（控制理论与控制工程专业论文）火电厂报警诊断专家系统的研究与开发.pdf

华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 报警诊断是运行人员依照运行规程、经验，根据现场情况进行判断、推理、处 理的过程，它难以用精确的数学模型来描述，不可能通过传统的数学方法来求解或 得到解决。以往技术人员虽然在对报警信息处理时采用了半结构化方法，但是这种 人工方法速度很慢，如果对一些相关数据的发现、处理不及时就会导致系统运行不 正常。鉴于上述情况，研究并开发了火电厂报警诊断专家系统，来及时、在线地对 故障有关的数据进行处理，得到故障原因和操作指导，从而使系统尽快恢复正常， 保证生产的顺利进行。主要工作包括四个方面：整理了报警诊断知识；使用c l i p s 开发了报警诊断专家系统的知识库；使用v i s u a lc + + 开发了报警诊断专家系统的平 台；实现了c l 。i p s 与v c 无缝的结合。 关键词：专家系统，报警诊断，c l i p s a b s t r a c t a l a r md i a g n o s i si st h ep r o c e s so fo p e r a t i n gp e r s o n n e lj u d g e ，i n f e r e n c ea n dd i s p o s a l a c c o r d i n gf i e l dc o n d i t i o nb yr u nr u l e sa n de x p e r i e n c e i ti sd i f f i c u l tt od e s c r i b eb yp r e c i s e m a t hm o d e la n dc a n tb es o l v e db yt r a d i t i o n a lm a t hm e t h o d t e c h n i c a lp e r s o n n e lf o r m e r l y d i s p o s e da l a r m i n gi n f o r m a t i o nb yh a l fs t r u c t u r e dm e t h o d ，b u tw h i c hw a ss l o w t h er u n o fs y s t e mw i l lb ea b n o r m a li ff i n d i n ga n dd i s p o s i n gd a t al a t e h e n c et h ee x p e r ts y s t e m f o ra l a r md i a g n o s i si nt h e r m a lp o w e rp l a n th a sb e e ns t u d i e da n dd e v e l o p e di nt h i sp a p e r ， w h i c hg a i n e dt h ef a u l tr e a s o na n do p e r a t i o ng u i d ea f t e rd e a lw i t hd a t ai nt i m ea n do n l i n e i tc a nr e t u r nn o r m a ls y s t e ma n de n s u r et h et r o u b l e - f r e eo p e r a t i o na ss o o na sp o s s i b l e t h e r ea r ef o u rm a i nw o r k s ：a r r a n g i n gt h ek n o w l e d g eo fa l a r md i a g n o s i s ，d e v e l o p i n gt h e k n o w l e d g eb a s eb yc l i p s ，d e v e l o p i n gt h ep l a t f o r mo fe x p e r ts y s t e mf o ra l a r md i a g n o s i s b yv i s u a lc + + r e a l i z i n gt h el i n k a g eo fc l i p sa n dv c m ah u a ji e ( c o n t r o lt h e o r ya n dc o n t r o le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f , n i uy u g u a n g k e yw o r d s ：e x p e r ts y s t e m ，a l a r md i a g n o s i s ，c l i p s 声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文火电厂报警诊断专家系统的研究与开 发，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和取得 的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了 明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名墨整日期： 训 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学 位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名： 日期： 码璐乖 叫 ” 导师签名 弘衫多 日期：渺 6 如一 1 一 堕 华北电力火! 学硕士学位论文 1 1 课题研究的意义 第一章引言 正确监测火电厂设备状态，预测可能发生的故障，对相关设备做出状态检修或 维修预测，并为设备提供检修参考或决策意见，不仅可以提高设备的利用率，还能 有效降低检修费用，提高电厂的经济效益。以往技术人员虽然在对报警信恩处理时 采用了半结构化方法，即一方面根据报警信息要现场收集大量数据，并对其做计算 和估算，同时还要借助自己长期积累起来的经验知识，才能对问题做出回答。这种 人工方法速度很慢，如果对些相关数据的发现、处理不及时就会导致系统运行不 正常。鉴于上述情况，有必要创建专家系统，来及时、在线地对故障有关的数据 进行处理，得到故障原因和操作指导。从而使系统尽快恢复正常，保证生产的 i r o n 进行。 火电厂中很多问题难以通过建立数学模型、运用数值计算的方法来求解，将专 家系统技术应用于电厂自动化是一个发展方向，具有广泛的技术、经济意义。其主 要特点体现在以下方面：( 1 ) 应用专家系统组织汇集电力系统专家的知识和经验， 不仅可以提高整个电厂人员的技术水平，而且可以把这些知识和经验储存于知识库 中，咀实现全系统知识的共享。( 2 ) 专家系统常常是若干个专家知识和经验的总和， 因此，它的决策水平肯定会高于个别专家。( 3 ) 专家系统的工作是由计算机完成的， 它能快速、有效、不知疲倦地工作，不受环境、情绪等因素的影响，决策一般不会 出错，可靠性较高，可避免人为失误造成的重大经济损失。( 4 ) 专家系统具有解释 功能，可担负起训练高级技术人员的任务，有利于电力系统人才的培养和素质的提 高。1 我国大型火电机组经历了八五和九五期间的大规模建设，在装嚣水平上普遍采 用了国际或者国内最先进的分散控制系统( d c s ) ，作为防止事故的第一层防线的报 警技术已集成于d c s 中。d c s 中报警条件多达2 0 0 0 个以上，当发生故障时将出现大 量报警信息，使得操作人员无所适从。为了及时判断真正的故障原因，报警管理设 计诸如优先级、声、光等技术是重要的一个方面，另外一方面还需要大量的专家知 识，运行经验和复杂推理来判断故障类型、故障原因。因此，对于现场的工作人员 的专业水平要求很高。出于专业水平的限制，对于大量报警信息的出现，运行人员 就显褥无所适从了。n ， 报警诊断是运行人员依照运行规程、经验，根据现场情况进行判断、推理、处 理的过程，它难以用精确的数学模型来描述，不可能通过传统的数学方法来求解或 华北电力火学硕十学位论文 得到解决。而专家系统是一个在某一特定领域内，运用人类专家的丰富知识进行推 理求解的计算机程序系统，它正可弥补单纯数学求解的不足。所以，用专家系统来 解决报警诊断的问题，不仅是必要的，而且正好发扬了它的长处。 人工智能( a i ，a r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e ) 是经过4 0 多年发展起来的一门综 合性学科，旨在研究如何利用计算机等现代工具设计模拟人类智能行为的计算机软 硬件系统。人工智能的研究目前有两种不同的探索途径来实现人脑智能的模拟： 一是仿生手段，从结构上进行模拟，达到功能模拟的目的；另一个是直接通过启发 式程序模拟人脑功能，即专家系统。专家系统是人工智能领域的三大前沿( 专家系 统、模式识别和智能机器人) 的一个分支，它大量利用专家知识和推理、模拟专家 的决策能力来解决只有专家才能解决的问题。“1 目前专家系统的应用已经渗透到数 学、物理、化学、生物、农业、地质、气象、交通、冶金、化工、机械、政治、军 事、法律、空间技术、环境科学、信息管理系统、金融和信息高速公路等众多领域， 它的应用几乎渗透到各行各业，凡需要用专家知识解决问题的地方，都可以用专家 系统。“1 专家系统以知识为研究对象，包括知识的获取、表示和利用等。知识获取 是把用于问题求解的专门知识从知识源中提炼出来并转化为计算机程序的过程。专 家系统的解题能力主要取决于它所拥有的知识的数量和质量。”1 鉴于以上原因，本文研究并开发了火电厂报警诊断专家系统。该系统使用专家 系统工具c l i p s 实现了报警诊断的核心部分：知识库的构建和推理机的实现。使用 v is u a lc + + 开发了专家系统的界面、报警信息的输入，数据的处理等外壳部分。使 用动态链接库d l l 嵌入式实现了v i s u a lc + 十与c l i p s 的混合编程。 1 2 国内外研究现状 国内外对于专家系统的研究方兴未义，针对各个领域的专家系统不断面世。对 于c l i p s 的研究，相对国外而言，国内对于c l i p s 的研究却很少见，利用c l i p s 开 发专家系统实际投入使用的更是鲜见。 针对医疗领域，u n i v e r s i t yo fp i t t s b u r g h 丌发用于医疗的专家系统 c l i n i c a le v e n tm o n i t o r ( c l e m ) ，利用c l i p s 来建造知识库和推理机，使用c l i p s 嵌入式基于对象的编程，知识库有4 5 0 余条规则。”3 针对电力系统，由t e n n e s s e et e c h n o l o g i c a lu n i v e r s i t y 开发的e x p e r ts y s t e m f o rp o w e rq u a l i t ya d v i s e m e n t s 使用c l i p s6 0 建立一个电力品质诊断专家系统， 通过对监测数据的分析来确定引起电力品质退化的原因，给出符合情况的结论，为 用户使用电力设备、厂家制造电力设备等提供指导。”1 针对某铸造成型过程控制，由t h o m a sg f r e u n d 开发的q p a c l i p s 是c l i p s 的一个针对过程控制的扩展。依靠传感器信息建立的一个过程动作的网络。包括： 2 华北电力人学硕士学位论文 目标、传感器、过滤器3 个部分。目标描述了可供选择的过程状态变化。传感器和 过滤嚣提供了传感器信息使得状态变化。这些结构和运行环境就是内在的知识库， 执行模式匹配，激发目标动作执行。q p a c l i p s 已经在s p a r c 工厂成功通过测试， 对a l l e n b r a d l e yp l c 5 控制器提供控制。”1 f u z z yc l i p s 带有模糊逻辑的专家系统可以认为是对于传统专家系统的扩展， 可以对语言的不确定性进行表示与操作，对于基于规则的专家系统而言是很大的优 点。n a s a 开发的c l i p s 是布尔逻辑的专家系统外壳，可以用于开发大多数的专家系 统，f u z z yc l i p s 是a e r o s p a c ec o r p o r a t i 0 3 开发的带有模糊逻辑的c l i p s ，是对 c l i p s 的扩展，可以处理模糊的或者布尔式的知识表示。” 国外对于c l i p s 已经应用到核电站运行管理，对于国内的情况，在核电站反应 堆运行支持专家系统方面仍然处于可行性、开发分析阶段。1 国内对于c l i p s 的应用，还有上海交通大学使用c l i p s 对c o d o g 联合动力装置 进行故障诊断，开发的c o d l g 联合动力装置实时故障诊断专家系统仍然是带有预研 性质的课题，对于推广使用还很遥远。”当前合肥工业大学开发了小型组合式冷库 专家系统，”1 武汉科技大学开发了板坯连铸漏钢预报专家系统，“”湖南大学开发了 c a p p 专家系统，1 西北农林科技大学开发了室内环境评价专家系统。”5 3 当前国内对于c l i p s 的应用研究仍处于起步阶段，当前上海交通大学正在研究 的带有不精确推理能力的针对火电厂锅炉的故障诊断专家系统、以及北京理工大学 针对某些应用开发的专家系统框架系统。 1 3 本文主要内容 本文主要研究并开发了火电厂报警诊断专家系统。首先利用专家系统丌发工具 c l i p s 建立专家系统的核心部分一知识库，使用v c 实现了专家系统的外壳等，然后 将c l i p s 以d l l 方式嵌入到使用v c 开发的专家系统的平台中。主要内容如下： ( 1 ) 对火电厂报警诊断知识进行搜集、整理、总结，然后把知识进行归纳、处理 得到每个报警诊断的判定树。 ( 2 ) 对c l i p s 的语法、应用进行研究。使用c l i p s 把每个诊断的判定树写入知识 库，包括离线诊断和在线诊断两种情况。 ( 3 ) 使用v i s u a lc + + 开发报警诊断专家系统的平台，包括专家系统的界面、数据 的处理、判断树中具体算法的实现等。 ( 4 ) 研究c l i p s 的源代码，掌握其包装类c c l i p s w r a p 中封装的函数的具体使用方 法，以便能够在v c 中正确调用这些函数。 ( 5 ) 使用动态链接库d l l 方式将c l i p s 嵌入到v c 开发的专家系统平台中，完成了 3 华北电力火学硕士学位论文 火电厂报警诊断专家系统的开发。 本文从结构上分为2 个部分：第一部分包括第二、三章，为开发火电厂报警诊 断专家系统的智能理论基础。主要介绍了人工智能、专家系统系统原理，专家系统 开发工具c l i p s 。第二部分包括第四、五章，主要介绍报警诊断专家系统的总体设 计和具体实现过程等。最终完成了火电厂报警诊断专家系统的开发。 4 华北电力大学硕士学位论文 第二章报警诊断专家系统的智能理论 21 人工智能的定义 人工智能学科从1 9 5 6 年正式提出至今，4 0 多年来，取得长足的发展，成为一 门广泛的交叉和前沿科学。它是计算机科学、控制论、信息论、神经生理学、语言 学等多种学科互相渗透而发展起来的一门科学。人工智能的发展虽然已走过了4 0 多年的历程，但是人工智能至今尚无统一的定义。尽管学术界有各种各样的说法和 定义，但就其本质而言，人工智能是研究、设计和应用智能机器或智能系统，来模 拟人类智能活动的能力、以延伸人类智能的科学。人类智能活动的能力是指人类在 认识世界和改造世界的活动中，经过脑力劳动表现出来的能力。“1 2 2 人工智能的基本技术 尽管人工智能还是一个正在探索和发展中的科学，尽管人工智能至今还未形成 一个完整的理论体系，但就其目前各个分支领域的研究内容来看，人工智能的基本 技术应包括以下几个方面： 一、推理技术 几乎所有的人工智能领域都要用到推理技术。对于推理的研究往往涉及到对逻 辑的研究，逻辑是人脑思维的规律，从而成为推理的理论基础。推理技术包括自然 演绎推理、归结反演推理等技术。 二、搜索技术 所谓“搜索”，就是为了达到某一“目标”，丽连续地进行推理的过程，搜索技 术是对推理进行引导和控制的技术。所有智能活动的过程都可以看成或抽象为个 “问题求解”的过程，实质上是在显示或隐式的问题空间中进行搜索的过程，对某 一状态图，就是在逻辑网络上进行搜索的过程。搜索技术也是- - 8 中规划技术，如著 名的a 算法和a o * 算法就是两个重要的启发式搜索算法。现代的神经网络技术开辟 了问题求解与搜索技术研究的新途径，如h o p f i e l d 网解决3 1 个城市的旅行商问题。 三、知识表示与知识库技术 知识表示指知识在计算机中的表示方法和表示形式。涉及知识的逻辑结构和物 理结构；知识库类似于数据库，知识库技术包括知识的组织、管理、维护、优化等 技术，它是人工智能的核心技术。 四、归纳技术 归纳技术是指机器自动提取概念、抽取知识、寻找规律的技术，与知识获取及 5 华北电力大学硕十学位论文 第二章报警诊断专家系统的智能理论 21 人工智能的定义 人工智能学科从1 9 5 6 年正式提出至今，4 0 多年来，取得长足的发展成为一 门广泛的交叉和前沿科学。它是计算机科学、控制论、信息论、神经生理学、语言 学等多种学科互相渗透而发展起来的一门科学。人工智能的发展虽然己走过了4 0 多年的历程，但是人工智能至今尚无统一的定义。尽管学术界有各种各样的既法和 定义，但就其本质而言。人工智能是研究、设计和应用智能机器或智能系统，来模 拟人类智能活动的能力、咀延伸人类智能的科学。人类智能活动的能力是指人类在 认识世界和改造世界的活动中，经过脑力劳动表现出来的能力。”， 2 。2 人工智能的基本搜术 尽管人工智能还是一个正在探索和发展中的科学，尽管人工智能至今还未形成 一个完整的理论体系，但就其目前各个分支领域的研究内容来看，人丁智能的基本 技术应包括以下几个方面： 一、推理技术 几乎所有的人工智能领域都要用到推理技术。对于推理的研究往往涉及到对逻 辑的研究，逻辑是人脑思维的规律，从而成为推理的理论基础。推理技术包括自然 演绎推理、归结反演推理等技术。 二、搜索技术 所谓“搜索”，就是为了达到某一“目标”，而连续地进行推理的过程，搜索技 术是对推理进行引导和控制的技术。所有智能活动的过程都可以看成或抽象为个 “问题求解”的过程，实质上是在显示或隐式的问题空间中进行搜索的过程，对莱 一状态图，就是在逻辑网络上进行搜索的过程。搜索技术也是一种规划技术，如著 名的a 算法和a o * 算法就是两个重要的启发式搜索算法。现代的神经网络技术开辟 了问题求解与搜索技术研究的新途径，如h o p f i e l d 网解决3 1 个城市的旅行商问题。 三、知识表示与知识库技术 知识表示指知识在计算机中的表示方法和表示形式，涉及知识的逻辑结构和物 理结构：知识库类似于数据库，知识库技术包括知识的组织、管理、维护、优化等 技术，它是人工智能的核心技术。 四、归纳技术 归纳技术是指机器自动提取概念、抽取知识、寻找规律的技术，与知识获取及 归纳技术是指机器自动提取概念、抽取知识、寻找规律的技术，与知识获取及 5 华北电力大学硕士学位论文 机器学习密切相关，是人工智能的重要技术。近年来，基于数据库的数据开发和知 识发现技术异军突起，为归纳技术的发展和应用注入了新的活力。 五、联想技术 联想技术的前提是联想记忆和联想存储，是一个富有挑战性的技术领域。3 2 3 专家系统的定义 人工智能有许多备受关注的领域，如图2 1 所示。其中，专家系统( e s ，e x p e r t s y s t e m s ) 就是对传统人工智能问题中智能程序设计的一个非常成功的近似解决方 法。 图2 - 1 人工智能与专家系统 专家系统早期先导者之一，斯坦福大学的e d w a r df e i g e n b a u m 教授，把专家系 统定义为“一个智能的计算机程序，它运用知识和推理来解决只有专家才能解决的 复杂问题”。也就是说专家系统是种模拟( e m u l a t e ) 专家决策能力的计算机系统， “模拟”一词表明专家系统要在所有方面都做的像专家一样。”“ 2 4 基于规则的专家系统的构成 图2 - 2 基于规则的专家系统的组成 从描述知识的方式来划分，专家系统分为基于规则的专家系统和基于对象的专 家系统。以基于对象的方式描述知识包括对象的基本结构、功能和行为，这种知识 往往较深；而以基于规则的方式描述知识指基于经验和启发性知识，这种知识易于 6 华北电力大学硕士学位论文 理解，c l i p s 支持这两种方式。本文采用基于规则的专家系统，它的组成如图2 2 所示。 其中知识库用来存放相关领域专家提供的专门知识。推理机的功能是根据一定 的推理策略从知识库中选取有关的知识，对用户提供的证据进行推理，直到得出相 应的结论为止。知识获取过程可以看作是一类专业知识到知识库之间的转移过程。 用户界面则完成输入输出的人性化。 2 4 1 产生式规则知识库 每条产生式规则分为左部和右部两部分，左部表示激活该产生式规则的条件， 右部表示调用该产生式规则后所做的动作。产生式规则的一般形式为：p 1 ，p 2 ， p m - - c i ，c 2 ，c n 。其中规则左部称为规则的前提条件，或称规则前提，规则右 部称为规则的行为部分，或称规则后件。上述规则的基本含义为：如果条件：p 1 ， p 2 ，p m 都得到满足，则执行动作或动作序列c 1 ，c 2 ，c n 。“” 规则的条件是否满足是以当前工作存储器中事实为依据，如果存在的事实满足 条件，则相应规则被激活。有时也将规则的行为部分称为结论，此时规则的含义引 申为：如果条件p 1 ，p 2 ，p m 都成立，则可推断出结论c i ，c 2 ，c n 。 本专家系统设计时采用的是产生式规则知识库。例如，条件：汽包水位高报警， 汽包水位的三个水位计的值均正常；结论：误报警。这样的知识表示，体现了条件 和结论之间的内在联系，便于将专家决策模型化，而且便于修改、删除和填加。规 则的变化不会引起推理机制的变化。 从产生式规则的形式上看，它与传统程序设计语言中的条件语句非常相似，但 实际一k 两者存在根本的区别： ( 1 ) 产生式规则的左部表达的是一组复杂的模式，而不仅仅是一个布尔表达式： ( 2 ) 规则之间的控制流不是像传统语言中从一条语句向下一条语句传递，而且 满足条件的规则被激活但不一定立即执行，这将取决于产生式系统的冲突消解策 略，这是区分传统程序与产生式系统行为特征的关键。 知识库用来存放相关领域专家提供的专门知识。它是动态的，能够随时向知识 库中加入新的规则和删除规则并能按一定规律查询。 2 4 2 推理机 当前的计算机功能强，通用性好，由此而建立的信息处理技术，是立足于确定 的信息，基于数据匹配，比如对于“i f ，t h e n ”形式表现的条件和结论对，用 外部输入信息同其对照( 数据匹配) ，搜索到匹配成立的规则，便可提交结论。这些 相当于人左脑的信息处理功能。推理机的功能是根据一定的推理策略从知识库中选 7 华北电力大学硕士学位论文 取有关的知识，对用户提供的证据进行推理，直到得出相应的结论为止。推理机包 括推理方法和控制策略两个部分。 一、正向推理 正向推理从己知事实出发，逐步推导出最后结论，其推理过程大致是： ( 1 ) 用工作存储器中的事实与产生式规则的前提条件进行匹配； ( 2 ) 按冲突消解的策略从匹配的规则实例中选择一条规则； ( 3 ) 执行选中规则的动作，依次修改工作存储器： ( 4 ) 用更新后的工作存储器，重复上述几步工作，直到得出结论或工作存储器 不再发生变化为止。 二、反向推理 反向推理则是首先提出假设，然后验证这些假设的真假性，找到假设成立的所 有证据或事实。其过程如下： ( 1 ) 看假设是否在工作存储器中，若在，则假设成立，推理结束； ( 2 ) 找出结论与此假设匹配的规则； ( 3 ) 按冲突消解从匹配的规贝唾实例中选择一条规则； ( 4 ) 将选中规则的前提条件作为新的假设，重复上述几步工作，直到假设的真 假性被验证或不存在激活的规则。 三、冲突消解 在正向推理和反向推理中都要进行匹配，其类型按是否具有模糊性来分有两 种：软匹配( 模糊匹配) 和硬匹配( 精确匹配) 。在进行模式匹配时，若同时有两条以 匕的规则( 此时的规则集为冲突消解集) 为竞选规则，系统必须从中选择一条来执行 的过程称为冲突消解过程，能够处理这一过程的处理机或软件称为冲突消解器。 冲突消解策略有很多种，如启发式信息、没有任何启发式信息以及可信度法策 略，其中根据可信度的大小来选择是比较科学和实效的方法。 由于专家系统工具c l i p s 支持正向推理，本文设计的专家系统采用正向推理。 2 4 3 知识获取 知识的获取很关键，因为开发专家系统首先要解决知识的获取的问题。文本知 泌的获取主要采用下面的两种发式进行：一种方式是从各种技术设计手册和书本上 获得，因为书本和手册的资料是前人经验的总结，大部分是可信的和正确的，这是 知识获取的重要渠道。另一种方式是由知识工程师( 程序员) 反复与领域专家进行 对话而获取专家知识。在设计本专家系统时，尽可能的搜集了更多的知识。本系统 的知识主要来源于电厂的资料，如运行规程等，并经反复分析形成，以此为根据构 造出火电厂报警诊断的知识库，该知识库还有待于在生产实践中进一步改进。为了 8 华北电力大学硕士学位论文 及时发现较大故障，对部分规则进行了排序，规则的编排顺序表现了启用的优先级， 自然地实现了层次目标推理，有利于及时发现恶性故障，大大提高了系统的执行效 率。 知识获取为装入、修改和扩充知识库的知识提供了手段，知识获取过程可以看 作是一类专业知识到知识库之间的转移过程，它可分为4 个阶段：识别领域知识 的基本结构与特点，寻找适当的知识表示方法，这是知识获耿过程中最困难的第一 步；确定适当的知识库存储结构；抽取领域知识转化成计算机可识别的代码： 调试精炼知识库。也就是说，知识获取策略是由知识的表示模式和知识库的存储 结构决定的。 25 专家系统的优点 专家系统有很多吸引人的特征： 1 适应性强。专家知识在任何计算机硬件上都是可利用的，实际上，专家系统 是专家知识的集成体。” 2 成本低。提供给用户的专家知识成本非常低。 3 危险性低。专家系统可用于那些可能对人体有害的环境。 4 持久性。专家知识是持久的，不像专家那样会退休，或者死亡，专家系统的 知识会无限地持续。 5 复合专家知识1 。复合专家知识可以做到白天或晚上的任何时候同时和持续 地解决某一问题。由某几个专家复合起来的知识，其水平可能会超过一个单独的专 家。 6 可靠性强。专家系统可增强正确决策的信心，这是通过向专家提供一个辅助 观点得到的，此外专家系统还可以协调多个专家的不同意见。不过，如果专家系统 是由某一个专家编程设计的，那这个方法就不能奏效。如果专家没有犯错误的话， 专家系统应该始终与专家意见一致。但是如果专家很累或有压力就有可能犯错误。 7 ，解释、说明。专家系统能明确、详细地解释导出结论的推理过程。一个人可 能会太厌烦、不愿意或没有能力这样做，但明确详细的解释有利于得出正确的决策。 8 响应快。迅速或实时的响应对某些应用来讲是必要的。依靠所用的软件或硬 件，专家系统可以比专家反应得更迅速或更奏效。某些突发情况需要响应比专家更 迅速，因此实时得专家系统是一个好的选择。“”1 9 始终稳定、理智和完整的响应。在实时和突发情况下，专家可能由于压力或 疲劳而不能高效地解决问题，这一点是至关重要的。 1 0 智能家教。专家系统可以作为一个智能家教，让学生运作实例程序、解释 系统推理。 9 华北电力大学硕十学位论文 1 1 智能数据库。专家系统能以智能的方式来存取一个数据库。“” 开发专家系统的过程也会有一个间接的益处，由于专家知识必须以精确的形式 输出到计算机中，所以知识要被明确地了解而不是被隐含于专家的脑海中。这样， 就必须对知识进行正确性、一致性和完整性检查，这就提高了知识的质量。 2 6 专家系统与传统程序的区别 表2 一l 专家系统与传统程序的一些典型不同点 特征传统程序专家系统 由控制语句次序推理机 控制与数据隐含在一起明确分开 控制能力 强弱 由求解算法规则和推理机 求解搜索 少或没有多 问题求解算法的正确性 规则的正确性 输入 假设正确不完整或错误 意外输出 难以处理照样处理 输出总是正确依赖于问题的不同 解释没有通常有 应用数值、文件或文本 符号推理 执行一般按顺序 随机 程序设计结构化设计很少或没有结构 修改 难 较易 扩充要做较大改动可逐步增加 专家系统与传统程序之间有许多不同之处。专家系统经常处理不确定性问题， 因为推理是处理不确定性的最好工具之一；对不同的输入数据和知识库，一个专家 系统可以给出正确答案、好答案、差答案或没有答案。表2 - i 给出了二者一些典型 的不同点。 2 7 专家系统的适用领域 在开始建造专家系统之前，决定这是不是一个适当的选择是很必要的。例如， 要考虑是否要用专家系统而不是传统的程序设计。一个专家系统的适用领域取决于 很多因素： 传统的程序设计能有效的解决此问题吗? 如果答案是肯定的，那么专家系统就 1 0 华北电力大学硕士学位论文 不是最好的选择。专家系统最适合于那些没有高效算法解决的情况，这些情况被称 为非结构化问题，且推理可能会是好的解决方法的唯希望。 举一个非结构化的例子，考虑一个边参观旅行社边想旅游的人的情况，虽然大 多数人有目标，有计划，但也有例外的。表2 2 列出了这个人对旅行社问题的反应 所显示出来的一个非结构化问题的一些特征。 表2 - 2 一个非结构化问题的例子 旅行社的问题反应 我能为你做什么吗?我不知道 你想去哪里?某些地方 有特定的目的地吗?不确定 你能负担多少钱?我不知道 你什么时候想去?不定 尽管这可能是一个极端的例子，但它的确阐明了非结构化问题的基本概念。正 如你所看到的，由于有如此之多的可能性，一个非结构化问题就不可能有一个较好 的算法来解决。在这种情况下，当所有其他方法都无效时就应给一个缺省的选择。 2 8 专家系统的开发方法 专家系统的丌发是一项综合技术，一个成功的专家系统的开发需要知识工程师 和领域专家的密切配合和坚持不解的努力。根据软件工程的生命周期方法，一个实 用专家系统的开发过程可类同一般软件系统开发过程，它分为认识、概念化、形式 化、实现和测试等阶段。 1 ) 认识阶段 知识工程师与领域专家合作，对领域问题进行需求分析。包括认识系统需要处 理的问题范围、类型和各种重要特征、预期效益等，并确定系统开发所需的资源、 人员、经费和进度等。 2 ) 概念化阶段 把问题求解所需要的专门知识概念化，确定概念之间的关系，并对任务进行划 分，确定求解问题的控制流程和约束条件。 3 ) 形式化阶段 把已整理的概念、概念之间的关系和领域专门知识用适合于计算机表示和处理 的形式进行描述和表示，并选择合适的系统结构，确定数据结构、推理规则和有关 控制策略，建立起问题求解模型。 4 ) 实现阶段 选择适当的程序设计语言或专家系统工具建立可执行的原型系统。 1 1 华北电力大学硕十学位论文 5 ) 测试阶段 通过大量的实例，检测原型系统的正确性和系统性能。通过测试原型系统，对 反馈信息进行分析，进而进行必要的修改，包括重新认识问题，建立新的概念或修 改概念之间的联系、完善知识表示和组织形式、丰富知识库内容、改进推理方法等。 专家系统这一开发过程类似一般软件过程的瀑布模型，各阶段目标明确，逐级深化。 开发过程的瀑布模型如图2 3 所示。 图2 3 专家系统开发过程的瀑布模型 1 2 华北电力大学硕士学位论文 第三章基于规则的专家系统工具一c l p s 专家系统工具的出现是知识工程的重大进程，它帮助知识工程师完成了许多工 作，能大大缩短专家系统的研制周期。对于各领域的专家来说，工具比一般的程序 设计语言更易学习和使用。因此，在专家系统的开发中更多地使用专家系统工具来 建造一个专家系统。在专家系统的开发中，考虑到系统开发周期、软件可靠性及与 其他软件协调性等因素，选用了专家系统开发工具c l i p s 作为专家系统开发平台。 3 1c l ip s 简介 自从第一个专家系统外壳一e m y c i n 出现以来，人工智能领域陆续推出了r o s i e 、 k a s 、o p s 、k e e 、a r t 等专家系统开发平台。1 9 8 5 年，美国国家航空航天局约翰逊 太空中心( n a s a sj o h ns p a c ec e n t e r ) 开发了基于c 语言的专家系统开发平台一一 c l i p s ( cl a n g u a g ei n t e g r a t e dp r o d u c t i o ns y s t e m ) ，现已经升级为v e r s i o n6 2 3 并公开为免费软件。它的目的是提供一种简便、低成本和易于与外部系统集成的专 家系统开发环境。c l i p s 是一种多范例编程语言，它支持基于规则的、面向对象和 面向过程的编程。基于规则的c l i p s 编程语言的推理和表示能力与专家系统工具 o p s 5 相似，但功能更强。在语法方面，c l i p s 与a r t 、a r t i m 、e c l i p s e 和c o g n a t e 语言相似。迄今为止，c l i p s 已经广泛应用在航天航空、电子、计算机、地质、化 工、冶金、电子商务等领域。”c l i p s 的特点如下： i ) 兼容性好 多数知识工程语言都是在l i p s ，p r o l o g 语言上开发的，而c l i p s 是在c 语言的 基础上开发的，这使得c l i p s 具有非常好的兼容性。经过测试。在i b m p c 机器上不 要改变任何源代码就可以直接运行，且其源代码在任何与a n s i 兼容的c 语言编译 器上都可以进行编译。 2 ) 运行效率高、集成性好 由于其宿主语言c 的特点，c l i p s 运行效率非常高，在同类型的工具中，其性 能远远超过a r t 、k e s 等著名商业软件，而且c i 。l p s 可以比较容易的作为子函数嵌 入到c 、f o r t r a n 等高级语言中，也可以通过调用规则来调用高级语言编写的子函 数，具有很好的集成性能。 3 ) 知识表达方式灵活 c l i p s 具有产生式规则、框架结构、面向对象、过程编程等数种表达方式。此 外，c l i p s 还具有模糊推理能力，从而提高了其推理精确性。 4 ) 可免费使用且可靠性高 1 3 华北电力大学硕士学位论文 c l i p s 语言一个更重要的特点是免费提供源代码。n a s a 允许c l i p s 的使用者免 费下载c l i p s 源代码和可执行程序。使用者可以根据自己的需要修改其源代码，这 对再次开发c l i p s 是非常有利的，而且c i 。i p s 是由政府支持的软件，不同于一般的 自由免费软件，其可靠性是有充分的保证的。 5 ) c l i p s 语言与传统的人工智能语言的书写习惯和运行特点非常接近，具有产生式 系统语言的全部特点，因此用它可以方便地编写出高质量、高效率的专家系统。 正因为c l i p s 小巧，扩展性、兼容性好，而且开发成本低，所以被政府、工业、 军事和教育领域广泛地应用，并取得可很大成功。 考虑到c l i p s 的上述特点，本专家系统采用c l i p s 作为专家系统开发工具。 3 2cl | p s 的组成和基本工作原理 c l i p s 的基本组成有三个部分，即： 事实表( f a c tl i s t ) ，也就是事实库，用于存贮所有数据( 事实) 。 知识库( k n o w l e d g eb a s e ) ，包含所有规则。 推理机( i n f e r e n c ee n g i h e ) ，用于控制推理过程，执行程序。4 图3 1c l i p s 的组成 c l i p s 的知识表示采用正向推理的规则，也就是“i f t h e n ”形式，它的实 现技术是用著名的里德算法( r e t ea l g o r i t h m ) ，即网络匹配算法，但c l i p s 对它进 行了改进，使之效率更高( 关于c l i p s 的匹配效率将在下节介绍) 。在这种工作方 式下，专家系统程序的执行，是程序中定义的各个“i f t h e h ”规则的无次序的 “点燃”( f i r e ) 和执行，直至获彳导必要的结论。规则得以点燃的必要条件是其左部 ( l e f t h a n d s i d e ，l h s ) ，也即i f 部分中所包括的各模式( p a t t e r n ) 分别与事实库 中的若干事实相匹配( m a t c h ) 。这样的规则叫做“被激活”的规则( a c t i v a t e d ) 。激 活的规则不定马上就点燃执行，因为在一个时刻可能有若干规则被激活。因此， 还需要有一个“待议事件表”( a g e n d a ) 暂存这些被激活的规则，并从中选择优先 级最高的规则加以点燃，使之执行规则右部( ( r i g h t h a n d s i d e ，r h s ) ，即t h e h 部 分中所规定的动作。待议事件表是堆栈结构，按“后进先出”原则工作，除非以显 式给规则指定不同的优先级。这样，c l i p s 实际上由四部分组成，其关系如图3 1 所示。 】4 华北电力火学硕士学位论文 3 2 1 事实库 人类专家是依据事实对客观情况做出分析判断和得出结论的，专家系统模仿人 类专家系统推理的基础也是事实，因此事实库是专家系统最基本的组成部分之。 它由字段组成，字段可以是符号、字符串、整数或者浮点数。事实的第一个字段一 般用于显示存储在该事实中的信息类型，称为关系名( r e l a t i o nn a m e ) 。c l i p s 表 示事实的方法十分灵活、方便，又能反映不同事实之间的联系，对处理带来很多好 处。 1 自定义模板事实 有关系名且有一相应自定义模板的事实称为自定义模板事实( d e f t e m p l a t e f a c t ) 。在定义自定义模板事实前要用自定义模板进行描述，自定义模板结构用来 壕槽名指定给事实中的特定字段，这些字段以一个指定的关系名开头。以下是一个 自定义模板的例子： ( d e f t e m p l a t ea l a r m i n f o r m a t i o n ”a ne x a m p l ed e f t e m p a t e ” ( s l o tl a b e l ) ( s l o ts t a t u s ) ) 其中“d e f t e m p l a t e ”是用来定义一个自定义模板，“a l a r m i n f o r m a t i o n ”是 关系名，“a ne x a m p l ed e f t e m p l a t e ”自定义模板的描述部分，此项可省略。“l a b e l ” 和“s t a t u s ”是两个槽名。 有了自定义模板结构后就可以定义事实了。例如汽包水位高报警可用如下事实 来定义： ( a l a r m - i n f o r m a t i o n ( 1 a b e ls t e a m d r u m w a t e r l e v e l ) ( s t a t u sh i g h a l a r m ) ) 2 有序事实 有关系名面没有相应自定义模板的事实称为有序事实( o r d e r e df a c t ) 。有序 事实有一个隐含的多字段槽，用以存储关系名下的所有值。事实上，每当c l i p s 遇 到一个有序事实时，它就会为该事实自动生成个隐式自定义模板( i m p l i e d d e f t e m p l a t e ) ，与显示自定义模板( e x p l i c i td e f t e m p l a t e ) 相反，它使用自定义 模板结构创建。既然一个有序事实仅有一个槽，那么定义一个事实时就可以不要槽 名。可用下面的事实表示汽包水位高报警。 ( s t e a m d r u m w a t e r 一1 e v e lh i g h a l a r m ) 往事实库中加入事实有两种方式。 直接通过a s s e r t 命令 ( a s s e r t ( s t e a m d r u m w a t e r l e v e l 一1h i g h a l a r m ) 1 5 华北电力大学硕士学位论文 ( s t e a m d r u m w a t e r l e v e l 2n o r m a l ) ) 通过d e f f a c t s 命令结构 ( d e f f a c t si n i t i n a l i n f o r m a t i o n ( s t e a m d r u m w a t e r 一1 e v e l 一lh i g h a l a r m ) ( s t e a m - d r u m w a t e r l e v e l 一2n o r m a l ) ) 其中“i n i t i n a l i n f o r m a t i o n ”是自定义事实名，它包括两个事实。d e f f a c t s 命令中定义的事实不直接进入事实库，而要通过系统复位命令( r e s e t ) ，才把当前 系统中所有d e f f a c t s 定义的事实都加入事实库，同时自动生成一个初始事实： ( i n i