包國興,張?jiān)戚x

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

0 引言

進(jìn)入 21世紀(jì)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(chǎn)品的配套生產(chǎn)得到蓬勃發(fā)展,船舶及船用產(chǎn)品檢驗(yàn)業(yè)務(wù)也同步增加,江蘇省每年經(jīng)檢驗(yàn)的船用產(chǎn)品有近十萬臺(套),涉及大多數(shù)制造業(yè)。船用產(chǎn)品質(zhì)量的高低直接對船舶建造質(zhì)量產(chǎn)生重大影響,船用產(chǎn)品檢驗(yàn)質(zhì)量對船用產(chǎn)品制造質(zhì)量的好壞起到關(guān)鍵作用。船用產(chǎn)品的檢驗(yàn)主要由各檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)的產(chǎn)品驗(yàn)船師來承擔(dān),但目前產(chǎn)品驗(yàn)船師數(shù)量有限,檢驗(yàn)工作方式仍然停留在 20世紀(jì)80年代的水平。檢驗(yàn)時(shí)主要依靠驗(yàn)船師個(gè)人對規(guī)則、規(guī)范、規(guī)程、標(biāo)準(zhǔn)的理解和掌握程度,依靠驗(yàn)船師的學(xué)習(xí)和培訓(xùn)經(jīng)歷及驗(yàn)船師的個(gè)人經(jīng)驗(yàn),依靠驗(yàn)船師的責(zé)任心對其進(jìn)行檢驗(yàn)。隨著“船舶檢驗(yàn)業(yè)務(wù)與管理系統(tǒng)”在我省船檢系統(tǒng)的成熟運(yùn)用,船用產(chǎn)品檢驗(yàn)作為船檢業(yè)務(wù)工作的重要內(nèi)容,為提高船用產(chǎn)品的檢驗(yàn)質(zhì)量,加強(qiáng)檢驗(yàn)的過程控制與管理,研究開發(fā)船用產(chǎn)品檢驗(yàn)業(yè)務(wù)與管理系統(tǒng)成為當(dāng)務(wù)之急。

人工智能是 20世紀(jì) 50年代興起的一門新興學(xué)科,是計(jì)算機(jī)科學(xué)的一個(gè)重要分支,它的研究領(lǐng)域非常廣泛,涉及的學(xué)科也很多。目前,人工智能的主要研究領(lǐng)域包括:分布式人工智能、知識工程和專家系統(tǒng)、自然語言處理、機(jī)器人、機(jī)器學(xué)習(xí)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模式識別、定理證明、自動程序設(shè)計(jì)、智能數(shù)據(jù)庫、智能檢索等。專家系統(tǒng)(Expert System)是人工智能的一個(gè)分支,產(chǎn)生于 20世紀(jì) 60年代中期,但其發(fā)展速度相當(dāng)驚人,目前專家系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域已滲透到數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)、生物、農(nóng)業(yè)、地質(zhì)、氣象、交通、治金、機(jī)械、政治、軍事、法律、空間技術(shù)、環(huán)境科學(xué)、信息管理系統(tǒng)、金融和信息高速公路等眾多領(lǐng)域,它的應(yīng)用幾乎滲透到各行各業(yè)。

船用產(chǎn)品檢驗(yàn)是一項(xiàng)驗(yàn)船師依據(jù)規(guī)則、規(guī)范、規(guī)程和標(biāo)準(zhǔn),對船用產(chǎn)品的制造過程進(jìn)行監(jiān)督檢驗(yàn)的技術(shù)。研究開發(fā)系統(tǒng),是對船用產(chǎn)品的檢驗(yàn)申請、審圖、檢驗(yàn)、發(fā)證、計(jì)費(fèi)、查詢統(tǒng)計(jì)及檢驗(yàn)人員信息、檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)信息、船用產(chǎn)品生產(chǎn)廠家信息、地域信息、檢驗(yàn)人員權(quán)限、檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)權(quán)限、檢驗(yàn)過程記錄、樣本管理(系統(tǒng)自我學(xué)習(xí))等進(jìn)行綜合管理;并對驗(yàn)船師的船用產(chǎn)品檢驗(yàn)內(nèi)容、檢驗(yàn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄等進(jìn)行智能干預(yù);同時(shí)為驗(yàn)船師的船用產(chǎn)品檢驗(yàn)提供學(xué)習(xí)、幫助和指導(dǎo)。

作為智能系統(tǒng),構(gòu)建系統(tǒng)的知識庫是關(guān)鍵之一,本文重點(diǎn)對系統(tǒng)檢驗(yàn)業(yè)務(wù)的知識庫構(gòu)架進(jìn)行分析研究,選擇合理的知識表達(dá)模式,為系統(tǒng)的智能化提供基礎(chǔ)。

1 知識獲取及知識表達(dá)技術(shù)

1.1 知識的獲取

知識是用來表示個(gè)人試圖獲取的對給定學(xué)科理解的抽象術(shù)語。按照專家系統(tǒng)的術(shù)語方式,知識又定義為:知識指對學(xué)科領(lǐng)域的理解、足夠集中的主題領(lǐng)域稱為域、知識表示是一種用來在專家系統(tǒng)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(fā)式知識、結(jié)構(gòu)知識。

知識獲取的目標(biāo)在于將可在專家系統(tǒng)中編碼的感興趣問題編成知識體。知識的來源可以是書、報(bào)告或數(shù)據(jù)記錄。但是,大多數(shù)項(xiàng)目最主要的知識源就是領(lǐng)域?qū)＜?。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(guān)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(shí)際問題的示例來努力擷取知識。每種方法的目標(biāo)都是揭示專家的知識和問題求解技能。完成這個(gè)任務(wù)之后,知識工程師將信息編碼到專家系統(tǒng)中,測試系統(tǒng)并使用結(jié)果來規(guī)劃新的知識獲取任務(wù)。圖 1顯示知識的提取過程。

圖1 知識提取過程

專家系統(tǒng)開發(fā)本質(zhì)上是一種探索性努力。設(shè)計(jì)者對問題常缺乏初步了解,這樣他們不得不對項(xiàng)目采取謹(jǐn)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?qū)?。通過這個(gè)知識收集和分析的反復(fù)過程,逐漸獲得對問題的理解和求解此問題的見解。

這個(gè)涉及知識提取的任務(wù)創(chuàng)造了一個(gè)自然循環(huán)過程。該過程從知識收集開始,接著就是對知識進(jìn)行解釋和分析,最后知識收集的方法就設(shè)計(jì)出來了。知識提取的循環(huán)過程如圖 2所示。

圖2 知識提取的循環(huán)過程

1.2 規(guī)則模式知識表達(dá)技術(shù)

用戶提供的事實(shí)對專家系統(tǒng)的運(yùn)作起重要作用,因?yàn)檫@些事實(shí)有助于理解世界的當(dāng)前狀態(tài)。而系統(tǒng)必須具備附加的知識,以便巧妙地利用這些事實(shí),解決給定的問題。提供這種附加知識的專家系統(tǒng)公共知識結(jié)構(gòu)稱為規(guī)則。

規(guī)則指關(guān)聯(lián)已知知識和待推導(dǎo)或推測的其他信息的知識結(jié)構(gòu)。

規(guī)則是過程性知識的一種形式,它把給定信息與一些行為關(guān)聯(lián)起來。這個(gè)行為可以是對新信息或需要執(zhí)行過程的斷言。在這種情況下,規(guī)則描述如何解決一個(gè)問題。

規(guī)則結(jié)構(gòu)從邏輯上連接 IF部分中的一個(gè)或多個(gè)前提(也稱條件)到THEN部分中的一個(gè)或多個(gè)后部(也稱結(jié)論)。

一般來說,規(guī)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(gè)條件。其結(jié)論可以包含單條語句或者 AND連接的組合。這條規(guī)則也可以包含一個(gè)ELSE語句,當(dāng)一個(gè)或多個(gè)條件為FALSE時(shí),ELSE語句就為TRUE。

1.3 框架模式知識表達(dá)技術(shù)

語義網(wǎng)絡(luò)的自然擴(kuò)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?qū)ο蟮牡湫椭R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(tǒng)設(shè)計(jì)者使用這種思想獲取和表示專家系統(tǒng)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?？蚣苁且环N表示概念或?qū)ο蟮囊怀刹蛔冎R的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

明斯基是這樣描述框架的:“當(dāng)一個(gè)人遇到新情況或?qū)栴}的看法有了實(shí)質(zhì)性的改變時(shí),就從記憶中選擇稱為‘框架'的結(jié)構(gòu)”。

人們試圖用以往的經(jīng)驗(yàn)來分析與解釋當(dāng)前遇到的情況,但無法把過去的經(jīng)驗(yàn)一一存在腦子里,而只能以一個(gè)通用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的形式存儲以往的經(jīng)驗(yàn),這樣的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)稱為框架?？蚣芴峁┝艘粋€(gè)結(jié)構(gòu),一種組織。在這個(gè)結(jié)構(gòu)或組織中,新的資料可以用過去經(jīng)驗(yàn)中得到的概念來分析和解釋。因此,框架也是一種結(jié)構(gòu)化表示法。

框架通常采用語義網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)-槽-值來表示結(jié)構(gòu)。所以框架也可以定義為一組語義網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)-槽,該節(jié)點(diǎn)-槽可用來描述格式固定的事物、行動和事件。語義網(wǎng)絡(luò)可看作節(jié)點(diǎn)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(gè)方面的槽組成,每個(gè)槽可擁有若干個(gè)側(cè)面,每個(gè)側(cè)面又可以擁有若干個(gè)值。這些內(nèi)容可以根據(jù)具體問題的具體需要來取舍,一個(gè)框架的一般結(jié)構(gòu)如下:

大多數(shù)問題不能簡單地用一個(gè)框架表示出來,而必須同時(shí)使用許多框架組成一個(gè)框架系統(tǒng)。一個(gè)框架結(jié)構(gòu)可以是另一個(gè)框架的槽值,并且同一個(gè)框架結(jié)構(gòu)可以同時(shí)作為幾個(gè)不同的框架的槽值。這樣,一些相同的信息可以不必重復(fù)存儲,節(jié)省了存儲空間?？蚣艿囊粋€(gè)重要特性是其繼承性。為此,一個(gè)框架系統(tǒng)往往表示為一種樹形結(jié)構(gòu),樹的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)是一個(gè)框架結(jié)構(gòu),子節(jié)點(diǎn)與父節(jié)點(diǎn)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(dāng)子節(jié)點(diǎn)的某些槽值或側(cè)面值未被直接記錄時(shí),可以從其父節(jié)點(diǎn)繼承這些值。

2 船用產(chǎn)品檢驗(yàn)業(yè)務(wù)知識庫模式

2.1 船用產(chǎn)品檢驗(yàn)業(yè)務(wù)知識及其來源

2.1.1 船用產(chǎn)品檢驗(yàn)業(yè)務(wù)知識

船用產(chǎn)品檢驗(yàn)業(yè)務(wù)中主要包括以下幾大類知識內(nèi)容,一是檢驗(yàn)業(yè)務(wù)類型,如工廠認(rèn)可、型式認(rèn)可、出廠檢驗(yàn)等;二是產(chǎn)品的種類,如錨機(jī)、舵機(jī)、軸等;三是產(chǎn)品的特征,如錨機(jī)的驅(qū)動方式是液壓還是電動、適用航區(qū)是海洋還是內(nèi)河等;四是檢驗(yàn)申請的基本參數(shù),如產(chǎn)品的名稱、產(chǎn)品的規(guī)格/型號、生產(chǎn)廠家名稱等;五是產(chǎn)品的檢驗(yàn)項(xiàng)目,如外觀檢查、型式檢驗(yàn)、拆檢等。另外與檢驗(yàn)業(yè)務(wù)有關(guān)的知識還有,檢驗(yàn)時(shí)需提交的資料、執(zhí)行的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)、選用的證書等。

2.1.2 船用產(chǎn)品檢驗(yàn)業(yè)務(wù)知識來源

船用產(chǎn)品檢驗(yàn)業(yè)務(wù)中知識的來源主要依據(jù)船檢法規(guī)、產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)以及產(chǎn)品驗(yàn)船師的經(jīng)驗(yàn)、該領(lǐng)域?qū)＜业膶I(yè)技術(shù)。

船用產(chǎn)品的檢驗(yàn)具有法定性,其具有較為完整的檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)則、規(guī)范、規(guī)程、標(biāo)準(zhǔn),以及為檢驗(yàn)工作而制定的檢驗(yàn)指南或檢驗(yàn)須知,檢驗(yàn)工作還要求依據(jù)“船舶法定檢驗(yàn)質(zhì)量體系要求”的程序文件和作業(yè)文件。因此,船用產(chǎn)品檢驗(yàn)具有較強(qiáng)的法定性、規(guī)范性,其檢驗(yàn)內(nèi)容分布于不同的法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)中,檢驗(yàn)要求分布于不同的規(guī)程、規(guī)定、辦法及指南或須知中。

2.2 知識表達(dá)模式分析與選擇

要把這些檢驗(yàn)內(nèi)容和檢驗(yàn)要求提取出來,對檢驗(yàn)業(yè)務(wù)知識進(jìn)行分析、歸納,按照專家系統(tǒng)對知識的表達(dá)技術(shù),運(yùn)用到“船用產(chǎn)品檢驗(yàn)業(yè)務(wù)與管理系統(tǒng)”中來,形成檢驗(yàn)業(yè)務(wù)中的部分知識庫。那么,這些知識如何表達(dá),使用哪種表達(dá)技術(shù)將顯得尤為重要,最終目標(biāo)是方便船用產(chǎn)品檢驗(yàn)內(nèi)容的智能化實(shí)現(xiàn),達(dá)到即時(shí)條件下實(shí)現(xiàn)以網(wǎng)絡(luò)方式的船用產(chǎn)品檢驗(yàn)申請、檢驗(yàn)、發(fā)證、收費(fèi)、查詢統(tǒng)計(jì)及檢驗(yàn)工作管理。

由于系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)不同的產(chǎn)品種類、不同的檢驗(yàn)業(yè)務(wù)類型、不同特征的產(chǎn)品,在檢驗(yàn)申請后進(jìn)入檢驗(yàn)階段,產(chǎn)品驗(yàn)船師登錄系統(tǒng)后,在檢驗(yàn)過程中智能化地獲取相應(yīng)的檢驗(yàn)項(xiàng)目及檢驗(yàn)指南,并經(jīng)現(xiàn)場檢驗(yàn)合格,在系統(tǒng)中錄入檢驗(yàn)記錄后,形成相應(yīng)產(chǎn)品、相應(yīng)檢驗(yàn)業(yè)務(wù)類型的檢驗(yàn)報(bào)告、檢驗(yàn)記錄和檢驗(yàn)證書,也就是實(shí)現(xiàn)檢驗(yàn)業(yè)務(wù)內(nèi)容的智能化。建立這部分知識庫內(nèi)容時(shí),系統(tǒng)選用了以框架為主的混合知識表達(dá)模式,以框架為主,同時(shí)運(yùn)用了規(guī)則表達(dá)模式:一是框架與框架間有一定的規(guī)則;二是框架內(nèi)部也有規(guī)則模式的運(yùn)用;三是一個(gè)框架是另一個(gè)框架的槽值;四是賦予部分框架內(nèi)槽、側(cè)面或值以屬性;五是框架基本以樹形結(jié)構(gòu),樹的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)是一個(gè)框架結(jié)構(gòu),形成父項(xiàng)與子項(xiàng)的關(guān)系,乃至父項(xiàng)與一級子項(xiàng)、二級子項(xiàng)、多級子項(xiàng)的關(guān)系。

選用此種知識表達(dá)模式主要原因有以下幾個(gè)方面:

一是檢驗(yàn)業(yè)務(wù)知識包括五個(gè)主要方面:檢驗(yàn)業(yè)務(wù)類型、產(chǎn)品種類、產(chǎn)品的特征、檢驗(yàn)申請的基本參數(shù)、檢驗(yàn)項(xiàng)目。每個(gè)方面形成一個(gè)框架,每個(gè)框架內(nèi)的槽值,又可能是個(gè)框架。如檢驗(yàn)業(yè)務(wù)類型分為:“初次申請”、“非初次申請”、“特別發(fā)證”等,而“初次申請”又包括:“工廠認(rèn)可”、“型式認(rèn)可”、“個(gè)別許可”。

二是本知識庫圍繞一個(gè)主線,產(chǎn)品驗(yàn)船師在檢驗(yàn)過程中智能化地獲得本次檢驗(yàn)的檢驗(yàn)項(xiàng)目、檢驗(yàn)試驗(yàn)記錄、檢驗(yàn)試驗(yàn)指南,最終取得符合法規(guī)的檢驗(yàn)報(bào)告及檢驗(yàn)證書。

三是檢驗(yàn)申請的基本參數(shù)的選擇,決定了本次檢驗(yàn)獲取的檢驗(yàn)項(xiàng)目結(jié)果。

四是檢驗(yàn)業(yè)務(wù)知識的每一個(gè)方面都是一個(gè)框架,每個(gè)框架內(nèi)部又有若干個(gè)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(guī)則,框架內(nèi)部也有一定的規(guī)則。知識的主要來源是法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn),知識單元之間具有較強(qiáng)的法定性,形成了自然規(guī)則。如法規(guī)規(guī)定“出廠檢驗(yàn)”必須在“工廠認(rèn)可”或“型式認(rèn)可”完成之后才能進(jìn)行,而“工廠認(rèn)可”、“型式認(rèn)可”屬于“初次申請”框架的槽值,“出廠檢驗(yàn)”屬于“非初次申請”框架的槽值。

2.3 檢驗(yàn)業(yè)務(wù)內(nèi)容模塊框圖

船用產(chǎn)品檢驗(yàn)業(yè)務(wù)與管理系統(tǒng)按不同功能,將整個(gè)系統(tǒng)分為五大模塊:“檢驗(yàn)業(yè)務(wù)”、“輔助業(yè)務(wù)”、“統(tǒng)計(jì)查詢”、“檢驗(yàn)設(shè)置”、“系統(tǒng)維護(hù)”。一般的終端用戶可以使用前三個(gè)模塊功能,有“檢驗(yàn)設(shè)置”和“系統(tǒng)維護(hù)”權(quán)限的用戶才能使用后兩個(gè)模塊功能?！皺z驗(yàn)設(shè)置”模塊即檢驗(yàn)業(yè)務(wù)內(nèi)容模塊又由“類別維護(hù)”、“分類維護(hù)”、“項(xiàng)目與數(shù)據(jù)維護(hù)”等子模塊組成。本文形成的部分知識庫構(gòu)成了檢驗(yàn)業(yè)務(wù)內(nèi)容模塊的部分構(gòu)架。圖 3給出了檢驗(yàn)業(yè)務(wù)內(nèi)容模塊框圖,所有框架及規(guī)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(yàn)項(xiàng)目條件類的設(shè)置提供基礎(chǔ),最終形成合理并符合法規(guī)的檢驗(yàn)項(xiàng)目和檢驗(yàn)記錄,產(chǎn)生合格的船用產(chǎn)品檢驗(yàn)報(bào)告和檢驗(yàn)證書。

圖3 檢驗(yàn)業(yè)務(wù)內(nèi)容模塊框圖

圖3構(gòu)架的是檢驗(yàn)業(yè)務(wù)內(nèi)容的總體框圖,其中第三層的每一個(gè)槽值,又都是一個(gè)知識框架。如“產(chǎn)品種類”,自身可以離開其他知識框架,獨(dú)立形成知識框架,但是離開其他的知識,就失去了知識構(gòu)架的意義。因此,在構(gòu)架“產(chǎn)品種類”時(shí),必須考慮該產(chǎn)品的檢驗(yàn)業(yè)務(wù)類型,考慮檢驗(yàn)項(xiàng)目等易于歸類,具體在做檢驗(yàn)項(xiàng)目條件分類時(shí),能夠簡單明了。同樣,構(gòu)建“項(xiàng)目與數(shù)據(jù)維護(hù)”知識框架時(shí),也必須考慮產(chǎn)品的檢驗(yàn)業(yè)務(wù)類型及產(chǎn)品的種類,便于檢驗(yàn)項(xiàng)目與檢驗(yàn)業(yè)務(wù)類型、產(chǎn)品種類相對應(yīng),最終形成合理的船用產(chǎn)品檢驗(yàn)業(yè)務(wù)內(nèi)容模塊。

3 結(jié)語

根據(jù)船用產(chǎn)品檢驗(yàn)業(yè)務(wù)與管理系統(tǒng)的特點(diǎn)及船用產(chǎn)品檢驗(yàn)的性質(zhì),分析了檢驗(yàn)業(yè)務(wù)知識的表達(dá)技術(shù),選用了以框架為主、框架與規(guī)則混合的知識表達(dá)模式,構(gòu)建了船用產(chǎn)品檢驗(yàn)業(yè)務(wù)內(nèi)容主要部分的模塊框圖,對船用產(chǎn)品的檢驗(yàn)業(yè)務(wù)內(nèi)容的知識進(jìn)行構(gòu)架,形成了系統(tǒng)的部分知識庫框圖。通過在“船用產(chǎn)品檢驗(yàn)業(yè)務(wù)與管理系統(tǒng)”中的使用,滿足了系統(tǒng)智能化要求,實(shí)現(xiàn)了即時(shí)、廣域網(wǎng)方式的船用產(chǎn)品的檢驗(yàn)申請、檢驗(yàn)、發(fā)證、收費(fèi)、查詢統(tǒng)計(jì)及檢驗(yàn)工作管理。

[1] 陳世福,陳兆乾,等.人工智能與知識工程[M].江蘇:南京大學(xué)出版社出版,1997.

[2] 蔡自興,等.高級專家系統(tǒng):原理、設(shè)計(jì)及應(yīng)用[M].北京:科學(xué)出版社,2005.

[3] 蔡自興,姚莉.人工智能及其在決策系統(tǒng)中的應(yīng)用[M].北京:國防科技大學(xué)出版社,2006.