8、第八课 专家系统与决策支持

1、专家系统与决策支持Expert System and DSS1近年来，人工智能（Artificial Intelligence，简称AI）理论的出现及其在故障诊断中的成功应用，为故障诊断技术的发展开拓了新的途径。利用人工智能的理论和方法，将设备维护人员关于故障诊断的经验和知识加以系统化，形成专家系统，将有利于故障诊断知识的积累和扩大。2图1 人工智能的应用神经网络模糊逻辑遗传算法智能服务专家系统自然语言分析人工感知系统工业机器人人工智能的应用3变电设备劣化和异常情况的判断，在以往完全取决于现场维修技术人员的经验。熟练维修人员的高龄化和经验丰富的年轻设备维修人员的培养不足是当前电力系统运行单位所

2、面临的一个主要问题。 专家系统是一种具有大量专门知识的程序系统，它根据多个专家提供的专业知识进行推理，模拟专家作出决定的过程，解决通常需要专家才能解决的复杂问题。借助专家系统的帮助，使现场的运行和维护人员可以迅速、准确地将异常设备分选出来，从而在一定程度上缓解了现场对维修人员在经验方面的要求。4什么是专家系统？功能性定义:它是利用人类专家的权威性知识和求解问题方法（推理）来求解那些通常需要人工智能的问题的一组计算机程序系统；能根据用户提供的数据、信息或事实，运用系统中存储的专家经验或知识进行推理判断，最后给出结论及结论的可信度以供用户决策之用；能对某一任务提出聪明的建议或智能的决策；能判断自己

3、的推理路线并以简明易懂的方式告诉询问者；可解决人类专家都很难解决的一些问题。5电气设备发生故障的原因涉及到多个方面，很多因素与故障之间的关系具有不确定性，只判断单一因素不能正确识别故障。同理，单一领域的专家不能全面解决多因素导致的故障。专家的知识是从实践中形成的，没有明确的诊断标准，难免产生偏差和错误。专家系统能使多个领域众多专家的专业知识和经验以及他们相互合作解决问题的能力得以总结、综合、精炼及发展，使特定领域的专家有了通力合作及相互参考学习的新场所，有利于特定学科的进一步发展。专家系统能够高效率、低消耗、准确无误、周密全面、迅速而不知疲觉得工作，使人类专家的经验不再受时间和空间的限制，得以

4、永久保留和广泛推广应用。6 什么是专家系统？型态性定义具有分离式领域知识库及推理器的智能型信息系统， 用于解决特定领域的课题。将传统的“数据结构+算法=程序”的应用程序模式变化成“知识+推理=系统”模式。7专家系统的局限性：一是知识获取的瓶颈问题，由于知识的获取主要靠人工移植；其二是知识维护困难，多数采用简单的产生式结构构造知识库，尚未采用面向对象的知识库构造方式，算法比较复杂。其三是由于推理方法简单、诊断策略不灵活，造成推理能力较弱，容易出现匹配冲突，容错能力较差，推理速度慢，难以满足监测控制实时性的要求。这些都是专家系统欲待解决的前沿课题。8建立专家系统的条件是否存在能够解决该问题的人类专

5、家?如果不存在人类专家，也就无法建立解决问题的规则。问题是否存在可定义的解答?专家系统被设计为在一组解决方案中选择最恰当的方法。解决问题的具体方案必须适于表述为专家系统的语言。问题的领域和可理解程度是否限定在有限的范围内?广义的常识性问题或者需要很“深”知识的问题都不适于专家系统。专家系统只能解决特殊领域的问题。解决问题的方法是否可以文本化?问题解决方案可能是决策树、程序手册、使用说明等等。一个具有良好定义的问题域能够很容易地建立专家系统。9专家系统的可应用范围特定的广度有限的深度问题域ExpertSystems 将专家系统将解决的问题定义到如上图中适当的阴影区域是非常重要的，问题域不应具有“

6、过宽” 的范围和“过深” 的可理解水平。10 传统专家诊断的缺点受地域限制；受年龄限制；容易疲劳。11为什么使用专家系统?知识的保护将专家的经验转化为永久的记忆。将专家从重复繁琐的日常工作中解放出来。 在专业领域为初学者提供专家的建议。将专家经验广泛地推广。 提高工作效率.在紧急状况下提供参考意见.尤其在疲劳和精神压力大的情况下。12专家系统与人类专家的对比要素人类专家专家系统时效性工作日任何时间地域性当地无论何处安全性不能替代的可替代的易损坏是否性能易变的恒定的速度通常较慢通常很快费用高相对廉价的13图5 专家系统的组成和处理流程一般专家系统的主要组成知识库推理机14监测数据历史数据规程环境

7、经验知识定义规则结构.专家系统知识表达数据库索引15 人机交互界面 知识库 推理机专家系统16专家系统的建立专家系统外壳人机界面推理机知识工程知识获取知识表达17建立专家系统的参与者领域专家知识工程师用户18领域专家在特定领域，具有某种特殊技能的人，能够利用以往的经验，正确地给出问题的解决方案。知识工程师专家系统的设计、开发和实现者。是专家经验到应用规则的转换者。使用者将要使用专家系统的用户。领域专家知识的最终受益者。19智能的一般模型智慧知识信息Data语境+想象力+经验+20知识工程师的智能模型上下文+分析/精炼+简明的规则+知识事实“原始”数据决策21知识库包含专业领域中解决问题的方法性

8、知识， 有两种基本的表达方法：规则: If-then模式， 模仿人类专家的思考过程. (基于规则的推理)案例: 搜集以往相关问题的解决方案，并将其应用到当前须解决的问题中。(基于案例的推理)22图 6 基于规则的知识表示知识表达方法23规则的表示方法IF前提THEN结论1 and 选择1ELSE结论2and 选择2记录:_参考:_24IF 部分是对检验条件的简单描述, 可用语言或代数表达式表示。 例如: 今天是星期三 or X 1 如果今天是星期三，则第一条规则为真. 如果变量 X 1，则第二条规则为真.检验是根据基本信息进行的:由用户提供的信息；来源于其他规则的信息；IF25THEN THE

9、N 是对推理结论的简单描述，与IF部分的表示类似, 但结论无需检验，是对事实的陈述。 IF “今天是星期三” 可能是真，也可能是假。 如果 IF 条件 是真， 则Then “今天是星期三” 是正确的事实. THEN 结论同样可以表示为字符串或代数表达式。26ELSEELSE 部分是与 THEN 部分是相同的，只是当所有的“IF”部分都为假时，才被启用。ELSE 部分是可选择的，且在大部分规则中都不是必需的。27基于规则推理的举例基于规则的推理应用 If-Then 规则:1. 如果体温超过38C, 则病人严重发烧。2. 如果病人严重发烧并且咳嗽，则病人感冒。当前事实:体温超过38C, 咳嗽。应用

10、这两条规则，可以得出病人感冒的结论。28案例的表示方法案例表示考察所有有关的事实，并建立相应“案例”。考察它们之间的差异。例： Step 1, 在以往高尔夫赛中行家的用杆案例:Case 1: (170 码, 在平草区)，使用 5号杆.Case 2: (160 码,在平草区) ，使用 6号杆.Case 3: (150 码,在平草区) ，使用 7号杆.Case 4: (170 码, 在深草区)，使用 4号杆29Step 2在与已有案例不符的情况下，使用以下规则:a. 如果球处于平草区 ，并且相应案例是用于深草区的，则应使用更高一个量级的球杆。b.如果球处于深草区 ，并且相应案例是用于浅草区的，则应

11、使用更低一个量级的球杆。Step 3 如果当前球处于150码外的深草区，符合 Case 3 (最匹配的案例)，但 Case 3 是适用于浅草区的。进一步使用Step2中的规则b，则可以推论出应当使用6号杆。30专家系统中推理的适用原则何时使用基于规则的推理?当在专业领域存在专家，并且该专家知识能够很好地解决问题时。当需要给出必要的解释和推理索引时。何时使用基于案例的推理?当用户想要浏览相似的案例时。当知识库拥有大量典型案例时。31规则的结构树在办公桌上有电话、计算机、铅笔、法律文件和 磁盘.噪音?YesNo黑色?黄色?黑色?白色?电话计算机磁盘法律文件铅笔矩形?圆柱形?颜色?颜色?形状?开始3

12、2Rule 1: IF 该物品产生噪声，并且颜色是黑色的。THEN 是电话。Rule 2: IF 该物品产生噪声，并且颜色是白色的。 THEN 是计算机 。Rule 3: IF 该物品不产生噪声，且颜色是黑色的。THEN 是磁盘 。Rule 4: IF该物品不产生噪声，且颜色是黄色的，且形状是矩形的 。 THEN 是法律文件 。Rule 5: IF该物品不产生噪声，且颜色是黄色， 且形状是圆柱形的。 THEN 是铅笔 。33推理机控制策略规则执行的控制策略反向推理从假设，即要证明的结论出发，推测可能导致该结论的条件。一个假设可以当作一个真伪尚未确定的事实。正向推理从已知事实出发到结论的推理。3

13、4使用何种策略?何时使用反向推理?当某个特定的结论需要验证时。某些特定类型的问题: 如诊断问题。例如. 我应当购买这辆大衣吗?何时使用正向推理?当你需要得到所有可能的结论时。某些特定类型的问题: 预测和控制。例如，我应当申请那种工作?35反向推理 采用“目标驱动方式”. 如果需要部分信息，则程序将自动检查能够提供该信息的所有规则。 在获得第一规则前，程序将链接所有有关的规则 目标结论（假设）所需信息沿规则链，按逻辑反向传播.36反向推理实例规则 1:IF今天很热THEN 去海滩 程序需要知道如果今天热的条件. 程序将自动检查所有规则，以便找到能够说明今天很热的规则，来支持去海滩的假设。规则 3

14、5:IF 是夏天并且 是晴天THEN今天很热. 如果该规则通过检验，即“是夏天”且“是晴天”, 这两个条件 ，则规则1亦通过检验。该推理链连接了所有应用的规则，并得到了证实。37正向推理 采用“条件驱动方式”。 正向推理就是简单地依次检验现有条件。 亦可代替以用户询问信息的方式。 正向推理依赖于获得信息的次序，而反向推理与信息次序无关。 多数专家系统都采用正反向混合推理的方式.38元规则 元规则 ( 又称控制策略) 即如何应用推理策略的规则。 基于规则的专家系统是由不同的规则层构成。 元规则决定一般性规则的应用标准。 例如: 相同的条件在两条不同规则中，得到了相互矛盾的结论, 此时应当选择哪条

15、规则呢？（冲突消解问题） 元规则可以激发最近经常使用的规则； 元规则可以激发特定优先级的规则。39元规则举例规则: 如果信用纪录小于1年, 则申请者具有高的信贷风险. 如果申请者是医生 则申请者具有较低的信贷风险.元规则: 如果存在一条以上的规则符合事实条件，请选用在时间上距当前最近事实所对应的规则。事实: 某人 25岁， 某人仅具有6个月的信用记录， 某人一年内曾三次失业， 某人三个月前成为医生。“某人是医生”是最近的事实, 因此该申请是低信贷风险的. 40元规则的层次决策 信息元元规则元规则(关于如何应用规则的规则)规则(领域知识)41判定树知识库在大多数情况下，可以判定树的形式构架。判定

16、树结构可以作为知识表达的模式，也可作为知识推理的模式。42它很大吗？它吱吱叫吗？可能是松鼠可能是老鼠它是长颈吗？它有长鼻子吗？可能是长颈鹿可能是大象它喜欢呆在水里吗？可能是犀牛可能是河马否是否是是是是否否否以动物分类为例43搜索策略 专家系统的推理过程，就是进行规则条件与事实的匹配过程。问题求解的目标就是寻找最好的搜索技术，能够给出一条有效的解题途径。搜索策略分为两大类： 盲目搜索。 启发式搜索。44盲目搜索 穷尽式搜索: 沿判定网络的每一个可能的途径进行搜索，时间开销很大。 宽度优先搜索: 沿层搜索，对浅问题有效。ABEFGHABCDEFGH 深度优先搜索: 沿深度最大的分支搜索。CD宽度搜

17、索深度搜索45启发式搜索 启发式搜索需要根据代价函数分析问题域的特性。从而缩小搜索空间。根据这些信息： 确定下一步搜索节点； 确定 后续搜索路径； 将搜索空间中的部分节点，标注上无需搜索的的记号。46 用于电力设备故障诊断的专家系统最早见于Riese在1986年公布的TOGA系统，其后有很多类似的系统应用到实际工程当中。任何专家系统的质量完全取决于它所采用的判断规则和领域经验的质量。但实际上故障诊断知识的获得是非常困难的，一直是阻碍专家系统应用的“瓶颈”问题。专家系统在电气诊断方面的应用47状态诊断专家系统 是基于“状态措施”策略构建的，设备的基本状态包括：正常状态可疑状态可靠性下降状态危险状

18、态对应不同的状态采取不同的处理措施48电站设备管理专家系统图形界面49状态诊断专家系统知识库知识来源广东省油浸电力变压器状态检修导则 电力变压器检修导则等部颁标准 现场专家的意见 表示形式事实 表示变压器的一些基本属性 规则 “ifthen”形式，表示事实间的联系和推理 规则的条件部分可以为“或”或者“与”的关系规则树，以正常状态为例5051专家系统的推理采用反向推理条件匹配 冲突消解状态：先判断是否为危险状态，然后可靠性下降状态、 可疑状态、正常状态具体故障：根据引发故障的可信度不同，将规则排序深度搜索。52故障实例杭州某变电站一变压器多点接地故障南昌发电厂10号高厂变 分接开关接触不良铁心

19、多点接地故障诊断推理53 案例推理(简称CBR)与人类利用经验解决问题的方式非常相近，当我们遇到一个新的问题，总是会首先联想曾经遇到过的类似情况，从记忆中找出在几个重要特征上与该问题相似的事例，然后把该事例中有关信息和知识引用到新问题的分析和处理过程中。对于象大型机电设备故障诊断这样缺乏明确因果模型、需要大量经验的领域，在辅助专家进行决策方面，援例推理作为一种补充的分析手段是非常有价值的。案例推理54 通常将所要分析的问题称为目标范例，而把联想到的事例称为源范例。简单地说，案例推理就是利用目标范例的提示来得案例库中的源范例，并由源范例来指导对目标范例分析的一种策略。 案例推理的主要过程 55

20、准确、清晰的范例表示是实现有效类比的关键。故障范例的表示应包括两方面的内容：1. 索引标志：主要为检索算法提供基础的检索信息，以便根据某种相似测度对源范例和目标范例进行匹配。2. 故障描述：以文档的形式将以往的故障实例加以保存以便检索应用，故障实例的文档内容应当包括设备的台账信息、运行经历、历次色谱和电气试验数据、故障处理情况、检修结果以及维修后的运行情况等。 范例表示56 一般使用故障的某种特征作为索引来完成检索。由于一般情况下不存在完全的精确匹配，因此要对故障实例与范例间的特征关系进行相似度估计。 范例的检索 较常用的是欧氏距离：特征距离最小的即为最相思案例。57 (1). 故障实例：西北

21、电管局庄头#1变，型号：OSFPS7240000/330，生产厂：西变，出厂日期：1991年，曾发生轻瓦斯动作，1996年1月12日色谱分析结果： 236ppm， 48ppm， 13.3ppm， 48ppm， 88ppm, 638ppm， 2594ppm。电气试验未发现问题，局部放电试验结果为平均放电量大于2000PC。实例分析 (2). 检索到的最相近的源范例为：东电某变电站#1主变，型号SFPSL-63000/220，1984年10月10日轻瓦斯保护动作，色谱结果如下： 150ppm， 27ppm， 3.6ppm， 63ppm， 90ppm, 420ppm， 3200ppm。预防性试验结果

22、均合格，局部放电量大于3000pc。而其检修结论为：B、C相首端的长垫块尖角烧坏，与其相应的围屏处烧蚀成洞，表面有树枝状放电通道。 58(3). 诊断结果：变压器内部存在严重的树枝状围屏放电，属高度危险状态，须立即停运检修。 (4). 实际检查结果：该主变于1996年2月进行解体，发现A相外数第一层围屏的第一张绝缘纸板有8个击穿点，第二张绝缘纸板有贯穿性树枝放电。可见与上述源范例的情况是基本一致的。 59 10.2 决策支持决策支持系统以提高决策效益为目标，对决策者起到支持和辅助作用。决策支持系统不能代替决策者的决策。电力系统中对大型设备进行解体检修费用很高，而且会造成较大区域的长时间停电，所以除非事先发现某些明显异常的征兆，一般不会对其进行全面的解体检查。即使发现异常情况，也必须先经过详细的外部检查，进行必