机械故障诊断学 钟秉林 第9章专家系统诊断原理

➢ 1957年诞生了第一个自动定理证明程序，称为逻辑理论家。 ➢ 20世纪60年代初，人工智能研究者便集中精力开发通用的方
法和技术，通过研究一般的方法来改变知识的表示和搜索，并 且使用它们来建立专用程序。 ➢ 到了60年代中期，知识在智能行为中的地位受到了研究者的 重视，这就为以专门知识为核心、求解具体问题的基于知识的 专家系统的产生奠定了思想基础。
它起源于1982年美国学者Roger Schank，关于人类学习和回忆的动态存储模
型的研究工作。
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一、概述
➢基于框架的专家系统
框架(Frame) 是将某类对象的所有知识组织在一起的一种通用数据结构,而相互 关联的框架连接组成框架系统。
➢基于模糊逻辑的专家系统
模糊理论的概念由美国加利福尼亚大学著名教授扎德在他的《Fuzzy Sets》和 《Fuzzy Algorithm》等著名论著中首先提出。模糊性是指客观事物在状态及其 属性方面的不分明性，其根源是在类似事物间存在一系列过渡状态，它们互相渗 透、互相贯通，使得彼此之间没有明显的分界线。
➢专家系统通常由5个基本组成部分：知识库、推理机、数据库以及解释程序、
知识获取程序。
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二、 专家系统的基本结构及其功能
2.知识库
➢ 知识库是专家系统的核心;
➢ 知识库是专家知识、经验与书本知识、常识的存储器； ➢ 专家诊断系统知识库通常包括：
✓ 背景知识:背景知识作为辅助信息，在推理过程中起着重要作用。如设备运行规范可以
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二、 专家系统的基本结构及其功能
✓ 控制性知识
对领域知识起指导作用的知识，如引导规则的选择、控制推理路径及指明 诊断系统在诊断过程中对机组运行数据进行何种分析等。
✓ 决策知识
机组发生某故障时应采取的措施。它包括机组本身的运行规程和领域专家 处理该类故障时的措施方法，另外，还包括在不能确诊某故障时向用户建议 应重点监测何种信号及注意事项。
成为诊断过程中触发、激活某一诊断规则的依据等。
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二、 专家系统的基本结构及其功能
✓ 诊断知识
领域专家在长期的诊断实践中积累起来的知识和经验。产生式规则表达： IF <现象> THEN <假设> WITH <可信度> 现象：观察到的机组症状； 假设：表示机组的故障或中间结论； 可信度：表示在观察到这些“现象”后，推断机组具有这类故障的可信程度。 一般诊断知识按故障树结构分层组织。
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一、概述
• 一般认为，专家系统就是应用于某一专门领域，由知识工 程师通过知识获取手段，将领域专家解决特定领域的知识， 采用某种知识表示方法编辑或自动生成某种特定表示形式， 存放在知识库中，然后用户通过人机接口输入信息、数据 或命令，运用推理机构控制知识库及整个系统，能像专家 一样解决困难的和复杂的实际问题的计算机（软件）系统。
➢ 其中，最为代表的是肖特立夫等人的MYCIN系统，该系统用 于诊断和治疗血液感染和脑炎感染，可给出处方建议（提供 抗菌剂治疗建议），不但具有很高的性能，而且具有解释功 能和知识获取功能。MYCIN系统是专家系统的经典之作，它 的知识表示系统用带有置信度的“IF—THEN”规则来表示， 并使用不确定性推理方法进行推理。MYCIN由LISP语言写成， 所有的规则都表达成LISP表达式。它是一个面向目标求解的 系统，使用反向推理方法，并利用了很多的启发式信息。
专家系统的应用日益广泛，处理问题的难度和复 杂度不断增大，导致了传统的专家系统无法满足较为 复杂的情况，迫切需要新的技术去支持。
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一、概述
• 从80年代后期开始，一方面随着面向对象、神经网络和模 糊技术等新技术迅速崛起，为专家系统注入了新的活力；
➢ 另一方面计算机的运用也越来越普及，而且对智能化的要 求出越来越高。由于这些技术发展的成熟，并成功运用到 专家系统之中，使得专家系统得到更广泛的运用。
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一、概述
➢基于D-S证据理论的专家系统
D-S证据理论是由Dempster于1967年提出的，他首先提出了上、下界概率的定义， 后由Shafer于1976年加以推广和发展，故人们也把证据理论称为D - S理论。
➢基于人工神经网络的专家系统
人工神经网络（Artificial Neural Network ，ANN）是仿效生物体信息处理系统获 得柔性信息处理能力。它是从20世纪80年代后期开始兴起：由理论研究阶段发展到应 用阶段。
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二、 专家系统的基本结构及其功能
➢ 知识库的结构形式取决于所采用的知识表示方式，常用的有：逻辑表示、语义
网络表示、规则表示、框架表示和子程序表示等。 用产生式规则表达知识的方法是目前专家系统中应用最普遍的一种方法。
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二、 专家系统的基本结构及其功能
3.数据库
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一、概述
• 1965年在美国国家航空航天局要求下，斯坦福大 学研制成功了DENRAL系统，DENRAL的初创工作 引导人工智能研究者意识到智能行为不仅依赖于 推理方法，更依赖于其推理所用的知识。该系统 具有非常丰富的化学知识，是根据质谱数据帮助 化学家推断分子结构，被广泛地应用于世界各地
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二、 专家系统的基本结构及其功能
✓ 机组病例与运行档案
描述机组以往诊断病例及其安装维修的记录情况，它对如何沿最有可能的故 障方向进行诊断推理具有很大影响。
✓ 过程性知识
一系列分析计算程序，以独立的模块形式存在，在诊断过程中需要时被调用 。如在诊断中需要获取某振动信号关于转速频率的谱峰情况，就需调用 FFT频 谱计算程序。
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一、概述
• 另一个非常成功的专家系统是PROSPCTOR系统，它用 于辅助地质学家探测矿藏，是第一个取得明显经济效益的 专家系统。PROSPCTOR的性能据称完全可以同地质学家 相比拟。它在知识的组织上，运用了规则与语义网相结合 的混合表示方式，在数据不确定和不完全的情况下，推理 过程运用了一种似然推理技术。
➢ 除这些成功实例以外，在这一时期另外两个影响较大的专 家系统是斯坦福大学研制的AM系统及PUFF系统。AM是 一个用机器模拟人类归纳推理、抽象概念的专家系统，而 PUFF是一个肺功能测试专家系统，经对多个实例进行验 证，成功率达93%。
诸多专家系统地成功开发，标志着专家系统逐渐走 向成熟。
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以从类似机器获取）的大型动态系统，如针对汽轮发电机组等研发的诊断专家系统，已经 在工程实际中取得了良好的经济效益。
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一、概述Leabharlann 3.专家系统的分类（按推理规则分）
➢基于规则的专家系统
基于规则推理（Rule Base Reasoning，RBR）的方法是根据以往专家诊断的 经验, 将其归纳成规则, 通过启发式经验知识进行推理。
数据库
推理机
知识库
知识表示
知识库管理
工况分析
诊断结果解释
知识获取
工况报表
动态黑板
诊断结果
诊断实例
实用专家系统框图
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二、 专家系统的基本结构及其功能
特点：
➢专家系统是包含知识和推理的智能计算机程序； ➢求解问题的知识与程序和数据结构分离。增强了系统的适应性和灵活性；（vs
传统的计算机应用程序：求解问题的知识隐含在程序和数据结构中）
• 专家系统有三个特点，即： ✓ 启发性，能运用专家的知识和经验进行推理和判断； ✓ 透明性，能解决本身的推理过程，能回答用户提出的问题； ✓ 灵活性，能不断地增长知识，修改原有的知识。
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一、概述
1.1 初创期
• 人工智能早期工作都是学术性的，其程序都是用来开发游戏的。 尽管这些努力产生了如国际象棋、跳棋等有趣的游戏，但其真 实目的在于计算机编码加入人的推理能力，以达到更好的理解。 在这阶段的另一个重要领域是计算逻辑。
➢ 在这期间开发的专家系统按其处理问题的类型可以分为： 解释型、预测型、诊断型、设计型、规划型、监视型、调 试型、修正型、教学型和控制型。
➢ 其应用领域也涉及到农业、商业、化学、通信、计算机系 统、医学等多个方面，并已成为常用的解决问题的手段之 一。
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一、概述
2.在故障诊断中的应用
➢ 20世纪70年代初，匹兹堡大学的鲍波尔和内科医生合作 研制了第一个用于医疗的内科病诊断咨询系统 INTERNIST。
这些系统的研制成功使得专家系统受到学术界及 工程领域的广泛关注。
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一、概述
1.2 成熟期
• 到20世纪70年代中期，专家系统已逐步成熟起来，其观点逐 渐被人们接受，并先后出现了一批卓有成效的专家系统。
机械故障诊断理论与方法
第2篇 基于人工智能的故障诊断技术
第9章 专家系统诊断原理
专家系统的基本结构及功能
内
推理机制
容
知识表示与知识获取
安
人工神经网络与专家系统
排
基于行为的故障诊断专家系统
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一、概述
1.专家系统历史与现状
• 作为人工智能一个重要分支的专家系统（Expert System， ES）是在20世纪60年代初期产生和发展起来的一门新兴的 应用科学，而且正随着计算机技术的不断发展而日臻完善 和成熟。1982年美国斯坦福大学教授费根鲍姆给出了专家 系统的定义： 专家系统是一种智能的计算机程序，这种程序使用知识与推 理过程，求解那些需要杰出人物的专门知识才能求解的复 杂问题。