機械故障診斷學鐘秉林專家系統診斷原理詳解演示文稿第一頁，共六十五頁。（優選）機械故障診斷學鐘秉林專家系統診斷原理第二頁，共六十五頁。一般認為，專家系統就是應用于某一專門領域，由知識工程師通過知識獲取手段，將領域專家解決特定領域的知識，采用某種知識表示方法編輯或自動生成某種特定表示形式，存放在知識庫中，然后用戶通過人機接口輸入信息、數據或命令，運用推理機構控制知識庫及整個系統，能像專家一樣解決困難的和復雜的實際問題的計算機（軟件）系統。專家系統有三個特點，即：啟發性，能運用專家的知識和經驗進行推理和判斷；透明性，能解決本身的推理過程，能回答用戶提出的問題；靈活性，能不斷地增長知識，修改原有的知識。一、概述2023/2/123第三頁，共六十五頁。1.1初創期人工智能早期工作都是學術性的，其程序都是用來開發游戲的。盡管這些努力產生了如國際象棋、跳棋等有趣的游戲，但其真實目的在于計算機編碼加入人的推理能力，以達到更好的理解。在這階段的另一個重要領域是計算邏輯。1957年誕生了第一個自動定理證明程序，稱為邏輯理論家。20世紀60年代初，人工智能研究者便集中精力開發通用的方法和技術，通過研究一般的方法來改變知識的表示和搜索，并且使用它們來建立專用程序。到了60年代中期，知識在智能行為中的地位受到了研究者的重視，這就為以專門知識為核心、求解具體問題的基于知識的專家系統的產生奠定了思想基礎。 一、概述2023/2/124第四頁，共六十五頁。1965年在美國國家航空航天局要求下，斯坦福大學研制成功了DENRAL系統，DENRAL的初創工作引導人工智能研究者意識到智能行為不僅依賴于推理方法，更依賴于其推理所用的知識。該系統具有非常豐富的化學知識，是根據質譜數據幫助化學家推斷分子結構，被廣泛地應用于世界各地的大學及工業界的化學實驗室。一、概述2023/2/125第五頁，共六十五頁。這個系統的完成標志著專家系統的誕生。在此之后，麻省理工學院開始研制MACSYMA系統，它作為數學家的助手使用啟發式方法變換代數表達式，現經過不斷擴充，能求解600多種數學問題，其中包括微積分、解方程和方程組，矩陣運算等。同期，還有美國卡內基－梅隆大學開發的用于語音識別的專家系統HEARSAY，該系統表明計算機在理論上可按編制的程序同用戶進行交談。20世紀70年代初，匹茲堡大學的鮑波爾和內科醫生合作研制了第一個用于醫療的內科病診斷咨詢系統INTERNIST。這些系統的研制成功使得專家系統受到學術界及工程領域的廣泛關注。一、概述2023/2/126第六頁，共六十五頁。1.2成熟期到20世紀70年代中期，專家系統已逐步成熟起來，其觀點逐漸被人們接受，并先后出現了一批卓有成效的專家系統。其中，最為代表的是肖特立夫等人的MYCIN系統，該系統用于診斷和治療血液感染和腦炎感染，可給出處方建議（提供抗菌劑治療建議），不但具有很高的性能，而且具有解釋功能和知識獲取功能。MYCIN系統是專家系統的經典之作，它的知識表示系統用帶有置信度的“IF—THEN”規則來表示，并使用不確定性推理方法進行推理。MYCIN由LISP語言寫成，所有的規則都表達成LISP表達式。它是一個面向目標求解的系統，使用反向推理方法，并利用了很多的啟發式信息。一、概述2023/2/127第七頁，共六十五頁。另一個非常成功的專家系統是PROSPCTOR系統，它用于輔助地質學家探測礦藏，是第一個取得明顯經濟效益的專家系統。PROSPCTOR的性能據稱完全可以同地質學家相比擬。它在知識的組織上，運用了規則與語義網相結合的混合表示方式，在數據不確定和不完全的情況下，推理過程運用了一種似然推理技術。除這些成功實例以外，在這一時期另外兩個影響較大的專家系統是斯坦福大學研制的AM系統及PUFF系統。AM是一個用機器模擬人類歸納推理、抽象概念的專家系統，而PUFF是一個肺功能測試專家系統，經對多個實例進行驗證，成功率達93%。

諸多專家系統地成功開發，標志著專家系統逐漸走向成熟。一、概述2023/2/128第八頁，共六十五頁。1.3發展期從20世紀80年代初，醫療專家系統占了主流，主要原因是它屬于診斷類型且開發比較容易。但是到了80年代中期，專家系統發展在應用上最明顯的特點是出現大量的投入商業化運行的系統，并為各行業產生了顯著的經濟效益。其中一個著名的例子是DEC公司與卡內基－梅隆大學合作開發的XCON-R1專家系統，它用于輔助數據設備公司（DEC）的計算機系統的配置設計。它每年為DEC公司節省數百萬美元。專家系統的應用日益廣泛，處理問題的難度和復雜度不斷增大，導致了傳統的專家系統無法滿足較為復雜的情況，迫切需要新的技術去支持。

一、概述2023/2/129第九頁，共六十五頁。從80年代后期開始，一方面隨著面向對象、神經網絡和模糊技術等新技術迅速崛起，為專家系統注入了新的活力；另一方面計算機的運用也越來越普及，而且對智能化的要求出越來越高。由于這些技術發展的成熟，并成功運用到專家系統之中，使得專家系統得到更廣泛的運用。在這期間開發的專家系統按其處理問題的類型可以分為：解釋型、預測型、診斷型、設計型、規劃型、監視型、調試型、修正型、教學型和控制型。其應用領域也涉及到農業、商業、化學、通信、計算機系統、醫學等多個方面，并已成為常用的解決問題的手段之一。一、概述2023/2/1210第十頁，共六十五頁。2.在故障診斷中的應用專家系統：基于知識(Knowledge-based)的人工智能系統。專家系統實質是應用大量人類專家的知識和推理方法求解復雜的實際問題的一種人工智能計算機程序。專家系統能夠模擬、再現、保存和復制，有時還能超過人類專家的腦力勞動，是人工智能領域中目前最活躍最成功的一個分支。就機械設備故障診斷而言，專家系統比較適用于復雜的、比較規范化的（即只是來源可以從類似機器獲取）的大型動態系統，如針對汽輪發電機組等研發的診斷專家系統，已經在工程實際中取得了良好的經濟效益。一、概述2023/2/1211第十一頁，共六十五頁。3.專家系統的分類（按推理規則分）基于規則的專家系統基于規則推理（RuleBaseReasoning，RBR）的方法是根據以往專家診斷的經驗,將其歸納成規則,通過啟發式經驗知識進行推理。它具有明確的前提，得到確定的結果。它是構建專家系統最常用的方法，這主要歸功于大量的成功實例和工具的出現。早期的專家系統大多數是用規則推理的方法。一、概述2023/2/1212第十二頁，共六十五頁。基于案例的專家系統基于案例推理（CaseBasedReasoning，CBR）的方法就是通過搜索曾經成功解決過的類似問題，比較新、舊問題之間的特征、發生背景等差異，重新使用或參考以前的知識和信息，達到最終解決新問題的方法。它起源于1982年美國學者RogerSchank，關于人類學習和回憶的動態存儲模型的研究工作。一、概述2023/2/1213第十三頁，共六十五頁。基于框架的專家系統框架(Frame)是將某類對象的所有知識組織在一起的一種通用數據結構,而相互關聯的框架連接組成框架系統。一、概述2023/2/1214基于模糊邏輯的專家系統模糊理論的概念由美國加利福尼亞大學著名教授扎德在他的《FuzzySets》和《FuzzyAlgorithm》等著名論著中首先提出。模糊性是指客觀事物在狀態及其屬性方面的不分明性，其根源是在類似事物間存在一系列過渡狀態，它們互相滲透、互相貫通，使得彼此之間沒有明顯的分界線。第十四頁，共六十五頁。一、概述2023/2/1215基于D-S證據理論的專家系統

D-S證據理論是由Dempster于1967年提出的，他首先提出了上、下界概率的定義，后由Shafer于1976年加以推廣和發展，故人們也把證據理論稱為D-S理論。基于人工神經網絡的專家系統人工神經網絡（ArtificialNeuralNetwork，ANN）是仿效生物體信息處理系統獲得柔性信息處理能力。它是從20世紀80年代后期開始興起：由理論研究階段發展到應用階段。第十五頁，共六十五頁。基于遺傳算法的專家系統遺傳算法（GeneticAlgorithms，GA）是一種基于自然選擇和基因遺傳學原理的優化搜索方法。由美國JohnH.Holland教授在1975年提出的。一、概述2023/2/1216第十六頁，共六十五頁。1.一般概念二、專家系統的基本結構及其功能2023/2/1217實用專家系統框圖第十七頁，共六十五頁。特點：專家系統是包含知識和推理的智能計算機程序；求解問題的知識與程序和數據結構分離。增強了系統的適應性和靈活性；（vs傳統的計算機應用程序：求解問題的知識隱含在程序和數據結構中）專家系統通常由5個基本組成部分：知識庫、推理機、數據庫以及解釋程序、知識獲取程序。二、專家系統的基本結構及其功能2023/2/1218第十八頁，共六十五頁。2.知識庫

知識庫是專家系統的核心;

知識庫是專家知識、經驗與書本知識、常識的存儲器；專家診斷系統知識庫通常包括：背景知識:背景知識作為輔助信息，在推理過程中起著重要作用。如設備運行規范可以成為診斷過程中觸發、激活某一診斷規則的依據等。二、專家系統的基本結構及其功能2023/2/1219第十九頁，共六十五頁。

診斷知識

領域專家在長期的診斷實踐中積累起來的知識和經驗。產生式規則表達：IF

<現象>

THEN

<假設>

WITH

<可信度>現象：觀察到的機組癥狀；假設：表示機組的故障或中間結論；可信度：表示在觀察到這些“現象”后，推斷機組具有這類故障的可信程度。一般診斷知識按故障樹結構分層組織。

二、專家系統的基本結構及其功能2023/2/1220第二十頁，共六十五頁。

機組病例與運行檔案

描述機組以往診斷病例及其安裝維修的記錄情況，它對如何沿最有可能的故障方向進行診斷推理具有很大影響。

過程性知識一系列分析計算程序，以獨立的模塊形式存在，在診斷過程中需要時被調用。如在診斷中需要獲取某振動信號關于轉速頻率的譜峰情況，就需調用FFT頻譜計算程序。

二、專家系統的基本結構及其功能2023/2/1221第二十一頁，共六十五頁。

控制性知識

對領域知識起指導作用的知識，如引導規則的選擇、控制推理路徑及指明診斷系統在診斷過程中對機組運行數據進行何種分析等。

決策知識機組發生某故障時應采取的措施。它包括機組本身的運行規程和領域專家處理該類故障時的措施方法，另外，還包括在不能確診某故障時向用戶建議應重點監測何種信號及注意事項。

二、專家系統的基本結構及其功能2023/2/1222第二十二頁，共六十五頁。

知識庫的結構形式取決于所采用的知識表示方式，常用的有：邏輯表示、語義網絡表示、規則表示、框架表示和子程序表示等。用產生式規則表達知識的方法是目前專家系統中應用最普遍的一種方法。二、專家系統的基本結構及其功能2023/2/1223第二十三頁，共六十五頁。3.數據庫

專家系統中用于存放反映系統當前狀態的事實數據的場所。包括：用戶輸入的事實、已知的事實以及推理過程中得到的中間結果等。動態數據庫：保存推理過程中，產生的中間結論（包括最終結論），以及大量的癥狀信息和推理路徑。

二、專家系統的基本結構及其功能2023/2/1224第二十四頁，共六十五頁。4.推理機推理機是專家系統的靈魂，它根據當前輸入信息和過去歷史情況，激活知識庫中的有關規則，按一定的推理策略完成證據與假設之間的映射關系。推理過程中通常需要保存推理軌跡以期對診斷結果進行解釋推理策略有：正向推理、反向推理和正反向混合推理三種。

二、專家系統的基本結構及其功能2023/2/1225第二十五頁，共六十五頁。5.解釋程序對于診斷結果，若用戶有疑問或不解，通過解釋程序對診斷結果、推理路徑和癥狀信息進行解釋，提高系統的透明性和可信性；

包括與系統推理有關的問題和與系統推理無關的系統自身的問題。6.知識獲取研究如何把“知識”從人類專家大腦中提取和總結出來，并且保證所獲取的知識間的一致性，它是專家系統開發中的一道關鍵工序。二、專家系統的基本結構及其功能2023/2/1226第二十六頁，共六十五頁。

構造專家系統時，要求專業領域的專家和知識工程師密切合作，總結和提取專家領域知識，把它形式化并編碼存入計算機中形成知識庫。

但是，專業領域知識是啟發式的，較難捕捉和描述，專業領域專家通常善于提供事例而不習慣提供知識，所以，知識獲取被公認為是專家系統開發研究中的瓶頸問題。二、專家系統的基本結構及其功能2023/2/1227第二十七頁，共六十五頁。1.推理機制推理：根據一個或一些判斷得出另一個判斷的思維過程。推理所根據的判斷，稱為前提。由前提得出的判斷，稱為結論。在專家系統中，推理機利用知識庫的知識，按一定的推理策略去解決當前的問題。

三、推理機制2023/2/1228第二十八頁，共六十五頁。2.三段論由且只由三個性質判斷組成，其中兩個性質判斷是前提，另一個性質判斷是結論。所有的推理系統都是智能系統；

專家系統是推理系統；所以，專家系統是智能系統。大項中項小項三、推理機制2023/2/1229第二十九頁，共六十五頁。3.基于規則的演繹前提與結論之間有必然性聯系的推理，是演繹推理。前提與結論之間的這種聯系可由一般的蘊涵表達式直接表示，成為知識的規則。例如，所有的哺乳動物都是動物，可以寫成如下的蘊涵式：

(x)[Mammal(x)→Animal(x)]

三、推理機制2023/2/1230利用規則進行演繹的系統，通常稱作基于規則的演繹系統。常用的演繹推理方法有正向、反向和正反向聯合三種：第三十頁，共六十五頁。

正向演繹系統定義：從一組事實出發，不斷嘗試所有可利用的規則，并在此過程中不斷加入新事實，直到獲得包含目標公式的結束條件為止。特點：由數據到結論；

數據驅動策略。三、推理機制2023/2/1231第三十一頁，共六十五頁。

反向演繹系統定義：先提出假設(結論)，然后去尋找支持這個假設的證。特點：由結論到數據；目標驅動策略。三、推理機制2023/2/1232第三十二頁，共六十五頁。

正反向聯合演繹系統正向演繹系統和反向演繹系統的局限：正向系統可以處理任意形式的事實表達式，但被限制在目標表達式為由文字析取組成的一些表達式。反向系統可以處理任意形式的目標表達式，但被限制在事實表達式為由文字合取組成的一些表達式。正反向聯合演繹，發揮各自的優點，克服其局限性。三、推理機制2023/2/1233第三十三頁，共六十五頁。4.歸納推理

定義：由個別的事物或現象推出該類事物或現象的普遍性規律的推理。常見的推理方法：簡單枚舉法、類比法、統計推理、因果關系法等五種(契合法、差異法、契合差異并用法、共變法與剩余法)。三、推理機制2023/2/1234第三十四頁，共六十五頁。5.不精確推理

定義：基于不確定的推理規則進行推理，形成結論。常見的不精確推理方法：概率論方法可信度方法模糊子集法證據論方法等。三、推理機制2023/2/1235第三十五頁，共六十五頁。1.一般概念知識表示是計算機科學研究的重要領域，智能活動過程主要是一個獲得應用知識的過程。智能活動的研究范圍：

知識的獲取、知識的表示、知識的應用知識表示的基本要求：

可擴充性、簡明性、明確性等。

知識表示方法：符號邏輯法、產生式規則、框架理論、語義網絡、特征矢量法、過程表示法等。四、知識表示與知識獲取2023/2/1236第三十六頁，共六十五頁。2.知識的符號邏輯表示法優點：

邏輯表示的演繹結果在一定范圍內保證正確，而其他知識表示方案，至今還未達到這一點。

邏輯表示從現有事實推導出新事實的方法可以機械化。四、知識表示與知識獲取2023/2/1237第三十七頁，共六十五頁。一階謂詞邏輯表示法

一階謂詞邏輯是一種形式語言系統，研究的是假設與結論之間的蘊含關系，即用邏輯方法研究推理的規律。由于它與自然語言相似，故可用來表示人類的某些知識。四、知識表示與知識獲取2023/2/1238第三十八頁，共六十五頁。P(x,a)：指

x

(某人)的身份為a，a為常量，可以是

teacher,studenut

等；A(y,b)：指y

(某人)的年齡為b；

GE(x,y)：指x≥y；

E(u,e)：指u(某人)的文化程度為e,e可分為high,middle

和primary三擋；S(z,c)：指z的性別為c,c

的取值為male或

female；W(w,d)：指w的工作年限(工齡)為d。四、知識表示與知識獲取2023/2/1239例：謂詞：第三十九頁，共六十五頁。事實：P(Wang,teacher)：老王的職業為教師；S(Wang,male)：老王為男性；W(Wang,20)：老王工齡20年。規則：(1)(x){P(x,teacher)→E(x,high)}：表示：所有的教師都具有大學以上文化程度(2)("x){E(y,high)→($x)(A(y,x)GE(x,23))}：表示：所有具備大學文化程度以上的人，年齡一般大于或等于23歲

四、知識表示與知識獲取2023/2/1240第四十頁，共六十五頁。(3)(z)(v){P(z,teacher)w(z,v)(w)EQ(w,ADD(v,23))→(x)(A(z,x)GE(x,w)}表示：任何一位工齡為v的教員，其年齡一般大于或等于v+23問題：老王年齡多大？

四、知識表示與知識獲取2023/2/1241第四十一頁，共六十五頁。回答：推理，

從已知事實P(Wang,teacher)根據推理規則(1)，經變量置換{x／Wang}后得:P(Wang,teacher)→E(Wang,high)

即：“老王受過高等教育”。

由推理規則(2)，經變量置換{y／Wang}后得：

E(Wang,high)→(x)(A(Wang,x)GE(x,23))

即：“老王年齡至少是23歲或23歲以上”四、知識表示與知識獲取2023/2/1242第四十二頁，共六十五頁。

從推理規則(3)，利用事實P(Wang,teacher)和

W(Wang,20)，經變量置換{z/Wang,v/20}，從另外的推理路線得：

P(Wang,teacher)w(Wang,20)(w)EQ(w,ADD(20,23)) →(x)(A(Wang,x)

GE(x,w)

得知：“老王年齡大于或等于43歲”。四、知識表示與知識獲取2023/2/1243第四十三頁，共六十五頁。3.產生式規則表示法優點：產生式規則之間相互獨立，有利于系統的修改、擴充。如MYCIN醫學咨詢系統。產生式系統中，論域知識分成兩部分：事實：靜態的知識，如事物、事件和它們之間的關系；產生式規則：推理和行為的過程。由于這類系統的知識庫中主要存儲的是規則，所以又稱基于規則的系統。四、知識表示與知識獲取2023/2/1244第四十四頁，共六十五頁。

事實的表示對于孤立的事實，在專家系統中常用(特性－對象－取值)三元組表示。在謂詞演算中關系謂詞也常以這種形式表示。如：

(AgeWang-Feng38)(MenWang-FengTrue)(FatherWang-LingWang-Feng)四、知識表示與知識獲取2023/2/1245第四十五頁，共六十五頁。不完全知識：(判斷，振動基頻分量振幅占通頻振幅60％以上，基頻振動，0.9)(判斷，主蒸汽壓力低于規程標準，主蒸汽壓力低，1.0)上述規則分別表示：“振動基頻分量振幅占通頻振幅60％以上判斷為基頻振動”的置信度為90%“主蒸汽壓力低于規程標準為主蒸汽壓力低”的置信度為

100%。四、知識表示與知識獲取2023/2/1246第四十六頁，共六十五頁。振動峰峰值大

基頻振動低頻振動二倍頻振動廣譜振動

不平衡振動熱彎曲油膜渦動油膜振蕩支承問題軸裂紋不對中摩擦

聯軸器問題初始不平衡零部件脫落......

......汽輪發電機組故障樹

四、知識表示與知識獲取2023/2/1247對于各事實之間的關系，常以樹狀結構來表示：第四十七頁，共六十五頁。

規則的表示

RULE=(<規則名>(IF<事實1>；若事實1成立且

<事實2>；事實2成立且┇

<事實n>)；事實n成立

(THEN<結論1>；則結論1成立且

<結論2>；結論2成立且┇

<結論m>)；結論m成立四、知識表示與知識獲取2023/2/1248第四十八頁，共六十五頁。規則2=基頻振動

(如果振動工頻分量占通頻振幅的比例大于60％0.95；

過臨界轉速對振幅明顯增大，且相位變化大于100°0.8；

穩速時，相位不隨時間、負荷而變化0.8)；

(則為不平衡故障

0.9)；置信度四、知識表示與知識獲取2023/2/1249第四十九頁，共六十五頁。但這種完全獨立的規則集雖然增刪、修改容易，但尋找可用規則時只能順序進行，效率很低。在實際專家系統中，由于規則較多，所以總是以某種方式把有關規則連接起來，如建立某種形式的索引文件。這樣既方便查找，又可把規則存放在磁盤上，避免把所有規則調入內存造成內存不足等問題。例如：四、知識表示與知識獲取2023/2/1250第五十頁，共六十五頁。對于油膜振蕩故障，可以有如下規則：IF(油膜振蕩)THEN(規則287,288,289,290,291,292,293,294,395)；同樣，對于決策性知識，也可用類似表示法：IF(油膜振蕩)THEN(決策10,11,12,20,25)；決策序號規則序號四、知識表示與知識獲取2023/2/1251第五十一頁，共六十五頁。4.框架理論框架是一種描述某種形態的數據結構，它由一組槽所組成。一般，框架有如下形式：《框架名》《槽名1》《側面名11》(值111，值112，...)《側面名12》(值121，值122，...)┇《槽名2》《側面名21》(值211，值212，...)《側面名22》(值221，值222，...)┇四、知識表示與知識獲取2023/2/1252第五十二頁，共六十五頁。框架可用來描述動作與推測。例如，在工況監視與故障診斷系統中有：動作框架類型監測動作者工況監視與故障診斷系統被監測者汽輪發電機組可能結果

情況1框架情況2框架情況3框架四、知識表示與知識獲取2023/2/1253第五十三頁，共六十五頁。情況1框架類型描述對象汽輪發電機組反映低壓轉子兩側工頻振動大可能結果低壓轉子不平衡或熱彎曲情況2框架類型描述對象汽輪發電機組反映各項參數正常可能結果機組工作正常，繼續正常運轉四、知識表示與知識獲取2023/2/1254第五十四頁，共六十五頁。情況3框架類型描述對象汽輪發電機組反映軸振動超限值可能結果報警，停機檢修

四、知識表示與知識獲取2023/2/1255第五十五頁，共六十五頁。框架也可以來描述一個概念。如：描述軋鋼機的框架：軋鋼機框架類型用途(初軋機框架，連軋機框架...)

規格(650，850，1150，1700，...)

結構軋輥(軋輥框架)

牌坊(機架框架)

主傳動系統(傳動系統框架)

電動機(電動機框架)四、知識表示與知識獲取2023/2/1256第五十六頁，共六十五頁。傳動系統框架高速軸軸(帶飛輪，不帶飛輪，…)

聯軸器(剛性，彈性，…)

小齒輪(漸開線，圓孤，…)

軸承(滾動，滑動，…)低速軸軸(帶動一架，帶動二架，…)

聯軸器(齒輪聯軸器，彈性聯軸器)

軸承(滾動，滑動，…)

大齒輪(漸開線，圓孤，…)┇四、知識表示與知識獲取2023/2/1257第五十七頁，共六十五頁。5.不精確知識的表示不精確知識來源：①知識并非完全可靠；②知識不完全；③知識來自多個相沖突的知識源等；④由于情況的不斷變化，或在對客觀事物所掌握的信息不完整或不正確的情況下進行推論所導出的