焊接过程中的专家控制原理

2023-06-26 理论教育版权反馈

【摘要】：专家系统由知识库﹑推理机﹑数据库和人机接口组成。其中知识库、上下文和推理机是目前大多数专家系统的主要内容，知识获取机制、解释机制和专门的人机接口是所有专家系统都期望有的三个模块，但它们并不是都得到了实现，简单的专家系统不一定具备这三个模块。

专家系统由知识库﹑推理机﹑数据库和人机接口组成。它用一种比较理想的方式来封装从领域专家处获取的知识，建成知识库，对知识库的操作不同于传统的预先定义好的操作方式，每次运行时都各不相同，这取决于推理机的构造。焊接专家系统近年来在国内外有很大的发展，主要集中在焊接工艺﹑焊接方法选择﹑焊接结构安全评定等方面。另外，还有焊接变压器设计专家系统和铸铁焊接专家系统等。这些专家系统可以根据完成的焊接工艺评定报告（PQR）制定焊接工艺说明书（WPS），并可以从相关的知识和实例中进行推理来提取出相应的WPS报告；还能进行焊接接头组织性能预测、焊接缺陷的诊断等。

专家系统作为人工智能领域的一个重要分支，近年来发展迅速。计算机可以把大量的数据和资料加以整理和归纳形成数据库，同时将有关各方面专家的知识和经验集中起来形成若干规则，经过编写的推理机构软件连接起来，从而就能使使用者像有经验的专家，甚至像一群专家的集体对涉及的问题进行判断，并作出决定。计算机软件的迅速发展，在焊接技术领域中的各种实用专家系统，近几年来在发达国家已开始相当规模地应用于生产。

1.专家系统的组成

一个完整的专家系统通常由六部分组成（见图5-1-31），分别为知识库、上下文（又称为全局数据库）、推理机、知识获取机制、解释机制和人机接口。其中知识库、上下文和推理机是目前大多数专家系统（或其他知识库系统）的主要内容，知识获取机制、解释机制和专门的人机接口是所有专家系统都期望有的三个模块，但它们并不是都得到了实现，简单的专家系统不一定具备这三个模块。

（1）知识库（Knowledgebase）用以按特定规律存放领域专家（即有关专业的专家）提供的专门知识。

（2）上下文（Context，又称全局数据库）反映具体问题在当前系统运行（求解）状态下的符号或事实的集合，它由问题的有关初始数据和系统运行（求解）期间所产生的所有中间信息组成。

（3）推理机（Inference engine）在一定的控制策略下针对上下文中的当前问题信息，识别和选取知识库中对当前问题的可用知识进行推理，以修改上下文直至最终得出求解结果。

（4）知识获取机制（Knowledgeacquisition）实现专家系统的自学习。

（5）解释机制（Clarificaton）解释专家系统向用户提供的结论，回答用户对系统的提问。

（6）人机接口（Userinterface）将专家和用户的输入信息翻译成系统可接受的内部形式，同时将专家系统输出的信息转换成人类易于理解的形式，如文字形式或图形、表格等形式。

图5-1-31 专家系统的组成

2.建立专家系统的步骤

要建立一个专家系统，通常由知识工程师来完成，其最主要的工作是要通过和领域专家的一系列讨论，获取该领域专门问题的专业知识，再进一步概括，形成概念并建立起各种关系。接着就是把这些知识形式化，用合适的计算机语言实现知识组织和求解问题的推理机制，建成原型系统。最后通过测试评价，在此基础上进行改进以获得预期的效果。这一过程可用下面五个具体阶段加以表示。实际上建造专家系统是一个递归开发的过程，经过五个阶段的初步设计和实现评价之后得到的原型系统，要进一步改进，逐步地向纵深方向生长和完善。

1）认识阶段：知识工程师要和领域的专家一起交换意见，探讨对所考虑问题的认识，其目的是了解表述问题的特征及其知识结构，以便进行知识库的开发工作，因为专家系统的推理机构和知识库的结构都和专家系统所能解决的问题的知识结构有密切的关系。

2）概念化阶段：要使认识阶段提出的一些概念和关系变得更明确，所形成的概念必须和问题求解过程的思路一致。

3）形式化阶段：把上一阶段孤立处理的概念、子问题及信息流特征等，用某种知识工程的工具将其形式化。这一阶段主要是建立模型，解决知识表示方法和求解方法的问题，是建造专家系统过程中最关键和最困难的阶段。

4）实现阶段：把建立的模型映射到具体领域中去，建成原型系统。

5）测试阶段：对原型系统及对实现系统时所使用的表示形式作出评价。

建立专家系统是一个递归开发过程，原型系统总是要根据测试情况的反馈信息进行修改，修改的内容包括重新建立概念，重新设计表示格式或者重新改进已实现的系统，但多数是不断补充推理机构和知识库的内容。总之是要通过实现、测试和反馈的多次循环，不断调整规则及控制结构，直到获得所希望的性能为止。如果这时推理部分已经正常，而性能尚未稳定，则必须考虑修改知识库，重新设计表示格式，也是要经过多次循环，改到满意为止。

在焊接领域中应用的专家系统有咨询型、预测型、诊断型、设计型、监视型和控制型等若干个类型的专家系统。

1）咨询型专家系统主要用于对焊接工程中的某些专门问题进行咨询，回答用户提出的焊接技术问题。向用户提供焊接工程所需的材料、成本、及完成工期的核算，作为焊接工程投标的预算。

2）预测型专家系统是根据过去和现在得出的模型来推断将来可能发生或出现的情况。例如用来预测焊接产品的市场情况以制订生产计划、确定生产过程，预测在某种生产工艺条件下焊接构件的残余应力分布与变形，预测用某种焊接参数焊接后接头的性能等。

3）诊断型专家系统是根据所获得的数据和事实来推断一个对象（设备或焊接构件）的功能故障或工作寿命，如焊接机器人故障诊断系统，TIG焊机故障诊断系统，由无损检测、材料性能分析、应力分析等组成的焊接结构断裂安全评定专家系统，桥梁疲劳诊断专家系统等。

焊接过程中的专家控制原理

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