船用产品检验业务与管理系统知识库构架探析

包国兴,张云辉

(1.淮安市船舶检验局,江苏淮安 223001;2.江苏省船舶检验局,江苏南京 210004)

0 引言

进入 21世纪以来,中国在世界造船市场所占份额急剧增长,船舶及船用产品的配套生产得到蓬勃发展,船舶及船用产品检验业务也同步增加,江苏省每年经检验的船用产品有近十万台(套),涉及大多数制造业。船用产品质量的高低直接对船舶建造质量产生重大影响,船用产品检验质量对船用产品制造质量的好坏起到关键作用。船用产品的检验主要由各检验机构的产品验船师来承担,但目前产品验船师数量有限,检验工作方式仍然停留在 20世纪80年代的水平。检验时主要依靠验船师个人对规则、规范、规程、标准的理解和掌握程度,依靠验船师的学习和培训经历及验船师的个人经验,依靠验船师的责任心对其进行检验。随着“船舶检验业务与管理系统”在我省船检系统的成熟运用,船用产品检验作为船检业务工作的重要内容,为提高船用产品的检验质量,加强检验的过程控制与管理,研究开发船用产品检验业务与管理系统成为当务之急。

人工智能是 20世纪 50年代兴起的一门新兴学科,是计算机科学的一个重要分支,它的研究领域非常广泛,涉及的学科也很多。目前,人工智能的主要研究领域包括:分布式人工智能、知识工程和专家系统、自然语言处理、机器人、机器学习、人工神经网络、模式识别、定理证明、自动程序设计、智能数据库、智能检索等。专家系统(Expert System)是人工智能的一个分支,产生于 20世纪 60年代中期,但其发展速度相当惊人,目前专家系统的应用领域已渗透到数学、物理、化学、生物、农业、地质、气象、交通、治金、机械、政治、军事、法律、空间技术、环境科学、信息管理系统、金融和信息高速公路等众多领域,它的应用几乎渗透到各行各业。

船用产品检验是一项验船师依据规则、规范、规程和标准,对船用产品的制造过程进行监督检验的技术。研究开发系统,是对船用产品的检验申请、审图、检验、发证、计费、查询统计及检验人员信息、检验机构信息、船用产品生产厂家信息、地域信息、检验人员权限、检验机构权限、检验过程记录、样本管理(系统自我学习)等进行综合管理;并对验船师的船用产品检验内容、检验试验数据记录等进行智能干预;同时为验船师的船用产品检验提供学习、帮助和指导。

作为智能系统,构建系统的知识库是关键之一,本文重点对系统检验业务的知识库构架进行分析研究,选择合理的知识表达模式,为系统的智能化提供基础。

1 知识获取及知识表达技术

1.1 知识的获取

知识是用来表示个人试图获取的对给定学科理解的抽象术语。按照专家系统的术语方式,知识又定义为:知识指对学科领域的理解、足够集中的主题领域称为域、知识表示是一种用来在专家系统的知识库中对知识编码的方法。知识的类型主要有过程性知识、陈述性知识、元知识、启发式知识、结构知识。

知识获取的目标在于将可在专家系统中编码的感兴趣问题编成知识体。知识的来源可以是书、报告或数据记录。但是,大多数项目最主要的知识源就是领域专家。从专家获取知识不同于一般的知识获取,称为知识提取(knowledge elicitation)。

知识获取的方法一般有两种:一种是专家与知识工程师面谈的方式,通过讨论和交流,获得对有关问题的知识;另一种是案例研究的方法,通过观察专家解决实际问题的示例来努力撷取知识。每种方法的目标都是揭示专家的知识和问题求解技能。完成这个任务之后,知识工程师将信息编码到专家系统中,测试系统并使用结果来规划新的知识获取任务。图 1显示知识的提取过程。

图1 知识提取过程

专家系统开发本质上是一种探索性努力。设计者对问题常缺乏初步了解,这样他们不得不对项目采取谨慎的方法。首先寻求对问题的一般理解,并使用这些信息作为探索附加信息的向导。通过这个知识收集和分析的反复过程,逐渐获得对问题的理解和求解此问题的见解。

这个涉及知识提取的任务创造了一个自然循环过程。该过程从知识收集开始,接着就是对知识进行解释和分析,最后知识收集的方法就设计出来了。知识提取的循环过程如图 2所示。

图2 知识提取的循环过程

1.2 规则模式知识表达技术

用户提供的事实对专家系统的运作起重要作用,因为这些事实有助于理解世界的当前状态。而系统必须具备附加的知识,以便巧妙地利用这些事实,解决给定的问题。提供这种附加知识的专家系统公共知识结构称为规则。

规则指关联已知知识和待推导或推测的其他信息的知识结构。

规则是过程性知识的一种形式,它把给定信息与一些行为关联起来。这个行为可以是对新信息或需要执行过程的断言。在这种情况下,规则描述如何解决一个问题。

规则结构从逻辑上连接 IF部分中的一个或多个前提(也称条件)到THEN部分中的一个或多个后部(也称结论)。

一般来说,规则可以有用AND语句(合取)、OR语句(析取)或两者组合连接起来的多个条件。其结论可以包含单条语句或者 AND连接的组合。这条规则也可以包含一个ELSE语句,当一个或多个条件为FALSE时,ELSE语句就为TRUE。

1.3 框架模式知识表达技术

语义网络的自然扩充是议程,这是由芭蕾特(Barlett)于1932年首次提出的。议程就是包含一些概念或对象的典型知识单元,包括陈述性知识和过程性知识。议程具有能用于特定情形的一成不变的概念信息。

专家系统设计者使用这种思想获取和表示专家系统中的概念知识,但常以议程为框架,这是明斯基(Minsky)于1975年首次提出的。框架是一种表示概念或对象的一成不变知识的数据结构。

明斯基是这样描述框架的:“当一个人遇到新情况或对问题的看法有了实质性的改变时,就从记忆中选择称为‘框架'的结构”。

人们试图用以往的经验来分析与解释当前遇到的情况,但无法把过去的经验一一存在脑子里,而只能以一个通用数据结构的形式存储以往的经验,这样的数据结构称为框架。框架提供了一个结构,一种组织。在这个结构或组织中,新的资料可以用过去经验中得到的概念来分析和解释。因此,框架也是一种结构化表示法。

框架通常采用语义网络中的节点-槽-值来表示结构。所以框架也可以定义为一组语义网络内的节点-槽,该节点-槽可用来描述格式固定的事物、行动和事件。语义网络可看作节点和弧线的集合,也可以视为框架的集合。

框架通常由描述事物的各个方面的槽组成,每个槽可拥有若干个侧面,每个侧面又可以拥有若干个值。这些内容可以根据具体问题的具体需要来取舍,一个框架的一般结构如下:

大多数问题不能简单地用一个框架表示出来,而必须同时使用许多框架组成一个框架系统。一个框架结构可以是另一个框架的槽值,并且同一个框架结构可以同时作为几个不同的框架的槽值。这样,一些相同的信息可以不必重复存储,节省了存储空间。框架的一个重要特性是其继承性。为此,一个框架系统往往表示为一种树形结构,树的每一个节点是一个框架结构,子节点与父节点之间用isa (“is-a”)或AKO(“a-kind-of”)槽连接。所谓框架的继承性,就是当子节点的某些槽值或侧面值未被直接记录时,可以从其父节点继承这些值。

2 船用产品检验业务知识库模式

2.1 船用产品检验业务知识及其来源

2.1.1 船用产品检验业务知识

船用产品检验业务中主要包括以下几大类知识内容,一是检验业务类型,如工厂认可、型式认可、出厂检验等;二是产品的种类,如锚机、舵机、轴等;三是产品的特征,如锚机的驱动方式是液压还是电动、适用航区是海洋还是内河等;四是检验申请的基本参数,如产品的名称、产品的规格/型号、生产厂家名称等;五是产品的检验项目,如外观检查、型式检验、拆检等。另外与检验业务有关的知识还有,检验时需提交的资料、执行的规范和标准、选用的证书等。

2.1.2 船用产品检验业务知识来源

船用产品检验业务中知识的来源主要依据船检法规、产品标准以及产品验船师的经验、该领域专家的专业技术。

船用产品的检验具有法定性,其具有较为完整的检验技术规则、规范、规程、标准,以及为检验工作而制定的检验指南或检验须知,检验工作还要求依据“船舶法定检验质量体系要求”的程序文件和作业文件。因此,船用产品检验具有较强的法定性、规范性,其检验内容分布于不同的法规和标准中,检验要求分布于不同的规程、规定、办法及指南或须知中。

2.2 知识表达模式分析与选择

要把这些检验内容和检验要求提取出来,对检验业务知识进行分析、归纳,按照专家系统对知识的表达技术,运用到“船用产品检验业务与管理系统”中来,形成检验业务中的部分知识库。那么,这些知识如何表达,使用哪种表达技术将显得尤为重要,最终目标是方便船用产品检验内容的智能化实现,达到即时条件下实现以网络方式的船用产品检验申请、检验、发证、收费、查询统计及检验工作管理。

由于系统要实现不同的产品种类、不同的检验业务类型、不同特征的产品,在检验申请后进入检验阶段,产品验船师登录系统后,在检验过程中智能化地获取相应的检验项目及检验指南,并经现场检验合格,在系统中录入检验记录后,形成相应产品、相应检验业务类型的检验报告、检验记录和检验证书,也就是实现检验业务内容的智能化。建立这部分知识库内容时,系统选用了以框架为主的混合知识表达模式,以框架为主,同时运用了规则表达模式:一是框架与框架间有一定的规则;二是框架内部也有规则模式的运用;三是一个框架是另一个框架的槽值;四是赋予部分框架内槽、侧面或值以属性;五是框架基本以树形结构,树的每一个节点是一个框架结构,形成父项与子项的关系,乃至父项与一级子项、二级子项、多级子项的关系。

选用此种知识表达模式主要原因有以下几个方面:

一是检验业务知识包括五个主要方面:检验业务类型、产品种类、产品的特征、检验申请的基本参数、检验项目。每个方面形成一个框架,每个框架内的槽值,又可能是个框架。如检验业务类型分为:“初次申请”、“非初次申请”、“特别发证”等,而“初次申请”又包括:“工厂认可”、“型式认可”、“个别许可”。

二是本知识库围绕一个主线,产品验船师在检验过程中智能化地获得本次检验的检验项目、检验试验记录、检验试验指南,最终取得符合法规的检验报告及检验证书。

三是检验申请的基本参数的选择,决定了本次检验获取的检验项目结果。

四是检验业务知识的每一个方面都是一个框架,每个框架内部又有若干个子框架,子框架下还可能有下一级框架;框架与框架之间有一定规则,框架内部也有一定的规则。知识的主要来源是法规、标准,知识单元之间具有较强的法定性,形成了自然规则。如法规规定“出厂检验”必须在“工厂认可”或“型式认可”完成之后才能进行,而“工厂认可”、“型式认可”属于“初次申请”框架的槽值,“出厂检验”属于“非初次申请”框架的槽值。

2.3 检验业务内容模块框图

船用产品检验业务与管理系统按不同功能,将整个系统分为五大模块:“检验业务”、“辅助业务”、“统计查询”、“检验设置”、“系统维护”。一般的终端用户可以使用前三个模块功能,有“检验设置”和“系统维护”权限的用户才能使用后两个模块功能。“检验设置”模块即检验业务内容模块又由“类别维护”、“分类维护”、“项目与数据维护”等子模块组成。本文形成的部分知识库构成了检验业务内容模块的部分构架。图 3给出了检验业务内容模块框图,所有框架及规则表述的知识,虽然相互交织,但都围绕一条主线,就是为检验项目条件类的设置提供基础,最终形成合理并符合法规的检验项目和检验记录,产生合格的船用产品检验报告和检验证书。

图3 检验业务内容模块框图

图3构架的是检验业务内容的总体框图,其中第三层的每一个槽值,又都是一个知识框架。如“产品种类”,自身可以离开其他知识框架,独立形成知识框架,但是离开其他的知识,就失去了知识构架的意义。因此,在构架“产品种类”时,必须考虑该产品的检验业务类型,考虑检验项目等易于归类,具体在做检验项目条件分类时,能够简单明了。同样,构建“项目与数据维护”知识框架时,也必须考虑产品的检验业务类型及产品的种类,便于检验项目与检验业务类型、产品种类相对应,最终形成合理的船用产品检验业务内容模块。

3 结语

根据船用产品检验业务与管理系统的特点及船用产品检验的性质,分析了检验业务知识的表达技术,选用了以框架为主、框架与规则混合的知识表达模式,构建了船用产品检验业务内容主要部分的模块框图,对船用产品的检验业务内容的知识进行构架,形成了系统的部分知识库框图。通过在“船用产品检验业务与管理系统”中的使用,满足了系统智能化要求,实现了即时、广域网方式的船用产品的检验申请、检验、发证、收费、查询统计及检验工作管理。

[1] 陈世福,陈兆乾,等.人工智能与知识工程[M].江苏:南京大学出版社出版,1997.

[2] 蔡自兴,等.高级专家系统:原理、设计及应用[M].北京:科学出版社,2005.

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