第三章 系統(tǒng)的知識表示
知識是人類在實踐活動中所積累的認識和經(jīng)驗的總和。一般情況下，一個領域內(nèi)的知識可分為兩大類：共性（pub1ic）知識和個性（PliVate）知識。共性知識包括領域內(nèi)與問題求解有關的定義、事實和各種理論方法，這種知識已被領域內(nèi)專業(yè)人員一致接受，并將其規(guī)范化，它們往往已收錄在各種設計手冊、標準、教科書和參考書中。個性知識的大部分則是領域專家經(jīng)過長期的生產(chǎn)實踐獲取的啟發(fā)式知識，是在具備了大量的知識后的一種“猜想的藝術”，它是專家們在遇到復雜問題時能夠處理不完全、不精確的信息，消除矛盾，作出高水平的分析、猜測，從而獲得高水平解的一種能力。這種知識往往難于表達清楚，經(jīng)不起嚴格的理論論證。開采和重新組織這種知識是建立專家系統(tǒng)的中心任務。
總結起來，圓柱齒輪減速器設計專家系統(tǒng)所要處理的知識包括：
·計算型，例如各類強度計算公式；
·數(shù)表型，如各種標準數(shù)據(jù)表；
·圖線型，如各類試驗圖表；
·經(jīng)驗型，如各類啟發(fā)式規(guī)則。
實際上，在設計過程中與某一設計任務相關的知識應用時相互交叉，嚴格區(qū)別各種型式的知識并無實際意義。所以，圓柱齒輪減速器設計知識庫是各類知識的綜合，可表示為
其中，KB代表知識庫；F代表事實；R代表各類規(guī)則；D代表各類數(shù)據(jù)；0表示規(guī)則之間、數(shù)據(jù)之間及規(guī)則和數(shù)據(jù)間關聯(lián)的某些操作。
知識表示是研究各種存儲知識的數(shù)據(jù)結構設計，以便使各種數(shù)據(jù)結構能夠方便、有效地存儲各種知識。知識表示可分兩步進行：首先是知識的形式化、符號化；其次選擇最佳的形式。由于圓柱齒轉減速器設計中知識的多樣性，因此，圓柱齒輪減速器設計專家系統(tǒng)中知識表達也不可能單一。對于知識形式化，一般由四方面因素：
·知識表達的層次；
·表達方式的模塊（擴展能力）和清晰性，
·表達方式的可理解性（自然性）和透明性；
·表達形式實現(xiàn)上的便利性。
為了適合不同形式知識表達的需要，目前AI學者已研制了許多知識表示方法，例如：
·邏輯表示法；
·過程表示法；
·語義網(wǎng)表示法；
·產(chǎn)生式表示法；
·框架表示法；
·判定表技術；
·功能表示法；
·不精確知識表示等。
在圓柱齒輪減速器設計專家系統(tǒng)中，采用的是多層次、多知識元的復合型的知識表達方式，其知識表達的類型如下。
3.1基于規(guī)則的產(chǎn)生式表示法
1.產(chǎn)生式規(guī)則的形式
一條產(chǎn)生式規(guī)則是一條“IF某條件（condition）為真（hold)￤某情形（situation）存在，THEN某結論（codclusion）成立￤某操作（action）可取”的語句投影，作者研制的產(chǎn)生式系統(tǒng)形式如下：
(<Rule><Rule-kind-numer>
IF<condition(s)>
THEN<conclusion(s)>)
其中：Rule、Rule-kind-number分別為規(guī)則名、規(guī)則類別號，condition(s）為條件集(前題部分）,conclusion(s）為決策集（結論部分）。由于減速器設計中知識的多樣性，因而產(chǎn)生式的形式上也有許多種：
（1）事實規(guī)則：其規(guī)則的條件集和結論集均為斷言形式的事實，它通常用來表示設計常識、經(jīng)驗和設計中使用的啟發(fā)式知識。例如下列產(chǎn)生式規(guī)則：
(rule motor-5
(if(working machine has standard as IEG))
(then(motor type is Y series)))
（2）計算規(guī)則：
（rule KHB-coefficient-12
（if（gear accuracy 6 JB179-83）
（selected transmission style is （cal ? （or（=22）（=23）（=24）））））（then（KHB equals（+ 1.11（* 0.36（power（/ b dl） 2））（* 0.00015 b）））））
（3）判斷規(guī)則：
（rule lubrication-7
（if（the actual input power is （cal ?（＞=1500））KW）
（the utilization-ratio-per-hour is （cal?（＞=0.8））））
（then （the lubricating method is circulating lubrication）））
（4）變量規(guī)則：減速器設計中，往往會遇到這種情形，即規(guī)則的條件和（或）結論部分只有部分不同，如下列規(guī)則：
（rule gear-structure-58
（if（gear（>number）hardness HRG（cal?（and（s＞=54）（s<=54）（s<=62））））（gear（<number）for grade（cal?（=gear-for-grade））））
（then（gear（<number）for holl diameter equals
（select-datum（*0.50 a）shaft-JB176-60＇=））））
gearl,gear2，都有可能用到該規(guī)則，為減少規(guī)則數(shù)目，設置了變量規(guī)則，運行過程中，一旦（>number）取值X，則（<number）為X。
（5）默認規(guī)則：這是一類比較特殊的規(guī)則。這一類規(guī)則完成這樣一些知識，即如果沒有更多的事實證明S不成立，S總是成立的。CGREST采用的思想為：設計過程的實現(xiàn)，實質上是初始狀態(tài)向目標狀態(tài)的一個轉化過程，初始條件除包含設計的已知條件，還包含未知的條件，例如下面的設計開始時的當前信息庫（上下文）
（（the gear style is not confirm）
……（gear structure is not confirmed）……）
將這種未知條件作為產(chǎn)生式規(guī)則的前提條件，可方便地實現(xiàn)獄認推理，如下列齒輪齒形選擇規(guī)則的片段：
（rule gear-style-6
（if（the gear style is not confirm））
（the（the tooth shape of gear is spiral）））
一旦默認規(guī)則啟用，則推理機控制將默認規(guī)則的前題部分從專家系統(tǒng)的上下文中刪除。
（6）規(guī)則的其它形式：規(guī)則的前提部分和結論部分還有許多其它形式，如可以是某些函數(shù)，結論部分可以是所要起用的文件名、數(shù)表名、進一步的操作等等。
關于規(guī)則選用時的沖突何題，見§5.4。
2.系統(tǒng)規(guī)則的組織與調度
圓柱齒輪減速器的設計過程通過仔細的分析并進行歸納，則具有明顯的階段性，可表示為一系列的設計任務的鏈式序列。如設計任務描述的輸入過程，原動機械的選擇和確定過程，傳動級數(shù)和傳動形式的選擇和確定過程。潤滑方式的選擇和確定過程，齒輪傳動參數(shù)和齒輪結構的選擇和計算過程；……。其中每一個設計過程都將設計結果傳遞給后繼設計過程。對設計任務進行這樣的分階段描述，使整個設計過程和設計任務間的接口形式的描述大大的簡化了。與設計過程的分階段描述相對應，對系統(tǒng)的產(chǎn)生式知識進行分類，將與一設計階段任務相關的產(chǎn)生式知識歸結在一起，形成對應于該階段設計任務的產(chǎn)生式知識元。同時，對較通用的產(chǎn)生式知識形成通用規(guī)則知識元。在此基礎上，系統(tǒng)通過不同的設計階段調度相應的知識元，并與通用知識元一起動態(tài)形成設計過程的產(chǎn)生式規(guī)則庫，從而，形成設計過程產(chǎn)生式知識的調用。這樣作具有：
①成功地實現(xiàn)CGREST的運行并使系統(tǒng)留有余地。圓柱齒輪減速器設計是一個復雜的過程。在設計過程中，所涉及的知識盒的總和，即使象APOLLO這樣具有大內(nèi)存的工作站，資源也會耗費貽盡。因此，設計任務必須分階段，設計知識也必須分類別。同時，這樣作的結果，也使得系統(tǒng)留有余地，以實現(xiàn)將來系統(tǒng)的擴充需要。
②規(guī)則的分類，可極大地提高專家系統(tǒng)的運行速度。專家系統(tǒng)在選用規(guī)則時，規(guī)則集進行遍歷，然后啟用可用規(guī)則。對規(guī)則進行分類，就是對規(guī)則的預篩選過程要對（這項工作很容易，只需將與設計任務相關的規(guī)則寫在一起即可），這將極大地提高專家系統(tǒng)的運行速度。
③知識分類便于管理并降低知識庫的維護成本。
3.2知識的框架表示
框架在1975年由M.Minsky提出，并在隨后的應用中得到發(fā)展的一種知識表示方式。在機械設計過程中，當分析和解釋新情況時，常常使用過去從經(jīng)臉中積累起來的知識。這些知識與特定的方式存儲在人腦中。設計某一零件時，自然會聯(lián)想到與該零件有關的一系列參數(shù)，并按相應的結構組織去添寫新的數(shù)據(jù)，從而完成新的設計。這樣一種典型實體的通用數(shù)據(jù)結構一般就稱為一個框架（frame）。
一類實體的框架提供了一種結構，在這種結構中填入有關新情況的數(shù)據(jù)時，可以根據(jù)以往獲得的概念對這些數(shù)據(jù)進行分析和解釋。另外，這種框架結構也提供了一個具體上下文對特定實體進行預見驅動的處理方式，在這個上下文環(huán)境下根據(jù)這種結構可以尋找那些預見的信息。用框架表示的知識，本文稱為框架知識元。
本文使用的框架基本上可分為兩類：規(guī)格化框架和變體框架。
1.規(guī)格化框架
規(guī)格化框架中用于存放可預見的信息的位置稱為槽（slofs），進一步描述的特性用側面（facets）表示�？蚣苁且环N嵌套結構，即槽名也可以是另外一個框架名。本系統(tǒng)采用的的規(guī)格化框架，歸納起來，具有如下結構（用Baokos-Naur-Form表示)：
<Frame>:=<Frame-name> <slots>
<slots>:=<slot>|<slot> <slots>
<slot>:=<slot-name><facets>|<Frame>
<facets>:=<facet>|<facet><facets>
<facet>:=<facet-name><facet-value>
<facet-name>:=range|default|if-needed|procedure
<facet-value>:=<context>|<default-value>|<inhereted-value>|
|<attached-procedure>
規(guī)格化的框架表達形式在圓柱齒輪減速器設計中應用非常廣泛，如圓柱齒輪減速器中主任務框架（表3-1 )，齒輪強度校核中使用的各類系數(shù)框架（表3-2）等均具有知識的規(guī)格化框架表達形式。
這類框架在圓柱齒輪減速器設計專家系統(tǒng)中還有許多，如材料和熱處理系數(shù)、齒輪周節(jié)誤差系數(shù)等。
2.變體框架
變體框架是規(guī)格框架結構形式的一種變化結構。變體框架對同的知識的表達，其結構形式有所變化。變體框架知識元用來表示各種數(shù)據(jù)、曲線參數(shù)、各類計算公式和零件結構及零件參數(shù)的定義和描述等。這類變體框架除具有一般框架表示的優(yōu)點外，還具有：知對變體框架描述仍然沿用規(guī)枯化框架定義中的各類名稱。
圓柱齒輪減速器專家系統(tǒng)設計中，變體框架知識元應用的非常廣泛，表3-3是圓柱齒輪減速器箱體結構參數(shù)設計時采用的框架。表3-3是表3-4所表示的知識的再現(xiàn)。
這樣的變體框架知識元許多，論文的后幾章還要作介紹。
表3-4 箱體主要結構尺寸經(jīng)驗計算公式
| 名稱 |
代號 |
尺寸計算經(jīng)驗公式 |
單級減速機體壁厚
單級減速器機蓋壁厚
二、三級減速器機體壁厚
二、三級減速器機蓋壁厚
…… |
6
61
6
61
…… |
6=0.025a+3≥8（軟齒面）
6=0.030a+3≥8（硬齒面）
（a——中心距）
61=0.020a+3≥8（軟齒面）
61=0.025a+3≥8（硬齒面）
6=0.025as+3≥8（軟齒面）
6=0.030as+3≥8（硬齒面）
（as——低速級中心距）
61=0.020a+3≥8（軟齒面）
61=0.025a+3≥8（硬齒面）
…… |
3.3數(shù)表、圖線知識的表示
1.數(shù)表：圓柱齒輪減速器設計中存在有許多數(shù)表。數(shù)表知識的計算機表達基本上可以分三類：
①產(chǎn)生式形式：對某些數(shù)表，如齒輪接觸強度效核時的載荷分布系數(shù)表可轉化為如下的產(chǎn)生式規(guī)則：
②框架形式：如齒輪強度校核中的各類系數(shù)轉化為框架形式（表3-2）。
③數(shù)表形式：如軸伸（減速器傳動軸伸出端）數(shù)據(jù)表：
數(shù)據(jù)表每一項的含義分別為軸伸直徑值，上、下公差值，軸伸的長度值（長、短系列）。再如表3-6所示的公差數(shù)據(jù)表（部分）：
將這種數(shù)表寫作產(chǎn)生式規(guī)則或其它別的形式，多少有點牽強附會，不如以數(shù)表形式來得更加自然。事實上，數(shù)表也可認為是一種無槽名的變體框架。
類似這種處理的方法，圓柱齒輪減速器設計專家系統(tǒng)中還有許多，例如，軸承數(shù)據(jù)、鍵數(shù)據(jù)、齒輪模數(shù)、中心距、成本、軸上各類數(shù)據(jù)（如倒角，過渡圓角）等等均采用這一處理方法。
2.圖線：在圓柱齒輪減速器的專家系統(tǒng)設計過程中，不可避免地要使用經(jīng)驗圖表、圖線知識。對這些知識的處理，本文采用的方法有兩種：圖表知識公式化和數(shù)據(jù)化。
（1）圖表知識的公式化：如專家推薦的齒輪傳動設計中簡化的變位系數(shù)的分配公式：
當∑x<0.6，且z1≤20，則xl=0.7×∑x,x2=0.3×∑x；
當∑x<0.6，且z1>20，則xl=0.65×∑x,x2=0.35×∑x；
當∑x=0.6～1.0，則xl=0.5,x2=∑x-0.5,
當∑x=1.0～1.2，則xl=x2=∑x/2 。
（2）圖表知識的數(shù)據(jù)化：圖表知識的數(shù)據(jù)化過程是首先將圖表進行離散處理，然后，再對離散數(shù)據(jù)按數(shù)表型知識進行處理。表3-2是齒輪強度校核中的各類圖表系數(shù)數(shù)據(jù)化后用框架形式表達的知識。其中，有潤滑劑（lubricator）系數(shù)KL，粗糙度（roughness）系數(shù)orderl （淬火齒面）、order2（調質齒面），……。
3.4 知識的過程表示
以上所討論的知識表達的各種方式均是建立在一定格式的基礎上的，可以說是知識的描述性（declarative）表達方式。這類知識的表示一般具有模塊性，自然性，清晰性等。但正是由于格式的限制，因此對于某些功能，如回溯、反復的校核計算等這樣一類操作，不如用語言編寫知識過程來得方便。用語言形式直接編寫知識過程，便有了圓柱齒輪減速器設計知識的過程表示�？驁D3-l是齒輪強度計算、校核的過程框圖，這樣一個過程需要多次重復的計算。使用過程表示可使求解過程按照嵌入的程序次序進行調用，它們不需要和選擇那些不相關的知識，也不需要那些不自然的推理路徑。同時，還能夠把領域特有的，導致更為直接推理過程的啟發(fā)性知識結合到設計過程中去，因而能夠大幅度地提高運行效率。
在LlSP語言中，過程表示用函數(shù)表達，表3-5是圖3-l所示的齒輪強度計算和校核知識的過程表示的形式。
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