基于知識發(fā)現(xiàn)和數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的診斷專家系統(tǒng)的研究

為了克服傳統(tǒng)診斷專家系統(tǒng)知識獲取困難的缺陷，將知識發(fā)現(xiàn)和數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)引入診斷專家系統(tǒng)進(jìn)行探討分析，提出了一個新的系統(tǒng)框架并給與了試驗(yàn)，結(jié)果表明，系統(tǒng)運(yùn)行后，對傳統(tǒng)診斷專家系統(tǒng)知識獲取困難的缺陷有一定的改善作用。

【關(guān)鍵詞】診斷專家系統(tǒng) 知識發(fā)現(xiàn) 數(shù)據(jù)挖掘

診斷專家系統(tǒng)是電力設(shè)備在線監(jiān)測系統(tǒng)幾種主要故障診斷方法之一。目前已研究的故障診斷專家系統(tǒng)模型有：基于規(guī)則、實(shí)例、行為、模糊邏輯和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的五種診斷專家系統(tǒng)。它們的優(yōu)缺點(diǎn)如下：基于規(guī)則的診斷專家系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)為知識表述直觀、形式統(tǒng)一、易理解等，缺點(diǎn)為知識獲取困難、知識臺階窄和控制策略不靈活等，該種診斷系統(tǒng)只適用于具有豐富經(jīng)驗(yàn)的專業(yè)領(lǐng)域故障診斷；基于實(shí)例的診斷專家系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)為無須顯示領(lǐng)域知識、無須規(guī)則提取、降低知識獲取難度等，缺點(diǎn)為當(dāng)診斷實(shí)例檢索所有解空間時(shí)，因覆蓋度小會導(dǎo)致搜索時(shí)可能漏掉最優(yōu)解，造成誤診或漏診；基于模糊理論的診斷專家系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)是有較強(qiáng)的結(jié)構(gòu)性知識表達(dá)能力，適用于處理診斷中的不確定信息和不完整信息，缺點(diǎn)是知識獲取困難，尤其是故障與征兆的模糊關(guān)系較難確定時(shí)，容易發(fā)生漏診或誤診。基于行為的診斷專家系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)為在缺乏先驗(yàn)診斷知識的情況下，通過與診斷對象系統(tǒng)行為進(jìn)行交互作用，逐步學(xué)習(xí)，能構(gòu)成一個完善的診斷系統(tǒng)。缺點(diǎn)是自動獲取故障行為征兆難度較大；基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的診斷專家系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)是有較好的容錯性、響應(yīng)快、強(qiáng)大的學(xué)習(xí)能力、自適應(yīng)能力和非線性逼近能力等，缺點(diǎn)是如果訓(xùn)練樣本集很少或訓(xùn)練樣本集選擇不當(dāng)?shù)那闆r下，很難有較好的歸納推理能力，很難指望它具有較好的歸納推理能力，另外，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)表達(dá)知識和利用知識的方式單一，通常的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)智能采用數(shù)值化的知識。可以發(fā)現(xiàn)以上五種故障診斷模型均存在知識獲取困難的缺陷。本文嘗試將數(shù)據(jù)庫技術(shù)中的知識發(fā)現(xiàn)和數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)運(yùn)用到故障專家系統(tǒng)中進(jìn)行探討分析是否能有助于解決知識獲取困難的缺點(diǎn)。

1 知識發(fā)現(xiàn)和數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)

1.1 基本概念

知識發(fā)現(xiàn)技術(shù)（Knowledge Discovery in Database）是指識別出存在于數(shù)據(jù)庫中有效的、新穎的、具有潛在效用的乃至最終可理解的模式的非平凡的過程。在此定義中，“數(shù)據(jù)”用來描述事物有關(guān)方面的信息，是一個有關(guān)事實(shí)F的集合，這個集合的數(shù)據(jù)一般來說都是準(zhǔn)確無誤的；“可理解”是指將數(shù)據(jù)庫中隱含的模式以容易被人們理解的形式表現(xiàn)出來，模式的可理解性常用模式的簡單程度來衡量，模式E的簡單程度S可用函數(shù)S（E，F(xiàn)）來衡量；“模式”用來描述資料集F的某個子集，是一個用語言L來表示的一個表達(dá)式E；“過程”包括數(shù)據(jù)預(yù)處理、模式提取、知識評估及過程優(yōu)化，是指一個多步驟的處理過程，該過程要求是非平凡的，或者說要求有一定程度的自動性、智能性。

數(shù)據(jù)挖掘是指知識發(fā)現(xiàn)中的一個關(guān)鍵步驟，是一個抽取有用模式或建立模型的重要環(huán)節(jié)。數(shù)據(jù)挖掘的對象通常是大型數(shù)據(jù)庫或者數(shù)據(jù)倉庫，從廣義的角度上講，發(fā)掘?qū)ο笠部梢允俏募到y(tǒng)，或者是其它數(shù)據(jù)集合。例如圖形圖像，WWW信息源，知識庫等。數(shù)據(jù)挖掘是在對數(shù)據(jù)集全面而深刻認(rèn)識的基礎(chǔ)上，對數(shù)據(jù)內(nèi)在和本質(zhì)的高度抽象與概括，也是對數(shù)據(jù)從理性認(rèn)識到感性認(rèn)識的升華。

1.2 基本原理

知識發(fā)現(xiàn)的基本原理體現(xiàn)于知識發(fā)現(xiàn)的基本過程之中，而發(fā)現(xiàn)那些有意義的、簡潔的、以模式表示的、正確的知識的前提則是加強(qiáng)虛假信息和偽裝知識的識別和監(jiān)控。可以把知識發(fā)現(xiàn)的基本過程劃分為數(shù)據(jù)準(zhǔn)備、數(shù)據(jù)挖掘、結(jié)果的評估與解釋等3個階段。

數(shù)據(jù)準(zhǔn)備是知識發(fā)現(xiàn)的第一個步驟，數(shù)據(jù)準(zhǔn)備主要是從各種信息媒體中獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，從中根據(jù)用戶的需求抽取相關(guān)數(shù)據(jù)和相關(guān)屬性，消除數(shù)據(jù)的噪音后根據(jù)利用數(shù)據(jù)屬性間的關(guān)系進(jìn)行數(shù)據(jù)簡約，減少有效數(shù)據(jù)的規(guī)模和維度。

數(shù)據(jù)挖掘是知識發(fā)現(xiàn)最重要的步驟。該步驟主要確定數(shù)據(jù)挖掘的目的和任務(wù)、算法的選擇以及確定算法的參數(shù)。挖掘算法采用較多的方法有聚類、粗集、決策樹、分類、關(guān)聯(lián)規(guī)則、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與遺傳算法等。

結(jié)果的評估與解釋。該步驟是將數(shù)據(jù)挖掘的模式（知識）去除噪音后，根據(jù)用戶的需求對模式進(jìn)行評估，并轉(zhuǎn)換成易于人們理解的表達(dá)形式，經(jīng)過解釋以后，用戶可以理解、有價(jià)值和符合實(shí)際的模式形成知識，用于提供決策支持。

2 基于知識發(fā)現(xiàn)和數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的診斷專家系統(tǒng)

知識發(fā)現(xiàn)和數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)引入診斷專家系統(tǒng)后體系結(jié)構(gòu)可形式化為圖1所示。其中，知識發(fā)現(xiàn)和數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)模塊是系統(tǒng)的核心，它接受經(jīng)規(guī)范化處理后的原始證據(jù)輸入，給出處理后的結(jié)果。系統(tǒng)的知識預(yù)處理模塊及后處理模塊則主要承擔(dān)知識表達(dá)的規(guī)范化及表達(dá)方式的轉(zhuǎn)換，是知識發(fā)現(xiàn)和數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)模塊與外界聯(lián)接的“接口”。

關(guān)聯(lián)規(guī)則是數(shù)據(jù)挖掘方法中的一個重要分支，通過分析數(shù)據(jù)庫中不同數(shù)據(jù)屬性之間存在的潛在關(guān)系，找出滿足給定支持度和置信度的關(guān)系規(guī)則，對設(shè)備進(jìn)行在線故障診斷，表1是某電廠汽輪機(jī)響鈴報(bào)警記錄。

利用關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘算法，設(shè)置最小支持度、最小置信度均為為20%，（相關(guān)算法參見文獻(xiàn)[6]和[11]），對表1進(jìn)行分析后的故障記錄如表2所示。

通過分析可得強(qiáng)關(guān)聯(lián)規(guī)則：

A→C，支持度=0.75，置信度=0.75。

表明在A響鈴報(bào)警后不久就會出現(xiàn)C也響鈴報(bào)警。該規(guī)則可以向運(yùn)行人員提供早期故障預(yù)警，當(dāng)A響鈴報(bào)警后，運(yùn)行人員可以對C故障產(chǎn)生的原因進(jìn)行分析，查找到原因后從而在故障發(fā)生前將其排除，以確保設(shè)備的健康安全運(yùn)行。

3 結(jié)語

在知識獲取技術(shù)方面，基于數(shù)據(jù)挖掘的知識獲取并不需要知識工程師從領(lǐng)域?qū)＜业慕?jīng)驗(yàn)中提取規(guī)則，它只是對領(lǐng)域?qū)＜姨峁┑墓收蠈?shí)例進(jìn)行學(xué)習(xí)，從故障實(shí)例中獲取知識，在應(yīng)用時(shí)，知識會以統(tǒng)一的格式提取出來，這種知識獲取是自動的，不需要領(lǐng)域?qū)＜液椭R工程師的直接對話，避免了在對話過程中導(dǎo)致診斷規(guī)則出現(xiàn)不一致的一切因素，這在一定程度上緩解或克服了傳統(tǒng)故障診斷專家系統(tǒng)中存在的知識獲取困難問題。

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作者簡介

李業(yè)順（1988-），男，山東省淄博市人。碩士學(xué)位。工程師。主要研究方向?yàn)榕潆姍z修。

作者單位

國網(wǎng)淄博供電公司 山東省淄博市 255100