一手段作为弥补 。 开发人 员根据需要用 高级语言编写外部程序 , 然后用 提供的外 部程序与处理 机接口调用外部程序 , 即将变量 传递给外部程序或将外部程序返回值赋某一 因 素 , 作为它的当前输入 。 知识库的建立 本知识库为全汉化知识库 , 修改方便 , 易 于维护 , 可与目前使用较多的 语言 、 语言等语言联接 , 界 面丰富 , 建库操作简便 。 以 下以 “ 陷落柱 ” 为例加以说明 。 开机后 在新知识库名上键入 “ 陷落柱 ”, 此 过程将 因子局限在该范围 。 由此 产生 的可能派生 和结果均为因子值 , 根据专家提供 的各种突水因素 , 可建立规则库如下 局部 ⋯ 导水 导水 不导水 切入 不切入 结果 突水 不突水 转原位测试 一般 , 即 由 一 的值组合得到 一 个结果 。 可以有 个因素得到 个结果 。 而权值用 于说明结果优先级别 , 当结果不唯一 时返回给用户的结果 , 即权值最大的一个 , 由 开发人员根据实际情况来定 。 每个知识库的因素数小于 , 事例数小于 , 所以若构成一个系统 , 须由若干知识库组 合起来 , 称为链接 。 此外 , 知识库中 , 除有上 述局部因素外 , 还有全局 因素 , 即构造专家系 统时 , 当同一因素在几个知识库 中使用时 , 为 使用户不在每个知识库中输入同一值 , 定义全 为专家提供数据 导水 外部因素 现场情况 。 因子一旦确立 , 即可输入与因子相关的各 种因素 , 例如褶曲库 〔是 处于部位 〔是 一 裂隙带 〔不是 ” 一 原位测试 〔不是 ⋯⋯ 原位测试 一 规 、 则结吏 一 年第 期 浏 绘 通报 隔隔水层厚度度 工工工工工工工工工工 突突突突突突突突突突才才才才 工工工工工工工工工工工工工 图 知识库建立完毕后 , 菜单清晰 , 为问答式 结构 , 并可随时采用功能键查询库的结构 , 结 果值准确 , 附和率达 以上 。 三 、 专家系统推理机制 其 任务是模拟 专家思维过程预测底板突 水 。 工作面突水推理框图如图所示 。 推理方法 建立知识库后可使用 一。 的推理机 , 由输入初值可得出相应的结果 , 专家工具提供 推理方法 。 最优化推理法 它是应用重复二分法算法 , 即在搜索库的 众多因素中选出对结果影响最大的因素 , 再从 剩余因素中选出影响最大的 因素 , 如此反复 , 直 到搜索完所有因素 , 再由选出的因素去进行推 理 , 形成决策树 , 其优点是用户从决策树中清 楚各因素的作用 , 而知识库中与各因素顺序无 关 。 从左到右推理方法 与最优化法相同之处是均采用了重复二分 法 , 也是忽略与结果无关的因素 。 不同之处是处 理知识库与其因素顺序有关 。 自定义推理方法 自定义的方法是允许用户自行定义决定 树 , 即在屏幕上自己直接编辑决定树 , 根据专 家知识即专家思维的框图即推理过程 。 这样 就可以不需到知识库 中输入众多事例 即 , ⋯ , , 只要有专家知识的逻辑推理框图 , 在 无事例时是非常方便的 , 使用这种方法建立决 定树后 , 可由最优化推理法或从左到右的推理 法中得到与该决定树相应的事例 。 匹配的方法 前面三种均属决定树机制 , 即按重复二分 法或开发者 自定义推理算法推理 , 其结果是综 合结果 , 与知识库中单条事例无关 。 而匹配法是 将用户输入的因素值与知识库中的因素值相匹 配 , 找到 匹配成功的那条事例 , 返回其结果 。 这 种方法适合于因描述的事例规模树太复杂而无 法产生时 因事例不完备而无法准确推理时 因 用户不知如何回答专家系统所提出问题时 。 在 上述情况发生时均可转入匹配方法 。 本系统推理机 系统根据专家领域提供的专家知识 特点选用了自定义推理方法与从左向右顺序推 理相结合的推理方法 。 系统模拟专家思维 , 在底板现场采集 各种水文数据 , 输入后进行计算和推理分析 , 并 将结果以规则树形式 , 在解释器的支持下形象 显示出来 , 逻辑清晰 , 一目了然 。 系统共建立了个知识库 , 数值计算与比值 也是个 。 知识库是 选择构造 、 裂隙带 、 褶曲 、 陷落柱 、 断层 、 原位测试 、 开采条件 、 征兆 。 数 值计算用 。 , ⋯ , 。表示 。 每个子库 皆根 据专家推理框图编制 。 例如工作面水文地质条件的咨询菜单是 浏绘通报 年第 期 工工作面水文地质 条件 件 求助 助 咨 询器 器 退出 出 请请 输入参数值值 矿矿 井 涌水量量 水水压 压 底底 板隔水层厚度度 卫卫 作 面突水系数数 矿矿 安 全 突水系数数 按按了开始始 可进行第二级 、 第三级咨询 , 并可显 示推理及 结果 。 一一 一 规则树开始 一一 一 〔 ⋯ ⋯不突水 〔。 工作 面压力 〔不带压 ⋯ ⋯不 突水 〔带压 〔 ⋯⋯不突水 〔 有无构造 〔有 ⋯⋯选择构造 〔无 ⋯ ⋯征兆 〔 ⋯⋯待定 〔 ⋯ ⋯原位测试 ⋯ ⋯规则结束 注 。 涌水量 。 突水数据 可见其推理过程与解释相结合 , 若需对某 个结论需解释时 , 则很快将解释内容给出 。 系统测试 一 专家系统提供多种系统测试手 段 使用统计方法发现有疑问的数据 使知识库中某些事例无效或某些因素无效 移动因素位置后 , 使用从左到右的推理方 法 跟踪推理过程 再现运行部分 , 提 示 , 打印变量值 , 使用提示窗 。 四 、 结论 使用 一 专家系统工具 , 开发采煤底 板突水预测专家系统有三个特点 。 第一 , 可缩短 系统开发时间 第二 , 提供了方便的输入 和编 辑专家知识的界面 , 因此开发人 员易修改和扩 充专家知识库 第三 , 具有跟踪推理结果的功 能 。 因此用户能够在每一次输入新的事例得出 结果后 , 详细得知整个推理过程 , 这样 , 一方 面使得专家级的用户了解到推理中不合理现 象 , 进一步修改和完善知识库和推理过程 , 另 一方面也使得经验不够丰富的用户有机会了解 专家推理过程 。 因此使专家系统又具有一定的 教学作用 。