飼料工藝與設(shè)備專家系統(tǒng)推理機(jī)的研究

陳寧春

在飼料工藝與設(shè)備專家系統(tǒng)中，系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)四個主要功能，即飼料機(jī)械故障診斷、飼料機(jī)械主要技術(shù)參數(shù)查詢、飼料設(shè)備查詢以及飼料標(biāo)準(zhǔn)查詢等。根據(jù)領(lǐng)域知識的特點(diǎn)，系統(tǒng)采用了被動型獲取知識的方式實(shí)現(xiàn)知識的獲取，運(yùn)用了基于框架結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生式知識表示法將系統(tǒng)知識形成規(guī)則裝入知識庫，并選用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)Microsoft Access 2003實(shí)現(xiàn)了知識庫。選擇基于沖突消解的以正向推理為主，反向推理為輔的混合推理控制策略，運(yùn)用Microsoft Active Server Pages實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的推理機(jī)并創(chuàng)建了友好的人機(jī)界面。

飼料工藝與設(shè)備專家系統(tǒng)的核心部件主要指兩個部分：其一是由飼料工藝與設(shè)備的專業(yè)知識經(jīng)過分類組織所形成的知識庫，其二為運(yùn)用知識進(jìn)行推理時所要遵循的推理機(jī)制，簡稱為推理機(jī)。推理是指根據(jù)一定的原則（公理或規(guī)則）從已知的事實(shí)（或判斷）推出新的事實(shí)（或另外的判斷）的思維過程，其中推理所依據(jù)的事實(shí)叫做前提，由前提所推出的新的事實(shí)叫做結(jié)論，基于知識推理的計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)就構(gòu)成了專家系統(tǒng)的推理機(jī)[1]。對于飼料工藝與設(shè)備專家系統(tǒng)而言，推理是以系統(tǒng)中知識庫所包含的專業(yè)領(lǐng)域知識為前提的，依據(jù)一定的規(guī)則推導(dǎo)出求解問題的結(jié)論的過程。

飼料工藝與設(shè)備專家系統(tǒng)性能的高低不僅由知識庫中所包含的專業(yè)領(lǐng)域知識決定，同時還要受到系統(tǒng)對專業(yè)知識的選擇和運(yùn)用能力的制約。推理機(jī)之所以成為專家系統(tǒng)核心部件之一，是因?yàn)橥评頇C(jī)控制著基于知識推理的兩個關(guān)鍵性問題，一是系統(tǒng)在求解問題時如何運(yùn)用推理控制策略來選擇知識，二是系統(tǒng)如何通過推理方式實(shí)現(xiàn)對知識的應(yīng)用，具體的機(jī)制如圖1所示。飼料工藝與設(shè)備專家系統(tǒng)采用的是基于框架結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生式知識表示法，所以系統(tǒng)采用的推理方式既有基于框架的推理，又有基于規(guī)則的推理，是一種混合的推理方式。而系統(tǒng)的推理控制策略主要解決的問題是控制系統(tǒng)在求解問題的過程中對知識的選擇所要遵守的規(guī)則，也就是要確定推理工作的先后順序，并根據(jù)問題求解的過程中出現(xiàn)的異常情況確定處理的方法，所以選擇合適的推理控制策略對系統(tǒng)推理機(jī)的實(shí)現(xiàn)尤為重要。

圖1 推理機(jī)的基本工作機(jī)制

1 系統(tǒng)推理控制策略的選擇

飼料工藝與設(shè)備專家系統(tǒng)有一整套完備而嚴(yán)密的推理機(jī)制，其推理的方式已經(jīng)根據(jù)系統(tǒng)采用的知識表示方式確定為基于框架和規(guī)則的混合推理方式，對于系統(tǒng)推理控制策略的選擇，則主要依據(jù)專業(yè)領(lǐng)域知識的特性、系統(tǒng)選用的知識表示方法、人類專家對專業(yè)領(lǐng)域問題求解的一般思路來決定，下面就系統(tǒng)推理控制策略的選擇進(jìn)行論述。

1.1 推理控制策略概述

目前應(yīng)用于專家系統(tǒng)中的推理控制策略主要有沖突消解策略、正向推理控制策略、反向推理控制策略、混合推理策略、雙向推理策略等。

（1）沖突消解策略主要解決如何從多條可用的知識中選出一條合理的知識的問題，簡單的沖突消解策略是將多條知識按一定的規(guī)則進(jìn)行優(yōu)先級排序，排序規(guī)則大致有專一性排序、數(shù)據(jù)排序、就近排序、分塊組織、數(shù)據(jù)冗余限制等幾類。沖突消解策略是一種基本的推理控制策略，運(yùn)用其他的推理控制策略時往往都會涉及到?jīng)_突消解策略。

（2）正向推理又稱為前向推理、數(shù)據(jù)驅(qū)動控制、自底向上控制等，這種控制策略是根據(jù)用戶所提供的已知數(shù)據(jù)通過沖突消解從知識庫中選取知識，通過執(zhí)行選取的知識改變求解的狀態(tài)，逐步地達(dá)到求解問題的目的。正向推理控制策略的優(yōu)勢在于用戶可以通過系統(tǒng)主動地提供與求解問題相關(guān)的信息，系統(tǒng)可以依據(jù)用戶所提供的數(shù)據(jù)能做出快速的反應(yīng)，但正向推理具有一定的盲目性，在推理時可能進(jìn)行了很多無助于解決問題的工作，其推理效率較為低下。

（3）反向推理也稱為后向推理、目標(biāo)驅(qū)動控制、從頂向下控制等，該控制策略首先設(shè)定一個結(jié)論，然后調(diào)用知識庫中有該結(jié)論的知識，分別檢查這些知識的前提條件是否符合用戶的條件，若符合則設(shè)定的結(jié)論正確，否則繼續(xù)尋找。反向推理控制策略的優(yōu)點(diǎn)是方向性強(qiáng)，缺點(diǎn)是初始的結(jié)論選擇也具有較強(qiáng)的盲目性，對于符合設(shè)定目標(biāo)的知識數(shù)目較多的系統(tǒng)就無法快速的得到結(jié)論了。

（4）混合推理控制策略是綜合運(yùn)用正向推理和反向推理的控制策略，它首先用正向推理選擇初始目標(biāo)，再用反向推理求解該目標(biāo)，求解的過程可以反復(fù)使用正向推理－反向推理這一過程，利用兩頭逼近的方法直至問題求解為止。混合推理控制策略的基本算法如下：

這種方法充分的發(fā)揮了正向推理和反向推理的優(yōu)勢，有效地回避了正向推理和反向推理的缺陷，加快了推理的速度，提高了推理的效率，是一種較為有效的控制策略。

（5）雙向推理控制策略是同時進(jìn)行正向推理和反向推理，以達(dá)到一個中間結(jié)果的“接合”。由于雙向推理控制策略實(shí)現(xiàn)起來比較困難，所以目前還比較少見運(yùn)用這種推理控制策略的專家系統(tǒng)。

1.2 系統(tǒng)推理控制策略選擇分析

根據(jù)各種推理控制策略的優(yōu)缺點(diǎn)，結(jié)合飼料工藝與設(shè)備專家系統(tǒng)知識的特點(diǎn)、知識的表示方法以及人類專家解決相關(guān)問題的一般思路等諸多因素，系統(tǒng)采用了基于沖突消解的以正向推理為主，反向推理為輔的混合推理控制策略，選擇的依據(jù)具體如下。

由于飼料工藝與設(shè)備專家系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的主要功能為飼料機(jī)械故障診斷、飼料機(jī)械主要技術(shù)參數(shù)查詢、飼料設(shè)備查詢以及飼料標(biāo)準(zhǔn)查詢，其中的三個查詢模塊的推理流程相對比較簡單，基本上屬于精確推理，結(jié)合系統(tǒng)采用了產(chǎn)生式知識表示法，系統(tǒng)推理機(jī)主要采用了正向推理的控制策略，這樣可以充分發(fā)揮正向推理控制策略的優(yōu)勢。但在飼料機(jī)械故障診斷模塊中，由于涉及的設(shè)備類型比較多，系統(tǒng)知識庫中相關(guān)的數(shù)據(jù)比較繁雜。如在飼料機(jī)械故障診斷子模塊中，涉及可能出現(xiàn)故障的設(shè)備種類有9大類，有68種常見的機(jī)械故障，共208種產(chǎn)生機(jī)械故障的原因。具體的，粉碎機(jī)常見的機(jī)械故障歸納起來共有8種故障現(xiàn)象，其中可能造成粉碎機(jī)劇烈振動這一故障現(xiàn)象的原因就有10種之多，具體如圖2所示；又如圖3所示，生產(chǎn)線上出現(xiàn)飼料生產(chǎn)量顯著下降，達(dá)不到要求的現(xiàn)象時，可能會涉及粉碎機(jī)、制粒機(jī)、膨脹器、分級篩等四種機(jī)械，可能產(chǎn)生這種故障現(xiàn)象的原因多達(dá)17種，而且故障的現(xiàn)象有可能是單一機(jī)械單一因素導(dǎo)致的結(jié)果，也有可能是幾種機(jī)械多種因素共同作用的結(jié)果，這時的故障原因推理屬于典型的不精確推理。這時如果系統(tǒng)還只是機(jī)械地、簡單地運(yùn)用正向推理進(jìn)行問題求解，知識啟用與執(zhí)行將會顯得比較盲目，系統(tǒng)運(yùn)行時有可能會執(zhí)行許多與問題求解無關(guān)的操作，這將會耗費(fèi)大量的時間，導(dǎo)致推理效率低下，直接影響系統(tǒng)的整體性能，因此有必要在正向推理的基礎(chǔ)上添加一些新的控制策略，以改善系統(tǒng)推理機(jī)的工作效能。

進(jìn)行飼料機(jī)械故障診斷推理時，應(yīng)該盡可能地模仿人類專家在求解這方面問題時的常規(guī)思維方式，人類專家一般會依據(jù)經(jīng)驗(yàn)先核查那些導(dǎo)致故障幾率較大的因素，然后依次排查出現(xiàn)相同故障幾率較少的因素，這樣才能有效地提高故障診斷的效率。因此，系統(tǒng)推理機(jī)要解決的問題有兩個，一是對導(dǎo)致同一故障現(xiàn)象的所有原因依據(jù)經(jīng)驗(yàn)按照出現(xiàn)幾率大小進(jìn)行排序，二是在排查故障原因時，要按照發(fā)生幾率從大到小的順序進(jìn)行推理。

圖2 粉碎機(jī)常見故障及原因（部分）

圖3 可能造成生產(chǎn)量顯著下降所涉及的機(jī)械

為了解決第一個問題，系統(tǒng)借助了生產(chǎn)式知識表示法中的可信度因子，在飼料機(jī)械故障診斷模塊中，產(chǎn)生式知識表示法的表達(dá)式如下：

IF＜故障原因＞，THEN＜故障現(xiàn)象＞＜可信度因子＞

其中可信度因子（即CF值）表示由故障原因?qū)е鹿收犀F(xiàn)象的準(zhǔn)確程度。當(dāng)可信度因子的值比較大時，則表示由該故障原因?qū)е鹿收犀F(xiàn)象的幾率是比較高的，反之則比較低。將表示導(dǎo)致同一故障現(xiàn)象的所有原因的規(guī)則按照可信度因子的大小進(jìn)行排序也就解決了第一個問題。在進(jìn)行故障原因診斷的不精確推理時，要解決推理的先后順序按照各規(guī)則可信度因子的值由大到小的順序進(jìn)行，就要在正向推理的基礎(chǔ)上添加了沖突消解策略，沖突消解的排序策略采用數(shù)據(jù)排序，按照規(guī)則的可信度因子由大到小依次進(jìn)行選擇。通過在正向推理控制策略的基礎(chǔ)之上輔助使用了沖突消解控制策略，彌補(bǔ)了正向推理方向性不強(qiáng)的弱點(diǎn)，使系統(tǒng)的推理機(jī)得到了進(jìn)一步的完善。

同時系統(tǒng)在機(jī)械故障原因推理這個環(huán)節(jié)還嘗試引入了反向推理控制策略，用戶在系統(tǒng)的提示下選擇了故障現(xiàn)象后，系統(tǒng)會逐一假設(shè)出導(dǎo)致故障現(xiàn)象的多種可能的原因，這一系列的原因已經(jīng)按照可信度因子由大到小進(jìn)行了排序，此時用戶需要依次逐條地進(jìn)行排查，直至找出具體的原因，完成“假設(shè)－測試”的策略，即反向推理策略。系統(tǒng)采用了基于沖突消解的正向推理為主、反向推理為輔的推理控制策略，綜合發(fā)揮了三種推理控制策略的優(yōu)勢，極大地改善了推理機(jī)的性能。

2 系統(tǒng)推理流程

在飼料工藝與設(shè)備專家系統(tǒng)中，因?yàn)楦鱾€模塊的知識會按照各自的框架結(jié)構(gòu)儲存于知識庫中，知識多采用了產(chǎn)生式知識表示方法，運(yùn)用的是關(guān)系型數(shù)據(jù)庫的二維表進(jìn)行組織和表述，因此模塊中的知識具有很強(qiáng)的層次性和因果關(guān)系，這樣的方式更接近人類對知識的認(rèn)識和理解，所以推理的過程基本上采用的是正向推理控制策略。在飼料機(jī)械故障診斷模塊中，進(jìn)行故障原因排查時，不僅輔助使用了沖突消解的控制策略，同時還嘗試引用了反向推理策略，較好地解決了正向推理盲目性的問題。系統(tǒng)推理的具體過程如圖4所示。

3 推理控制策略的實(shí)現(xiàn)

在飼料工藝與設(shè)備專家系統(tǒng)中采用了基于沖突消解控制策略的以正向推理為主、反向推理為輔的混合推理控制策略。下面以飼料機(jī)械故障診斷模塊中診斷粉碎機(jī)進(jìn)料口反噴這一故障原因?yàn)槔f明系統(tǒng)推理控制策略的實(shí)現(xiàn)。

在系統(tǒng)主頁中選擇進(jìn)入飼料機(jī)械故障診斷模塊后，首先按照頁面提示選擇設(shè)備名稱為粉碎機(jī)，確認(rèn)后在故障現(xiàn)象排查頁中選擇“進(jìn)料口反噴”，確認(rèn)后進(jìn)入故障原因排查頁，其中列舉了產(chǎn)生“進(jìn)料口反噴”這一故障的可能的五種原因，這些原因按照規(guī)則的可信度從大到小進(jìn)行了排列，此時用戶需要依據(jù)系統(tǒng)假設(shè)的五種原因結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際情況可以依次逐條地進(jìn)行排查，在這個環(huán)節(jié)系統(tǒng)采用了反向推理控制策略，目的在于通過與用戶的交互提高推理的速度和效率，最后系統(tǒng)將會根據(jù)用戶的選擇在診斷結(jié)果頁中顯示推理的過程及系統(tǒng)診斷的排除故障的應(yīng)對措施。具體的推理過程如圖5所示。

4 結(jié)語

圖4 飼料工藝與設(shè)備專家系統(tǒng)推理流程

圖5 粉碎機(jī)進(jìn)料口反噴故障診斷推理過程

飼料工藝與設(shè)備專家系統(tǒng)依據(jù)專業(yè)知識的特點(diǎn)、系統(tǒng)知識表示的方式、人類專家解決相關(guān)問題的一般思路、系統(tǒng)所要實(shí)現(xiàn)的主要功能，系統(tǒng)采取了以正向推理為主的推理控制策略，由于考慮到飼料機(jī)械故障診斷模塊屬于典型的不精確推理系統(tǒng)，在運(yùn)用正向推理控制策略時同時導(dǎo)入了沖突消解的控制策略，同時在機(jī)械故障原因推理環(huán)節(jié)還運(yùn)用了反向推理控制策略，綜合運(yùn)用這三種推理控制策略，有利于改善正向推理目的性不強(qiáng)、效率過低的弱點(diǎn)，充分發(fā)揮了正、反向推理各自的優(yōu)點(diǎn)，完善系統(tǒng)的推理控制策略，提升了系統(tǒng)推理機(jī)的性能。