李大偉

(承德石油高等專科學(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(shí)庫(kù)構(gòu)建

李大偉

(承德石油高等專科學(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(duì)鍋爐常見故障及對(duì)策的專家知識(shí)進(jìn)行表達(dá)，并以此為基礎(chǔ)對(duì)鍋爐故障診斷專家知識(shí)庫(kù)進(jìn)行初步設(shè)計(jì)，利用XML技術(shù)能夠提高專家知識(shí)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(shí)庫(kù)；知識(shí)表達(dá)

專家系統(tǒng)是將某一特定領(lǐng)域的經(jīng)過(guò)實(shí)踐驗(yàn)證的專家知識(shí)利用一定編碼技術(shù)存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中，可以用來(lái)解決一些現(xiàn)實(shí)問(wèn)題的分析決策的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，其核心問(wèn)題是獲取專家知識(shí)與專家知識(shí)的表達(dá)與儲(chǔ)存。在專家系統(tǒng)中專家知識(shí)庫(kù)和利用知識(shí)庫(kù)知識(shí)解決問(wèn)題的推理機(jī)二者有機(jī)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(shí)現(xiàn)了人工智能技術(shù)從理論走向應(yīng)用的過(guò)渡與突破。知識(shí)庫(kù)(Knowledge Base)是一種具有全面性、組織性和邏輯性的知識(shí)集群，其具有結(jié)構(gòu)化、易操作、易利用等特點(diǎn)。是為了解決某些領(lǐng)域問(wèn)題，而采用特定的知識(shí)表示方式并在計(jì)算機(jī)中存儲(chǔ)、組織、管理和使用的互相聯(lián)系的專家知識(shí)集合。因此專家知識(shí)表達(dá)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(shí)表示方法有產(chǎn)生式、框架式、語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)等方式。而定義語(yǔ)義標(biāo)記的規(guī)則的可擴(kuò)展標(biāo)記語(yǔ)言XML，是利用標(biāo)記將文檔系統(tǒng)劃分成許多部件并加以標(biāo)識(shí)。作為一種成熟的元標(biāo)記語(yǔ)言, XML能夠定義與特定問(wèn)題領(lǐng)域相關(guān)的、具有語(yǔ)義信息的、結(jié)構(gòu)化的標(biāo)記語(yǔ)言的句法, 這種方法有利于信息的表達(dá)和結(jié)構(gòu)化組織，能夠更加有效的進(jìn)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(shí)庫(kù)，可以更高效地管理和檢索系統(tǒng)所需的知識(shí)，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(shí)庫(kù)、鍋爐故障診斷推理機(jī)、鍋爐故障解釋器、綜合數(shù)據(jù)庫(kù)、鍋爐故障數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)與獲取系統(tǒng)等6個(gè)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(shí)庫(kù)中存放的是相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜宜峁┑膶I(yè)知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，故障數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)由分布在各個(gè)易發(fā)生故障部位的相應(yīng)傳感器組成，用來(lái)獲取鍋爐運(yùn)行過(guò)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(guò)程就是利用鍋爐故障診斷知識(shí)庫(kù)中儲(chǔ)存的專家知識(shí)進(jìn)行模擬實(shí)際工作中領(lǐng)域?qū)＜业乃季S方式，因此，鍋爐故障診斷知識(shí)庫(kù)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(shí)庫(kù)中知識(shí)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(chǔ)存的知識(shí)包括鍋爐故障診斷與處理的相關(guān)理論知識(shí)、故障實(shí)例數(shù)據(jù)，由經(jīng)過(guò)實(shí)踐驗(yàn)證的專家經(jīng)驗(yàn)而得到的啟發(fā)性推理診斷知識(shí)，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(shí)運(yùn)算法則以及一些故障診斷的常識(shí)性知識(shí)等。

1.2鍋爐故障診斷專家系統(tǒng)中專家知識(shí)的組成

在鍋爐實(shí)際使用運(yùn)行過(guò)程中，發(fā)生事故時(shí)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(shí)滿足系統(tǒng)負(fù)荷的需求要及時(shí)恢復(fù)機(jī)組正常運(yùn)行。在設(shè)備確已不具備運(yùn)行條件時(shí)或繼續(xù)運(yùn)行對(duì)人身，設(shè)備有直接危害時(shí)，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(yùn)行中的相關(guān)數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)據(jù)的數(shù)值變化獲取鍋爐運(yùn)行的狀態(tài)，若數(shù)值異常專家系統(tǒng)會(huì)根據(jù)相關(guān)的專家知識(shí)診斷出當(dāng)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(guò)程，將故障排除，防止不安全隱患造成的危險(xiǎn)。

鍋爐故障診斷專家系統(tǒng)中所儲(chǔ)存的知識(shí)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(shí)分類如圖2所示。每種知識(shí)的分類，對(duì)應(yīng)著故障診斷系統(tǒng)中故障獲取機(jī)構(gòu)中的每個(gè)分系統(tǒng)，及水位異常對(duì)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(duì)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(duì)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(gè)分系統(tǒng)獲取的鍋爐運(yùn)行中的數(shù)據(jù)會(huì)及時(shí)反饋至專家系統(tǒng)的知識(shí)庫(kù)，并在對(duì)應(yīng)的子知識(shí)庫(kù)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(shí)的表達(dá)與儲(chǔ)存

決定一個(gè)專家系統(tǒng)性能是否良好的一個(gè)重要因素就是專家知識(shí)的表達(dá)水平，表達(dá)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(shí)表達(dá)的方法主要有一階謂詞邏輯、產(chǎn)生式系統(tǒng)、語(yǔ)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(shí)表達(dá)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(lái)越活躍。所謂面向?qū)ο蟮闹R(shí)表達(dá)方法就是將數(shù)據(jù)及其與該數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的操作放在一起，使之成為一個(gè)整體對(duì)象來(lái)進(jìn)行處理，并將其抽象成一類新的數(shù)據(jù)類型。通過(guò)類繼承和對(duì)象間的消息激發(fā)機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)知識(shí)的推理，采用這種方法能夠較好地描述知識(shí)所表達(dá)的現(xiàn)實(shí)世界的結(jié)構(gòu)模型。在面向?qū)ο蟮闹R(shí)系統(tǒng)中，對(duì)象的靜態(tài)屬性就是該對(duì)象具有的知識(shí)，該對(duì)象的智能行為就是其具有的知識(shí)處理方法和各種操作描述。

如何將鍋爐診斷的專家知識(shí)用計(jì)算機(jī)語(yǔ)言進(jìn)行表示并存儲(chǔ)是組織專家知識(shí)庫(kù)的重要內(nèi)容，絕大多數(shù)知識(shí)表達(dá)方法與程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言緊密相連，同時(shí)，知識(shí)的增加和更新不僅與知識(shí)本身有關(guān)，還要依賴于特定的軟、硬件平臺(tái)。

而本文提出的利用XML技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)基于面向?qū)ο笤淼闹R(shí)表達(dá)方法，不但可以實(shí)現(xiàn)知識(shí)庫(kù)的高度可擴(kuò)展性，還能減少系統(tǒng)對(duì)軟硬件平臺(tái)的依賴程度。該方法中知識(shí)表達(dá)的語(yǔ)法和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可以利用DTD或XML Schema進(jìn)行定義，并通過(guò)定制XML應(yīng)用來(lái)解釋實(shí)例化的知識(shí)表示文檔。

鍋爐異常故障知識(shí)的 DTD 定義如下:

根據(jù)上述DTD 所定義的鍋爐異常故障知識(shí)結(jié)構(gòu)，可以將鍋爐異常故障實(shí)例化，從而得到對(duì)應(yīng)的知識(shí)文檔。當(dāng)故障發(fā)生時(shí)每一個(gè)被診斷的故障對(duì)象將會(huì)生成一個(gè) XML 文檔，默認(rèn)情況下故障的狀態(tài)為未知，通過(guò)推理機(jī)進(jìn)行異常故障診斷后會(huì)返回一個(gè)新的狀態(tài)：故障確診、故障懷疑或故障不確定，對(duì)于故障確診和故障懷疑的情況，系統(tǒng)會(huì)將確定或者懷疑出現(xiàn)的故障列出，并提示報(bào)警針對(duì)該故障的應(yīng)對(duì)措施。對(duì)于確診或者嚴(yán)重威脅鍋爐系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)的故障，系統(tǒng)就會(huì)根據(jù)專家知識(shí)庫(kù)中的應(yīng)急措施直接干預(yù)鍋爐系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)，甚至直接控制鍋爐系統(tǒng)自動(dòng)斷電，進(jìn)行停機(jī)處理，保證鍋爐系統(tǒng)的運(yùn)行安全。

3基于XML的故障診斷知識(shí)表達(dá)的特點(diǎn)

基于XML知識(shí)表達(dá)的鍋爐故障診斷專家系統(tǒng)具有XML原有特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，與用其他知識(shí)表達(dá)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的專家系統(tǒng)進(jìn)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(diǎn)：

1)系統(tǒng)內(nèi)的專家信息量大，表達(dá)準(zhǔn)確，易于管理；

2)知識(shí)的檢索效率高，匹配性強(qiáng)，故障診斷的正確率極高；

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

4)具有一定的預(yù)警和預(yù)報(bào)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(shí)預(yù)測(cè)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(shí)也能夠在出現(xiàn)較大故障或異常情況時(shí)直接干預(yù)鍋爐系統(tǒng)的運(yùn)行，保證鍋爐系統(tǒng)整體的安全性。

4結(jié)語(yǔ)

近年來(lái)，由于XML技術(shù)在知識(shí)表達(dá)中具有簡(jiǎn)便易懂，同時(shí)它還能夠允許各個(gè)行業(yè)構(gòu)建行業(yè)內(nèi)部的通用標(biāo)記，使其具有良好的數(shù)據(jù)表達(dá)效果等特點(diǎn)，這些特點(diǎn)保證該技術(shù)能夠大大提升專家知識(shí)儲(chǔ)存和使用的效率。因此，基于XML技術(shù)的知識(shí)表達(dá)技術(shù)的實(shí)踐應(yīng)用越來(lái)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(shí)庫(kù)，并對(duì)XML技術(shù)在鍋爐故障診斷專家系統(tǒng)專家知識(shí)表達(dá)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析與驗(yàn)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(jiǎn)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(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造信息化方面的研究。

中圖分類號(hào)：TK228

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1008-9446(2016)03-0043-04