（化学工程专业论文）化工过程模糊诊断专家系统的开发与实现.pdf

摘要 摘要 随着计算机科学的发展、化工过程的自动化水平提高，现代化工生产的安全 性得到了很大的提高，但是一旦发生事故，其后果却往往倍加严重。因此，化工 过程的故障检测与诊断技术的研究越来越得到重视。本文以化工过程的故障诊断 技术为研究重点在模糊数学、面向对象的理论基础上设计并开发了一套适用于 化工过程的模糊诊断原型专家系统，为进一步的实用化打下了良好的基础。 本文首先介绍了专家系统的一般结构。接着详细介绍了专家系统的核心模块 知识库、推理机相关的常用结构和方法。针对化工过程专家知识的不确定性特点， 将模糊理论应用于诊断知识的表达和推理，更准确的表达了模糊专家知识并实现 了模糊推理。根据故障诊断过程的特性，考虑了化工过程广泛的故障传播现象 提出了一种面向对象知识库的新结构。推理机部分采用正，反混合推理机制，并在 反向推理部分，提出一种基于模糊推理的启发式与，或树搜索算法，利用加权模糊 推理得到的启发性信息指导搜索过程。 在此基础上，开发了一套化工过程模糊诊断专家系统。与p c a 监控程序集成 后，和一个催化裂化( f c c u ) 装置的仿真系统连接，组成一个完整的故障诊断 仿真案例对专家系统进行了性能测试。f c c u 装置的故障诊断知识库是基于流程 机理、工厂操作规程和专家知识而建立的。通过几个故障诊断的实例验证了专家 系统的有效性，能够迅速地定位跨设备传播的故障。 关键词：故障诊断；专家系统；知识库；模糊推理；f c c u 华南理工大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t 、 ，i t ht h ed e v e l o p m e n to f c o m p u t e rs c i e n c e a u t o m a t i o nw a si m p r o v e di nc h e m i c a l p r o c e s s w h i l ea d o p t i n gt h ea d v a n c e dc o n t r o ls y s t e m ，s a f e t yo fc h e m i c a lp r o d u c t i o n w a sg u a r a n t e e dt os o m ee x t e n t b u to n c et h ea c c i d e n to c c u r r e d ，t h ec o n s e q u e n tr e s u l t w a se v e nw o r s et h a ne v e r s of a u l td e t e c t i o na n df a u l td i a g n o s i so fc h e m i c a lp r o c e s s a r ea t t a c h e dm o r ea n dm o r ei m p o r t a n c e t h et e c h n o l o g yo f d e v e l o p i n gaf u z z ye x p e r t s y s t e m f o rf a u l td i a g n o s i so fc h e m i c a lp r o c e s si ss t u d i e di nt h i sp a p e r t h es t r u c t u r ea n dk e yt e c h n i q u e so fe x p e r ts y s t e mw e r ea n a l y z e di nt h i sp a p e r f i r s t l y c o m m o n m e t h o d so f r e p r e s e n t a t i o n o fc e r t a i n u n c e r t a i n k n o w l e d g e a n d k n o w l e d g eb a s es t r u c t u r e w e r ei n t r o d u c e d t h e r e a s o n i n gd i r e c t i o n a n dr e a s o n i n g s t r a t e g yw e r ea n a l y z e d b a s e do nt h o s ew o r k ，af u z z ye x p e r ts y s t e mf o rc h e m i c a l p r o c e s sw a si m p l e m e n t e d a no b j e c t o r i e n t e dk n o w l e d g e b a s es t r u c t u r ei s p r e s e n t e d ， i nw h i c ht h ef a u l ts o u r c ew o u l db el o c a t e ds o o n ，a n dt h ef a u l t s p r e a dp r o b l e mi n c h e m i c a lp r o c e s sw o u l db eo v e r c o m e t h ef u z z yk n o w l e d g er e p r e s e n t a t i o na n df u z z y r e a s o n i n gm e t h o da r eu s e dt oa c c u r a t e l yr e p r e s e n tt h ef u z z yk n o w l e d g ea n dt om a k e t h er e s u l tm o r er e a s o n a b l e i nt h ei n f e r e n c e e n g i n e ，t h e f o r w a r da n db a c k w a r d r e a s o n i n gm e t h o d sa r ec o m b i n e d i nt h eb a c k w a r dr e a s o n i n gp a r t ，ah e u r i s t i ca n d o r t r e es e a r c hs t r a t e g yw a sp r e s e n t e db a s e do f ff u z z yr e a s o n i n g i nt h i ss e a r c hs t r a t e g y , t h eh e u r i s t i ci n f o r m a t i o no b t a i n e df r o mt h ew e i g h t e df u z z yr e a s o n i n gi su s e dt od i r e c t t h es e a r c hp a t ha n dt oa c c e l e r a t et h ep r o v i n gs p e e d t h ep r o g r a m m i n gl a n g u a g ei s d e l p h i ，a n ds o m e n o v e lt e c h n i q u e s ，i n c l u d i n ga c t i v e xd a t ao b j e c t ( a d o ) ，s q l q u e r yl a n g u a g e ，d a t ac a c h ea n dd y n a m i c l i n kl i b r a r y ( d l l ) w e r eu s e dt oe n h a n c e t h ef u n c t i o na n di m p r o v et h er u n n i n ge f f i c i e n c y t h ep r o c e s so ff l u i dc a t a l y t i cc r a c k i n gu n i t ( f c c u ) w a ss t u d i e da sac a s e i n t h i sc a s e ，t h ef a u l td i a g n o s i ss y s t e mw a si n t e g r a t e dw i t ht h em o n i t o r i n gm o d u l e t h e m o n i t o r i n gm o d u l e m o n i t o r sk e yv a r i a b l e s ，a n dt h ef a u l td i a g n o s i ss y s t e md i a g n o s e s t h ef a u l t t h ek n o w l e d g eb a s eo ft h ef c c uw a sc o n s t i t u t e db yp r o c e s sm e c h a n i s m ， o p e r a t i n gr u l e s ，a n de x p e r t i s e e a c hr u l ew a ss t o r e di nc o r r e s p o n d i n gf a u l to b j e c t i n t h i sf o r mk n o w l e d g ew a sf o u n d e d m o d i f i e da n dv e r i f i e df o ri n t e g r a l i t ye a s i l y t h e f u n c t i o no ft h ef a u l tt r a n s f e r r i n ga m o n gf a u l to b j e c t sw o u l dl o c a t et h ef a u l tt o i t s s o u r c ed e v i c e v e r ys o o n ，a n d a v o i dm i s t a k e s e v e r a lc a s e so ft h ef c c uf a u l t d i a g n o s i sw e r es t u d i e d ，a n dt h e r e s u l t ss h o w nt h a tt h ee x p e r ts y s t e mw a se f f e c t i v e k e y w o r d s ：f a u l td i a g n o s i s ；e x p e r ts y s t e m ；k n o w l e d g eb a s e ；f u z z yr e a s o n i n g ；f c c u 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研 究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写的成果作品。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：泐丰色砍日期：伽 年6 月；日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权华南理工大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：渤耗蕺 导师签名： 圃 日期：伽；年占月；日 日期：a 。呜年占月占日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 化工过程故障诊断的背景及意义 化工生产工艺复杂多变，原材料及产品具有易燃易爆、有毒有害和腐蚀性， 且生产装置大型化、连续化，因此在生产过程中存在着潜在的危险因素。这些危 险因素在一定条件下会转变为故障，甚至事故。根据2 0 0 1 年中国化工安全卫生技 术协会的资料，国内外上万例典型化工事故涉及的行业包括化肥行业、硫酸行业、 石油化工行业、有机化工行业、氯碱行业、无机化工行业、农药行业、燃料行业、 涂料行业、医药行业、橡胶行业、化工机械行业、化学矿山行业、纯碱行业等。 引起故障的原因多种多样，如操作规程有缺陷，安全装置有缺陷，阀门、仪表、 设备失灵，工厂操作工未按规章操作，不了解物性，检修措旖有误，出现异常时 操作员判断失误0 , 2 1 。 这些故障破坏正常生产并危及人们的生命安全，同时带来严重的环境污染， 造成极大的经济损失。据美国“o i l g a sj o u r n a l ”杂志报道，一个炼油厂更新一 套中型催化裂化( f c c u ) 装置能实现日产值增加5 0 0 0 美元，而停产一天就会损 失2 0 万美元，从新技术中得到的收益会因为事故停车而迅速损失掉，停车一天的 损失超过了由更新技术所带来的一个月的收益【3 】。7 0 年代初以来，随着计算机科 学的发展，化工过程的自动化水平提高，自动化装置的规模越来越大，投资也越 来越高，如一套大型乙烯装置上就有成百上千的控制回路，整套装置的投资一般 都在数十亿人民币以上。采用了先迸控制系统后，现代化工生产得安全性得到了 很大的提高，但是一旦发生事故，其后果却往往倍加严重。2 0 0 0 年6 月，k u w a i t 石化的m i n a a t a h m e d h i 炼油厂发生爆炸事件，引起的经济损失达4 亿美元【4 】。 2 0 0 2 年，化工安全形势严峻。突出表现在重大死亡事故的频率和伤亡人数的 增加。其中与危险化学品生产经营有关的石油、化工、制药3 个行业的死亡人数 与2 0 0 1 年相比，上升幅度均超过了2 位数。2 0 0 2 年共发生三起特大事故，即2 0 0 2 年3 月1 8 日，湖南娄底同江机械化工责任有限公司1 号成品库发生爆炸，造成 l o 人死亡：2 0 0 2 年7 月8 日，山东聊城莘县化肥有限公司发生液氨泄漏事故，造 成1 3 人死亡：2 0 0 2 年1 0 月2 7 日，内蒙古自治区乌海泰达制钠公司因氯气管道 腐蚀造成氯气泄漏，发生特大中毒事故，致使1 人死亡、一人重度中毒、8 人中 度中毒、3 2 入轻度中毒、3 6 9 入有刺激性反应【，l 。 因此化工过程的故障监测与诊断问题得到了越来越多的重视。故障诊断是指 系统在一定工作环境下查明导致系统某种功能失调的原因或。眭质，判断劣化状态 发生的部位或部件，以及预测状态劣化的发展趋势等。在工程技术领域，也需要 根据系统各种可测量的物理现象和技术参数的监测来推断系统是否正常运行，判 华南理工大学工学硕士学位论文 断发生故障的原因和部位，预测潜在故障的发生等。故障诊断技术包含了故障检 测、故障分离、故障估计和故障预报等内容，在故障发生之前或起始时刻利用一 切可用的信息，包括可测变量、估计变量、人工经验对故障进行检测、分离、评 价和决策。如果对故障做早期诊断，就能采取必要的措施，避免故障的进一步传 播，或者采用容错技术，使得被控过程在某些故障发生时，仍可以有效地运行b 引。 故障诊断技术最先在航空航天领域得到了应用，随后在众多的工业领域取得 了许多应用成采。一些著名的应用实例有：美国和德国在核反应堆上进行了有益 的尝试，取得了成功的实验结果；我国在半流程工业的生化过程和联碱化工过程 领域已有了许多实际的应用成果m j ；在流程工业中，特别是炼油装置 9 - 1 0 i 、精馏 分离装置【、间歇反应器【幢1 等对象上，故障诊断技术也已得到了应用。 但是与大量的故障诊断方法相比，实际应用的比例仍有待于提高，尤其是故 障诊断系统在工业装置上实际长期运行的还不多。目前国外韵一些大的软件公司， 如s e t p o i n t 公司等，已开发出了一些工程化的通用监控软件，可以对被控过程进 行在线监测、诊断，以及跟踪故障时间等，而国内在这方面还很不足陋7 。因此， 开发能够满足实际化工生产过程要求的通用故障诊断软件是研究开发的一个重要 方向。 1 2 故障诊断的常用方法 故障诊断技术发展至今，己提出了大量的方法。按照国际故障诊断权威，德 国的p m f r a n k 教授的观点i t 3 1 ，所有的故障诊断方法可以划分成基于知识的方法、 基于解析模型的方法、基于信号处理的方法三种。故障诊断方法的分类示意鹜如 图1 1 所示。 基于解析模型的方法，是在有准确的对象数学模型的情况下，按一定的数学 方法对被测信息进行处理诊断，它又可分为参数估计法、状态估计法和等价空间 法，目前这种方法得到了深入的研究，但在实际情况中，往往难以获得对象的精 确数学模型，从而大大限副了基于解析模型诊断方法的使用范围和效果【1 4 “”。 基于信号处理的方法，通常是利用信号模型，如f f t 变换方法、小波变换方 法、谱分析方法、相关分析方法等，直接分析可测信号，提取诸如方差、幅值、 频率等特征值，从而检测出故障u 。 2 第一章绪论 图l - 1 故障诊断方法的分类示意图 f i g1 1 c l a s s i f i c a t i o no fm e t h o d s o ff a u l td i a g n o s i s 近年来，人工智能及计算机技术的飞速发展- 为故障诊断技术提供了新的理 论基础，产生了基于知识的故障诊断方法，此类方法由于不需要对象的精确数学 3 兰壹翌三查兰三兰璺圭兰堡芝兰 模型，而且具有某些智能特性，因此是一种很有生命力的方法。基于知识的故障 诊断方法主要可以分为：专家系统方法、模糊故障诊断方法、模式识别方法、神 经网络方法咀及定性的观测、仿真方法等瓯博2 0 1 。其中运用最广泛的是专家系统。 上述部分方法的详细介绍可参看文献 2 l 】。 1 3 专家系统的特点与分类 专家系统是一类程序系统，在某领域具有专家水平解题能力，能够像领域专 家一样工作，运用专家们多年来积累的工作经验与专门知识，在很短时间内做出 高水平的解答。 专家系统虽然种类很多，但它们都具有一些共同的特点眦】： 1 ) 知识的汇集：一个专家系统汇集了某个领域多位专家的经验和知识，以及 他们协作解决重大问题的能力。因此，专家系统应表现出更渊博的知识、更丰富 的经验和更强的工作能力，而且能够高效率、准确、迅速和连续地工作。 2 ) 启发性推理：专家系统运用专家的经验和知识进行启发式推理，对问题作 出判断和决策。 3 ) 推理和解释的透明性：用户无需了解推理过程，就能从专家系统获得问题 的结论，而且推理过程对用户是透明的。专家系统的解释器可以回答用户关于“系 统是怎样得出这一结论”和“为什么会提出这样的问题”之类的询问。 4 ) 知识更新：专家系统能够不断地获取知识：增加新的知识，修改原有知识。 机器学习就是系统积累知识以改善其性能的重要方法。 专家系统可以根据所处理问题的类型分为以下1 0 种 1 8 2 2 - 2 7 】： 1 ) 解释型：解释型专家系统的任务是通过对已知信息和数据的分析，解释这 些信息和数据的实际含义。典型的解释型专家系统有信号理解和化学结构解释等 专家系统。 2 ) 诊断型：诊断型专家系统的任务是根据输入信息找出处理对象中存在的故 障。主要有医疗、机械和电子等领域中的各种诊断专家系统。 3 ) 调试型：调试型专家系统的任务是给出已确认故障的排除方案，主要有电 子机械设备的计算机辅助调试专家系统。 4 ) 维修型：维修型专家系统的任务是制定并实施纠正某类故障的规划。例如， 计算机网络的维护专家系统，电话电缆维护专家系统a c e 等。 5 ) 教育型：教育型专家系统的任务是根据学生的学习特点，把需要学习的知 识以适当的教学方法和教案组织起来，用于对学生进行教学和辅导，诊断和处理 学生学习过程中的错误。 6 ) 预测型：预测型专家系统的任务是根据处理对象过去和现在的情况分析及 推测未来的演变和发展。典型的应用有天气预报、财政预测、经济发展预测等。 4 第一章绪论 7 ) 规划型：规划型专家系统的任务是寻找出某个能够达到给定目标的动作序 列或步骤。规划型专家系统可用于机器人动作规划、交通运输调度、工程项目论 证与规划、生产作业调度等。 8 ) 设计型：设计型专家系统的任务是根据给定的要求形成所需要的方案或图 形描述。典型的应用有电路设计和机械设计。 9 ) 监测型。监测型专家系统主要用于完成实时监测任务，对系统、对象或过 程的行为进行不间断监测。把监测到的行为与其应当具有的行为进行比较，以发 现异常情况，发出警报。这类系统通常是诊断型、预测型和调试型的合成。 1 0 ) 控制型。控制型专家系统的任务是自适应地管理一个受控对象或客体的全 部行为，使之满足预期要求，通常用于实时控制型任务。 实际上，上述1 0 种任务类型之间往往相互关联，有些专家系统通常要求完成 具有几种类型的任务。 专家系统也可按其基本操作分为分析型专家系统和设计型专家系统两类 1 9 】。 分析型专家系统求解的是分类问题，广泛用于解释、诊断和调试等类型的任务i 设计型专家系统求解的是构造问题，广泛用于规划、设计等类型的任务。 1 ) 分析型专家系统：至今为止，大部分的专家系统是分析型专家系统，它们 所求解的都是分类问题。求解分类问题的过程是：给出输入数据和相应的输出数 据，要求得到对象系统是否异常姒及异常的原因，这一过程称为解释操作。 2 ) 设计型专家系统：设计型专家系统求解的是构造问题，也就是在事先给定 的设计要求和约束条件下，考虑各种部件的可能组合或各种可能的动作序列，最 终求得满足要求的系统设计方案或行动规划。 1 4 本文工作的主要内容 专家系统作为故障诊断的一种重要方法，对化工过程实现安全生产具有重要 的意义。解决化工领域专家模糊知识在专家系统内的表示、合理存储、高效推理， 是本论文工作的目的和意义所在。开发一套适用于化工过程的模糊诊断专家系统， 以及集成仿真、监测程序形成完整的化工过程监测与故障诊断系统，为进一步的 工业化打下基础，是本论文的主要任务。本文主要研究内容如下： ( 1 ) 实现了模糊数学与模糊推理的算法在本专家系统中的应用。 ( 2 ) 吸收面向对象的思想，针对故障诊断的特殊性，提出面向对象知识库的 一种新结构。并在此知识库结构的基础上确立了推理机制以及搜索策略。 ( 3 ) 开发了一套适用于化工过程的模糊诊断专家系统软件，处理复杂化工流 程的故障诊断问题。系统可以方便地进行组态和建立、维护专家知识库，并能与 仿真程序、监控模块等集成。 ( 4 ) 改进了催化裂化( f c c u ) 的仿真程序，与p c a 监测程序集成，形成一 5 华南理工大学工学硕士学位论文 套完整的化工仿真数据监测与故障诊断系统。构造了f c c u 专家经验知识库，通 过案例分析检验了故障诊断系统的诊断性能以及与监控程序的整合性。 6 第二章模糊诊断专家系统 第二章模糊诊断专家系统 2 1 专家系统的结构 根据系统的应用环境和所执行任务的特点不同，可以选择专家系统的不同结 构，也就是专家系统各组成部分的构造方法和组织形式。 专家系统一般的结构如图2 - 1 所示，它由知识库、黑板、推理机、解释器、人 机接口、知识获取器等组成。 操作人员 f人机接口 上上上 解推知 释理识 器 1 至卜 机获 取 tt r 知识库 图2 1 专家系统结构图 f i g 2 - 1s t r u c t u r eo f e x p e r ts y s t e m 1 ) 知识库：知识库以某种存储结构存储领域专家的知识，包括事实和可行的 操作与规则等。知识库的知识来源于知识获取机构，同时它又为推理机提供求解 问题所需的知识。 2 ) 黑板：又称为全局数据库。它用于存放求解问题的初始数据、中间结果以 及最终结果等内容不断变化。它是推理机不可缺少的一个工作场所，同时又可 记录推理过程中的有关信息，为解释机构提供回答用户咨询的依据。 7 华南理王大学工学硕士学位论文 3 ) 箍理撬：雅理撬羧箍全局数攥瘁豹当蓊海容，麸翔毒鬟痒审选择爵匿酝豹援 则r 并通过执行规则来修改数据库中的内容，樽通过不断的推理母出问题的结论。 推理视中包含翔侮获知识露中选撵规剐的策略和当蠢多个可甭鬟硒辩蠹西俺澄解规 则冲突的策略。 4 ) 解释器：用于向用户解释专家系统的行为，德括“系统罴怎么褥出这结 论的”、“系统为什么骠提出这样蚋阉题寒询阗用户”等。 5 ) 人机接朋：入机接口是专家系统与用户进行对话的界面。用户通过人机接 口输a 必要熬数据、提出翊题毒疆获缛接壤结暴及系统擞出瞧解繇：系绞通过人规 接口要求用户回答系统的询问，嘲答用户的问题和解释。 努知圣最获取器：这是专家系缓孛获淑翔谈豹极捻，其基本强务是熬翔识浚入 到知识库中；枪测并修改知识中的错误；对知识库i 行扩充、技验等。为此，需 要辩謦 编耱及翔谖淳繁瑾静有关稳痔系统，秘翅豁谈编辑器等。 知识库和报理机烙专家系统中最基举的模块。知识表示的方法不同，知识库 的结构就不同。推理税是对知谖瘁中酶知识逶行操俸酶，推瑶梳程序菇知识褒示 的方法及知识摩结构是紧密相关的，不问的知识表示有不同的报理机。 2 。2 知识表达与翔识库结构 2 2 。 常用豹翔议表示方法 人类的智能活动过程主隳是一个获得知识井运用知识的过程，知识是智能的 基础。知识表示是对知识的一种椭述，是一种计算帆可以接受酶、用于描述知识 的数据结稳。对知识逑雩亍表暴就爨把知识转化成便予计算机存 ；嚣_ 帮利用的数据的 过程。目前使用较多的知识表示方法有：一阶谓词逻辑表示法、产生式表示法、 框黎表示法、漤义翻终表承法、纛囱对象表示法等【l 引。 ( 1 ) 一阶谓词逻辑表示i 焱 除谓谲逻辑表承法磊接近予垂然溪言豹澎式语言来裘示黧谖，魄较容荔理 解，人们比较释易接受。谓词逻辑的真德只有“真”和“假”，因此可用它表示确 定性知识，并对保i 芷经演绎推理骄褥宙瓣结论的精确往。谓词逻辑暴蠢严格瓣形 式迩义及推理规则，利用这些推理规则及有关定理诫明的方法和技术w 从已知事 实推出新的事爽，或i 芷明撬出酶假设。用谓词逻辑表示的知识可良眈较容易堍转 换为计算税鲍内部形技，便于实现对知识的增加、删除与修改。用它袭示知识所 进行的归结演绎推理赫于程计算帆上实现。 一玲谓调逻辑衷承法畜缀大的髑艰燃。酋毙谓词逻辑只能表霹确定性的知识， 不能表示不确怒的知识。但是，由于人类的知识大多都不同程度地具有不确窳性 这藏使褥宅表拳寨援瓣范嚣受裂袋铡。其次袭误词逻辑粒攘理过程中，疆藿攀实 数瞄的逐步增火及盲目地使用推璁规则，有可能形成组合爆炸。最后，在谓词逻 8 第二章模糊诊断专家系统 辑的推理过程中，推理与知识的语义是割裂开的，这就使得推理过程冗长降低 了系统的效率。 ( 2 ) 产生式表示法 目前已建造成功地专家系统大多采用产生式表示法。 引入置信度的产生式形式如下： p j 口卯，f( 2 一1 ) 其左侧表示一组前提或条件，右侧表示若干结论或动作，c f 是本规则的置信 度，堤前提的置信度的闽值。上式的含义是：“如果前提p 满足，且p 的置信度 大于矗则可推出结论q 或执行q 所规定的操作，并可以得到结论q 的置信度。 产生式的前件后件可以是广泛的条件，操作，并且可以表示不确定性知识，进行 模糊匹配。 产生式表示法主要有如下优点： 1 ) 自然性：产生式表示法用“如果则”的形式表示知识，这是人们 常用的一种表达事物因果关系的知识表示形式，即直观、自然，又便于推理。正 因为这一原因，使得产生式表示法成为人工智能中最重要且应用得最多的一种知 识表示模式。 2 ) 模块性：产生式是规则库中最基本的知识单元，规则库与推理机相对独立， 而且每条规则都具有相同的形式，这就便于对规则库进行模块化处理，为知识的 增、删、改带来方便。 3 ) 有效性：产生式既可表示确定性知识，又可表示不确定性知识；既有利于 表示启发性知识，又可方便地表示过程性知识；既可表示领域知识，又可表示元 知识。因此，产生式表示法可以把专家系统中需要的多方面的知识用统一的模式 有效地表示出来。 4 1 清晰性：产生式有固定的格式每一条产生式规则都由前提与结论两部分 组成。产生式具有所谓自含性，即一条产生式规则仅仅描述该规则的前提与结论 之间的静态因果关系，且所含的知识量比较少，这就便于对规则进行设计和保证 规则的正确性，同时，也便于进行知识的一致性和完整性校验。 产生式也有不足之处： 1 1 效率不高：在产生式系统问题求解过程中，首先要从规则库中选出可与综 合数据库当前状态匹配的可用规则，若可用规则不止一个，就需要按某种冲突消 解策略从中选出一条规则来执行。由于规则库一般规模较大，拥有的规则条数较 多，而规则匹配又是一件十分费时的工作因此产生式系统的工作效率不高。 2 ) 不能表达具有结构性的知识：产生式适合于表达具有因果关系的过程性知 识，但对具有结构关系的知识却无能为力。它不能把具有结构关系的事物之间的 结构联系表示出来。因此，产生式除了可以独立作为一种知识表示模式外，还常 与其它可表示知识的结构关系的表示法结合起来使用。 9 华南理工大学工学硕士学位论文 ( 3 ) 框架表示法 框架表示法善于表示结构性的知识，能够把知识的内部结构关系及知识之间 的联系表示出来，它是一种经过组织的结构化表示法。框架系统支持框架的继承， 这样不仅减少了框架网络表示知识的冗余，而且较好地保证了知识的一致性。 框架表示法的主要不足之处是不善于表示过程性的知识。另外，对于给定的 问题领域，如果有关的领域知识具有比较明显的结构性特点，那么就比较容易建 立框架表示的知识库，否则，就难于用框架网络建立。 ( 4 ) 语义网络表示法 语义网络实际上是一个带有标识的有向图，可直观地把事物的属性及事物间 的语义联系表示出来，便于理解。它也是结构化的知识表示法，把事物的属性和 事物之间的联系用语义网络的结构形式显式地表示出来。语义网络表示法具有很 大的灵活性，用其它方法表示的知识几乎都可以用语义网络表示出来。 与谓词逻辑相比，语义网络没有公认的形式化表示体系，一个语义网络所表 示的含义完全依赖于自定义的语义关系。并且由于它具有相当的灵活性，但也由 于它表示知识的非严格性，从而增加了语义网络的复杂程度和对语义网络进行处 理的复杂性。 2 2 2 不确定性的知识的表示 知识分为确定性知识与不确定性知识两类。确定性知识只有“真”和“假” 两种状态，而不确定性知识则允许有介于两者之间的中间状态【2 8 。2 9 1 。有时，人们 难于用确切的概念来描述事物。例如，可以按身高把人分为“高”与“不高”两 类，但是难于给出确切的度量来区分“高”与“不高”。在各种实际应用领域中， 严格精确和确定的知识并不多见，大量的知识是不精确的和不确定的。可以说， 不确定性是智能问题的本质特征。例如，一个操作员通过观察仪表来对过程进行 控制仪表显示的是过程的测量值，比如4 9 0 1 2 ，操作员将这个精确的数值转化 为头脑里的概念量，比如“反应温度偏高”，再据此采取相应的措施降低反应温度 2 9 1 。 知识的不确定性主要表现在歧义性、不完全性、不精确性、模糊性、可信性、 随机性等方面，这些没有完全包括客观世界中不确定性所具有的丰富内涵，他们 之间的区分也不是绝对的。 目前，人们已经研究出多种表示及处理不确定性知识的方法，如不确定性理 论、主观b a y e s 方法、证据理论、可能性理论等3 m 3 2 1 。目前常用是的基于产生式 不确定性知识的表示方法，可分为可信度方法、概率方法、模糊逻辑方法。这三 种方法的具体介绍可参见文献【2 l 】。 由于可信度方法是用人们主观上对事务的相信程度来描述事务的不确定性， 概率方法是用随机性来描述事务的不确定性。二者都没有把事物本身所具有的模 糊性反映出来。而模糊数学中的一些概念和理论解决了这个问题，所以在知识的 1 0 第二蕈模糊诊断专家系统 表示和推理方面得到应用 3 3 - 3 4 1 。 一般用置信度的概念来描述不确定性知识，置信度的取值在0 到1 之间。置 信度为0 ，相当于确定性知识的“假”；如果置信度为l ，则相当于确定性知识的 “真”。用于诊断系统的专家知识大部分为不确定性知识。数据的模糊表达就是根 据测量数据的精确值以一定算法得到模糊前提的置信度。 2 2 3 知识库的存储结构 知识库是存放专家系统的知识和数据的地方。知识和数据的质量好坏取决于 知识的获取过程，依赖于领域专家的水平以及领域专家与知识工程师的合作的好 坏但是知识库组织的好坏同样也会大大影响专家系统的运行效率，乃至解题能 力。 知识库设计应解决的问题主要包括：1 ) 选择哪些类型的知识应该放到知识库， 采集这些知识的途径；2 ) 决定当前的知识的表示形式3 ) 决定这些知识的组织方 式；4 ) 确定其他模块应用知识库中的知识的途径，即能给专家系统的其他模块提 供怎样的接口 3 5 - 3 8 1 。 根据领域知识的特点来选择最合适的知识表示模式是知识工程师的主要职责 之一。我们在前面讨论了各种知识表示的方法可以根据具体情况选择一种合适 的知识表示。对于具体问题可能采用一种知识表示是不够的，需要采用混合的知 识表示技术，或者对现有的知识表示技术进行扩充。 如何把知识库合理有效的组织起来，是知识库的物理设计问题。知识库内容 的物理组织依赖于知识的逻辑表示形式。知识库物理组织的好坏对整个专家系统 的执行效率影响很大，所以在设计过程中要给以重视。不管怎样的组织，都应遵 循如下基本规则 3 5 1 ： ( 1 ) 认知一致性，需要能够足够准确地表示出所获得的专家知识。 ( 2 ) 知识的开放性，由于获取知识的多变性，要求能够很容易地添加、删除和 管理知识条目 3 9 1 。 ( 3 ) 可移动性，随着网络技术的发展，需要知识库具有平台无关性，能够很方 便地将知识库从一个操作平台移到另一个。 ( 4 ) 程序无关性，为了知识的动态更新，要求知识库和控制程序相分离。 ( 5 ) 充分推理，有能力以所设计的推理方法来充分利用存储的知识。 ( 6 ) 有效推理，有能力把附加的信息结合到结构中去，而这些附加的信息可用 于把推理机能的重点放到最有希望的方向上去。 2 3 推理过程与推理机 从已知的事实出发，通过运用已掌握的知识，找出其中蕴含的事实，或者归 纳出新的事实，这一过程通常称为推理。严格的说，推理就是按某种策略由已知 华南理王大学工学硕士学位论文 翔辑攘爨勇一种翔断鼢恿缝过程h 。专家系统里实蠛推懋静程净成为推理褫。推 理过程是一个求解问题的过程，问题求解的质量与效率依赖于求解问题的策略， 郎推理静控制策略。推理的控制策略主要包捅推理方向、搜索策略、冲突潸解策 略、求解蒙略及艰制策略等。 2 3 1 推理方向 推理方向用于确定推理的驱动方式，分为正向推理、爱向推理、混合稚理及 双向推理四种【”】。 正向推理从用户摊供的衔始己知事实出发。在知识库中找出当前w 适用的知 识，构成可适用知识嶷，然后按莱静冲突谤解策略从中选如一条戋拜识迸行撼理， 并将推出的新事实加入到综合数据库中作为下步推理的已知事实。程此之后再 在稚器 痒中选取可适耀知识进行推理。发复以上过程，壹到求得了所要求钓解或 知识库中再无可适用的知识为止。 菱囱攥瑾善先选瓮一个簇设鹾标，然嚣寻找支撩该霰设藜嚣据，嚣繇零瓣涯 据都能找到，则说明该假设是成擞的；若无论如何都找不到所需要的诫据，则说 绢躲穰设不成立，l l ：对需要勇外速定薪鹃簇设。 混合摧理分为两种情况：一种是先进行正向推理，从已知事实演绎出部分结 果，然后再用反向推瑾i 正实该目标或提高其可信度；另一种情况是先假设一个目 标进行反向推理，然后再剥月反肉推理中褥到的信息进行正向掺理，以推出更多 的结论。 双向攘理一方面投据已妇事实进行燕囱拯遐，瀑并不接到最终目标i 另方 面从某假设目标出发进行反向推理。但并不推至原始事实，当由正向推理得啦的 中阈结论烩好是反囊撵理鼗对所要求豹诞据，这时推理缝寒，反向推理豹瑕没裁 是推理的最终结论。 2 3 2 搜索策略 壤提瓣题的实际攮提不鞭寻找可剥躁的知识，从嚣构造一条代价鞍少粒攘理 路线使问题得到圆满解决的过程称为搜索。搜索过程的性能主要是指搜索过程的 完餐性与援索效率。为了送行搜索，蓄袅基绥考虑阍逛及其隶瓣过程鹑彩式表示， 其寝示是否适当，将赢接影响到搜索求解的效率。问题及其求解过程的形式化方 法裔状态空闻法和与，或辩表示法。搜索分鸯鸯嚣攘索窍寤发式搜索。茭中盲毽搜 索总是按照预定的路线进行，没有考虑剿问题本身的特性，而启发式搜索加入了 与问题有关的启发式信息，用以指导攫紫朝着最有希望静推理方向进行，麓遥阔 题的求解过程并找到鼹优解。下蘧重点地介绍与或树表示法和对应的一些搜紫策 略射。 与，或越表示法把翅始闫题遥过一系列变换最终变为一个子阀题集会，两这些 子问题的解可以直接得到，从而解答了铆始问题。 第二章模糊诊断专家系统 “与或”树如图2 2 所示。在图中，出节点的各条边用一条弧连接起来的是 “与”节点。 图2 - 2 与，或树 f i g2 - 2a n d o r t r e e 与，或树的搜索策略分为盲目搜索与启发式搜索两大类。下面讨论的宽度优先 搜索、有界深度优先搜索都属于盲目搜索策略。 宽度优先搜索又称为广度优先搜索，它的基本思想是：从初始节点岛开始， 逐层地对节点进行扩展与可解，不可解标示，在第n 层的节点没有全部扩展并标示 之前，不对第n + l 层的节点进行扩展。宽度优先搜索的盲目性较大，当目标节点 距离初始节点较远时将会产生许多无用节点，因此搜索效率低。但是，只要问题 有解，用宽度优先搜索总可以得到解，而且得到的是路径最短的解。 深度优先搜索的基本思想是：从初始节点岛开始，在其子节点中选择一个节 点进行标示，若不能得到解，则再在该节点的子节点中选择一个节点进行标示， 一直如此向下搜索。当到达某个节点，若该节点不能继续扩展，也没有得到解， 则选择其兄弟节点进行标示。在一般的深度优先搜索中，搜索一旦进入某个分支， 就将沿着该分支一直向下搜索。如果通过此分支恰好能够解出原问题，则可较快 地得到解。但是，如果通过此分支不能解出原问题，而该分支又是一个无穷分支， 则不可能得到解。所以深度优先搜索是不完备的，即使问题有解，它也不一定能 求得解。为了解决深度优先搜索算法不完备的问题，避免搜索过程陷入无穷分支 的死循环，可以采用深度可变的有界深度优先搜索算法。有界深度优先搜索算法 的基本思想是：对深度优先搜索设定搜索深度的界限( 设为d m ) ，当搜索深度达 到了深度界限，而尚未得到解时，就换一个分支进行搜索。如果问题有解，且其 路径长度d 。，则上述搜索过程一定能求得解。深度界限的选择是很重要的。 华南理工大学工学硕士学位论文 2 。4 解释机制与解释器 在专家系统中，由于知识库与推理机是分离的，系统运行的每一步以及系统 激活哪一条规则是当时的环境信息和推理机共同决定的。所以采用简单的推理控 制策略，动态变化的综合数据库当前内容和多条可用规则也使人们难以理解系统 的执季于行为。专家系统的解释机制就是对系统设计者或用户提出的阉题给出解释 或说明，解释器就是为完成解释功能而设置的程序模块。 2 5 小结 本章介绍了专家系统盼一般组成结构，并分别介绍了各部分约基本概念和实 现的常用方法。其中着重介绍了最常用的知识表示方法，即产生式表示法；确定 性知识表示与不确定性知识表示的区剐和意义；常见的几种的推理方向；与，或树 宽度搜索策略和与，或树广度搜索策略。 1 4 第三章模猢诊断专家系统的设计 第三章模糊诊断专家系统的设计 3 1 化工过程模糊诊断专家系统总体结构设计 故障诊断专家系统与数据采集、数据处理与监控模块一起组成过程监测与故 障诊断系统。在这个系统中，来自集散控制系统( d c s ) 或仿真程序的实时数据 或历史数据送入数据处理与监控模块，确定异常变量后传送给故障诊断专家系统。 故障诊断部分将异常变量进行知识表达处理后送入推理机，在推理机中调用知识 库中存储的专家知识进行诊断推理。推理过程中需要其他相关的测量数据的值， 由d c s 实时数据库或仿真程序经过数据处理后得到。如果推理机诊断出故障，则 通过输出模块向操作人员显示故障推理结果和操作建议，与此同时，用户界面上 也会醒目地显示出相关的设备和测量变量。整个监控、故障诊断过程可以实时运 行，以满足在线故障诊断的需要。知识库与推理机是专家系统中必不可少的组成 部分，是基于知识的推理的基础和核心。本系统实现了面向对象的知识库结构、 模糊知识表示、模糊推理。 i - 图3 1 过程监测与故障诊断结构图 f i g3 - 1p r o c e s sm o n i t o r i n g a n df a u l td i a g n o s i ss t r u c t u r e 1 5 肇蔚璎王走掌工学硬攀谴论文 _ _ - _ _ _ - _ _ _ _ _ _ ll l 1 l l l l l l i , i i i i i i _ _ _ _ _ _ - - _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ - - - - 3 。2 霹淘对象的稚谖库 复杂纯王过糗存巍广滋黥敬潜传攒琥象。藏障倦瓣是措发象程一个设餐静偏 蕊或藏鼯，透过耨溅管竣逐逮逸整筵黧嚣续竣餐，遥壤这鏊竣餐逮孬黪猿麓蠛故 酶。由予设备之间耩甄笑联，发生在紫一个设备的壤簿锉往会蓬延烈蕊它设备， 这给罐确遮定位籁渗黢逵残了报大题港。蔓杂化工过程避鑫擐多凌备绦裁熬，一 个设备黥状态变化套魄速倦递到其它设瞽，甚至通过网路反馈豳原设备，孳i 趟更 丈黥变纯。器簿露臻静琵墨藏障诊断专家系辘孛，舔谣漆舔努逶鬻聚蹙簸障瓣摸 型。数艨辩模型逶躅予可戳邋步薹 瓣、绷纯鹣孤立鹣赦酶。但复杂化王过糕瓣救 豫经捷照掇互传攘斡，经鬻密一个浚器戆顼梭薄跳戮努一个设备的褶露缀掰戆璎 故障，形成网状结构。就时，用故酶挝摸墼裁很难袭遮夔髂豹故障结