基于XML的鍋爐故障診斷專家系統(tǒng)的知識庫構(gòu)建

李大偉

(承德石油高等?？茖W(xué)校 人事處，河北　承德　067000)

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基于XML的鍋爐故障診斷專家系統(tǒng)的知識庫構(gòu)建

李大偉

(承德石油高等?？茖W(xué)校 人事處，河北承德067000)

摘要：為鍋爐故障診斷與應(yīng)急的智能型專家系統(tǒng)提供技術(shù)支持，利用XML技術(shù)對鍋爐常見故障及對策的專家知識進行表達，并以此為基礎(chǔ)對鍋爐故障診斷專家知識庫進行初步設(shè)計，利用XML技術(shù)能夠提高專家知識的匹配和檢索速度，提升系統(tǒng)性能。

關(guān)鍵詞：XML；故障診斷；專家系統(tǒng)；知識庫；知識表達

專家系統(tǒng)是將某一特定領(lǐng)域的經(jīng)過實踐驗證的專家知識利用一定編碼技術(shù)存儲在計算機中，可以用來解決一些現(xiàn)實問題的分析決策的計算機系統(tǒng)，其核心問題是獲取專家知識與專家知識的表達與儲存。在專家系統(tǒng)中專家知識庫和利用知識庫知識解決問題的推理機二者有機結(jié)合，才能保證專家系統(tǒng)有效工作。作為人工智能中的重要應(yīng)用領(lǐng)域，專家系統(tǒng)實現(xiàn)了人工智能技術(shù)從理論走向應(yīng)用的過渡與突破。知識庫(Knowledge Base)是一種具有全面性、組織性和邏輯性的知識集群，其具有結(jié)構(gòu)化、易操作、易利用等特點。是為了解決某些領(lǐng)域問題，而采用特定的知識表示方式并在計算機中存儲、組織、管理和使用的互相聯(lián)系的專家知識集合。因此專家知識表達方法的好壞是決定著智能系統(tǒng)優(yōu)劣的重要因素之一。常用的知識表示方法有產(chǎn)生式、框架式、語義網(wǎng)絡(luò)等方式。而定義語義標記的規(guī)則的可擴展標記語言XML，是利用標記將文檔系統(tǒng)劃分成許多部件并加以標識。作為一種成熟的元標記語言, XML能夠定義與特定問題領(lǐng)域相關(guān)的、具有語義信息的、結(jié)構(gòu)化的標記語言的句法, 這種方法有利于信息的表達和結(jié)構(gòu)化組織，能夠更加有效的進行數(shù)據(jù)檢索和處理。因此利用XML技術(shù)構(gòu)建專家系統(tǒng)的知識庫，可以更高效地管理和檢索系統(tǒng)所需的知識，提高專家系統(tǒng)的工作效率。

1鍋爐故障診斷專家系統(tǒng)分析

1.1鍋爐故障診斷專家系統(tǒng)的組成

鍋爐故障診斷專家系統(tǒng)由系統(tǒng)操作界面、鍋爐故障診斷與應(yīng)急知識庫、鍋爐故障診斷推理機、鍋爐故障解釋器、綜合數(shù)據(jù)庫、鍋爐故障數(shù)據(jù)監(jiān)測與獲取系統(tǒng)等6個部分構(gòu)成，見圖1。在以上的鍋爐故障診斷專家系統(tǒng)中，鍋爐故障診斷知識庫中存放的是相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜宜峁┑膶I(yè)知識和經(jīng)驗，故障數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)由分布在各個易發(fā)生故障部位的相應(yīng)傳感器組成，用來獲取鍋爐運行過程中的相關(guān)狀態(tài)數(shù)據(jù)。

鍋爐診斷專家系統(tǒng)的工作過程就是利用鍋爐故障診斷知識庫中儲存的專家知識進行模擬實際工作中領(lǐng)域?qū)＜业乃季S方式，因此，鍋爐故障診斷知識庫是專家系統(tǒng)質(zhì)量是否優(yōu)越的核心，即鍋爐故障診斷知識庫中知識的質(zhì)量和數(shù)量決定著鍋爐故障診斷專家系統(tǒng)水平的高低。儲存的知識包括鍋爐故障診斷與處理的相關(guān)理論知識、故障實例數(shù)據(jù)，由經(jīng)過實踐驗證的專家經(jīng)驗而得到的啟發(fā)性推理診斷知識，比如在鍋爐故障診斷工作中常用的故障定義、故障診斷定理和知識運算法則以及一些故障診斷的常識性知識等。

1.2鍋爐故障診斷專家系統(tǒng)中專家知識的組成

在鍋爐實際使用運行過程中，發(fā)生事故時首先要立即采取應(yīng)急措施，消除導(dǎo)致故障事故的根源，同時滿足系統(tǒng)負荷的需求要及時恢復(fù)機組正常運行。在設(shè)備確已不具備運行條件時或繼續(xù)運行對人身，設(shè)備有直接危害時，應(yīng)做停爐處理。

故障診斷專家系統(tǒng)的主要作用就是根據(jù)系統(tǒng)傳感器獲取的鍋爐運行中的相關(guān)數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)的數(shù)值變化獲取鍋爐運行的狀態(tài)，若數(shù)值異常專家系統(tǒng)會根據(jù)相關(guān)的專家知識診斷出當前故障所在位置和類型并給出解決方法甚至是直接干預(yù)鍋爐的工作過程，將故障排除，防止不安全隱患造成的危險。

鍋爐故障診斷專家系統(tǒng)中所儲存的知識可以分成水位異常、壓力異常、溫度異常和設(shè)備異常等。具體的知識分類如圖2所示。每種知識的分類，對應(yīng)著故障診斷系統(tǒng)中故障獲取機構(gòu)中的每個分系統(tǒng)，及水位異常對應(yīng)著水位位置感應(yīng)分系統(tǒng)(主要由位置傳感器組成)、壓力異常對應(yīng)著壓力感應(yīng)分系統(tǒng)(主要由壓力傳感器組成)和溫度異常對應(yīng)著溫度感應(yīng)分系統(tǒng)(主要由溫度傳感器組成)等。即每個分系統(tǒng)獲取的鍋爐運行中的數(shù)據(jù)會及時反饋至專家系統(tǒng)的知識庫，并在對應(yīng)的子知識庫中檢索，可以極大地提高專家系統(tǒng)的工作效率。

2基于XML的鍋爐故障診斷專家知識的表達與儲存

決定一個專家系統(tǒng)性能是否良好的一個重要因素就是專家知識的表達水平，表達水平高可以極大地提升系統(tǒng)性能。目前智能系統(tǒng)常用的知識表達的方法主要有一階謂詞邏輯、產(chǎn)生式系統(tǒng)、語義網(wǎng)絡(luò)、框架和面向?qū)ο蟮确椒ā?/p>

隨著面向?qū)ο笾R表達技術(shù)的不斷成熟與應(yīng)用，該技術(shù)在人工智能方面的應(yīng)用研究越來越活躍。所謂面向?qū)ο蟮闹R表達方法就是將數(shù)據(jù)及其與該數(shù)據(jù)對應(yīng)的操作放在一起，使之成為一個整體對象來進行處理，并將其抽象成一類新的數(shù)據(jù)類型。通過類繼承和對象間的消息激發(fā)機制來實現(xiàn)知識的推理，采用這種方法能夠較好地描述知識所表達的現(xiàn)實世界的結(jié)構(gòu)模型。在面向?qū)ο蟮闹R系統(tǒng)中，對象的靜態(tài)屬性就是該對象具有的知識，該對象的智能行為就是其具有的知識處理方法和各種操作描述。

如何將鍋爐診斷的專家知識用計算機語言進行表示并存儲是組織專家知識庫的重要內(nèi)容，絕大多數(shù)知識表達方法與程序設(shè)計語言緊密相連，同時，知識的增加和更新不僅與知識本身有關(guān)，還要依賴于特定的軟、硬件平臺。

而本文提出的利用XML技術(shù)來實現(xiàn)基于面向?qū)ο笤淼闹R表達方法，不但可以實現(xiàn)知識庫的高度可擴展性，還能減少系統(tǒng)對軟硬件平臺的依賴程度。該方法中知識表達的語法和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可以利用DTD或XML Schema進行定義，并通過定制XML應(yīng)用來解釋實例化的知識表示文檔。

鍋爐異常故障知識的 DTD 定義如下:

根據(jù)上述DTD 所定義的鍋爐異常故障知識結(jié)構(gòu)，可以將鍋爐異常故障實例化，從而得到對應(yīng)的知識文檔。當故障發(fā)生時每一個被診斷的故障對象將會生成一個 XML 文檔，默認情況下故障的狀態(tài)為未知，通過推理機進行異常故障診斷后會返回一個新的狀態(tài)：故障確診、故障懷疑或故障不確定，對于故障確診和故障懷疑的情況，系統(tǒng)會將確定或者懷疑出現(xiàn)的故障列出，并提示報警針對該故障的應(yīng)對措施。對于確診或者嚴重威脅鍋爐系統(tǒng)運轉(zhuǎn)的故障，系統(tǒng)就會根據(jù)專家知識庫中的應(yīng)急措施直接干預(yù)鍋爐系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)，甚至直接控制鍋爐系統(tǒng)自動斷電，進行停機處理，保證鍋爐系統(tǒng)的運行安全。

3基于XML的故障診斷知識表達的特點

基于XML知識表達的鍋爐故障診斷專家系統(tǒng)具有XML原有特點和優(yōu)勢，與用其他知識表達技術(shù)實現(xiàn)的專家系統(tǒng)進行比較，基于XML技術(shù)的鍋爐故障診斷專家系統(tǒng)具有以下特點：

1)系統(tǒng)內(nèi)的專家信息量大，表達準確，易于管理；

2)知識的檢索效率高，匹配性強，故障診斷的正確率極高；

3)可以非常便捷更新知識庫內(nèi)的專家知識，不斷提升專家?guī)斓闹R內(nèi)容；

4)具有一定的預(yù)警和預(yù)報功能，能夠根據(jù)傳感器收集到的數(shù)據(jù)變化情況能夠及時預(yù)測到可能發(fā)生的故障或異常，并給出相應(yīng)的處理意見，同時也能夠在出現(xiàn)較大故障或異常情況時直接干預(yù)鍋爐系統(tǒng)的運行，保證鍋爐系統(tǒng)整體的安全性。

4結(jié)語

近年來，由于XML技術(shù)在知識表達中具有簡便易懂，同時它還能夠允許各個行業(yè)構(gòu)建行業(yè)內(nèi)部的通用標記，使其具有良好的數(shù)據(jù)表達效果等特點，這些特點保證該技術(shù)能夠大大提升專家知識儲存和使用的效率。因此，基于XML技術(shù)的知識表達技術(shù)的實踐應(yīng)用越來越多。本文著重探討了如何利用XML技術(shù)建造鍋爐故障診斷專家系統(tǒng)的知識庫，并對XML技術(shù)在鍋爐故障診斷專家系統(tǒng)專家知識表達的關(guān)鍵技術(shù)進行了分析與驗證，以期為后續(xù)的研究工作提供一定的借鑒。

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Construction of Knowledge Base of Expert System for Boiler Fault Diagnosis Based on XML

LI Da-wei

(Personnel Department, Chengde Petroleum College, Chengde 067000, Hebei, China)

Abstract:This paper provides technical support for boiler fault diagnosis and emergency intelligent expert system. It uses XML technology on the common faults of boiler and countermeasures of expert knowledge expression, and makes a preliminary design on the basis of boiler fault diagnosis expert knowledge base. It uses XML technology to increase expert knowledge matching and retrieval speed, as well as improve system performance.

Key words:XML; fault diagnosis; expert system; knowledge base; knowledge representation

收稿日期：2016-01-20

作者簡介：李大偉(1984-)，男，河北承德人，承德石油高等?？茖W(xué)校人事處講師，碩士，主要從事機械結(jié)構(gòu)設(shè)計、制造信息化方面的研究。

中圖分類號：TK228

文獻標識碼：A

文章編號：1008-9446(2016)03-0043-04