基于人工神经网络的智能诊断系统

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1、基 于 人 工 神 经 网 络 的 智 能 诊 断 系 统 赵 凤 芝 包 锋 大 庆 石 油 学 院 计 算 机 系 秦 皇 岛 摘 要 本 文 论 述 了 一 个 基 于 人 工 神 经 网 络 的 智 能 诊 断 系 统 的 设 计 思 想 !总 体结 构 及 实 现 的 基 本 原 理 为 解 决 智 能 诊 断 问 题 提 供 了 一 种 有 效 途 径 系 统 具 有 知 识 自 动 获 取 !识 别 速 度 快 !橹 棒 性 及容 错 能 力 强 等 特 点 关 键 词 人 工 神 经 网 络 智 能 系 统 诊 断 人 工 智 能 作 为 计 算 机 应用 领 域 的 一 个

2、重 要 分 支 已 经 广 泛 地 应 用 于 医 学 !勘 探 !工 程 !生 产 !国 防 等 各 个 领 域 但 在 诸 如 专 家 系 统 等 智 能 系 统 中 知 识 获 取 的 / 瓶 颈 0 问 题 在 很 大 程 度 上 阻碍 着 在 实 际 问 题 中 的 应 用 近 年 来 由 于 人 工 神 经 网络 的 兴 起 将 神 经 网 络 技 术与 专 家 系 统 相 结 合 是 解 决 智 能 系 统 中 这 一 难 题 的 有 效 途径 鉴 于 此 本 文 提 出 了 一 种 基 于 神 经 网 络 的 智 能 诊 断系 统 适 合 于 诊 断 领 域 的 自 动 诊 断

3、 一 ! 系 统 的 结 构 设 计本 系 统 设 计 了 一 个 集 神 经 网 络 !数 据 融 合 !专 家 系 统于 一 体 的 高 效 智 能 诊 断 系 统 基 本 框 架 如 图 所 示 整个 系 统 包 括 用 户 总 控 界 面 !数 据 库 !知 识 库 !推理 机 !神 经 网 络 子 系 统 !解 释 机 构 六 个 最 基 本 结 构 数 据 库 知 识 库图 系 统 总 体 结 构 图在 本 系 统 中 用 户 总 控 模 块 主 要 功 能 是 对 整 个 系 统进 行 协 调 控 制 使 整 个 系 统 成 为 既 独 立 又 统 一 的 整 体 同时 担 负

4、着 系 统 的 输 入 输 出 等 人 ) 机 交 互 的 桥 梁 与 纽带 作 用 它 是 一 个 操 作 直 观 灵 活 !方 便 !易 于 维 护 !友 好 的用 户 界 面 数 据 库 主 要 存 储 一 些 原 始 输 入 的 有 关 数 据 及系 统 运 行 过 程 中 所 产 生 的 所 有 数 据 信 息 等 知 识 库 一 部分 存 储 典 型 实 例 的 信 息 一 部 分 存 储 网 络 的 权 重 及 以 产生 式 规 则 的 形 式 表 示 的 与 故 障 之 间 的 关 系 神 经 网 络 子系 统 用 于 知 识 的 学 习 和 获 取 即 对 典 型 故 障 类

5、 型 的 学 习 训练 与 识 别 推 理 机 制 负 责 将 神 经 网 络 的 输 出 结 果 与 知 识库 中 的 一 般 知 识 相 结 合 作 出 故 障 推 理 诊 断 用 户 解 释 负责 对 诊 断 结 果 作 出 说 明 !解 释 回 答 用 户 提 问 及 系 统 的 有关 说 明 系 统 最 后 给 出 针 对 故 障 应 该 采 取 的 措 施 和 建 议 整 个 系 统 将 神 经 网 络 识 别 与 专 家 系 统 的 推 理 判 断 能力 相 结 合 得 出 诊 断 结 果 二 !系 统 实 现 的 思 想 原 理利 用 神 经 网 络 的 可 学 习 性 确 定

6、 网 络 中 的 加 权 值 以这 些 权 值 作 为 不 确 定 性 因 子 进 行 不 确 定 性 网 络 计 算 即 应 用 人 工 神 经 网 络 构 造 状 态 分 类 器 而 用 基 于 知 识 的专 家 系 统 技 术 来 指 导 状 态 识 别 过 程 中 的 特 征 获 取 !模 式解 释 与 评 价 及 高 层 决 策 等 问 题 的 求 解 将 与 相 结 合 相 互 补 充 共 同 实 现 目 标 问 题 的 诊 断 三 !神 经 网 络 系 统 的 构 造 与 实 现在 基 于 的 智 能 诊 断 系 统 中 神 经 网 络 系 统 是整 个 系 统 的 核 心 系

7、统 的 知 识 获 取 及 推 理 主 要 通 过 神 经网 络 系 统 来 完 成 故 障 诊 断 实 际 上 主 要 是 一 种 模 式 识 别 和 分 类 的 问题 由 于 神 经 网 络 的 巨 量 并 行 处 理 !信 息 的 分 布 式 存 储 !信 息 的 处 理 与 存 储 的 合 二 为 一 性 !自 组 织 学 习 的 特 点 适合 于 故 障 诊 断 方 面 的 应 用 绝 大 多 数 神 经 网 络 模 型 都 具有 故 障 分 类 及 模 式 识 别 能 力 比 较 典 型 的 有 网 !2 网 ! 网 ! 网 等 网 是 目 前 应 用 最 广 泛 !比 较 成 熟

8、 的 神经 网 络 模 型 之 一 标 准 网 的 基 本 结 构 有 三 层 各 层)计 算 机 系 统 应 用 年 第 期次 的 神 经 元 之 间 形 成 全 互 连 连 接 各 层 次 内 的 神 经 元 之间 无 连 接 其 中 输 入 层 主 要 是 网 的 数 据 输 入 隐 层 则 相当 于 一 个 复 杂 的 非 线 性 函 数 输 出 层 则 输 出 最 终 结 果 可以 是 一 个 也 可 以 是 多 个 该 系 统 中 每 个 神 经 网 络 识 别 子 系 统 都 由 多 层 网组 成 经 过 多 个 样 本 训 练 后 完 成 对 故 障 类 型 的 识 别 分 类

9、诊 断 网 络 的 训 练 对 整 个 系 统 的 成 败 起 着 至 关 重 要 的 作用 因 此 典 型 样 本 和 实 际 样 本 要 兼 顾 选 择 使 用 以 保 证系 统 的 快 速 与 容 错 性 能 由 于 神 经 网 络 基 于 数 值 计 算 所 以 在 网 络 训 练 前 要 完 成 数 据 的 预 处 理 目 的 是 使 各 种参 数 无 量 纲 归 一 化 以 适 合 于 网 络 的 要 求 神 经 网 络 实 现 的 界 面 如 图 所 示 图 神 经 网 络 实 现 系 统下 面 根 据 程 序 的 流 程 简 单 介 绍 各 模 块 的 主 要 功 能数 据 文

10、 件 管 理 包 括 / 学 习 文 件 管 理 0及 / 测 试 文 件 管理 0 它 主 要 是 通 过 / 选 择 输 入 样 本 0 功 能 从 数 据 库 中 挑选 样 本 再 由 / 创 建 输 入 文 件 0功 能 完 成 功 图 的 特 性 提 取 为 神 经 网 络 准 备 训 练 和 识 别 的 样 本 同 时 还 包 括 / 查 看输 出 结 果 0 !/ 查 看 输 出 权 值 0等 功 能 网 络 参 数 设 置 本 系 统 的 可 以 任 意 给 定 层 数 !输 入 层结 点 数 !隐 层 结 点 数 及 输 出 层 结 点 数 的 值 在 实 际 使 用中 这

11、些 参 数 是 要 发 生 变 化 的 特 别 是 输 出 层 结 点 数 随 着故 障 类 型 不 断 增 加 结 点 数 将 增 大 用 户 可 使 用 该 功 能 完成 各 层 结 点 数 的 设 置 神 经 网 络 的 训 练 与 识 别 神 经 网 络 的 训 练 包 括 算 法参 数 的 设 置 及 训 练 过 程 的 控 制 算 法 参 数 主 要 包 括 目标 误 差 !迭 代 次 数 !A动 量 因 子 !G学 习 效 率 等 本 系 统 误 差 函 数 定 义 为 EE 式 中 为 误 差 E只 对 样 本 求 和 E只 对 输 出 层神 经 元 求 和 为 期 望 输 出

12、 值 为 实 际 输 出 值 如 果 学 习 效 率 G 设 置 为 / 自 动 调 整 0 系 统 将 在 训 练过 程 自 动 增 加 或 减 少 该 值 如 果 误 差 减 小 G 的 值 将 增加 反 之 如 果 误 差 增 大 G 的 值 将 减 小 网 络 的 训 练 过 程 如 图 所 示 训 练 过 程 中 的 参 数 在这 里 动 态 显 示 出 来 用 户 可 随 时 观 测 训 练 程 度 在 训 练过 程 中 可 随 时 修 改 / 学 习 参 数 0 即 可 以 中 断 训 练 并 能 使系 统 继 续 执 行 系 统 工 具 本 系 统 以 图 标 的 形 式 提

13、供 了 几 种 工具 可 以 完 成 网 络 训 练 及 识 别 结 果 的 保 存 !控 制 训 练 的 进程 及 输 出 权 值 分 布 图 表 等 训 练 算 法 的 调 整 方 案采 用 梯 度 下 降 法 的 算 法 速 度 较 慢 不 保 证 收 敛到 全 局 极 小 原 因 在 于 一 方 面 它 采 用 固 定 的 学 习 速 度 即 采 取 定 步 长 的 搜 索 对 于 非 突 性 函 数 很 有 可 能 在 搜 索 时 跨 过 全 局 极 小 点 而 不 能 保 持 单 调 递 减的 性 质 另 一 方 面 每 个 节 点 采 用 固 定 参 数 的 激 励 函 数 也

14、不 利 于 快 速 搜 索 鉴 于 此 应 用 时 采 用 动 态 调 整 学 习速 度 修 改 动 量 因 子 的 办 法 对 网 进 行 修 改 可 以 取 得较 好 的 效 果 神 经 网 络 的 训 练 及 诊 断 结 果 示 例 如 下 所 示 权 值 分布 如 图 所 示 神 经 网 络 训 练 结 果 示 例图 ) 年 第 期 计 算 机 系 统 应 用神 经 网 络 理 想 的 诊 断 模 式 如 下 表 所 示 , ,由 上 表 中 可 以 得 到 最 大 可 能 的 诊 断 结 果 如 某 样 本 的 权 值 其 中 约 为 由 标 准 模 板 转 换 得 知 对 应 的故 障 类 型 为 故 障 再 依 据 可 信 度 等 参 数 则 可 确 定 其 最大 可 能 的 诊 断 结 果 为 第 五 类 故 障 四 !系 统 的 推 理