核级部件智能CAD系统的工程规范标准知识库研究.doc

核级部件智能CAD系统的工程规范标准知识库研究包士毅 周羽 何树延（清华大学核能技术研究院，100084，北京）7摘要核级部件智能CAD系统是为提高设计效率和缩短设计周期，将人工智能技术和CAD技术引入到核级部件设计过程。为保证核级部件设计的合理性和标准性，核级部件的设计必须满足相关工程规范标准的要求和规定。本文研究了核级部件智能CAD系统的工程规范标准知识库知识表示的相关技术。本文分析了核级部件规范标准如ASME规范的编制特点及其规则表达方式；设计了符合核级部件规范标准的知识特点和设计要求的知识获取方法；根据不同知识表示方法的特点，分别采用数据表格、框架、产生式规则和着色网的形式表示，提出了能够表达工程规范标准复杂知识体系的面向对象的混合知识表示方法；并基于此知识表示方法给出了知识表示的实例。关键词: 核级部件，知识库，智能CAD，知识表示，着色网Research On Engineering Code/Standard Knowledge Base Of Nuclear Component Intelligent CAD SystemShiyi BAO, Yu ZHOU, Shuyan HE(Institute of Nuclear Energy Technology, Tsinghua University, 100084, Beijing)ABSTRACTNuclear component intelligent CAD system is researched for bettering design quality and efficiency and shortening design cycle by adopting the intelligent CAD technology into nuclear component design process. For ensuring rationality and standardization of the nuclear component design, nuclear component must satisfy the requirements and specifications of design engineering code/standard. Knowledge representation method of engineering code/standard knowledge base in the intelligent CAD system is studied in this paper.The rule expression of the ASME code, the main nuclear component design code/standard, is divided into three modes such as statement, list and graphic illustration by analyzing the organization characteristics and rules of the code. According to differences of knowledge features, knowledge of the ASME code is classified approximately into three main categories, such as illustrative knowledge, procedural knowledge, and Meta knowledge.An object-oriented hybrid knowledge representation method, which can ensure the correlation and relative independentability of the knowledge stored in the ASME code knowledge base by utilizing the object-orientation principles, is presented in the paper. The illustrative knowledge, procedural knowledge, and Meta knowledge are represented by list, frame, production rule and colored Petri net respectively for expressing the knowledge integrallty and exactly. Moreover, several illustrations in which knowledge is represented by this method are given in the paper. The method not only reserves merits of other four used representation methods, but also processes characteristics of object-oriented technology, especially knowledge reuse and expansion easily, so the method has good universality while it is used to represent the knowledge of other engineering codes/standards.KEYWORDS: Nuclear Component, Knowledge Base, Intelligent CAD, Knowledge Representation, Colored Petri Net1. 引 言核级设备的设计方法可以分为确定设计方法（Deterministic design method）和概率设计方法（Probabilistic design method）1，其中确定设计方法有根据设计准则的不同，可以分为按规范设计方法和分析法设计方法；其中分析法设计被应用于核级设备特别是重要设备如一级部件的设计。但是在分析法设计的过程中，目前存在着一系列的问题不仅影响着核级设备的设计合理性，甚至影响到核电厂的安全，同时影响了核电厂设计的经济性要求。为保证核电厂运行的安全性以及经济性，应该对核级设备分析法设计过程中存在的问题进行研究。首先为了保证核级设备的结构完整性，即保证反应堆运行的安全，各国都制定了相应的规范，规定了反应堆设备从设计、制造、安装、检验等过程的全面具体要求。核级设备的规范标准包含了多学科多专业的知识，对于正确学习掌握分析法设计相关的规范标准成为一个较大的工程，给合理运用规范带来了困难。目前分析法设计采用人工方式，对设计工程师和分析工程师提出了高要求不仅要对分析法设计的相关规范有全面、准确的理解和较深厚的理论功底，而且要具备丰富的工程实践经验的积累，一般的科研和工程专业设计人员较难达到这样的水平。这与分析法设计方法广泛的应用需求相矛盾，限制了分析法设计的应用及其运用效率。由于规范的复杂性难免造成设计工程师和分析工程师对规范理解的不一致，或是错误的理解和运用，不仅影响设计的合理性，甚至是设计的质量。如何能够方便学习掌握和合理运用复杂的核级设备的规范标准成为急需解决的一个研究课题。随着计算机技术的发展特别是人工智能技术的发展，已使设计评定由手工向智能化方向转化成为可能。智能CAD研究的展开，也为核级设备或部件的智能化，乃至工程设计的智能化成为一种发展趋势。因此，在核级设备或部件设计评定过程中引入计算机辅助技术和人工智能技术，使之与CAD/CAE技术相配合，使得核级设备设计的智能化（如图1所示），可以有效地缩短工程的设计周期，降低设计成本，提高设计质量。图1 核级设备设计智能CAD系统结构由于核级设备的特殊性，在设计过程核级设备和部件必须满足相关规范标准的要求，并且进行相应的计算评定，同时也决定了设计的质量，因此工程规范标准知识库的设计是核级部件智能CAD系统研制的关键。本文以ASME锅炉及压力容器规范第III卷核动力装置设备2为研究对象，着重介绍核级部件智能CAD系统的工程规范标准知识库中知识获取和表达方法。2. 工程规范标准各国制定的核级设备设计相关的工程类规范标准主要有美国ASME规范第III卷核动力装置设备、法国RCCM压水堆核岛机械设备设计和建造规则、我国的国家标准GB/T 167021996压水堆核电厂核岛机械设备设计规范和行业标准JB4732-95钢制压力容器分析法设计标准等。其中ASME锅炉及压力容器规范不仅是世界上一致公认的权威规范，也是当前世界上容器规范中规模最为庞大，内容最为丰富的规范。在现有的主要核级设备设计规范一般都以ASME规范作为参考，表1列出了RCCM规范与ASMEIII的对应关系。表1 RCCM规范与ASMEIII规范的对比在现有的主要核级设备设计规范具有相同或相似的知识体系和表示方式。同时，由于ASME规范的系统性和科学性已经成为各国普遍接受的规范，因此本文以ASME锅炉及压力容器规范第III卷核动力装置设备作为研究对象。2.1. ASME规范的规则表达特点ASME规范的规则表示形式可以分为以下三类：1) 语句ASME规范的主要表示形式采用语句的表示方法。如：“NB分卷的内容是建设一级设备在材料、设计、制造、检验、试验、超压保护、标记、打印以及证书持有者编写报告等方面所要求的规则。”“（2）螺纹必须是V型的，螺纹根部的最小半径不小于0.075。”ASME规范中的语句，必须是也一定是无歧义的和意思表达明确的。材 料 碳钢3.00.2370低合金钢2.00.2370马氏体不锈钢2.00.2370奥氏体不锈钢1.70.3425铬镍铁合金1.70.3425镍铜合金1.70.3425表2 NB3228.5(b)1各类许用材料的、和的值2) 表格表格是ASME规范中语句表示方法的重要补充，可以表示内容分类、各种标准数据等，采用表格可以使得内容表示清晰明了，且方便阅读和查询。如表NB3228.5(b)1各类许用材料的、和的值（如表2所示）。3) 图例对于ASME规范规定的标准结构和标准数据曲线，采用图例的方式表示，比任何语句更能说明结构的特征和数据变化的趋势。如图NB-3338.2(a)-2 接管尺寸（如图2所示）、图NB3332.2-1确定F值的图表（如图3所示）。图2 图NB-3338.2(a)-2 接管尺寸图3 图NB3332.2-1确定F值的图表2.2. ASME规范的知识分类按照知识层次的不同，ASME规范的知识大致可以分为四个种类，分别是事实类知识、概念类知识、过程类知识和控制类知识。2.2.1. 事实类知识ASME规范的事实类知识包括有表格、图、图例以及表示具体数据的文本语句等。如图2、图3、和表2所示。2.2.2. 概念类知识图4 一次应力的概念结构ASME规范的概念类知识主要包括了ASME规范中的术语，如设计压力、设计温度、使用工况、载荷条件等。这些术语在ASME规范中有明确的定义。概念类知识通过相互的外延和内涵的相关性，采用继承方式，建立层次的知识结构。例如法向应力、剪应力和一次应力。可见，一次应力继承了法向应力和剪应力的属性，并具有自身的特征；同时一次应力又可以按照作用范围的不同分为总体薄膜一次应力和局部薄膜一次应力两类，因此形成了基于一次应力的概念层次结构，如图4所示（参见NB-3213.4法向应力, NB-3213.5剪应力和NB-3213.8一次应力2）。2.2.3. 过程类知识ASME规范中的过程类知识包括规则类知识和过程类知识两种。1) 规则类知识规则类知识是必须强制执行和必须满足的规则。如“(a) 总体一次薄膜应力强度不应超过表中所列试验温度下的屈服强度的90%。”（NB-3226）2) 过程类知识ASME规范中的过程类知识是指ASME规范中规定的关于有何运用其它条款的规则。工程技术人员就是利用过程类知识来使用ASME规范的，因此，此类知识是所有事实类知识、概念类知识和规格类知识的综合。2.2.4. 控制类知识控制类知识是知识分类中最为重要的知识，也是最难获得和确定的知识，是论文研究的重点。ASME规范的控制类知识包括有领域专家如何查询、理解和运用ASME规范及其规则的知识。1) ASME规范的编写规则ASME规范的编写规则就是ASME规范中知识组织的一般规则，如编号规则方便知识的分类、组织和查询。2) 领域专家的知识领域专家的知识主要是对运用ASME规范的经验，可能符合科学性要求，也可能是错误的方法。所以对此类知识必须进行知识验证才能被存入知识库中。3. ASME规范的知识获取和知识表示3.1. 知识获取知识获取（Knowledge Acquisition），就是从专门知识源中提取知识，并将它转换成为计算机程序的过程。知识获取长期以来被认为是知识库系统设计和应用的瓶颈。根据知识来源的不同，目前常用的知识获取方法有两种：基于领域专家的知识获取方法和基于文本分析的知识获取方法。基于领域专家的知识获取方法通常采用直接交流、任务示例和草案分析，问卷调查等方法获取知识3。由于ASME规范的特点，决定了知识获取方式，应该采用基于文本的知识获取方式。本文提出了以领域专家知识为指导的基于文本的知识获取方式，此知识获取过程如图5所示大致可以分为四个步骤：问题定义、获取领域专家知识、文本分析和知识体系建立。图5 基于文本的知识获取过程3.2. 知识表示如何将已获得的有关知识以计算机内部代码形式加以合理地描述、存储，以便有效地利用这些知识便是知识表示（Knowledge Representation）。在知识库系统中已经发展和运用了多种知识表示方法，常用知识表示方法就包括有逻辑、产生式表示方法、语义网络、框架、概念从属和脚本，以及近年来发展起来的面向对象的知识表示方法4。3.2.1. 常用表示方法1) 语义网络表示法语义网络是知识表示的一种重要手段，Petri网作为一种网也可以以类似的方法表示知识。Petri网是一种适合于描述一步并发现象的计算机系统模型，起源于德国Carl Adam Petri 1962年的博士论文。Petri网既有严格的形式定义，又有直观的图形表示，既有丰富的系统描述手段和系统行为分析技术，又有计算机科学提供坚实的概念基础和严格的数学对象。已经证明Petri网的模拟能力可与图灵机（Turing machine）等价。但是当采用语义网络或Petri网表示时，需要一组元规则作为推理的搜索规则。此表示方法没有术语定义的语义解释，而且难以表示非连接结点间的布尔关系。2) 框架表示法1975年Minsky的论文“A framework for representing knowledge”中提出了框架（Frame）理论。框架理论将框架视为知识的单位，将一组有关的框架连结起来便形成框架系统。系统中不同框架可以有共同的结点，系统的行为由系统内框架的变化来表现的。推理过程是由框架间的协调来完成。框架表示法是一种适应性强、概括性高、结构化良好、推理方式灵活、又能把陈述性知识和过程性知识相结合的知识表示方法。然而，框架表示法在许多情况下相当程度上脱离原型，且不容易括充新的知识。3) 产生式表示法产生式（Production Rule）表示格式固定，形式单一，即采用“IFTHEN”语句表示规则；规则（知识单位）间相互独立，没有直接关系使知识库的建立较为容易，处理较为简单的问题是可取的。同时推理方式单纯，也没有复杂的计算。特别是知识库与推理机是分离的，便于知识库的修改。但是，由于产生式规则相互关联和采用简单的推理机制，使得产生式规则系统的推理效率很低，且不适用解决复杂问题。又由于产生式规则缺少形式化定义，因此对于规则库中的规则必须进行知识验证的。4) 面向对象（Object Oriented）的表示法面向对象技术具有的特点，符合人们思维的习惯，方便领域专家和知识工程师的交流。又由于OOA、OOD和OOP技术，方便了知识库系统的实现。目前面向对象技术被越来越多的运用到知识表示、知识库系统和专家系统的开发。面向对象技术具有类、封装、多态、重载、重用、继承和聚合的特点。3.2.2. 面向对象的混合知识知识表示方法根据ASME规范的知识类型，采用单一的知识表示方法难以表达准确和完备。就目前面向对象技术对于知识库系统开发的优势，因此研究一种适合ASME规范的面向对象的混合知识表示方法是解决表达规范知识难题的途径。1) 框架与面向对象技术的关系框架是包含一组相互联系数据的结构，通常是比较大的知识块；按照需要详细地描述了特定的对象、事件、状态或位置等。近年来，随着面相对象技术的发展，基于框架的知识表示从中吸取了许多重要的特性，进一步提高了知识表示能力，因此，基于框架的知识表示的实质就是面相对象在知识表示中的具体应用。2) 产生式规则与着色网单一的规则表示很难清晰地刻画知识库的整体情况，整个知识库缺乏整体的协调和组织，因而不能很好地反映知识的条理性和内部逻辑。目前将Petri网引入到产生式规则知识表示方法中5,6，利用Petri网中有关网逻辑的理论组织产生式的规则库是可行和合理的。由于Petri网理论建立在较为严密的数学基础上，用Petri网表示的产生式知识库的内部逻辑会更加清晰，推理规则也更加数学形式化，特别是方便实现规则的一致性和有效性验证。Petri网利用面向对象技术，可以减少知识抽象的复杂性，增加知识表示能力，方便Petri网的推广使用。由于Petri网对于复杂系统描述可能带来节点过多，模型过于复杂，状态空间太多而无法实际应用。因此本文采用着色网（colored Petri net）7表示产生式规则。3) 面向对象混合知识表示方法的结构为了表示ASME规范知识，基于框架、产生式规则、着色网和面向对象技术提出了全新的混合知识表示方法。分析ASME规范规则的语法和语义，按不同知识对象（术语），将其分解表示。其中：(1) 事实类对象又可以针对不同的事实表示形式，设计不同的子对象类，如适用于二维表的子对象类、曲线拟合的子对象类和参数化图示的子对象类等。(2) 术语（概念类知识）采用框架表示。(3) 规则（包括专家规则）采用知识着色网KCPN（Knowledge Colored Petri Net，产生式规则和着色网的混合）表示。KCPN的形式化定义如下：(4) 按照面向对象技术的要求，给出了在知识库中知识表达方式的定义，其中分别定义框架类，事实类、产生式规则类和KCPN类。见图6。图6面向对象混合知识表示方法的对象结构KCNP类模板定义如下：Knowledge entity name: / *name of this entity*/ Membership: /*the class types of this entity*/Superclass: /*the parent entity class name*/Subclass: /*the children entity class name*/Inherit method: /*the inherit method of this entity class inherit knowledge from its parent class*/Method list: method name/*it is the port for other object to access*/Slot type: methodValue: /*It contains the operation and activity when the method is invoked*/filter (keywords); /*a filter to check the message*/ meta-rule /*meta-rule is part of method*/description: /*explanation and definition of the meta-rule*/operation: /*operation knowledge*/action: /*a course of actions*/rule-set: /*rules of the meta-rule*/4. ASME规范知识表示的示例4.1.1. 事实类知识事实类知识被系统存放在事实库中。按照事实类知识的不同格式采用不同的表示方式。表格如表2所示的事实类知识，都可以采用二维表的方式表示。如图3所示的事实类知识，亦可采用两种方式：一种是也采用图像形式存放；另一种方式采用CAD的参数化设计技术，将规范规定的每一个图示进行参数化编程。如图2所示的事实类知识，有两种可能：一是有与图上曲线相对应的曲线函数，可以利用此曲线函数进行知识的表格化，然后采用二维表的方式表示；另一种情况是，没有曲线函数相对应，只能以图像形式存放，采用定点查询方式。4.1.2. 概念类知识概念类知识被系统存放在术语库中。概念类知识采用基于框架的知识表示。以一次应力为例说明采用框架方法表示概念及其关系，如图7所示。图7 一次应力概念的框架表示4.1.3. 规则类知识采用产生式规则（IFTHEN）表示规则类知识。例如：“(a) 总体一次薄膜应力强度不应超过表中所列试验温度下的屈服强度的90%。”，可以转换为“IF 是总体一次薄膜应力强度 THEN 不应超过表中所列试验温度下的屈服强度的90%”。但是在上述规则中，除了是一条规则类知识外，还包含了概念类知识和事实类知识。其中概念类知识有“总体一次薄膜应力强度”、“试验温度”和“屈服强度”；事实类知识有“表中所列试验温度下的屈服强度”。4.1.4. 过程（元知识）类知识图8 “NB3215”应力强度推导的着色网表示例如“NB3215 应力强度的推导”的过程性知识，可以如图8所示的着色网表示。对于在过程性知识中可能包含有规则性知识，着色网也适用于包含启发式知识的规则运算，即使产生式规则结合着色网也可以方便推理和运算。由于控制类知识具有与过程类知识相似的特点，因此可以采用语义网络或着色网表示控制类知识。面向对象的知识表示方法既保留了其他知识表示方法的优点，又具有面向对象的优势即方便知识重用和扩充，较好的解决了ASME规范及其它工程类规范的知识表示的问题。5. 结论为了提高核级设备设计的质量和效率，在设计过程采用智能CAD技术。由于核级部件的特点，设计过程必须满足设计规范标准的要求，工程规范标准知识库是核级部件设计智能CAD系统研制的重点。以ASME规范为例，本文说明了工程规范标准知识获取的特点，提出了基于文本的知识获取方式；根据ASME规范的规则表示方式不同将ASME规范的知识分为四种：事实类知识、概念类知识、过程类知识和元知识或启发式知识，发现单一的知识表示方法不能完全表示ASME规范的知识；并着重研究了能够完全充分表示ASME规范知识的知识表示