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1、第六章 故障诊断专家系统6.1专家系统概述6.1.1专家系统的定义专家系统（Expert system简称ES）是人工智能的一个分支领域，在自然科学、社会科学、工程技术的各个领域得到了广泛的应用，是人工智能领域中最具有吸引力、最成功的研究领域。20世纪60年代中期，人工智能由追求通用的一般研究转入特定的研究，产生了以专家系统为代表的基于知识的各类人工智能系统。1965年，斯坦福大学教授费根鲍姆（E.A.Feigenbaum）开创了基于知识的专家系统这一人工智能研究的新领域。他与别人共同开发的根据化合物的分子式及其质谱数据帮助化学家推断分子结构的计算机程序系统DENDRAL，标志着专家系统的诞生
2、。专家系统的发展可以分为孕育（1965年以前）、产生（19651971）、成熟（19721977）和发展（1978）四个阶段25。在70年代ES系统的成熟期，ES的概念与观点逐渐大众化，先后出现了一批较成熟的ES系统，主要是在医学领域，代表性的有MYCIN、CASNET、PROSPECTOR等ES系统。这一时期的ES系统与第一代系统相比具有：多数使用自然语言对话，多数系统具有解释功能，采用了似然推理技术。进入80年代后，专家系统的应用范围更加广泛，已扩展到军事、空间技术、建筑设计和设备诊断等方面。在设备的故障诊断领域中，近几年我国也开发了一些专家系统，主要是针对汽轮发电机组开发的故障诊断专家系
3、统。水电机组的结构与运行原理同汽轮发电机组相似，但却有不同之处，因此水电机组故障诊断的研究即具有一定的理论基础，又具有很大的必要性。专家系统发展到现在，已经得到许多领域专家的认可，但是对于专家系统的定义到目前为止还没有一个统一的说法。一种意见认为：专家系统是利用具有相当量的公认、权威的知识来解决特定领域中的实际问题的计算机程序系统，可以根据人为提供的数据、事实和信息，结合系统中存储的专家经验或知识，运用一定的推理机制进行推理判断，最后给出一定的结论和用户解释以供用户决策之用。持有另一种意见的人则认为：专家系统是一个具有知识库和具体计算机的系统，其知识库中的知识来源于某领域专家的技能和经验；可以
4、对某一任务提出建议或给出合理的决策；能判断自己的推理路线并以简明的形式显示出来；常采用基于规则的程序设计。第三种意见认为：专家系统是一个使用知识和推理的智能计算机程序，它的目的是解决人类专家很难解决的一些问题；专家系统中的知识由事实和启发式信息构成，其事实构成了共享且为专家认可的知识信息体；专家系统的启发式信息则是一些独特的推理规则，如似然推理规则、优化猜测规则等。上述对专家系统的理解都有两个概念知识、推理和智能程序。因此可以引用专家系统创始人费根鲍姆（E.A.Feigenbaum）的一段话来说明什么是专家系统：“专家系统是一个智能计算机程序，它利用知识和推理过程来解决那些需要大量的人类专家知
5、识才能解决的复杂问题。所用的知识和推理过程可认为是最好的领域专家的专门知识的模型”。一般而言，专家系统具有如下特点：a) 象人类专家一样可以解决一些困难问题；b) 以知识为基础；c) 用适当的方式进行人机交流，包括使用自然语言；d) 具有专家水平的专门知识。专家系统所具有的知识面可以很窄，但针对某个特定领域，必须要有专家的水平；e) 具有符号处理的能力。专家系统能采用符号准确地来表示领域有关的信息和知识，并对其进行各种处理和推理功能，这里用符号表示的知识和信息超越了数据的范畴；f) 具有一般问题的求解能力。专家系统具有一种公共的智能行为，能做一般的逻辑推理、目标搜索和常识处理等工作；g) 具有
6、一定的复杂度与难度。专家系统所处理的知识都是专门的领域知识。若领域问题不具有一定的复杂度与难度，就根本不需要专家来解决；h) 具有解释功能。专家系统在解题的过程中，应能解释获得结果的原因。这就是专家系统的透明性；i) 具有获取知识的能力。与人类专家一样能通过学习不断丰富自己的知识和扩充知识库，高级专家系统也应有进一步不断获取知识的能力；j) 具有自学的能力，能从系统运行的经验中不断总结新知识和更新老知识。目前，该能力还是停留在初级阶段，还没有找到更好地解决学习问题的方法；k) 具有较好的可扩充性与可维护性，因为专家系统一般都把程序的控制和推理机构与知识分离，相对地互相独立；专家系统是一种智能的
7、计算机程序，而这种智能计算机程序不同于传统的计算机程序。专家系统可以表示为： 知识+推理=专家系统而传统计算机程序为： 数据+算法=程序专家系统与传统计算机程序的区别：a） 总体上说，专家系统是一种属于人工智能范畴的计算机应用程序，人工智能的各种问题的求解策略和方法都适用于专家系统。专家系统使用的求解方法不同于传统应用程序的算法。专家系统求解的问题是不良结构或不确定性的问题，而传统的程序求解的是确定的定规类问题。b） 从功能看，专家系统模拟的是人类专家在问题领域上的推理，而不是模拟问题本身。传统的程序是通过建立数学模型去模拟问题领域。c） 从组成结构上，专家系统解决问题有三要素：描述问题状态的
8、综合数据库或全局数据库，存放启发式经验知识的知识库，以及对知识库中的知识进行推理的推理机。知识库的知识与领域专家密不可分，需要经常地补充和修正，它同推理机相互独立，增加了系统的灵活性。传统的计算机程序只有数据级和程序级两级结构，将描述算法的过程性计算信息和控制性判断信息一起编码在程序中，缺乏专家系统的灵活性。总之，专家系统是使用某个领域专家的领域知识来求解问题，而不是使用某些从计算机科学和数学中推导出的与领域相关性不大的方法来求解问题。6.1.2专家系统的结构专家系统是求解某一领域的智能计算级程序，因此专家系统应具备以下几个功能：a) 存储问题求解所需的知识。b) 存储具体问题求解的初始数据和
9、推理过程中涉及到的各种信息，如中间结果、目标、子目标以及假设等等。c) 根据当前输入的数据，利用已有知识，按照一定的推理策略，去解决当前实际问题，并可以控制和协调整个系统。d) 能够对推理过程、结论或系统自身行为做出必要的解释，如解题步骤、处理策略、选择处理方法的理由、系统求解某种问题的能力、系统如何组织相管理其自身知识等这样既便于用户的理解和接受，同时也便于系统的维护。e) 提供知识获取、机器学习以及知识库的修改、扩充和完善等维护手段。只有这样才能更有效地提高系统的问题求解能力及准确性。f) 提供一种用户接口，既便于用户使用，又便于分析和理解用户的各种要求和请求。一个完整的专家系统必须具有以
10、上的功能，因此可以决定一般的专家系统的结构。专家系统结构由三种结构：基本型、一般型和理想型。图6-1 专家系统的基本结构图6-1给出了基本型的结构，它包括两个主要部分：知识库和推理机。这种结构比较简单，知识工程师与领域专家直接交互，收集与整理领域专家的知识，将其转化为系统的内部表示形式并存放到知识库中；推理机根据用户的问题、求解要求和所提供的初始数据，运用知识库中的知识对问题进行求解，并将产生的结果输出给用户。图6-2给出了专家系统结构的一般型。以MYCIN为代表的基于规则的专家系统（Rule-based Expert system）采用了这种结构，是由所谓的产生式系统发展起来的，在目前专家系
11、统建造中比较流行这种结构包括六个部分：知识库、推理机、综合数据库、人机接口、解释机以及知识获取程序。其中知识库、推理机和综合数据库是目前大多数专家系统的主要内容。图6-2专家系统一般型(1)知识库（Knowledge Base ,缩写KB）。用以存放领域专家提供的专门知识。这些专门知识包含与领域相关的书本知识、常识性知识以及专家凭经验得到的试探性知识专家系统的问题求解是运用专家提供的专门知识来模拟专家的思维方式进行的，这样知识库中拥有知识的数量和质量就成为一个专家系统中系统性能和问题求解能力的关键因素因此，知识库的建立是建造专家系统的中心任务。(2)综合数据库。用于存放关于问题求解的初始数据、
12、求解状态、中间结果、假设、目标以及最终求解结果。(3)推理机（Inference Engine）。在一定的控制策略下针对综合数据库中的当前信息，识别和选取知识库中对当前问题求解有用的知识进行推理。在专家系统中，由于知识库中知识往往是不完全的和不精确的，因而其推理过程一般采用不精确推理(4)知识获取程序。在专家系统的知识库建造中用以部分代替知识工程师进行专门知识的自动获取，实现专家系统的自学习，不断完善知识库。(5)解释程序。根据用户的提问，对系统提出的结论、求解过程以及系统当前的求解状态提供说明，便于用户理解系统的问题求解，增加用户对求解结果的信任程度。在知识库的完善过程中便于专家或知识工程师
13、发现和定位知识库中的错误，便于领域的专业人员或初学者能够从问题的求解过程中得到直观学习。（6）人机接口(Man-Machine Interface)。将专家或用户的输入信息翻译为系统可接受的内部形式，把系统向专家或用户输出的信息转换成人类易于理解的外部形式。监测子系统征兆获取模块征兆事实库机组参数库知识获取模块诊断知识库工作存储器推 理 机解释模块故障决策模块人机接口模块领域专家上述的两种专家系统的结构只是各应用领域类专家系统的基本和核心。对于水电机组的故障诊断专家系统而言，其组成除了上述六个部分外，还应该包括在线监测子系统、机组实际参数库、征兆事实库、信号分析程序、征兆获取程序、故障处理程序
14、和监测数据库。图6-3水电机组故障诊断专家系统图6-3是水电机组专家系统示意图，图中各部分功能为：（1）机组参数库：用于存放机组有关的结构和功能参数（如水电机组的设计参数）以及机组过去运行情况的背景信息。（2）诊断知识库：诊断知识库是机组故障诊断专家系统的核心，也是影响机组故障诊断专家系统性能的瓶颈。其用于存放水电机组领域专家的各种与机组故障诊断有关的知识，包括机组征兆、控制知识、经验知识、对策知识和翻译程序。这些知识是由知识工程师和水电专家合作获取到的，并通过知识获取模块按一定的知识表示存入到诊断知识库中。（3）征兆获取模块：采用一定的征兆获取方法，对监测数据库中的数据进行分析，获取征兆。常
15、用的方法为时域提取和频域提取。但亦可研究利用小波分析来提取故障征兆。（4）知识获取模块：知识获取模块负责对诊断知识库进行维护和更新，包括知识的输入、修改、删除和查询等管理功能及知识的一致性、冗余性和完整性等维护功能。同时，将机组发生的且以前没有遇到过的新情况补充到知识库中。（5）推理机：推理机是一组程序，用于控制系统的运行。利用诊断知识库的知识，并提取征兆事实库的事实按照一定的问题求解策略，进行推理诊断，最后给出诊断结果。诊断推理模块是诊断系统的关键，它的推理模式和推理依据对诊断的准确性起决定作用。它可分为：自动诊断和人工干预诊断。自动诊断不需要人工干预，所有过程均由系统自动完成，并最后给出诊断结果和诊断解释。人工干预诊断需要用户提问，获得更多的征兆信息，以便更精确地进行诊断，（6）解释模块：负责对用户提出的问题进行解释，并给出诊断依据。其是用户了解诊断结果并对诊断结果可靠性进行判断的依据。（7）故障决策模块：根据诊断结果给出系统应采取的措施。（8）人机接口模块：用于用户、专家和知识工程师与机组诊断系统进行交互。将用户输入的信息转换成系统能辨认的信息，同时将系统信息转换成用户易于理解的外部表示形式（图形、图表、表格、自然语言等）。6.1.3专家系统的分类专家系统可以按照多种不同的方法进行分类。按照推理控制策略分类，可分为正向推理专
