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第三章 系統(tǒng)的知識(shí)表示
知識(shí)是人類(lèi)在實(shí)踐活動(dòng)中所積累的認(rèn)識(shí)和經(jīng)驗(yàn)的總和。一般情況下，一個(gè)領(lǐng)域內(nèi)的知識(shí)可分為兩大類(lèi)：共性（pub1ic）知識(shí)和個(gè)性（PliVate）知識(shí)。共性知識(shí)包括領(lǐng)域內(nèi)與問(wèn)題求解有關(guān)的定義、事實(shí)和各種理論方法，這種知識(shí)已被領(lǐng)域內(nèi)專(zhuān)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(shè)計(jì)手冊(cè)、標(biāo)準(zhǔn)、教科書(shū)和參考書(shū)中。個(gè)性知識(shí)的大部分則是領(lǐng)域?qū)＜医?jīng)過(guò)長(zhǎng)期的生產(chǎn)實(shí)踐獲取的啟發(fā)式知識(shí)，是在具備了大量的知識(shí)后的一種“猜想的藝術(shù)”，它是專(zhuān)家們?cè)谟龅綇?fù)雜問(wèn)題時(shí)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(cè)，從而獲得高水平解的一種能力。這種知識(shí)往往難于表達(dá)清楚，經(jīng)不起嚴(yán)格的理論論證。開(kāi)采和重新組織這種知識(shí)是建立專(zhuān)家系統(tǒng)的中心任務(wù)。

總結(jié)起來(lái)，圓柱齒輪減速器設(shè)計(jì)專(zhuān)家系統(tǒng)所要處理的知識(shí)包括：
·計(jì)算型，例如各類(lèi)強(qiáng)度計(jì)算公式；
·數(shù)表型，如各種標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)表；
·圖線型，如各類(lèi)試驗(yàn)圖表；
·經(jīng)驗(yàn)型，如各類(lèi)啟發(fā)式規(guī)則。

實(shí)際上，在設(shè)計(jì)過(guò)程中與某一設(shè)計(jì)任務(wù)相關(guān)的知識(shí)應(yīng)用時(shí)相互交叉，嚴(yán)格區(qū)別各種型式的知識(shí)并無(wú)實(shí)際意義。所以，圓柱齒輪減速器設(shè)計(jì)知識(shí)庫(kù)是各類(lèi)知識(shí)的綜合，可表示為

其中，KB代表知識(shí)庫(kù)；F代表事實(shí)；R代表各類(lèi)規(guī)則；D代表各類(lèi)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(guān)聯(lián)的某些操作。
知識(shí)表示是研究各種存儲(chǔ)知識(shí)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以便使各種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)能夠方便、有效地存儲(chǔ)各種知識(shí)。知識(shí)表示可分兩步進(jìn)行：首先是知識(shí)的形式化、符號(hào)化；其次選擇最佳的形式。由于圓柱齒轉(zhuǎn)減速器設(shè)計(jì)中知識(shí)的多樣性，因此，圓柱齒輪減速器設(shè)計(jì)專(zhuān)家系統(tǒng)中知識(shí)表達(dá)也不可能單一。對(duì)于知識(shí)形式化，一般由四方面因素：
·知識(shí)表達(dá)的層次；
·表達(dá)方式的模塊（擴(kuò)展能力）和清晰性，
·表達(dá)方式的可理解性（自然性）和透明性；
·表達(dá)形式實(shí)現(xiàn)上的便利性。
為了適合不同形式知識(shí)表達(dá)的需要，目前AI學(xué)者已研制了許多知識(shí)表示方法，例如：
·邏輯表示法；
·過(guò)程表示法；
·語(yǔ)義網(wǎng)表示法；
·產(chǎn)生式表示法；
·框架表示法；
·判定表技術(shù)；
·功能表示法；
·不精確知識(shí)表示等。
在圓柱齒輪減速器設(shè)計(jì)專(zhuān)家系統(tǒng)中，采用的是多層次、多知識(shí)元的復(fù)合型的知識(shí)表達(dá)方式，其知識(shí)表達(dá)的類(lèi)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(jié)論（codclusion）成立￤某操作（action）可取”的語(yǔ)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(lèi)別號(hào)，condition(s）為條件集(前題部分）,conclusion(s）為決策集（結(jié)論部分）。由于減速器設(shè)計(jì)中知識(shí)的多樣性，因而產(chǎn)生式的形式上也有許多種：
（1）事實(shí)規(guī)則：其規(guī)則的條件集和結(jié)論集均為斷言形式的事實(shí)，它通常用來(lái)表示設(shè)計(jì)常識(shí)、經(jīng)驗(yàn)和設(shè)計(jì)中使用的啟發(fā)式知識(shí)。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(jì)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(shè)計(jì)中，往往會(huì)遇到這種情形，即規(guī)則的條件和（或）結(jié)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(shè)置了變量規(guī)則，運(yùn)行過(guò)程中，一旦（>number）取值X，則（<number）為X。
（5）默認(rèn)規(guī)則：這是一類(lèi)比較特殊的規(guī)則。這一類(lèi)規(guī)則完成這樣一些知識(shí)，即如果沒(méi)有更多的事實(shí)證明S不成立，S總是成立的。CGREST采用的思想為：設(shè)計(jì)過(guò)程的實(shí)現(xiàn)，實(shí)質(zhì)上是初始狀態(tài)向目標(biāo)狀態(tài)的一個(gè)轉(zhuǎn)化過(guò)程，初始條件除包含設(shè)計(jì)的已知條件，還包含未知的條件，例如下面的設(shè)計(jì)開(kāi)始時(shí)的當(dāng)前信息庫(kù)（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(shí)現(xiàn)獄認(rèn)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(rèn)規(guī)則啟用，則推理機(jī)控制將默認(rèn)規(guī)則的前題部分從專(zhuān)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(jié)論部分還有許多其它形式，如可以是某些函數(shù)，結(jié)論部分可以是所要起用的文件名、數(shù)表名、進(jìn)一步的操作等等。
關(guān)于規(guī)則選用時(shí)的沖突何題，見(jiàn)§5.4。

2.系統(tǒng)規(guī)則的組織與調(diào)度

圓柱齒輪減速器的設(shè)計(jì)過(guò)程通過(guò)仔細(xì)的分析并進(jìn)行歸納，則具有明顯的階段性，可表示為一系列的設(shè)計(jì)任務(wù)的鏈?zhǔn)叫蛄�。如設(shè)計(jì)任務(wù)描述的輸入過(guò)程，原動(dòng)機(jī)械的選擇和確定過(guò)程，傳動(dòng)級(jí)數(shù)和傳動(dòng)形式的選擇和確定過(guò)程。潤(rùn)滑方式的選擇和確定過(guò)程，齒輪傳動(dòng)參數(shù)和齒輪結(jié)構(gòu)的選擇和計(jì)算過(guò)程；……。其中每一個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程都將設(shè)計(jì)結(jié)果傳遞給后繼設(shè)計(jì)過(guò)程。對(duì)設(shè)計(jì)任務(wù)進(jìn)行這樣的分階段描述，使整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程和設(shè)計(jì)任務(wù)間的接口形式的描述大大的簡(jiǎn)化了。與設(shè)計(jì)過(guò)程的分階段描述相對(duì)應(yīng)，對(duì)系統(tǒng)的產(chǎn)生式知識(shí)進(jìn)行分類(lèi)，將與一設(shè)計(jì)階段任務(wù)相關(guān)的產(chǎn)生式知識(shí)歸結(jié)在一起，形成對(duì)應(yīng)于該階段設(shè)計(jì)任務(wù)的產(chǎn)生式知識(shí)元。同時(shí)，對(duì)較通用的產(chǎn)生式知識(shí)形成通用規(guī)則知識(shí)元。在此基礎(chǔ)上，系統(tǒng)通過(guò)不同的設(shè)計(jì)階段調(diào)度相應(yīng)的知識(shí)元，并與通用知識(shí)元一起動(dòng)態(tài)形成設(shè)計(jì)過(guò)程的產(chǎn)生式規(guī)則庫(kù)，從而，形成設(shè)計(jì)過(guò)程產(chǎn)生式知識(shí)的調(diào)用。這樣作具有：
①成功地實(shí)現(xiàn)CGREST的運(yùn)行并使系統(tǒng)留有余地。圓柱齒輪減速器設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，所涉及的知識(shí)盒的總和，即使象APOLLO這樣具有大內(nèi)存的工作站，資源也會(huì)耗費(fèi)貽盡。因此，設(shè)計(jì)任務(wù)必須分階段，設(shè)計(jì)知識(shí)也必須分類(lèi)別。同時(shí)，這樣作的結(jié)果，也使得系統(tǒng)留有余地，以實(shí)現(xiàn)將來(lái)系統(tǒng)的擴(kuò)充需要。
②規(guī)則的分類(lèi)，可極大地提高專(zhuān)家系統(tǒng)的運(yùn)行速度。專(zhuān)家系統(tǒng)在選用規(guī)則時(shí)，規(guī)則集進(jìn)行遍歷，然后啟用可用規(guī)則。對(duì)規(guī)則進(jìn)行分類(lèi)，就是對(duì)規(guī)則的預(yù)篩選過(guò)程要對(duì)（這項(xiàng)工作很容易，只需將與設(shè)計(jì)任務(wù)相關(guān)的規(guī)則寫(xiě)在一起即可），這將極大地提高專(zhuān)家系統(tǒng)的運(yùn)行速度。
③知識(shí)分類(lèi)便于管理并降低知識(shí)庫(kù)的維護(hù)成本。
3.2知識(shí)的框架表示
框架在1975年由M.Minsky提出，并在隨后的應(yīng)用中得到發(fā)展的一種知識(shí)表示方式。在機(jī)械設(shè)計(jì)過(guò)程中，當(dāng)分析和解釋新情況時(shí)，常常使用過(guò)去從經(jīng)臉中積累起來(lái)的知識(shí)。這些知識(shí)與特定的方式存儲(chǔ)在人腦中。設(shè)計(jì)某一零件時(shí)，自然會(huì)聯(lián)想到與該零件有關(guān)的一系列參數(shù)，并按相應(yīng)的結(jié)構(gòu)組織去添寫(xiě)新的數(shù)據(jù)，從而完成新的設(shè)計(jì)。這樣一種典型實(shí)體的通用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)一般就稱(chēng)為一個(gè)框架（frame）。

一類(lèi)實(shí)體的框架提供了一種結(jié)構(gòu)，在這種結(jié)構(gòu)中填入有關(guān)新情況的數(shù)據(jù)時(shí)，可以根據(jù)以往獲得的概念對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和解釋。另外，這種框架結(jié)構(gòu)也提供了一個(gè)具體上下文對(duì)特定實(shí)體進(jìn)行預(yù)見(jiàn)驅(qū)動(dòng)的處理方式，在這個(gè)上下文環(huán)境下根據(jù)這種結(jié)構(gòu)可以尋找那些預(yù)見(jiàn)的信息。用框架表示的知識(shí)，本文稱(chēng)為框架知識(shí)元。
本文使用的框架基本上可分為兩類(lèi)：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(yù)見(jiàn)的信息的位置稱(chēng)為槽（slofs），進(jìn)一步描述的特性用側(cè)面（facets）表示�？蚣苁且环N嵌套結(jié)構(gòu)，即槽名也可以是另外一個(gè)框架名。本系統(tǒng)采用的的規(guī)格化框架，歸納起來(lái)，具有如下結(jié)構(gòu)（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(dá)形式在圓柱齒輪減速器設(shè)計(jì)中應(yīng)用非常廣泛，如圓柱齒輪減速器中主任務(wù)框架（表3-1 )，齒輪強(qiáng)度校核中使用的各類(lèi)系數(shù)框架（表3-2）等均具有知識(shí)的規(guī)格化框架表達(dá)形式。

這類(lèi)框架在圓柱齒輪減速器設(shè)計(jì)專(zhuān)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(jié)構(gòu)形式的一種變化結(jié)構(gòu)。變體框架對(duì)同的知識(shí)的表達(dá)，其結(jié)構(gòu)形式有所變化。變體框架知識(shí)元用來(lái)表示各種數(shù)據(jù)、曲線參數(shù)、各類(lèi)計(jì)算公式和零件結(jié)構(gòu)及零件參數(shù)的定義和描述等。這類(lèi)變體框架除具有一般框架表示的優(yōu)點(diǎn)外，還具有：知對(duì)變體框架描述仍然沿用規(guī)枯化框架定義中的各類(lèi)名稱(chēng)。

圓柱齒輪減速器專(zhuān)家系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，變體框架知識(shí)元應(yīng)用的非常廣泛，表3-3是圓柱齒輪減速器箱體結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)采用的框架。表3-3是表3-4所表示的知識(shí)的再現(xiàn)。

這樣的變體框架知識(shí)元許多，論文的后幾章還要作介紹。

表3-4 箱體主要結(jié)構(gòu)尺寸經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式

3.3數(shù)表、圖線知識(shí)的表示

1.數(shù)表：圓柱齒輪減速器設(shè)計(jì)中存在有許多數(shù)表。數(shù)表知識(shí)的計(jì)算機(jī)表達(dá)基本上可以分三類(lèi)：

①產(chǎn)生式形式：對(duì)某些數(shù)表，如齒輪接觸強(qiáng)度效核時(shí)的載荷分布系數(shù)表可轉(zhuǎn)化為如下的產(chǎn)生式規(guī)則：

②框架形式：如齒輪強(qiáng)度校核中的各類(lèi)系數(shù)轉(zhuǎn)化為框架形式（表3-2）。

③數(shù)表形式：如軸伸（減速器傳動(dòng)軸伸出端）數(shù)據(jù)表：

數(shù)據(jù)表每一項(xiàng)的含義分別為軸伸直徑值，上、下公差值，軸伸的長(zhǎng)度值（長(zhǎng)、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(xiě)作產(chǎn)生式規(guī)則或其它別的形式，多少有點(diǎn)牽強(qiáng)附會(huì)，不如以數(shù)表形式來(lái)得更加自然。事實(shí)上，數(shù)表也可認(rèn)為是一種無(wú)槽名的變體框架。
類(lèi)似這種處理的方法，圓柱齒輪減速器設(shè)計(jì)專(zhuān)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(lèi)數(shù)據(jù)（如倒角，過(guò)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(zhuān)家系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，不可避免地要使用經(jīng)驗(yàn)圖表、圖線知識(shí)。對(duì)這些知識(shí)的處理，本文采用的方法有兩種：圖表知識(shí)公式化和數(shù)據(jù)化。
（1）圖表知識(shí)的公式化：如專(zhuān)家推薦的齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)中簡(jiǎn)化的變位系數(shù)的分配公式：

當(dāng)∑x<0.6，且z1≤20，則xl=0.7×∑x,x2=0.3×∑x；
當(dāng)∑x<0.6，且z1>20，則xl=0.65×∑x,x2=0.35×∑x；
當(dāng)∑x=0.6～1.0，則xl=0.5,x2=∑x-0.5,
當(dāng)∑x=1.0～1.2，則xl=x2=∑x/2 。

（2）圖表知識(shí)的數(shù)據(jù)化：圖表知識(shí)的數(shù)據(jù)化過(guò)程是首先將圖表進(jìn)行離散處理，然后，再對(duì)離散數(shù)據(jù)按數(shù)表型知識(shí)進(jìn)行處理。表3-2是齒輪強(qiáng)度校核中的各類(lèi)圖表系數(shù)數(shù)據(jù)化后用框架形式表達(dá)的知識(shí)。其中，有潤(rùn)滑劑（lubricator）系數(shù)KL，粗糙度（roughness）系數(shù)orderl （淬火齒面）、order2（調(diào)質(zhì)齒面），……。
3.4 知識(shí)的過(guò)程表示
以上所討論的知識(shí)表達(dá)的各種方式均是建立在一定格式的基礎(chǔ)上的，可以說(shuō)是知識(shí)的描述性（declarative）表達(dá)方式。這類(lèi)知識(shí)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(duì)于某些功能，如回溯、反復(fù)的校核計(jì)算等這樣一類(lèi)操作，不如用語(yǔ)言編寫(xiě)知識(shí)過(guò)程來(lái)得方便。用語(yǔ)言形式直接編寫(xiě)知識(shí)過(guò)程，便有了圓柱齒輪減速器設(shè)計(jì)知識(shí)的過(guò)程表示。框圖3-l是齒輪強(qiáng)度計(jì)算、校核的過(guò)程框圖，這樣一個(gè)過(guò)程需要多次重復(fù)的計(jì)算。使用過(guò)程表示可使求解過(guò)程按照嵌入的程序次序進(jìn)行調(diào)用，它們不需要和選擇那些不相關(guān)的知識(shí)，也不需要那些不自然的推理路徑。同時(shí)，還能夠把領(lǐng)域特有的，導(dǎo)致更為直接推理過(guò)程的啟發(fā)性知識(shí)結(jié)合到設(shè)計(jì)過(guò)程中去，因而能夠大幅度地提高運(yùn)行效率。

在LlSP語(yǔ)言中，過(guò)程表示用函數(shù)表達(dá)，表3-5是圖3-l所示的齒輪強(qiáng)度計(jì)算和校核知識(shí)的過(guò)程表示的形式。

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