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摘 要: 为使电网图成为电力系统应用软件的通用I/O接口，同时解决电网图的自动绘制问题，构建了一种基于面向对象知识库的电网图智能CAD系统。通过把专业图形的基本元素处理成知识对象，再将关系数据库作为实事型知识的重要载体、绘图规则编成过程写入知识对象，以及将绘图方法和经验转化成推理策略，并选用产生式专家系统的工作模式，使系统成功获得自动绘图、识别图面细节以及维护知识库绘图知识等多项智能行为。
关键词: 智能CAD; 面向对象知识库; 产生式系统; 电网图
1前言
当今，CAD技术已经成为现代工业设计中不可缺少的工具。随着计算机技术与人工智能方法的发展和人们对CAD技术越来越高的要求，具有一定智能的CAD集成系统（ICAD）随之产生，并成为近20年研究的热点。其中，基于面向对象知识库的智能CAD系统以其结构清晰、模块性强、知识冗余度小等特点，更具有强大的生命力［1］。
电力系统有大量的电网主接线图需要借助AutoCAD完成设计和绘制。这些电网图被公认为是电力系统应用软件最理想的人机交互媒体，这时的电网图必须能够理解用户的意图，向系统传递消息并作出系统的反映。也就是说，在形成这种电网图的过程中，需要将一定的智能信息赋予其中，使应用系统能够正确识别其细节的状态，这是一般CAD绘图系统所不能及的。再考虑到电网图的数量之多，绘制或修改每一张电网图的工作之繁重，更有一种高层次的需求，就是希望CAD系统自动绘出能够兼作应用系统人机交互媒体的、基本符合 工程规范的电网图，这就是研制电网图智能型CAD系统的需求背景。
2电网图智能CAD系统的结构
一般，智能CAD集成系统需要多个不同功能的软件模块作支撑，这些模块之间的良性连接和相互支撑往往是构建该类系统的技术关键。通常，智能CAD集成系统的体系结构包 括设计计算模块、专家系统模块、I/O接口界面和数据与知识管理模块［2］。其中，专家系统模块又由知识库、动态库、解释与推理及知识获取几大部分组成。
电网图智能CAD系统除了具有一般系统的属性之外，其特殊功能还表现在绘图工作的智能化（按照专家经验和工程规范自动绘制），两两设备图元之间连线工作的智能化，以及赋予各设备图元及连线必要的、能被应用系统所解读的数据和信息。本文以对整个系统的需求分析为基础，根据具体的功能要求和实际开发难度，参照智能CAD系统的一般结构，构建电网图智能CAD系统如图1所示。
首先，把构成电网图的基本单元切分出来，组成反应各自电气设备属性的关系数据库和反应图形信息的图元库，再将基本绘图规则组成规则库，上述数据库、图元库和规则库实际上存储的就是知识库的事实型知识和推理型知识，它们不随电网图绘制过程发生变化，是知识库的静态部分，而知识库的动态部分则用来存放绘图过程的有效信息。
自动绘图的智能行为就是把动态库作为问题的求解空间，由推理机不断地调用图元和规则完成电网图各图元的自动布局，再不断地调用规则和推理策略完成图元间的自动布线，其间，动态库的状态不断地被修正。这显然是产生式专家系统的构架，它的全局数据库由知识库的动态部分来担当，规则库位于知识库的静态区，包括推理策略在内的推理机则独立于知识库之外。
I/O接口除了包含所有CAD系统必备的图形编辑平台之外，图元编辑器的载入能够使系统适应电网图作图规范的调整以及设备图元的更新，它将和图－库链接技术一起赋予系统获取事实型知识的能力和将全部事实型知识的维护工作交给用户的能力。
总之，图1的构成层次是，基本绘图单元、基本绘图数据和基本绘图规则形成静态库，绘图 图面状态形成动态库，静态库和动态库构成自动绘图知识库，知识库外加推理机组成专家系统，专家系统配上I/O接口形成电网图智能CAD系统。
3面向对象知识库的构建
智能CAD系统的核心是知识库及其知识的使用。开发知识库有两种途径：把AI技术引入已有的数据库系统，特别是关系型数据库系统，建立知识数据库；或者直接从知识的表示着手，建立知识库模型及知识库系统［3］。为了在电网图与电网关系数据库之间建立起有机的联系，并将数据库中的数据处理成绘制电网图的事实型知识，本文采用第一种方法构建电网知识库。
在若干种表达知识的方法中，面向对象的方法无论在知识的存储和组织的效率上，还是在推理和获得新知识的能力上，都具有明显的优势，它把问题的属性（事实型知识和概念型知识）连同求解问题的智能行为（规则型知识）模型化为对象。利用封装、继承和多态等技术，恰当地表示出不同领域、不同层次的知识，并有效降低知识描述的冗余，这些都使得基于知识库的问题求解能力和面向对象的推理能力得到显著提高［4］。基于以上考虑，本文采用面向对象方法构建电网图智能CAD系统的知识库。
3.1知识对象的确立
科学恰当地界定知识对象是建立面向对象知识库的关键，特别要遵循这样一条普遍原则，就是在分析、设计和实现复杂系统时，应使系统的描述与我们认识客观世界的思维一致，以便运用知识实现智能推理。分析电网图的图面结构，不难看出：任何电网图都可以分拆成简单的设备，连线和母线。而每一台电网设备、每一条电网线（连线）和母线都具有自身的电气属性和在网中的连接关系，把这些图形的基本元素抽象成知识对象，通过知识对象及其相互关系实现对电网图的描述是合理可行的。
一般来讲，知识对象内必须封装有能够清楚描述该对象属性和行为的信息，即对象的事实型 知识和处理方法，并具备与外界交换信息的接口［5］，如图2所示。对于电网图的知识对象来讲，事实型知识采用两种表示方法：（1）直接写入变量，如图元符号、图元名称等；（2）与存放电气元件技术参数和运行参数的电网数据库进行连接。处理方法描述对象的动态知识，包括知识的获取方法、推理方法、消息的传递方法以及知识的更新方法等，它们主要用于对象内部的推理过程。接口则规定了外界能够访问该知识对象的属性与过程，主要实现对象外部调用。
3.2知识类库的建立
对具有相同外部特性与内部过程的知识对象进行抽象，便可以形成知识类。知识类严格地规定了对象实例的从属关系，使实例真正获得继承性。按照电网图知识对象的定义和知识类的构建规则，从母线和连线对象抽象出节点类，从具体设备对象抽象出设备子类（单节点、双节点和多节点），设备大类又从设备子类抽象而来，如此形成电网图知识类库结构，如图3所示。可以看出，类库鲜明的层次化特点，使面向对象知识库的知识组织结构清晰，知识对象间依存关系清楚，知识冗余度极小。
3.3知识的存储
按照图1所示知识库的组织原则，电网图细节的属性及其连接关系，电网图的几何结构及其 位置关系都被处理成知识，放置于静态库和动态库中，这些知识的存储办法取决于知识的描述方式。
1)借助知识对象描述的知识借助知识对象描述的且需要存储的知识有电气属性和图元属性。其中，电气设备属性及设备间的连接关系作为事实型知识存于关系数据库中，对这部分知识，知识对象只是充当用户与数据库之间的桥梁作用；而用于描述图元几何信息及出线点的图元属性则需要转换成数据文件存储在图形库中。
2)推理过程中产生的知识这部分知识反映的是系统绘图的结果，存储于动态数据库之中。特别需要指出的是，上述几种不同方式的知识存储是配合整张电网图的存储（通过面向对象语言Visual C＋＋中对象的“序列化”方法）共同完成的，这样使知识库中的知识富有活性。
4自动绘图专家系统模块——产生式系统
自动绘图是智能CAD系统典型的智能行为，需要系统运用知识库中的知识通过推理机进行推理。在电网图智能CAD系统中，由于采用了面向对象的知识表示方法，使得推理过程表现为反复调用封装在知识对象中的规则型知识以及推理策略。这种基于规则的推理技术，特别适合选用产生式系统。
4.1实现方案
产生式系统由三部分组成，分别是综合数据库、规则库和控制系统。
1)综合数据库
综合数据库是产生式系统的主要数据结构，用来表述被求解问题的状态或有关事实，记录所求解问题的信息，它的每一个数据既是构成产生式的基本元素，又是产生式作用的对象，随着产生式系统问题求解(推理)过程的进展，综合数据库的内容动态变化。对于电网图来讲，求解问题的空间是电网图的图面，在将图面划分成横向和纵向的栅格之后，规定标准绘图图元覆盖4×4个栅格，图元出线点重合于横、纵向栅格线的交点，栅格线作为图元间可能的布线路径，栅格交点的布线使能状态对应于走线的规则，并用二维数组Grid［n，m］来反映整个绘图图面的栅格点状态，其中n和m分别为横向和纵向栅格数，数组元素Grid［i，j］记录图面（i，j）处栅格点状态。这样的二维数组一方面用其序号对所有图元对象进行逻辑的和几何的定位，同时又是电网图智能布线的综合数据库。
2)规则库
规则库是封存产生式规则的容器。产生式系统的规则一般用IF…THEN的形式表示，具有 形式上的一致性，便于理解和定义的特点。例如，在对布线问题的规则描述上，每个栅格点 可扩展方向的信息记录于数据库元素Grid［i,j］之中，并编写基于数组Grid［i,j］的栅格点扩展规则如下：
R1：IF当前栅格点可以向右扩展THEN扩展右侧栅格点
R2：IF当前栅格点可以向左扩展THEN扩展左侧栅格点
R3：IF当前栅格点可以向上扩展THEN扩展上侧栅格点
R4：IF当前栅格点可以向下扩展THEN扩展下侧栅格点
3)控制系统
控制系统是规则的解释程序，它负责整个产生式系统的运行，规定着如何选择一条可应用的规则对综合数据库进行操作，即决定着问题求解过程的推理路线。这些重要的行为特别需要一套行之有效的控制策略作支撑。在电网图自动生成问题上，控制策略来源于对电网图结构特点的分析，来源于对人类绘图经验的归纳和提炼，当对这些控制策略优化组合之后，可以极大程度地减少问题搜索空间，提高布线效率。
4.2推理
对于绘制电网图这一特定问题来讲，专家的绘图惯例是，首先将图面做粗线条划分，然后摆放母线，再绘母线间图元，最后完成图元之间及图元与母线间的简单连线（短距离，无拐点）和复杂连线（远距离，有拐点），这些是编制自动绘图推理策略的主要依据。具体做法是 将整个推理过程分成“自动布局” 和“自动布线”两个阶段。“自动布局”分解为三步：( 1)分割网络推理；(2)对子网络母线及母线间图元的逻辑定位进行推理；(3)根据子网络规模和子网络数量对每个图形元素进行几何定位推理。“自动布线”被分成简单布线和复杂布线，简单布线往往一步推理成功，而复杂布线是推理技术的关键，需要将专家布线经验转化成推理知识，在不断匹配、冲突消解和操作中完成每一次的复杂布线，推理过程详见图4。
5 I/O模块
基于智能性的要求，本系统的I/O模块不仅对传统CAD的图形编辑平台作了功能上的扩展，同时设计了用于维护知识库相关知识的图元编辑器。
5.1智能性图形编辑平台
本系统图形编辑平台的智能性主要体现在以下三个方面：
1)专业图元被知识对象化根据绘制电网图的工程规范，我们把电网图中的基本图形要素制作成专业图元，与一般CAD系统提供的绘图图元不同的是，这些专业图元同时被处理成 知识对象与知识库联系在一起，是重要知识载体的外在形式。
2)自动布线功能的嵌入这时只需要将自动绘图过程中的复杂布线推理模块独立出来，每当点击有连接关系的两个图元之后，便可启动该模块工作，自动完成两两图元间的布线。使得在不削弱用户对电网图编辑能力的前提下，显著减少人工绘图的工作量。
3)图形细节的识别能力和对关系数据库的管理由图3可知，本系统将电网图面上所有的图形元素与知识库中的知识对象一一对应，点击图形元素之后，就可检索到该元素所有的知识背景（通常指位于关系数据库中的电气属性和电网运行参数），进而实现对关系数据库的管理。
5.2图元编辑器
把一些标准图形及频繁使用的功能图块制作成图元，以提高绘图效率和所绘图形的标准化程度，是各种专业CAD系统普遍的做法。一般来讲，这些预先设计好的图元不能适应由于工程标准的更改或新型设备的出现所带来的图块的增改。传统CAD系统通常的应对措施是提供一个由用户修改图元几何信息的平台。
在图1所示的基于面向对象知识库的智能CAD系统中，图元被提升为知识对象，这要求在对图元进行几何修复或创建新图元图形时，进一步完成图元知识化的处理，即对图元的细节知识进行描述、处理与利用，建立起图元与知识库的连接。为此，作为对智能CAD系统的功能扩展，我们开发了图元编辑器。
图元编辑器本身也是一个智能的图形编辑平台，它通过图形界面以及知识库维护与扩展的连接通道，实现对图元及其知识库的扩充和维护。每当用户编辑或修改图元时，系统都要向用户索取图元所代表的电气设备信息，然后在电网关系数据库中动态生成相应的电气信息表，并把新图元的几何信息与电气信息封装成知识对象。通过知识对象的生成与实例化过程，直接建立图元与数据库的连接，使新增或修改后的图元真正的知识化，进而实现对知识库的修改与扩充。
6结论
以通用CAD系统基本功能和绘图模式做参照开发专业CAD系统，因其广泛的市场需求而备受人们的关注。由于专业CAD系统的绘图任务针对性强，且具有可遵循的行业规范，使得研制吸纳行业专家绘图经验的、具有自动绘图功能的智能型专业CAD集成系统成为可能。
本文以解决电网图智能CAD问题为研究背景，给出的基于面向对象知识库的智能CAD系统的构思和实现方案在以下方面突现优势：
1)将专业图的基本元素(图元)处理成知识对象，再将绘图规范和绘图规则、图元属性和图元参数融入其中，由此形成的面向对象知识库可以做到活化专业图中的每一个细节。
2)利用推理机充分容纳专家绘图经验和方法，在将绘图图面处理成推理空间之后，自动绘图专家模块便对产生式系统的工作模式显现出特别的适应性。
3)面向对象方法中的链接技术可直接将已被人们普遍使用的关系数据库处理成知识库的重要成员，这时候，一旦数据库中含有充分的图形结构信息，就能在自动绘图模块的工作下，完成由数据到图形的自动过程，同时实现数据库的可视化（图形）管理。
说明：本文重点介绍基于面向对象知识库的电网图智能CAD系统的研究思路及各环节核心技术的思想方法（这些思路和方法应该对研制专业型智能CAD系统具有较普遍意义），有些技术细节，特别是关于电网图绘制的推理过程中“自动布局”和“自动布线”技术细节，自动布置两图元间连线时解决连线与所经路径的其它连线不重合或交叉问题的技术，对基本绘图规则的推理型知识的类描述举例，在知识对象中封装处理方法（推理方法和知识更新方法）举例等，请参阅文献［6］和［7］。
参考文献
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［3］徐洁磐,马玉书,范明.知识库系统导论［M］.北京:科学出版社,2000
［4］王德俊,周士斌,等.面向对象知识库的设计［J］.计算机应用与软件,2002.1 9(9):15-17
［5］童秉枢.现代CAD技术［M］.北京:清华大学出版社,2000
［6］王萍,王利军.面向对象电网知识库系统的研究与实践［J］.电力系统自动化,2002,26(11):62-65
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