船用產品檢驗業務與管理系統知識庫構架探析

包國興,張云輝

(1.淮安市船舶檢驗局,江蘇淮安 223001;2.江蘇省船舶檢驗局,江蘇南京 210004)

0 引言

進入 21世紀以來,中國在世界造船市場所占份額急劇增長,船舶及船用產品的配套生產得到蓬勃發展,船舶及船用產品檢驗業務也同步增加,江蘇省每年經檢驗的船用產品有近十萬臺(套),涉及大多數制造業。船用產品質量的高低直接對船舶建造質量產生重大影響,船用產品檢驗質量對船用產品制造質量的好壞起到關鍵作用。船用產品的檢驗主要由各檢驗機構的產品驗船師來承擔,但目前產品驗船師數量有限,檢驗工作方式仍然停留在 20世紀80年代的水平。檢驗時主要依靠驗船師個人對規則、規范、規程、標準的理解和掌握程度,依靠驗船師的學習和培訓經歷及驗船師的個人經驗,依靠驗船師的責任心對其進行檢驗。隨著“船舶檢驗業務與管理系統”在我省船檢系統的成熟運用,船用產品檢驗作為船檢業務工作的重要內容,為提高船用產品的檢驗質量,加強檢驗的過程控制與管理,研究開發船用產品檢驗業務與管理系統成為當務之急。

人工智能是 20世紀 50年代興起的一門新興學科,是計算機科學的一個重要分支,它的研究領域非常廣泛,涉及的學科也很多。目前,人工智能的主要研究領域包括:分布式人工智能、知識工程和專家系統、自然語言處理、機器人、機器學習、人工神經網絡、模式識別、定理證明、自動程序設計、智能數據庫、智能檢索等。專家系統(Expert System)是人工智能的一個分支,產生于 20世紀 60年代中期,但其發展速度相當驚人,目前專家系統的應用領域已滲透到數學、物理、化學、生物、農業、地質、氣象、交通、治金、機械、政治、軍事、法律、空間技術、環境科學、信息管理系統、金融和信息高速公路等眾多領域,它的應用幾乎滲透到各行各業。

船用產品檢驗是一項驗船師依據規則、規范、規程和標準,對船用產品的制造過程進行監督檢驗的技術。研究開發系統,是對船用產品的檢驗申請、審圖、檢驗、發證、計費、查詢統計及檢驗人員信息、檢驗機構信息、船用產品生產廠家信息、地域信息、檢驗人員權限、檢驗機構權限、檢驗過程記錄、樣本管理(系統自我學習)等進行綜合管理;并對驗船師的船用產品檢驗內容、檢驗試驗數據記錄等進行智能干預;同時為驗船師的船用產品檢驗提供學習、幫助和指導。

作為智能系統,構建系統的知識庫是關鍵之一,本文重點對系統檢驗業務的知識庫構架進行分析研究,選擇合理的知識表達模式,為系統的智能化提供基礎。

1 知識獲取及知識表達技術

1.1 知識的獲取

知識是用來表示個人試圖獲取的對給定學科理解的抽象術語。按照專家系統的術語方式,知識又定義為:知識指對學科領域的理解、足夠集中的主題領域稱為域、知識表示是一種用來在專家系統的知識庫中對知識編碼的方法。知識的類型主要有過程性知識、陳述性知識、元知識、啟發式知識、結構知識。

知識獲取的目標在于將可在專家系統中編碼的感興趣問題編成知識體。知識的來源可以是書、報告或數據記錄。但是,大多數項目最主要的知識源就是領域專家。從專家獲取知識不同于一般的知識獲取,稱為知識提取(knowledge elicitation)。

知識獲取的方法一般有兩種:一種是專家與知識工程師面談的方式,通過討論和交流,獲得對有關問題的知識;另一種是案例研究的方法,通過觀察專家解決實際問題的示例來努力擷取知識。每種方法的目標都是揭示專家的知識和問題求解技能。完成這個任務之后,知識工程師將信息編碼到專家系統中,測試系統并使用結果來規劃新的知識獲取任務。圖 1顯示知識的提取過程。

圖1 知識提取過程

專家系統開發本質上是一種探索性努力。設計者對問題常缺乏初步了解,這樣他們不得不對項目采取謹慎的方法。首先尋求對問題的一般理解,并使用這些信息作為探索附加信息的向導。通過這個知識收集和分析的反復過程,逐漸獲得對問題的理解和求解此問題的見解。

這個涉及知識提取的任務創造了一個自然循環過程。該過程從知識收集開始,接著就是對知識進行解釋和分析,最后知識收集的方法就設計出來了。知識提取的循環過程如圖 2所示。

圖2 知識提取的循環過程

1.2 規則模式知識表達技術

用戶提供的事實對專家系統的運作起重要作用,因為這些事實有助于理解世界的當前狀態。而系統必須具備附加的知識,以便巧妙地利用這些事實,解決給定的問題。提供這種附加知識的專家系統公共知識結構稱為規則。

規則指關聯已知知識和待推導或推測的其他信息的知識結構。

規則是過程性知識的一種形式,它把給定信息與一些行為關聯起來。這個行為可以是對新信息或需要執行過程的斷言。在這種情況下,規則描述如何解決一個問題。

規則結構從邏輯上連接 IF部分中的一個或多個前提(也稱條件)到THEN部分中的一個或多個后部(也稱結論)。

一般來說,規則可以有用AND語句(合取)、OR語句(析取)或兩者組合連接起來的多個條件。其結論可以包含單條語句或者 AND連接的組合。這條規則也可以包含一個ELSE語句,當一個或多個條件為FALSE時,ELSE語句就為TRUE。

1.3 框架模式知識表達技術

語義網絡的自然擴充是議程,這是由芭蕾特(Barlett)于1932年首次提出的。議程就是包含一些概念或對象的典型知識單元,包括陳述性知識和過程性知識。議程具有能用于特定情形的一成不變的概念信息。

專家系統設計者使用這種思想獲取和表示專家系統中的概念知識,但常以議程為框架,這是明斯基(Minsky)于1975年首次提出的。框架是一種表示概念或對象的一成不變知識的數據結構。

明斯基是這樣描述框架的:“當一個人遇到新情況或對問題的看法有了實質性的改變時,就從記憶中選擇稱為‘框架'的結構”。

人們試圖用以往的經驗來分析與解釋當前遇到的情況,但無法把過去的經驗一一存在腦子里,而只能以一個通用數據結構的形式存儲以往的經驗,這樣的數據結構稱為框架。框架提供了一個結構,一種組織。在這個結構或組織中,新的資料可以用過去經驗中得到的概念來分析和解釋。因此,框架也是一種結構化表示法。

框架通常采用語義網絡中的節點-槽-值來表示結構。所以框架也可以定義為一組語義網絡內的節點-槽,該節點-槽可用來描述格式固定的事物、行動和事件。語義網絡可看作節點和弧線的集合,也可以視為框架的集合。

框架通常由描述事物的各個方面的槽組成,每個槽可擁有若干個側面,每個側面又可以擁有若干個值。這些內容可以根據具體問題的具體需要來取舍,一個框架的一般結構如下:

大多數問題不能簡單地用一個框架表示出來,而必須同時使用許多框架組成一個框架系統。一個框架結構可以是另一個框架的槽值,并且同一個框架結構可以同時作為幾個不同的框架的槽值。這樣,一些相同的信息可以不必重復存儲,節省了存儲空間。框架的一個重要特性是其繼承性。為此,一個框架系統往往表示為一種樹形結構,樹的每一個節點是一個框架結構,子節點與父節點之間用isa (“is-a”)或AKO(“a-kind-of”)槽連接。所謂框架的繼承性,就是當子節點的某些槽值或側面值未被直接記錄時,可以從其父節點繼承這些值。

2 船用產品檢驗業務知識庫模式

2.1 船用產品檢驗業務知識及其來源

2.1.1 船用產品檢驗業務知識

船用產品檢驗業務中主要包括以下幾大類知識內容,一是檢驗業務類型,如工廠認可、型式認可、出廠檢驗等;二是產品的種類,如錨機、舵機、軸等;三是產品的特征,如錨機的驅動方式是液壓還是電動、適用航區是海洋還是內河等;四是檢驗申請的基本參數,如產品的名稱、產品的規格/型號、生產廠家名稱等;五是產品的檢驗項目,如外觀檢查、型式檢驗、拆檢等。另外與檢驗業務有關的知識還有,檢驗時需提交的資料、執行的規范和標準、選用的證書等。

2.1.2 船用產品檢驗業務知識來源

船用產品檢驗業務中知識的來源主要依據船檢法規、產品標準以及產品驗船師的經驗、該領域專家的專業技術。

船用產品的檢驗具有法定性,其具有較為完整的檢驗技術規則、規范、規程、標準,以及為檢驗工作而制定的檢驗指南或檢驗須知,檢驗工作還要求依據“船舶法定檢驗質量體系要求”的程序文件和作業文件。因此,船用產品檢驗具有較強的法定性、規范性,其檢驗內容分布于不同的法規和標準中,檢驗要求分布于不同的規程、規定、辦法及指南或須知中。

2.2 知識表達模式分析與選擇

要把這些檢驗內容和檢驗要求提取出來,對檢驗業務知識進行分析、歸納,按照專家系統對知識的表達技術,運用到“船用產品檢驗業務與管理系統”中來,形成檢驗業務中的部分知識庫。那么,這些知識如何表達,使用哪種表達技術將顯得尤為重要,最終目標是方便船用產品檢驗內容的智能化實現,達到即時條件下實現以網絡方式的船用產品檢驗申請、檢驗、發證、收費、查詢統計及檢驗工作管理。

由于系統要實現不同的產品種類、不同的檢驗業務類型、不同特征的產品,在檢驗申請后進入檢驗階段,產品驗船師登錄系統后,在檢驗過程中智能化地獲取相應的檢驗項目及檢驗指南,并經現場檢驗合格,在系統中錄入檢驗記錄后,形成相應產品、相應檢驗業務類型的檢驗報告、檢驗記錄和檢驗證書,也就是實現檢驗業務內容的智能化。建立這部分知識庫內容時,系統選用了以框架為主的混合知識表達模式,以框架為主,同時運用了規則表達模式:一是框架與框架間有一定的規則;二是框架內部也有規則模式的運用;三是一個框架是另一個框架的槽值;四是賦予部分框架內槽、側面或值以屬性;五是框架基本以樹形結構,樹的每一個節點是一個框架結構,形成父項與子項的關系,乃至父項與一級子項、二級子項、多級子項的關系。

選用此種知識表達模式主要原因有以下幾個方面:

一是檢驗業務知識包括五個主要方面:檢驗業務類型、產品種類、產品的特征、檢驗申請的基本參數、檢驗項目。每個方面形成一個框架,每個框架內的槽值,又可能是個框架。如檢驗業務類型分為:“初次申請”、“非初次申請”、“特別發證”等,而“初次申請”又包括:“工廠認可”、“型式認可”、“個別許可”。

二是本知識庫圍繞一個主線,產品驗船師在檢驗過程中智能化地獲得本次檢驗的檢驗項目、檢驗試驗記錄、檢驗試驗指南,最終取得符合法規的檢驗報告及檢驗證書。

三是檢驗申請的基本參數的選擇,決定了本次檢驗獲取的檢驗項目結果。

四是檢驗業務知識的每一個方面都是一個框架,每個框架內部又有若干個子框架,子框架下還可能有下一級框架;框架與框架之間有一定規則,框架內部也有一定的規則。知識的主要來源是法規、標準,知識單元之間具有較強的法定性,形成了自然規則。如法規規定“出廠檢驗”必須在“工廠認可”或“型式認可”完成之后才能進行,而“工廠認可”、“型式認可”屬于“初次申請”框架的槽值,“出廠檢驗”屬于“非初次申請”框架的槽值。

2.3 檢驗業務內容模塊框圖

船用產品檢驗業務與管理系統按不同功能,將整個系統分為五大模塊:“檢驗業務”、“輔助業務”、“統計查詢”、“檢驗設置”、“系統維護”。一般的終端用戶可以使用前三個模塊功能,有“檢驗設置”和“系統維護”權限的用戶才能使用后兩個模塊功能。“檢驗設置”模塊即檢驗業務內容模塊又由“類別維護”、“分類維護”、“項目與數據維護”等子模塊組成。本文形成的部分知識庫構成了檢驗業務內容模塊的部分構架。圖 3給出了檢驗業務內容模塊框圖,所有框架及規則表述的知識,雖然相互交織,但都圍繞一條主線,就是為檢驗項目條件類的設置提供基礎,最終形成合理并符合法規的檢驗項目和檢驗記錄,產生合格的船用產品檢驗報告和檢驗證書。

圖3 檢驗業務內容模塊框圖

圖3構架的是檢驗業務內容的總體框圖,其中第三層的每一個槽值,又都是一個知識框架。如“產品種類”,自身可以離開其他知識框架,獨立形成知識框架,但是離開其他的知識,就失去了知識構架的意義。因此,在構架“產品種類”時,必須考慮該產品的檢驗業務類型,考慮檢驗項目等易于歸類,具體在做檢驗項目條件分類時,能夠簡單明了。同樣,構建“項目與數據維護”知識框架時,也必須考慮產品的檢驗業務類型及產品的種類,便于檢驗項目與檢驗業務類型、產品種類相對應,最終形成合理的船用產品檢驗業務內容模塊。

3 結語

根據船用產品檢驗業務與管理系統的特點及船用產品檢驗的性質,分析了檢驗業務知識的表達技術,選用了以框架為主、框架與規則混合的知識表達模式,構建了船用產品檢驗業務內容主要部分的模塊框圖,對船用產品的檢驗業務內容的知識進行構架,形成了系統的部分知識庫框圖。通過在“船用產品檢驗業務與管理系統”中的使用,滿足了系統智能化要求,實現了即時、廣域網方式的船用產品的檢驗申請、檢驗、發證、收費、查詢統計及檢驗工作管理。

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[2] 蔡自興,等.高級專家系統:原理、設計及應用[M].北京:科學出版社,2005.

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