基于可信度的計(jì)算機(jī)故障診斷專家系統(tǒng)

劉放美　王扣金　蔡增玉　蒙應(yīng)杰

摘 要： 設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了基于可信度的計(jì)算機(jī)故障診斷專家系統(tǒng)。給出了功能需求分析和功能設(shè)計(jì)；對(duì)系統(tǒng)的知識(shí)表示、推理機(jī)制及可信度計(jì)算等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究；給出了基于可信度的計(jì)算機(jī)故障診斷專家系統(tǒng)的測(cè)試結(jié)果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)界面美觀、診斷準(zhǔn)確、功能完整，具有一定的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞： 可信度； 故障診斷； 知識(shí)表示； 專家系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TP389.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1006-8228（2015）11-12-04

Abstract： A credibility based computer fault diagnosis expert system is designed and implemented in this paper. The function requirement analysis and function design are presented， the key technology such as the system knowledge representation， reasoning mechanism and credibility calculation are studied， and the test results of the system are given out. The experiment results show that the system has a beautiful interface， accurate diagnosis and complete function， and has a certain application prospect.

Key words： credibility； fault diagnosis； knowledge representation； expert system

0 引言

專家系統(tǒng)（Expert System，ES）[1]是人工智能的一個(gè)重要分支，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展、日臻完善和成熟。專家系統(tǒng)的建立可以使專家豐富而寶貴的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)更好的傳承和被利用，進(jìn)而產(chǎn)生社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。當(dāng)今社會(huì)，計(jì)算機(jī)幾乎成為各個(gè)領(lǐng)域必不可少的工具，它在使用過(guò)程中出現(xiàn)故障也是在所難免的，因此對(duì)各種計(jì)算機(jī)故障進(jìn)行及時(shí)地診斷與維修非常重要，建立計(jì)算機(jī)故障診斷專家系統(tǒng)對(duì)于提高維修人員的工作效率和降低維修成本有十分重要的意義。但關(guān)于計(jì)算機(jī)故障診斷專家系統(tǒng)的研究和構(gòu)建較少，并且主要集中在知識(shí)表示和推理機(jī)制的研究上。文獻(xiàn)[2]主要研究了計(jì)算機(jī)故障診斷專家系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)；文獻(xiàn)[3]僅給出了數(shù)據(jù)表的設(shè)計(jì)和推理機(jī)制的選擇；文獻(xiàn)[4]構(gòu)建了基于本體和規(guī)則的計(jì)算機(jī)故障診斷專家系統(tǒng)，但是其基于確定性的推理，無(wú)法給出各種故障可能性的大小。因此，本文給出一種基于可信度的計(jì)算機(jī)故障診斷專家系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，其目的在于使缺乏計(jì)算機(jī)專業(yè)知識(shí)的用戶通過(guò)本系統(tǒng)對(duì)常見(jiàn)的故障進(jìn)行診斷，并為維修提供一定的指導(dǎo)。測(cè)試結(jié)果表明該系統(tǒng)能夠滿足上述要求。

1 需求分析和功能設(shè)計(jì)

1.1 功能需求分析

隨著計(jì)算機(jī)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，相應(yīng)的各種故障也出現(xiàn)了。一般都是由維修人員根據(jù)自己的經(jīng)驗(yàn)判斷故障類型并進(jìn)行維修，而沒(méi)有維修經(jīng)驗(yàn)的計(jì)算機(jī)普通用戶則需要經(jīng)過(guò)很長(zhǎng)一段時(shí)間的積累才能掌握一定的維修技術(shù)。因此，設(shè)計(jì)一個(gè)計(jì)算機(jī)故障診斷系統(tǒng)來(lái)幫助普通用戶快速實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)故障診斷很有意義。本文給出了一種基本符合實(shí)際操作的基于可信度的計(jì)算機(jī)故障診斷專家系統(tǒng)。用戶能夠利用該系統(tǒng)對(duì)計(jì)算機(jī)出現(xiàn)的各種常見(jiàn)故障現(xiàn)象、故障點(diǎn)進(jìn)行有效的查詢，對(duì)故障原因作出正確的診斷，對(duì)可信度進(jìn)行正確的評(píng)價(jià)。其實(shí)現(xiàn)的主要功能有：故障原因診斷、新知識(shí)的增加、刪除和更新可信度計(jì)算，以及故障處理方法指導(dǎo)等。

1.2 功能設(shè)計(jì)

基于可信度的計(jì)算機(jī)故障診斷專家系統(tǒng)的主要任務(wù)是對(duì)計(jì)算機(jī)常見(jiàn)故障進(jìn)行診斷，該系統(tǒng)的主要功能有：故障原因診斷、知識(shí)管理和故障處理方法查詢等。

⑴ 故障原因診斷：診斷出故障點(diǎn)和故障原因。由于引起某個(gè)故障現(xiàn)象的故障部位可能不止一個(gè)，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)在進(jìn)行故障原因診斷時(shí)，首先診斷出可能導(dǎo)致該故障現(xiàn)象的故障部位，然后根據(jù)不同的故障點(diǎn)信息給出可能的故障原因，并給出診斷結(jié)果的可以信任的程度。

⑵ 知識(shí)管理：本系統(tǒng)將知識(shí)轉(zhuǎn)化為規(guī)則存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中。知識(shí)管理包括規(guī)則的添加、更新和刪除。用戶在診斷過(guò)程中若某種故障現(xiàn)象系統(tǒng)中沒(méi)有存儲(chǔ)，那么用戶可將這些新的知識(shí)添加到數(shù)據(jù)庫(kù)中；若發(fā)現(xiàn)某條規(guī)則不精確，可通過(guò)規(guī)則更新將本條規(guī)則補(bǔ)充完善；若規(guī)則出現(xiàn)錯(cuò)誤，可通過(guò)刪除規(guī)則刪除對(duì)應(yīng)規(guī)則。

⑶ 故障處理方法查詢：主要功能是給出故障處理方法供維修參考，并給出相關(guān)維修案例。

2 關(guān)鍵技術(shù)

基于可信度的計(jì)算機(jī)故障診斷專家系統(tǒng)采用Visual Studio 2010開(kāi)發(fā)，編程語(yǔ)言為C#，數(shù)據(jù)庫(kù)為SQL Server 2008。其中的關(guān)鍵技術(shù)主要有知識(shí)表示、推理機(jī)制和可信度計(jì)算。

2.1 知識(shí)表示

知識(shí)是信息經(jīng)過(guò)加工處理、解釋、挑選和改造而形成的，是人們進(jìn)行決策的基礎(chǔ)。知識(shí)是一種寶貴的資源，知識(shí)的推廣和使用可以產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益。人工智能中的知識(shí)表示形式有產(chǎn)生式、與或圖、語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)、框架等[5]，專家系統(tǒng)中使用基于產(chǎn)生式的知識(shí)表示方法居多。產(chǎn)生式規(guī)則，以IF…THEN…的形式出現(xiàn)，如果前提條件得到滿足，就產(chǎn)生相應(yīng)的動(dòng)作或結(jié)論。

本系統(tǒng)的知識(shí)來(lái)源于算機(jī)維修人員的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)。首先獲取的知識(shí)主要包括故障現(xiàn)象、故障診斷規(guī)則和故障產(chǎn)生原因等。本系統(tǒng)提供了知識(shí)管理模塊，對(duì)于知識(shí)庫(kù)中沒(méi)有存儲(chǔ)的故障現(xiàn)象及原因，用戶可通過(guò)插入規(guī)則來(lái)進(jìn)行知識(shí)庫(kù)擴(kuò)充，這樣使得知識(shí)庫(kù)更加完善。

在數(shù)據(jù)庫(kù)中共設(shè)計(jì)存儲(chǔ)12種計(jì)算機(jī)常見(jiàn)故障，將數(shù)據(jù)庫(kù)中的故障診斷數(shù)據(jù)利用故障樹(shù)的形式具體表示出來(lái)。由于數(shù)據(jù)較多，我們只給出死機(jī)、重啟、顯示器黑屏這三種故障現(xiàn)象的故障樹(shù)信息。故障樹(shù)如圖1所示。圖1中省略了運(yùn)行速度降低、軟件運(yùn)行出錯(cuò)、不能啟動(dòng)、網(wǎng)絡(luò)連接不通、網(wǎng)絡(luò)速度太低、光驅(qū)不能讀盤、沒(méi)有聲音、設(shè)備找不到、器件損壞等八種故障現(xiàn)象。

本系統(tǒng)將知識(shí)以規(guī)則的形式存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中。根據(jù)故障樹(shù)，將故障樹(shù)信息轉(zhuǎn)化為規(guī)則存儲(chǔ)。規(guī)則以IF...THEN...的形式表示。下面僅對(duì)故障樹(shù)中死機(jī)現(xiàn)象以IF...THEN...的形式表示出來(lái)，如表1所示。

2.2 推理機(jī)制與可信度計(jì)算

推理機(jī)是故障診斷專家系統(tǒng)的核心組成之一。故障診斷專家系統(tǒng)使用正向推理、反向推理和混合雙向推理實(shí)現(xiàn)[6]。本系統(tǒng)采用正向推理策略進(jìn)行推理。將規(guī)則存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中，用戶運(yùn)行程序后，先查找所有數(shù)據(jù)，然后再根據(jù)用戶的選擇進(jìn)行篩選，此時(shí)，系統(tǒng)根據(jù)選擇的故障點(diǎn)信息進(jìn)行正向推理，找到匹配的故障原因解釋信息并將此信息顯示到窗口中。

系統(tǒng)同時(shí)設(shè)計(jì)有可信度計(jì)算功能?？尚哦龋褪悄撤N推理判斷的可以信任的程度，一般用CF表示，CF可以是從-1到+1，正值表示可以信任的程度，負(fù)值表示反對(duì)或不相信的程度。程序運(yùn)行后診斷出故障原因后并同時(shí)計(jì)算出可能出現(xiàn)該故障的概率即可信度。本文在進(jìn)行故障原因診斷時(shí)，故障點(diǎn)發(fā)生故障的概率為觸發(fā)該故障點(diǎn)的所有規(guī)則的可信度之和。

3 系統(tǒng)測(cè)試

3.1 運(yùn)行界面

基于可信度的計(jì)算機(jī)故障診斷專家系統(tǒng)主要有三個(gè)功能模塊，分別為故障原因診斷、知識(shí)管理和故障處理方法查詢模塊。本系統(tǒng)是基于.NET平臺(tái)進(jìn)行開(kāi)發(fā)的，在Windows平臺(tái)下運(yùn)行。系統(tǒng)運(yùn)行界面如圖2和圖3所示。

3.2 故障診斷結(jié)果

本文通過(guò)逐步增加故障現(xiàn)象，測(cè)試故障診斷結(jié)果。測(cè)試用例逐步增加“重啟”、“顯示器黑屏”、“沒(méi)有聲音”等故障現(xiàn)象，故障點(diǎn)電源的故障原因及可能性與故障現(xiàn)象的對(duì)應(yīng)關(guān)系測(cè)試結(jié)果如表2所示。結(jié)果表明，基于可信度的計(jì)算機(jī)故障診斷專家系統(tǒng)對(duì)于計(jì)算機(jī)常見(jiàn)故障可做出初步的診斷，并給出故障原因和可信度值。

3.3 功能測(cè)試

功能測(cè)試方面，根據(jù)功能設(shè)計(jì)對(duì)基于可信度的計(jì)算機(jī)故障診斷專家系統(tǒng)的各種功能進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表3所示。測(cè)試結(jié)果表明，本系統(tǒng)所涉及的功能都能夠?qū)崿F(xiàn)，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)計(jì)算機(jī)故障原因診斷以及可信度的推斷。

4 總結(jié)

本文實(shí)現(xiàn)了基于可信度的計(jì)算機(jī)故障診斷專家系統(tǒng)，用戶界面簡(jiǎn)潔大方、操作簡(jiǎn)單，故障原因診斷準(zhǔn)確快速，并有完善的異常處理機(jī)制和信息提示機(jī)制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了較為完整的計(jì)算機(jī)故障診斷專家系統(tǒng)的功能，具有一定的應(yīng)用前景，也為下一步的改進(jìn)奠定了基礎(chǔ)。下一步的工作主要是對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)和完善：①進(jìn)一步完善知識(shí)庫(kù)，使存儲(chǔ)的知識(shí)更加精確，這樣也使診斷結(jié)果更加可信；②豐富系統(tǒng)維修建議方面的功能，以期在進(jìn)行故障診斷時(shí)也能夠給出準(zhǔn)確的維修方法；③優(yōu)化可信度計(jì)算算法，提高可信度的精確值。

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