淺析模擬電路故障診斷中神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與專家系統(tǒng)的應(yīng)用

儲琳琳　郭純生　李艷琴

[摘要]介紹專家系統(tǒng)應(yīng)用于模擬電路故障診斷的原理，并指出該方法在故障診斷中的應(yīng)用現(xiàn)狀和存在的問題：提出神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和專家系統(tǒng)的結(jié)合方式，利用專家系統(tǒng)和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點(diǎn)，克服它們的一些缺點(diǎn)。

[關(guān)鍵詞]模擬電路故障診斷專家系統(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

中圖分類號：TN7文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1671-7597(2009)0610026-02

一、專家系統(tǒng)的思想與模擬電路的故障診斷

在模擬電路故障診斷領(lǐng)域中，由于人們在電子電路的維修方面已經(jīng)積累了相當(dāng)豐富的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，又由于電路設(shè)計(jì)和仿真軟件的發(fā)展，以及各種高精度、高集成度的測量儀器儀表的普及，使得工程師們能夠進(jìn)一步的了解被測對象，盡可能多的獲取有關(guān)被測對象的知識，建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫。知識庫中知識的數(shù)量和質(zhì)量直接關(guān)系到專家系統(tǒng)解決問題的能力。

此外，在電子電路的維修過程中采集的數(shù)據(jù)都有一定的模糊性，如果就以純數(shù)學(xué)模型的判據(jù)思想作為推理規(guī)則，總會發(fā)現(xiàn)故障現(xiàn)象和實(shí)際故障根本不是一一對應(yīng)的，導(dǎo)致故障位置的模糊性，這就是為什么同樣會操作儀器儀表的兩個維修工人的維修水平會有不同的原因，也就是說維修過程不是簡單的測量幾個數(shù)據(jù)的過程，它需要結(jié)合豐富的維修經(jīng)驗(yàn)，所以我們非常有必要將少數(shù)幾個人的經(jīng)驗(yàn)固化到精力充沛的計(jì)算機(jī)中去，所以專家系統(tǒng)的思想解決模擬電路的故障診斷問題不僅是可能的，而且是非常重要的。

二、專家系統(tǒng)用于故障診斷的不足

雖然傳統(tǒng)的診斷專家系統(tǒng)在很多領(lǐng)域(如機(jī)械、醫(yī)療、計(jì)算機(jī)、航空等)中得到了廣泛的應(yīng)用且取得了不少成果，并且顯示出了相當(dāng)出色的工作能力，在某些方面達(dá)到甚至超過了人類專家的工作水平，然而這種模擬人類抽象思維的符號處理系統(tǒng)在其開發(fā)研制過程中也碰到了不少問題，這些問題至少在目前是難以克服的。其主要表現(xiàn)在以下幾個主要問題：

1、知識獲取的“瓶頸”。知識的獲取一直是專家系統(tǒng)的瓶頸問題，我們知道，傳統(tǒng)專家系統(tǒng)主要是通過兩種方法來獲取知識：一種是領(lǐng)域知識先由知識工程師從領(lǐng)域?qū)＜疫@兒獲得，再由知識工程師輸入到知識庫中。這種方法造成知識失真的可能性有兩方面：一方面，領(lǐng)域?qū)＜易约阂埠茈y描述自己所擁有的知識，對于具體故障，他們往往只知道如何去解決，卻說不出采用這種解決方法的理由，而且，有時他們的知識也有錯誤成分；另一方面，不同的領(lǐng)域?qū)＜业闹R可能不一樣，甚至互相矛盾，在這種情況下，知識工程師往往顯得束手無策，而且對于某些專家的經(jīng)驗(yàn)知識則難以加入知識庫中，因而不但費(fèi)時，而且效率低。第二種知識獲得的方法是由機(jī)器學(xué)習(xí)，但是直到目前為止，機(jī)器的學(xué)習(xí)能力仍然低下，這樣專家系統(tǒng)獲取知識的能力也就受到限制。

2、知識難以維護(hù)。現(xiàn)有的傳統(tǒng)專家系統(tǒng)知識庫中的知識大都是依靠知識工程師人為輸入，在知識庫里面往往是簡單地堆放到一起。這樣當(dāng)這個專家系統(tǒng)的知識庫中的知識達(dá)到成千上萬條時，維護(hù)與管理就顯得十分困難。

3、知識的“窄臺階效應(yīng)”。目前一般的專家系統(tǒng)只能在比較窄的專業(yè)知識領(lǐng)域內(nèi)以專家級的水平求解專門的問題，對于相近領(lǐng)域的邊緣性問題，求解能力較差，對于其他領(lǐng)域，則顯得無能為力而不能正確處理，只能得出一些稀奇古怪的結(jié)論，即傳統(tǒng)專家系統(tǒng)沒有聯(lián)想、記憶、類比等形象思維能力。致命的問題是：系統(tǒng)本身無法判斷自己是否工作在專家領(lǐng)域知識范圍內(nèi)。

4、推理能力弱。專家系統(tǒng)的本質(zhì)特征是基于規(guī)則的推理思維，然而迄今的邏輯理論依然很不完善，推理速度慢、效率低、容易出現(xiàn)“匹配沖突”“組合爆炸”及“無窮遞歸”等問題。

5、智能水平低。專家系統(tǒng)的知識存儲是一一對應(yīng)的，且限定于最低速度，沒有冗余性，因而也就失去了靈活性。現(xiàn)有的專家系統(tǒng)一般還不具備自學(xué)習(xí)能力和聯(lián)想記憶的功能，不能在運(yùn)行過程中自我完善、發(fā)展和創(chuàng)新知識。系統(tǒng)的功能僅取決于設(shè)計(jì)者的知識和能力，它的本領(lǐng)只是輸入知識的總和。一個專家系統(tǒng)往往要包含上萬甚至數(shù)萬條規(guī)則，使得維護(hù)和管理工作十分困難，這是與知識的表示方法有關(guān)的困難。

6、知識表示問題。專家系統(tǒng)可以認(rèn)為是通過對知識的處理來解決問題的，知識表示自然就成為專家系統(tǒng)的一個重要而基本的問題，雖然目前有諸多的表示法，但都存在各自的不足。

7、實(shí)用性差。由于上面的這些嚴(yán)重缺陷，使得一些專家系統(tǒng)很難進(jìn)入實(shí)用階段。同時由于推理速度慢，導(dǎo)致一般的傳統(tǒng)專家系統(tǒng)難以適應(yīng)在線工作要求，只能在離線、非實(shí)時條件下工作。

8、不精確推理不適合解決模糊問題。知識和故障征兆往往有一定的模糊性，采集的數(shù)據(jù)也有模糊性(如測量誤差、元件參數(shù)的容差等)，而傳統(tǒng)專家系統(tǒng)的不精確推理是基于概率的，與“模糊”是兩個不同的概念。

三、專家系統(tǒng)與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的區(qū)別及互補(bǔ)性

(一)OBP網(wǎng)絡(luò)用于模擬電路故障診斷的優(yōu)勢

1、BP網(wǎng)絡(luò)的權(quán)重系數(shù)的調(diào)整具有自適應(yīng)性，經(jīng)訓(xùn)練后可完成分類、聯(lián)想等智能性工作，BP網(wǎng)絡(luò)的非線性映射特征很適合模式分類問題，故障診斷的基本問題就是按特征向量對被測系統(tǒng)的各個狀態(tài)進(jìn)行正確的辨識和分類，所以BP網(wǎng)絡(luò)對能歸結(jié)為模式分類的問題很有應(yīng)用價值。

2、BP網(wǎng)絡(luò)對于相同的輸入一定得出相同的輸出，對于相近的輸入則可得到相近的輸出。這一特性使BP網(wǎng)絡(luò)具有抑制噪聲的能力，可用于不確定性推理。在模擬電路的故障診斷中所謂的噪聲實(shí)際上是指由于元器件容差導(dǎo)致的樣本值在一定范圍內(nèi)漂移。

3、BP網(wǎng)絡(luò)對外接口比較簡單，使得非智能領(lǐng)域的工作人員也能夠熟練使用，這樣就方便了對網(wǎng)絡(luò)所存信息量的擴(kuò)充，當(dāng)然每一次信息的增加都是通過網(wǎng)絡(luò)自身極其復(fù)雜的學(xué)習(xí)訓(xùn)練過程實(shí)現(xiàn)的，這主要得益于現(xiàn)代計(jì)算機(jī)處理速度的提高，這使得設(shè)計(jì)主體人的工作量大大減少了。

由于模擬電路板工作環(huán)境的多樣性，以及元器件故障模式的復(fù)雜性等其它原因，導(dǎo)致測試程序設(shè)計(jì)人員不可能一次性預(yù)見電路板全部的可能故障模式，這就需要系統(tǒng)在使用中進(jìn)一步完善，而這一切的前提就是對外接口是否友好的問題，這一點(diǎn)，只要在設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)時對輸入輸出樣本空間的維數(shù)(體現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)上就是輸入層和輸出層的神經(jīng)元數(shù)目)考慮一定的冗余度。

(二)專家系統(tǒng)與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的區(qū)別

從神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與專家系統(tǒng)各自的工作原理來看，它們體現(xiàn)了人工智能行為的兩種工作機(jī)制，他們都包括知識獲取，知識表示，知識存儲，邏輯推理以及以解釋形式反映的知識輸出等工作過程，但是在具體執(zhí)行方式上，它們是完全不同的技術(shù)，有很大的區(qū)別，這主要表現(xiàn)在以下四個方面：

1、知識表示形式：專家系統(tǒng)是對知識進(jìn)行形式化的符號描述，因而它的知識表示是顯式的、描述性的；而神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對知識的表示是隱式的，它用網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)表示節(jié)點(diǎn)間的相互關(guān)系，節(jié)點(diǎn)間的互聯(lián)強(qiáng)度表示項(xiàng)與項(xiàng)之間相互影響的強(qiáng)弱。

2、知識獲取途徑：專家系統(tǒng)獲取知識的主要途徑目前基本上還是機(jī)械式學(xué)習(xí)和講授式學(xué)習(xí)，它的知識是在系統(tǒng)外學(xué)習(xí)得到的，然后以代碼的形式輸入知識庫中；人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)獲取知識的方法則是直接從數(shù)值化的實(shí)

例中學(xué)習(xí)或?qū)鹘y(tǒng)人工智能技術(shù)已獲得的知識特例轉(zhuǎn)化為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的分布式存儲，學(xué)習(xí)是在系統(tǒng)內(nèi)部。

3、推理機(jī)制：專家系統(tǒng)是具有符號推理機(jī)制的計(jì)算機(jī)程序，使用離散邏輯作為它的功能基礎(chǔ)：而神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)試圖要模仿人腦智力功能，它的實(shí)現(xiàn)是基于連續(xù)的數(shù)值計(jì)算。

4、知識表達(dá)的透明度：專家系統(tǒng)使用演繹的方法，把從系統(tǒng)外得到并用代碼輸入系統(tǒng)的知識推廣，并且知識表達(dá)很清晰，是一種可以讓專家直接識別的形式，因而容易證實(shí)，專家系統(tǒng)中知識庫與推理機(jī)是相互獨(dú)立的，知識可以漸進(jìn)地積累，當(dāng)某一事實(shí)改變時，修改也較容易；而神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)則運(yùn)用歸納的方法，在原始數(shù)據(jù)上通過學(xué)習(xí)算法建立內(nèi)部知識庫，但各單個神經(jīng)元并不存儲信息，網(wǎng)絡(luò)的知識是編碼在整個網(wǎng)絡(luò)連接權(quán)的模式中，知識表達(dá)不明確。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)一旦學(xué)習(xí)完成就能迅速地求解，具有良好的并行性，但是知識的積累是以網(wǎng)絡(luò)的重新學(xué)習(xí)為代價，時間開銷較大。

(三)專家系統(tǒng)與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的互補(bǔ)

如果我們不考慮神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與專家系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，僅看它們的輸入與輸出之間的關(guān)系，它們有一個共同的起點(diǎn)和目標(biāo)。一般來講，二者都包含知識獲取、知識表示、知識推理、知識更新等操作。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是基于輸入到輸出的一種直覺性反射，也叫形象思維，適于發(fā)揮經(jīng)驗(yàn)知識的作用，進(jìn)行淺層次的經(jīng)驗(yàn)推理：專家系統(tǒng)是基于知識、規(guī)則匹配的邏輯知識的作用，進(jìn)行深層次的邏輯推理。專家系統(tǒng)的特色是符號推理，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)擅長數(shù)值計(jì)算。由此可見，傳統(tǒng)專家系統(tǒng)與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)科學(xué)地加以綜合，并加入深層次知識，取長補(bǔ)短，充分發(fā)揮各自的特長，將會提高智能系統(tǒng)的智力水平。因此，它們具有很大的互補(bǔ)性，應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可以彌補(bǔ)解決傳統(tǒng)專家系統(tǒng)在應(yīng)用中遇到的問題。主要體現(xiàn)在以下四個方面：

1、對于專家系統(tǒng)中知識和經(jīng)驗(yàn)的窄臺階性，即遇到?jīng)]解決過的問題就無能為力，可以利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)想、記憶、類比等形象思維能力，使系統(tǒng)可以工作于所學(xué)習(xí)過的知識以外的范圍。

2、傳統(tǒng)專家系統(tǒng)中的知識都是以符號或規(guī)則的形式存儲在數(shù)據(jù)庫中，知識的維護(hù)和更新非常困難，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有統(tǒng)一的內(nèi)部知識表示形式，任何形式的知識都可以通過對范例的學(xué)習(xí)存儲在網(wǎng)絡(luò)的連接權(quán)值中，便于知識的組織和管理，通用性強(qiáng)，并且知識容量大。

3、推理中的“匹配沖突”，“組合爆炸”及“無窮遞歸”使傳統(tǒng)專家系統(tǒng)推理速度慢、效率低。這主要是由于專家系統(tǒng)采用串行方式、推理方法簡單和控制策略不靈活。而神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的知識推理通過神經(jīng)元之間的作用實(shí)現(xiàn)，推理過程是并行的數(shù)值計(jì)算過程，而這一點(diǎn)計(jì)算機(jī)可以幫很大的忙，所以推理速度較快。

4、專家系統(tǒng)不適于求解模糊性問題，這非常不利于故障診斷，因?yàn)橹R和征兆往往帶有一定的模糊性，即使通過測量儀器測的數(shù)據(jù)也會由于測量誤差、元件參數(shù)的容差等因素的影響帶有一定的模糊性，雖然專家系統(tǒng)中有不精確推理的算法，但是它的不精確推理是基于概率的，而這里的概率也同時必須是知識工程師以具體的數(shù)值輸入到知識庫的，所以專家系統(tǒng)的不精確推理與模糊性是兩個不同的概念。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對于相近的輸入則可得到相近的輸出，即BP網(wǎng)絡(luò)具有的抑制噪聲的能力，就可以較好的解決模糊性的問題。

四、結(jié)論

基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的專家系統(tǒng)是以人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為核心建造的一種“結(jié)合型”智能系統(tǒng)，不僅可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)專家系統(tǒng)的基本功能，模仿人類專家的邏輯思維方式進(jìn)行推理決策和問題求解，還具有學(xué)習(xí)能力，并行推理能力，是構(gòu)造符號數(shù)值結(jié)合型智能控制系統(tǒng)的得力工具。