（通信与信息系统专业论文）具有Ilt2gtC总线的家电诊断专家系统.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 近几年来，i2 c 总线以其独特的优点，已获得了众多商家的青睐，并广泛应用于 高档电视机，电话机，音响，摄像机系统中。而目前关于i n c 总线设备的维修资料与 经验多而杂，不便于维修人员查找；为了帮助维修人员减轻工作负担，并且更好的 掌握i 总线及维修经验，我们致力予开发1 2 c 总线故障诊断系统。夕一 本系统将人工智能与专家系统知识应用到故障诊断领域中，为设备故障诊断的 智能化提供了可能，诊断过程以知识处理和知识推理为核心。本系统的开发包括软 件和硬件两部分。软件部分完成人机交互，知识库建立，知识获取，诊断推理，解 释机制等功能；硬件部分完成数据的采集，对设备的监测，对设备的读写等功能。 本文首先介绍了i 总线的结构和工作原理：其次讲述了智能化诊断专家系统的 理论知识，重点介绍了知识获取的几种方法：然后提出本系统的开发策略，即各个 模块要完成的任务，并分析了智能化诊断专家系统的理论知识在本系统的各个模块 ， 中的实现方法，在知识获取模块中详细地介绍了深浅知识混合使用的诊断策略。接 下来是系统的具体实现部分，它根据系统的详细设计选择开发平台和开发工具，完 成硬件电路板的设计，数据采集等内容。最后一部分介绍了与本系统相关的子系统 的开发旧括多媒体教学软件的开发和虚拟示波器的研制，这两个系统对本系统的 功能有辅助性作用。? ，p 一 ， 关键诃：i ：c 总线；故障诊断莲煎；人工智能；专家系统；笾蔓壅蓼；数据采集 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，1 2 c b u sh a sb e e na p p l i e di nt h eb u s i n e s so ft o pg r a d et e l e v i s i o n s ， t e l e p h o n e s ，a c o u s t i c sa n dv i d i c o n sd u et o i t s u n i q u ea d v a n t a g e s h o w e v e r ，m a i n t e n a n c e i n f o r m a t i o na n de x p e r i e n c e so f1 2 c b u sd e v i c e sa r ee x t e n s i v ea n di nad i s o r d e rs ot h a ti ti s r a t h e rd i f f i c u l tf o rm a i n t e n a n c em e nt ol o o ku pi n f o r m a t i o n f o rt h es a k eo fh e l p i n g m a i n t e n a n c em e na n dl i g h t e n i n gt h e i rw o r kb u r d e na n dq u i c k l yg r i p p i n gm a i n t e n a n c e i n f o r m a t i o n ，w ee n g a g ei nt h ed e v e l o p m e n t o f l 2 c b u sf a u l td i a g n o s i s s y s t e m a r t i f i c i a li n t e l l i g e n c ea n d e x p e r ts y s t e m sa r ea p p l i e di nf a u l td i a g n o s i so f t h es y s t e m ， w h i c hm a k e si n t e l l i g e n td i a g n o s i sm e t h o d sf o rd e v i c e sp o s s i b l e t h es y s t e mi sb a s e do n k n o w l e d g ep r o c e s s i n ga n dk n o w l e d g er e a s o n i n g i ti sd i v i d e di n t os o f t w a r ed e v e l o p m e n t a n dh a r d w a r ed e v e l o p m e n t s o f t w a r ed e v e l o p m e n ti n c l u d e sm a n m a c h i n ei n t e r a c t i o n ，t h e e s t a b l i s h m e n to fr e p o s i t o r y ，k n o w l e d g ea c q u i r i n g ，d i a g n o s i sr e a s o n i n ga n de x p l a i n i n g t h eh a r d w a r eo n ei n c l u d e sd a t ac o l l e c t i o n ，d e v i c ei n s p e c t i o n ，r e a d i n ga n dw r i t i n go f d e v i c e s f i r s t l y ，t h e s t r u c t u r ea n d w o r k i n gt h e o r y o f1 2 c b u sa r e i n t r o d u c e d s e c o n d l y i n t e l l i g e n td i a g n o s i se x p e r ts y s t e m sa r er e v i e w e d ，e s p e c i a l l ys e v e r a lm e a n s o f k n o w l e d g e a c q u i r i n g t h i r d l y ，t h ed e v e l o p i n gs t r a t e g i e so f t h es y s t e m ，t h et a s k si ne v e r ym o d u l e ，a r ep u t f o r w a r d t h e nt h er e a l i z a t i o nm e t h o d so fi n t e l l i g e n td i a g n o s i se x p e r ts y s t e m si nt h e s e s m o d u l e sa r eg i v e n a n dt h ed i a g n o s i sp a t t e r n sb a s e do ns h a l l o wk n o w l e d g ea n dd e e p k n o w l e d g e a r ea l s oa p p l i e di nt h em o d u l e o f k n o w l e d g ea c q u i r i n g f o u r t h l y ，t h ei m p l e m e n t a t i o n b l o c ki sg i v e n i tf u l f i l st h ed e s i g no f h a r d w a r ec i r c u i t r y b r o a da n dd a t ac o l l e c t i o n ，a n dt h es y s t e mp l a t f o r ma n dt o o l sa r es e l e c t e da c c o r d i n gt ot h e r e q u i r e m e n to f t h ed e t a i l e ds y s t e md e s i g n f i n a l l y ，t h ed e v e l o p m e n to fm u l t i m e d i at e a c h i n gs o f t w a r ea n dv i r t u a lo s c i l l o g r a p h a r ei n t r o d u c e d w h i c ha s s i s t st h es y s t e mf u n c t i o n s k e yw o r d s ：1 2 c b u s ；f a u l td i a g n o s i ss y s t e m ；a r t i f i 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 m s ； d a t ac o l l e c t i o n 华中科技大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 设备故障诊断的现状 i 殳备诊断技术是- f l 多学科交叉的信息技术，是实现维修制度改革，变定期预防 维修为视情预知维修的根本手段，是实现设备现代化管理的必要前提。国内从“六五” 到“八五”期间研究开发了不少监测与诊断系统，可靠性是这些系统的关键性问题 诊断系统的智能化是诊断技术发展的一个重要趋势，模糊诊断、专家系统、神经网络 等智能诊断技术仍将是今后研究的重点。 号家系统是人工智能的一个重要分支，是a i 领域中发展最成熟，应用最广泛的技 术；但是专家系统发展至今，在知识获取、推理、自学习等方面遇到了本身难以解决 的困难和问题。近些年来，为了克服这些困难与问题，在传统的a i 技术方面进步甚小， 而诸如模糊技术、神经网络技术、面向对象技术、数据库系统和遗传基因算法等的 蓬勃发展为解决传统系统存在的问题和困难带来了希望。将专家系统和这些相关的 智能技术结合起来研究开发复合式系统是当前重要的研究领域，也是今后一个重要 的发展方向。在这些相关的智能技术当中，面向对象的诊断方法和深浅知识混合使用 的技术以其独特的优势倍受家电维修领域的关注。 i 。21 2 c 总线设备故障诊断的意义 i 总线的中文译名为集成电路间总线或集成电路内部控制总线，它最早应用于 计算机领域。近年来随着微电脑技术的迅速发展和半导体芯片制作成本的不断下降 i ；c 总线系统亦得到了广泛的应用，1 2 c 总线系统应用于电视系统及许多高档音像设备 和智能化仪器中。 i ? c 总线采用一根数据线( s d a ) 和一根时钟线( s c l ) ，通过微处理器( m p u ) 向被控集 成电路内的i2 c 总线发送数据，接收器接收数据，进行双向串行多重主控。主控m p u 、 i _ c 总线和被控对象总称为12 c 总线系统。i 总线不但省掉了控制系统中的许多i 0 华中科技大学硕士学位论文 l l ：= = = ；= = = ；= = ；l = ；目= _ _ 目= = l = = = = = = = = = 接口、集成电路引出脚、印制板的走线和连线，取消了外部接口、地址译码器以及有 关的附加电路( 例如由微调电阻或机械开关组成的多种调节或切换电路等) ，而且使 集成电路各功能块的增减、替换、调整变得十分灵活，提高了设计的主动性和灵活性， 简化了系统，便于生产、测试、调整和维修，从而降低了设计和生产成本f ，为设备向 高性能、多功能的方向发展提供了条件。所以，目前比较高档的电视机均采用了i 2 c 总线控制方式。 由于i2 c 总线越来越多的应用于各种各样的设备和系统中，所以1 2 c 总线的维修日 益得到维修界的重视。另一方面，存在具有i2 c 总线的设备繁多，维修人员所拥有的 技术资料贫乏，经验不足，技术力量不够等诸多的问题，所以对i 总线设备的维修 还存在困难。 智能化i2 c 总线故障诊断专家系统正是为了解决这一问题，将人工智能和专家系 统引入到这一维修领域中，它将作为一种有效的辅助诊断工具，利用科学的诊断方 法将目前存在的绝大多数1 2 c 总线设备的维修经验及技术系统的提供给维修人员，帮 助广大维修人员迅速提高i 总线设备维修水平和工作效率。 1 3 论文内容安排 论文在第二章介绍了1 2 c 总线的结构和工作原理；第三章讲述了智能化诊断专家 系统的理论知识，重点介绍了知识获取的几种方法；第四章提出本系统的开发策略， 即各个模块要完成的任务，并分析了智能化诊断专家系统的理论知识在本系统的各 个模块中的实现方法，第五章是系统的详细实现部分，它根据系统的详细设计选择 开发平台和开发工具，完成硬件电路板的设计，数据采集等内容。最后一部分介绍 了与本系统相关的子系统的开发，包括多媒体教学软件的开发和虚拟示波器的研制。 1 4 本章小结 本章首先阐述了设备故障诊断的现状：其次讲述了i 总线的优点和应用领域 并分析了智能化i2 c 总线故障诊断专家系统开发的必要性及产生的良好的社会效益 最后对本论文的内容安排作了介绍。 华中科技大学硕士学位论文 21 2 c 总线的基本原理 2 11 2 c 总线的一般应用特性 在i2 c 总线系统中，1 2 c 总线的串行数据传送与一般的串行数据传送无论从接口电 气持性、传送状态管理以及程序编制特点都有很大不同，了解这些特点十分重要【3 j 。 1 ) 二线传输。i2 c 总线上所有的节点，如主器件( 单片机、微处理器) 、外围器件、 接口模块等都连到同名端的s d a 、s c l 上。 2 ) 系统中有多个主器件时，这些器件都可作总线的主控制器，1 2 c 总线工作时任 何一个主器件都可成为主控制器，多机竞争时的时钟同步与总线仲裁都由硬件与标 准软件模块自动完成，无须用户介入。 3 ) v c 总线传输时，采用状态码的管理方法。对应于总线数据传输时的任何一种 状态，在状态寄存器中会出现相应的状态码，并且会自动进入相应的状态处理程序 中进行自动处理，无须用户介入，用户只须将p h i li p s 公司提供的标准状态处理程序 装入程序存储器一定的空间即可。 4 ) 系统中所有外围器件及模块采用器件地址及引脚地址的编址方法。系统中主 控制器对任何节点的寻址采用纯软件寻址方法，避免了片选线的线连接方法。系统 中若有地址编码冲突可通过改变地址引脚的电平设置来解决。 j ) 所有带i 接口的外围器件都具有应答功能。片内有多个单元地址时，数据读、 写时都有地址自动加1 功能。这样，在i2 c 总线对某一器件读写多个字节时很容易实现 自动操作，即准备好读、写入口条件后，只须启动i2 c 总线就可自动完成n 个字节的读、 写操作。 6 ) i 总线电气接口为开漏晶体管组成，开路输如没有连到电源的钳位二极管， 而连到i 总线的每个器件上，其自身的电源可以独立( 但须共地) ，总线上各个节点 可在系统带电情况下接入或撤出。 华中科技大学硕士学位论文 2 21 2 c 总线的信号及时序定义 在i ：c 总线上每传输一位数据都有一个时钟脉冲相对应，其逻辑0 和“l ”的信号 电平取决于该节点的正端电源v d d 的电压。 2 - 2 1总线上数据的有效睫 2 c 总线数据传输时，在时钟线高电平期间数据线上必须保持有稳定的逻辑电平 状态，高电平为数据l ，低电平为数据0 。只有在时钟线为低电平时，才允许数据线上 的电平状态变化。如图2 一l 所示。 图2 11 2 c 总线数据位传送 ：! ! l 一 i 7一 22 2 总线数据传送的起始与停止 r 总线数据传送时有两种时序状态被分别定义为起始信号和终止信号，如图2 2 所示1 4 】。 s d a弋： 一一弋：产 i1 一一1 i s c l * 厂一、卅 ii il 起始信号 一 终止信号 图2 - 21 2 c 总线起始信号与停止信号 起始信号：在时钟线保持高电平期间，数据线出现由高电平向低电平变化时启 动i ? c 总线，为i 总线的起始信号。 华中科技大学硕士学位论文 终止信号：在时钟线保持高电平期间，数据线上出现由低到高的电平变化时将 停止i ! c 总线的数据传送，为i 总线的终止信号。 起始信号与终止信号都是由主控制器产生。总线上带有i2 c 总线接口的器件很容 易检测到这些信号。但是对于不具备这些硬件接口的一些单片机来说，为了能准确 地检测到这些信号，必须保证在总线的一个时钟周期内对数据线至少进行两次采样。 2 31 2 c 总线上的数据传送格式 23 1 1 2 c 总线上的数据传送 iz c 总线上传送的每一个字节均为8 位，但每启动一次1 2 c 总线，其后的数据传输 字节数是没有限制的。每传送一个字节后都必须跟随一个应答位，并且首先发送的 数据位为最高位，在全部数据传送结束后主控制器发送终止信号，如图2 3 所示。 s c l s d a 起始信号 接受器传出确认信号 接受器传出确认信号终止信号 图2 - 31 2 c 总线上的数据传送 2 3 2 数据传送时的总线控制 从上图中可以看到，没有时钟信号时数据传送将停止进行，接口的线与特征将 使s c l 在低电平时钳住总线。这种情况可以用于当接收器接收到一个字节数据后要进 行一些其它工作而无法立即接收下个数据时，迫使总线进入等待状态，直到接收器 准昌好接收新数据时，接收器再释放时钟线使数据传送得以继续下常进行。例如， 当接收器接收完主控制器的一个字节数据后，产生中断信号并进行中断处理，中断 5 华中科技大学硕士学位论文 处理完毕才能接收下一个字节数据，这时接收器在中断处理时将钳住s c l 为低电平直 到中断处理完毕才释放s c l 。 ! - 3 3 应答信号 f c 总线数据传送时，每传送个字节数据后都必须有应答信号，与应答信号相 对应的时钟由主控器产生，这时，发送器必须在这一时钟位上释放数据线使其处于 高电平状态，以便接收器在这一位上送出应答信号，如图2 4 所示。 应答信号在第9 个时钟位上出现，接收器输出低电平为应答信号( a ) ，输出高电 子则为非应答信号( a ) 。 由于某种原因，被控器不产生应答时如被控器正在进行其它处理而无法接收总 线上的数据时，必须释放总线，将数据线置高电平，然后主控器可通过产生一个停 止信号来终止总线数据传输。 当主控器接收数据时，接收到最后一个数据字节后，必须绘被控发送器发送一 个非| 立答位( a ) ，使被控发送器释放数据线，以便主控制发送停止信号，从而终止数 据传送。 一 用于应答信号 【l的时钟脉冲+ 主控器的 一 、 时钟输出 一 1 、一 2 、，8 9 、一 非应答。 从接受器的十一i 一一一二l 一 数据输出 jt一一7 应譬 从发送器的 教据输出 t 】，、 起始信号 - 。+ 。一1 。一 _x j r 一一 图2 - 41 2 c 总线上的应答信号 23 4 数据传送格式 i ：c 总线数据传输时必须遵循规定的数据传送格式，按照总线规约，起始信号表 华中科技大学硕士学位论文 埘一次数据传送的开始，其后为寻址字节，寻址字节由高7 值地址和最低i 位方向位 组成，方向位表明主控器与被控器数据传送方向，方问位为0 时表明主控器对被控 器的写操作，为“l ”时表明主控器对被控器的读操作。在寻址字节后是按指定读、写 操作的数据字节与应答位。在数据传送完成后主控器都必须发送停止信号。 总线上的数据传输有许多读、写组合方式。下面以简化的图解方式介绍两类数 据传送格式。 1 ) 主控器的写操作。主控器向被寻址的被控器发送n 个数据字节，整个传输过程 “j 数据传送方向不变。其数据传送格式如下： 有阴影区域：主控器发送，被控器接收 无阴影区域：主控器接收、被控器发送 a ：应答信号 a ：非应答信号 s ：起始信号 p ：停止信号 s l a w ：寻址字节( 写) d a t a l d a t a n ：写入被控器的n 个数据字节 2 ) 主控器的读操作。主控器从被控器中读出n 个字节的操作，整个传输过程中除寻 址字节外，都是被控器发送，主控器接收的过程。数据传送格式如下： 其中s l a r ：寻址字节( 读) d a t a l d a t a n ：被主控器读出的n 个字节 主控器发送停止信号前应发送非应答位，向被控器表明读操作结束。 从上述数据传送格式可以看出： i ) 无论何种方式起始、停止，寻址字节都由主控器发送，数据字节的传送方向 则遵循寻址字节中方向位的规定。 ：) 寻址字节只表明器件地址及传送方向，器件内部的n 个数掘地址由器件设汁者 华中科技大学硕士学位论文 在该器件的i 总线数据操作格式中指定第一个数据字节作为器件内的单元地址 t s u b a d r ) 数据，并且设置地址自动加减功能，以减少单元地址寻址操作。 3 ) 每个字节传送都必须有应答信号( a 或a ) 相随。 4 ) i 总线被控器在接收到起始信号后都必须复位它们的总线逻辑，以便对将要 ，r 始的被控器地址的传送进行预处理。 2 41 2 c 总线的寻址约定 为了消除i2 c 总线系统中主控器与被控器的地址选择线，最大限度地简化总线连 接线，i2 c 总线采用了独特盼寻址约定，规定了起始信号后的第一个字节为寻址字节， 用来寻址被控器件，并规定数据的传送方向。 在i2 c 总线标准规约中，寻址字节由被控器的七位地址位( 它占据了d 7 一d 1 位) 和一 位方向位( 为d 0 位) 组成。方向位为0 时表示主控器将数据写入被控器，为l 时则表示 主控器从被控器读取数据。 主控器发送起始信号后，立即发送寻址字节，这时，总线上的所有器件都将寻 址字节中的7 位地址与自己器件地址相比较。如果两者相同，则该器件认为被主控器 寻址，并根据读、写位确定是被控发送器或被控接收器。 i 总线系统中，主器件作为被控器时，其7 位从地址在i ：c 总线地址寄存器中给 定，为纯软件地址。而非单片机类型的外围器件地址完全由器件类型与引脚电平给 定，即器件的7 位地址由器件编号地址( 高4 位w d 4 ) 和引脚地址( 低3 位d 3 一d 7 ) 组成， 如8 位i o 扩展器件p c f 8 5 7 4 其器件编号地址为0 1 1 l ，引脚地址为a 2 、a 1 、a 0 。如果在 ic 总线系统中p c f s 5 7 4 地址引脚a 2 、a l 、a o 皆接地，则该器件的寻址字节为s l a w = 7 0 h ， s 【a r = 7 1 h 。i 总线上同一编号地址器件最大允许接入数量取决于可利用的地址引脚 数。 2 5 本章小结 本章介绍了i 总线的相关知识，包括iz c 总线的一般应用特征，i 总线的信 号及时序定义，i 总线的数据传输格式和i ? c 总线的寻址约定。这些知识使用户对 【c 总线有一个大致的了解，在解读后面章节的相关内容时容易理解。 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = = t = = = = = ；= = = = = = = = = = = = = = ；= = ；= = = = = = = ；= = = = ；= ；h = = ；= = # = = ；= = # = = ；= = = = = = = = = = = = = 4 3 故障智能诊断专家系统综述 3 1 专家系统简介 31 1 专家系统的概念 专家系统是人工智能学科中最活跃，取得成果最多的一个领域。作为一门发展 中的学科，目前对专家系统还没有确切的定义，但从计算机软件的角度可以简单的 说专家系统是一类计算机程序，当它运行时，能够像人类专家那样解决有关领域的 专业问题i s l 。 在人工智能研究的早期，人f r 曾经认为几条通用的推理规则再加上强大的计算 能力就能实现对领域问题的求解，但深入的研究发现人类专家除了运用一般性的逻 辑思维外，更重要的是依靠他们掌握的大量的专门领域的知识与专家们的经验规则。 因此专家系统也必须依赖于经过形式化和结构化的领域知识来解决领域问题。从这 个意义上，又可以把专家系统定义为由一个专门领域的知识库，以及一个能获取和 运用知识的机构所组成的个问题求解程序系统 9 1 。 专家系统与一般智能程序( 例如象棋程序) 的区别也就在于从结构上说存放领 域知识的知识库与运用知识的机构之间是相互独立的。“知识就是力量”，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运用知识的水平。 因此，目前人们认为专家系统实际上就是知识工程。 3 i2 专家系统的组织结构 专家系统通常由六个模块组成：知识库、推理机、综合数据库、人机接口、解 释程序和知识获取程序( 如图2 1 所示) 。 人机接口负责专家系统的使用者与系统的信息交互。一个专家系统实际上有两 类使用者，也有不同的接口。一个使用者是领域专家和知识工程师，他们使用一个 接f 1 进行知识库的输入和修改工作；另一个使用者是最终的用户，他们通过另一个 华中科技大学硕士学位论文 接口来解决问题。人机接口的设计与一般应用软件的界面设计是类似的，应力求直 观友好，易操作。 知识库只存放不依赖于具体问题的领域问题求解所需的知识。知识的表达方式 和知识库的组织结构是设计知识库的主要内容。知识表达方式应简单易懂并能清晰、 明确地表达专家的知识。知识库的组织结构应能增强其模块性，以利于知识的增删 修改等知识库维护工作的进行。 知识获取程序负责根据需要修改、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。它使知识库中的有关知识表达、组织结构 等问题透明化，提高系统的可扩展性。 知识库、知识获取程序和专家部分的人机接口通常被称为系统的专家部分。推 理机负责使用知识库中的知识去解决实际问题。它的设计与知识库的设计以及领域 特点密切相关。它必须能充分有效地运用知识库中的知识进行问题求解，同时应能 使推理机的实现与知识的具体内容无关。采用纯粹的形式推理会导致问题求解的低 效率，因此专家系统经常使用一些与领域有关的专门策略来进行推理，以提高效率。 用户专家 图3 - 1专家系统的组成 综合数据库用于存放系统运行中的临时信息。它可以采用多个相互关联的关系 数据表来组成，其设计的目的和方法与一般包含数据库操作的程序相似，应能实现 数据搜索的高效和数据操作的可靠性。 解释程序负责回答用户在使用系统的过程中提出的与系统运行有关或与系统本 华中科技大学硕士学位论文 身有关的某些问题。解释程序不是系统的必要组成，因为它与解决领域的实际问题 没有赢接关系，但它让用户了解系统内部的运行状况和原理，从而提高用户对系统 的信赖度。 推理机、综合数据库、解释程序和用户部分的人机接口通常被称为系统的用户部 分。 应该指出，专家系统目前尚未发展出成熟的工程规范，上述的组织结构知识实现 的方案之一。设计者应根据领域的特点和知识表达与运用的方式来灵活设计最合适 的结构方式。 3 2 故障智能诊断系统知识获取和知识表示方法 入工智能在故障诊断领域中的应用，实现了基于人类专家经验知识的设备故障 诊断技术，并将其提高到智能化诊断水平。智能诊断是故障诊断领域的前沿学科之 一1 ，目前正处于研究热点之中。 知识是人类通过实践认识的客观世界的规律性的东西，是信息经过加工、整理、 解释、挑选和改造而形成的。对于一个故障诊断系统而言，它具有与诊断问题有关 的各种不同的基础知识，专家在处理实际的问题过程中积累起来的经验知识等。各 种类型知识是从经验知识到常识知识这一连续统一体的一个简单的划分。专家知识 的组成与分类是当前知识工程领域的一项重要的研究课题”。 渗断知识的获取、表示和组织是建造故障智能诊断系统知识库最基本的过程， 也是故障智能诊断系统的中心研究课题，在诊断系统的开发和研制中占有极其重要 的作用。为了丰富完善系统的知识库，应采取多种获取方法。而知识表示的方法直 接影响着知识的运用即知识的推理，也影响着知识的获取。一般来说，任何一个给 定问题都有许多等价的知识表示方法，但它们可能产生完全不同的效果。合适的表 示方法将是诊断问题明确，推理机制简单，从而使诊断问题更容易解决。 3 2 i故障智能诊断系统中的深浅知识混合使用的表示方法 浅知识是领域专家对诊断对象低层次的认识，它不仅隐含着领域专家对被诊断 华中科技大学硕士学位论文 系统的控制准则，而且也隐含着领域专家自身的行为规范，也可以说浅知识表征了 领域专家求解诊断问题的方法与方式。由此可见，浅知识既有其客观性，也有其主 观性。就故障诊断而言，一方面，浅知识的综合性和高度概括性是求解诊断问题的 效率获得了提高；另一方面，由于浅知识对诊断对象的结构和功能缺乏明确地描述， 从而使基于浅知识的故障诊断系统对诊断对象缺乏透彻的理解，最终导致诊断行为 的“退化”。具体表现为：诊断系统不能有效地给出诊断结果的圆满解释，对诊断本 源的追溯有时不能穷尽。鉴于以上原因，基于浅知识的故障诊断系统的应用与发展 受到了限制。但是，基于浅知识的故障诊断系统有许多独特的优点，如诊断知识表 达直观、形式单一、模块性强、推理机制简单等，给开发系统研制者带来了很大的 方便。 深知识是指描述诊断对象结构、功能等更深一层次的有关诊断对象内在联系的 知识，它表达了诊断对象的内在规律，如诊断对象的结构等，因此甚至是对其所描 述的对象有着强烈的依赖性。基于深知识的故障诊断系统大大改善了诊断系统的解 释能力，提高了诊断系统的溯本求源的本领，使得诊断问题的求解更精确。但是， 基于深知识的故障诊断系统的适应能力较低，可塑性较差，导致了其开发与利用的 困难。 事实上，一个领域专家在求解诊断问题的过程中，并不是孤立的单独使用深知 洪或浅知识，不仅二者没有严格的界限，而且被有机的结合起来，互相补充，灵活 运用柬完成诊断任务。在一般情况下，领域专家总是在某层次性线索的诱导下， 优先使用浅知识，找到问题的近似解，因为这种知识一般能提供快捷有效的解决问 题的方法。然后使用对诊断对象具体描述的深知识，获得诊断问题的精确解。显然， 这是一种有效、合理的知识使用方法，充分利用了二种方法各自的优势，避免了各 自的弱点，使问题求解的过程既快捷又清晰。目前，关于如何在一个故障智能诊断 系统中同时合理地使用这两种知识问题研究引起了研究者们极大的兴趣。 3 2 2 故障智能诊断系统知识的获取方法及一般模型 有效的知识获取和学习机能是保证智能诊断系统的性能的重要因素。对于复杂 华中科技大学硕士学位论文 设备的智能诊断系统，若要使其具有较强的解决实际问题的能力，就必须同时具备 三种获取知识的方式，这里分别称之为直接获取方式，交互获取方式和学习获取方 式。 在给出复杂设备故障智能系统知识获取的一般模型之前，先给出智能诊断系统 中知识获取的定义。 定义故障智能诊断系统中的知识获取是指系统通过历史文献，人机交互和机 器学习等方式从外晃环境获取知识的过程。 根据以上定义，提出故障智能诊断系统中的知识获取的一般模型，如图3 - 2 所示。 对于提出的三种知识获取方式作如下解释。 直接获取方式是指诊断系统通过归纳程序或文本理解程序从系统历史状态数据 库，文本文献资料等获取知识的方法。这种方法简单易行，不需人工干扰。 交互获取方法是指专家通过知识工程师或系统提供的智能编辑程序与诊断系统 建立联系，专家提供解决问题的经验，有关诊断对象的理论知识以及应用实例等， 并用某种方式表达出来，“传授”给诊断系统。这是目前较为成熟和普遍使用的方法。 学习获取方式是系统本身具有从经验和现有知识中学习的能力，以便能经常总 结经验和规律、修正错误、增长知识，从而丰富自己的知识库，适应环境的变化和 事物发展的需要。只有这样才能达到或接近专家的诊断水平。 诊断知识的获取方法受到许多的因素的制约，对于具体的诊断对象应制定具体 的知识获取策略。 专家一。- 知识工程- 一一 专家一- 智能编辑 数据 一一一归纳程序 文献，- 文本编辑 学 习 获 取 方 式 学习机制 外部环境 图3 2 故障智能诊断系统知识获取的一般模型 一+ 知识库 - i 交互获取方式 直接获取方式 华中科技大学硕士学位论文 3 3 故障智能诊断系统的诊断方法 与人工智能技术发展紧密相连的智能诊断的理论和方法主要有：基于规则的方 法、基于模型知识的方法、基于案例的方法等。这些方法虽各有特点和优势，但均 存在各自的局限性。 基于规则的诊断方法是根据被诊断系统的专家以往诊断的经验，将其归纳成规 则，并运用经验规则通过规则推理来进行故障诊断。该方法具有诊断过程简便、快 速等优点，由于该方法属于反演推理，因而不是一种确保唯一陛盼推理形式，存在 着知识获取瓶颈。此方法不适用于复杂系统或新的及未有经验的系统的故障诊断e 基于规则的方法对于诊断结论除了重复被采用的规则外，无法作出进一步解释，通 常只能诊断单个故障，难以诊断多重故障。 基于模型知识的诊断方法是运用被诊断系统的运行模型和故障模型，由模型获 得的预测形态和所测量观察的形态之间的差异，计算出被诊断系统的最小诊断。其 原理是先通过测量获取所观察的形态，后基于系统输入和所有组件的正常状态模型 获得预测形态，根据这2 神形态的差异a t m s ( a s s u m p t i o i lb a s e dt r u t hm a i n t e n a n c e s y s t e m ) 计算出最小冲突集，再由最小冲突集计算出最小诊断。最小诊断就是关于 故障元件的假设。基于模型的诊断方法具有不依赖被诊断系统的诊断训练例子和诊 断经验，因而适用于新的及未有经验的系统的故障诊断，能够诊断多重故障并能对 诊断结论进行解释。 基于案例推理c b r ( c a s eb a s e dr e a s o n i n g ) 能通过修订相似问题的成功结果来 求解新问题。它能通过将获取新知识作为案例来进行学习，不需详细的应用领域模 型。在c b r 中的主要技术包括：案例表达和索引、案例的检索、案例的修订、从失败 中学习。基于案例的诊断方法的原理是：对于所诊断的对象，根据其特征和症状从 案例库中检索出与该对象的诊断问题最相似匹配的案例，然后对该案例的诊断结果 进行修订作为该对象的诊断结果。基于案例的诊断方法适用于领域定理难以表示成 规则形式，而易表示成案例形式并且已积累丰富案例的领域( 如医学诊断) ，但它 也存在着局限性。传统的基于案例的诊断方法难以表示案例间的联系：对于大型案 例库案例检索十分费时，并且难以决定应选择哪些症状及它们的权重。基于案例的 华中科技大学硕士学位论文 ：= = 2 = ；= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = ! 诊断方法难以处理案例修订时的一致性检验( 特征变量间的约束关系) ，难以对诊 断结果加以解释。 在本系统中我们将根据实际情况选择合适的诊断方法，扬长避短，以方便和和 有效地服务用户。 3 4 本章小结 本章是本系统的理论基础，研究了与智能专家系统有关的知识a 首先简单介绍 了专家系统的基本概念及组成：接着探讨了深浅知识的混合获取及知识表示方法： 最后论述了几种故障智能诊断系统的诊断方法，如基于规则诊断方法、基于模型知 识的方法、基于案例的方法。 华中科技大学硕士学位论文 4 1 系统开发流程 4 系统概要设计分析 专家系统的设计同基于算法的传统软件设计在实现上的基本区别是：专家系统 的设计一般是渐增式，通过知识库由小到大地逐步扩充、改进，系统要不断地进行 验证、评价、专家认可，最终才能成为一个可交付使用的专家系统。由于专家系统 所处理、求解的领域专家的问题千差万别，因此建造专家系统很难给出一个完全统 一的规范化模式。依据软件工程的设计思想和专家系统的实践，我们将本系统的开 发大致分为六个阶段：系统需求分析、知识获取、总体设计、编程调试、测试完善、 系统维护等阶段，有些阶段还需要反复进行，如图4 1 所示。 薷泵芬薪算分丝 一；五i i 袁瓦曼辈。塑一 ， i 磊钎一帚棼奠 二i 。o - - 再调试 编程调试 一“? 二 ， 滴交凳善再剐连 一 ! 系统维护 图4 一l专家系统的开发步骤 1 ) 系统需求分析阶段 本阶段分析要求解的领域问题，在领域专家的协作下明确专家系统期望实现的 目标：确定参与系统研制的合作专家和知识源：在领域专家的指导下，通过各种知 识源的知识获取和领域专家的配合，对专家系统求解目标任务的主要概念、关系、 华中科技大学硕士学位论文 假设、存在的问题及难点等进行描述；选择合适的知识表示方法，把内容形式化表 达出来；设计推理机制，采用合理的诊断模型，并确定推理的控制方向等，上述这 五个方面是初步设计的大致内容。 2 ) 知识获取和总体设计阶段 此阶段进一步提出系统的详细设计要求，选择适当的系统平台、合适的程序设 计语言或专家系统开发工具，确定知识库的表现形式。对系统功能进行划分，明确 各模块之间的相互关系。 3 ) 编程调试和测试完善阶段 编程调试阶段把形式化表示的知识以专家系统求解目标的模块为单元，逐个单 元地把知识转换为适合程序设计语言或工具能接受的内部编码的形式，输入知识库。 在不断供给知识库新的知识的同时，要不断地对已有知识和新加入的知识的正确性 及协调性进行用例测试。当产生出可运行的专家系统雏形之后，让领域专家选择一 些有代表性的实验用例，在可能的情况下让领域专家用这些实验例子进行实际问题 的求解，通过实际例子的运行可能出现新的问题，比如人机接口的输入输出模块， 知识库中的知识不全或不精确等。 4 ) 系统维护阶段 经过一定时间的维护，领域专家和知识工程师都感觉满意时，可交付用户使用， 用户在使用中还可能发现问题，再进行修改调试，直到用户满意为止。 4 2 设计要求 本系统的设计要求就是要研制可实用化的i 总线故障诊断专家系统，主要诊断 对象是具有i2 c 总线的彩电、音响和录像机等设备。具体来说就是要满足以下几点： 1 ) 对大多数主流机型的故障应定位到元件级； 2 ) 对非主流机型至少应定位到部位级，并给出尽可能多的提示和参考意见； 3 ) 模块化设计，具有良好的可扩展性和可升级性： 4 ) 完备的辅助诊断手段，可提供包括电路图和元器件参数在内的技术资料： 5 ) 具备一定的自学习功能： 华中科技大学硕士学位论文 6 ) 优秀的人机接口界面，便于用户使用。 本系统的开发分为软件开发和硬件开发两部分，本章主要介绍其软件开发、硬 件丌发和软硬件接口的概要设计。 软件开发部分主要应用了智能化专家系统的理论及实践方法，其目的是方便用 户查找诊断经验，迅速、准确地给出诊断结论。硬件部分主要完成对设备的监测， 实时信息的提取等，目的是软件无法完成诊断任务时，采用此种方法有助于系统的 诊断。 下面将介绍软件、硬件开发策略。 4 3 软件开发策略 具有1 2 c 总线的彩电是i2 c 总线设备中最有代表性的种类，为简单起见，在下面 的论述中均以彩电为例。 根据对实际情况的分析，要达到设计要求，我们认为在该专家系统的设计中必须 着重考虑如下几个方面的问题： 1 ) i 总线彩电品种型号种类繁多，仅仅就本系统收集的彩电型号就有近几千 种，也就是说专家系统所面临的诊断对象是千差万别的，而这些诊断对象所表现出 的故障现象更是难以估计。由于诊断对象的不确定性和复杂性，使得建立一个通用 化的清晰故障诊断模型非常困难。 2 ) 由于机型多而复杂，专家诊断经验的数量极大，其表现形式一般是针对某个 或某类机型的某种故障的实际诊断过程的文字表述。这些诊断经验表达形式不是很 觇范，要把它们形式化后用于推理，或是从这些经验中提取出某种通用诊断规则， 将面临不少困难，同时工作量也很大。 为解决以上问题，我们考虑主要从三个方面着手解决以上问题： 1 ) 尽可能提高现有诊断经验的利用率，扩大它的适用范围： 2 ) 具各良好的自学习能力； 3 ) 建立一种合理有效的故障诊断模式来实现诊断推理过程。 为实现以上要求，软件开发分为四大模块的开发：人机接口模块、知识库和数 华中科技大学硕士学位论文 据库管理模块、诊断推理模块和诊断信息获取模块。 4 3 1 人机接口模块的开发 诊断系统建成以后，最终目的是要交给用户使用。如果人机接口的质量不高， 使用起来不方便，就不能被用户接受。所以本系统的人机接口力求朝着自然、友好、 灵活的方向发展。除了采用菜单的控制方式以外，还采用了多媒体技术和虚拟现实 技术在本故障智能诊断系统中的应用，在用户使用方面注重系统的交互性。 用户在使用本系统时，只需输入或选择故障现象，然后系统经过一系列的推理， 用户就可以根据系统的一步步指导提示来完成故障的定点查询和维修。用户接口的 开发方法应该是以用户评价为核心，周而复始的不断再设计和在评价的过程。如图 4 - 2 所示。 用户初始目标 j ： 一j _ 一一 藉求分析 一王一 f 确定界面需求 - 建立概念模式 否 否 是 工 用户接口定型 图4 2 人机接口的开发过程 432 知识库和数据库管理模块的开发 知识库和数据库管理模块的一股结构如图4 3 所示。该模块负责建立诊断系统工 作时所需的知识源。由于客观因素的制约，大量的知识获取工作不可能与知识库的 龛零 华中科技大学硕士学位论文 建立同步进行，因此应考虑系统知识不断输入和更新的问题。应为不同层次的用户 ( 领域专家、知识工程师、设备维修人员等) 设计一种较通用的诊断知识描述语言， 并为用户提供知识一致性等维护功能。 人机交互 数据库管理 数据库 ! 知识库管理 r 一 ! ， 一一 一致性检验一- 一知识库 图4 3 知识库与数据管理模块 4 - 3 3 诊断推理模块的开发 为适应复杂的渗断问题，故障诊断专家系统的诊断推理发展的方向之一是支持 多种推理机制，并允许专家参与推理的过程。虽然具有多推理机的诊断推理机构具 有一定的复杂性，但系统的解题方式灵活，求解能力强，易于形成面向特定任务的 诊断推理策略，能有效的使用各种诊断模型，使推理过程直观、透明、解释能力强。 下面详细地介绍几种诊断模型。 1 ) 集成诊断模式 在诊断专家系统中，目前常用的有几种模型，即深知识模型、浅知识模型和深 浅知识混合模型。在深浅知识混合模型中，按深浅知识的组织