基于粗糙集理论的腐蚀损伤诊断软件开发研究

苏锋++贾明明++李丹

【摘 要】以粗糙集理论为基础，针对腐蚀条件下航空材料的图像特征值和蚀坑深度进行了离散化处理，构建了分辨矩阵，通过属性约简生成了决策规则集，对蚀坑深度进行了预测。使用Visual Studio2005平台，开发了基于粗糙集规则库的腐蚀损伤诊断软件。该软件以约简后得到的图像特征值为输入，以蚀坑深度范围为输出，界面清晰明了，便于使用。

【关键词】粗糙集；损伤；诊断；图像

1.引言

粗糙集的研究对象是由一个多值属性（特征、症状、特性等）集合描述的一个对象（观察、病历等）集合，对于每个对象及其属性都有一个值作为其描述符号。对象、属性和描述符是表达决策问题的3个基本要素[1]。

将腐蚀图像特征值作为条件属性，蚀坑深度（腐蚀损伤）作为决策属性，通过粗糙集处理后得到的规则库简便明了，使得非专业人员利用图像特征值对腐蚀损伤进行判断成为可能。为了使粗糙集处理后得到的规则库便于实际应用，以Visual Studio 2005及Microsoft Office Access为基础，开发了基于粗糙集理论的点蚀条件下腐蚀损伤诊断专家系统。该系统生成的规则库为基础，对输入的腐蚀现象（图像特征值类别）自动进行腐蚀损伤诊断，给出点蚀坑深度范围，且该系统具有开放性、实时性的特点，方便使用，也为今后开发适用范围更广、更复杂的腐蚀损伤诊断专家系统提供了思路。

2.粗糙集基本概念

粗糙集（Rough Set）理论由波兰数学家Z.Pawlak于1982年提出。它以等价关系为基础，反映了认知过程在非确定、非模型信息处理方面的机制和特点，是一种有效的非单调推理工具[2]，非常适合处理系统信息不完全和不精确的分类和诊断问题。

知识表达系统就是研究将对象的知识通过指定对象的基本特征和特征值来描述，以便通过一定的方法从大量的数据中发现有用的知识或决策规则。知识表达系统可用一个四元组 表示：

式中：有限非空集合，称为论域，，其中为研究对象；

为对象属性的集合；

为属性值的集合， 是属性的值域；

为的一个信息函数，为每个对象的每个属性 赋予一个属性值，即。

3.腐蚀诊断软件开发

3.1开发平台

平台开发使用的是微软公司2005年推出的Visual Studio 2005，Visual Studio是目前最流行的Windows平臺应用程序开发环境。虽然.NET字眼从各种语言的名字中被抹去，但是这个版本的Visual Studio仍然还是面向.NET框架的（版本2.0）。它同时也能开发跨平台的应用程序，如开发使用微软操作系统的手机的程序等，总体来说是一个非常庞大的软件，并具有以下特点：

（1）使用改进后的可视化设计工具、编程语言和代码编辑器，享受高效率的开发环境。

（2）在统一的开发环境中，开发并调试多层次的服务器应用程序。

（3）使用集成的可视化数据库设计和报告工具，创建SQL Server 2005解决方案。

（4）使用Visual Studio SDK创建可以扩展Visual Studio IDE的工具。

3.2后台数据库系统

本文后台数据库系统选择的是Microsoft office Access2003，Access是微软公司推出的基于Windows的桌面关系数据库管理系统（RDBMS，即Relational Database Management System），是Office系列应用软件之一。它具有如下优点：

（1）存储方式单一。Access管理的对象有表、查询、窗体、报表、页、宏和模块，以上对象都存放在后缀为（.mdb）的数据库文件中，便于用户的操作和管理。

（2）面向对象。Access是一个面向对象的开发工具，利用面向对象的方式将数据库系统中的各种功能对象化，将数据库管理的各种功能封装在各类对象中。它将一个应用系统当作是由一系列对象组成的，对每个对象它都定义一组方法和属性。通过对象的方法、属性完成数据库的操作和管理，极大地简化了用户的开发工作。同时，这种基于面向对象的开发方式，使得开发应用程序更为简便。

（3）界面友好、易操作Access 是一个可视化工具，是风格与Windows完全一样，用户想要生成对象并应用，只要使用鼠标进行拖放即可。

（4）集成环境、处理多种数据信息。Access基于Windows操作系统下的集成开发环境，该环境集成了各种向导和生成器工具，极大地提高了开发人员的工作效率，使得建立数据库、创建表、设计用户界面、设计数据查询、报表打印等可以方便有序地进行。

3.3运行环境

本平台开发时所使用的系统为Microsoft公司的Windows XP Professional，因为不同版本的Windows系统对字符串的处理方式的差异，故本平台最好运行于Windows XP的各种版本，同时该机必须装有微软公司推出的NET. Framework 2.0，以方便平台对数据库访问。

4.软件的结构设计

本软件是一个面向用户可扩展的平台，其核心过程是腐蚀损伤诊断过程，其具体流程如图1所示。

5.软件的界面设置

本文所开发的腐蚀损伤诊断软件界面如图2所示。用户首先根据属性约简后的结果进行图像特征值的选择（第4节得到的约简为蚀坑半径和蚀孔分形维数），随后对激活的图像特征值类别赋值（共计6个类别）。然后点击确定按钮，即可与Access数据进行通信，查询数据库中的诊断规则库，找到相应的蚀坑深度类别（共计4个），并将查询结果显示在软件界面的“蚀坑深度”栏，如图3所示；如果查询不到则输出无法判断的提示，如图4所示。在输入图像特征值类别过程中若发现输入有误，可点击“重新输入”按钮更改输入的数据。

6结论

使用Visual Studio 2005平台，开发了基于粗糙集规则库的点蚀条件下腐蚀损伤诊断软件。该软件以约简后得到的图像特征值为输入，以蚀坑深度范围为输出，界面清晰明了，便于使用。

参考文献：

[1]Zdzislaw Pawlak， Jerzy Grzymala-Busse， et al. Rough Sets[J]. COMMUNICATIONS OF THE ACM， June 1995/Vol.38，No.6 89～95.

[2] 杨淑莹. 模式识别与智能计算——Matlab技术实现[M]. 北京：电子工业出版社， 2008.

[3] 王彪， 段禅伦， 吴昊， 宋永刚. 粗糙集与模糊集的研究与应用[M]. 北京： 电子工业出版社， 2008.

[4] 王广， 李军. 基于粗糙集理论的航空发动机故障诊断[J]. 航空发动机， 2005（4）：51-53.