专家系统简介

专家系统是人工智能的一个分支,它的研究起源于1965年Stanford大学的E·A·Feigenbaum教授对DENDRAL(由分子式及其质谱结构应用方面帮助化学家推断分子结构的计算机系统)的研制。所谓专家系统实际上是一个(或一组)能在某特定领域内,以人类专家水平去解决该领域中困难问题的计算机程序,其基本思想是使计算机模拟领域专家解决实际问题的过程,即模拟领域专家如何运用他们的知识与经验来解决实际问题的方法与步骤。具有以下基本特征:有专家水平的专门知识;能进行有效的推理;有知识获取的能力;透明性;灵活性;有一定的复杂性和难度;有交互性。即能利用专家的知识进行启发式推理,能够解释其推理过程,对用户的询问做出回答,并且能够不断地、灵活地增加新的知识。一个完整的专家系统通常由两大部分组成。其一为必不可少的部分即:数据库、知识库、推理机和人机接口;另一部分为期望部分即解释部分和知识获取部分[1,2]。

1蓄能器及其回路CAD

蓄能器是一个密闭的钢制压力容器,用来存储压力能,它在液压系统中有着广泛的功用,如:提高系统效率;作为紧急动力源;使电机平稳起动;作为一种辅助能源;吸收压力脉动;减小压力冲击;缓冲及平衡作用;降低液压噪声;防止液压泵出现空穴;补充泄漏;作为热膨胀补偿器;作为液体补充装置;作为液体空气弹簧及模拟弹簧;输送异性液体、有毒液体等。随着CAD技术在液压领域的大力发展,20世纪80年代初,蓄能器的计算机辅助设计产品在国外开始出现。如:派克公司开发了蓄能器选择、计算软件包。其程序可根据蓄能器的不同功用对其进行选择并对工作参数进行计算,程序通过人机界面提示用户输入数据信息,对不合理的参数予以报警;并通过帮助文件告诉用户如何建立、保存和打印CAD文件。而国内有关蓄能器及其回路的CAD研究还不多见,对蓄能器的研究大多只局限于某一具体参数或某一具体的系统,没有一个综合而全面的方案,为设计者带来了不便。本文作者在对大量蓄能器及其理论资料进行总结、归纳的基础上,采用“嵌入式”专家系统的知识,利用面向对象编程的思想对蓄能器及其回路软件进行了智能化开发。程序不仅可根据蓄能器的不同功用对其进行选择、对工作参数进行计算、对不合理的参数予以报警,还增加了生成蓄能器回路、对典型的蓄能器回路进行的动态特性分析两大功能。

2“嵌入式”专家系统

专家系统把人类专家在解决问题过程中使用的知识,分解为事实规则,以一定的形式构成知识库,并采用合适的产生式系统对原始的输入选择规则进行推理和判断且做出决策。近年来,专家系统技术越来越多地被引入液压工程领域。但专家系统的建立存在如下几个方面的困难性:专家知识的获取十分困难,一方面工程领域知识表达存在着不规范性,很多经验不是一句话或一个公式就能表达清楚的,另一方面不同专业人员的合作存在着困难性;缺少专门研究专家系统的专门技术人员,专家系统开发本身是一项十分复杂繁琐的劳动;建立专家系统的费用高。

因此,CAD专家系统离实际应用还存在一定的距离。在这种情况下,“嵌入式知识基”应运而生,它是一种节省费用的实现软件智能化的方法,其实质是在常规软件中加入判断与决策环节,该环节由一个知识库所支持。知识基环节“嵌入”常规程序的方法分为“串式”和“并式”两种。串式嵌入时,知识基环节相对独立,即为整个程序流程中的一个独立环节,这样可单独对知识库进行设计。并式嵌入方式是将知识库作用于多个环节,这使得知识库结构较复杂,主要用于要求较多判断决策工作的场合。两种不同的嵌入方式所对应的程序结构如图1所示[3]。

由于“嵌入式”专家系统在软件中仅用作有限的判断分析,无需像一般的专家系统那样配备完善的知识编辑系统、解释设备、人机接口等一整套的东西,仅利用一般的计算机高级语言便可实现,故建立费用低,轻巧灵便。蓄能器及其回路软件的智能化设计采用了“并式”“串式”相结合的“嵌入式”专家系统方法,即将一些被多个环节用到的知识组成公共知识库,编程过程中定义为全局函数、变量等,整个应用程序的任何模块都可调用,此为“并式”嵌入。而将一些针对具体条件的知识定义为私有过程、变量,只能在满足“上下文”的条件时才能调用,为“串式”嵌入。

2·1知识库

专家系统研究的核心是知识处理,它包括知识的获取、知识的表示和利用三个环节。知识获取,就是把用于问题求解的专门知识从领域专家、书本文献、实验数据和经验数据等知识源中提炼出来,而后针对系统所要解决的问题,形成问题求解的过程和信息流、子问题的目标和相互关系以及求解策略、推理方式和主要知识。选取知识的表示方式,设计知识库的结构并使其能转换成计算机程序,通过运行典型实例,考察知识的表示是否得当、数值是否合理、知识连接方式是否恰当等,不断修改、完善知识库。获取知识采用的方法之一是通过知识工程师(即计算机工作者),从领域专家及文献资料处获取知识,再借助于知识编辑系统把知识输入到计算机中;另一种途径是通过机器自己学习,从处理问题的过程中获取知识,积累知识。本软件知识的获取也采用了这两种方式,对于自学习功能,程序利用记忆功能对用户输入和程序过程中所产生的新参数及条件进行记录,并将结果与理想值相比误差较小或满足误差允许值的新参数及条件存于学习库中,经过对各种情况反复及长时间的验证及分析,把那些能使结果更精确,更理想的参数或条件存到知识库中供系统使用,从而完成了机器自己学习的功能。

专家系统中知识表示总是与推理策略同时研究,使知识表示能适合解决该问题的推理与计算。基于“嵌入式”知识基建立的知识库,一般仅由规则组成,故又可称之为规则库。本软件采用了基于规则式的产生式表示来表示知识,其一般形式为:P←Q。右边表示一组前提或状态,左边表示若干个结论或动作,上式的含义是“如果前提Q满足则可推出P(或应该执行动作P)”。在产生式系统中一般利用一个解释程序以匹配-执行的方式来运用知识。即当其右边Q能与一个已证结论集合中的某元素匹配时就可运用该产生式,推出结论P,并把它放入已证结论集,或执行P所代表的动作,如此反复地运用由一组产生式表示的知识,以求得最终的结论并解决问题。知识的表示在程序中可以用如下表达式来实现:

IF<前提>THEN<动作>或<结论>

一般来讲,前提部分是和事实匹配的已知条件,通常允许包括一些变量,结论可以为字串、关系表达式、逻辑表达式、函数。如下例所示:

命题吸收脉动可用气囊式蓄能器;

规则表示IF用于吸收脉动THEN选气囊式蓄能器。

2·2推理机

推理机是运用特定的控制策略并利用知识库及数据库中的信息去求解实际问题。知识表示方法和知识库的结构不同,所用的推理方法也不同,应用较为广泛的是条件检索和执行推理,这是一种适用于以规则方法描述知识的推理,由这种推理方法和规则表示组成的求解系统即是产生式系统。在产生式系统中推理策略有正向推理、反向推理和正反向混合推理。

一般就程序设计来说,推理机的编写是专家系统中难度较大的一部分。但是推理机是专家系统的核心部分,鉴于设计所涉及的解空间相当大,初始条件稍微变化就可能得出不同的解,而正向推理很适合这一类问题,另外正向推理灵活、简单、求解范围宽,条件充足的话,很容易形成一定的联想功能,适合设计性专家系统的推理特征,所以本软件采用正向推理。但是正向推理存在搜索效率低、解题速度慢的缺点,为了解决这个问题,本软件系统对知识采用模块分组的方式组织,进行分层推理,即正向分层式推理。系统运行时,推理机首先调用规则库中的规则模块,将输入数据与规则库中规则的前提部分相比较,激活相匹配的规则,再根据此规则来调用相应的规则。下面以蓄能器的工作过程为例说明推理过程,如图2所示。

其中:process-工作过程参数。工作过程规则库中的三条规则如下:

if process=1 then绝热过程;

if process=2 then等温过程;

if process=3 then多变过程。

3结论

本文首次将“嵌入式”专家系统应用于蓄能器及其回路的CAD设计中,知识丰富,结构合理,自学习功能使程序可以不断地扩充知识库,采用了模块化分层结构,进行正向分层式推理,从而以较低的费用实现了软件的智能化。

摘自：中国计量测控网