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專家系統(tǒng)簡介 專家系統(tǒng)是人工智能的一個分支,它的研究起源于1965年Stanford大學(xué)的E·A·Feigenbaum教授對DENDRAL(由分子式及其質(zhì)譜結(jié)構(gòu)應(yīng)用方面幫助化學(xué)家推斷分子結(jié)構(gòu)的計算機(jī)系統(tǒng))的研制。所謂專家系統(tǒng)實(shí)際上是一個(或一組)能在某特定領(lǐng)域內(nèi),以人類專家水平去解決該領(lǐng)域中困難問題的計算機(jī)程序,其基本思想是使計算機(jī)模擬領(lǐng)域?qū)＜医鉀Q實(shí)際問題的過程,即模擬領(lǐng)域?qū)＜胰绾芜\(yùn)用他們的知識與經(jīng)驗(yàn)來解決實(shí)際問題的方法與步驟。具有以下基本特征:有專家水平的專門知識;能進(jìn)行有效的推理;有知識獲取的能力;透明性;靈活性;有一定的復(fù)雜性和難度;有交互性。即能利用專家的知識進(jìn)行啟發(fā)式推理,能夠解釋其推理過程,對用戶的詢問做出回答,并且能夠不斷地、靈活地增加新的知識。一個完整的專家系統(tǒng)通常由兩大部分組成。其一為必不可少的部分即:數(shù)據(jù)庫、知識庫、推理機(jī)和人機(jī)接口;另一部分為期望部分即解釋部分和知識獲取部分[1,2]。 1蓄能器及其回路CAD 蓄能器是一個密閉的鋼制壓力容器,用來存儲壓力能,它在液壓系統(tǒng)中有著廣泛的功用,如:提高系統(tǒng)效率;作為緊急動力源;使電機(jī)平穩(wěn)起動;作為一種輔助能源;吸收壓力脈動;減小壓力沖擊;緩沖及平衡作用;降低液壓噪聲;防止液壓泵出現(xiàn)空穴;補(bǔ)充泄漏;作為熱膨脹補(bǔ)償器;作為液體補(bǔ)充裝置;作為液體空氣彈簧及模擬彈簧;輸送異性液體、有毒液體等。隨著CAD技術(shù)在液壓領(lǐng)域的大力發(fā)展,20世紀(jì)80年代初,蓄能器的計算機(jī)輔助設(shè)計產(chǎn)品在國外開始出現(xiàn)。如:派克公司開發(fā)了蓄能器選擇、計算軟件包。其程序可根據(jù)蓄能器的不同功用對其進(jìn)行選擇并對工作參數(shù)進(jìn)行計算,程序通過人機(jī)界面提示用戶輸入數(shù)據(jù)信息,對不合理的參數(shù)予以報警;并通過幫助文件告訴用戶如何建立、保存和打印CAD文件。而國內(nèi)有關(guān)蓄能器及其回路的CAD研究還不多見,對蓄能器的研究大多只局限于某一具體參數(shù)或某一具體的系統(tǒng),沒有一個綜合而全面的方案,為設(shè)計者帶來了不便。本文作者在對大量蓄能器及其理論資料進(jìn)行總結(jié)、歸納的基礎(chǔ)上,采用“嵌入式”專家系統(tǒng)的知識,利用面向?qū)ο缶幊痰乃枷雽π钅芷骷捌浠芈奋浖M(jìn)行了智能化開發(fā)。程序不僅可根據(jù)蓄能器的不同功用對其進(jìn)行選擇、對工作參數(shù)進(jìn)行計算、對不合理的參數(shù)予以報警,還增加了生成蓄能器回路、對典型的蓄能器回路進(jìn)行的動態(tài)特性分析兩大功能。 2“嵌入式”專家系統(tǒng) 專家系統(tǒng)把人類專家在解決問題過程中使用的知識,分解為事實(shí)規(guī)則,以一定的形式構(gòu)成知識庫,并采用合適的產(chǎn)生式系統(tǒng)對原始的輸入選擇規(guī)則進(jìn)行推理和判斷且做出決策。近年來,專家系統(tǒng)技術(shù)越來越多地被引入液壓工程領(lǐng)域。但專家系統(tǒng)的建立存在如下幾個方面的困難性:專家知識的獲取十分困難,一方面工程領(lǐng)域知識表達(dá)存在著不規(guī)范性,很多經(jīng)驗(yàn)不是一句話或一個公式就能表達(dá)清楚的,另一方面不同專業(yè)人員的合作存在著困難性;缺少專門研究專家系統(tǒng)的專門技術(shù)人員,專家系統(tǒng)開發(fā)本身是一項(xiàng)十分復(fù)雜繁瑣的勞動;建立專家系統(tǒng)的費(fèi)用高。 因此,CAD專家系統(tǒng)離實(shí)際應(yīng)用還存在一定的距離。在這種情況下,“嵌入式知識基”應(yīng)運(yùn)而生,它是一種節(jié)省費(fèi)用的實(shí)現(xiàn)軟件智能化的方法,其實(shí)質(zhì)是在常規(guī)軟件中加入判斷與決策環(huán)節(jié),該環(huán)節(jié)由一個知識庫所支持。知識基環(huán)節(jié)“嵌入”常規(guī)程序的方法分為“串式”和“并式”兩種。串式嵌入時,知識基環(huán)節(jié)相對獨(dú)立,即為整個程序流程中的一個獨(dú)立環(huán)節(jié),這樣可單獨(dú)對知識庫進(jìn)行設(shè)計。并式嵌入方式是將知識庫作用于多個環(huán)節(jié),這使得知識庫結(jié)構(gòu)較復(fù)雜,主要用于要求較多判斷決策工作的場合。兩種不同的嵌入方式所對應(yīng)的程序結(jié)構(gòu)如圖1所示[3]。 
由于“嵌入式”專家系統(tǒng)在軟件中僅用作有限的判斷分析,無需像一般的專家系統(tǒng)那樣配備完善的知識編輯系統(tǒng)、解釋設(shè)備、人機(jī)接口等一整套的東西,僅利用一般的計算機(jī)高級語言便可實(shí)現(xiàn),故建立費(fèi)用低,輕巧靈便。蓄能器及其回路軟件的智能化設(shè)計采用了“并式”“串式”相結(jié)合的“嵌入式”專家系統(tǒng)方法,即將一些被多個環(huán)節(jié)用到的知識組成公共知識庫,編程過程中定義為全局函數(shù)、變量等,整個應(yīng)用程序的任何模塊都可調(diào)用,此為“并式”嵌入。而將一些針對具體條件的知識定義為私有過程、變量,只能在滿足“上下文”的條件時才能調(diào)用,為“串式”嵌入。 2·1知識庫 專家系統(tǒng)研究的核心是知識處理,它包括知識的獲取、知識的表示和利用三個環(huán)節(jié)。知識獲取,就是把用于問題求解的專門知識從領(lǐng)域?qū)＜摇疚墨I(xiàn)、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)等知識源中提煉出來,而后針對系統(tǒng)所要解決的問題,形成問題求解的過程和信息流、子問題的目標(biāo)和相互關(guān)系以及求解策略、推理方式和主要知識。選取知識的表示方式,設(shè)計知識庫的結(jié)構(gòu)并使其能轉(zhuǎn)換成計算機(jī)程序,通過運(yùn)行典型實(shí)例,考察知識的表示是否得當(dāng)、數(shù)值是否合理、知識連接方式是否恰當(dāng)?shù)?不斷修改、完善知識庫。獲取知識采用的方法之一是通過知識工程師(即計算機(jī)工作者),從領(lǐng)域?qū)＜壹拔墨I(xiàn)資料處獲取知識,再借助于知識編輯系統(tǒng)把知識輸入到計算機(jī)中;另一種途徑是通過機(jī)器自己學(xué)習(xí),從處理問題的過程中獲取知識,積累知識。本軟件知識的獲取也采用了這兩種方式,對于自學(xué)習(xí)功能,程序利用記憶功能對用戶輸入和程序過程中所產(chǎn)生的新參數(shù)及條件進(jìn)行記錄,并將結(jié)果與理想值相比誤差較小或滿足誤差允許值的新參數(shù)及條件存于學(xué)習(xí)庫中,經(jīng)過對各種情況反復(fù)及長時間的驗(yàn)證及分析,把那些能使結(jié)果更精確,更理想的參數(shù)或條件存到知識庫中供系統(tǒng)使用,從而完成了機(jī)器自己學(xué)習(xí)的功能。 專家系統(tǒng)中知識表示總是與推理策略同時研究,使知識表示能適合解決該問題的推理與計算?；凇扒度胧健敝R基建立的知識庫,一般僅由規(guī)則組成,故又可稱之為規(guī)則庫。本軟件采用了基于規(guī)則式的產(chǎn)生式表示來表示知識,其一般形式為:P←Q。右邊表示一組前提或狀態(tài),左邊表示若干個結(jié)論或動作,上式的含義是“如果前提Q滿足則可推出P(或應(yīng)該執(zhí)行動作P)”。在產(chǎn)生式系統(tǒng)中一般利用一個解釋程序以匹配-執(zhí)行的方式來運(yùn)用知識。即當(dāng)其右邊Q能與一個已證結(jié)論集合中的某元素匹配時就可運(yùn)用該產(chǎn)生式,推出結(jié)論P(yáng),并把它放入已證結(jié)論集,或執(zhí)行P所代表的動作,如此反復(fù)地運(yùn)用由一組產(chǎn)生式表示的知識,以求得最終的結(jié)論并解決問題。知識的表示在程序中可以用如下表達(dá)式來實(shí)現(xiàn): IF<前提>THEN<動作>或<結(jié)論> 一般來講,前提部分是和事實(shí)匹配的已知條件,通常允許包括一些變量,結(jié)論可以為字串、關(guān)系表達(dá)式、邏輯表達(dá)式、函數(shù)。如下例所示: 命題吸收脈動可用氣囊式蓄能器; 規(guī)則表示IF用于吸收脈動THEN選氣囊式蓄能器。 2·2推理機(jī) 推理機(jī)是運(yùn)用特定的控制策略并利用知識庫及數(shù)據(jù)庫中的信息去求解實(shí)際問題。知識表示方法和知識庫的結(jié)構(gòu)不同,所用的推理方法也不同,應(yīng)用較為廣泛的是條件檢索和執(zhí)行推理,這是一種適用于以規(guī)則方法描述知識的推理,由這種推理方法和規(guī)則表示組成的求解系統(tǒng)即是產(chǎn)生式系統(tǒng)。在產(chǎn)生式系統(tǒng)中推理策略有正向推理、反向推理和正反向混合推理。 一般就程序設(shè)計來說,推理機(jī)的編寫是專家系統(tǒng)中難度較大的一部分。但是推理機(jī)是專家系統(tǒng)的核心部分,鑒于設(shè)計所涉及的解空間相當(dāng)大,初始條件稍微變化就可能得出不同的解,而正向推理很適合這一類問題,另外正向推理靈活、簡單、求解范圍寬,條件充足的話,很容易形成一定的聯(lián)想功能,適合設(shè)計性專家系統(tǒng)的推理特征,所以本軟件采用正向推理。但是正向推理存在搜索效率低、解題速度慢的缺點(diǎn),為了解決這個問題,本軟件系統(tǒng)對知識采用模塊分組的方式組織,進(jìn)行分層推理,即正向分層式推理。系統(tǒng)運(yùn)行時,推理機(jī)首先調(diào)用規(guī)則庫中的規(guī)則模塊,將輸入數(shù)據(jù)與規(guī)則庫中規(guī)則的前提部分相比較,激活相匹配的規(guī)則,再根據(jù)此規(guī)則來調(diào)用相應(yīng)的規(guī)則。下面以蓄能器的工作過程為例說明推理過程,如圖2所示。 
其中:process-工作過程參數(shù)。工作過程規(guī)則庫中的三條規(guī)則如下: if process=1 then絕熱過程; if process=2 then等溫過程; if process=3 then多變過程。 3結(jié)論 本文首次將“嵌入式”專家系統(tǒng)應(yīng)用于蓄能器及其回路的CAD設(shè)計中,知識豐富,結(jié)構(gòu)合理,自學(xué)習(xí)功能使程序可以不斷地擴(kuò)充知識庫,采用了模塊化分層結(jié)構(gòu),進(jìn)行正向分層式推理,從而以較低的費(fèi)用實(shí)現(xiàn)了軟件的智能化。 摘自：中國計量測控網(wǎng)
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