（机械工程专业论文）高速轮转印报机故障诊断及维护管理系统研制.pdf

中文摘要 高速轮转印报机故障诊断及维护管理系统研制 研究生：王春祥 指导老师：贾民平教授 东南大学 为提高进口高速轮转印报机维修、保障的效率和水平，充分保障报纸印刷生产的及时性和连续 性，在系统分析基于案例推理的故障诊断专家系统的原理、特点、关键技术及工作流程的基础上， 重点论述了案例的表示及案例库的建立、案例的检索、案例的学习与维护等内容，并在此基础上开 发了进口轮转印报机故障诊断专家系统及其维护系统。 该系统充分吸收了基于案例推理的故障诊断专家系统的特点和优势，并将数据库技术运用于该 系统的开发中，设计了基于数据库技术的案例表示方法，建立了基于数据库技术的案例库，使案例 的表示、组织、管理、维护更加高效和简洁，并在数据库技术的基础上设计了系统的推理机，将传 统推理机制与数据库检索技术相融合，使推理机的性能得到提高，推理过程更加直观有效。 在此基础上，结合进e l 高速轮转印报机的实际维护管理情况，研制开发了进口高速轮转印报生 产线的设备管理系统，将日常用分散电子文档来管理的设备维护记录、故障记录、备件信息等加入 到设备维护管理系统中，使得设备管理更加规范，信息更为全面，更加有利于查询和更好地为生产 服务。 最后，介绍了进1 ：3 高速轮转印报机故障诊断专家系统及其维护管理系统的设计思路、要求、特 点、组成、功能，重点介绍了系统知识库的知识表示和管理，系统推理机的设计与运行，并对各功 能模块作了说明，通过实例验证了系统的可行性和有效性。 关键诃：案例推理专家系统故障诊断进口高速轮转印报规设备维护管理系统 英文摘要 r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to ff a u l td i a g n o s i sa n dm a i n t e n a n c e m a n a g e m e n ts y s t e mf o rh i g hs p e e dw e bp r e s s s u p e r v i s e db yp r o f e s s o rj i am i 叩i n g s o u t h e a s tu n i v s a r s i t y i no r d e rt oi m p r o v em a i n t e n a n c ee f f i c i e n c ya n dq u a l i t yo fh i g hs p e e dw e bp r e s sa n dk e e p t h ep r i n t i n gp r o c e s st i m e l ya n dc e n t i n u o u s ，t h ec a s ee x p r e s s i o n ，c a s ed a t a b a s eb u i l d i n g , c a s es e a r c h e s ，c a n es t n d y i n ga n dm a i n t e n a n c ea r ed i s c u s s e da f t e ra n a l y z i n gt h ep r i n c i p l e , c h a r a c t e r i s t i c s ，k e yt e c h n i q u ea n dw o r k i n gp r o c e s so ff a u l td i a g n o s i se x p e r t s y s t e mu s i n g c a s e - b a s e dr e a s o n i n g f a u l td i a g n o s i se x p e r t s y s t e ma n dm a i n t e n a n c em a n a g e m e n ts y s t e m s p e c i a l i z e df o ri m p o r t e di m p o r tw e bp r e s sa r ea l s od e v e l o p e db a s e do nt h ea b o v er e s e a r c h t h en e we x p e r ts y s t e ma d o p t sc h a r a c t e r i s t i c sa n da d v a n t a g e so ft h et r a d i t i o n a lf a u l t d i a g n o s i se x p e r ts y s t e ms t e m m e df r o mc a s e - b a s e dr e a s o n i n g , a n dt h ed a t a b a s et e c h n i q u ei s a l s oa p p l i e di nt h en e ws y s t e m h e n c e ，c a s ee x p r e s sa n dc a s ed a t a b a s ea r ee s t a b l i s h e dw h i c h m a k e st h ec a s em a n a g e m e n ta n dm a i n t e n a n c em o r ee f f e c t i v ea n de f f i c i e n t m e a n w h i l e ，am o r e e f f e c t i v ea n de f f e c t i v ei n f e r e n c ee n g i n eb a s e de l ld a t e b a s et e c h n i q u ei sa l s od e s i g n e dw h i c h c o m b i n e st r a d i t i o n a li n f e r e n c em e c h a n i s ma n dd a t a b a s es e a r c ht e c h n i q u e b e s i d e st h ee x p e r ts y s t e m , a ne q u i p m e n tm a i n t e n a n c em a n 8 9 e m a n ts y s t e mi sd e v e l o p e d a c c o r d i n gt ot h ec u r r e n ts i t u a t i o n ，w h i c hg a t h e r st h es c a t t e r e dm a i n t e n a n c e ，d e f e c t i o na n d s p a r ep a r t si n f o r m a t i o na n dr e c o r d sm a k i n gt h ee q u i p m e n tm a n a g e m e n tm o r es t a n d a r d i z e da n d c e m p r e h e n s i v e f i n a l l y ，t h ed e s i g ni d e a , r e q u i r e m e n t ，c h a r a c t e r i s t i c s ，c o n s t i t u t i o na n df u n c t i o na r e p r e s e n t e d , a n de m p h a s i si sf o c u so nb o t ht h ek n o w l e d g ee x p r e s s i o na n dm a n a g e m e n to fk n o w l e d g e s y s t e ma n dd e s i g na n dr u n n i n go fs y s t e mi n f e r e n c ee n g i n e f u n c t i o nm o d u l e sa r ee x p l a i n e d a n df a u l td i a g n o s i si sd e m o n s t r a t e dt l i r o u g h o u tt h ep r o c e s s k e yw o r d s ：c a s e 吨a 3 e dr e a s o n i n g 。e x p e r ts y s t e m f a u l td i e g n o s i s i m p o r t e dh i g hs p e e dw e b p r e s s e q u i p m e n tm a i n t 鲫a n c en a n a g e m e n ts y s t e m 东南大学学位论文独创性声明 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，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他入已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它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。 研究生签名：曼查竖日期： 土p 呓，1 口 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名： 芝歪l 导师签名：e t 期：兰坚：! ：y 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 作为党报党刊来说，报纸印刷出版的时效性和连续性要求特别高。为了满足 民日夜增长的物质文化 生活的需求，为了日趋激烈的报纸发行、广告竞争的需要，近些年来。国内各大报业集团纷纷从国外引进 大量先进的印刷设备和技术，截至2 0 0 5 年年底，国内名煳业集团从日本、德国、瑞挝：、瑞典等国引进的 进口高速轮转印报机已超过3 0 0 0 台的，用于各类报纸及半商业产品的印刷，进口高速轮转印报机正是以 其印刷质量好、印刷速度快和生产效率高的特点，受到国内各大报业集团的青睐“1 。 由于进口设备的制造精度和机电一体化程度高、设备规模庞大且结构复杂、设备价值高、机器 的动态性能以及维护保养要求较高。因此，随着进口高速轮转印报机的不断引进，设备管理与维护 保养的难题也随之而来，对于这些设备采用传统的方式方法进行故障维修和维护保养是远远不能满 足报纸印刷的时效性和连续性要求的，因为，传统的维修和维护方法难以迅速而准确地找出故障的 原因和解决方法，时常会影响到报纸的正常出版印刷，使得报纸印刷出版的时效性难以得到保证。 本文是基于高速轮转印报机维修与维护的工程实践中存在的上述簿弱环节而提出的，希望通过 对进口高速轮转印报机的故障诊断与维护系统的研制，能够很好地解决实两洼产中出现的难题，在 实际生产中真正傲到科学诊断、科学维护。切实提高报纸印刷的社会效益和经济效益“。 1 2 选题背景和意义 随着算机技术的发展及智能技术的应用，故障诊断技术己开始进入了一个新阶段，即智能化诊 断阶段这是一种基于专家知识和人工智能技术的诊断方法，对复杂、大系统的诊断极为有效1 “。 目前，机械设备故障诊断技术发展迅速，并在机械、石化、冶金，电力等许多行业中得到了广泛的 应用，但在整个印刷行业中应用还很少见，特别是在用于报纸印刷的进口高速轮转设备的诊断与 维护应用中更为少见。而现代科技的综合运用使高速轮转印报机越来越复杂高效，加上印刷工艺要 求高，以及纸张、油墨、橡皮布等耗材的可变因素大，使得高速轮转印报机故障产生的原因多而复 杂，故障诊断与捧除越来越困难。当前该行业的维修人员主要靠感觉和个人经验对机器故障进行诊 断，有时为了排除一个故障要花几天时间，充分说明应用在该领域的故障诊断技术已远远不能适应 现代化印刷的要求“。因此，针对进口高速轮转印报生产设备的故障诊断技术研究是迫切需要和可行 的，目前，国内针对各类印刷设备故障诊断技术的相关研究已逐步发展起来“” 采用l b r 专家系统的故障诊断技术进行高速轮印报机的维护，是因为：l 、高速轮转印报生产线 的结构复杂。自动化程度高，不同生产线之间的配置差异较大。设备功能多样化，使得设备故障也 越来越复杂，很难建立一个完整的、精确的数学模型来描述，使用数学模型的故障诊断方法存在弊 端；2 、高速轮转印报机从刚开始引进至今，已有十多年的历史，因此，对于高速轮转印报机的维修， 东南大学硕士学位论文 已经积累了比较完备的基于不同案例的专家经验和技术手册，适合专家系统；3 、高速轮转印报 生产线是融水、电、光、气、机械、自动控制等一体的综合现代化设备，设备故障纷繁复杂，同一 故障的故障原因及故障点较多，因此，很多问题的需要专家经验和直觉知识的积累来解决，而这些 专家经验难以用数学模型或逻辑推理来求解：4 、基于c b r 的专家诊断系统在其他相关行业中已被广 泛使用，并且在设备故障诊断方面发挥了积极有效的作用。 信息和计算机技术的飞速发展也为开辟一个崭新的设备维护管模式提供了良好的平台，通过高 速轮转印报机故障诊断和维护系统的研制，可以很好地解决生产实践中的以下几方面问题：( 1 ) 故障 信息的管理。使得设备维修管理人员能够对设备在某段时间内的运行情况进行了解，并以此为依据 进行更有效的设备管理( 2 ) 维修经验知识她积累。企业中的设备维修人员，他们是企业的宝贵财 富，然而一个优秀的设备维修者的成长往往需要数年甚至更长的时间，他们的维修经验也会随着维 修年限的增加而增加。然而在大多数的企业里，维修人员的大量维修经验由于各种原因没有能够得 到及时有效地保留和组织，如果能够对维修经验知识进行合理地组织并利用，那会使得后备维修人 员较快掌握维修技能以及利用这些前人留下的经验知识进行设备故障诊断。专家系统知识库的建立 就是如何对维修人员的维修经验进行保留并利用。( 3 ) 设备备件管理。由于高速轮转印报机的零配件 种类多。且通用性较差，为了保障报纸的正产生产印刷，需要储备大量的零配件，而传统的备件管 理，使得维修管理人员经常不清楚各件的种类、数量，存放部位以及配件进出库情况，同样由于缺 少对库存统计，也不能做到零配件的低库存，这在一定程度上增加了企业的资金占有率，另外当设 备出现故障需要进行备件替换时，经常由于备件的混乱摆放而无法找到，给设备维修带来了一定时 间上的损失。那么利用这套系统中的备件管理子系统，将备件基础信息、出入库等信息进行合理的 存储管理，将大大提高备件管理水平，为设备维修提供有力地支持( 4 ) 有计划地做好进口高速轮 转印报生产线的维护保养。进口高速轮印报生产线具有设备价值高、精度高、控制先进和机电二体 化程度高的特点。因此，对设备维护要求也较高，维护点位众多，维护内容复杂，维护规范及技术 要求也较高。设备维护计划管理子模块能够的涵盖所有需要维护的部位和内容，并能根据设备运行 的具体状况，随时更改维护计划和内容，同时模块还具有定期提醒功能，保障设备维护的及时性和 计划性。 本课题从印报机实际出发。通过借鉴其它行业专家系统的成功经验，初步开发出印刷机故障诊 断专家系统。具体来说，该故障诊断专家系统就是把行业内人类专家的丰富经验集中起来，并以某 种形式存入计算机，把判断过程转化为具有推理能力的程序，即推理机。这就使得计算机能够像人 类专家那样诊断出故障。本系统有以下特性：有专家水平的知识，能够进行有效的推理，具有获取知 识的能力，有透明性即解释机构，灵活性即知识库与推理机分离，具有一定的复杂性和难度的交互 式系统 因此，通过设备故障诊断技术和维护系统地研制，对加强轮转印报设备的科学管理与维护，达 2 第一章绪论 到降低设备维修成本。提高维修效益，改善设备状况，保证设备的运行可靠性和安全性，保障报纸 印刷生产的连续性，都具有非常重大的现实意义和较高的工程应用价值。 1 3 国内外研究现状 1 3 1 人工智能与专家系统概况 在计算机诞生初期，它的应用主要集中在数值计算、数据处理等日常性工作上，这虽然能替代 人类做大量烦琐的脑力劳动，但计算机的智能水平很低，为了使计算机发挥更大的作用，机器具有 智能是先决条件。在人工智能( a r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e ，简称a i ) 发展史上最值得一提的是英国的 逻辑学家图灵( a l a nm a t h s o nt u r i n g ) ，他是第一个提出机器可以具有智能的学者，他于1 9 3 7 年提 出了图灵机( ( t u r i n gm a c h i n e ) 概念，其中包含着许多智能机器的思想。当今计算机领域的最高奖一 图灵奖就是为了纪念他而设立的人工智能有许多倍受关注的领域，如机器人、视觉、人工神经系 统、自然语言、语音、理解以及专家系统。专家系统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。专家系统( e x p e r ts y s t e m ，简称e s ) 早期先导者之一，斯坦福大学的 e d w a r df e i g e n b a u m 教授，把专家系统定义为。一种智能的计算机程序，它运用知识和推理来解决只 有专家才能解决的复杂问题”。 专家系统是人工智能演生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a i 研究最活跃的三大领域。1 9 5 6 年， 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 n e p a lp r o b l o ms o l v e r ) 的研制中为专家系统的产生奠定了基础。 1 9 6 5 - 1 9 6 8 年，s t a n f o r d 大学的e 丸f e i g e 删教授等进行了d e n 嗽l 系统的研究，随着d e n d r a l 系统的研制成功，标志着专家系统的诞生。2 0 世纪7 0 年代，随着一批技术相对成熟的专家系统问世， 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已形成。1 9 7 7 年，e a f e i g e n b a n i 埘教 授在第五届国际舡联合会上对专家系统的思想作了系统总结，提出了知识工程的概念。至此，专家 系统技术已基本成熟。从此，他的应用已开始渗透到各个领域，包括医疗诊断、化学工程、语言识 别、图像处理、金融决策、信号解释、地质勘探、石油、军事等领域。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”。 专家系统是人工智能的一个分支，它大量利用专业知识以解决只有专家( e x p e r t ) 才能解决的问 题专家系统已被应用到几乎每一个知识领域，其中有些被设计为研究工具，有些则履行着重要的 商业和工业功能。历史上，专家系统的发展大致经历了三个阶段：初创期( 1 9 6 5 1 9 7 1 ) 、成熟期( 1 9 7 2 1 9 7 7 ) ，发展期( 1 9 7 8 年至今) 。 1 3 2 国外研究情况简介 七十年代专家系统趋于成熟，专家系统的观点也开始广泛地被人们接受。七十年代中期先后出 3 东南大学颐士学位论文 现了一批卓有成效的专家系统，其中有代表性的专家系统有：用于诊断和治疗感染性疾病的m y c i n 系统；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i 皿a r s a y 系统； 用于寻找矿藏的p r o s p e c t o r 系统等。 随着专家系统的逐渐成熟，e s 的应用领域迅速扩大，e s 所处理的问题的难度也不断增加，七十 年代后期开始出现一些新型的专家系统，如超大规模集成电路设计系统k b v l s i ；遗传学实验设计系 统w o l g e n ；感染病诊断治疗教学系统g u i d o n ；军事冲突预测系统i 酣。 八十年代以后，专家系统又有了突飞猛进的发展，对a i 基本技术研究得更透彻了，大批新系统 不断涌现，专家系统的应用领域进一步扩大，甚至渗透到政治，经济、军事等重大决策部门 基于案例的推理是人工智能领域中的一种重要的基于知识的问题求解和学习方法，它以独特的 推理风格和成功的应用，在国际a i 界引起了广泛的兴趣。大多数a i 的作者认为，c b r 起源于美国耶 鲁大学( y a l eu n i v e r s i t y ) 罗杰沙克( r o g e rs c h a n k ) 教授在其1 9 8 2 年的著作动态回忆( d y n a m i c m e m o r y ) 中所做的描述。1 9 7 7 年，沙克( s c b a n k ) 教授在研究认知科学的过程中，提出了知识表示脚 本( s c r i p t so fk n o w l e d g e r e p r e s e n t a t i o n ) 的概念，1 9 8 2 年，沙克( s c h a n k ) 教授提出的以记忆组织 包( m e m o r yo r g a n i z a t i o np a c k e t s ) 为核心的动态记忆理论( d y n m i c m 跚o r yt h e o r y ) ，被认为是人工 智能领域中最早的关于c b r 的思想。另一类相对独立的研究，如类比推理研究，哲学和心理学研究 中的概念形式理论及问题求解和经验学习理论，也对早期的c b r 思想产生影响。当时，这种新的问 题求解与学习方法被沙克( s c h a n k ) 教授的一些学生所推广。1 9 8 3 年，珍妮特科洛德( j a n e tk o l o d n e r ) 领导开发了第一个基于事例的推理系统一一c y r u s ，实现了沙克( s c h a n k ) 著作中的许多思想一2 1 世纪8 0 年代后期以来，美国在c b r 推理机制赞理论与方法进行了较为系统的研究，并在分类、诊断、 计划及设计等领域开发了数百个应用的案例。如用于战斗计划制定与评价的b p a 系统，该系统通过 系统中包含的6 0 0 个战争案例，通过所给出问题的条件对类似案例取出进行分析和修正，以得到所 求问题的解。n a v i n c h a n d r ad 研制的用于景观设计c 1 c l o p s 系统，只要输入目标( 例如农田) 就能输 出可行的方案。与此同时，美国人工智能协会( a m i ) 在其近年来举办的国际性学术会议及研讨会中， 都有关于c b r 应用及理论方面的论文，人工智能杂志( a i m a g a z i n e ) 和i e e e 专家系统( i e e ee x p e r t ) 杂志也相继组织和发表了有关c b r 的专题研究和应用论文，从而进一步推动和发展了对c b r 研究的 深入与完善，使c b r 广泛应用于诸多领域。目前美国是开展c b r 研究和应用最普遍的国家。欧洲 的c b r 研究比美国起步稍晚。主要兴趣集中在专家系统的开发和知识获取的研究上。德国凯泽斯劳 腾大学的m i c h a e l 教授的研究小组开发出复杂的技术诊断系统m o l t k e 和p a t i ) e x 系统。基于案例的 规划系统c a p l a n c b c 和欧洲工程i n r e c a ，i n r e c a - i i ，挪威的a g n a r 和同事开展了对知识获取和维 护，以及c b r 与其他方法相结合的研究。并开发了c r e e k 系统。这些系统除了遵循案例学习的一般 框架之外，都具有自己的特色并取得了一定的成功。日本在9 0 年代初期开始对c b r 系统的研究与开 发，经过近几年的努力，建立了数十个用c b r 推理的知识系统。如中村孝太郎和小林重信建立的用 t 第一章绪论 于机械调整的支持系统，仲谷善雄研制的用于机械设计的对话式设计支持系统s u p p o r t 等 1 3 3 国内研究情况简介 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，但相对来说，其发展速度比 较快。我国专家系统的开发工作最初在医疗领域展开，先后出现了肝炎诊断治疗专家系统、子宫癌 诊断专家系统等。随后很快进入农业领域，研制出小麦育种、水稻育种等专家系统。八十年代初， 我国专家系统开发相继渗透到交通运输、地质勘探、气象预报等领域，有交通运输调度、石油勘探 地震资料解释、航空磁放资料解释、台风路径预报等一批专家系统相继问世。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 r i 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。 约在9 0 年代初我国开始有学者进行c b r 的研究，也建立了一些c b r 系统。1 9 9 1 年史忠植、李宝东 提出了记忆网模型和案例检索算法，1 9 9 3 年周涵设计了基于案例学习的内燃机油产品设计系统 e o f d s l ， 1 9 9 4 ；g 徐众会开发了基于案例推理的天气预报系统，1 9 9 6 年王军开发了淮河王家坝洪水预 报调度系o f f o r e z 。2 0 0 0 年叶施仁等设计开发了渔情分析专家系统最近几年，国际上关于案例推理 的研究十分活跃，仅1 9 9 9 年涉及c b r 的各类国际性学术会议和专题讨论会就达2 0 余次，对c b r 的研究， 正逐步广泛应用到设计、规划、诊断、分类、辅助决策等方面，已经有一些支持c b r 方法的商业工具 出现。c b r 在工业上的应用发展也日益成熟，如l o c k h e e d 。6 t e ，b o e i n g ，d e c ，m a r t i nm a r i e t t a 等 都在从事c 职的研究和应用开发目前c b r 广泛应用于各个领域，一些典型的应用领域有：( 1 ) 计算 机科学。c b r 己广泛用于计算机科学的研究，如模式识别、人工智能和软件工程等。( 2 ) t 程领域 应用c b r 越来越多的用于工程实际，如生产过程的计划设计与控制等。( 3 ) 管理领域应用c b r e 管理领域中的应用得到了充分的重视，并已取得许多实际应用的效果。( 4 ) 自动控制领域的应用。 控制领域里己大量使用c 腿技术实现自动控制和自适应控制。如机器人行为规划、飞行器路径选择等。 ( 5 ) 复杂的组合优化问题中的应用。c b r 技术在计划、调度和非线性优化等问题中都得到了广泛的 应用，克服了传统算法的一些皱陷。( 6 ) 认知科学中的应用c b r 在认知科学与心理学的各个领域 也有广泛应用。如人类求解问题的思维过程及其心理学模型的建立等。随着专家系统的理论研究和 实践开发的深入。分布式专家系统。多专家系统的协同问题求解；利用数据库技术、多媒体技术、 组件技术、网络技术、模糊控制技术、神经网络技术在专家系统中应用等内容都得到工程界的普遍 关注。由此产生了基于故障树的故障诊断专家系统，模糊诊断专家系统，基于规则推理的故障诊断 专家系统，基于案例推理的故障诊断专家系统，基于神经网络及时问序列的故障诊断专家系统，基 于数据库技术的故障诊断专家系统。基于网络的远程故障诊断专家系统，并产生了各种集状态监测 与故障诊断于一体的便携式故障诊断专家系统等。 二十一世纪计算机信息产业将成为第一大产业，世界各主要发达国家均加大了计算机信息领域 5 东南大学硕士学位论文 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。 目前针对印刷领域的故障智能诊断系统主要有基于规则和神经网络的系统。由于这此系统采用 的故障诊断方法存在某此不足，如知识获取非常困难，系统对求解超出范围的问题无能为力，诊断 推理过程比较抽象、不容易理解等。而基于案例的诊断推理需要检索的是现场发生的故障案例，大 大减少了从专家那里获取知识的必要，比较容易建立；在待诊断对象的故障与案例之间不完全匹配 时也能给出相似的解；诊断结果是具体的案例，比较生动丰富，能够反映故障的总体概貌，容易理 解接受等因此，本文采用案例推理技术简称( c b r ) 进行故障诊断，可使一般技术人员就能对印刷 机械进行故障诊断 1 ，3 4 专家系统的发展方向 一个专家系统的成功与否，主要取决于它知识库中知识的丰富程度和质量。知识库中的知识来 自两个方面，一是外部知识，它来自人类专家或书本等其它资料；= 是内部知识，要求系统有自身 归结知识的能力，即学习能力。其中，外部知识获取( 包括在知识库创建时识别出必要的知识并将 箕形式化，以及知识库的修改和扩充等) 要求人类领域专家与计算机科学工作者密切合作并付出巨 大劳动。因此，知识获取己被认为是构造实际专家系统的4 瓶颈”问题。为了解决这个问题，一方 面要突出领域知识或背景知识在知识获取过程中的引导作用，以利于产生一些易理解的规则和避免 无意义的结果。i i a n 3 i a w e i 等提出使用概念分类的方法，用泛化值替代相应值，在高层次发现特征 和分类规；乩c z t a y l o r 等提出使用本体概念来发现高层次分类规则。他们的方法利用数据库技术和 概念层次来表示背景知识，推出更大范围的有趣模式。另一方面要加强计算机半自动和自动获取知 识的各种方法、工具和技术的研究。己有一些专门做知识获取工作的程序系统，如t e i r e s i a s 可以 用来帮助修改和扩充象m y c i n 系统那样基于规则的知识库；m e t a - i f a n ) r a l 系统可以为化学质谱分折 系统d e n d r a l 自动地形成知识库中的规则。 与专家系统的其它部分相比，学习机制要难实现得多。然而一个能模拟人类专家的系统，只有 具有学习的功能，才能在实践中不断地丰富自身的知识库，从而才具有生命力。斯坦福大学的李耐 特( 国l e n a t ) 于1 9 8 2 年建立了一个称作e u r i s k o 的机器学习系统。它能够自动地改进和扩充自身的 启发式规则。目前，以非线形分布并行处理为主流的神经网络理论的发展，为人工智能专家系统的 研究提供了新的条件。推理控制策略与不确定推理方法一起是推理机运用知识进行问题求解的重要 研究课题。一般的控制策略有数据驱动、目标驱动和混合驱动。但是，通用的控制策略不能代替特 定领域的启发式控制策略人类专家除具有深广的领域知识外，还都具有熟练地运用这些领域知识 解决实际问题的本领，启发式控制策略就对应于专家的这种运用领域知识的本领。近年来e d i n b u r g h 大学的a l a nb u n d y 教授在研究数学归纳法推理过程中。首先提出了证明规划的概念，作为一种启发 式策略，它采用的核心算法为r i p p l i n g 算法，其基本思想是利用重写原理进行反向推理，将归纳结 6 第一章绪论 论反推到归纳假设，从而使定理得证。因此，为研制实际的高性能专家系统，必须对启发式控制策 略进行深入的研究。 1 4 本文的主要研究内容和组织结构 本论文介绍了专家系统的一些基本知识，分析了基于c b r 故障诊断专家系统的理论、结构、工作 过程、特点及国内外研究现状，阐述了数据库技术在故障诊断专家系统中的应用，提出了基于c b r 的 高速轮转印报机故障诊断专家系统设计思想、架构、组成及实现，同时结合本单位设备管理和使用 特点，研制建立个实用的设备管理维护系统，将设备运行、维护、配件等基础信息纳入智能化管 理系统中，从而进一步促进设备故障诊断专家系统研制的开展，提高设备管理与维护水平 全文共分五章。第一章绪论介绍了课题背景及意义、国内外研究现状及本文的主要工作。第二 章详细介绍了基于c 非的专家系统的基本原理、工作过程、关键技术( 包括案例的表示与组织、案例 的检索、案例的学习与维护) 、特点以及数据库技术在c b r 中的应用。第三章是系统的总体结构及设 计，分析了本系统的总体结构，提出了高速轮印报机故障诊断专家系统的设计思想、系统的构成、 知识库的表示和管理、推理机的设计第四章是系统的实现及应用，介绍本系统开发软件的技术背 景、基本概念以及已开发的高速轮转印报机故障诊断及维护系统的具体实现、主要功能及运行。第 五章对全文作了总结，分析了本文的主要工作内容，并对未来基于c b r 的故障诊断专家系统的发展作 了展望 7 东南大学硕士学位论文 第二章基于案例的推理( c b r ) 方法 2 1 专家系统简介 所谓专家系统就是一种智能的计算机程序系统，该系统存储有某个专门领域中事先总结。并按某 神格式表示的专家知识( 构成知识库) ，以及拥有类似于专家鳞决实际问题的推理机制( 组成推理系 统) 系统能对输入信息进行处理，并运用知识进行推理，做出决策和判断，其解决问题的水平达到 专家的水准，因此能起到专家的作用或成为专家的助手。专家系统的工作过程是一个不断获取和应用 知识的过程，而知识应有适当的表示，方便于在计算机中存储、检索、使用和修改所谓知识表示 技术是研究在计算机中如何用最合适的形式对系统中所需要的知识进行组织，这与问题的性质和推理 策略有着密切的关系，因此知识库的建立是专家系统开发工作的核心。为了便于知识存储和管理将关 系数据库技术引入该领域已成为发展趋势，用数据库来构造广义的知识库，使用表及关系是必要的， 而多数专家系统中的知识在进行一定的处理后可以用数据库结构和处理方法来管理和表示，统一规范 于关系数据库下 专家系统按照不同的分类标准，将产生不同结果的分类，各行各业有不同的领域专家系统，为了 对不同类型的专家系统的基本特点有所了解，可以从专家系统工作的性质和解决问题所采取的基本方 法分类。 ( 1 ) 从工作性质分类，见表2 1 表2 1 专家系统按工作性质分类表 序号类型说明说明 l 诊断型当前开发应用最多的一类 2 设计型应用较多经济效益明显的一类 3 规划型总体设计、计划调度、运算优化类性质的工作 4 测试解释型对试验数据进行解释分析 预测型根据过去和现在的经验和数据运用相应的知识预见预测未来的 5 趋势 6 控制型主要对各类系统控制、各类相应的管理专家在起作用 7 教学型 各级教师、训练教员都是教学型的专家 8 监控型对生产过程、社会活动、经济活动进行监督指导 9 维修排错型 设备的维护、例行检修，发现故障予以排除 ( 2 ) 基本方法分类，见表2 2 。 8 第二章基于案例的推理( c b r ) 方法 表3 2 专家系统按基本方法分类表 序号名称 说明 诊断分析型 这是根据症状表征，已知前提条件的分析、逻辑导出 l ( d i a g n o s i s a n a l y s i s )结论的一类 构造综合型 这是根据需求和给定条件综合出能满足需求的构造 2 ( c o n f i g u r a t i o n s y n t h e s i s )配置方案的一类专家系统 专家系统还有其它的分类方法，如按推理方法来分可分为基于规则的推理( r b r ) 和基于案例的 推理( c - b r ) 等等。 专家系统的特征主要在于：( 1 ) 具有专家水平的专门知识。人类专家之所以能称为“专家”， 是由于它掌握7 某一领域的专门知识，使得它在处理问题时能比别人技高一筹。一个专家系统为了能 像人类专家一样地工作，就必须具有专家级的知识，知识越丰富，质量越高，解决问题的能力就越强。 任何一个专家系统都是面向一个具体领域的，求解的问题仅仅局限于一个较窄的范围内。例如a 3 4 0 的飞机维修捧故专家系统就只适用于a 3 4 0 型飞机，对其它机型，应该选用其对应的专家系统。因此， 专家系统的知识都具有专门性，它可能很精，但只局限于所面向的领域，针对性强事实上，人类专 家也都只是某一方面的专家，在某一方面有独到之处，否则他就不能称为。专家”了。另外，正是由 于专家系统是面向具体领域的，才使得它能抓住领域内问题的共性和本质，使系统有较高的可信度与 效率。( 2 ) 能进行有效的推理专家系统的根本任务是求解领域内的现实问题。问题的求解过程是 一个思维过程，即推理过程这就要求专家系统具有相应的推理机构，能根据用户提供的已知事实， 通过运用掌握的知识，进行有效的推理，以实现对故障的诊断。对不同的专家系统，其推理机制也不 尽相同，有的只要求进行精确推理，有的则要求进行不确定性推理，不完全推理以及试探性推理等， 需要根据问题领域的特点分别进行设计，以保证问题求解的有效性。知识表示、推理及搜索策略都可 在专家系统中得到应用。( 3 ) 具有获取知识的能力。专家系统的基础是知识。为了得到知识就必须 具有获取知识的能力遗憾的是目前专家系统在这方面的能力还比较弱，当前应用较多的是建立知识 编辑器，知识工程师或领域专家通过知识编辑器把领域知识“传授”给专家系统，以便建立起知识库 一些高级专家系统目前正在建立一些自动获取工具，使得系统自身具有学习能力，能从系统运行的实 践中不断总结出新的知识，使知识库中的知识越来越丰富、完善。( 4 ) 具有灵活性。在绝大多数专 家系统中都采用了知识库与推理机构相分离的构造原则，彼此互相独立这就使得知识的更新和扩充 比较方便，不会因某一部分的变动而牵动全局。系统运行时，推理机构可根据具体问题的不同特点选 取不同的知识构成求解序列具有较强的适应性。( 5 ) 具有透明性。人们在应用专家系统求解问题 时，不仅希望得到正确的解答，而且还希望知道给出该解答的依据，即希望说明“为什么是这样? ”、 9 东南大学硕士学位论文 “是怎么得出来的? ”等。为此，专家系统都设置了解释机构，用于向用户解释它的行为动机及得出 某些答案的推理过程。( 6 ) 具有交互性。专家系统一般是交互式系统。一方面它需要领域专家或知 识工程师对话获取知识，另一方面它也需要与使用它的用户对话以索取证据或回答用户提出的问题。 专家系统的这一特征为用户提供了方便，亦是它得到广泛应用的原因之一。( 7 ) 具有一定的复杂性 与难度。专家系统区别于常规程序的一个重要标志是它能运用专家的知识进行推理，能从一种判断推 出另一种判断，不断向目标逼近。人类的知识，特别是经验性的知识大多是不精确、不完全、边界模 糊的，很难用一个数学模型精确地描述出来，这就为知识的表示和利用带来了困难。另外，专家系统 所求解的问题是结构不良且难度较大的问题，不存在确定的求解方法和求解路径。这就从客观上造成 了建造专家系统的困难性和复杂性。 图2 - 1 ：专家系统的一般结 通常专家系统的基本结构如图2 - 1 所示。从图中可以了解到专家系统一整套的流程，计算机( 主要 部件) 将专家提供的经验和知识经过一定的处理收入到知识库中，推理机则采用某种推理算法进行闯 题的解答，咨询解释器将结果提供给用户；反过来，咨询解释器也可将用户的疑问转化推理机所能理 解的语言。反馈到知识库。知识获取与知识表示、知识运用是建造个专家系统的三个关键技术。知 识表示是解决知识的存在形式问题，知识运用是解决知识的操作运行问题，而知识获取则是解决知识 的来源问题。知识获取是研究如何从知识源去获得本专家系统解决某特定问题需要的各种知识。知识 源即知识的来源，可以是专家或技术人员。也可以是书本、资料，也可以是许多实际试验数据与事例 等等。知识获取不象知识表示、知识运用有多种理论技术，往往不被人们重视。实际上。它是建立专 家系统十分重要而又相当困难的环节。它往往关系到专家系统成败的关键。专家系统具体各个结构详 细功能如下：( 1 ) 知识库：用于存取和管理所获取的专家知识和经验，供推理机利用。具有知识存储、 1 0 第二章基于案例的推理( c b r ) 方法 检索、编捧、增删、修改和扩充等功能。( 2 ) 推理机：用于利用知识进行推理，求解专门问题，具有 启发推理、算法推理、正向反向或双向推理、串行或并行推理等功能。( 3 ) 咨询解释器：用于作为专 家系统与用户之问的。人一机”接口，其功能是向用户解释系统的行为，包括咨询理解和结论解释。 咨询理解即对用户咨询的提问进行“理解”。将用户输入的提问及有关事实，数据和条件，转换为推 理机可接受的信息；结论解释即向用户输出结论或答案，并且根据用户需要对推理过程进行解释，给 出结论的可信度估计为完成以上工作，通常要利用数据库中的中间结果、中间假设和知识库中的知 识。( 4 ) 知识获取手段：这是专家系统与专家的“界面”，一般通过“人工移植”的方法获取知识 。界面”就是知识工程师，采用。专家面谈”，。口语记录分析”等方式获取知识，经过整理后，再 输入知识库中。此外，还可用“限定性”自然语言( 非口语) 的。入机” 交互系统，通过键盘和显示器与专家“对话。以获取知识。 2 2 基于案例的推理技术简介 根据认知心理学的研究，通过以往的经验类比解决当前的问题是人类经常使用的有效地求解问题 的方式，以往求解具体问题的特定场景在问题求解过程中起着非常重要的作用。传统的人工智能( a i ) 方法通过抽象过去的设计经验，以共性知识的形式解决问题，但是对于比较复杂的应用领域，由于知 识的获取十分困难，实际应用中受到很大的限制。为了提高问题求解的效率，使系统的运行更加接近 于人类的思维过程，提出了基于案例的推理( c a s e - b a s e dr e a s o n i n g ，c b r ) 技术基于案例的推理是 新崛起的一种重要的推理技术。其核心思想是：在进行问题求解时，使用以前的类似经验来进行推理， 不必从头作起。c b r 方法解决问题的思路是通过研究、修改以往类似问题的成功解决方案来解决当前 问题。即系统解决问题时，把待求解问题与系统中己经存在的案例进行比较。找出与待求解问题最为 相似的案例，通过对相似案例的分析、修改，从而得到解决新问题的办法、模型，或使决策者从案例 中得到启发、灵感，从而建立起解决当前问题的思路。当前问题一旦解决，对待求问题的描述、解决 方法及最后结果又可以作为一个案例存储在c b r 系统中，为下次解