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材料工程／ ｏ ｓ ｚｏ 年增 刊
理性知识、经验性知识以及有关的事实等。 包括失效 模式知识库和相应的失效原因子库。 知识库中的知识 来源于知识获取机构 ， 同时它又为推理机提供求解问 题所需的知识， 与两者都密切相关。 知识库管理系统
２ 系统应用
在系统集成界面点击其中任一按钮 ， 可以进人相 应的模块。 点击 “ 咨询专家按钮”可以进人推理机界 面。 在该界面中点击 “ 加载待分析库” 输人待分析案 ， 例已知的信息。点击 “ 加载规则”按钮 ，系统会将知 识库中的规则加载到推理模块中， 同时确定了本次求 解的 目标。当用户加载了不需要的分析数据， 想重新 加载时， 点击 “ 重置”按钮，可以方便地将已加载的 数据清除。点击 “ 事实列表”按钮，可以确认所加载 的数据是所需的数据 ， 还可以将推理结束后所得出的 新的证据信息回存到案例库中。 点击 “ 推理” 按钮 ， 启 动推理过程。 根据前面所加载的已知知识 ， 推出结论 。 如果系统在验证规则的规则前项的过程中， 分析库缺 少某方面的证据时 ， 会弹出询问用户窗口， 提示用户 输人。推理结束后 ，在窗口的 “ 文本输出区域”会出 现所有的推理结果。
和问题 的最终解答 ，从而构成了失效案例的全部信 息 ，以备 向用户解释推理过程和后期处理 。经专家验
图 ｚ 知识获取及表达 Ｆｇ ２ ｎ ｗｅｇ ａｑ ｉｔ ｎ ｄ ｒｓｎａｉ ｉ． ｏ ｌ ｅ ｕ ｉｏ ａ ｒｐｅｅｔ ｏ Ｋ ｄ ｃ ｓｉ ｎ ｅ ｔｎ
１５ 知识库及其管理系统 ． 知识库是知识的存储机构 ， 用于存储领域内的原
１４ 知识获取模块 ． 知识获取模块是专家系统中获取知识的机构 ， 其 基本任务是把知识输人到知识库中， 并负责维持知识 的一致性及完整性， 建立起性能良好的知识库。 知识 获取模块可以由专家输人所关心的知识， 同时应具备 从失效案例库中自动导出必要知识的功能。 失效分析专家系统在模拟人类专家思维过程进 行求解各种问题时， 必须具有领域内大量的知识与经 验。 然而失效分析领域的知识多是 自然语言描述的知 识， 因此必须从专业领域获取知识并表达成计算机可 以识别的形式 。 知识的获取及表达过程见图 ２ 。系统采用了通过 文本及机器学习方法两种获取知识的途径 。 初建系统 时，为尽量保证所获取知识的准确性 ，系统应采用通
潜在应用价值信息的过程［。主要包括数据选择、数 ｚ １
据预处理、数据转换、数据挖掘、解释和知识评价等
内容［。 ［ 将数据挖掘技术应用于失效分析领域，主要 ３ ］
是应用规则归纳法 ， 发现表征失效特征、失效机理以
及失效模式之间因果关系的规则，由一系列 ｉ．ｈｎ ｆ ｅ ．ｔ ．
．ｅ ｅ二 ． ｌ －产生式规则对数据进行分类。它通过统计方 ．ｓ
失效 分析专 家 系统
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询问或者 向用户索取进一步的事实 。
证后 ， 分析库中的数据可以作为典型失效案例存放到 案例库中。它允许用户进行修改、增删。
图 １ 系统工作流程图
Ｆｇ １ ｈ ｐｏｅｓ ｇａ ｏ ｓｓ ｍ ｉ． Ｔ ｅ ｃｓ ｄ ｒｍ ｙｔ ｒ ｉ ａ ｆ ｅ
理 的实现 。
１ 系统结构
对构件进行失效分析时， 失效分析人员首先会想 到该构件以前是否发生过类似失效。 如果曾发生过失 效， 并做过相应的失效分析 ， 则首先可按类比推理的 思路和方法进行分析； 如果没有失效先例， 则按逻辑 推理的思路和方法进行分析。 通过失效分析思路和失 效分析过程的研究 ，将典型的失效分析过程抽象化 ， 并映射到计算机软件中去， 建立了失效分析问题的求 解模型， 该模型把失效分析中常用的逻辑推理和类比 推理综合在一个系统中，其结构如图 １ 所示。 １１ 人机交互界面 ． 人机交互界面是专家系统与领域专家、 知识工程 师及一般用户间的界面， 由一组程序及相应的硬件组 成， 用于完成输人输出工作。 领域专家或知识工程师 通过它输人知识 ， 更新完善知识库、 数据库和字典库； 一般用户通过它输人欲求解的问题、已知事实及向系 统提出询问；系统通过它输出运行结果、回答用户的
ｒｔ ｍ ｕ ｅ ． ｉ ｈ ｉ ｓｄ ｓ
Ｋ ｙ ｒｓ ｆｉ ｒ ａａ ｓ ； ｘ ｅｔ ｔ ｋ ｏ ｌ ｇ ａｑ ｉｔ ｎ ｄ ｒｓｎａｉ ； ｎｅｔｉ ｙ ｅ ｗ ｄ ：ａ ｕｅ ｌ ｉ ｅｐｒ ｓｓ ｍ； ｎ ｗ ｅ ｅ ｕ ｉｏ ａ ｒｐｅｅｔｔ ｎ ｕ ｃｒ ｎ ｏ ｌ ｎ ｙｓ ｙｅ ｄ ｃ ｓｉ ｎ ｅ ｏ ａｔ
法， 从大量数据中归纳、提取出有价值的ｉ．ｈｎ． ｆ ｅ． ．ｔ ． ．
ｅｅ 产生 ｌ… 式规则。 ｓ
知识库中的知识， 并根据分析库中的事实， 可以推出 新的事实，当证据事实不足时， 机器会提示用户追加 证据；（）推理完成后， ３ 得到一个对失效案例完整的 事实描述集 ， 其中包含有初始证据、 推理的中间结果
Ａ ｓ ａｔＡ ｆ ｌｒ ａａ ｓ ｅｐｒｓｓ ｍ ｓ ｎ ｅ ｐｄ ｈｌｉ ｆ ｌｒ ａａ ｓ ． ｅ － ｂｔ ｃ： ｎ ｕｅ ｌ ｉ ｘ ｅｔ ｔ ｈ ｂｅ ｄｖｌ ｅ ｆｒ ｐ ｇ ｕｅ ｌ ｉ Ｔ ｓｓ ｒ ａ ｉ ｎ ｙ ｓ ｙｅ ａ ｅ ｅ ｏ ｏ ｅ ｎ ａ ｉ ｎ ｙｓ ｈ ｙ ｔｒ ｒｃ ｒ ， ｎ ｗ ｅｇ ａｑ ｉｔ ｎ ｄ ｐｅｅｔｔ ｎ ｃｍｐ ｔｒ ｓｎ ｇ ｒ ｓ ｄ ｄ Ｔ ｅ ｅ ｓ ｕｔ ｅ ｋ ｏ ｌ ｅ ｕｓ ｉ ａ ｒ ｒｓｎａｉ ， ｏ ｕｅ ｒａｏ ｉ ｗ ｅ ｉ ． ｎ ｔ ｕ ｄ ｃ ｉｏ ｎ ｅ ｏ ｅ ｎ ｅ ｔ ｅ ｕ ｈ ｓｓ ｍ ｍ ｒ ｅ ｓ ｍ ｊ ｍ ｄｌ ： ｎｗｅｇ ｄｔ ａｅ ｍ ｎｇｍ ｎ ｓｓ ｍ， ｎｗｅｇ ａ－ ｙｔ ｃ ｐｉ ｓ ａ ｒ ｕ ｓ ｋ ｏ ｌ ｅ ａ ｓ ａｄ ａｅ ｅｔ ｔ ｋ ｏ ｌ ｅ ｅ ｏ ｓ ｉ ｘ ｏ ｏ ｅ ｄ ａｂ ｎ ａ ｙｅ ｄ ｃ ｑｉｔ ｎ ｄｔ ａｅ ｍ ｎｇｍ ｎ ｓｓ ｍ， ｉｉ ａｙ ｍ ｎｇｍ ｎ ｓｓ ｍ，ｎｅ ｎｅ ｉ ， ｕ ｉｏ ， ａａ ｓ ａｄ ａｅ ｅｔ ｔ ｄ ｔ ｎｒ ａｄ ａｅ ｅｔ ｔ ｉ ｒ ｃ ｅｇ ｅ ｓｉ ｂ ｎ ａ ｙｅ ｃｏ ｎ ａ ｙｅ ｆｅ ｎｎ ａｄ ｒ ｅｆ ｅ Ｔ ｅ ｕ ｅｔ ａｅ ｐｏｅｓ ｇ ｏｉ ｍ ｄ ｃｉ ｌ ｒｉ ａｐｏｃｅ ａｅ ｎ ｕｅ ｉ ｒ ｃ． ｄｃｍ ｎ－ ｓｄ ｃｓｉ ａ ｒｈ ａ ｍ ｈ ｅ ｎ ｇ ｒａｈｓ ｓ ｎ ａ ｔ ｈ ｏ ｂ ｒ ｎ ｌ ｔ ｎ ａ ｎ ｅ ｎ ｐ ｇ ａ ｒ ｕｅ ｔ ａｑ ｉ ｄ ｍ ｉ ｋ ｏ ｌ ｇ ． ｌ ａ ｅ ｂ ｏ ｊ ｔ ｒ ｎｅ ｓｈｍｅ ｄ ｍ ａｅ ｅ ｔ ｓｄ ｃｕ ｅ ａ ｎｗ ｅ ｅ Ｒ ｅ ｉ ｄ ｂｅ － ｉ ｔｄ ｅ ａ ｆ ｅ ｕ ｄ ｏ ｒ ｏ ｎ ｄ ｕ ｓ ｄ ｙ ｃ ｏ ｅ ｃ ｎ ｒ ａ ｒ ｓ ｏ ｒｐｅｅｔ ｋ ｏ ｌ ｇ． ｅ ｐ ｔ ｒａｏｉ ｓｏ ｌ ｂ ｕ ｃｒ ｉ ｙ ｓｎ ｇ ｒｌｂ ｉ ａ ｏ ｅｒｓｎ ｔｅ ｗｅ ｅ Ｔ ｃｍ ｕｅ ｅｓｎ ｇ ｕ ｅ ｅｔ ｎ ｒａｏ ｉ ， ｅａｉ ｙ － ｈ ｎ ｄ ｈ ｏ ｒ ｎ ｈ ｄ ｎ ａ ｔ ｅ ｎ ｉ ｌ ｌ ｔ ｇ
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材料工程／０３ ２０ 年增刊
失效分析专家系统
Ｆ ｉ ｒ Ａｎ ｌｓ Ｅ ｐｒ Ｓ ｓｅ ａ ｕｅ ａｙｉ ｘ ｅｔ ｔｍ ｌ ｓ ｙ
刘新灵 ，张卫方 ，高 威 ，陶春虎 （ 中国航空工业失效分析中心，北京 １０９） ００５ Ｔ Ｏ ｎｈ ＬＵ ｉ－ｎ ， Ａ Ｇ ｅ ｆ ｇ Ｇ Ｏ ｅ， Ａ Ｃ ｕ －ｕ Ｉ Ｘｎｌ ｇ Ｍ Ｎ Ｗ ｉａ ， Ａ Ｗ ｉ ｉ －ｎ ｈ （ａ ｕｅ ａ ｓ Ｃ ｎｅ ｏ Ａ ｉ ห้องสมุดไป่ตู้ Ｉｄ ｓ ｉ ｏ Ｃ ｉ ， ｅｉｇ ０ ９ ，Ｃ ｉａ Ｆ ｉ ｒ Ａ ｌ ｉ ｅｔｒ ｖ ｔ ｎ ｕｔｅ ｆ ｎ Ｂ ｉｎ １ ０５ ｈｎ ） ｌ ｎ ｙ ｓ ｆ ａ ｏ ｎ ｒ ｓ ｈ ａ ｊ ０
摘要： 对系统结构、 失效分析知识的获取和表达及计算机推理进行了研究。 该系统包括六个主要功能模块： 知识库及 其管理系统、 知识获取 、 数据库及其管理系统、 字典库及其管理系统、 推理机、 人机交互界面。 失效分析知识的获取 采用了通过文本及机器学习方法 ； 知识的表达采用了框架、 规则及面向对象综合表达方式。 计算机推理则采用不确定 性推理方法 ，具体采用了置信度方法。 关键词 ：失效分析；专家系统 ；知识的获取和表达 ；不确定性推理 中图分类号 ： Ｂ １ Ｔ １５ 文献标识码 ： Ａ 文章编号 ：１０－３１ ０３ ｓｐ ｌ ２８０ ０１４８ （ ０） ｐ ０９－３ ２ ｕ －
ｒ ａ ｏｎ ｎｇ ｅｓｉ
随着科学技术的发展和先进武器装备的需要 ， 机 械构件的功能、结构、受力、环境等越来越复杂 ，随 之而来 ，构件 的失效往往是多种因素共 同作用 的结 果， 使失效分析工作也更加复杂。 要快速准确地进行 失效分析 ， 先进的、高层次的、系统的失效分析技术 方法的应用已成为必然。 当今计算机技术、 数据库技术和知识处理技术的 发展 ，已经为获取、发现和运用高效的失效分析知识 提供了手段和方法 ， 为进一步揭示机械构件的失效机 理及其与失效特征、 失效模式的因果关系开辟了新的 途径。 借鉴专家系统技术在其它领域的成功经验 ， 将 已有的经验、知识固化到计算机软件中去， 开发出集 众多失效分析专家的渊博知识和丰富经验为一体的 辅助失效分析专家系统， 不仅可以帮助人们进行失效 分析 ， 弥补个人知识和经验的不足 ， 提高失效分析的 效率， 拓宽专家的分析研究能力， 而且还可以把大量 分散的知识集中起来充分利用 ，并有利于信息交流。 本文介绍了失效分析专家系统各模块的主要功 能， 重点探讨了知识获取模块中失效分析知识获取及 表达的具体方法和过程及推理机模块 中不确定性推
１Ｚ 字典库 ． 不同的专家可能用不同的词汇描述相同的特征， 或用相同的词汇描述两个不同的特征， 这就给系统造 成混乱。因为计算机辅助诊断系统中采用的专业术 语、符号及图片代码必须严格统一， 而不能采用人类 专家通常采用的模糊名词或概念。 为统一在本软件中 涉及到的专业术语 符号及代码等， 以提高系统的准 确性 ，本系统设计了字典库。 １３ 数据库及其管理系统 ． 数据库是由数据库管理系统进行管理的， 用于存 储材料信息及案例信息， 又具体分为材料库、案例库 和分析库 。 材料库采用关系数据库形式， 主要是为方便失效 分析人员使用的实用小型数据库。以材料牌号为索 引， 包括材料类型及牌号、 热处理工艺、 使用状态、 力 学性能、 组织结构等。 材料库中的内容应是领域专家 认为正确的，不允许一般用户修改和增删。 案例库与材料库类似， 采用关系数据库形式， 主 要用于记录以往分析成功的案例事件的失效属性信 息。 案例库中的内容应是领域专家认为正确的， 不允 许一般用户修改和通过直接输人增加， 也不允许随便 删除。但经系统分析且结论可靠度为 “ 很可能”和 “ 完全可能”的事例可自动存人案例库。 分析库 ， 严格的说应是待分析库 ， 与案例库的结 构是一样的。其不同在于：（）推理前 ，分析库里为 １ 待分析失效案例的证据；＜）推理过程中， ２ 机器运用