包國興,張云輝

(1.淮安市船舶檢驗局,江蘇淮安 223001;2.江蘇省船舶檢驗局,江蘇南京 210004)

0 引言

進入 21世紀以來,中國在世界造船市場所占份額急劇增長,船舶及船用產(chǎn)品的配套生產(chǎn)得到蓬勃發(fā)展,船舶及船用產(chǎn)品檢驗業(yè)務(wù)也同步增加,江蘇省每年經(jīng)檢驗的船用產(chǎn)品有近十萬臺(套),涉及大多數(shù)制造業(yè)。船用產(chǎn)品質(zhì)量的高低直接對船舶建造質(zhì)量產(chǎn)生重大影響,船用產(chǎn)品檢驗質(zhì)量對船用產(chǎn)品制造質(zhì)量的好壞起到關(guān)鍵作用。船用產(chǎn)品的檢驗主要由各檢驗機構(gòu)的產(chǎn)品驗船師來承擔,但目前產(chǎn)品驗船師數(shù)量有限,檢驗工作方式仍然停留在 20世紀80年代的水平。檢驗時主要依靠驗船師個人對規(guī)則、規(guī)范、規(guī)程、標準的理解和掌握程度,依靠驗船師的學習和培訓經(jīng)歷及驗船師的個人經(jīng)驗,依靠驗船師的責任心對其進行檢驗。隨著“船舶檢驗業(yè)務(wù)與管理系統(tǒng)”在我省船檢系統(tǒng)的成熟運用,船用產(chǎn)品檢驗作為船檢業(yè)務(wù)工作的重要內(nèi)容,為提高船用產(chǎn)品的檢驗質(zhì)量,加強檢驗的過程控制與管理,研究開發(fā)船用產(chǎn)品檢驗業(yè)務(wù)與管理系統(tǒng)成為當務(wù)之急。

人工智能是 20世紀 50年代興起的一門新興學科,是計算機科學的一個重要分支,它的研究領(lǐng)域非常廣泛,涉及的學科也很多。目前,人工智能的主要研究領(lǐng)域包括:分布式人工智能、知識工程和專家系統(tǒng)、自然語言處理、機器人、機器學習、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模式識別、定理證明、自動程序設(shè)計、智能數(shù)據(jù)庫、智能檢索等。專家系統(tǒng)(Expert System)是人工智能的一個分支,產(chǎn)生于 20世紀 60年代中期,但其發(fā)展速度相當驚人,目前專家系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域已滲透到數(shù)學、物理、化學、生物、農(nóng)業(yè)、地質(zhì)、氣象、交通、治金、機械、政治、軍事、法律、空間技術(shù)、環(huán)境科學、信息管理系統(tǒng)、金融和信息高速公路等眾多領(lǐng)域,它的應(yīng)用幾乎滲透到各行各業(yè)。

船用產(chǎn)品檢驗是一項驗船師依據(jù)規(guī)則、規(guī)范、規(guī)程和標準,對船用產(chǎn)品的制造過程進行監(jiān)督檢驗的技術(shù)。研究開發(fā)系統(tǒng),是對船用產(chǎn)品的檢驗申請、審圖、檢驗、發(fā)證、計費、查詢統(tǒng)計及檢驗人員信息、檢驗機構(gòu)信息、船用產(chǎn)品生產(chǎn)廠家信息、地域信息、檢驗人員權(quán)限、檢驗機構(gòu)權(quán)限、檢驗過程記錄、樣本管理(系統(tǒng)自我學習)等進行綜合管理;并對驗船師的船用產(chǎn)品檢驗內(nèi)容、檢驗試驗數(shù)據(jù)記錄等進行智能干預(yù);同時為驗船師的船用產(chǎn)品檢驗提供學習、幫助和指導。

作為智能系統(tǒng),構(gòu)建系統(tǒng)的知識庫是關(guān)鍵之一,本文重點對系統(tǒng)檢驗業(yè)務(wù)的知識庫構(gòu)架進行分析研究,選擇合理的知識表達模式,為系統(tǒng)的智能化提供基礎(chǔ)。

1 知識獲取及知識表達技術(shù)

1.1 知識的獲取

知識是用來表示個人試圖獲取的對給定學科理解的抽象術(shù)語。按照專家系統(tǒng)的術(shù)語方式,知識又定義為:知識指對學科領(lǐng)域的理解、足夠集中的主題領(lǐng)域稱為域、知識表示是一種用來在專家系統(tǒng)的知識庫中對知識編碼的方法。知識的類型主要有過程性知識、陳述性知識、元知識、啟發(fā)式知識、結(jié)構(gòu)知識。

知識獲取的目標在于將可在專家系統(tǒng)中編碼的感興趣問題編成知識體。知識的來源可以是書、報告或數(shù)據(jù)記錄。但是,大多數(shù)項目最主要的知識源就是領(lǐng)域?qū)＜?。從專家獲取知識不同于一般的知識獲取,稱為知識提取(knowledge elicitation)。

知識獲取的方法一般有兩種:一種是專家與知識工程師面談的方式,通過討論和交流,獲得對有關(guān)問題的知識;另一種是案例研究的方法,通過觀察專家解決實際問題的示例來努力擷取知識。每種方法的目標都是揭示專家的知識和問題求解技能。完成這個任務(wù)之后,知識工程師將信息編碼到專家系統(tǒng)中,測試系統(tǒng)并使用結(jié)果來規(guī)劃新的知識獲取任務(wù)。圖 1顯示知識的提取過程。

圖1 知識提取過程

專家系統(tǒng)開發(fā)本質(zhì)上是一種探索性努力。設(shè)計者對問題常缺乏初步了解,這樣他們不得不對項目采取謹慎的方法。首先尋求對問題的一般理解,并使用這些信息作為探索附加信息的向?qū)АＭㄟ^這個知識收集和分析的反復過程,逐漸獲得對問題的理解和求解此問題的見解。

這個涉及知識提取的任務(wù)創(chuàng)造了一個自然循環(huán)過程。該過程從知識收集開始,接著就是對知識進行解釋和分析,最后知識收集的方法就設(shè)計出來了。知識提取的循環(huán)過程如圖 2所示。

圖2 知識提取的循環(huán)過程

1.2 規(guī)則模式知識表達技術(shù)

用戶提供的事實對專家系統(tǒng)的運作起重要作用,因為這些事實有助于理解世界的當前狀態(tài)。而系統(tǒng)必須具備附加的知識,以便巧妙地利用這些事實,解決給定的問題。提供這種附加知識的專家系統(tǒng)公共知識結(jié)構(gòu)稱為規(guī)則。

規(guī)則指關(guān)聯(lián)已知知識和待推導或推測的其他信息的知識結(jié)構(gòu)。

規(guī)則是過程性知識的一種形式,它把給定信息與一些行為關(guān)聯(lián)起來。這個行為可以是對新信息或需要執(zhí)行過程的斷言。在這種情況下,規(guī)則描述如何解決一個問題。

規(guī)則結(jié)構(gòu)從邏輯上連接 IF部分中的一個或多個前提(也稱條件)到THEN部分中的一個或多個后部(也稱結(jié)論)。

一般來說,規(guī)則可以有用AND語句(合取)、OR語句(析取)或兩者組合連接起來的多個條件。其結(jié)論可以包含單條語句或者 AND連接的組合。這條規(guī)則也可以包含一個ELSE語句,當一個或多個條件為FALSE時,ELSE語句就為TRUE。

1.3 框架模式知識表達技術(shù)

語義網(wǎng)絡(luò)的自然擴充是議程,這是由芭蕾特(Barlett)于1932年首次提出的。議程就是包含一些概念或?qū)ο蟮牡湫椭R單元,包括陳述性知識和過程性知識。議程具有能用于特定情形的一成不變的概念信息。

專家系統(tǒng)設(shè)計者使用這種思想獲取和表示專家系統(tǒng)中的概念知識,但常以議程為框架,這是明斯基(Minsky)于1975年首次提出的?？蚣苁且环N表示概念或?qū)ο蟮囊怀刹蛔冎R的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

明斯基是這樣描述框架的:“當一個人遇到新情況或?qū)栴}的看法有了實質(zhì)性的改變時,就從記憶中選擇稱為‘框架'的結(jié)構(gòu)”。

人們試圖用以往的經(jīng)驗來分析與解釋當前遇到的情況,但無法把過去的經(jīng)驗一一存在腦子里,而只能以一個通用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的形式存儲以往的經(jīng)驗,這樣的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)稱為框架?？蚣芴峁┝艘粋€結(jié)構(gòu),一種組織。在這個結(jié)構(gòu)或組織中,新的資料可以用過去經(jīng)驗中得到的概念來分析和解釋。因此,框架也是一種結(jié)構(gòu)化表示法。

框架通常采用語義網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點-槽-值來表示結(jié)構(gòu)。所以框架也可以定義為一組語義網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的節(jié)點-槽,該節(jié)點-槽可用來描述格式固定的事物、行動和事件。語義網(wǎng)絡(luò)可看作節(jié)點和弧線的集合,也可以視為框架的集合。

框架通常由描述事物的各個方面的槽組成,每個槽可擁有若干個側(cè)面,每個側(cè)面又可以擁有若干個值。這些內(nèi)容可以根據(jù)具體問題的具體需要來取舍,一個框架的一般結(jié)構(gòu)如下:

大多數(shù)問題不能簡單地用一個框架表示出來,而必須同時使用許多框架組成一個框架系統(tǒng)。一個框架結(jié)構(gòu)可以是另一個框架的槽值,并且同一個框架結(jié)構(gòu)可以同時作為幾個不同的框架的槽值。這樣,一些相同的信息可以不必重復存儲,節(jié)省了存儲空間?？蚣艿囊粋€重要特性是其繼承性。為此,一個框架系統(tǒng)往往表示為一種樹形結(jié)構(gòu),樹的每一個節(jié)點是一個框架結(jié)構(gòu),子節(jié)點與父節(jié)點之間用isa (“is-a”)或AKO(“a-kind-of”)槽連接。所謂框架的繼承性,就是當子節(jié)點的某些槽值或側(cè)面值未被直接記錄時,可以從其父節(jié)點繼承這些值。

2 船用產(chǎn)品檢驗業(yè)務(wù)知識庫模式

2.1 船用產(chǎn)品檢驗業(yè)務(wù)知識及其來源

2.1.1 船用產(chǎn)品檢驗業(yè)務(wù)知識

船用產(chǎn)品檢驗業(yè)務(wù)中主要包括以下幾大類知識內(nèi)容,一是檢驗業(yè)務(wù)類型,如工廠認可、型式認可、出廠檢驗等;二是產(chǎn)品的種類,如錨機、舵機、軸等;三是產(chǎn)品的特征,如錨機的驅(qū)動方式是液壓還是電動、適用航區(qū)是海洋還是內(nèi)河等;四是檢驗申請的基本參數(shù),如產(chǎn)品的名稱、產(chǎn)品的規(guī)格/型號、生產(chǎn)廠家名稱等;五是產(chǎn)品的檢驗項目,如外觀檢查、型式檢驗、拆檢等。另外與檢驗業(yè)務(wù)有關(guān)的知識還有,檢驗時需提交的資料、執(zhí)行的規(guī)范和標準、選用的證書等。

2.1.2 船用產(chǎn)品檢驗業(yè)務(wù)知識來源

船用產(chǎn)品檢驗業(yè)務(wù)中知識的來源主要依據(jù)船檢法規(guī)、產(chǎn)品標準以及產(chǎn)品驗船師的經(jīng)驗、該領(lǐng)域?qū)＜业膶I(yè)技術(shù)。

船用產(chǎn)品的檢驗具有法定性,其具有較為完整的檢驗技術(shù)規(guī)則、規(guī)范、規(guī)程、標準,以及為檢驗工作而制定的檢驗指南或檢驗須知,檢驗工作還要求依據(jù)“船舶法定檢驗質(zhì)量體系要求”的程序文件和作業(yè)文件。因此,船用產(chǎn)品檢驗具有較強的法定性、規(guī)范性,其檢驗內(nèi)容分布于不同的法規(guī)和標準中,檢驗要求分布于不同的規(guī)程、規(guī)定、辦法及指南或須知中。

2.2 知識表達模式分析與選擇

要把這些檢驗內(nèi)容和檢驗要求提取出來,對檢驗業(yè)務(wù)知識進行分析、歸納,按照專家系統(tǒng)對知識的表達技術(shù),運用到“船用產(chǎn)品檢驗業(yè)務(wù)與管理系統(tǒng)”中來,形成檢驗業(yè)務(wù)中的部分知識庫。那么,這些知識如何表達,使用哪種表達技術(shù)將顯得尤為重要,最終目標是方便船用產(chǎn)品檢驗內(nèi)容的智能化實現(xiàn),達到即時條件下實現(xiàn)以網(wǎng)絡(luò)方式的船用產(chǎn)品檢驗申請、檢驗、發(fā)證、收費、查詢統(tǒng)計及檢驗工作管理。

由于系統(tǒng)要實現(xiàn)不同的產(chǎn)品種類、不同的檢驗業(yè)務(wù)類型、不同特征的產(chǎn)品,在檢驗申請后進入檢驗階段,產(chǎn)品驗船師登錄系統(tǒng)后,在檢驗過程中智能化地獲取相應(yīng)的檢驗項目及檢驗指南,并經(jīng)現(xiàn)場檢驗合格,在系統(tǒng)中錄入檢驗記錄后,形成相應(yīng)產(chǎn)品、相應(yīng)檢驗業(yè)務(wù)類型的檢驗報告、檢驗記錄和檢驗證書,也就是實現(xiàn)檢驗業(yè)務(wù)內(nèi)容的智能化。建立這部分知識庫內(nèi)容時,系統(tǒng)選用了以框架為主的混合知識表達模式,以框架為主,同時運用了規(guī)則表達模式:一是框架與框架間有一定的規(guī)則;二是框架內(nèi)部也有規(guī)則模式的運用;三是一個框架是另一個框架的槽值;四是賦予部分框架內(nèi)槽、側(cè)面或值以屬性;五是框架基本以樹形結(jié)構(gòu),樹的每一個節(jié)點是一個框架結(jié)構(gòu),形成父項與子項的關(guān)系,乃至父項與一級子項、二級子項、多級子項的關(guān)系。

選用此種知識表達模式主要原因有以下幾個方面:

一是檢驗業(yè)務(wù)知識包括五個主要方面:檢驗業(yè)務(wù)類型、產(chǎn)品種類、產(chǎn)品的特征、檢驗申請的基本參數(shù)、檢驗項目。每個方面形成一個框架,每個框架內(nèi)的槽值,又可能是個框架。如檢驗業(yè)務(wù)類型分為:“初次申請”、“非初次申請”、“特別發(fā)證”等,而“初次申請”又包括:“工廠認可”、“型式認可”、“個別許可”。

二是本知識庫圍繞一個主線,產(chǎn)品驗船師在檢驗過程中智能化地獲得本次檢驗的檢驗項目、檢驗試驗記錄、檢驗試驗指南,最終取得符合法規(guī)的檢驗報告及檢驗證書。

三是檢驗申請的基本參數(shù)的選擇,決定了本次檢驗獲取的檢驗項目結(jié)果。

四是檢驗業(yè)務(wù)知識的每一個方面都是一個框架,每個框架內(nèi)部又有若干個子框架,子框架下還可能有下一級框架;框架與框架之間有一定規(guī)則,框架內(nèi)部也有一定的規(guī)則。知識的主要來源是法規(guī)、標準,知識單元之間具有較強的法定性,形成了自然規(guī)則。如法規(guī)規(guī)定“出廠檢驗”必須在“工廠認可”或“型式認可”完成之后才能進行,而“工廠認可”、“型式認可”屬于“初次申請”框架的槽值,“出廠檢驗”屬于“非初次申請”框架的槽值。

2.3 檢驗業(yè)務(wù)內(nèi)容模塊框圖

船用產(chǎn)品檢驗業(yè)務(wù)與管理系統(tǒng)按不同功能,將整個系統(tǒng)分為五大模塊:“檢驗業(yè)務(wù)”、“輔助業(yè)務(wù)”、“統(tǒng)計查詢”、“檢驗設(shè)置”、“系統(tǒng)維護”。一般的終端用戶可以使用前三個模塊功能,有“檢驗設(shè)置”和“系統(tǒng)維護”權(quán)限的用戶才能使用后兩個模塊功能?！皺z驗設(shè)置”模塊即檢驗業(yè)務(wù)內(nèi)容模塊又由“類別維護”、“分類維護”、“項目與數(shù)據(jù)維護”等子模塊組成。本文形成的部分知識庫構(gòu)成了檢驗業(yè)務(wù)內(nèi)容模塊的部分構(gòu)架。圖 3給出了檢驗業(yè)務(wù)內(nèi)容模塊框圖,所有框架及規(guī)則表述的知識,雖然相互交織,但都圍繞一條主線,就是為檢驗項目條件類的設(shè)置提供基礎(chǔ),最終形成合理并符合法規(guī)的檢驗項目和檢驗記錄,產(chǎn)生合格的船用產(chǎn)品檢驗報告和檢驗證書。

圖3 檢驗業(yè)務(wù)內(nèi)容模塊框圖

圖3構(gòu)架的是檢驗業(yè)務(wù)內(nèi)容的總體框圖,其中第三層的每一個槽值,又都是一個知識框架。如“產(chǎn)品種類”,自身可以離開其他知識框架,獨立形成知識框架,但是離開其他的知識,就失去了知識構(gòu)架的意義。因此,在構(gòu)架“產(chǎn)品種類”時,必須考慮該產(chǎn)品的檢驗業(yè)務(wù)類型,考慮檢驗項目等易于歸類,具體在做檢驗項目條件分類時,能夠簡單明了。同樣,構(gòu)建“項目與數(shù)據(jù)維護”知識框架時,也必須考慮產(chǎn)品的檢驗業(yè)務(wù)類型及產(chǎn)品的種類,便于檢驗項目與檢驗業(yè)務(wù)類型、產(chǎn)品種類相對應(yīng),最終形成合理的船用產(chǎn)品檢驗業(yè)務(wù)內(nèi)容模塊。

3 結(jié)語

根據(jù)船用產(chǎn)品檢驗業(yè)務(wù)與管理系統(tǒng)的特點及船用產(chǎn)品檢驗的性質(zhì),分析了檢驗業(yè)務(wù)知識的表達技術(shù),選用了以框架為主、框架與規(guī)則混合的知識表達模式,構(gòu)建了船用產(chǎn)品檢驗業(yè)務(wù)內(nèi)容主要部分的模塊框圖,對船用產(chǎn)品的檢驗業(yè)務(wù)內(nèi)容的知識進行構(gòu)架,形成了系統(tǒng)的部分知識庫框圖。通過在“船用產(chǎn)品檢驗業(yè)務(wù)與管理系統(tǒng)”中的使用,滿足了系統(tǒng)智能化要求,實現(xiàn)了即時、廣域網(wǎng)方式的船用產(chǎn)品的檢驗申請、檢驗、發(fā)證、收費、查詢統(tǒng)計及檢驗工作管理。

[1] 陳世福,陳兆乾,等.人工智能與知識工程[M].江蘇:南京大學出版社出版,1997.

[2] 蔡自興,等.高級專家系統(tǒng):原理、設(shè)計及應(yīng)用[M].北京:科學出版社,2005.

[3] 蔡自興,姚莉.人工智能及其在決策系統(tǒng)中的應(yīng)用[M].北京:國防科技大學出版社,2006.