基于粗糙集理論的腐蝕損傷診斷軟件開發(fā)研究

蘇鋒++賈明明++李丹

【摘 要】以粗糙集理論為基礎(chǔ)，針對(duì)腐蝕條件下航空材料的圖像特征值和蝕坑深度進(jìn)行了離散化處理，構(gòu)建了分辨矩陣，通過屬性約簡生成了決策規(guī)則集，對(duì)蝕坑深度進(jìn)行了預(yù)測。使用Visual Studio2005平臺(tái)，開發(fā)了基于粗糙集規(guī)則庫的腐蝕損傷診斷軟件。該軟件以約簡后得到的圖像特征值為輸入，以蝕坑深度范圍為輸出，界面清晰明了，便于使用。

【關(guān)鍵詞】粗糙集；損傷；診斷；圖像

1.引言

粗糙集的研究對(duì)象是由一個(gè)多值屬性（特征、癥狀、特性等）集合描述的一個(gè)對(duì)象（觀察、病歷等）集合，對(duì)于每個(gè)對(duì)象及其屬性都有一個(gè)值作為其描述符號(hào)。對(duì)象、屬性和描述符是表達(dá)決策問題的3個(gè)基本要素[1]。

將腐蝕圖像特征值作為條件屬性，蝕坑深度（腐蝕損傷）作為決策屬性，通過粗糙集處理后得到的規(guī)則庫簡便明了，使得非專業(yè)人員利用圖像特征值對(duì)腐蝕損傷進(jìn)行判斷成為可能。為了使粗糙集處理后得到的規(guī)則庫便于實(shí)際應(yīng)用，以Visual Studio 2005及Microsoft Office Access為基礎(chǔ)，開發(fā)了基于粗糙集理論的點(diǎn)蝕條件下腐蝕損傷診斷專家系統(tǒng)。該系統(tǒng)生成的規(guī)則庫為基礎(chǔ)，對(duì)輸入的腐蝕現(xiàn)象（圖像特征值類別）自動(dòng)進(jìn)行腐蝕損傷診斷，給出點(diǎn)蝕坑深度范圍，且該系統(tǒng)具有開放性、實(shí)時(shí)性的特點(diǎn)，方便使用，也為今后開發(fā)適用范圍更廣、更復(fù)雜的腐蝕損傷診斷專家系統(tǒng)提供了思路。

2.粗糙集基本概念

粗糙集（Rough Set）理論由波蘭數(shù)學(xué)家Z.Pawlak于1982年提出。它以等價(jià)關(guān)系為基礎(chǔ)，反映了認(rèn)知過程在非確定、非模型信息處理方面的機(jī)制和特點(diǎn)，是一種有效的非單調(diào)推理工具[2]，非常適合處理系統(tǒng)信息不完全和不精確的分類和診斷問題。

知識(shí)表達(dá)系統(tǒng)就是研究將對(duì)象的知識(shí)通過指定對(duì)象的基本特征和特征值來描述，以便通過一定的方法從大量的數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)有用的知識(shí)或決策規(guī)則。知識(shí)表達(dá)系統(tǒng)可用一個(gè)四元組 表示：

式中：有限非空集合，稱為論域，，其中為研究對(duì)象；

為對(duì)象屬性的集合；

為屬性值的集合， 是屬性的值域；

為的一個(gè)信息函數(shù)，為每個(gè)對(duì)象的每個(gè)屬性 賦予一個(gè)屬性值，即。

3.腐蝕診斷軟件開發(fā)

3.1開發(fā)平臺(tái)

平臺(tái)開發(fā)使用的是微軟公司2005年推出的Visual Studio 2005，Visual Studio是目前最流行的Windows平臺(tái)應(yīng)用程序開發(fā)環(huán)境。雖然.NET字眼從各種語言的名字中被抹去，但是這個(gè)版本的Visual Studio仍然還是面向.NET框架的（版本2.0）。它同時(shí)也能開發(fā)跨平臺(tái)的應(yīng)用程序，如開發(fā)使用微軟操作系統(tǒng)的手機(jī)的程序等，總體來說是一個(gè)非常龐大的軟件，并具有以下特點(diǎn)：

（1）使用改進(jìn)后的可視化設(shè)計(jì)工具、編程語言和代碼編輯器，享受高效率的開發(fā)環(huán)境。

（2）在統(tǒng)一的開發(fā)環(huán)境中，開發(fā)并調(diào)試多層次的服務(wù)器應(yīng)用程序。

（3）使用集成的可視化數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)和報(bào)告工具，創(chuàng)建SQL Server 2005解決方案。

（4）使用Visual Studio SDK創(chuàng)建可以擴(kuò)展Visual Studio IDE的工具。

3.2后臺(tái)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)

本文后臺(tái)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)選擇的是Microsoft office Access2003，Access是微軟公司推出的基于Windows的桌面關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（RDBMS，即Relational Database Management System），是Office系列應(yīng)用軟件之一。它具有如下優(yōu)點(diǎn)：

（1）存儲(chǔ)方式單一。Access管理的對(duì)象有表、查詢、窗體、報(bào)表、頁、宏和模塊，以上對(duì)象都存放在后綴為（.mdb）的數(shù)據(jù)庫文件中，便于用戶的操作和管理。

（2）面向?qū)ο?。Access是一個(gè)面向?qū)ο蟮拈_發(fā)工具，利用面向?qū)ο蟮姆绞綄?shù)據(jù)庫系統(tǒng)中的各種功能對(duì)象化，將數(shù)據(jù)庫管理的各種功能封裝在各類對(duì)象中。它將一個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)當(dāng)作是由一系列對(duì)象組成的，對(duì)每個(gè)對(duì)象它都定義一組方法和屬性。通過對(duì)象的方法、屬性完成數(shù)據(jù)庫的操作和管理，極大地簡化了用戶的開發(fā)工作。同時(shí)，這種基于面向?qū)ο蟮拈_發(fā)方式，使得開發(fā)應(yīng)用程序更為簡便。

（3）界面友好、易操作Access 是一個(gè)可視化工具，是風(fēng)格與Windows完全一樣，用戶想要生成對(duì)象并應(yīng)用，只要使用鼠標(biāo)進(jìn)行拖放即可。

（4）集成環(huán)境、處理多種數(shù)據(jù)信息。Access基于Windows操作系統(tǒng)下的集成開發(fā)環(huán)境，該環(huán)境集成了各種向?qū)Ш蜕善鞴ぞ撸瑯O大地提高了開發(fā)人員的工作效率，使得建立數(shù)據(jù)庫、創(chuàng)建表、設(shè)計(jì)用戶界面、設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)查詢、報(bào)表打印等可以方便有序地進(jìn)行。

3.3運(yùn)行環(huán)境

本平臺(tái)開發(fā)時(shí)所使用的系統(tǒng)為Microsoft公司的Windows XP Professional，因?yàn)椴煌姹镜腤indows系統(tǒng)對(duì)字符串的處理方式的差異，故本平臺(tái)最好運(yùn)行于Windows XP的各種版本，同時(shí)該機(jī)必須裝有微軟公司推出的NET. Framework 2.0，以方便平臺(tái)對(duì)數(shù)據(jù)庫訪問。

4.軟件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本軟件是一個(gè)面向用戶可擴(kuò)展的平臺(tái)，其核心過程是腐蝕損傷診斷過程，其具體流程如圖1所示。

5.軟件的界面設(shè)置

本文所開發(fā)的腐蝕損傷診斷軟件界面如圖2所示。用戶首先根據(jù)屬性約簡后的結(jié)果進(jìn)行圖像特征值的選擇（第4節(jié)得到的約簡為蝕坑半徑和蝕孔分形維數(shù)），隨后對(duì)激活的圖像特征值類別賦值（共計(jì)6個(gè)類別）。然后點(diǎn)擊確定按鈕，即可與Access數(shù)據(jù)進(jìn)行通信，查詢數(shù)據(jù)庫中的診斷規(guī)則庫，找到相應(yīng)的蝕坑深度類別（共計(jì)4個(gè)），并將查詢結(jié)果顯示在軟件界面的“蝕坑深度”欄，如圖3所示；如果查詢不到則輸出無法判斷的提示，如圖4所示。在輸入圖像特征值類別過程中若發(fā)現(xiàn)輸入有誤，可點(diǎn)擊“重新輸入”按鈕更改輸入的數(shù)據(jù)。

6結(jié)論

使用Visual Studio 2005平臺(tái)，開發(fā)了基于粗糙集規(guī)則庫的點(diǎn)蝕條件下腐蝕損傷診斷軟件。該軟件以約簡后得到的圖像特征值為輸入，以蝕坑深度范圍為輸出，界面清晰明了，便于使用。

參考文獻(xiàn)：

[1]Zdzislaw Pawlak， Jerzy Grzymala-Busse， et al. Rough Sets[J]. COMMUNICATIONS OF THE ACM， June 1995/Vol.38，No.6 89～95.

[2] 楊淑瑩. 模式識(shí)別與智能計(jì)算——Matlab技術(shù)實(shí)現(xiàn)[M]. 北京：電子工業(yè)出版社， 2008.

[3] 王彪， 段禪倫， 吳昊， 宋永剛. 粗糙集與模糊集的研究與應(yīng)用[M]. 北京： 電子工業(yè)出版社， 2008.

[4] 王廣， 李軍. 基于粗糙集理論的航空發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷[J]. 航空發(fā)動(dòng)機(jī)， 2005（4）：51-53.