范會(huì)敏 陳 棚 張 萌

(西安工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院 陜西 西安 710032)

0 引 言

專家系統(tǒng)產(chǎn)生于20 世紀(jì)60 年代中期，經(jīng)過多年的科學(xué)研究，理論和技術(shù)越來(lái)越成熟，其應(yīng)用已經(jīng)滲透到了許多領(lǐng)域，成為人工智能開始走向?qū)嵱没臉?biāo)志［1］。專家系統(tǒng)在故障診斷領(lǐng)域的應(yīng)用非常廣泛，長(zhǎng)期以來(lái)，廣泛的應(yīng)用在航空、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療、電力、化工、石油、船舶、等領(lǐng)域，故障診斷技術(shù)與專家系統(tǒng)相結(jié)合，使工程的安全性與可靠性得到保證［2、3］。

但是傳統(tǒng)的專家系統(tǒng)往往都在PC 機(jī)上開發(fā)，缺乏便攜性，難以滿足在外工作人員的需求，這都顯示了傳統(tǒng)專家系統(tǒng)的局限性。近年來(lái)，Android 技術(shù)和移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展為解決移動(dòng)性、語(yǔ)言差異、平臺(tái)差異所帶來(lái)的高代價(jià)系統(tǒng)集成提出了一個(gè)很好的解決方案。Android 是首個(gè)為移動(dòng)終端打造的真正開發(fā)和完整的移動(dòng)軟件平臺(tái)，Android 的特點(diǎn)是其開放性，軟件開發(fā)人員可以自由開發(fā)出優(yōu)秀的軟件。移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展使得Android 設(shè)備能更快、更方便地訪問互聯(lián)網(wǎng)［4］?；贏ndroid 的專家系統(tǒng)是專家系統(tǒng)新的發(fā)展方向，是專家系統(tǒng)廣受歡迎的模式。

1 故障診斷專家系統(tǒng)

專家系統(tǒng)指的是在某一個(gè)特殊的領(lǐng)域內(nèi)，以人類專家的水平去解決該領(lǐng)域中的困難問題的計(jì)算機(jī)程序。這個(gè)程序系統(tǒng)內(nèi)部具有大量專家的領(lǐng)域知識(shí)與經(jīng)驗(yàn)，它能利用人類專家可用的知識(shí)和推理方法來(lái)解決這些問題，并且得到與專家相同的結(jié)論［1］。

專家系統(tǒng)與傳統(tǒng)應(yīng)用程序最根本的區(qū)別是:專家系統(tǒng)處理知識(shí)，傳統(tǒng)程序處理數(shù)據(jù)。一個(gè)最基本的專家系統(tǒng)應(yīng)由知識(shí)庫(kù)、數(shù)據(jù)庫(kù)、推理機(jī)、解釋機(jī)構(gòu)、知識(shí)獲取機(jī)構(gòu)和人機(jī)接口6 個(gè)部分組成，如圖1 所示。

圖1 專家系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

專家系統(tǒng)是人工智能從理論研究向?qū)嶋H應(yīng)用的一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，它作為人工智能的一個(gè)分支，在人工智能商品化中取得了很大成功，一方面因?yàn)閷＜蚁到y(tǒng)是能滿足某種實(shí)際需要的應(yīng)用程序，另一方面因?yàn)樗强梢詫?shí)現(xiàn)的［5］。在很多領(lǐng)域，如化學(xué)、地質(zhì)、醫(yī)療診斷等領(lǐng)域，專家系統(tǒng)的質(zhì)量已經(jīng)達(dá)到了很高的水平，發(fā)揮了很大的作用，在為人類專家與用戶之間的良好信息處理和溝通媒介，促進(jìn)了特定領(lǐng)域中理論形成和應(yīng)用的發(fā)展。

故障診斷是一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)的某一部件結(jié)構(gòu)失效的準(zhǔn)確診斷過程。診斷的最終目標(biāo)是充分確認(rèn)造成故障的最終原因，以便能很好地排除其它故障［6］。

故障診斷技術(shù)運(yùn)用電子技術(shù)、信息技術(shù)、信號(hào)分析技術(shù)以及計(jì)算機(jī)技術(shù)等先進(jìn)手段，獲取設(shè)備運(yùn)行過程中各參數(shù)的變化信息，分析其特征，如果發(fā)現(xiàn)設(shè)備當(dāng)前未處于正常狀態(tài)，則認(rèn)為其發(fā)生故障，并進(jìn)一步檢查出故障的部位、類型、及嚴(yán)重程度，最后給出診斷結(jié)論［7、8］。故障診斷技術(shù)是典型的多學(xué)科相互交叉滲透的綜合性技術(shù)。

故障診斷技術(shù)與專家系統(tǒng)相結(jié)合，就構(gòu)成故障診斷型專家系統(tǒng)。

2 移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

2.1 移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)簡(jiǎn)介

移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)是當(dāng)前信息技術(shù)領(lǐng)域最熱門的話題之一，它體現(xiàn)了“無(wú)處不在的網(wǎng)絡(luò)、無(wú)所不能的業(yè)務(wù)”的思想，正在改變著人們的生活方式和工作方式。移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)能讓用戶在移動(dòng)中通過移動(dòng)設(shè)備隨時(shí)、隨地訪問Internet、獲取信息，進(jìn)行商務(wù)、娛樂等各種網(wǎng)絡(luò)服務(wù)［9］。自從中國(guó)3G 網(wǎng)絡(luò)的投入運(yùn)營(yíng)，iPhone、Android 等智能手機(jī)終端以及應(yīng)用平臺(tái)的出現(xiàn)，使得移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)得以如此迅猛地發(fā)展。

移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)終端平臺(tái)的競(jìng)爭(zhēng)正從封閉、一家掌控式的平臺(tái)向開放式創(chuàng)新、產(chǎn)業(yè)協(xié)同的平臺(tái)發(fā)展，平臺(tái)的領(lǐng)導(dǎo)者將真正成為產(chǎn)業(yè)鏈的領(lǐng)導(dǎo)者，不同平臺(tái)的競(jìng)爭(zhēng)將演化為不同產(chǎn)業(yè)生態(tài)體系的競(jìng)爭(zhēng)。

2.2 Android 簡(jiǎn)介

Android，是一個(gè)以Linux 為基礎(chǔ)的開放源代碼移動(dòng)設(shè)備操作系統(tǒng)，主要用于移動(dòng)設(shè)備，由Google 成立的OHA(開放手持設(shè)備聯(lián)盟)持續(xù)領(lǐng)導(dǎo)與開發(fā)中。在優(yōu)勢(shì)方面，Android 平臺(tái)首先就是其開發(fā)性，開發(fā)的平臺(tái)允許任何移動(dòng)終端廠商加入到Android 聯(lián)盟中來(lái)［10］。顯著的開放性可以使其擁有更多的開發(fā)者，隨著用戶和應(yīng)用的日益豐富，一個(gè)嶄新的平臺(tái)也將很快走向成熟。

2.3 移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的主流移動(dòng)方案

在移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)背景下，主流的移動(dòng)方案主要有3 種，分別是基于B/S 構(gòu)架模式的Web 應(yīng)用、原生客戶端應(yīng)用和移動(dòng)Web 應(yīng)用。

Web 應(yīng)用是通過使用Website 和Web 瀏覽器技術(shù)，跨越網(wǎng)絡(luò)完成一個(gè)或者多個(gè)任務(wù)的應(yīng)用程序，通過基于B/S 架構(gòu)模式實(shí)現(xiàn)。但它的缺點(diǎn)明顯，無(wú)法使用移動(dòng)設(shè)備提供的高級(jí)硬件功能，如攝像頭。

移動(dòng)Web 應(yīng)用是在原生客戶端中嵌入基于前端技術(shù)構(gòu)建的HTML 頁(yè)面視圖，能夠通過移動(dòng)設(shè)備中的瀏覽器進(jìn)行查看和操作，最主要的目的是為了解決跨平臺(tái)訪問信息問題。移動(dòng)Web 應(yīng)用一般通過HTML5、CSS3、JavaScript 或前端框架技術(shù)來(lái)構(gòu)造頁(yè)面視圖，可以被客戶端內(nèi)置的WebKit 瀏覽器解析［11］。缺點(diǎn)是受限于瀏覽器引擎的處理能力，部分類型的操作可能需要與Web 端通信，動(dòng)畫、圖形內(nèi)容因需要緩沖而時(shí)常存在響應(yīng)延遲。

原生客戶端應(yīng)用和Web 應(yīng)用正好相反，原生應(yīng)用程序被安裝在Android 手機(jī)上，它可以使用手機(jī)硬件功能，而且采用Java 語(yǔ)言編寫，能夠本地精細(xì)化定制，對(duì)用戶的操控響應(yīng)靈敏。

本文采用原生客戶端開發(fā)模式設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了一款應(yīng)用，該應(yīng)用基于Android 平臺(tái)，以故障診斷專家系統(tǒng)為主題，通過Http 請(qǐng)求實(shí)現(xiàn)客戶端和服務(wù)器之間的信息交互，從而讓用戶快速獲取相關(guān)數(shù)據(jù)。

3 移動(dòng)式故障診斷專家系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)總體需求

對(duì)故障設(shè)備能夠進(jìn)行正確的診斷，用戶通過智能手機(jī)輸入故障設(shè)備的特征，系統(tǒng)通過推理后給出輸入故障的故障原因，并給出故障處理意見。

通過Android 智能手機(jī)，知識(shí)工程師可以向知識(shí)庫(kù)添加新的知識(shí)。

設(shè)計(jì)系統(tǒng)要充分考慮故障知識(shí)的特點(diǎn)，運(yùn)用適當(dāng)?shù)谋硎痉椒ū硎竟收现R(shí)。根據(jù)故障型專家系統(tǒng)特點(diǎn)，采用產(chǎn)生式表示法和框架表示法進(jìn)行表示故障知識(shí)。

選擇框架表示結(jié)構(gòu)性知識(shí)，選擇產(chǎn)生式表示法表示診斷性過程知識(shí)。

故障診斷專家系統(tǒng)的設(shè)計(jì)內(nèi)容主要包括故障知識(shí)庫(kù)、推理機(jī)、知識(shí)獲取機(jī)構(gòu)以及人機(jī)交互界面。

3.2 系統(tǒng)體系架構(gòu)

本系統(tǒng)采用C/S 結(jié)構(gòu)，因?yàn)镃/S 結(jié)構(gòu)最大的優(yōu)勢(shì)是，交互性好，數(shù)據(jù)安全性高。Android 客戶端通過移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)訪問專家系統(tǒng)服務(wù)器，如果需要數(shù)據(jù)訪問，則訪問后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)，如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)體系架構(gòu)圖

3.3 系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)由四個(gè)部分構(gòu)成:故障診斷、知識(shí)庫(kù)管理、操作指南和用戶管理。故障診斷是使用專家系統(tǒng)進(jìn)行故障診斷的入口，在故障診斷中可以輸入故障現(xiàn)象進(jìn)行故障診斷，知識(shí)庫(kù)管理是向?qū)＜蚁到y(tǒng)中添加知識(shí)的入口，維護(hù)知識(shí)庫(kù)時(shí)通過該入口進(jìn)入，操作指南是對(duì)專家系統(tǒng)的功能說(shuō)明以及各種操作幫助信息，操作指南并不是可有可無(wú)的部分，它的詳細(xì)程度有時(shí)直接影響到操作者操作專家系統(tǒng)的準(zhǔn)確度甚至是操作信心，用戶管理是為管理用戶權(quán)限而設(shè)，因?yàn)椴煌臋?quán)限使用專家系統(tǒng)的功能可能不同，有的用戶可能沒有添加知識(shí)的權(quán)限，當(dāng)他用沒有添加知識(shí)的權(quán)限登錄專家系統(tǒng)時(shí)，發(fā)現(xiàn)需要使用知識(shí)添加功能，則可以使用重新登錄界面更換用戶名登錄，重新登錄為更換用戶登錄提供了方便。系統(tǒng)功能模塊圖如圖3 所示。

圖3 系統(tǒng)功能模塊圖

3.3.1 知識(shí)庫(kù)設(shè)計(jì)

故障診斷專家系統(tǒng)知識(shí)庫(kù)的核心是專家知識(shí)。知識(shí)庫(kù)中的知識(shí)的完整性很大程度上決定了專家系統(tǒng)的能力，所以專家系統(tǒng)建立的關(guān)鍵是知識(shí)庫(kù)的建立。由于故障診斷知識(shí)庫(kù)比較復(fù)雜，所以將知識(shí)庫(kù)建立成知識(shí)庫(kù)表，各表之間通過關(guān)鍵字建立聯(lián)系。

特別說(shuō)明的是專家系統(tǒng)有使用權(quán)限，不同權(quán)限的人員只能在自己的權(quán)限范圍內(nèi)操作，有利于區(qū)分專家系統(tǒng)操作人員的職能。所以在各事實(shí)庫(kù)表之外，還有一個(gè)獨(dú)立的用戶權(quán)限表。

3.3.2 推理機(jī)設(shè)計(jì)

推理機(jī)是專家系統(tǒng)的靈魂。推理機(jī)就是根據(jù)一定的規(guī)則從已有條件推出結(jié)論的過程。它根據(jù)用戶權(quán)限，從數(shù)據(jù)庫(kù)中提取用戶條件，在知識(shí)庫(kù)中選擇合適的規(guī)則，找到合適的故障推理應(yīng)根據(jù)用戶當(dāng)前輸入的故障特征，利用知識(shí)庫(kù)中的知識(shí)，模擬該領(lǐng)域?qū)＜业乃季S過程，按照一定的推理規(guī)則和策略進(jìn)行推理，選擇知識(shí)庫(kù)中對(duì)當(dāng)前問題可用的知識(shí)進(jìn)行推理，求解出故障原因。推理機(jī)是在知識(shí)庫(kù)的基礎(chǔ)上推導(dǎo)的，推理方法才有產(chǎn)生式規(guī)則，推理方法包括正向推理，逆向推理和混合推理。本系統(tǒng)采用雙向推理技術(shù)，采用正向推理和逆向推理相結(jié)合的方法。先進(jìn)行正向推理，如果沒有得出結(jié)果或者需要進(jìn)一步推導(dǎo)，則進(jìn)行逆向推理。

3.3.3 服務(wù)器端設(shè)計(jì)

服務(wù)器端采用Servlet 響應(yīng)客戶請(qǐng)求，后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)采用JDBC 訪問數(shù)據(jù)庫(kù)。

Android 集成了Apache 的Http client 模塊，這樣使得HTTP 訪問網(wǎng)絡(luò)成為可能，本文采用HTTP 訪問網(wǎng)絡(luò)。HTTP 是請(qǐng)求/響應(yīng)的一種機(jī)制，定義一個(gè)工具類HttpUtil來(lái)獲得HttpRequest 對(duì)象和HttpResponse 對(duì)象，以及發(fā)送GET 和POST 請(qǐng)求獲得返回Response 信息的方法。

后臺(tái)服務(wù)器實(shí)現(xiàn)采用JDBC 訪問后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)，Servlet響應(yīng)HttpRequest 請(qǐng)求，并返回響應(yīng)結(jié)果。

3.3.4 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

火力電站機(jī)組設(shè)備繁多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，大多數(shù)設(shè)備處于高溫高壓的工作環(huán)境，故障發(fā)生率高，一旦發(fā)生故障，后果都很嚴(yán)重。機(jī)組設(shè)備的基本結(jié)構(gòu)、規(guī)格型號(hào)及參數(shù)各不相同，這些因素常常綜合作用，影響機(jī)組發(fā)生故障時(shí)的表象，相同性質(zhì)的故障在不同電站、不同機(jī)組上，其外在故障表象可能完全不同，加大了問題的迷惑性，這時(shí)候?qū)＜业慕?jīng)驗(yàn)和知識(shí)就顯得特別珍貴，特別需要專家的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)去排查故障的共性和個(gè)性，以期“對(duì)癥下藥”。

機(jī)組鍋爐屬于多層次的系統(tǒng)，由燃燒、煙風(fēng)、汽水等子系統(tǒng)組成，每個(gè)子系統(tǒng)還可以進(jìn)一步劃分為若干層次的次級(jí)子系統(tǒng)和部件，各層次級(jí)子系統(tǒng)不是孤立的，而是相互關(guān)聯(lián)，只要某一個(gè)子系統(tǒng)功能失效或者出現(xiàn)異常，就可能致使其它子系統(tǒng)的功能失效或者異常，嚴(yán)重的甚至致使整個(gè)機(jī)組處于故障狀態(tài)，從而導(dǎo)致停產(chǎn)。

在Android 開發(fā)環(huán)境中，以電站機(jī)組鍋爐為例，實(shí)現(xiàn)了基于Android 的電站鍋爐故障診斷專家系統(tǒng)，圖4 是故障診斷的人機(jī)界面。

圖4 故障現(xiàn)象與診斷結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

在移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)飛速發(fā)展的今天，基于Android 的故障診斷專家系統(tǒng)有了新的機(jī)遇，它可以實(shí)現(xiàn)故障診斷和知識(shí)庫(kù)管理功能，能夠完成原本PC 機(jī)上才能實(shí)現(xiàn)的功能，方便工作人員攜帶，為在外場(chǎng)工作人員提供了極大的便利。通過測(cè)試，系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案可行，研究成果可推廣到石油鉆井設(shè)備的故障診斷系統(tǒng)以及其它系統(tǒng)。

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