（控制理论与控制工程专业论文）模糊专家系统在火电厂故障诊断中的应用研究.pdf

华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 在火电厂故障诊断中，难以建立对象的精确数学模型，且故障征兆和故障原因 之间具有一定的模糊性。本文以模糊理论为基础，分析了故障征兆与故障原因之间 的模糊关系，设计了一个适用于火电厂故障诊断的模糊专家系统。该系统以 v c 十 + 6 .0 和c l i p s为开发工具，实现了诊断知识的录入与修改以及故障的自 动诊断。主 要工作包括四个方面:研究了知识的表示方法以及规则结论中故障原因的可信度求 取方法;利用v c + + 6 . 0 与c l i p s 开发了故障诊断模糊专家系统的知识录入与修改 模块;编写了几种征兆的判别函数以及求取征兆可信度的隶属函数;搜集整理了火 电厂凝汽器系统的故障诊断知识并进行了模糊专家系统诊断验证。 关键词:模糊专家系统，故障诊断，c l i p s abs t r ac t i n t h e f a u l t d i a g n o s i s o f p o w e r p l a n t , t h e p r e c i s e m a t h e m a t i c a l m o d e l o f t h e o b j e c t i s d i ff i c u l t t o b e o b t a i n e d . a n d t h e r e a r e s o m e f u z z i n e s s b e t w e e n f a u l t s i g n s a n d f a u l t r e a s o n s . b a s e d o n f u z z y t h e o r y , t h e f u z z y r e l a t i o n b e t w e e n f a u l t s i g n s a n d f a u l t r e a s o n s i s a n a l y z e d . t h e n a f u z z y e x p e r t s y s t e m f o r f a u l t d i a g n o s i s i n p o w e r p l a n t i s d e s i g n e d . t h e s y s t e m d e v e l o p e d b y v c + + 6 .0 a n d c l i p s h as c a r r i e d o u t k n o w l e d g e a c q u i s i t i o n a n d m o d i f i c a t i o n as w e l l as a u t o m a t i c f a u l t d i a g n o s i s . t h e r e a r e f o u r m a i n w o r k s : r e s e a r c h i n g o n r e p r e s e n t a t i o n o f k n o w l e d g e a n d s o l u t i o n o f f a u l t r e as o n r e l i a b i l it y o f t h e r u l e c o n c l u s i o n ; d e v e l o p i n g a m o d u l e o f k n o w l e d g e a c q u i s i t i o n a n d m o d i f i c a t i o n o f t h e f u z z y e x p e rt s y s t e m f o r f a u l t d i a g n o s i s u s i n g v c + + 6 .0 a n d c l i p s ; c o m p i l i n g s o m e k i n d s o f f u n c t i o n s t o d i s t i n g u i s h s i g n s a n d a f e w m e m b e r s h i p f u n c t i o n s r e l i a b i l i ty o f s i g n s ; c o l l e c t i n g a n d a r r a n g i n g t h e d i a g n o s t i c k n o w l e d g e o f s y s t e m i n p o w e r p l a n t a n d v e r i f y i n g t h e f u z z y e x p e rt s y s t e m . t o s o l v e c o n d e n s e r l i y u r o n g ( c o n t r o l t h e o r y a n d c o n t r o l e n g i n e e r i n g ) d i r e c t e d b y p r o f . n i u y u g u a n g k e y wo r d s : f u z z y e x p e r t s y s t e m , f a u l t d i a g n o s i s , c l i p s . 到匕.0口 尸明 本人郑重声明: 此处所提交的硕士学位论文 模糊专家系统在火电厂故障诊断中的 应用研究 ，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 二 1鱼 聋 _ 日期 : ， 超 . ，: 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。 ( $% 密的学位论文在解密后遵守此规定) 作 者 签 名 : 苍 、 荣 导师签名: 耳应 日期 : ) ,v - 7 . 3 - ) s 日期:叼一 ， . i r 华北电力大学硕士学位论文 第一章 引言 1 . 1课题研究的意义 现代火电站是一个复杂的系统工程，控制系统往往包括上百个控制回路，传统 的参数报普和连锁保护系统己经日益不能满足现代化生产过程的需要。一些重要信 号故障后，可能使控制品质急剧下降或控制失败，甚至造成设备损坏和停机等严重 后果。为了更好的提高电站运行的安全性水平和经济性水平，推行状态检修技术， 实现电站运行的在线状态监测与故障诊断势在必行。 现有的故障诊断方法， 根据实现机制可分为三大类: ( 1 ) 基于数学模型的方法; ( 2 )基于信号处理的方法;( 3 )基于知识的诊断方法。基于数学模型的方法是最 早发展起来的，优点是能深入系统本质的动态性质和实现实时诊断，缺点是当系统 模型未知、不确定或具有非线性时不易实现;基于信号处理的方法优点是使用信号 少，诊断速度快，缺点是信息量少，诊断粒度过大;基于知识的方法不需要系统的 数学模型，它引入了诊断对象的许多信息，特别是可以充分利用专家诊断知识等， 所以是一种很有前途的方法，尤其在非线性系统领域。此方法还可划分为基于症状 的方法和基于定性模型的方法。 基于症状的方法包括专家系统方法、 模糊推理方法、 模式识别方法和神经网络方法等;基于定性模型的方法包括定性观测器、定性仿真 和知识观测器等。 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，而基 于知识的故障诊断方法不需要对象的精确数学模型，而且具有某些 “ 智能”特性， 因此将基于知识的方法应用于电厂的故障诊断是一个发展方向，具有广泛的技术、 经济意义。 专家系 统( e x p e r t s y s t e m ， 简记e s ) 也称为 基于知识的 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d l 。 专家系统的 研 制促进了人工智能理论和技术的发展，开辟了计算机求解非数值问题的有效途径. 应用专家系统进行火电厂的故障诊断时，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，以实现全系统知识的共享;( 2 ) 专家系统常常是若千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 华北电力大学硕士学位论文 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 12 1 专家系统的核心是 “ 知识” ，从一定意义上说，知识的获取、知识的表示和知 识的运用构成了专家系统开发的整个核心内容。传统的专家系统存在知识获取的 “ 瓶颈”问题、知识难以维护、工作范围狭窄、推理能力弱、实用性差、不精确推 理不适合解决模糊问题等。其中最主要的难题就是如何从专家那里获取到其专门知 识以 及如何处理这类经验性知识中广泛存在的不确定性，这些问 题在一定程度上己 经 构成了 专家系统进一步发展的 瓶 颈1 1 。 为了 解决 这些问 题， 需要用模糊技术来处 理其不确定性问题，即建立模糊专家系统。 模糊专家系统是在传统专家系统的基础上发展而来的，因此传统的专家系统具 有的优点和特点，模糊专家系统也同样具有。正确妥善处理现实生活中遇到的不确 定性问题是模糊专家系统的一大优势.本文选用模糊专家系统来进行火电厂故障诊 断主要有两个方面的原因:( 1 )故障信息的模糊性。证据的模糊性是指证据取值范 围 的 边界是 模糊的、 不明 确的 川 。 汽包水位的“ 高” 、 “ 低” ， 给水流 量“ 不正 常大于” 蒸汽流量，主汽温度 “ 急剧下降” ，主汽压力 “ 波动逐渐增大”等都是模糊概念， 很难明确什么是 “ 高” 、“ 低” 、 “ 不正常大于” 、 “ 急剧下降” 、“ 波动逐渐增大” 。然 而在进行火电厂故障诊断时，会遇到很多类似的征兆描述;( 2 )规则的不确定性。 火电厂故障诊断专家系统的知识库中包含着大量的启发式知识，这些知识来源于领 域专家处理问题的知识和经验。既然领域专家的知识和经验是不确定的，因而知识 库的规则也就必然具有不确定性。 鉴于以上原因，本文研究并开发了用于火电 厂故障诊断的模糊专家系统。该系 统使用专家系统工具c l i p s 实现了故障诊断的核心部分: 知识库的构建和推理机的 实现.使用v i s u a l c + + 6 .0 实现了知识的录入与修改、数据处理等外壳部分。使用 c l i p s 的动态链接库d l l嵌入v c + + 6 .0 实现了两者的混合编程。 1 . 2国内外研究现状 直到2 0 世纪8 0 年代中期， 专家系统一直由 基于规则的系统主宰。 8 0 年代后期 开始向面向对象的系统转变，基于框架的专家系统开始走到中央舞台。到了 9 0年 代，美国政府方面的模糊专家系统项目 开始以 惊人的数目 增长。 1 9 %年的调查发现大多数专家系统都是在个人计算机上使用外壳建造的。 事实 显示，大约 6 0 % 的专家系统在 p c机上开发而成，2 0 % 的专家系统在工作站上开发 而成， 小型机和主框架各占1 0 %。 从开发语言来看， 大约4 5 % 的专家系统使用外壳 开发而成， 2 5 %的使用l i s p , p r o l o g和o p s 各占1 0 %。 少数使用了诸如c . p a s c a l . l o o p s . f o rt r a n , s m a l l t a l k 和b a s i c 语言， 。 华北电力大学硕士学位论文 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( 6 1 国内外对于专家系统的研究方兴未艾，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 ity o f p it t s b u r g h 开发用于医 疗的 专家系统c l i n i c a l e v e n t m 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7 1 针对电 力系统，由t e n n e s s e e t e c h n o l o g i c a l u n i v e r s i t y 开发的e x p e r t s y s t e m f o r p o w e r q u a l it y a d v i s e m e n t s 使用c l i p s 6 .。 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 8 1 f u z z y c 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 y c l i p s 是a e r o s p a c e c o r p o r a t i o n 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9 1 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p o t 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 l 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 ( 1 1 1 。 当前 合肥工业大学开发了 小型 组合式 冷 库专家系统(6 ) ， 武汉科技大学开发了 板坯连铸漏钢预报专家系统p 2 1湖南 大学开 发了c a p p 专家系统 ( 1 3 1 ， 西北农林科技大学 开发了 室内 环境评价专家系 统1 4 1 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 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 首先使用 v c + 十6 . 0实现了知识的录入与修改、数据的处理以及解释等功能， 其次根据专家经验构造了专家系统知识库，然后将 c l i p s以 d l l方式嵌入到用 华北电力大学硕士学位论文 v c + + 6 . 0 开发的专家系统平台中， 最终完成了故障诊断模糊专家系统的构造， 并实 现了故障的自动诊断功能。主要内容如下: ( 1 )分析了专家系统及模糊专家系统在故障诊断中的应用方式，研究了模糊 专家系统理论以及将开发工具v c + + 6 .0 和c l i p s 相结合的编程方法: ( 2 )对火电厂凝汽器部分的故障诊断知识进行搜集、整理、归纳、总结。寻 找合适的知识表示方法。同时对经验知识的模糊化以及规则结论中故障原因的可信 度求取进行了研究; ( 3 ) 利用v c + + 6 . 0 开发了故障诊断模糊专家系统的知识录入与修改模块，利 用该模块把总结整理的诊断知识以一定的组织结构保存到文件中，同时形成用于诊 断的可以直接在c l i p s中运行的知识库文件: 利用该模块可以方便地对保存的知识 进行读取、修改和删除; ( 4 )借鉴相关资料及现场专家经验，初步编写了几种征兆的判别函数以及求 取征兆可信度的隶属函数，从而完成了实现自 动诊断的关键一步数据处理，也 就实现了故障征兆的自 动判别; ( 5 )使用动态链接库d l l方式将c l i p s 嵌入到v c + + 6 . 0 开发的模糊专家系 统平台中，并通过一个实例凝汽器系统的故障诊断，说明了火电厂故障的在线 诊断过程。 本文从结构上分为三个部分:第一部分包括第二章，为开发火电厂故障诊断模 糊专家系统的理论基础.主要介绍了专家系统原理，专家系统开发工具c l i p s ，模 糊专家系统理论。第二部分包括第三、四章，主要介绍火电厂故障诊断模糊专家系 统的知识录入与修改模块、 数据处理模块等的具体实现过程。 第三部分包括第五章， 通过一个实例说明了火电厂故障的在线诊断过程和可行性，具体介绍了该模糊专家 系统的功能。 华北电力大学硕士学位论文 第二章 模糊专家系统概述 2 . 1传统专家系统 2 . 1 . 1专家系统的定义及应用领域 人工智能学科从 1 9 5 6 年正式提出至今， 4 0 多年来，取得了长足的发展，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 rt 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。 e s 的出 现标志着人工智能开始走向 应用化阶段， 它的成功开发需要各方面科技 人员的密切配合，特别是各专业领域专家的密切配合。 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 d f e i g e n b a u m教授，1 9 8 2 年给 出了专家系统定义 “ 是一种智能的计算机程序，这种计算机程序使用知识与推理过 程，求解那些需要杰出人物的专家知识才能求解的高难度问题” 。根据这个定义可 以知道，专家系统本质上是一个 ( 或一组)计算机程序，它能借助人类的知识采取 一定的 搜索策略并通过推理的手段去解决某一特定领域的困 难问 题11 5 1 . 目 前，专家系统的理论和技术日 益成熟， 其应用得到了飞速的发展。1 9 9 2 年进 行的已 开发专家系统的文献调查揭示其主要应用领域如表2 - 1 所示。在制造以及商 业领域开发的 专家系统尤其众多. 现在很难找出 这门 技术还没有触及的 领域(s 1 . 世 界各国已 经研制出了大量的实用专家系统， 其中不少专家系统在性能上己达到甚至 超过了同领域人类专家的水平，已 经产生或正在产生巨大的经济效益和社会影响。 同时在专家系统理论和技术研究方面，也在不断向人们提出新的研究课题，如不精 华北电力大学硕士学位论文 确推理、元知识、 元控制、知识的深层表示、 混合知识表示、并行推理机制等4 1 表 2 一 1专家系统的主要应用领域 农业 商业 化学 通信 计算机系统 教育 电子 工程 环境 生态 图像处理 信息管理 法律 制造 数学 医学 气象学 军事 采矿 电力系统 科学 空间技术 交通 2 . 1 . 2专家系统的功能 根据问题求解的类型， 的专家系统占了2 5 % 左右， 过t 1 5 % s 1 a 表 专家系统可以分为如表2 - 2 所示的类型。其中用于诊断 其次是解释型专家系统以及调试型专家系统，两者都超 2 - 2专家系统所解决的问题的类型 问题求解 的类型 描述 控制 设计 诊断 教学 解释 监视 规划 预测 调试 筛选 仿真 管理系统行为以 满足要求 按约束配置对象 从观察到的现象推断出系统的故障 诊断、调试并修复学生的行为 从数据推断出现状描述 把观察到的现象与期望相比较 设计行为 推断出给定情况下的可能结论 推荐系统故障的解决方案 从一组可能 性中挑出 最好的选择 对系统组件之间的 交互进行建模 应用专家系统进行问题求解时，不需要对象的精确数学模型，在信息不完整不 精确的情况下，仍能给出合理结论。专家系统的功能和结构随着所处理的任务类型 各不相同。 但是， 所有的 专家系统都应具备以 下几个共有的功能 1 6 气 华北电力大学硕士学位论文 ( 1 )存储问题求解所需的知识; 2 ) 存储问题求解的初始数据和处理过程中涉及到的各种信息，如中间结果、 目标: ( 3 )根据当前输入的数据，利用已 有知识，按照一定的推理策略，去解决当 前问题，并能控制和协调整个系统; ( 4 )能够对推理过程、结论或系统自 身行为做出必要的解释，如解题步骤、 处理策略、选择处理方法的理由、系统求解某种问 题的能力、系统如何组织和管理 其自 身知识等。这样既便于用户的理解和接受，同时也便于维护; ( 5 )提供知识获取、机器学习以及知识库的修改、扩充和完善等手段，只有 这样才能更有效地提高系统的问题求解能力及准确性。 2 . 1 . 3专家系统的优缺点 :专家系统擅长逻辑推理和符号信息处理，导出 符合逻辑的正确输出，并对专家 系统的 推理做出 解释。 可以 清晰可读的 类自 然语言表达无法用数学模型表达的知 诚， 便于理解及知识库维护; 能在特定领域内 模仿专家工作， 处理非常复杂的 情况， 包括异常情况;在已知其基本规则的情况下，无需输入大量细节数据，即可运行; 能 对系统的 结 论做出 合理 解释 i l l . 专家系统 有许多吸引 人的 特征t 伙 !( 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。复合专家知识可以做到在白天或晚上的任何时候同时和 持续地解决某一问题。 几个专家复合起来的知识， 其水平可能会超过一个单独专家; ( 6 )可靠性强。专家系统可增强正确决策的信心，还可协调多个专家的不同 意见。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可能会犯错误; 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 人可能会厌烦、不愿意或是没有能力去这么做; ( 8 )响应快。迅速或实时的响应对某些应用来讲是必要的。依靠所使用的软 件或硬件，专家系统可以比专家反应得更迅速或有效; 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 华北电力大学硕士学 位论文 力或疲劳而不能高效地解决问题，这一点是至关重要的. 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 输入到计算机中，就必须对知识进行正确性、一致性和完整性检查，从而提高了知 识的质量。 虽然传统的诊断专家系统在很多领域 ( 如机械、医疗、计算机、 航空等)中得 到了广泛的应用并且取得了不少成果，并且显示出了相当出色的工作能力，在某些 方面达到甚至超过了人类专家的工作水平，然而在其开发研制过程中也碰到了不少 问题， 如 t 8 - 1 9 j , ( j )知识获取的 “ 瓶颈”问题.传统专家系统主要通过两种方法来获取知识。 一种是领域知识，先由知识工程师从领域专家处获得 ( 通过这两者的反复交谈或者 前者对后者实际操作的观察) ，再由知识工程师输入到知识库中。这种方法造成知 识失真的可能性有两方面:一方面，领域专家自己也很难描述自己所拥有的知识， 对于具体故障，他们往往只知道如何去解决，却说不出采用这种解决方法的理由， 而且，有时他们的知识也有错误成分;另一方面，不同的领域专家的知识可能不一 样，甚至互相矛盾，在这种情况下，知识工程师往往显得束手无策。第二种知识获 取的方法是机器学习，但是直到目前为止，机器学习能力是很弱的: ( 2 )知识难以维护。现有的传统专家系统知识库中的知识大都是依靠知识工 程师人为输入，在知识库里面往往简单地堆放在一起。这样，当这个专家系统知识 库中的知识达到成千上万条时，维护与管理就显得十分困难; ( 3 )知识窄台阶。专家系统的工作范围很狭窄，只能对专家知识领域范围内 的问 题以专家级的水平去解决，但对专家知识领域范围以外的问 题则显得无能为力 而不能正确处理， 只能得到一些稀奇古怪的结论， 即传统专家系统没有联想、 记忆、 类比等形象思维能力，致命的问题是，系统本身无法判断自己是否工作在专家领域 知识范围内; ( 4 )推理能力弱。传统专家系统推理方法一般较为简单，控制策略不灵活， 容易出现诸如 “ 匹配冲突” 、 “ 组合爆炸”以及 “ 无穷递归片等问题，推理速度慢， 效率低: ( 5 )实用性差。由于上面的这些严重缺陷，使得一些专家系统很难进入实用 阶段。同时，由于推理速度慢，导致一般的传统专家系统难以 适应在线工作要求， 只能在离线、非实时条件下工作; ( 6 )不精确推理不适合解决模糊问题。知识和故障征兆往往有一定的模糊性， 采集的数据也有模糊性 ( 如测量误差、元件参数的容差等) ，而传统专家系统的不 精确推理是基于概率的，与 “ 模糊”是两个不同的概念。 华北电力大学硕士学位论文 2 . 2专家系统的构成 一个以规则为基础的问题求解专家系统主要包括五个组成部分:知识库、推理 机或推理控制机制、综合数据库或工作存储区、解释接口或人机界面、知识获取或 预处理程序2 0 1 。各个部分之间的相互关系可表示为图2 - 2 0 图2 - 2一般专家系统功能模块结构图 ( 1 )知识库:是专家知识、经验与书本知识、常识的存储器，是专家系统的 核心之一，其主要功能是存储和管理专家系统中的知识。知识库包括两部分内容: 一部分是已 知的同当前问题有关的数据信息;另一部分是进行推理时要用到的一般 知识和领域知识。这些知识大多以规则、网络和过程等形式表示; ( 2 )推理机:实际上是一种计算机程序，其主要功能是协调控制整个系统， 决定如何选用知识库中有关知识，对用户提供的证据进行推理，并且最终对用户所 提出的特定问题做出回答。在系统问题求解过程中，常常涉及到三个方面的知识: 叙述性或事实性知识是一些与问题求解有关的背景资料，是系统建造时存入的或系 统与用户交互获得的，是一些可以确定的事实;操作性、过程性或启发知识是领域 专家思维方法和经验知识的结晶，是以规则形式表示的知识，是专家处理问题的方 法和规则，是知识库的核心内容;策略性知识或控制性知识在问 题求解过程中指导 系统怎样选择操作，即确定系统运行的推理机制和控制策略等等; ( 3 ) 综合数据库: 是专家系统中用于存放反映当前状态的事实数据的“ 场所” 。 其数据包括用户输入的事实、已知的事实以及推理过程中得到的中间结果。综合数 据库中数据表示和组织，通常与知识库中知识的表示和组织相容或相一致，使推理 机能够方便地使用知识库中知识和综合数据库中描述当前状态的数据来求解问题; ( 4 )解释接口:负责回答用户提出的各种问题，它可对推理路线和提问的含 义给出解释，还负责把用户输入的信息转换为系统内规范化的表示形式，然后把这 些内部表示交给相应的模块去处理。系统输出的内部信息也由它转换成用户易于理 解的外部表示形式显示给用户: 华北电 力大学硕士学位论文 ( 5 )知识获取程序:将某专业领域内的事实性知识和领域专家特有的经验性 知识转化为计算机可用的形式并送入知识库。同时也负责知识库中知识的修改、删 除和更新，并对知识库的完整性和一致性进行维护。知识获取程序是实现系统灵活 性的主要部分，使得领域专家可以修改知识库而不必了解知识库中知识的表示方 法、知识库的组织结构等实现上的细节问题，这大大提高了系统的可扩充性. 2 . 3基于规则的专家系统工具 c l i 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，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 造专家系统。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，本文 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。 自 从第一个专家系统外壳一e my 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 s j o h n s p a c e c e n t e r ) 开发了基于c语言的专家系统开 发平台 一 一 一 c l i p s ( c l a n g u a g e i n t e g r a t e d p r o d u c t i o n s y s t e m ) ， 现已 经升级为v e r s i o n 6 . 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2 1 1 . c l i p s 的 特点如下; ( 1 )兼容性好: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机器上不用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 l 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，提高了其推理精确性; ( 4 ) 可免费使用且可靠性高: 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 l i p s 是由 政 1 0 华北电力大学硕士学位论文 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。 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。 使 用动态链接库d l l 方式将c l i p s 嵌入到v c + + 6 . 0 开发的模糊专家系统平台中， 通 过知识的录入与修改模块建立了合乎c l i p s 语法规范的专家系统的知识库， 专家系 统的推理是依靠c l i p s 核心推理机来实现的。 由c l i p s 运用规则查询专家知识库以 完成对系统的推理， 并将推理结果写入文本文件中， 最终通过人机接口显示给用户。 2 . 4模糊专家系统的定义 由于人类的思维有时是很粗略的，语言表达是暖昧的，逻辑是定性的，毫不在 乎地容纳着许多矛盾，因此 “ 模糊概念” 更适合于人们的观察、思维、理解与决策， 这也更适合于客观现象和事物的模糊性 ( f u z z i n e s s ) . “ 模糊”比 “ 清晰”所拥有的 信息容量更大，内涵更丰富，其不确切性的 特点使我们度量、建模和做更进一步的 处理难度大得多 2 2 1 按文献 2 3 的定义， 模糊系统是一种基于知识或基于规则的系统， 它的核心就是 由所谓的 i f - t h e n规则所组成的知识库，而 i f - t h e n规则是用隶属函数或模糊集 合的形式来表达人类的知识。 采用模糊技术来处理其不确定性的一类专家系统称为模糊专家系统。所谓模糊 技术主要是指建立在模糊综合理论、可能性分布理论和模糊逻辑推理基础上的一类 工程技术， 它们是对人类认识和思维过程中 所固 有的模糊性的一种模拟和反映2 4 1 2 . 5模糊专家系统的优点 模糊专家系统是在传统专家系统的基础上发展而来的，因此传统的专家系统具 有的优点和特点，模糊专家系统也同样具有。如专家系统的知识具有永久性，专家 系统的知识容易被复制或传播，解决问题的能力有可能超过单个专家，通过计算机 可以随时再现专家推理结果的表达式以及在什么环境下应用这些表达式，专家系统 不受紧张、疲劳、遗忘、感情等因素的限制，专家系统的费用较低等等。 模糊专家系统具备一般专家系统的优点，但模糊专家系统毕竟是一类特殊的专 家系统，这主要表现在对不确定知识的处理上。一般来说，在专家系统中，能造成 知识表达和推理过程中不确定性的因素主要有以下五种: ( 1 )在知识的表达上应用自 然语言所带来的不确定性; 华北电力大学硕士学位论文 ( 2 )由于专家经验知识模式的某种不完善之处所带来的不确定性。我们承认 专家知识的权威性和可靠性，同时也应注意到专家个人知识的经验性和专用性; ( 3 )事物本身就具有某种不确定性: ( 4 )因时间和条件限制，缺乏足够的证据或接受了当时分辨不清的错误信息; ( 5 )缺乏可靠的经验。 要正确处理这些不确定性，应用传统的专家系统会存在很大问 题，而应用模糊 专 家系 统， 就可以 较顺利地解决。 因 此， 正确妥善处理现实生活中 所遇到的 不确定 性问 题是模糊专家系统的一大优势4 2 . 6模糊专家系统的构成 一个基于规则的模糊专家系统通常由 下列部分构成:输入输出模块、模糊数据 库、 模糊知识库、模糊推理机、学习 模块和解释模块 2 5 - 3 6 ) ( 1 )输入输出模块:用以输入系统初始信息，这些信息允许是模糊的、随机 的或不完备的:输出系统输出最终结论，这些结论也允许是带不确定性的;显示系 统推理过程的解释及系统运行过程中所有的人一 机对话:打印必要的输出信息等; ( 2 )模糊数据库:与一般专家系统中的综合数据库相类似，库中主要存放系 统的初始输入信息，系统推理过程中产生的中间信息和系统最终结论信息等，这些 信息都可能是不确定的; ( 3 )模糊知识库:模糊知识库中存放领域专家总结出来的与待定问题求解领 域相关的事实与规则，与一般知识库有所不同的是这些事实与规则可以是模糊的或 不完全可靠的。因此，在模糊专家系统中，通常要求为各个事实及规则附上一个可 信度标志并为各个规则附上一个强度标志; ( 4 )模糊推理机:模糊推理机是模糊专家系统的核心。它可以根据系统输入 的初始不确定信息，利用模糊知识库中的不确定性知识，按一定的模糊推理策略， 较理想地处理待解决的问题，给出恰当的结论。为了实现模糊推理，模糊推理机不 仅要具备一般专家系统推理机所具有的推理控制策略，而且还要定义一组函数，用 于推理过程中的信息不确定性的传播。由于基于模糊的不确定性描述方法很多，推 理机中所确定的信息不确定性传播函数也不完全相同，但通常要包括以下几组函 数: ( a ) 合并规则前提中各逻辑项的不确定时的函数: ( b ) 由规则前提不确定性( 模 糊真值)和规则强度求出规则结论不确定性 ( 模糊真值)的函数;( c )合并由不同 规则所导出的同一结论的不确定性 ( 模糊真值)时的函数;( d )从几个可能结论中 选取最佳结论时的函数; ( 5 )解释模块:此模块与非模糊专家系统中的类似: 华北电力大学硕士学位论文 ( 6 )学习模块:主要接受领域专家以自 然语言形式描述的领域知识，将之转 换成标准的规则或事实表达形式，存入模糊知识库。更理想的系统学习模块，则希 望能提供一种自动知识获取功能，可从专家的经验实践中自动总结出可用的规则。 华北电力大学硕士学位论文 第三章 知识录入与修改 知识录入与修改模块将某专业领域内的事实性知识和领域专家特有的经验性 知识转化为计算机可用的形式并送入知识库。同时也负责知识库中知识的修改、删 除和更新，并对知识库的完整性和一致性进行维护。知识录入与修改程序是实现系 统灵活性的主要部分，使得领域专家可以修改知识库而不必了解知识库中知识的表 示方法、知识库的组织结构等实现上的细节问题，这大大提高了系统的可扩充性。 3 . 1知识表示与获取 知识的组织与表达是关于各种存储知识的数据库结构及其对这些结构的解释 过程的结合，是诊断专家系统中最基本的问题，也是专家系统研究的核心问题。只 有用合适的组织与表达方式描述知识，才有利于系统的自 学习，进而利用知识进行 求解，提高知识的利用率。知识信息的组织与表达实质上就是将知识表达为计算机 能够识别又便于自学习和问题求解的一种形式化过程。 知识的获取是建立专家系统的 “ 瓶颈”问题，它研究的是从某个知识源到专家 系统知识库的知识传递和转换过程。知识的获取过程还没有形成公认的方法，一个 专家系统的知识获取方法和所遇到的问题有关，主要取决于问题领域的复杂性和求 解问题的规模大小。一般来讲，可以 对诊断对象进行分类或进行层次分解，以期获 得相应的结 构知识、功能知识和机理知 识等13 7 - 3 3 1 3 . 1 . 1知识表示 知识的表示方法有很多种，到了8 0 年代，四个主流的知识表达框架已经形成: ( 1 )语义网络;( 2 )框架;( 3 )谓词逻辑;( 4 )产生式系统。9 0年代，知识表达 是人工智能研究的核心课题e b r a c h m a n 在 1 9 9 0 年美国人工智能协会的年会( a a a i ) 上指出:知识表达的服务机制，大容量知识库的管理和组织，知识表达系统的可用 性 等三大 领域是目 前研究知识表达的 关键 12 4 1 产生式规则是目 前专家系统中使用最为广泛的一种知识表示方法，使用它的专 家系统被称为产生式系统。产生式规则是一个 “ 如果条件成立则进行操作”形式的 语句. 在产生式系统中，一个规则的条件部分通常是关于综合数据库中某些事实的 断言， 而其结论部分一般是能引起综合数据库中数据值改变的断言或操作。当综合 数据库中的事实满足某一规则的条件部分时，该规则的结论部分可以改变综合数据 库中的事实，从而导出新的规则的条件部分。 规则结构的主要优点是:知识库中每条规则可以自由增减、修改，规则之间是 华北电力大学硕士学位论文 独立的， 它们的关系间接的、 动态的表示出来: 知识库中的每条规则是统一的结构; 用规则可以很方便地表示专家的知识和经验，解释专家们是怎样做他们的工作的; 有利于表示启发性知识，易于知识获取。 本文采用了专家系统工具c l i p s ，其中规则的格式如下: ( d e f r u l e ) 规则可以键入，或者经由文件输入。命令的第一行是规则的标题，它由 三个部 分组成。第一部分是关键字d e f r u l e :第二部分是规则名称，可为任意有效的c l i p s 字; 第三部分是可选注解，必须是以引号开头和结尾的字串。在c l i p s中，规则名 称必须唯一。若新输入的规则名称同已 存在的规则名称一样，则老规则被新规则所 取代。 规则标题后是零个或多 个模式( p a t te r n ) ， 也就 是规则的 左端l h s 条 件部 分. 每个模式由一个或多个字段组成。对于无模式的情况，系统自动加入一个模式 ( i n i t i a l - f a c t ) . 模式后是一个箭头，由等号和大于号组成，表示 “ 推出”的意思。 箭头后是规则的右端r h s ， 也就是动作部分， 给出动作表， 这部分也可以为空。 3 . 1 . 1 . 1模糊知识表示 考虑到故障诊断知识的不确定性等因素，本文采用了模糊产生式规则来表示知 识.模糊产生式规则系统可以说是对传统产生式系统的一种改进，它是将传统产生 式