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仪表设计专家系统的研究与开发 摘要 流量测量在经济建设、社会生活各个方面有着广泛的应用。计量仪表精确度 的高低，也直接影响着企业的经济效益。但由于流量测量仪表的种类繁多、结构 复杂，应用范围也各不相同，仪表设计过程非常复杂，仅由人类专家来完全设计 的难度是很高的。专家系统是人工智能研究的重要方向，它是一套能在某特定领 域内，利用知识和推理，以人类专家水平去解决该领域中困难问题的计算机程序。 它可以通过对符号的处理来模拟专家的思维过程，利用知识来推理出结果。将专 家系统应用在仪表设计上，可以代替人类专家的部分劳动，有效提高仪表设计的 效率，减少设计错误。 专家系统一般是由知识获取、知识表示、推理机、解释器等几部分组成的。 其中知识表示与推理视是专家系统的核心。本文结合仪表设计与专家系统开发方 法的特点，对知识库与推理机制进行深入的研究，并设计实现了仪表设计专家系 统的知识库和推理机。 本文主要论述了b ，s 结构下仪表设计专家系统的研究开发。在课题研究的过 程中，我们对大量的专家知识、规则及相关数据进行了整理。根据仪表设计的数 据特点，基于s q ls e r v e r2 0 0 0 数据库建立了系统的知识库。知识库主要由仪表 的设计规则与仪表的模块参数等构成。在推理机的研究设计中，本文参考了几种 常用的搜索算法并研究仪表设计的推理特征，采用遗传算法对功耗、精度和价格 等目标参数进行优化。并根据本系统的特点，对算法进行了改进。同时，在推理 的过程中，运用了基于规则和基于事例相结合的推理机制，有效提高了推理效率。 在上述研究的基础上，完成了智能仪表设计专家系统的原型系统。 关键词：流量计；仪表设计；专家系统；知识库：推理机：遗传算法 硕士学位论文 a b s t r a c t f l o wm e a s u r e m e mi s 谢d e l ya p p l i e dt om a i l ya s p e c t ss u c ha se c o n o m i c c o n 蛐m c t i o n ，s o c i a ll i f ea j l ds oo n t h ep r e c i s i o no ft l l em e a s u r e m e mm e t e r sd i r e c t l y e x e n sg r e a ti n f l u e n c eo ne n t e r p r i s e s e c o n 伽i cb e n e m s o 、v i n gt ot h ev a r i o u s c 砷e g o r i e sa n dc o m p l i c a t e ds 饥】c t u r e so fn o wm e a 眦m e n tm e t e r ，i t s 印p l i c a t i o n d i 腩r sc o n s i d e r a b l y t h e r ee x i s t sg r e a td i f r e r e n c eb e t w e e nt h ed e s i g n so fm e t e r s ， w h i c ha d d st oal a r g en 啪b e ro fd i m c l l l t hb e i n ga ni m p o 咖1 tr e s e a r c hi 慨s to f a n i 丘c i a li n t e l l i g e n c e ，e x p e r ts y s t e mi sas e to fc o m p u t e rp r o g r 咖s ，w 1 1 i c h ，b y 砸l i z i n gl 【n o w l e d g ea i l dr e a s o n i n g ，d e a l sw i mt o u 曲q u e s t i o n si ns o m es p e c 诳c d d o m a i na tt h el e v e lo f h u r n a i le x p e r t s i ts i m l l l a t e se x p e n s t 1 1 i 出n gp r o c e s st h r o u 曲 h a n d l 地gs y m b o l s ，a n dr e a s o 璐o u tf e s u l 招谢t hk n o w l e d g e t h ea p p i i e a t i o no fe x p e n s y s t e mt ot l 】ed e s i g no fm e t e r sw i l lr e p l a c eb u m a ne x p e r t st od os o m eo ft h e i rw o r k ， e f f 跏v e l ye n h a l l c i n gt l l ee m c i e n c yo ft h ed e s i 弘o fm 嘶船a sw e ua sd e c r e a s i n g 廿l e n u m b e ro f e r r o r si nd e s i g n g e n e r a l l y ，e x p e ns y s t e m c o n s i s t so f s u c h c o m p o n e t s a s k n o w l e d g e a c q l l i s i t i o n ，k n o w l e d g ed e n o 协t i o n ，r c a s o 商n gm a c l l i i | e ，e x p l a l l a t o re t c ，a m o n g 删c hk _ l l o w l e d g ed e n o 伽o na n d r e a s o n i n gm a c h i n ea r et h ec e 曲融p a n s c o m b i l l i n gt l l ec h 删t e r i s t i c so ft h ed e s i g no fm e t e r sa n dt 1 1 ed e v e l o p i t l gm e m o do f e x p e r cs y s t e m ，t h i sa r t i c l eg o e sd e 印i m ot 1 1 es t u d yo fi ( i l o w l e d g eb a s es y s t e ma n d r e a s o n i n gm e c h a i l i s m ，a i l d 澌mg e n e 石c 舢g o r i t h m ，d e v i s e st h ek n o w i e d g eb a s e s y s t e ma n dr e 嬲o n m gm a c h i n eo f m e t c rd e s i g ne x p e r ts y s t e m t br e a l i z ef 瓠ta n da c c u r a 把r e a s o n i n gm e c h 孤i 锄o n 廿1 eb a s i so fc o n c i s e ， e 矗b c t i v ed e 肿t a t i o no f 鼬l o w l e d g eb a s es y s t c mi sn l em 勾o r 缸e r c s to ft l l i sa r t i c l e w i t l lf e s p e c tt om i sg o a l ，t i l i s 枷c l er e f e r st os u b s t a n t i v el i t e 豫t i l r ea n dr e la _ t c d m a t 嘶a l s ，d e v i s e sr e l e v 跗td e n o t a t i o nm e t l l o do fi ( n o w l e d g eb a s es y s t c m ，a 1 1 d d e v e l o p s an e wm e c h a i l i s n lw 量l i c hc o m b i n e sr i l l e b 船e d r e a s o 王l i n g a n d i r 吲a n c e - b 踮e dr e a s o n i l l g 0 nm eb a s i sm e n t i o i l e da _ b o v e ，i tr c a l i z e st h ep r o t o t y p e 仪表设计专家系统的研究与开发 s y s t e mw h i c h i sb a s e do nm ei n t e l l i g e n tm e t c rd e s 啦e x p e r ts y s t e m k e yw o r d s ：f l o w m e t e r ；m e t e fd e s i 印；e x p c r ts y s t e m ；k n o w l e d g eb a s es y s t c m ； r e a s 伽_ i i l gm a c h i n e ；g e n e t i ca l g 谢t h m 仪表设计专家系统的研究与开发 第一章绪论 1 1 流量仪表发展现状 流量测量存经济建设、社会生活各个方面有着广泛的应用。长期以来人类根 据不同的测量原理，研制出丰富多样的流量计。例如在石油注水开采过程中，为 了保持开采效果、保护地下环境以及日后分析注水数据，需要对注水量进行监测， 在油田系统中逐渐使用智能仪表来计量油井的油且【”。计量仪表精确度的高低， 直接影响着企业的经济效益。 用于不同情况下的流量测量方法和流量仪表也不同。至今为止，可供工业使 用的流量仪表种类达6 0 余种之多。品种如此之多的原因就在于至今还没找到一 种对任何流体、任何量程、任何流动状态以及任何使用条件都适用的流量仪表。 仪表的种类繁多，分类方法也很多。按照目前最流行、最广泛的分类法，流 量仪表分为：容积式流量计、差压式流量计、浮子流量计、涡轮流量计、电磁流 量计、流体振荡流量计中的涡街流量计、质量流量计和插入式流量计【2 】。 流量仪表的种类如此繁多，应用范围也各不相同。这就导致了仪表设计的差 异性很大，在测量流量时由于测量原理、测量方法和结构都有各自的特征和特性， 测量操作和使用方法也不一样，仪表设计的方法也各不相同。这更增加了仪表设 计的难度1 3 。设计这样结构复杂，种类繁多的流量仪表，就要求设计人员有极其 丰富的领域相关知识。由此可见，流量仪表的设计难度是相当大的。 1 2 专家系统开发理论与方法的相关研究 1 2 1 专家系统技术基本理论 专家系统( e x p e ns y 咖m ) 是人工智能( a r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e ) 科学中偏向 于应用的一个分支，是人工智能实用化的具体表现问。它是一种智能化的计算机 软件系统，运用知识和推理来解决只有专家才能解决的复杂问题【5 1 。它把专门领 域中若干个人类专家的知识和思考、解决问题的方法以适当方式存储在计算机 硕士学位论文 中，使用计算机能在推理机的控制下模仿专家去解决问题，在一定范围内取代专 家或起专家助手作用。 本论文基于项目“嵌入式智能仪表设计专家系统”开展研究开发工作。该系 统基于专家的知识积累和数据挖掘技术建立了智能仪表设计专家知识库、规则库 和案例库，通过对这些知识的推理来模拟专家的行为，利用人工智能技术为智能 仪表专业设计人员提供智能化、建设性的设计帮助。 1 2 2 专家系统基本组成 大多数专家系统由以下几部分组成。 ( 1 ) 知识库( k n o w l e d g eb a s e ) 知识库的作用，是用于存储某领域专家系统的专门知识，包括事实、 可行操作与规则等。知识库的建立，要依赖于知识获取和知识表示。 知识获取涉及知识工程师( 鼬1 0 1 l e d g ee n g i n e e r ) 如何从专家那里获得 专门知识的问题；知识表示则要解决如何用计算机能够理解的形式表 达和存储知识的问题。 ( 2 ) 综合数据库( g l o b a ld a c a b a s e ) 综合数据库又称全局数据库或总数据库，它用于存储领域或问题的初 始数据和推理过程中得到的中间数据( 信息) ，即被处理对象的一些当 前事实。 ( 3 ) 推理机( r e a s o n i n gm a c h i n e ) 推理机用于记忆所采用的规则和控制策略的程序，使整个专家系统能 够以逻辑方式协调地工作。推理机能够根据知识进行推理和导出结论， 而不是简单地搜索现成的答案。 ( 4 ) 解释器( e x p l 锄a t o r ) 解释器能够向用户解释专家系统的行为，包括解释推理结论的正确性 以及系统输出其它候选解的原因。 ( 5 ) 接口( h l t e 血c e ) 接口又称界面，它能够使系统与用户进行对话。使用户能够输入必要 的数据、提出问题和了解推理过程及推理结果等。系统则通过接口， 仪表设计专家系统的研究与开发 要求用户回答提问，并回答用户提出的问题，进行必要的解释。 1 2 3 专家系统软件的开发特点 专家系统作为一类特殊的基于知识的软件系统，其软件开发特点为： ( 1 ) 就像人类的专家只是某一方面的专家一样，任何一个专家系统也都是 面向一个具体领域的，适用范围较窄。例如在不同仪表设计系统中， 其仪表信息的描述、仪表信息的使用和组织方式、仪表知识的学习、 仪表信息的类型与获取等诸方面都是不同的。所以，对一个领域、一 类设备非常有效的专家系统设计方法，在另一个领域、另一类设备可 能是完全刁i 适用的。 ( 2 ) 专家系统以知识和信息作为处理对象，其开发过程就是获取知识和利 用知识的过程，面向知识进行开发是专家系统开发的重要特点。由于 知识可能是不完备、不精确的或者模糊的，也就增加了软件开发的难 度和工作量，一般软件以数据作为处理对象，则不存在这种问题。 ( 3 ) 事实证明，用户在使用一个软件之前，很难对该软件提出完备的要求。 而在使用这个软件的过程中，他对该软件的需求就会发生或多或少的 变化，这常常使最初提出的需求变得不再适用。让用户1 i 经过实践就 能提出完整的需求，在许多情况下是不切合实际，对于专家系统所要 解决的特定领域的复杂问题而言更是如此。另外，专家系统开发涉及 到大量的专业知识，而软件开发人员般并不是该领域的专家，他们 对特定领域的熟悉需要一个过程。因此，专家系统的软件需求在初始 阶段难以定义得很完整。 ( 4 ) 专家系统的求解过程就是利用人工智能理论对知识进行推理的过程， 这些理论可分为符号智能和计算智能两大类。符号智能是以知识为基 础，通过推理进行问题求解，就是所谓的传统人工智能。计算智能是 以数据为基础，通过训练建立联系，进行问题求解。人工神经网络、 遗传算法、模糊系统、进化程序设计、人工生命等都可以属于计算智 斛6 】。由于以上内容难以利用数学模型进行描述，因此在程序开发时没 有确定的算法。 硕士学位论文 ( 5 ) 大多数专家系统的体系结构，采用了控制方法和知识相分离的构造方 式，即知识库与推理机是相互独立的。而一般软件通常将控制方法和 知识相混合7 9 1 。 1 3 课题意义和研究内容 1 3 1 课题意义 “嵌入式系统智能仪表开发平台的研究及其在流量仪表设计中的应用”项目 是由浙江省科技厅、义乌市科技局和浙江迪元仪表有限公司三方共同招标设立的 课题，目的是通过研究基于嵌入式系统的智能仪表设计的规律，开发支持智能仪 表创新设计的专家系统。该平台能通过用户提交的应用需求，如管径、介质、安 装尺寸、工作温度、系统功耗、通讯要求、输出方式、超限报警、显示要求、精 度要求、价格等，得出智能仪表的概念设计和软硬件的原理设计方寨。模型库覆 盖最常用的几种流量仪表。通过专家系统开发平台可将仪表的设计周期从一年到 两年缩短到三个月到半年，从而增强企业对客户需求的响应能力和产品更新换代 能力。 流量仪表种类繁多、结构复杂，1 i 同的仪表之间差异大。在进行仪表设计工 作中涉及的专业知识范围也很大。因此设计难度大，对于设计人员的要求也比较 高。 人工智能是研究怎样用计算机来模仿人脑所从事的推理、学习、规划等思维 活动，来解决人类专家才能处理的复杂问题10 1 f 1 ”。专家系统是人工智能研究的 一个重要方向，它是一套能存某特定领域内，利用知识和推理，以人类专家水平 去解决该领域中困难问题的计算机程序。它具有能在专家级水平上工作的知识、 经验和能力。专家系统是一种利用知识进行分析计算的软件系统，主要工作集中 在对符号的处理上，通过模拟专家和思维过程，利用知识来推理出结果。其结构 可表达为“专家系统= 知识表示+ 推理机制”，主要适用于基于知识的推理过 程。尤其在处理专业性较强，涉及知识量很大的问题时，专家系统更能表现出它 的强大威力来。 专家系统之所以能不断得到研究和发展，主要是因为它有如下优点： 仪表设计专家系统的研究与开发 ( 1 ) 能以接近专家的专业水平工作； ( 2 ) 没有人类专家由于疲劳、遗忘等因索所造成的影响； ( 3 ) 对专家知识提供了存贮手段和传递途径，易于继承，避免在知识的继 承上花费太多的时间： ( 4 ) 比培养人类专家容易且节省经费。 因此我们提出，用专家系统来进行仪表设计开发，从而代替人类专家的部分 劳动，可以有效提高仪表设计的效率，减少设计错误。 自从专家系统理论诞生以来，其优良的性能受到了许多国内外研究人员的青 睐，对其作了很多的研究和推进，也有很多的研究机构和企业单位设计实现了各 种实用的专家系统并将其应用于生产实践。存把人类专家从疲劳中解脱出来，避 免了遗忘等因素所造成的影响，提供了存贮手段和传授途径，减少在知识的继承 上花费的时间等方面收到了良好的效果。从而节省设计成本，加快开发周期并加 强质量的管理。 目前专家系统的研究和应用，主要集中在故障检测、过程控制以及决策支持 等方向，支持电磁类产品设计型专家系统的研究和实践应用方面比较少。而随着 嵌入式技术的进步，嵌入式产品的普遍使用。且此类产品设计难度较大，客观上 就需要有良好的专家系统进行辅助设计。此外，大量的产品案例和设计规则的存 在又为开发此类专家系统提供了可能性。 1 3 2 研究内容 根据“嵌入式系统智能仪表开发平台的研究及其在流量仪表设计中的应用” 项目需要，浙江大学计算机学院人工智能所与信息学院仪表所的数位老师和同学 联合组成研发团队，对基于嵌入式系统的智能仪表设计的规律，与智能仪表创新 设计的专家系统进行深入的研究。其中人工智能所主要负责信息收集模块和专家 系统模块的研究开发工作。在该课题中，本人主要担任知识库设计和推理机部分 的研究和设计。 项目开发的过程中，本人在对专家系统整体技术理解的基础上，查阅了大量 的专家系统设计的相关文献，根据本项目中数据存储的特性，设计了相应的知识 库表达形式。又针对仪表的各模块种类繁多，选择空间大，推理搜索漫长；各模 硕士学位论文 块对整体功能和性能影响复杂，评价难度大的特点，对专家系统推理机制进行了 深入研究，提出了用改良的遗传算法来实现搜索，并在实践上取得了良好的效果。 本课题研究的主要内容有： ( 1 ) 用户信息收集系统 这个系统主要是把用户的反馈信息和需求信息收集起来，并传递给专 家设计系统，用来给专家设计提供导向性信息。 ( 2 ) 知识库表示 仪表设计专家系统涉及大量的信息，包括仪表模块信息、仪表设计信 息等。仪表模块信息，是组成仪表的各个模块的信息，包括模块的工 作电源、市场价格、接口信息等。仪表设计信息，是专家在设计仪表 时所使用的专家知识，如模块问的依赖关系、冲突关系等，这些都属 于设计仪表所需的信息。知识库的表达方式合不合理，很大程度上影 响了专家系统的运行效率。 ( 3 ) 推理机设计与开发 怎样使用知识库中的知识，推理求解出满足需求的结论，是一个专家 系统设计的重点。仪表信息数量大，数据复杂，更增加了推理的难度。 因此，我们通过对几种常用人工智能算法的比较，决定采用遗传算法 来设计推理机，从而提高得到最优解的速度。 经过历时一年左右的研发，现在基本完成了嵌入式智能仪表设计专家系统的 原型设计与开发，并在招标单位投入试用阶段，收到了良好的反馈。经过继续的 努力，一定可以进一步完善该专家系统。本文将讲述这段工作的主要研究内容和 成果，总结相关领域的研究现状和发展方向，并简要介绍系统的实现过程和运行 状况。 本文的组织结构如图1 1 所示，总体上可以分为五个部分： ( 1 ) 第一部分即为绪论部分，简要介绍智能仪表设计的发展现状和专家系 统的基本概念，论述将专家系统的设计方法应用于智能仪表设计的必要性，表明 课题研究的意义。 ( 2 ) 第二部分为系统的理论和方法层，包括第二章。这部分表述了专家系 统的一般理论及应用，并结合仪表设计对专家系统进行了分析，设计得出仪表设 仪表设计专家系统的研究与开发 计专家系统的设计流程和总体框架。 第一章绪论 第二章智能流量仪表设计及专家系统简述 第= 章知识库设计与实现 理论与方 法层 第四章推理机设计与实现实现层 第五章仪表设计专家系统实例展示应用层 第六章总结与展望 图1 l 论文结构图 ( 3 ) 第三部分是系统的实现层，包括第三章和第四章。这部分阐述了专家 系统最主要的两个部分：知识库与推理机。在这部分里，将知识库和推理机的一 般概念和仪表设计的特点结合在一起，设计出了符合仪表设计特殊需要的知识库 表达方式和推理机制。从而保证了仪表设计专家系统的运行效率。 ( 4 ) 第四部分为系统的应用层，包括第五章。在前几章里，我们已经探讨 了专家系统的主要部分的理论与实现，这里将它们结合在一起，生成了整个系统 的逻辑结构。并月展示了系统实际运行时的部分页面。 ( 5 ) 第五部分为本文的总结与展望，包括第六章。 1 4 本章小结 本章简要介绍智能仪表设计的发展现状和专家系统的基本概念，阐述智能仪 表设计与专家系统方法结合的作用，表明课题研究的意义。同时，简述了课题的 研究内容。 硕士学位论文 第二章系统开发中应用的主要技术与系统 总体设计 2 1 引言 专家系统是人工智能应用研究领域中最活跃的分支，它使用大量专家知识解 决复杂问题。人类专家解决难题的关键，在于对领域知识的牢固掌握和灵活运用。 认识到知识在智能活动上的作用，是人工智能研究的一个重大突破。确定了以知 识为基础的研究方向，是专家系统得以迅速发展的一个重要原因。正如专家系统 的先驱费根鲍姆( f e i g e n b a 唧) 所说：专家系统的力量是从它处理的知识中产生 的，而不是从某种形式主义及其使用的参考模式中产生的。从8 0 年代开始，专 家系统在全世界范围内得到迅速发展和广泛应用。 2 2 专家系统技术 2 2 1 基本原理概念 自从s t a n f o r d 大学的e a f e i g e n b a u m 教授于1 9 6 5 年开发第一个专家系统 d e n d r a l 以来，专家系统就由于其广泛的应用范围和能产生巨大的经济效益而 得到了越来越多的应用【12 1 。e a f e i g e n b a u m 教授在1 9 9 3 年指出，几乎所有的专 家系统工作效率都比人高l o 倍以上，而且能提高解决问题的质量，继承和发展 专家经验。 f e i g e n b a m 教授认为，专家系统是一个智能计算机程序，其内部含有大量 的某个领域专家水平的知识与经验，利用知识和推理过程来解决那些需要领域专 家的专家知识才能解决的复杂问题1 1 ”。专家系统是一个具有大量的专门知识与 经验的程序系统，它应用人工智能技术和计算机技术，根据某领域一个或多个专 家提供的知识和经验，进行推理和判断，模拟人类专家在进行专业活动时的决策 过程，解决那些需要人类专家处理的复杂问题。总的说来，专家系统是一种模拟 人类专家解决领域问题的计算机程序系统，它的出现使人工智能从实验室、研究 仪表设计专家系统的研究与开茇 室走向了实际应用【1 4 】【1 5 1 。 2 2 2 智能仪表设计专家系统构成 结合专家系统理论与本系统的特性，参考其它专家系统的结构，决定智能仪 表设计专家系统主要由知识获取、知识表示、推理机、解释界面四部分组成。 2 2 2 1 知识获取 知识获取一般是指从某个或某些知识源中获取专家系统实现问题求解所需 要的专门知识，以及这些知识存计算机中存储、传输与转移的方式。其基本任务 是为专家系统获取知识建立起健全、完善、有效的知识库，以满足领域问题求解 的需要【1 7 1 f 1 8 】。 本系统知识获取方法主要有三种。第一种方法是通过知识工程师获取知识。 在知识获取过程中，知识工程师协调领域专家进行领域知识的形式化，通过知识 获取界面生成专家知识库。第二种方法是领域专家通过知识编辑界面直接将自己 的知识和经验存入知识库。在这种方法中，知识编辑器提供一个具有一定格式的 对话界面，领域专家按照对话要求输入知识。专家输入界面的设计应具有简单， 易操作的特点。第三种方法是通过知识学习模块从用户的设计过程的阶段性步 骤、新的案例以及信息收集模块的交互中获取新知识。 2 2 2 2 知识表示 知识表示是研究用什么形式将领域知识存入计算机以便进行处理的方法，是 将领域知识概念化、形式化与符号化的过程，其主要目的是寻找知识与表达之间 的映射关系，并将知识转化为计算机内部的表示形式1 9 】。知识表示方法就是在 模拟信息在人脑中的储存和处理方式的基础上，研究如何设计各种数据结构，以 便将已获得的某个专业领域的各种知识以计算机内部代码的形式加以合理地描 述和存储。知识表示的目的在于通过知识的有效表示，使专家系统能够利用这些 知识进行推理和做出决策。 2 2 2 3 推理机 专家系统是一个模拟人思维的人工智能系统，推理机是系统的核心，相当于 专家的大脑一样起着“思考”的作用。它根据嵌入式仪表的设计规律以及各种流 硕士学位论文 量仪表的规则库进行推理。将实际应用需求通过专家系统的人机接口输入后，系 统通过接收用户提出的设计需求，结合知识库中的相关模块信息与推理规则自动 推理，给出智能仪表的概念设计和软硬件的原理设计方案并给出模块、元器件、 嵌入式处理器的选型，最后由用户选择和优化，得出最终的设计方案。 完备的知识库是进行推理的基础，在建立了产品模型和知识库之后，对推理 机的设计主要是考虑推理机的功能、推理策略和推理效率等问题 2 0 1 。推理机制 的确定是由所要解决问题的特点以及知识的表达方式来决定的，对于不同系统的 推理机制差异性也相当大。 一个好的专家系统，最重要的是两个方面。一是丰富的专家知识，构成强大 的知识库；另一个就是应用这些丰富的知识去对问题求解的推理能力。专家知识 的丰富程度，表达是否完善与推理机制是否有效，是评定专家系统优劣的主要 标准。基于知识的推理方法很多，依知识表达方法不同而不同。基于产生式规则 的推理、基于框架表达的推理、基于模糊表达的推理等是各类专家系统中常用的 推理机制。结合专家系统具体实例的知识表达方式，选用适当的推理机制与推理 控制策略，可以有效提高系统的性能，是构建一个优秀专家系统的关键。 在智能仪表设计的过程中，已有的成功案例对仪表设计具有非常重要的指导 意义。在通常情况下，与已有的成功设计案例相似的案例成功率，远比随机生成 的案例成功率高。因此，有效利用已有案例进行仪表设计是非常必要的。本系统 采用基于案例的推理和基于规则的推理相结合的方法。对于和已有案例相似的设 计工作，按如下四个步骤操作： ( 1 ) 搜索模型库中最相似的案例； ( 2 ) 利用所找到的案例的信息和知识进行后续设计； ( 3 ) 在已有案例不能完全满足设计需求时，完成相应的修改，得到最终设 计成果： ( 4 ) 保存新的案例，为将来的设计提供帮助。 但由于仪表设计的已有案例数量比较少，仅使用基于案例的推理方法不能满 足实际需求，因此本系统采用基于规则和语义网络的推理方法提供创新设计支 持。推理机的操作流程如图2 1 所示： 仪表设计专家系统的研究与开发 图2 1 推理机工作流程图 在仪表设计过程中，推理机首先根据用户需求和条件，结合知识库中的嵌入 式系统设计知识，从计算、存储、通信、i 。等维度对目标系统的设计空间进行 启发式搜索，构造目标系统的体系结构和框架。该过程利用用户需求与知识库提 供的约束模型，采用约束求解算法进行空间裁减，以提高设计效率。 2 2 2 4 解释机制 专家系统的另一个重要的功能就是能够解释它自己的行为。这意味着用户可 以在任何时候询问系统为什么得出某个结论，或者为什么提出某个问题，这种解 释可吐帮助用户对专家系统给出的参考结论之中做出判断。对于用户来说这是一 项重要的功能，因为有的时候用户只要求知道答案，但是有的时候用户需要知道 原因。尤其对于开发人员来说，解释就显得更加重要了。这就和通常的编程语言 中的跟踪调试有些类似。当系统没有按照预期的效果执行的时候，开发人员可以 根据解释研究错误的产生原因。知识工程师也可以根据解释设计出更加贴近用户 的知识库【2 ”。 专家系统如果没有一个完善的解释模块来支持的话，那么无论它的性能多么 良好，也不能完全发挥出来。专家系统的不同用户，对于专家系统的要求也是不 一致的，解释模块应该可以满足各种用户的不同需求。 解释模块的设计，应满足以下要求： 硕士学位论文 ( 1 ) 为用户建立简洁友好的人机交互界面，方便用户与专家系统进行信息 交互： ( 2 ) 解释信息的表达方式要易于被用户所接受，即解释的叙述问题便于用 户理解、接受； ( 3 ) 建立并组织好所有的静态解释信息。 解释模块的功能是向用户解释系统的行为，包括解释结论的正确性及系统输 出其它候选解的原因。通过这些解释，用户可以自己判断设计选择是否合理，而 不至于盲目的听从专家系统给出的选择，从而有助于做出更合理的设计。 2 2 3 专家系统的特点 专家系统作为一类基于知识的特殊的软件系统，有其与众不同的特征。首先， 由于知识库中保存的设计信息，令专家系统具备了人类专家所拥有的知识，可以 以接近专家的水平进行仪表设计：| i ：= 作。其次，专家系统能够进行有效的推理。它 的根本任务就是求解特定领域的实际问题，根据用户提出的具体要求，进行适当 推理，得出合理有效的结果。而这个设计过程，就是一个推理过程。再次，专家 系统具有知识获取能力。专家系统工作的基础是知识的存储和利用，知识获取是 专家系统“学习”知识的唯一途径。知识获取的任务就是将人类已有的知识从大 脑或书本中抽取出来，表示成计算机能理解的形式，然后输入到计算机中，为专 家系统能够完成领域专家所能完成的工作提供知识基础。 通常，根据专家系统的信息组织形式、推理解释方式以及所处理问题的领域 不同，将专家系统分为解释专家系统、预测专家系统、诊断专家系统、设计专家 系统、调试专家系统、教学专家系统、修理专家系统等许多种类。各种不同专家 系统都有其不同的特点。其中设计专家系统是一种根据设计要求，求出满足设计 问题约束目标配置的一种专家系统。设计专家系统具有如下特点： ( 1 ) 能从多方面的约束中得到符合要求的设计结果。 ( 2 ) 系统需要检索较大的可能解空间。 ( 3 ) 分析各种子约束，并处理好子约束间的相互作用。 ( 4 ) 能够试验性地构造出可能设计，并能根据约束条件对所得的设计方案 进行修改。 仪表设计专家系统的研究与开发 ( 5 ) 能够运用已被证明是正确的设计来解释当前的设计。 我们课题研究的智能仪表设计专家系统就属于这种设计型的专家系统。 2 2 4 仪表设计专家系统的优点 近些年来，专家系统技术获得迅速发展，应用领域越来越广，解决实际问题 的能力也越来越强。这些都是由专家系统的优良性能及对生产效率提高起的重大 作用决定的。相对于人类专家，仪表设计专家系统有以下显著的优点： ( 1 ) 仪表设计专家系统是一个智能的机器系统，不受人类的疲劳因素影响， 所以能够以很高的效率，精确而迅速、不知疲倦地进行工作。 【2 ) 专家系统解决实际问题时不受周围环境的影响，也不可能遗漏忘记。 ( 3 ) 可以使专家的专长不受时间和空间的限制，便于推广珍贵和稀缺的专 家知识与经验，并且可以使这些经验在很大的范围内被共享，从而能 够实现仪表的远程化设计。 ( 4 ) 仪表设计专家系统的研发与投入使用，能促进仪表设计领域的发展， 使该领域的专家知识和经验得到总结和精炼，能够广泛有力地传播专 家的知识、经验和能力。 ( 5 ) 专家系统能汇集多个领域专家的知识和经验以及他们协作解决重大问 题的能力，因而它拥有更渊博的知识、更丰富的经验和更强的工作能 力，有利于实现仪表的创新性设计。 ( 6 ) 利用仪表设计专家系统来进行辅助设计，可以有效缩短仪表的设计周 期。 ( 7 ) 仪表设计专家系统的研制使用，能带来巨大的经济效益和社会效益。 2 2 5 仪表设计专家系统的缺点 但同时，仪表设计专家系统也有以下缺点： ( 1 ) 当知识库中的规则太多时，每一规则的前提又包含许多前提，需对规 则的各前提一一匹配，以致存规则库中寻找可用规则的开销很大，从 而造成推理效率低、容错性差、抗干扰性差等缺陷。 ( 2 ) 自学习能力弱，目前对知识库知识的修改、补充主要依赖知识工程师 硕士学位论文 的干预才能进行。 2 3 专家系统技术的发展情况 专家系统是人工智能研究的一个重要应用领域，在国外也被称为知识库专家 系统，与自然语言理解、机器人一起并列为人工智能研究最活跃的三大领域。1 9 5 6 年，a n e w e l l 和h a s i m o n 在逻辑论及l t 和通用问题求解程序g p s ( g e e r a l p r o b l e ms l o v e r ) 的研制中为专家系统的产生莫定了基础。1 9 6 5 到1 9 6 8 年，s t a n f o r d 大学的e a f e i g e n b a u m 教授等进行d e n d r a l 系统的研究，随着d e n d i 认i 系统的研制成功，标志着专家系统的诞生。 专家系统诞生以来，就由于其极高的生产效率而陪受研究人员的关注。国内 外从未间断过对专家系统理论与实践的研究，现将专家系统在国内外的发展综述 如下： 2 3 1 国外发展情况简介 2 0 世纪7 0 年代以来，随着一批技术相对成熟的专家系统相继开发出来，关 于专家系统通用性研究的骨架系统和通用表示语言的思想己形成。七十年代中期 先后出现了一批卓有成效的专家系统。m y c i n 系统，一个用于诊断和治疗感染 性疾病的专家咨询系统，首次使用了知识库的概念，并第一次使用可信度因子进 行小精确推理。此外，在人机接口、解释功能发自学习等技术方面也加深了研究， 成为一个功能比较全面的专家系统。不久之后，根据地质数据找矿的专家咨询系 统p r o s p e c t d r 开发成功。它运用了规则和语义i 删络的知识表达方式，在推理 中采用了一种似然推理技术。此外还有用于诊断内科疾病的i n t e r n i s t 系统， 用于理解对数据库的口头查询要求的h e a r s a y 系统，都是这个时期专家系统 的成功范例。 随着专家系统逐渐趋于成熟，专家系统的观点也开始广泛地被人们接受。 1 9 7 7 年，e a f e i g e n b a 啪教授在第五届国际a i 联合会上对专家系统的思想系 统地作了总结，并提出知识工程的概念。这标志着专家系统技术已基本成熟。伴 随着早期开发成功的这几个专家系统对科学界产生的巨大影响，人们也开始对计 算机的作用重新认识和评价。 仪表设计专家系统的研究与开发 到了七十年代后期开始出现一些新型的专家系统，如遗传学实验设计系统 m o l g e n ，军事冲突预测系统i & w ，超大规模集成电路设计系统k b v l s i ，感 染病诊断治疗教学系统g u i d o n 。八十年代以后，对人工智能基本技术研究得 更透彻了，专家系统又有了突飞猛进的发展，网络技术、多媒体技术、数据库技 术、组件技术、神经嘲络技术、模糊控制等技术也被应用来进行专家系统的开发。 同时也涌现出大量成功的专家系统应用实例，并有了分布式专家系统，多个专家 系统的执同问题求解。专家系统的应用领域也进一步扩大。 2 3 2 国内发展情况简介 我国对专家系统的研究与开发起步较晚，大约始于七十年代末期。 但因为有国外成型的理论作为基础，我国在专家系统领域研究的发展速度相 对比较快。在我国，专家系统最初是被用在医疗领域的，相继开发出了肝炎诊断 治疗专家系统、子宫癌诊断专家系统等。随后很快被农业领域应用，研制出小麦 育种、水稻育种等专家系统。 随着专家系统的应用存我们的进一步推广，到八十年代初，专家系统己逐步 被用在了交通运输、地质勘探、气象预报等领域，产生了石油勘探地震资料解释、 航空磁放资料解释、台风路径预报、交通运输调度等一批专家系统。此后，我国 专家系统的应用领域迅速扩大，在数学、物理、化学、工程、机械、经济、教育、 军事等领域先后出现一批专家系统。同时，一些专家系统开发工具也相继问世， 如上海工业大学的r e t 刚e v e r 、浙江大学的z d e s t i 、中国科学院计算机所的 i s l 等。 当今的社会是信息社会，计算机信息产业对于一个国家的发展有着举足轻重 的作用。世界各主要发达国家均加大了计算机信息领域研究的投入。我国也将智 能计算机系统同智能机器人一起列入“8 6 3 ”，“9 7 3 ”等高技术研究开发计划中， 并已取得许多可喜成果。 2 4 仪表设计专家系统总体结构 2 4 1 系统设计目标 硕士学位论文 随着世界经济的高速发展和工业竞争的日益加剧，卖方市场已经逐步向买方 市场转变，产品的质量作为吸引顾客的最主要因素，也越来越被企业所重视。美 国著名的质量管理专家j j u 啪博士曾预言，2 1 世纪将是质量的世纪，质量将成 为和平占领市场最有效的武器，成为社会发展的强大驱动力】。产品的质量已 经成为主导企业在市场的竞争力主要因素，流量仪表的质量好坏，直接影响着企 业的利益。而提高产品质量，不仅仅是改进制造工艺，更多地还是由设计因素决 定的。嵌入式流量仪表由于其本身结构复杂、工作环境多样、应用场合各异等特 点，决定了其设计的难度更大。因此，怎样在设计的过程中进一步解决提高流量 仪表的质量问题，是一个亟需解决的首要问题。 计算机的出现，大大的推动了产品设计环节的改革。产品设计是一个以满足 用户需求为目标，充分考虑产品后续过程中可能发生的各种质量问题与故障信 息，通过并行设计方法、实现技术与知识的综合，进行系统化、规范化的设计过 程。流量仪表的设计过程复杂，涉及大量的知识与信息( 如：设计过程信息、设 计结果信息、设计知识与经验信息等) ，而且具有关系复杂、模型构造困难等特 点。对于这样一个设计过程，如果仅通过设计人员手工来完成，难以获得令用户 满意的设计结果。因此，产品设计需要强有力的工具与系统的支持。人工智能和 专家系统技术的发展，为优化产品设计提供了有力的工具。将智能专家系统技术 引入到产品设计中，开发计算机辅助工具与系统是发展的必然趋势。 产品质量就是产品的适用性，即由用户评价的产品满足自身需要的程度 【2 3 1 【2 4 1 。现在世界上比较广泛接受的，是质量两类论的观点1 2 5 j 。这个观点是 m m o m d 提出的，该观点由用户原则角度出发，将质量分成外部质量q 和内部 质量q 两类。外部质量q 是指顾客能感受到的质量，即最终产品所体现的特征、 特性：内部质量q 是指企业内部为实现q 而进行的一切生产活动的质量，如采 购、设计、生产、装配等质量。仪表设计的过程，实际就是通过设计相应的q 来保证o 的过程。因此，我们在进行仪表设计专家系统的时候，应该把提高仪 表质量作为系统开发的最终目标。 2 4 2 信息收集系统 要设计最大可能满足用户质量要求的流量仪表，首先要设计合理有效的机制 仪表设计专家系统的研究与开发 来收集用户在于质量方面的信息。因此，本系统的信息收集子系统的主要任务， 是建立基于w e b 的流量仪表信息收集分析系统，支持包括客户需求、信息反馈、 仪表新技术等的信息收集与分析，为产品的创新开发提供信息服务。其中最主要 的是客户需求信息收集部分，这个部分采集到的用户需求信息将用于引导专家系 统在执行推理时向着更加符合用户需要的方向推进。 信息采集接口 t 用户信息分析器 信 ；息 i 采 j 集 i 系 i 统 图2 ，2 信息收集系统的工作流程图 信息收集系统的工作流程如图2 2 所示，用户通过信息采集接口将需求信息 传递给用户信息分析器。信息经分析器分析后，存入知识库，在进行仪表设计推 理的时候，这些信息将被提取使用。 基于仪表设计专家系统的用户群专业技能不强，对具体仪表不是非常熟悉的 事实，我们在进行仪表需求信息收集时采用模糊的收集方式。即只要求用户通过 恻络提交他们所需仪表的大概参数，而_ i 要求输入具体的仪表模型和具体模块。 具体操作时，我们收集的信息与仪表设计时的用户要求基本一致，主要从仪 表类型、功耗、精度、a d 精度、温度、外观这几个方面来收集用户的需求信息。 这就使我们在信息收集系统部分收集到的用户信息，可以很容易地直接应用到仪 表设计过程中去。 2 4 3 专家推理系统 推理系统所要解决的问题是根据存于数据库中的模块信息和控制信息，进行 智能推理，产生符合用户需求的仪表。本系统中涉及的不同种类的仪表的设计理 念、规则组织和表达方式差异较大，构成仪表的各个模块之间的匹配关系复杂， 各模块对仪表整体的影响复杂。用户对不同的仪表和模块的需求也不一致。因此， 硕士学位论文 为了设计出更加实用的专家系统，就必须要根据仪表设计专家系统的特性来设计 推理机。分析专家系统推理机的需求如下： ( 1 ) 支持基于案例的设计 智能仪表设计的现有案例多数是经过专家经验分析，又在实际中得到了检验 的正确案例。这些案例数据对于仪表设计人员有很强的参考意义。多数情况下， 与己知正确案例相近似的案例，其也为正确案例的概率要远大于随机检索出来的 案例。因此，支持基于案例的设计，可以有效地利用已有的专家知识和实践经验， 从而提高仪表设计