知識庫結構
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§ 1 ?? 知識庫概述
知識庫同知識表示和推理機構成專家系統的三個核心組成部分。知識表示研究如何將專家的知識和經驗以一定的結構合乎邏輯地表達出來，而知識庫則是研究知識的存貯結構，保證知識的明確性、相容性、簡潔性及可維護性。嚴格地說，知識表示和知識庫是分不開的，有何種知識表示，就有基于該種知識表示的知識庫結構。
關于知識庫的定義，各行各業都根據自己的需要對知識庫有著不同的定義，眾說紛紜。但對知識庫都有一個共同的看法：知識庫——特定領域的知識和數據的集合，即強調知識庫是一個集合、一個知識和數據的集合，而這些知識和數據又屬于一個特定的領域，如：燃氣輪機知識領域。
知識庫的研究和發展得益于一些概念和技術的集成。這些概念和技術所涉及的主要領域有：數據庫技術、形式邏輯和自然語言處理等，數據庫技術的發展使得知識庫能處理數據共享的問題；形式邏輯使得復雜知識能夠向簡單事實一樣被表示、存貯和推理；自然語言處理方法的研究使得知識庫能夠處理一些復雜的對象、事件序列和模糊的知識，但知識庫并非僅僅是借助于其它領域技術和方法的簡單組合，它有著自己的鮮明特點：
1. 明確性 ????????? 包含兩個方面：一是知識庫結構的明確性，由于知識庫是特定領域的數據和知識的集合，因此，知識庫結構應與自己所應用的對象明確地保持一致；二是知識庫中知識存貯方式的明確性，即知識不應隱含地存放。
2. 相容性 ????????? 知識庫中的知識必須保持邏輯上的嚴格一致，同時必須嚴格遵守事先規定好的某些規范，不能有矛盾性的知識或不合規范的知識存在。
3. 簡潔性 ????????? 即知識庫中的知識不應該雷同或冗余，若某一知識能從其它知識演繹而得到，則應該把該知識從知識庫中剔除。
4. 可維護性 ????? 即知識是可以增加、刪除和修改的，這是知識庫的功能中的重點和難點。
在本文中，針對燃氣輪機特有的知識表示結構，結合關系型數據庫的思想，提出了燃氣輪機知識庫的層次模型 ? 結構。該結構能有效地避免知識冗余，通過知識關聯和多級索引機構，極大地提高了知識庫的搜索效率。
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§ 2 ? 燃氣輪機知識庫分類及總體結構
在第三章，討論了燃氣輪機知識的分類及每類知識的表示方法。本文把關于燃氣輪機的知識分為兩大類：深層知識和淺層知識。其中，深層知識又可分為知識元和關聯；淺層知識又分為斷言、規則和征兆，如圖 4 － 1 所示：
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圖 4 － 1 燃氣輪機知識分類
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一個設計良好的知識庫，除了應具備前面提到的明確性、相容性、簡潔性和可維護性外，在結構上還應具備很強的獨立性，當根據需要對知識庫進行擴充或修改時，而不會影響系統的其他部分。同時，知識庫內部也應具有鮮明的結構化、層次化特點，這也是系統可維護性的要求。
因此，將知識毫無區別地混雜在一起存放是不明智的，這樣既不便于檢索也不便于維護。本文采用的方法是，將如圖 4 － 1 所示的每一類知識單獨存放在不同的知識庫中，根據不同類知識之間的依賴關系，構筑其相應知識庫之間的結構關系。這樣，不僅保證了知識庫的結構化、層次化特點，而且知識庫結構同知識表示在邏輯上保持一致，使整個系統結構顯得完整、緊湊。更重要的是，存取知識庫時不必經過格式的轉換，提高了系統的效率。
鑒于上述分析，本文采用的知識庫分類方式同燃氣輪機知識的分類方式一樣，給每一類知識都構筑自己的知識庫，因此燃氣輪機知識庫的分類方式如圖 4 － 2 所示。
?????? 觀察燃氣輪機知識庫分類圖（圖 4 － 2 ），燃氣輪機知識庫由 11 個庫組成，如何組織這 11 個庫之間的關系及其內部的結構是本章討論的重點。淺層知識總是基于結構化原理等深層知識之上，因而在知識庫模型中，深層知識庫應該在底部，淺層知識庫則應該在頂部；深層知識庫又包括知識元庫和關聯庫，其中知識元庫是基礎，它記載和描述了構成任一條燃氣輪機知識的最基本元素（系統名，子系統名，對象名，狀態描述），關聯庫則存放著各知識元庫中知識元之間的所屬關系，關聯庫的存在以知識元庫的存在為前提，因而在深層知識庫中，知識元庫在底部，關聯庫在頂部；淺層知識庫包括斷言庫、規則庫、征兆庫和行動庫，由定義 3 － 3 和圖 3 － 6 ，斷言庫事實上表現為各層知識元庫根據相應關聯而構成的一個四元關系集，也就是說，斷言可直接從深層知識庫中抽取，同時，斷言又是構成規則和征兆的前件和后件的基本元素，因而斷言庫在深層知識庫之上且位于淺層知識庫的底部；規則和征兆則是基于斷言的產生式結構，故規則庫和征兆庫位于斷言庫之上，在淺層知識庫的頂部；行動本應屬于規則的一個域，為了使規則的描述得到簡化，故把行動從規則中分離出來，使其單獨構成一個庫，因此，行動庫是規則庫的一個附件。由于行動庫存放的只是 給用戶提供維修措施的一組字符流，不需要特殊的存儲結構，因此本文后幾節將重點討論其它幾種的知識庫結構。
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???????????????????? 圖 4 － 2 燃氣輪機知識庫分類
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鑒于上述分析，本文提出的燃氣輪機知識庫模型如下：
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圖 4 － 3 燃氣輪機知識庫模型
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§ 3 ?? 知識元庫
如圖 4 － 3 所示，知識元庫包括系統名庫、子系統名庫、對象名庫和狀態描述庫。這四個庫是整個燃氣輪機知識庫的基礎，它記載和描述著燃氣輪機所有系統、部件及參數的名稱和關于它們可能狀態的描述。對應圖 3 － 6 ，就主機系統而言，這四個庫事實上分別對應著圖中的四層節點集。
考察下述深層知識：
例 4 － 1 ??? 主機系統由壓氣機、燃燒室和渦輪等子系統構成；壓氣機包括出口溫度、出口壓力、壓比和葉片等對象（參數和部件）；燃燒室包括燃油噴射量等對象（參數）；渦輪包括輪間溫度、平均排氣量和靜子、密封件等對象（參數和部件）。而每一對象有過高、過低、過大、過小、變形、磨損和斷裂等狀態描述（異常狀態）。
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為了能夠清晰地從上述知識中抽取各層知識元，不妨把它表示成四層樹形結構圖的形式：
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系統名庫對應第一層節點集
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?????? 系統名庫： { 主機系統 }
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子系統名庫對應第二層節點集
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?????? 子系統名庫： ? { 壓氣機，燃燒室，渦輪 }
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對象名庫對應第三層節點集
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?????? 對象名庫： { 出口溫度，出口壓力、壓比，葉片，燃油噴 ??????????????????????????? 射量，輪間溫度，平均排氣量，靜子，密封件 }
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狀態描述庫對應第四層節點集
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?????? 狀態描述庫： ? { 過高，過低，磨損，變形，斷裂，過大，過小 }
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但是，上述具體的知識元庫只是說明了知識元在相應知識元庫中的結構，這種庫結構是離散化的，并沒有完整地存儲例 4 － 1 中的深層知識，而關聯庫的存在則使得這一問題得到解決。
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§ 4 ?? 關聯庫
關聯分為一、二、三級，相應地關聯庫也分為一級、二級、三級關聯庫，它反映了各層知識元之間的所屬關系：
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如第三章所述，關聯分為關聯首部和關聯體部。就一級關聯而言，關聯首部存放系統名在系統名庫中的序號，關聯體部則存放子系統名在子系統名庫中的序號，關聯體一般有多個序號，呈現典型的一對多的形式，這一點也符合燃氣輪機的基本結構。在關聯庫中，關聯也以這種形式存放，由于關聯庫是多個關聯的集合，因此涉及到關聯在關聯庫中的相對位置的排序問題。在同一個關聯庫中不可能存在兩個關聯其首部相同，對于這種情況系統會自動地將其合并為一條關聯（見第六章－－知識獲取），因此可以采用關聯首部作為關鍵值，以該值的大小順序（本文中采用由小到大的順序）來安排各關聯庫中關聯的相對位置，這樣做的好處是知識獲取時可以采用二分查找法查找關聯（見第六章－知識獲取），因為這種方法可以有效地提高知識庫的搜索效率。
回到例 4 － 1 ，給出關聯庫中該知識的結構（如圖 4 － 5 ），為保證論述的整體性和完整性，圖中結合了知識元庫一塊描述，事實上，這也是例 4 － 1 在深層知識庫中的結構。
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§ 5 ?? 斷言庫
在燃氣輪機知識庫的 11 個庫之中，從知識庫的產生方式來說，斷言庫是最特殊的。因為其它所有庫中的知識均由知識工程師和專家合作，以一定的形式存入知識庫中，而斷言庫則是自動生成的。
由定義 3 － 3 ，斷言事實上就是從燃氣輪機各系統四層樹形結構圖根節點到葉節點的而得到的描述，也就是基于燃氣輪機四層知識元庫之上的一個關系，而這種關系的建立不是隨機的，它依賴于四層知識元庫之間的三級關聯。因此，斷言庫依賴于深層知識庫的存在而存在，一旦確立了深層知識庫，則斷言庫事實上已經被確定。因此，斷言庫完全可以以深層知識庫為基礎，由系統自動地建立。在討論系統如何自動建立斷言庫之前，先介紹一個重要的概念－－ 關聯的連接運算。
考察下述斷言
斷言 1 ????? 主機系統透平輪間溫度過高
根據§ 3 － 3 － 3 節的討論，該斷言的框架表示如下
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???????????????? （框架名：斷言 1 ） ??????
???????????????????? （槽 1 ：主機系統） ???
???????????????????? （槽 2 ：透平）
???????????????????? （槽 3 ：輪間溫度） ???
???????????????????? （槽 4 ：過高） ???
?
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更進一步地，結合圖 4 － 5 ，上述各槽值可以采用在對應知識元庫中的序號來表示：
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???????????????? （框架名：斷言 1 ） ??????
???????????????????? （槽 1 ： 1 ） ???
???????????????????? （槽 2 ： 3 ） ???
???????????????????? （槽 3 ： 6 ） ???
???????????????????? （槽 4 ： 1 ）
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為方便起見，改寫成下列形式：
（ 1 ， 3 ， 6 ， 1 〕
上述形式中，忽略了斷言框架的名稱，因為斷言庫中每一斷言框架的名稱可以采用斷言在斷言庫中的序號來表示，而斷言本身并沒有必要知道它在斷言庫中的位置。因此，上述存儲結構中只記載了知識元“主機系統”、“透平”、“輪間溫度”、“過高”在相應知識元庫中的序號，這也是斷言在斷言庫中的存儲結構。相應地，斷言“主機系統壓氣機葉片斷裂”也可以表示為下列形式：
（ 1 ， 1 ， 4 ， 5 ）
?????? 事實上，斷言的這種存儲結構可以從關聯庫中得到體現，就斷言（ 1 ， 3 ， 6 ， 1 ）而言（不妨設該斷言為 ass1 〕，根據系統名序號 1 在一級斷言庫中尋找關聯首部為 1 的關聯項 con1= （ 1 ， 1 ， 2 ， 3 ），發現斷言 ass1 的子系統名序號 3 出現在關聯項 con1 的關聯體中；根據子系統名序號 3 到二級關聯庫中尋找關聯首部為 3 的關聯項 con2= （ 3 ， 6 ， 7 ， 8 ， 9 ），發現斷言 ass1 的對象名序號 6 出現在關聯項 con2 的關聯體中；根據對象名序號 6 到三級關聯庫中尋找關聯首部為 6 的關聯項 con3= （ 6 ， 1 ， 2 ），發現斷言 ass1 的狀態描述名序號 1 出現在關聯項 con3 的關聯體中。因此，斷言（ 1 ， 3 ， 6 ， 1 ）完全可以從關聯項 con1 、 con2 、 con3 中抽取，同樣，從 con1 、 con2 、 con3 中還可以抽取斷言（ 1 ， 3 ， 6 ， 2 〕 ( 對應“主機系統透平輪間溫度過低” ) 。斷言的這種生成方式可表示為
????????????? con1*con2*con3 ＝ { （ 1 ， 3 ， 6 ， 1 ），（ 1 ， 3 ， 6 ， 2 ） }
其中， * 稱為連接符號。
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?
定義
4
－
1
?????
設
?????????????
關聯項
?????????????????
?????????????????
?????????????
那么稱
關聯項
?????????????
???????????????????? ……
????????????????????
?????????????
記為
??????
?????????????
其中，
?
?
按照定義
4
－
1
，考察前述關聯
??????????????????????????????????
因此，
??????
若上述關聯項
?
?
結論
4
－
1
?????
設
?
?
在深層知識庫基礎之上，采用關聯的連接運算可自動地生成斷言庫。至于斷言在斷言庫中的排列次序同關聯庫一樣，以斷言框架的第一個值（系統名）為關鍵字，由小到大排列，對于系統名相同的斷言則以斷言的第二個值（子系統名）為關鍵字，余類推。這樣做的目的是為了能夠采用二分查找法，提高斷言庫的搜索效率。對應圖 4 － 5 的深層知識庫生成的斷言庫如圖 4 － 6 所示，圖中把斷言庫分成三塊，是為了能夠更清晰地觀察到斷言庫的排序結構。事實上，斷言在斷言庫中是連續存放的。
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????????????
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圖 4 － 6 ?? 由圖 4 － 5 生成的斷言庫結構
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§ 6 ?? 規則庫 ?????
?????? 在第三章，本文討論了規則的知識表示方式，確定了采用基于斷言框架的產生式結構來表示規則，并給出規則的一個表達模式：
r= （故障現象，故障原因，規則強度，行動方案〕
那么，規則在規則庫中的具體存儲結構如何？本節將在產生式結構的基礎之上作進一步的探討。為了討論問題的方便，先不考慮規則強度與行動方案。即認為規則由下述兩部分構成：
r= （故障現象；故障原因）＝（ A ； B ）
至于規則強度與行動方案稍后再討論。
?????? 針對燃氣輪機的具體運行情況，按照規則前件的形式分類，規則的形式不外乎下述四種情況 :
?????? 1. ??? 規則前件為單個斷言，即故障 B 只表現為一種故障現象。
???????????????????????????
形式
1
：
?????? 2. ??? 規則前件為多個斷言相“或”，即故障 B 可能誘發多個故障現象，而這些現象可以不同時出現。
???????????????????????????
形式
2
：
?????? 3. ??? 規則前件為多個斷言相“與”，即故障 B 可能誘發多個故障現象，而這些現象肯定同時出現。
????????????????????
??????
形式
3
：
?????? 4. ??? 規則前件為多個斷言以“與”和“或”的形式相組合，即故障 B 可能誘發多個故障現象，而其中一些現象可能單獨出現，另外一些現象要么不出現，要么同時出現，
???????????????????????????
形式
4
：
這里，符號
?????? 其實，上述四種形式可以進一步地縮減，對于形式 4 可以通過變換將其前件化為合取范式的形式 [5] ：
??????????????????????????????????
這里
?
???????????????????????????????????????
可以化為兩條規則
?????????????????????????????????????????
對于形式 2 ，可用形式 1 表示。 如規則
?????????????????????????????????????????
可以化為三條規則
?????
?????????????????????????????
因此，上述四種規則形式可以歸結為形式 1 和形式 3 ：
???????????????????????????
形式
1
：
???????????????????????????
形式
3
：
而形式 1 則又是形式 3 的一個特例，當 n=1 時，形式 3 就變成形式 1 。
?????? 鑒于上述分析，關于燃氣輪機的所有規則均可采用形式 3 描述，因此，本文在規則庫中采用形式 3 來存儲規則。
?????? 燃氣輪機實際運行時情況比較復雜，對于一個或若干個故障現象，都可能對應若干個故障原因，這些原因中可能有些發生，有些并沒有發生。因此，諸多原因中各自的可能性是不一樣的，因而規則強度也不一樣。同樣，對于每一個具體的故障原因都有其具體的解決辦法或行動方案。因此，規則強度和行動方案同故障原因之間存在著相互對應的關系，可將它們歸結為一類，并入規則后件之中。于是規則的形式又統一到第三章描述的規則表示的形式上：
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這里，規則前件 A 是如形式 3 中多個斷言相“與”的形式；規則后件 B 則是多個可能的故障原因（附帶規則強度與行動方案）的排列。因此，規則的存儲結構應該如圖 4 － 7 所示：
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圖 4 － 7 規則的存儲結構圖
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實際存儲時，為了節省存儲容量，提高匹配速度，上述各斷言均采用該斷言在斷言庫中的索引號表示。如圖 4 － 7 中的規則 1 在規則庫中的實際形式為：
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圖 4 － 8 規則的實際存儲形式
燃氣輪機實際運行過程中，經常遇到的一個問題是效率和壓比過低，根據專家經驗可能是由于壓氣機葉片變形、磨損或斷裂引起，當然也有可能是由輔助系統的故障引起，如放氣機構工作不正常，進氣導流氣結冰等。為了能夠沿用圖 4 － 6 中例 4 － 1 的斷言庫，這里只考慮壓氣機葉片的故障引起壓比過低的情況，因為關于壓氣機效率和輔助系統的斷言在圖 4 － 6 中并未列出。以前面討論的形式 3 對這一規則作一描述：
設斷言 ??? A1 ＝主機系統壓氣機壓比過低；
?????????? A2 ＝主機系統壓氣機葉片變形；
?????????? A3 ＝主機系統壓氣機葉片磨損；
?????????? A4 ＝主機系統壓氣機葉片斷裂；
則上述專家經驗可表示為規則
?????????? r=(A1 ； (A2 ， CT1,ACT1) ú (A3,CT2,ACT2) ú (A4,CT3,ACT3))
其中， CT1,CT2,CT3 為規則強度， ACT1 ， ACT2 ， ATC3 為行動方案。以圖 4 － 7 的斷言庫為例，這條規則在規則庫中的存儲結構如下：
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圖 4 － 9 規則 r 在規則庫中的存儲結構
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§ 7 ?? 征兆庫
?? 正如前面所述，燃氣輪機的同一故障現象可能對應多個原因，即多個故障可能誘發同一現象。例如，當渦輪效率有變化時，可能是下述幾種原因引起：
?????????? ????? 1. ? 渦輪工作葉片拉長
????????????????? 2. ? 渦輪氣流通道零件燒毀
????????????????? 3. ? 渦輪工作葉片扯斷
????????????????? 4. ? 軸承和篦齒密封圈斷裂
5. ????? 排氣裝置損壞 ?
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而燃氣輪機實際運行時，可能只發生其中一種或少數幾種故障原因，并非所有的故障同時出現，為保證故障診斷的深度，必須對上述 5 個故障原因中實際沒有發生的故障予以排除。當某一故障發生時，必然會表現出與之相關的確定的征兆，可以通過檢查這些征兆是否出現來判斷該故障是否發生，從而達到保證診斷深度、縮小診斷范圍的效果。這也是設立征兆庫的原因。
??? 第三章中，提出了征兆的知識表示模型如下：
（故障狀態；故障表現）
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這里故障狀態單一，并非多種故障狀態的組合，而故障表現則是該故障狀態發生時所表現出來的所有征兆的組合，同樣，它們均由斷言構成。因此，征兆在征兆庫中的存儲形式如下圖所示：
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圖 4 － 10 ?? 征兆在征兆庫中的形式
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這里， m 為故障狀態在斷言庫中的序號， n1,n2,...,nn 分別為故障 m 的 n 個征兆在斷言庫中的序號。
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本章小結
本章在燃氣輪機知識分類的基礎之上引出燃氣輪機知識庫的分類，并以燃氣輪機知識之間的層次關系來構筑其知識庫，提出了燃氣輪機知識庫的層次化模型。該模型中，各類知識自成一體，不同類知識之間的關系通過其相應的知識庫之間的結構準確地體現出來。為了提高知識庫的搜索和匹配效率，對知識庫中的知識存儲形式作了探討。
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