（通信与信息系统专业论文）家电故障诊断专家系统与安全性研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 f 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 ) ，是- 1 7 基于多学科的基础上发展越来的新兴交 叉学科，其中专家系统( e x p e r ts y s t e m ) 是目前人工智能中最活跃、最有成效的个 研究领域。 专家系统按其完成的任务的性质和特征，可以分为多种类型。其中诊断型专家系 统在诊断理论和具体实践方面都取德了较大的进展。，论文中魇要阐述的家电故障诊断 专家系绞就是专家系缝技术在家电故障诊叛镁域的应熙，它将家电故障诊断技术与专 家系统结合，为广大专业技术人爨提供了一种骞效数糖助诊龄工其，是煮较麓的挂会 价值。 家电故障诊断专家系统中知谈系统、诊断维蘧逻辑的设计是系统设计的要点。论 文在介绍故障诊断专家系统的概念、一般原理的蒸础上，结合专业领域的特殊性，着 重讲述了系统的知识获取、表示、组织与管理以及断推理逻辑的应用。专家系统采用 了事例、层次分类的知识袭示方式，用知识库来组织、管理知识，用基于攀例的撼理、 类比推理等方式实现了故障诊断推理逻辑。论文中给出了艇个系统的开发流程、选用 的开发工具、设计方寨，并详细介绍了系统的实现。 传为基于计算规僖息系统的巅业化软 孛，家呶故障诊叛专家系统嚣要比一般信息 系统更加安全谭靠。以往专家系统往往重视基予知识系统的嚣发及应爆，瑟忽略了软 件戆安全性闳遮。本文鹣第五章恭针对此闳题，详缨余绥了信息系统安全瓣穗关技术， 并撮爨软徉应羯环境、躲谖缀织、实现形式等方鬻的不同说鞠了所开发敖障诊断专家 系统采用的安全措施。 关键谰： 专家系统知? 系统故障诊龋密凝搂弋系统安全 数撂趣寮 滚 鳓电嚣 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t a r t i f i c i a l1 1 1 t e l l i g e n c e ( a i ) i san e wa n dd e v e l o p i n gs u b j e c tb a s e do nm a n ys u b j e c t ，a n d a tp r e s e n te x p e r ts y s t e m ( e s ) i so n eo f t h em o s ta v t i v ea n df r u i t f u lr e s e a r c hf i e l do f a i e x p e r ts y s t e m i sd i v i d e di n t om a n yt y p ea c c o r d i n gt ot h eq u a l i t ya n dc h a r a c t e ro fi t s c o m p l e t i v et a s k a m o n gt h ek i n d so fe x p e r ts y s t e m ，e x p e r ts y s t e mo fd i a g n o s t i ct y p eh a s m u c hm o r ep r o g r e s si nf a u l td i a g n o s et h e o r ya n dp r a c t i c e t h ef a u l t d i a g n o s t i ce x p e r t s y s t e ms t a t e di nt h e t h e s i si st h ea p p l i c a t i o no f e x p e r ts y s t e mt e c h n o l o g yi nt h ef i e l do f f a u l t d i a g n o s e t h es y s t e mc o m b i n s f a u l td i a g n o s et h e o r yw i t he x p e r ts y s t e mt e c h n o l o g y , p r o v i d e s ae f f e c t i v ea s s i s t a n td i a g n o s et o o l s ，h a sg o o ds o c i a lv a l u e s k n o w l e d g es y s t e m ，d i a g n o s t i ci n f e rl o g i ca r et h ee m p h a s i s e so fs y s t e md e s i g n t h i s t h e s i sp r e s e n t st h ec o n c e p t ，g e n e r a lp r i n c i p l eo ff a u l td i a g n o s t i ce x p e r ts y s t e m i nv i e wo ft h e p a r t i c u l a r i t y o f s p e c i a t i t y f i e l d ，t h e t h e s i ss t a t e s k n o w l e d g ea c q u i s i t i o n ，k n o w l e d g e r e p r e s e n t a t i o n ，k n o w l e d g eo r g a n i z a t i o na n dm a n a g e m e n t ，a n de m p h a s i z e s t h ea p p l i c a t i o no f f a u l td i a g n o s ei n f e rl o g i c f a u l td i a g n o s t i ce x p e r ts y s t e mu s e si n s t a n t ，l a y e r - c l a s s i f y i n g k n o w l e d g et oe x p r e s sk n o w l e d g e ；o r g a n i z e sa n dm a n a g e m e n tk n o w l e d g ew i t l lk n o w l e d g e d a t a b a s e ；a n dr e a l i z e si n f e rl o g i cw i t hc a s e b a s e dr e a s o n i n ga n da n a l o g i c a lr e a s o n i n g a l s o t h et h e s i sg i v e st h ed e v e l o p i n gf l o wc h a r t ，d e v e l o p i n gt o o la n dd e s i g np r o j e c to ft h es y s t e m ， a n d p r e s e n t s i t sr e a l i z a t i o n a sac o m m e r c i a ls o f t w a r eb a s e do nc o m p u t e ri n f o r m a t i o ns y s t e m ，e x p e r ts y s t e mn e e d t ob em o r er e l i a b l ea n dm o r es e c u r et h a na n yo t h e ro r d i n a r yi n f o r m a t i o ns y s t e m i nt h ep a s t ， e x p e r ts y s t e mh a sa l w a y sp a i d a t f e n t i o nt ot h ek n o w l e d g es y s t e ma n di t s a p p l i c a t i o n ， i g n o r e di t ss e c u r i t y f o rt h i s r e a s o nt h et h e s i si n t r o d u c e ss o m ec o r r e l a t i v et e c h n o l o g yo f i n f o r m a t i o ns y s t e ms e c u r i t yi nc h a p t e r5 a c c o r d i n gt ot h ed i f f e r e n c eo f a p p l i e de n v i r o n m e n t ， a n dt h ed i f f e r e n c ei nk n o w l e d g eo r g a n i z a t i o na n dr e a l i z a t i o n ，t h et h e s i sd i s c u s s e sd i f f e r e n t s e c u r i t ys t r a t e g yu s e d i nf a u l td i a g n o s t i c e x p e r ts y s t e m k e y w o r d s ：e x p e r ts y s t e mk n o w l e d g es y s t e m f a n i td i a g n o s i s d i a g n o s t i cr e a s o n i n gs y s t e ms e c u r i t y d a t ae n c r y p t i o n i i 华中科技大学硕士学位论文 1 1 人工智能和专家系统 1 绪言 人工智能( a r t i f i c i a l i n t e l l i g e n c e ) ，英文缩写为a i ，顾名思义就是指用人工的方法 在机器( 计算机) 上实现的智能，或者说是人类智能在机器上的模拟。人工智能是- 1 9 基于多种学科的基础上发展起来的新兴交叉学科，是基于人的思维的计算机信息处理 的重要分支，它的产生是信息处理发展历程中的一次革命【1 1 1 2 1 。 人工智能的研究更多的是结合具体领域进行的，它的研究课题涵盖面也很广，主 要研究领域有专家系统、机器学习、模式识别、自然语言理解、自动定理证明、自动 程序设计、机器人学、博弈、智能决定支持系统和人工神经网络等方面【1 】，其中专家系 统( e x p e r ts y s t e m ) ，缩写为e s ，是目前人工智能中最活跃、最有成效的一个研究领域。 专家系统可以认为是一种具有特定领域内大量知识与经验的应用程序，它模拟人 类专家求解问题的思维过程求解该领域内的各种问题，解决只有专家才能解决的问题， 并达到专家所能达到的水平。专家系统按其完成任务的性质和特征，可以分为解释型、 诊断型、预测型、规划型、设计型、监视型、调试型、修正型、教学型、控制型等类 型。 虽然到目前为止专家系统所体现的智能仍然有很大的局限性，但其在特定的局部 领域的应用还是比较成功的。尤其诊断型专家系统，发展至今已在诊断理论和具体实 践方面都取得了较大的进展，逐渐形成一个独立的研究领域，并在应用中取得了良好 的效果。论文中所要阐述的家电故障诊断专家系统就是专家系统技术在家电维修领域 的应用，它将家电故障诊断技术与专家诊断技术结合，形成一个新的研究方向。 1 2 家电故障诊断专家系统的研究 随着各种类型的家用电器完全普及，使用率的提高导致设备故障数目的增加，家 电维修也成为一项有很大社会需求的工作。而由于大量新技术被广泛应用到各种新型 家电设备中，对维修人员的素质也提出了越来越高的要求，如何更快更好的完成家电 华中科技大学硕士学位论文 故障诊断成了一个社会化的问题，智能家电故障诊断专家系统正是为了解决这一难题 而产生的。 家电故障诊断专家系统将人工智能技术引入了家电维修行业，为广大专业技术人 员提供了一种有效的辅助诊断工具，帮助广大技术人员迅速提高维修水平和工作效率。 所开发的系统另外还具有提供大量家用电器电路图、元器件参数、维修实例等功能， 可以对技术人员及专业爱好者起到查询、辅助教学的作用，能使他们更快捷的深入到 专业知识领域。 家电故障诊断专家系统可用于诊断电视机、v c d 、计算机、手机和显示器等2 2 类 产品，含2 万多种机型维修经验、3 万多张电路图及其他各种资料，具有专家故障诊断、 查元器件与代换型号资料、查电路图、用户个人数据库、多媒体教学、常用家电汉英 互查电子字典、家电科技期刊文献检索、维修经营管理和材料管理等功能。根据维修 对象的不同又分为企业版、专业版、音像制冷版、通信办公版、通用版( 电视机) 、汽车 摩托车电器版等六种版本，适应不同的需求。该系统现在已经发行商用一段时间，并 取得了很大的成功。 基于故障诊断专家系统的思想，家电故障诊断专家系统还与网络技术结合，把系 统应用到网络环境中，不仅增加了知识的来源、提高资源的共享程度，同时也大大提 升了该系统的灵活性和社会价值。 1 3 专家系统的安全性 专家系统是基于计算机的信息系统，它处理的是人们努力获取的专家知识。一旦 系统或知识被破坏，就将付出很大的代价，所以e s 应该要求比一般信息系统更加安全 可靠。但事实相反，以往专家系统研究往往还没有真正重视到安全问题，系统开发者 只是努力验证系统的性能、知识的可靠性或忙于知识的获取、组织以保证建立正确的 系统。随着专家系统的应用不断扩展和商业化，其对安全性提出了越来越高的要求。 作为特殊的信息系统，e s 也可以使用一般信息系统的安全措施，但由于它在处理 的对象、开发方法和系统的结构等方面都不同于一般的信息系统，因此不能完全照搬 某一种模式，而是要根据事实情况选择一种或多种安全形式，或采用改进方法或开发 新安全策略来达到系统的安全要求。专家系统的特定结构决定了系统的安全性要从构 2 华中科技大学硕士学位论文 成部分的实现形式入手考虑，针对各令部分选用合适的安全技术来构成整个系绞的安 全体系。 尤其瑗在专家系统铁资源共事的受疫考虑，采取嚣网络技术特别是i n t e r n e t i n t r a n e t 技术密惦结合来实现。这嚣然大大提升了系统的价篷、增趣了应翔静范戮、灵活性， 偿闳对氆俊系统暴薅予更多不安全因素豹威胁之下，系统豹安全性更应该弓 越开发者 的霪税。 家电敖障诊断专家系统作为商韭软件的开发，岿然也涉及到系统安全的淘题，本 系统在开发初期就按照商业软件的模筑迸行，充分考虑了安全性簧求。在不同的应用 环境中，根据系统自己的特点，提出了符合实际的安企方案。整个系统的设计同安全 技术有机的结合了起来，通过段时间实践检验，证明了这些措施的可靠性。 华中科技大学硕士学位论文 2 故障诊断专家系统概述 2 1 故障诊断专家系统 2 1 1 故障诊断专家系统的特点 专家系统是一种知识工程，一个专家系统的优劣在很大程度上就取决于它所具有 的领域知识的多少和应用知识能力的大小。专家系统知识工程师将领域解决特定问题 的知识存放在知识库中，然后用户通过人机交互接口，并借助数据库等应用推理机构 控制知识库和整个系统工作，得到问题的求解结梨” 4 1 。 故障诊断专家系统按其专家系统用途划分是属于诊断型专家系统。它是利用各种 类型的诊断知识通过对监测、收集到的信息进行分析处理，通过推理判断找出故障的 原因和发生故障的位置，最后给出故障处理对策【5 】。 故障诊断专家系统具备以下的一些功能和特点【6 】： ( 1 ) 诊断系统能综合利用各种信息和各种诊断方法，以灵活的诊断策略来解决诊断 问题。 ( 2 ) 诊断专家系统的结构模块化，使之可以方便地调用其它应用程序或功能扩展。 ( 3 ) 诊断专家系统应具有人机交互诊断的功能。 ( 4 ) 诊断系统具有多种信息获取的途径。 ( 5 ) 诊断系统的问题求解具有实时性和准确性。 故障诊断专家系统在工作方式上与其它类型的专家系统有较大的差异，主要表现 在诊断对象的复杂性、诊断任务的零散性、诊断理论的不成熟性、诊断知识的难获取 性、诊断结果的不确定性等方面。 故障诊断专家系统占了目前研制成功的专家系统的很大比例，包括医学的、机械 的、电子的等各方面的诊断和排错系统。国内外的专家学者研制开发的大批故障诊断 专家系统，在应用中也取得了良好的效果和经济效益【7 1 。 4 华中科技大学硕士学位论文 2 1 2 故障诊断专家系统的组成 故障诊断专家系统的一般结构与其他专家系统有些差别，而且不同类型的故障诊 断系统，由于其应用的领域不同，系统开发的策略与功能的实现也可能不同，在结构 上会存在不同程度的差异。故障诊断专家系统一般功能结构如图2 一l 所示【8 1 。 图2 1 故障诊断专家系统结构图 专家系统各部分功能表示如下订】： 1 ) 人机接口模块该模块负责专家系统的使用者与系统的信息交互。其主要功能 包括：信息的输入，各功能模块之间的信息传递与控制，各项诊断任务功能的选择等。 2 ) 知识库与管理模块存放不依赖于具体问题的领域问题求解所需的知识，主要 功能是维护知识库、为数据库提供各种操作，并检查知识库中知识的正确性、致性。 3 ) 故障诊断推理模块诊断推理模块是诊断专家系统的核心，是一个知识运用模 块，该模块针对不同的诊断任务可采用一种或多种不同的推理机制。 4 ) 故障诊断咨询模块向用户提供各种咨询、解释、维修方案等信息，同时帮助 用户学习诊断对象的原理和维修等方面的常识，掌握有关故障诊断的方法。 5 ) 故障诊断学习模块学习是使系统具有智能的根本途径，学习模块的功能是开 发、丰富和管理知识库，通过诊断学习来不断改善诊断系统的性能。 6 ) 数据库模块主要用于存放系统运行中的临时信息，可以采用相互关联的关系 数据表来组成，能实现数据搜索的高效和操作的可靠性。 7 ) 知识获取模块主要功能是由知识源构造知识库，根据需要修改、增删知识库 中的知识以及一切由此引起的必要改动，维护知识库的一致性和完整性。 华中科技大学硕士学位论文 2 2 知识与知识库 2 2 1 知识的基本概念 知识是人类自然、社会、思维的现象和本质认识的观念的总和，是人类在实践中 长期积累的经验【9 j 。知识是为了应用而产生的，只有在知识的基础上，才能处理相应的 领域问题。知识具有如下属性： 1 ) 真伪性。知识是客观事务及客观世界的反映，具有真伪性，可以通过实践检验 或逻辑推理证明其真伪。 2 ) 相对性。知识的真假、正确与否都是具有相对性的，在一定条件下可能会发生 相互之间的转化。 3 ) 不完全性和不精确性。知识往往不可能做到精确分类归纳，有一定模糊度和不 精确度，是不完全的，包括条件的不完全性和结论的不完全性。 4 ) 可表示性和可处理性。知识作为经验可以采用各种方法表示、处理后应用。 知识从应用范围、作用、确定性、含义、层次性等不同角度可以有不同分类，分 类如图2 2 所示】。可以根据应用的需要选择合理的分类方式组织、管理知识。 图2 2 知识分类图 确定性知识 不确定性知识 事实 规则 规律 推理方法 通用知识 专门知识 静态知识 动态知识 零级知识 一级知识 二级知识 华中科技大学硕士学位论文 从认识论的角度出发，也可以将故障诊断专家系统中的知识分为三类，即经验知 识、因果知识和第一定律知识 1 0 j 。其中经验知识被称为浅知识，因果知识和第一定律 知识被称为深知识。在专家系统的推理诊断种综合了深知识和浅知识的应用，可以更 灵活、更深入的解决复杂的问题。 2 2 2 知识的表示与组织 所谓知识表示就是关于如何描述事物的一组约定，就是知识的符号化和形式化的 过程。知识表示技术既要考虑知识的存储，又要考虑知识的使用，是一种数据结构和 控制结构的统一体。 一般知识表示必须首先对知识进行形式化处理，它涉及对人的思维方式的研究和 对智能问题的表达方法。知识的表示应满足以下要求【9 】： 1 ) 表达的充分、广泛性。具备确切表达有关领域中各种知识的能力。 2 ) 理解透明性。所表示的知识应当易读、易懂、便于知识获取、易进行知识库的 检查修改。 3 ) 可访问性、可扩充性。能有效地利用知识库中的信息并能方便地扩充知识库。 4 ) 推理有效性。能够与高效快速求解的推理机制结合，支持系统的控制策略。 5 ) 操作维护性。便于实现模块化和检测出矛盾的知识及冗余的知识，便于知识更 新和知识库的维护。 一般来说，任何一个给定的问题都有多种等价的表示方法，但它们可能产生不同 的效果，应用时所选择的知识表示方法能使问题明确并使问题变得容易求解即可。 在建造具体专家系统时，知识表示方法选取得合适与否不仅关系到知识是否能够 有效存储，而且也直接影响着系统的推理效率和新知识获取的能力。人工智能各种知 识表示方法都有一定的针对性，采用某一种方法来表示所有的内容必然存在一定的局 限性【l2 1 。应用中通常采用集成式的知识表示方法，或者将几种知识表示方法综合起来， 即采用知识的混合表示法。这样可以克服单一表示法的不足，发挥各自的长处，在不 同情况下利用不同的知识表示法，便于推理和加快求解速度。 专家系统的知识是贮存在系统的知识库中【4 1 ，知识库中的知识是高度结构化了的符 号数据，由事例与规则组成，知识库是知识型专家系统的核心部件。专家系统的性能 取决于知识库中的知识数量和质量( 结构化、完备性、有效性、一致性) 以及使用知 华中科技大学硕士学位论文 识的方式( 推理方式) 。知识库的运用标志着专家系统从传统的智能程序向基于知识的 系统的突破。知识库管理系统可以对知识库进行管理、控制，完成对知识库的各种操 作、并向用户提供知识库维护手段。 2 2 3 知识的获取 对于一个诊断系统而言，在其运行过程中所获得的信息越丰富，知识的质量及组 织管理越好，其诊断结果的可靠性也就越高。所以诊断专家系统的知识获取能力也是 评价其系统性能的一个重要指标。 在专家系统中，知识获取过程就是知识从知识源到知识库的转移过程。由于专家 经验知识是一种浅知识，随着经验的增加解决问题的能力就越强，但同时归纳和描述 他的思维过程就越困难，而且知识具有不完全正确性或不完整性等特点，因此知识获 取工作具有一定的困难性。 一般知识获取可按工作步骤划分阶段如图2 3 所示。 确定概念化形式化实现测试 图2 - - 3 知识获取阶段 在知识采集过程中最大的难点在于领域专家提供的专家知识虽然人类专家容易理 解，但很难直接转化成形式化知识描述。在知识获取过程中，按照需要还要对知识进 行归纳，考察不同知识之间的相同和差异，进行归纳合并。知识获取也是一个贯穿专 家系统生命周期的、长期的、反复的过程。知识获取过程不仅包括知识库创建时知识 采集、整理、描述以及录入等工作，而且还包括后期对知识库的修改和扩充【1 3 】。 随着设备复杂性越来越高，新的领域知识不断出现，仅仅依靠专家现有的知识很 难使诊断系统达到较高的诊断水平，传统的获取知识的方法已经不能完全满足诊断系 华中科技大学硕士学位论文 统的实际要求。在实际应用中知识获取模块主要用于显式知识的获取，而对于非显式 知识的获取则必须采用机器学习的方法，机器学习可以认为式知识获取的延伸。一个 诊断系统若不具备学习的功能，它就很难自我完善，更谈不提高系统的性能。 2 3 诊断推理 2 3 1 诊断推理的概念 推理即利用已建好的知识库，应用已经掌握的知识做出某种判断，找出其中蕴涵 的事实，或归纳出新的事实。推理过程包括两个判断，一个是已知的判断，包括求解 问题的有关知识及已知的事实，另一个是由已知判断推出的新判断，即推理的结论。 严格的说，推理就是按照某种策略由已知判断推出另一判断的思维过程。 相应专家系统中实现推理的程序称为推理机，专家系统依靠推理机去运行知识和 其它机构，解决用户提出的问题，推理机是整个专家系统的主控部分。 诊断推理即是针对系统的故障状态进行推理来解决问题，系统的故障状态即系统 的结构处于不正常的状态( 或劣化状态) ，或偏离了预期的状态，从而导致系统不能在 规定的时间内和工作条件下完成预期的功能，或不能满足预期的行为标准，故障诊断 推理就是针对这种情况及时处理，确保系统能够继续工作【1 4 】。 2 3 2 诊断推理的策略 推理技术是人工智能的基本技术之一，在专家系统中比较成熟也较通用的控制策 略主要就是推理策略，即根据因果关系对诊断对象状态进行逐步地分析、推断，得到 想要的结论【1 5 j 。 专家系统中一般采用基于专门知识的推理，它以拥有的知识的利用为前提，推理 方式和控制策略在很大程度上依赖于知识的表示模式，知识表示的模式的不同决定了 知识的选择和应用方式不同，即决定推理策略和推理方式的不同。 根据专家系统中知识表示的特征，其推理可以分为基于规则的推理，基于谓词的 推理，基于语义网络的推理以及基于框架的推理等。而推理策略主要解决整个问题求 解过程的知识选择和应用顺序，目前常用的有冲突消解策略、正向推理策略、反向推 华中科技大学硕士学位论文 理策略、混合推理策略、双向推理策略及元控制策略，其中冲突消解策略是一个基本 的控制策略，其他控制策略中往往都涉及到冲突消解策略【1 6 】。 通常应用中推理涉及的两个基本问题就是推理方向选择和冲突消解。对一个具体 问题，可从问题的已有信息出发，推导出问题求解的结论。这个过程称为数据驱动的 前向推理方式。还可以先从知识库中选中一种故障作为假设，然后寻找支持这种假设 的事实或证据来验证这种假设的真假性，这种过程称为目标驱动的反向推理方式。正 向推理和反向推理是两种基本推理方式，在此基础上，还研究了交替使用两种基本推 理方向的混合控制策略。 2 3 3 故障诊断推理描述 诊断对象是作为一个系统而存在，系统都由部件按一定的方式集合而成，因此可以 认为系统是一种层次性的结构。对系统的故障诊断，就是根据系统的特征信号( 包括 正常的和异常的) 和其它诊断信息，查明导致系统发生故障的子系统或联系，并找到 引起这些子系统或联系发生故障的初始原因【1 ”。 系统故障诊断一般包含：观测状态一故障识别一诊断决策，如图2 4 所示。 必须指出，这个诊断过程是一般性的，在实际的诊断过程中，经验丰富的专家往往不 按这种步骤逐步进行，而是直接诊断定位到低层次系统的故障。 。l 尘竺竺塞l 。 系状 统态 状识 态别 图2 4 诊断推理过程 专家进行诊断的过程一般是个循环反复不断逼近的过程，如图2 5 所示。首先根 据己知的故障现象和诊断知识，假设最有可能发生故障的子系统或部件：然后对此部 分进一步测试取得新的系统状态信息，从而形成进一步的假设，并对此假设进行验证， 如果成立，则给出诊断结论并进一步形成排错方案，如果不成立，则重新形成新的假 华中科技大学硕士学位论文 设，依此类推，直至得出诊断结果。 状态输入 2 4 专家系统的设计原则 图2 5 诊断求解过程 诊断结论 由于专家系统所处理、求解的领域专家的问题千差万别，因此没有个完全统一 的规范化模式。建立专家系统是一个牵扯到多方面因素的复杂的过程，依据软件工程 的设计思想和专家系统的实践，在进行故障诊断专家系统的开发中要遵循以下原则【1 6 】： 1 ) 恰当的划分求解问题的领域。专家系统都是面向某一领域的应用，确定求解领 域可以保证知识的数量和质量。 2 ) 获取完备的知识。知识是专家系统的基础，要想建立高效、实用的专家系统必 须在知识数量上满足求解的需要，质量上保证正确性、一致性和完整性。 3 ) 知识库和推理实现相分离。这是专家系统区别于一般程序的重要特征，这样便 于对知识库进行维护管理，而且使推理程序的设计更加灵活。 4 ) 选择合适的知识表示模式。不同领域的知识有不同的特点，选择的表示模式要 与推理模型统筹考虑，使二者能够紧密结合，能高效的对问题求解。 5 ) 推理能够模拟专家求解问题的思维。为了使系统能像专家那样工作，系统必须 具备专家的知识与思维，二者缺一不可。 专家系统构造中遵循上述原则的同时，并可以采用功能模块化构造，注意各模块 的特殊性，分别实现其功能，这样也可提高系统的性能和可扩展性【l 8 1 。 2 5 本章小结 本章简单介绍了专家系统和故障诊断专家系统的概念，及设计专家系统常用的结 构，并进一步阐述了专家系统中的核心知识、推理机制的相关理论。根据软件工程的 思想和专家系统的理论，文中给出了开发专家系统要遵循的一般原则。 华孛科技大学硕士孥位论文 3 。l 系统弹整流獠 3 家照故障诊断专家系统设计 诊颧鍪专家系绫抟特焘燕京蛰瓣健熬，这霞褥露露熬竣障诊凝专家氖统遂霞是钤 露莱对象寒遴舒簸簿诊断麓。本文掰簧潞述静豢迄敬簿诊聚专家系统帮楚锋黠家魄 雅黪颁域野发静诊断受专家蓉绫。 专家系统采溺捷遮嚣堑与增爨式嚣发，箱谖簿逶瞧，l 、戮大避透i 箩扩充、躞避豹， 系统要不断逾进行梭溺、译绩，最蘑方成凳一令露交嚣壤矮懿专家系绞l 拱，家毫液骧 诊馘专家系统开发流稷籍鼹3 一l 所示。 系统总体势辑与设诗 上 稚识获取 i 知识爨述语言设诗鸯鲰识袭添 0 。lt 上上 知诊 总其 谀鞭 接 德 警攘 鸟功 联瑾 器能 设设 蒸嫒 谤计 设设 计计 - _ 。_ 一r。_ _ - 一t 0 编疆奄通试 土 测试鼍评价 l 遴萼亍鸯壤护 鍪3 一t 塞邀数嗨诊凝专家糕统器发策曦 1 2 华中科技大学硕士学位论文 3 2 系统功能结构 家电故障诊断专家系统设计的核心是围绕经验的表示组织及设计合理的推理诊断 策略进行的，专家诊断部分设计有多种不同的诊断模式。从实用角度出发，整个系统 除了专家诊断核心部分，还开发了包括元器件参数与代换型号查询、查电路图、家电 科技期刊文献检索、用户数据部分、经营管理和维修物流管理等模块。并且良好的人 机界面也能够使系统起到辅助学习的功能。 所设计的家电故障诊断专家系统功能框图如图3 2 所示。 专 家 诊 断 家电故障诊断专家系统 专家诊断ii元件参数ll电路知识ll 物流管理 用 户 知 识 总 线 调 整 兀 件 参 数 元 件 代 换 由 机 型 查 电 路 图 由 集 成 电 路 查 图 图3 2 系统功能框图 综 合 查 看 电 路 图 经 营 管 理 物 料 管 理 电视机是家电中最有代表性的种类，在本文后面的功能、设计讲解中不特别说明均 是以电视机为例。 3 3 知识系统设计 3 3 1 知识库 专家系统的特点之一就是其对知识的贮存与对知识的运用是相互独立的，系统专 家部分知识的设计就是知识表示与组织的设计( 即知识库的设计) 以及知识库管理程 序的设计。 从目前知识库的发展水平和实际应用情况来看，从贮存知识的角度认为以描述方 华中科技大学硕士学位论文 法来贮存和管理知识的机构就是知识库。利用数据库构建专家系统的知识库，存储规 则多，查询方便、快捷，且便于维护，因此可以将知识系统集成到数据库管理系统 ( d b m s ) 中实现。e s 和d b m s 结合起来就构造出了所谓的“专家数据库系统”( d e s ) ， 为解决知识的组织管理开辟了广阔空间【2 0 l 。 数据库和知识库都需要进行大容量信息的存储与处理工作它们都面临数据可恢复 性、数据一致性以及数据安全保密等方面的问题，因此数据库的大部分技术可以应用 于知识库。在知识库的建造中使用数据库的技术手段能够更好的进行知识的组织与管 理，并能确保知识应用的安全性【2 l 】。 系统采用知识库系统可以完成以下几方面功能： ( 1 ) 能对大量知识进行系统化的组织管理； ( 2 ) 能够进行知识的输入和编辑。在输入新知识时，能对知识的完善性、一致性 进行检查； ( 3 ) 能对知识进行检索、查询、检查语法错误等操作； ( 4 ) 实现知识库与用户程序的相对独立性，保持知识表示与组织对于推理机的透 明性： ( 5 ) 进行知识库的安全控制、加密、设置用户权限等操作。 3 3 2 系统知识的表示 本系统的知识主要有两类，一是“故障征兆一故障原因”的直接断言知识。这些 经验的积累，对于典型的诊断十分有效，实际上家用电器维修中按出现次数计有百分 之七十左右的故障都可以采用这种方式来直接判断来解决。 通常直接断言的诊断可以称为经验诊断，由于经验诊断知识主要用于查询，因此 实际上可以作为一种特殊格式数据，对这一类知识表示不需要进行过程性描述，将每 一条诊断经验作为一条记录放入经验诊断数据库中即可阱】。每个新事例的加入都是对 知识库的扩展、丰富。 经验知识库是一个关系型数据库，它通过在机型、故障与相应的诊断经验之间建 立映射关系，各个数据表通过关联字段联系起来。在经验知识组织中不仅要对家电的 种类、品牌、型号进行归类、合并、整理去除冗余，还要对同一品牌机型、相同故障 的不同诊断经验进行合并，能提供给用对同一具体故障的不同诊断经验。这使同一种 1 4 华中科技大学硕士学位论文 故障可以有更多的选择和参考借鉴。 本系统中另一种知识是关于层次分类的知识【2 3 1 。该诊断知识就是一种多元故障树， 该结构每一树枝是一条推理规则，由两个元素组成，即：前提条件一结论，因此该 知识也被称为规则知识。这种知识描述了一种模仿人的诊断思维和过程，因此不仅要 有上述对层次分类树的叙述性表示，而且要有引导推理的过程表示。 根据分类依据的不同，层次分类可以有按系统功能层次划分、按系统结构层次划 分和按故障类型划分等方式。按功能划分不涉及对象的具体结构，而只涉及系统不同 层次的功能，它对故障的描述深入，但无法涉及到元件级。按结构划分层次能够深入 到对象的元件级，但它只能反映由于元件自身失效而引发的故障，难以表达联接失败 导致的故障。按故障划分层次是按故障类型的层次分解而建立的，符合维修人员的诊 断思维过程，对于难以进行清晰准确的功能或结构分层的复杂系统是比较合适的，但 单纯靠故障层次分类也难以深入到元件级。 在设计本系统时，采用的是一种混合型的分类方式。在树的最高层是按故障类型 分类，而在低层则是直接按对象的状态分类，直接把分类作为一种模式来建立节点， 到达最低层时，结点的模式变为故障原因。这种分类方式人类专家的思维过程比较接 近，同时能很方便地表达现有的大量诊断经验【2 4 1 。 层次分类具体实例如图3 3 所示。它是松下品牌的t c - - 4 8 3 机型电视的层次分类 树，图中只画出了树的一小部分，即与“无图无声有光栅”有关的部分。 规则诊断知识库是由许多棵树组成的，可以将指向同一机型、同一故障的节点看 作一棵树。规则诊断知识库中记录了树的各种信息，包括该树所诊断的机型、故障、 层次及结论的具体内容。在对树的内容描述上，为了程序执行的方便，加入了引导推 理的过程性表示，即从单纯的状态分类的描述变成了对状态分类过程的描述。 分类过程树与层次分类树虽然实质上完全一致，但在节点的含义上却有所不同。 后者的结点是对模式和分类证据本身的描述，而前者是对如何获取分类证据，如何进 行模式匹配这一过程的描述。对应图3 3 中一部分的分类过程树如图3 4 所示。 华中科技大学硕士学位论文 松下t c - - 4 8 3 遥控故障ii 图像故障ij 光栅故障 无彩色l 无图无声有光栅i l 图像失真 屏幕上有噪波声 a g c 电压正常ii a g c 屏幕上没有噪波声 中放故障 调谐器b t 、ll 调谐器b t 、ili c l o l ( 1 ) 、( 5 ) ll i c l o l ( 1 ) 、( 5 ) b m 端子电压ilb m 端子电压il 脚直流工作电压ii 脚直流工作电压 正常 ll不正常lf 正常 ll 不正常 天线故障 调谐器损坏嚣2 ：i 要篙：! ；嚣 或c 1 1 3 短路 r l1 9 7 1 ：良 图3 3 层次分类实例图 屏幕上是否有噪波点? 调谐器高放 a g c 是否正常? 调谐器b t 、b m 端子 电压是否正常? 天线 故障 调谐器 损坏 中放故障 i c i o i ( 1 ) 、( 5 ) 脚内部直 流工作电压是否正常? 鬲放a g c 输出哇 路中r 1 0 9 开路 或c 1 1 3 短路 图3 4 分类过程树示例 i c l 0 1 损坏茸 r 1 0 7 开路或 r 1 1 9 不良 1 6 华中科技大学硕士学位论文 规则诊断知识库中还存储了过程性知识表示的内容，主要是用于引导搜索和跳转。 本系统中，为了降低使用难度，系统索要分类证据的提问只给用户提供“是”或“否， 的选择或是一个多项选择，这样也回避了专家系统中要解决如何实现识别状态的问题。 3 3 3 系统知识获取 本系统知识库输入的步骤如图3 5 所示。首先是从领域专家、技术书籍或其他知 识源中获取家用电器故障诊断所需的领域经验知识。另外在系统中还设有人机接口， 使用者可以将自己获得的领域知识经验直接输入到数据库中。 领域专家其他知识源技术书籍 图3 5 知识获取示意图 经验诊断知识基本上可以当成纯粹的数据来处理，一条经验就是一条记录，将收 集的经验诊断知识按f o x p r o 导入源文件的格式要求直接编写成文本文件后即可用数据 库管理程序输入知识库，这项工作是通过数据库的导入功能完成的。规则诊断知识是 对层次分类树的过程性表示的形式化，它的f o x p r o 导入源文件的内容基本上与知识库 中存储的内容和数据结构相对应，该源文件是按约定编写出比较接近对分类过程树的 规则诊断脚本文件，先检查完可能存在的逻辑上和语法上错误，然后生成f o x p r o 源文 件导入诊断经验知识库。 华中科技大学硕士学位论文 3 4 系统诊断推理逻辑 3 4 1 家电故障诊断 在故障诊断中，诊断人员总是首先利用有限的经验或启发性知识进行测试，根据 已有的经验知识，对先前遇到过的故障可以进行快速准确的诊断。但当系统碰到一些 在知识库中未出现过的故障或没做过的诊断时，便需要对诊断对象进行分析，研究整 个设备层次结构、工作原理和功能模块之间的相互联系，用适当的推理策略找到解决 问题的办法，并可将得出的新经验补充到系统经验知识库中。 家用电器一般诊断求解过程又可以具体化如图3 6 所示。 故障现象 定位到 功能模块 l 。 f 假设故障 单元电路 l 。 ff 假设故障重新假设重新假设外l 元器件相关元器件围单元电路i it 。 ，数据正常l 关键点测试i 。 l 数据异常 上 元器件替换 故障排除 图3 6 故障诊断逻辑图 在实际故障诊断过程中，由于专家具有相当丰富的经验知识，通常对于一些典型 华中科技大学硕士学位论文 故障往往能够依据经验知识可以跳过某些阶段，直接指出故障元件或直接定位到很低 层的子系统，而不需要依照流程顺序进行。专家的诊断推理思维往往是跳跃式的，而 普通人员由于缺乏这种启发式的经验知识，只能作逐步的推理和检测，因此诊断效率 相对较低。专家的这种思维方式，往往是超越局部或某一子系统对系统的整体状态的 分析，能够发现简单线性思维和局部分析难以发现的问题，形成更优化的排错方案。 专家丰富的经验知识往往是模糊的，难以准确清晰地总结、表达出来，专家的思 维某种程度上往往是模糊地应用的，难以用格式化的语言表达，所以要使建立的专家 系统达到专家的水平，仅仅依靠一般性的分析推理方式和领域知识是不够的。推理诊 断的逻辑通常要建立在诊断对象的模型之上，针对不同的模型可选择不同的推理方式。 为了充分利用各诊断模型的优势，在系统中采用了集成诊断模式。集成诊断模式 ( i n t e g r a t e dd i a g n o s t i cm o d e l ) 是一种综合使用诊断对象的深知识和浅知识的诊断策 略，它能使系统发挥深知识诊断推理和浅知识推理两种方法的优点1 3 8 1 。 在家电故障诊断专家系统中，根据领域知识的特点主要是用到了基于层次模型的 类比推理、基于事例的推理及正反向混合推理诊断模式来实现专家系统推理逻辑，诊 断推理中系统通过访问经验知识库得到诊断结论。 3 4 2 基于事例的推理 从家电维修的实际情况而言，对诊断帮助最大的莫过于不断被专业人员总结出来 的大量的诊断维修经验知识，利用这些经验能有效地指导维修工作。事例的描述一般 形式为：故障现象一原因分析一故障结论。相对于此，一般维修人员的修理过程 是：检查故障现象一搜索维修经验一查阅电路资料一推理做出判断一验证并 解决问题。显而易见，这种推理诊断方式对诊断专家系统也是有效的。 基于事例的推理( c b r ) 是一种基于过去求解类似问题的经验或理论知识而获得 当前问题求解结果的一种推理模式。其特点是推理方式直接，跳过了依赖问题求解知 识进行规则抽象、分析这一间接层次，这种方式可以极大的缩短求解途径，避免过去 的错误，推理效率相对较高 2 5 1 。 c b r 的知识是事例经验知识，每个新事例的加入都是对知识库的扩展、丰富，系 统的性能和效率依赖于事例的组织和表示方法。c b r 的基本结构如图3 7 所示。 1 9 华中科技大学硕士学位论文 图3 7 c b r 的基本结构 惠予家电赦簿诊鞭中经验知识较丰富、广泛，燎基予事铡数撰理极割应用到家毫 数障诊薮专家系统中米，馒褥系统能共有较惑戆效率察缀强弱适掰建。一个诊款事铡 遥常毽括三部分肉容：( 1 ) 诊酝对象状态的攒透；( 2 ) 求解阉题舱方法、过程、弦设 或解释；( 3 ) 最屠的诊断结论。家窀维修专家系统串搴掰游表达形式采用寓教障状态 现象猁敌簿结论的狭莉。本系统侧重予诊涨摧理褥至求群结论，蠲诧知谈痒中保存静 事例均是成功的实例，用户也可班运弼查询的方式来检索被障诊断经验。 基于事例的推理葵优点是专家经验有广泛的来源，易于收集，易于为入们接受， 诊断速度也非常快。但是这种方式有时难以表达专家的逻辑报理过程，不能充分显示 出智能化，因而显得稂粗糙 2 6 j 。特别是对于家电中电视机这样复杂一些的系统来说， 想穷尽所有故障悬不可能的，因此基于事例的推理方式需要和其它诊断推理方法结合 使用，这样能够增加诊断的灵活性，拓展系统的应用范围。 3 4 3 类诧难璞逻辑的运嗣 熬薅枫型繁多是家毫维修专家系统震覆临戆壤主要豹阀题，主边提到想单纯依靠 尽霹能多豹牧熊故障诊断经验怒穷愚靛方法来鼹决鼹有趣题楚不褥取戆，迄滚蔽扶掇 本上解决阏题。茸欧设想一下个维修专家鹃工佟过程，专家在敬藩诊繇对蓠先器利 崩所其备豹该对象的率富经验，餐菇采其并没有诊断就类故簿的经验，凳借蓥类戗酌 机登或类钡故漳的诊断经验，鄄采角“触类旁通”的办法求解，黻这种惑路指导敬障 诊断的过程就是类配推理。 类比是人类思