汽车制动专家系统人机界面设计和知识库的建立

    引言
   
    专家系统自20世纪60年代末诞生以来，一直是人工智能领域最活跃的一个分支。如果在汽车制动领域引入专家系统将会有很广阔的应用前景。
   
    1、系统的功能
   
    汽车制动专家系统是汽车制动性能分析和计算的综合性软件，能够模拟专家的思维。汽车制动专家系统包括知识库、推理机、动态数据库和自学习模块 。其中，知识库共包括20多项设计项目，涉及汽车制动系统设计的各种设计技巧。推理机对知识库的计算结果以设计任务为目标函数进行推理和优化，是实现真正专家推理的关键部分，动态数据库用于管理和存储输入、输出数据及中间计算结果。自学习模块是专家系统运用数据库存储的数据和知识库的知识不断丰富和提高自身处理问题能力的模块。
   
    2、人机界面设计
   
    汽车制动专家系统的计算和分析内容很多，功能也很强大。各功能之间既相互独立又相互依赖，这就需要一个好的人机界面将这些内容有序地组织起来。另外，好的界面对于专家系统的用户也是一个好的使用向导。
   
    2.1 人机界面设计需解决的问题
   
    一般计算机应用程序的计算内容和操作项目都设计成菜单管理。但是，汽车制动专家系统不适合用菜单管理。① 它包含的计算内容和操作项目有20多项，很难用菜单管理起来。更主要的是每个计算项目还包括数个小的计算和操作内容，这就使菜单管理方法更难以实现。② 专家系统中各计算项目之间是相互联系的，如果将它们分别安排在不同的菜单中，相互调用的时候会很不方便。③专家系统包括汽车制动领域很多方面的知识和设计技巧，能够解决多方面问题，因此专家系统的界面上应该全面体现出各种功能模块。④ 从计算结果的可视化的角度来看，专家系统要输出大量的性能曲线图和计算数据表格，应该把这些结果显示在程序的主界面上，使用户一目了然。出于以上4方面的考虑采用了以下的界面设计方案。
   
    2.2 人机界面设计方案

    采用Visual C++程序设计的CJLibrary界面开发工具生成OutLook风格的程序界面，如图1所示。界面包括4个区域。最左边的区域包括20多个滚动条，囊括汽车制动专家系统的20多项计算项目。鼠标左键点击任意计算项目滚动条，该计算项目所需参数输入项和包含的计算内容就会显示。用户输入参数后，点击任意计算项目即可完成相应的计算和操作，计算结果和必要的说明显示在视图区(界面的右上方)和注释区(界面的右下方)。左边第二个区域显示的是专家系统各计算项目中操作内容的目录树，主要显示已经完成的和正在进行的计算项目。

图1 汽车制动专家系统程序界面

    2.3 参数的输人
   
    系统中每一组计算项目下都有一个参数输入对话框。用于输入该计算项目中各项计算和操作内容必需的数据。参数输入对话框要和参数模块进行数据交换(参数模块的功能将在3.3节中介绍)。这样可以提高数据输入的效率，增强数据输入的灵活性。
   
    3、系统知识库的建立
   
    知识库是存储于计算机中的知识的集合，是制动专家系统的核心之一。知识库对知识的表示和组织直接关系到推理机工作效率的高低，因此建立高效合理的知识库对于制动专家系统的开发是至关重要的。
   
    3.1 系统的知识结构
   
    知识库中既包括汽车整车制动性能设计又有制动系统结构参数设计。在实际设计任务中，这两方面工作往往交叉进行。这就要求在建立知识库时不但要考虑知识的完整全面性，还要考虑各计算项目之间的协作能力和它们组合起来适应不同任务目标的灵活性。另外，制动专家系统的功能应具有可扩充性。比如在扩充专家系统功能时，可以在系统已有的ABS性能分析模块的基础上扩充TCS性能计 ：和分析功能模块。出于以上各方面因素的考虑，构建知识库时采用了模块化设计的方法。
   
    3.2 知识库的模块化设计方案
   
    模块化设计是指将设计系统目标分解成若干个模块分别进行设计，然后在模块的基础上完成设计任务。汽车制动专家系统的模块划分和模块间的关系如图2。为了实现各模块之间的协作和数据通讯，每个模块都有与相关模块通讯的接口，以便相互之间灵活调用。

图2 汽车制动专家系统模块关系图

    3.3 参数模块的作用和优点
   
    如图2所示参数模块是一个全局可见的数据结构，它的元素对应着整个专家系统所需的全部数据。参数模块一方面与人机界面的参数输入对话框(数据输入模块)相连，接收用户输入的数据；另一方面与知识库的各计算功能模块相连，为它们提供计算参数并接收计算结果，进而实现模块间的数据通讯。使用参数模块的优点表现在4方面。
   
    (1) 便于各模块的数据管理和相互通讯
   
    参数模块是一个全局数据结构变量，它的各个元素对应着全系统各种计算和操作所需的参数以及保存计算结果的变量。由于专家系统工作时需要输入很多变量，而且有的变量不只一个模块需要，如果分别管理不仅浪费存储资源且很混乱，也不利于模块间的数据通讯。所以通过参数模块的运用能够提高程序的运行效率，便于管理和维护。

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    (2) 提高人机界面的数据输入效率
   
    对话框输入项目与参数模块的关系如图3所示。程序内部生成对话框后，各输入栏以参数模块中数据结构的对应元素赋初值。如果输入栏显示为“0”，说明用户还未对该元素赋值，用户只需对这个输入栏输入数据然后点击“确定”，用户输入的数据就存储到参数模块数据结构中，以备程序调用。当进行其他项目计算时点击参数输入操作后，弹出对话框情况完全相同，只是前面输入并存储到参数模块数据结构对应元素的数值会显示在与之对应数据输入项中，从而保证在对单一车型的一次使用中所有数据最多只需输入一次。

图3 对话框输入项目与参数模块的关系

    (3) 数据存储不易出错
   
    专家系统应该有数据存储功能以备将来参考。如果没有统一的数据管理方案数据存储将会一片混乱。引入参数模块后使程序的数据都集中在一个大的结构中，分别体现为结构的各个元素，存储时只要
    按照结构的存储要求将其元素依次存储即可。
   
    (4) 为建立动态数据库提供方便
   
    专家系统应该有动态数据库，它是推理机进行推理的依据之一，也是专家系统自学习模块的基础。采用参数模块使专家系统的数据管理结构化、有序化、简单化，从而方便了动态数据库的建立和管理。由于动态数据库内存储的数据具有上述特点而便于专家系统对其数据进行访问、提取、比较和分析，因而更有助于推理机和自学习模块功能的发挥。
   
    4、系统应用测试
   
    为测试汽车制动专家系统的实际应用价值和计算分析结果的有效性，将CA6471型轻型客车的数据输入专家系统，并将程序运行结果与该车的实测数据及相应的制动法规相比较。部分结果总结如下。
   
    4.1 制动效能因数计算
   
    前轮盘式制动器：专家系统计算得0.7，实际为0.7，两者完全相同。

    后轮鼓式制动器：专家系统计算得2.024075，实际为2.0205，与专家系统结果近似。
   
    4.2 利用附着系数与ECE制动法规
   
    用专家系统计算得到的空载、满载制动强度——利用附着系数关系曲线与M2类车ECE制动法规标准线比较，如图4所示，可见该车基本满足ECE制动法规(GB12676－1999)的要求。

图4 制动强度与利用附着系数关系曲线

    4.3 附着效率和制动强度曲线分析
   
    经专家系统分析得出制动强度——路面附着系数——路面附着系数利用率关系曲线如图5所示，从图中可看出该车在高路面附着系数的路面(φ>0.6)附着系数利用率很高；中等路面附着系数路面(0.3<φ<0.6)附着系数利用率较高；低路面附着系数路面(φ<0.3)附着系数利用率稍差(68%～75%)。

图5 制动强度——路面附着系数——路面附着系数利用率曲线

    4.4 减速度和制动距离计算
   
    经专家系统分析输出的制动减速度制动距离如图6所示，专家系统计算得该车空载时减速度为0.754 g，制动距离为14.41 m，实测制动距离为15.2 m，误差率为5%；满载时减速度为0.504 g，制动距离为27.80 ITI，实测制动距离为28.9 m，误差率为4%，均在允许误差范围内。

(a) 踏板力——制动减速度            (b) 计算值            (c) 实测值
图6 制动减速度与制动距离分析

    5、结论
   
    (1) 汽车制动专家系统的界面设计方案有效地解决了知识库各功能模块管理和计算结果的可视化问题。
   
    (2) 模块化设计为专家系统知识结构复杂、不易编程的问题提供了较好的解决方案。
   
    (3) 数据存储模块为解决专家系统各模块间数据通讯和数据存储及参数输入等问题提供了方便。
   
    (4) 测试结果验证汽车制动专家系统计算分析的结果是有效的，可以作为汽车制动系统分析设计的依据。