小型微型计算机系统M.pdf

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1、 Z l；|缘 第 1 s卷第 1期 1 9 9 4年 1月 小 型 微 型 计 算 机 系 统 M I NI MI CR0 S YSTEM S Vo 1 1 1 a n No1 19 94 一 弋 1 一个基于面向对象方法的并行黑板系统的设计 高维君(衷北 大学计算 机系 苏士 权 沈阳 1 1 0 0 0 6)摘要本 文论述 7用面 向对象的 系统分析 与设 计方法 和面 向对 象的编程技 术构造 大型、复杂 的并行黑板 实时控 制系统的思想和方法。文 章以四辊 冷连 轧机 为对 象给 出 7一个设 计实例并给 出 7一个通用的 实时控制并行黑板 结构 R T C B。贯 穿全文 的一个

2、很重要的思想就是要致 力于开发 面向对象方法和黑板 模型的替在的并行、并发 特性 及 所构 造 系统 的 可 扩 充性 和 易维 护 性。关 键 词面 向对 象方 法，黑板模 型，并 行处理 实时专 家系 统 1 智能控制与实时专家系统 随着现代控制理论与技术 的进一步发展，传统的 自动控制方法 已经越来越难 以适应 太规 模、全方位 的 自动化 生产 的需要 人工智能技术和面 向对象方法等新技术在 实时 控制领 域的 应用 已经势在必行，而 传统 的人工智能方 法又受到了过程控制实际需求 的挑 战，存在着 大量 急需解决的问题，诸如；(1)知识 表达。实际 生产领域往往规模宏大，环境恶劣，不

3、稳定因素很 多。对这样复杂的 对象和领域专家的一些模 糊的经验进行抽象、概括和表达都将存在 很多困难。(2)机器学 习。复杂 的环境和大量的不稳定 因素也给 知识 的总 结和时态知识 的更新 带来 了麻烦。(3)浅层知识与深层知识 的结合。在知识 系统 中实现 经验 知识 和理 论知识 的有 机结 合是 当今人工智能领域 的一个难点。(4)基于不完全信息、模糊信息的推理。在实际控制领域往往有很多重要的参数无法测 定，很 多信 息的获得无 法满足实 时的要 求，很 多经 验知识无 法明确地表述，这就 需要实时专 家 系统具有缺 省决策能力。C 5)实时专家系统的运行速度、响应性、及时性、适应性等

4、实时性能的提高。这四种性能 对于 一个支持实时 问题求解 的系统来说是最 基本 的。Ra j e n d r a Do d h l a wa l a等(1 9 8 9)认为，解决 人工智 能技术在 实时领域 的应用 问题 的一个 直接 方法就在 于面 向实时性能以及灵活的知识处理软 体结 构。他 们从 响应性和及 时性 等实时 性能 的角度论述并 给出了一个黑板系统 RT-1，并对该 系统傲 了评价。R T一1是一个基于黑 收 镐 日期：1 9 0 3-0 7-2 c)高维 君，硬士研 究 生 研究 方 向为知 识的 并行 处理 苏士 杈 教 授，曾研 究 最优控 制 计算机过 程控 村系坑

5、机智 能(最优)结合 知识 工程和 实时 工智能 等有关 问题。维普资讯 http:/ l 期 高维君：一个基于面向对象方法的并行黑板系统的设计 直接 方法就在于 面向实时性能 以及灵活的知识处理软体结构。他们从响应性 和及时性等宴耐 性能 的角度论述并给 出了一个黑板系统 RT一1，并对该系统做 了评价。RTl 是 一个 基于黑 板模型的小型、粗粒 度 的分布式 系统。它在 实时性 能方 面显 示 出了其优 越性“。J a me s Ri c e (1 9 8 9)指 出 P o l i g o n系统的主要 目的是为 了消除在现有软、硬条件下黑板模型 的串行限制，并 在这 方面作 出了贡献

6、。Ri c e认 为 已有的 AI系统有很 多在 系统的易修改性和易调试性方面 而 不是在 系统妁 高实时性能方面花费了太多 的精力。而本 文在强 调系统的实时性 能的 同时 也 强调系统的可扩 充性和易维护性。这 无论从软件工程的角度还 是从实际 应用 的角度来 说都 是 必要的。我们认为采用面 向对象方法 和黑板模型可 以很 自然地 实现 系统 的高 实时性 以及易修 改性、易调试性，这几 个方面是相辅 相成的，不需 要通 过牺 牲某一方面性 能来补 偿另一方面性 能。并且，面向对象方法还可 以降低软件开发 的各 方面开销。这些观点后面还要进一步论述。本文将结合面向对象方法和黑板 模型 的

7、特点，着重论述 上面 所提 到的五个问题 中的(1)、(4)、(5)的解决 方法 以及 系统的易修改性、可扩 充性 问题。在系统设计过 程中，对象的定义都采用 C+中的类方法。系统 设计 的实际背景是东 北 大学轧钢实验室(国家重 点开放实验室)的 四辊冷连轧机。2 面向对象方法与黑板系统 黑板模型是现今 人工智能 界所普遍关 注的一个焦点，而面向对象 方法 则是 整个计算机 界 包括人工智能领域的一个热 门话题 面向对象方法 和黑板 模型 的并行、并发优势，以及很 多实 时控制领域的分布式特 点，为面向对象方法和黑板模型在 实时控制领域的应用提供 了条件。2 1面向对象方法 面 向对象的概

8、念最早 出现 于 S i mu l a语 言，在 S ma l!；a l k中得到 了进一步发展。现在，面 向对象的程序设计语言 已经很 多，面 向对象 的思想也 日益完善。面向对象 的程序设计方法学 包括面向对象 的系统分析 与设计 和 面向对象的编程技术。用 面向对象 的系统分 析 方法来构造 系统模型不仅可以改善软件的质量，而且可以缩短软件的开发周期，降低软件的开发与维护 费用。而面向对象的编程技术则以其代码重用、信息隐蔽以及系统的易修改性、易移植性和 可扩充性 而引人注 目。这 些特 点在构造大而复杂的系统中尤为明显。这里要强调 的一点是：由于面 向对象的程序设计能够 以个体 为单 位

9、对问题进行 自然 的抽 象与划分，并以对象 为单位来进行处理，所以面 向对象语 言所描述 的实体具 有简捷 自然、便 于通 信和高内聚低耦和等特 点，因此非常适合于并行、并发程序设计。2 2 黑板模型 原始的黑板模 型(图 1)是为了实现 问题求解的分级和并行而 提 出的 人们最初设 想的黑 板系统能够满 足 t (1)知识源是 自驱动的。(2)黑板的 内容表达了系统 当前的求解状态(3)黑 板对每一个知识源来说都是全局可见的。(4)任 一知识源都 能够 随时把 它运行过程 中所得 的结论 写到黑板上，而不与其 它正在活 动的知识 源发生任何 冲突。这是一个理想 的假设，在 现有 的计 算机环

10、境下是难 以实 行的。已 维普资讯 http:/】O 小 型 微 型 计 算 机 系 统 1 9 9 4筢 有的 串行和并行分布式黑板系统都对上述设想作了很多修改，尤其是串行黑板系统。但这些 都不 足 以掩 盖黑板模型突 出的优点，如；(1)黑板模 型 良好的并行性。每个知识源 被数据驱 动 后都可以独 立工作。(2)支 持多种知识表达方 法和推理方 法。一个复杂 的专家系统如果采用单一的知识表达方式和推理方法，其效 率和 效果往往很 差。在 黑板 系统 中，每一个知识源 都可 以采用 合适 的而不必是一致的知识表达方法、推理 隰 板 方法和搜索策略。圈 1 黑板模型(3)良好 的可 扩充性、

11、可 修改性。这是 由知识源划分的高 内聚、低耦台性质决定 的。3系统 的总体设计 3 1 系统 总体 结构 系统 的总体结构如 图 2所示，它是一个通 用的实时控制 并行 黑板结构。其 中，黑板用 于 存放问题的求解状态和系统的控制信息，相 当于一个全局数据库 系统监控模块相当于几个 系统控制知识源，用于系统的全局管理；每一个知识源(领域知识源)都相当于一个小型的领 域 专家 系统；I O处理模块是 系统 和现 场控制器的接 口，负责控制信 号的传递、数据的采集，并可 以进行 一些简单的 数据处 理。关 于知识 源、系统监控模块(控制 知识 源)和黑板 的设计后 面还将进一步介 绍。3 2 模

12、块问 消息 的传递 考虑系统的实时性能 中的响应性和及时性，将系统各模块间传递的消息分为两种类型：般消息和紧急消息。这里所有的消息都有一个优先级，般消息和紧急消息的划分是根据 墨 趣 的 1 0 处理 慎块 甚 越的 铮 嚣 处 理横块 感 兴趣的 知 识 铮 I 0 处 理横块 图 2 并行 黑板结 构 RT CB 优 先级 大小而定的。模块问 消息 的传递主要通过两种途径：黑板和管道。一般说来，一般 消息 维普资讯 http:/ l 期 高 维君：一个 基于面 向对象 方法 的并行 黑扳 系统 的设 计 l 1 只写 向黑板，对之感兴趣 的模块从 黑板上读 取该消息；而紧急 消息则 首先通

13、过管道传给对 它 非常敏感的模块，而后再写向黑板。每一个模块都有一个信箱(各模块的信箱结构因要处理 数据 的不 同而不 同)，很显然，模块处理信 箱中的消息也是按优先级进 行的。通过管道传递 的 消息和写 向黑板的消息从发送者角度来 说又可以分为 可擦除和 不可擦除两种。对于可擦除消 息来说，接 收者 只处理其最新 的，发送者发送新 消息时将擦 除没被取走 的旧消息，读写竞争 时，写优先。例如，钢板厚度、张力的大小等消息。而不可擦 除的消息，若送往邮箱则在邮箱 里排 队，邮箱满时发送 者写等待，若写向黑板，但黑板上数据 尚未被擦除，发送 者写等待，读 写竞 争时，读优 先。例如：在进行异 常处

14、理 时系统监控模 块 向某 一模 块发 出的一 系列 命令。每个模块在判断信箱里 没有要处理 的消息后再到黑板上取数据。一块黑板 的攘 除 由一个模块(此模块 读取该数据后擦除之)或几个 模块(这几个模块全部 或至少有几个 读取该数 据后擦 除 之)共 同完成。模块从 黑板 读取 的数据还存在一个是 否过时的问题，也就是说数据可能存 在时 间上 的不 一致性(如，当一个 I O 处理模块把刚 刚从 现场 得到 的钢 板厚度情况写 向黑板 时，钢板 的厚 度发 生了明显的变化，而有的知识源却可能从黑板上取 出该厚度数 据进 行处理并给 出控 制参 数 的变 化量或太 小，从而 可能 产生负作用)

15、同时还 会存 在几个功能 交叉 模块 同时处理 同一 种情况 的问题(例如，当两个模块 同时得知钢板厚度 太厚的消息后，若不 加以一定 的约 束，两 个模块就会 同时认为 只有 自己在控制钢板 的厚度而分别 将同钢板 的厚度有关的控制参数 调整 了一个 自己认为 的合适值，这种叠加的结果就会使钢 板厚度 太薄)。我们通 过等待应答、写锁 定 可能产生重复控 制的数据 区、注 明消息生成时间、久 等废弃(写等待 超 过一定 时间就废弃 要写的消息)等 办法来解决这个问题。本系统所使 用的黑板是一系列集中分 布于几个处 理器的进程。这种 方法 相对于分布式黑 板(黑板分布于各个模块)来说可以减步模

16、块 间消息传递 时路 由计算的开销并可 以使系统便于 管理、易于扩充。3 3系统控制 本 系统采用介于分布式控制和集中式控制之问 的一种控 制方法，目的是为 了增加 系统的 灵 活性和适 应能力。首先，各知识源和 I O处理模块 都有一定的控制和冲 突解决 能 力，可以 在允许 的范 围内 自行 控制，协商合作。而系统监控模块 中的几个 控制知识源则组成一个 全局 管理模块，进行任务 的动态分 配，处理各种其它模块所无法解决的冲突竞争和系统故 障。3 4 模块 的划分和对象 的抽象原则 连轧生产过程的物理分散(分布式多机架)给模块的划分和对象的抽象带来 了方便，而连 轧过程工艺参 数的紧密耦合

17、也给这些工作带来 了很大麻烦。系统 中对 象的抽象和划分我 们本 着高内聚、低耦合原 则，同时对象的抽 象还要强调各个实例的相似性 方面。3 5 缺省推理、模 糊推理和时态推理 在信息不完全的情况下，实时专家系统必须具有缺省推理(默认推理)的能力，系统应该 能够 根据 已知信息生成关于未知信 息的假 设，进而 由已知信息和假设推导 出结 论。模糊推理 和时态推理对 于一个实时控制 系统的可靠性、实用性 和实时性 来说也是必需 的 为了提高 系 统的 自适应性，系统将根据决策的理论值同实际情 况的差别适时地对 有关 控制参数 以及规则 中的 确信 因子、权重进行修正，并拥有 一定的时态推理能 力

18、，对将来 可能发 生的情况进行 控 制。比如系统得到 了“第 i 机架钢板出 口厚度稍 厚”的消息，系统将推断 出“在 将来某一段时 问 维普资讯 http:/ 1 2 小 型 微 型 计 算 机 系 统 1 9 9 4盎 内第 i+l 机 架钢 板入 口厚度稍 厚”的判断，从 而有可能在这段厚钢板 进入 第 i+1机架前重新 设 定了第 i+l 机 架的辊缝 高度 并在 正常厚度钢板到来时恢复第 i+l 机 架的辊缝高度。3 6 知识表达 用产生式规则表示的知识库中的规则定义如 下；：一 ：一 ：=：一 1 AND 1 OR NOT ：一 1 AND j OR l NOT ：；1 1 ：一

19、：一 ：一 ：；：=：一 ：一 规则的失效期 必须是生效期 以后 的某 一时刻，而生效期则 可以是现在、过 去或将来的某一 时 间点。若失效期缺省则表示规则的有效期从生效期开始直到其被修改为止。下面是一个厚度 控制规则例子；h Ru l e(1)(3 8 L a B i t Th i c k)1 0 5)AND(No S t e e l Pi l e s Up)0 8 0 5)(S e t ()(3 1 5 9 3 s；0 8：2 0)(】)它 表示“第 3 机 架钢 板 出 口厚 度稍 厚(可 信度 为 1，权 重为 o 5)且 没有 堆 钢现 象(可信度 为 o 8，权重 为 o 5)时应

20、调 用 S e t S i()模块重新设 置第 i 机架的辊缝高度，其可 信度 为 1”，该规 则名为 h Ru l e，规则号 为 1，生效期为 1 9 9 3年 3月 1 5日 5点 O 8分 2 0秒，失效期缺 省。本系统的知识表达也采用了框架理论，其定义在此就不给出。动态知识库 中的事实知识 则以“事实名(事实 1；事实 2；)”形式来存储。3 7 搜索策略 维普资讯 http:/ 1期 高维君：一十 基于 面 向对 象方 法的并 行黑 板系 统的设 计 1 3 本 系统 出于 实时和提高产 品质量的考虑对于不同响应优先级 的控制需求采 用不同的搜索 策 略，并加入 启发信 息。对 于

21、必须立 即处理的信 息，系统给 出最先找 到的 可行 解或满 意解；对于时 间需求 不很高 的信息，系统尽量给 出它所认为的最 优解。3、8 可信 度的计算 对 于结 论的可信度 R CF j，为了避免极 端情 况，权衡条件的可信度 C CF,和 权重 w，我们 采用如下计算方法：RCF =C F*mi n C CF 1 W，C C F 2 W 2 C C F n W n，1；其 中 C F表 示整个规 则的可信 度。4 知 识源的划分与定义 在 系统设 计过程 中，作者利用 面向对 象的方法，对冷 轧机控制的各个环节 以及其数学模 型、经验 模型等进行 了分析 和抽象，以功 能为对象(因为参

22、数是 紧密耦合 的)将 知识源(领域 知识 源)进行 了如下划分：第 一 层 巨叵巨叵 第 二 层：l速 度 控 制 知 识 源 l I 张 力 控 制 知 识 探 l I 位 置 控 射 知 识 源 l 并将系统监 控模 块划分为如下几个控制知识源 并行 任务分配 知识 源。冲突判决知识 源。故障检测 与处 理知识源。需要说 明的一点是：上 述划分 中有些知识 源(同一层 的)的功能是 交叉的，例如速度控制 不可能 与张力控 制无关。这是很难避免的。钡墟 黑板 控 耕 黑 板 圈 3 知识 源 圈 4 黑 板的 划分 每一个知识 源的结构如 图 3所示，包括 机器学 习部分、知识库、推理机和

23、 I O 模块。基 于 c+的类方 法的知识 源的定 义 由于篇 幅原 因此处从略。维普资讯 http:/ 1 4 小 型 微 型 计 算 机 系 统 5 黑板 的设计 本系统所设计的黑板分 为领域黑板和控制黑板两大类，每一类又进一步细分 为一 系列 子 黑板(见图 4)。其 中领域黑板用来存放问题的求解状态，控制黑板用来存放 系统 的控制信息。黑板的划分是为 了降低系统 的通信开销，提高 系统的访 问速 度，减少 数据 的交 叉访问，提高 数据的安全性。黑板的 c1-+定 义也从略。6 结束语 本文 给出了一个用面 向对象方法来设计并行 黑板 系统以实现智能控制 的思想和方法。本 设计 的一

24、 些模块 已在 UNI X系统上用 c+仿真实现。进一步的工作是实 现和开发系统的逻 辑并行性。参考文献 1R a j e n d r a Do d h ia wa l a，N S S r i d h a r a n P e t e r Ra u l e f s，Cy n t h i a P i e k e r i n gR l-Ti meAI 8 y s t e r a：A D e f i n i t i o n a n d An Ar c h i t e c t u UCA1 89 2 J a Ric et Th e El i n t App l i c a t ion on Po l t

25、go ：Th e Ar c i dt e c t u r e an d Pe r f o r ma n c e a Co n c u r r e nt Bl a c kb c r d Sy s t U(AI 8 9。3)Da n i e l Cor k i l ，Bl a e khe a r d Sy s t e ms，AI Ex pe r t S ep t e mb e r 1 9 91 4 La r y0 h r i e n，OOP i n t he Re a l W o r l dA I Exp e r t，A u gu s t 1 9 9 1。5 K a d E r i k Ar z

26、n An A r c h i t e c t u r e f o r E x p e r t S y s t e m B a s e d F e e d b a c k C o n t r o l t 博士论文 6)扬节 轧铷过程数学模型 冶金工业出瓶杜 1 9 8 3 年 1 o月。THE DESl GN OF A PARAL L EL BL ACKBOARD SYSTEM BASED ON OB J ECT ORl E NTE D ME THOD Ga o We i j u n (N o r t h e as t e r n U n l v e m y Su Shi qua n Sh e

27、n y n g 1 1 0 00 6)Ab s t r a c t Th i s p a p e r f i r s t p r e s e n t s t h e i d e a s a n d me t h o d s o f h o w t o c o n s t r uc t a l a r g e s c a l e p a r a l l e l b l a c k b o a r d s y s t e m f o r r e a l t i me c o n t r o l，a n d t h e n g i v e s a g e n e r a l a r c h i t

28、e c t u r e o f p a r a l l e l b l a c k b o a r d s y s t e m u s e d f o r r e a l t i m e c o n t r o l、A k e y i d e a t h r o u g h t h e p a p e r i s t o d e v e l o p t h e c o n c u r r e n t c h a r a c t e r i s t i c s o f o b j e c t o r i e n t e d me t h o d a n d b l a c k b o a r d mo d e 1 Ke y w o r d s Ob j e c t-o r l e n t e d me t h o d，B l a c k b o a r d mo d e l t P a r a l l e l p r o c e s s i n g R e a l t i m e x p e r t s y s t e m 维普资讯 http:/