（机械设计及理论专业论文）基于esp平台的叉车液压系统故障诊断专家系统的开发.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 本文以知识工程的理论为基础，运用面向对象的设计方法建造了一个基于 e s p ( e x p e r ts y s t e mp l a t f o r m ) 平台的液压系统故障诊断专家系统。 本文依次讨论了叉车液压故障诊断专家系统的可行性分析、设计要求、知识获取、 知识库设计以及实现过程。 在专家系统知识库设计过程中，本文对知识采用了层次的表达方式，分为陈述型 知识、过程型知识和控制型的知识。对知识的层次化分解有助于加深对整个知识系统 的理解，加深对关键部件的理解，提高知识的可重用性。 在对知识分层次的基础上，本文采用了模块化的设计方法来构造知识库。在本系 统的设计中，把一些典型的组件或诊断回路作为一个单元体并对其进行独立的功能分 析与实现。子模块可以添加到任何一个高一级的系统的诊断体中。 在规则集属性的提取过程中，采用了绘制故障图的方法。通过对项事件、中间事 件、底事件及其相互关系的描述，可以清楚地看出事件之间的因果关系，故障图的运 用使得规则的提取更加容易。 在类库设计过程中，本文运用了软件工程的有关思想，用e r 图来表示类及类之间 的关系。本文最后从专家系统所做建议的质量、推理技术的正确性、人机对话质量、 效率和成本核算五个方面完成了对该专家系统的评价。 关键词：专家系统平台知识表示知识获取知识库构造故障图 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ho u r u n d e r s t a n d i n gi nk n o w l e d g ee n g i n e e r i n ga n d t h eu s eo f o b j e c t o r i e n t e dd e s i g n m e t h o d ，a f a u l td i a g n o s ee x p e as y s t e mf o rh y d r a u l i cs y s t e mb a s e do nt h ee x p e r ts y s t e m p l a t f o r m ( e s p ) i s c o n s t r u c t e d o r d e r l yt h i s t h e s i sd i s c u s s e st h ef e a s i b i l i t yo fd e v e l o p i n gaf a u l td i a g n o s ee sf o ra f o r k l i f tt r u c k ，o b j e c t i v et oa c h i e v e ，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 eb a s ec o n s t r u c t i o n a n d i m p l e m e n t a t i o n d u r i n g t h ep r o c e s so fk n o w l e d g eb a s ed e s i g n ，a c q u i r e dk n o w l e d g ei sr e p r e s e n t e di na h i e r a r c h i c a lm a n n e ra n dc l a s s i f i e di n t ot h r e es u b d i v i s i o n s ：d e s c r i p t i o nk n o w l e d g e ，p r o c e s s k n o w l e d g e a n dc o n t r o l k n o w l e d g e t h i s k i n do fc l a s s i f i c a t i o n h e l p si m p r o v e o u r c o m p r e h e n s i o nw i t ht h ew h o l ek n o w l e d g eb a s ea n dk e yc o m p o n e n t i ta l s oe n h a n c e st h e r e u s i b i l i t yo f t h ek n o w l e d g e b a s e b a s e do nt h ek n o w l e d g ec l a s s i f i c a t i o nm e n t i o n e da b o v e ，t h em e t h o do fm o d u l a r i z a t i o n i nc o n s t r u c t i n go u rk n o w l e d g eb a s ei su s e d f o l l o w i n go u rd e s i g np r i n c i p l e ，t h et y p i c a l c o m p o n e n ta n dc i r c u i ti sv i e w e da s a ni n d e p e n d e n tm o d u l ea n di m p l e m e n t e ds e p a r a t e l y w h e nal a r g e rs y s t e mw i l lb ec o n s t r u c t e d ，t h ew e l i d e s i g n e dm o d u l ec a nb ea d d e di n t oi t e a s i l y d u r i n gt h ep r o c e s so fp r o d u c t i o nr u l ee x t r a c t i o n ，as p e c i a l m e t h o di si n t r o d u c e d t r o u b l ed i a g r a mi su s e dt or e p r e s e n tt h er e l a t i o nb e t w e e na l lk i n d so fe v e n t s w h i c hi n c l u d e t o pe v e n t s ，i n t e r m e d i a t ee v e n t sa n d b o t t o me v e n t s i nt h i sw a y ，t h ec a u s ea n de f f e c tb e t w e e n a l lt h er e l e v a n te v e n t sc a nb er e c o g n i z e de x a c t l y t h ei n t r o d u c t i o no ft h et r o u b l ed i a g r a m m a k e st h ep r o d u c t i o nr u l ee x t r a c t i o nm u c hm o r ee a s ya n dp r e c i s e t h et h e o r yo fs o f t w a r ee n g i n e e r i n gi sa l s oa d o p t e dt od e s i g nc l a s s e s i nt h ee n da l it h e c l a s s e sa n di t sr e l a t i o n si sf i g u r e do u tw i t he rd i a g r a m f i n a l l yt h ee v a l u a t i o no f o u rs y s t e mi nf i v ea s p e c t si sc o m p l e t e d ，w h i c hi n c l u d e st h e q u a l i t yo ft h ea d v i c ep r o p o s e db yt h es y s t e m ，t h ec o l t e c t n e s so fr e a s o n i n g ，t h eq u a l i t yo f t h ei n t e r a c t i v i t y , e f f i c i e n c ya n dc o s t k e y w o r d s ：e x p e r ts y s t e mp l a t f o r m ( e s p ) h a o w l e d g er e p r e s e n t a t i o n k n o w l e d g ea c q u i s i t i o nk n o w l e d g e b a s ec o n s t r u c t i o nt r o u b l ec h a r t i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对 本文的研究做出贡献的个人和集体，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结果由本人承担。 学位论文作者签名：程耀是 日期：2 d 碑年岁月) 曰 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， 即：学校有权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。本人授权华中科技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。 本论文属于， 不保密图。 c 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名：磁耀之 日期：1 0o 牟年箩月乒日 指导教师签名： 日期：御年厂月。日 华中科技大学硕士学位论文 1 引言 1 1 问题的提出 随着国民经济的发展和科学技术水平的不断提高，液压设备广泛地应用于各个行 业，对液压设备的理解和掌握已经成为必需的- i q 专业知识，对液压设备的维护、故 障维修成为用户关注的主要问题之一【”。对于可能发生故障的组件，虽然许多制造商 已经提供了一些很有价值的关于排除故障的资料，但是这些资料很少论及整体系统的 故障诊断，加上不同制造商之间的产品差异，故障诊断变得相当困难1 2 i 。传统的故障 诊断是依靠有经验的技术人员凭经验与感觉，根据一些简单仪器的测量结果来做出判 断，诊断结果的准确性往往与维修人员的经验丰富与否有很大关系。现代工业逐步走 向大型化、连续化，对液压系统的故障诊断也提出了更高的要求，传统的诊断方法已 经不能满足工业需要，需要新的技术来支持故障诊断的开展【3 _ 5 j 。 专家系统是人工智能的一个分支，它有2 0 多年的发展历史，专家系统实际上是一 组智能程序。专家系统就是一组能在某一特定领域内，利用知识和推理，以人类专家 水平去解决该领域的问题的计算程序1 6 l 。它作为一种实用工具，为人类保存、使用、 传播和评价知识提供了一条有效的途径。专家系统减少了知识应用的代价，使领域知 识迅速转化为生产力1 7 j 。 我们对液压系统故障诊断的解决方案是将专家系统引入到故障诊断中，专家系统 将问题领域的一般解题策略与领域知识、领域专家的实际经验整合起来，解决实际领 域的问题，故障诊断理论与专家系统结合必将促进故障诊断技术的广泛应用【8 - 10 1 。 1 2 专家系统开发工具的发展状况 随着人工智能的发展和专家系统的深入应用，专家系统丌发工具软件也逐步成型， 现有的专家系统开发工具可分为三种类型，即语言、外壳和平台工具f 1 1 】。 1 9 6 0 年，麦卡锡( j m c c a r t h y ) 和他的研究小组开发了一种人工智能语言l i s p ， 它的问世推动了人工智能研究的发展，并且出现了一批各式各样的l i s p 版本，早期的 专家系统都是用l i s p 语言丌发的，如m y c i n 与p r o s p e c t o r 等。1 9 7 2 年p r o l o g 语 言研制成功，它是一种逻辑程序设计语言，具有简洁的文法及一阶逻辑 推理能力，可以应用在人工智能多个研究领域。s m a l l t a l k 是施乐( x e r o x ) 公司1 9 7 2 年开发的一种语言，它吸收了l i s p 语言的设计思想，并且引进了对象、类等一组相关 概念作为基础，实现了良好的交互功能及图形功能。用程序设计语言开发专家系统的 华中科技大学硕士学位论文 优点是比较灵活，开发者可根据领域问题的特点设计所需要的知识表示模式及推理机 制，程序质量比较高，针对性强。缺点是一切工作都要从头做起，开发周期长，程序 代码的可重用性较差，开发效率比较低【1 2 - ”j 。 专家系统外壳是一种专门的专家系统开发工具，它保留了原有专家系统的体系结 构和功能，再加上通用的界面就构成了专家系统的外壳，由于其知识表示模式、推理 模式都是与原来的系统一致的，所以一般可用于与原系统一致或相近的系统开发。 e m y c i n 和k a s 都是著名的专家系统外壳1 1 。 e m y c 酣是斯坦福大学迈尔( v a n m e l l e ) 于1 9 8 0 年开发的一个专家系统外壳，它 的前身是m y c i n 该外壳适合于建立诊断型、分析型专家系统，而且仅限于采用产 生式规则表示知识的系统。k a s 原是p r o s p e c t o r 的知识获取系统，后来发展成为 专家系统外壳。k a s 的知识表示主要采用三种形式，即产生式规则、语义网络和概念 层次。采用正逆混合推理，在推理过程中推理方向不断改变陋1 6 】。 专家系统平台工具是不依赖于任何已有的专家系统，完全重新设计并且提供更多 灵活性的一类专家系统开发工具，它是语言加上有关的实用程序。例如c l i p s ，它是由 美国宇航局开发的一种专家系统平台工具，现有的c l i p s6 1 版已经具有产生式系统 ( 基于规则) 、框架结构、面向对象和过程序编程等多种知识表达方式，功能相当强大， 属于第二代专家系统工具。其基本思想是将领域专家的经验与知识用事实的形式建 立一个开放式的专家知识库，并为这个知识库建立一系列规则，当启动专家系统后， 它能根据使用者的回答，依照规则查询专家知识库，从而得到与规则一致的推理结果。 然而现存的专家系统工具或多或少都存在以下问题1 1 b _ 2 0 j ： ( 1 ) 知识表示不全面，只能表示普通参数和规则。 ( 2 ) 知识编辑不方便，出于没有可视化的编辑环境，致使开发工具的使用不方便， 而且不容易发现错误。 ( 3 ) 应用领域单一，通用性不强，需要扩展其使用领域。 ( 4 ) 知识表示的粒度不够精确，需要细化知识表示，以达到更精确地表示知识。 1 3 知识工程理论及其发展状况 知识工程是人们积极利用经验知识解决问题，并与人工智能理论紧密结合的一个 研究领域【2 1 删。人工智能作为计算机科学的一个分支，主要研究使用计算机模拟人的 智能活动，因此知识工程的研究与计算机密切相关，它要求问题最终用计算机解决。 知识工程主要研究如何在计算机中组织知识、建立高质量知识库、如何使用计算机获 取与搜索有用的知识以及使用知识来解决问题。知识：1 二程理论的产生与人工智能，特 2 华中科技大学硕士学位论文 别是与专家系统的发展密切相连。 知识工程进行的信息处理是以知识为对象，它比以数据为主的信息处理涉及的问 题要广泛的多。知识工程研究内容包括三个方面： 知识表示 知识表示是指在某一专门领域内，把教科书式的事实知识和只有特定专家所具有 的经验知识形式化，使计算机能够识别并对它们进行操作，它涉及知识库的设计和管 理。 知识利用 知识利用是在某一数据结构的基础上，利用形式化的知识解决问题，它涉及推理 机的设计问题。知识表示和知识利用存在着表里一体的关系。 知识获取 知识获取是对于所在的问题领域，把事实知识和经验知识移植到知识库。它主要 包括获取专家知识、维持知识库的完整性和一致性、知识编辑及其学习等步骤。围绕 着这三个方面有一系列的软件、硬件、方法论及基础理论的研究。 知识工程是在专家系统的基础上发展起来的，随着专家系统的广泛应用和日益深 入，它向知识工程提出了新的要求： ( 1 ) 建立大型的知识库 专家系统要解决的问题越来越复杂，知识覆盖面也越来越大，如何建立大型知识 库的问题就成为突出的矛盾。 ( 2 ) 自动获取知识的问题 自动知识获取一直是困扰人们的瓶颈问题，目前没有突破性的进展，很多专家系 统的知识获取都是由知识工程师完成，并把获取的知识装入知识库，但从知识工程研 究与发展的观点来看，必须逐步解决这个问题。 ( 3 ) 专家系统和知识库维护问题 大型知识库的建立必然涉及系统维护问题，一般情况下，软件维护目前占软件费 用的6 0 8 0 。一种普遍使用的解决方法是一丌始就由编程人员、设计人员和用户 合作进行系统设计，有关文档全部存放在这个软件的知识库中，以后对软件的维护和 修改可以通过这个知识库进行。 l 4 本文的研究内容及意义 1 4 1 本文的主要研究内容 华中科技大学硕士学位论文 针对已有专家系统工具普遍存在的问题，本文的主要目的是继续完善现有的专家 系统平台，更精确地表达知识，使该平台达到实用级的水平，同时为了扩展专家系统 平台的应用领域，本文从知谚 工程的角度出发，运用面向对象的设计方法实现了一个 液压系统故障诊断的专家系统应用实例。概括起来本文主要对以下两个内容进行了研 究： 知识表示的细化，在以类为诊断单元的基础上提出了模块化的思想，模块是比 类更高一级的表示模型，层次化的知识表示的方法更加灵活，功能实现更加强大。 液压系统故障诊断专家系统的实现，包括诊断系统的总体设计、故障诊断问题 的研究、知识模型的表示、知识获取、知识库的构造和对专家系统的评价等。 1 4 2 本文研究的主要意义 本文所研究的专家系统平台的开发以及故障诊断专家系统的实现具有积极的意 义： ( 1 ) 为专家系统的开发提供一个可视化的开发环境，使专家系统的开发简便容易。 本文开发的专家系统平台界面友好、使用方便，从整个知识工程的创建到基本变量、 类、规则的添加都相当方便。 ( 2 ) 缩短开发专家系统的时间，降低成本。通常用高级编程语言开发专家系统是需 要大量的程序设计工作，在开发不同的专家系统时，相同的工作又要重复一次，比如 推理机的实现，界面的实现等。而在专家系统的开发平台上，只要根据系统简单的语 法构建知识库，推理机和界面及解释机制无需重复设计。 ( 3 ) 将专家系统应用于液压故障诊断系统中是有其必然性的，利用专家系统进行故 障诊断具有以下一些优点：首先，由于专家系统的知识库中集中了多个专家的知谚 ， 在一定程度上避免了由于个人主观因素造成的判断失误，使得诊断结果更接近真理； 其次在计算机上运行的专家系统具有存储能力强、运算速度快的特点，输入故障征兆 几秒钟内就可以做出判断；此外，专家系统的知识库还可以进行增删和修改，具有简 单的学习能力，可以不断地提高诊断能力和诊断结果的准确性。所以专家系统在故障 诊断中的应用可以使故障诊断水平有一个质的提高。 1 4 3 本文的各章节内容安排 围绕以上阐述内容，本文主要由以下几章组成： 第一章引言，提出问题，阐述研究的内容、目的及意义。 4 华中科技大学硕士学位论文 第二章系统总体设计，讨论了构造一个基于e s p 平台的专家系统所要考虑的问 题、困难及解决方案。 第三章e s p 平台的设计，讨论了e s p 系统的设计思想、功能模块、语法定义、知 识表示形式、知识库文件的编译等。 第四章阐述了基于e s p 平台的知识构建过程，包括可行性分析、设计要求、知识 表示、知识获取的实施、知识库的设计和专家系统的评价等。 第六章结论与展望，该系统的实现验证了e s p 平台的开放性和广泛的应用前景， 它可以应用在设计、诊断等领域的专家系统的丌发。最后阐述了专家系统工具的发展 前景及本系统需要改进完善的功能。 5 华中科技大学硕士学位论文 2 系统总体设计 本液压故障诊断专家系统的设计是基于e s p 专家系统平台的，e s p ( e x p e r ts y s t e m p l a t f o r m ) 系统主要以本课题组在知识工程理论方面的研究成果为基础，同时还借鉴 了同类软件产品的一些先进思想。e s p 可以提供的功能包括知识的录入、推理、编译 运行、界面自动生成等。此外还需要确立相应的诊断模型、构建知识库、完成类库的 设计等。 2 1 诊断专家系统的设计要求 本文的主要工作是开发实现4 0 3 f d 6 0 型叉车的故障诊断智能专家系统。对本系统 的设计要求如下： ( 1 ) 该系统能够解决叉车故障诊断领域只有专家才能解决的实际复杂问题， ( z ) 对叉车液压系统故障诊断的推理要仿人类专家的思维。 ( 3 ) 具有一定的启发性，即能使用判断性知识进行推理，能解释自己的推理过程， 并且叉车的诊断知识库能够不断修改和扩充知识。 ( 4 ) 能够记录和传播宝贵的专家经验，使知识的使用不受时间和空间限制，知识可 以有效地应用，可以保存、重现、复制和反传授这些专门知识。 ( 5 ) 该系统可以汇集和管理不同来源和众多专家的知识。对需要解决的问题，能够 提出更高明的解决办法 ( 6 ) 推理的结果具有满意的可信度，即诊断的成功率要高。 目前，关于专家系统的设计与建造方法尚未形成规范，但是经过3 0 年来的研究与 实践，人们已经积累了较为丰富的经验，对专家系统的建造原则、建造过程、建造过 程及评价标准有了一定的认识，为了设计建造高效实用的专家系统，我们遵循了以下 的建造原则1 1 8 】： 恰当地划定求解问题的领域。专家系统总是面向某一问题领域的，因此在建造 专家系统之前首先要确定所面向的问题领域。问题领域不能太窄，否则系统求解问题 的能力较弱；也不能太宽，否则涉及到的知识太多，知识库过于庞大，不仅不能保证 知识的质量，而且知识库太大也会影响系统的运行效率，难于维护和管理。 获取完备的知识，知识是专家系统的基础，为了建立高效实用的专家系统， 必须使它具有完备的知识。所谓完备的知识是指其数量能满足问题求解的需要，质量 上要保证知识的致性和完整性。 华中科技大学硕士学位论文 知识库与推理机分离。知识库与推理机分离是专家系统有别于一般程序的重要 特征，这不仅便于对知识库进行维护管理，而且可把推理机设计的更灵活。 选择设计合理的知识表示模式。不同的问题领域一般都有不同的特点，要求用 相应的表示模式表示其领域知识。因此，在选择或设计知识表示模式时应充分考虑领 域问题的特殊性，使领域知识能够充分地被表达出来。 推理应能模拟领域专家求解问题的思维过程。领域专家除了具有丰富的领域知 识，通常还有一套独特的思维方法，为了使专家系统能够像专家那样工作，除了充分 吸取专家的知识外，还应模拟专家求解问题的思维方式。 渐增式的开发策略。专家系统是一个比较复杂的程序系统，一般需要多年的开 发才能使它成为真正实用的系统，对该系统的开发需要一个循序渐进的过程，需要逐 步完成知识获取、知识库的构建、推理机实现、解释程序的实现等，需要反复验证， 同时专家系统的开发和评价要求同时进行。因此专家系统的开发通常采用渐增式的开 发策略，先建立一个专家系统的原型，对系统采用的技术进行试验，在取得的经验的 基础上再改进现有的专家系统。 2 2 诊断专家系统的可行性分析 专家系统是否适合在某个领域或任务中使用，很难用准确的判断标准来衡量，不 过故障诊断过程中解决问题的一些特征很适合用专家系统的方法来解决： 故障诊断问题需要很多经验知识，问题牵涉到许多动态可变的因素，很难给出 一个统一的、适合于任何情况的算法。只能依靠启发式的方法解决。 在故障诊断领域存在领域专家且领域专家的知识可以用语言清楚地表达。 故障诊断问题的难度适中，既不太简单也不太复杂。如果知识太少显得过于简 单；如果知识太多则显得过于复杂，所实现的专家系统效率太低。 故障诊断的问题范围比较专业化，而且解决的问题不包括大量的常识性推理。 综合以上几点特征，我们可以看出在故障诊断的实际环境中需要专家系统来充分 发挥领域专家的作用，也就是说我们开发的专家系统具有积极的实用价值。从已有的 专家系统使用情况来看，诊断专家系统是专家系统中最普及、最成熟、应用最广泛的 类型。 2 3e s p 系统简介 专家系统平台e s p ( e x p e r ts y s t e mp l a t f o r m ) ，是本课题组开发的一个专家系统 7 华中科技大学硕士学位论文 工具软件。该系统为专家系统的开发提供了一个支撑平台，开发者只需根据e s p 系统 规定的简单语法写出知识文件( + k n d ，经过系统编译后自动生成知识库文件( + k b s ) ， 这样就构造了一个专家系统。e s p 系统的使用大大缩短了专家系统的开发周期，降低 了开发专家系统的难度。该系统主要包括人机界面、：1 j 具箱、编辑器、编译器、推理 机等几大部分。e s p 的总体结构如图2 - 1 所示： 图2 - 1e s p 系统总体结构 e s p 系统为专家系统开发者提供了一个可视化的开发环境，系统的主界面如图2 - 2 所示ae s p 系统吸取了国内外一些相关软件的优秀设计思想，克服了其中的一些不足， 它具有如下一些特点： 知识表示全面，不但可v a , 表示普通知识，而且提供了对图表知识的支持。 可视化的知识编辑，本系统中知识工程框架、类、变量、规则的生成都可以 自动实现，整个操作都是在可视化的环境下完成。 提供了对模糊知识的表示和处理，本系统不但能够处理精确知识，还能处理 模糊知识，其中模糊知识的表示方法不但能准确地描述模糊概念，而且具有很强的灵 活性和通用性。 面向对象的知识集成表示，面向对象的知识表示方法是将多种单一的知识表 示方法按照面向对象的思想原则组织起来，用以表达对象的概念、性质和属性，符合 人类专家对研究对象的认知模式。 辅助知识获取的工具箱。通过系统提供的工具箱，用户可以方便地利用实验 数据进行相关的操作。 8 华中科技大学硕士学位论文 应用领域多样，通用性强，本系统灵活的推理机制，使用户可以根据实际问 题设计相应的求解策略。 图2 - 2 e s p 系统主界面 ( 1 ) e s p 系统的知识输入 e s p 系统的知识输入采用菜单选择、对话框填写方式完成，可以方便地完成添加、 删除和修改诊断知识和诊断参数、浏览各种对象和属性等管理维护工作。它是种所见 即所得的知识输入方式。图2 - 3 示为知识库的输入界面： 图2 - 3 知识输入界面 ( 2 ) e s p 系统的推理机制 e s p 系统可以采用正向推理、逆向推理和混合推理。正向推理比较直观，允许用 户主动提供有用的事实信息，适合于设计、预测、诊断、监控等系统问题的求解；如 一 华中科技大学硕士学位论文 一l _ ! _ _ _ 目_ _ e _ _ 目_ # = j 自t # = = = = = = = = ；= = = = 果目标是证实或否定某一特定结论，则用反向推理，它的主要缺点是盲目选择目标， 在解空间较大时效率会很低；混合推理是将正向推理和反向推理结合起来，灵活地构 造出多种推理方式。此外本系统还支持对模糊知识的表示和推理，丰富了e s p 系统的 适用范围。 ( 3 ) 编译器的设计是e s p 系统的一大特色，用e s p 系统定义的语言编写好知识工 程文件以后，由编译器来进行语法检查。并转换成了推理机所识别的目标代码，编译 使得知识工程师不必关心与机器有关的繁琐细节。 ( 4 ) e s p 提供了全面的计算、输入、输出和推理等系统函数，用户只要对面向对象 的设计思想有一定的了解并且熟悉e s p 系统的简单语法，就可以完成专家系统的构造 工作，专家系统开发周期可大为缩短，省去很多重复性的劳动。 2 4 知识库的构建 2 4 1 知识及其分类 专家系统是一种基于知识的系统。所谓知识是以各种方式把一个或多个信息关联 在一起的信息结构【2 钔。知识是事实和关系的结合，它以高度概括的形式揭示研究对象 的属性和相互关系，用来解决实际问题和从事创造性活动。对于专家系统而言，首先 遇到的问题就是如何把人类自己的知识逻辑地表示出来，并最终以计算机能够识别的 方式存储到计算机i t 0 2 4 - 2 7 。 人类处理的知识是极其多样的，其中最主要的类别可列举如下【2 4 1 ： 对象知识，对象知识是关于对象的有关事实的知识。 事件知识，事件知识是关于过去发生、现在发生或将来要发生的事件的知识， 对此，不仅要把事件本身符号化，并要表示事件发生的时间、地点、状态、性质和因 果关系等。 行为知识，行为知识是行为者之自j 、行为者和行为对象之间在事件中相互作 用时所表现的行为的知识。 工序知识，工序知识是记述进行某些行为的操作步骤的知识，要表达启动条 件、顺序关系、因果关系等。 元知识，元知识是关于知识的知识，用来指导如何选择事实和规则的知识。 这是比解决具体问题所需要的知识更高层次的、带有指导意义的知识。 2 4 2 知识表示及其细化 1 d 华中科技大学硕士学位论文 i,i i ri = = ；= = = = = = = = 2 4 。2 1 知识表示 知识表示是专家系统的一个重要内容，知识表示方法又称为知识表示技术，其表 示形式称为知识表示模式。对于知识表示方法的研究，离不开对知识的研究与认识。 由于人类目前对知识的结构及机制还没有完全理解，因此关于知识表示的理论及规范 尚未建立起来。尽管如此，人们在对智能系统的研究及建立过程中，还是结合具体研 究提出了一些知识表示方法。目前用的较多的知识表示方法主要有：一阶谓词逻辑表 示法、产生式表示法、框架表示法、语义网络表示法、脚本表示法、过程表示法、p e t r i 网表示法等。 对同一知识，一般都可以用多种方法进行表示，但其效果却不相同。因为不同领 域中的知识一般都有不同的特点，而每一种表示方法也各有自己的长处与不足。因而， 有些领域的知识可能采用这种表示模式比较合适，而有些领域的知识可能采用另一种 表示模式更好。有时还需要把几种表示模式结合起来，作为一个整体来表示领域知识， 以取得取长补短的效果。另外，上述各种知识表示方法大都是在进行某项具体研究或 者建立某个智能系统时提出来的，有一定的针对性和局限性，应用时需根据实际情况 做适当的改变。在建立一个具体的智能系统时，究竟采用哪种表示模式，目前还没有 统一的标准，也不存在一个万能的知识表示模式。但般来说，在选择知识表示方法 时，应从以下几个方面进行考虑【2 8 3 0 i ： 充分表示领域知识 有利于对知识的利用 便于维护、管理知识 便于理解与实现 本系统采用了面向对象的知识表示方法，它将框架、规则、方法过程等合为一体， 是一种混合型的知识表示方法。对象、类、封装、继承是面向对象技术中的基本概念， 目前对它的研究还缺乏坚实的理论基础，尚未形成严格的形式化定义，因此我们只是 从不同的侧面阐述了这几个概念i ”i ： ( 1 ) 对象 从广义上讲，所谓“对象”是指客观世界中的任何事物，即任何事物都可以在一 定前提下成为被认识的对象它既可以是个具体的简单事物，也可以是由多个简单 事物组合而成的复杂事物。从问题求解的角度来讲，对象是与问题领域有关的客观事 物。由于客观事物都具有其自然属性及行为，因此当把与问题有关的属性及行为抽取 出来加以研究时，相应客观事物就在这些属性及行为的背景下成为所关心的对象。从 对象的实现机制来讲，对象是一台自动机，它有一个名字，有一组数据和一组操作， 华中科技大学硕士学位论文 不同对象间的相互作用通过互传消息实现。其中，数据表示对象的状态，操作分为两 类，一类用于对数据进行操作，改变对象的状态，另一类用于产生输出结果。对一个 对象来说，其它对象的操作不能直接操纵该对象私有的数据，只有对象私有的操作可 以操纵它，即对象的状态只能由它私有的操作可以改变它。 ( 2 ) 类 类在概念上是一种抽象机制，它是对一组相似对象的抽象。具体地说就是在诸多 对象中可能有一些具有相同的特征( 如具有部分相同的数据，允许同样的操作) ，为了 避免数据及操作的重复描述及存储，就把共同的部分抽取出来构成一个类。对类进一 步抽象形成超类，超类、类、具体对象形成了一个层次结构。其实该结构还可以包含 更多的层次，在此结构中，层次越高越抽象，越低越具体。 ( 3 ) 封装 前已述及，一个对象的状态只能由它的私有操作来改变它，其它对象的操作不能 直接改变它的状态。当一个对象需要改变另一个对象的状态时，它只能向该对象发送 消息，该对象接受消息后就根据消息的模式找出相应的操作，并执行操作改变自己的 状态。这里，发送消息与通常所说的过程调用的意义是不同的，发送消息只是触发自 动机，同样的输入参数可因自动机的状态不同得到不同的结果。而过程调用时只要输 入的参数相同必然得到相同的结果。其次，在过程调用中，过程是一个独立的实体， 显式地为它的使用者所见，而在面向对象思想中，操作是隶属于对象的，它不是独立 存在的实体，只是对象功能的体现。像这样把一切局部于对象的信息及操作都局限于 对象之内，在外面是不可见的。对象之间除了互递消息之外，不再有其它联系，这就 是所谓“封装”的概念。 封装是一种信息隐藏技术，是面向对象的主要特征，面向对象的许多优点都是靠 这一方法获得的，它使得用户可以不了解对象行为实现的细节，只需用消息来访问对 象。 ( 4 ) 继承 在由超类、子类以及具体对象所形成的层次结构中，父类所具有的数据和操作可 被子类继承，除非子类对相应数据及操作重新进行定义，这称为对象类之间的继承关 系。面向对象的继承关系与框架表示法中框架间属性的继承关系类似，都避免了信息 的冗余。 由此可见面向对象思想的基本特征： 模块性，一个对象是可以独立存在的实体，其内部状态不直接受到外界的影 响，能够自由地为各个不同的软件系统使用。 继承性，子类可继承父类的数据及操作，这样每个子类的数据就一般地分为 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = = = = ；= = ；= = = = = = = ；2 目。= ；= = = = = 两部分，一部分是从父类那里继承过来的共享数据，另一部分是本类的私有数据。 封装性，对象是封装后的数据及操作，每个对象将自己的功能实现细节封装 起来，使得用户不必知道其内部细节就可使用它，从而加快了系统开发的速度。易维 护性，对象实现了抽象和封装，这就使得错误的影响具有局部性，不会传播，便于检 泐i 和修改。 2 4 2 2 知识细化 领域知识往往具有以下一些特点：流程复杂，所包含的知识量大，知识的种类多， 知识的层次繁杂，如描述性的知识、表格、公式、图形和数字等。这给知识的表示带 来很大的困难。为了深刻反映领域知识的种类和特点，提高工作效率，本文采用了细 分知识，模块化表示知识的方法。 在表示知识的过程中，我们严格按照知识的分类标准，分别提取出了陈述型知识、 过程型知识和控制型知识。陈述型知识叙述系统状态、环境、条件、问题的概念、定 义和事实的知识。上节讨论的对象知识、事件知识和行为知识都属于陈述型知识，提 取的陈述型知识作为对象的一个属性。过程型知识是有关系统状态变化、问题求解过 程的操作、演算和行动的知识，工序知识属于这类知识；过程型知识作为对象的方法 存在；控制型知识是关于如何选择相应的操作、演算，进行行为的比较、判断、管理 和决策的知识。这三类知识分为不同的层次，控制型知识是指导性的知识，处于最高 层，用来指导进行搜索、判断、管理和决策，因此控制型知识是一种元知识。知识系 统具有的元知识越丰富，它的性能越好，工作效率越，智能水平也越高。 对知识的层次化分解有助于加深我们对整个知识系统的理解，加深对关键部件的 理解，提高知识的可重用性。 在对知识分层次的基础上，我们采用了模块化的设计方法来构造知识库。模块化 的设计方法是以功能分析为基础，在某一基型部件的基础上将某一功能的模块互相选 用或加上不同功能特性的模块及分模块，在本系统的设计中，我们把些典型的诊断 体或诊断回路作为一个单元体，可以添加到任何一个高一级的系统的诊断体中，通过 模块化的设计，我们提高了效率、增强了软件的可重用性，有利于知识的传播。图2 4 表达了模块化设计的思想： 黑罱庳i 一 运行专家系统”开始进行推理。 华中科技大学硕士学位论文 先正向后逆向推理示意图 先逆向后正向推理示意图 肃愁，笔j ! ；! 三! 璧鬯，可以点菜单“专家系统一 修改变量”，来修改所有参数 煮詈竺耄墨，曼兰! 重新推理a 如果知识工程中用了函数g e t t a b l 。、：三e t , ”o b j “e c t ”, 则只能进行全部修改，不能使用局部修改菜单项。变量修改如图3 - 7 薪示。 圈3 - 7 推理过程中的变龄修改 3 4e s p 系统知识文件的编译 拘；蔓毳煞：? 耄薏警琶发三皂，专家系统开发者用它开发专家系统的过程就是 擎凳2 您库兰曩量然说就是创建一个知识工程。个磊最三磊嚣草禚霭 喜黧! 誓! 氅羔訾竺文件是在知识编辑器里按知识工程描述磊；矗雪 蛩黎识三詈差黧兰卺量的爹译器首先对知识文件进行词篡磊瑟：蓑蕃釜主 分析，同时生成变量表和块表，如果知识文件有语法错误，贝；盖磊磊_ 霁菇祟露薹 华中科技大学硕士学位论文 所在处，直到整个知识工程没有语法错误。最后把生成的变量表和块表写入知识库 ( k b s ) 文件。其创建过程如图3 - 8 所示。 错误 一 一 l l ，一， i 知识工程文件卜h 词法分析i 【一jl 。j ( 知识库h r 一一1 1 兰墨妻譬块表卜一 图3 - 8 构建知识库的总体框架 e s p 系统可以对错误的语法给出简单的提示信息，如未定义的变量、少括号或分 号等。对编译错误的排除需要一定的实际经验，对e s p 熟悉以后，语法错误都能够顺 利地排除。 3 5 本章小结 本章从一个e s p 专家系统工具用户的角度出发，分析了e s p 系统的工作机理、知 识表示技术、推理机制、编译以及语法分析，为故障诊断专家系统的实现做了必要的 准备。 ：2 4 华中科技大学硕士学位论文 ! ：- 一! = 目= = = = = = = = = = = = 。= = = = = ；= = = = = = = = = = = j = 4 诊断专家系统实现 本章从知识工程的角度出发，分析并构造了丰阳4 0 3 f d 6 0 型叉车液压系统的故障 诊断专家系统。 4 1 故障诊断知识的获取 4 1 1 知识获取概述 本节主要完成知识获取的过程。知识获取是把问题求解所运用的知识从某些知识 源中提取出来，然后经过提炼整理，最终形成知识库的过程。在知识获取的过程中， 通过自己的研究总结，并在领域专家的指导下分析、提取与求解问题有关的领域知识。 同时知识工程师还需要与专家配合，花一定的时间来收集领域专家的元知识，因为元 知识在领域专家的诊断活动中起着核心的作用。 人工知识获取是指知识工程师以“人工”的方式获取知识，其基本模式如图4 - 1 所示为人工知识获取的基本模式： 相关资料 知识 获取 辅助 j r ：具 推理机 l 知识库 图4 - 1 人工知识获取的基本模式 在这种知识获取的方式中，知识工程师是专家和智能系统之间的桥梁，是知识的 获取者，知识工程师的存在是人工只是获取的重要特征。以下一节重点阐述了经过知 识工程师整理后的叉车液压系统故障诊断的领域知识内容。 4 1 。2 知识获取的实旎 通过查阅资料以及与领域专家的深入探讨，我们对叉车液压系统及其故障原因、 机理、排除方法有了全面的认识3 6 】刚。 华中科技大学硕士学位论文 4 1 2 14 0 - 3 f d 6 0 型叉车液压系统工作原理 叉车是一种典型的用于装卸货物的起重运输机械，是港口装卸搬动作业中应用最 广泛的机械之一。为了实现结构紧凑、操作简单和转向灵活的目的，在货叉升降、门 架倾斜、叉车转向等机构中均采用液压传动。通常采用的动力为柴油机，一方面通过 液力变矩器、万向节、差速器等驱动车辆，另一方面又驱动液压泵，以满足各液压传 动工作部件的传动需要。本文分析的叉车的液压系统是丰田的4 0 一3 f d 6 0 型叉车。 该车的转向、刹车、叉架的升降和前后倾都是通过液压传动的，实现上述动作的 液压执行组件均由一台齿轮泵供油( 在1 5 0 0 r m i n 时的流量为9 0 1 0 - 3 1 3 m i n ) 。液压 系统原理图如图4 2 所示( 刹车阀为多路换向阀，此处采用简化表示) 。其液压系统具 有以下特点： 系统属中高压开式系统。多路换向阀中溢流阀调整压力为1 7 5 m p a ，刹车阀中调 整压力为1 0 5 m p a ，转向回路中的溢流阀调整压力为8 m p a 。系统中的齿轮泵选用浮动 侧板式高压齿轮泵。泵出口管路上装有流量分配器( 即单支稳流阀) 。该分配阀的主要 作用是不管柴油机是高速还是低速运转或者负载的变化，均能优先保证供给转向系统 稳定的流量，从而保证了转向的稳定和可靠。 3 卜j 痤压泵2 一转向i 馥压缸3 一流星分配器4 一蓄能馨5 - 蒯车闱6 一溢流闽7 一全液压转向器 8 一刹车裴置9 一倾斜缸1 0 一流量控制阀1 卜起升缸1 2 多踏换向阀1 3 一油箱l 电动机 网4 吧4 0 3 f d 6 0 型叉车渡压系统原理图 系统中装设了刹车阀( 液压刹车) ，从而确保了这种载重较大的叉车的制动更加可 靠。以下分别对叉架升降及倾动回路、转向回路及刹车回路作简要分析。 华中科技大学硕士学位论文 = 一：= = = = = = 2 = ! = = ；= 2 ；= = = ；2 = 2 = = = = = = ； 升降及倾动回路 卜泵2 一流量分配器3 一起开冈4 一顺斜棚5 一起升伍【6 一舰崭缸7 一_ ；由箱 s 至转向、和车回路8 一单向节流阀9 一溢流阉1 0 一电机 图4 - 3 叉车倾动及升降同路 由图4