李志金 郑映烽

摘 要：针对船用核动力装置的运行特点，为辅助运行人员在线开展事故智能诊断分析，基于CLIPS工具进行事故诊断专家系统的开发研究。根据装置的事故特点及已有的研究成果，对事故类别进行归并，并梳理了事故诊断“专家知识”的获取途径，建立确定性知识、模糊性知识的数学表示方法；然后基于正向推理方法建立事故诊断的推理流程，给出专家系统的冲突消解策略，完成事故诊断推理机的设计。

关键词：核动力装置 事故诊断 专家系统 冲突消解 推理流程

中图分类号：TL364 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）08（c）-0019-03

与核电厂反应堆相比，船用核动力装置运行工况复杂多变，在装置出现异常状态时，更加依赖操纵员及时有效的干预。但这无疑将增加操纵人员的工作负担，导致人因失误概率提升[1]。因此，针对船用核动力装置，开发在线的事故诊断专家系统，对辅助运行人员及时确定事故类型、事故原因，给出事故对策，确保反应堆的运行安全都a具有重要的意义[2]。该文在系统对比各种专家系统工具的基础[3-4]上，选择专家系统工具CLIPS作为基本平台，开发完成船用核动力装置事故诊断专家系统。

1 专家系统工具CLIPS概述

CLIPS是一种多范例编程语言，它支持基于规则的、面向对象和面向过程的编程，属于开源程序[5]。该文主要是运用CLIPS中基于规则的专家系统部分，它的基本组成：（1）事实表：包含事故诊断推理所需的数据；（2）知识库：包括所有的事故判断规则；（3）推理机：对诊断过程进行总体控制。基于CLIPS专家系统其采用的是正向推理方法，其结构组成主要有产生式规则库、工作存储器、模式匹配器、冲突消解器和解释机等部分构成，如图1所示。其中产生式规则库中的规则在CLIPS语言中由规则左件（LHS）和规则右件组成；工作存储器主要是用于存储事实列表，其中包括专家经验知识和大量的运行数据信息；模式匹配器是规则左件与工作存储器中事实进行匹配的场所；冲突消解器是处理模式匹配过程中规则之间的冲突，本专家系统主要利用优先级的控制策略来处理冲突消解这一问题；解释器主要给出系统模式匹配的故障结果、推理的解释及故障的处置措施。

CLIPS具有良好的兼容性、集成性和知识表示的多样性，同时运行效率高，经济可靠，目前已经广泛应用于计算机、化学、医学、地质学等各个领域。

2 船用核动力装置事故知识的获取和表示

船用核动力装置事故诊断专家系统是运用特定的知识表示方法将核动力系统这一领域内的专家经验知识按照一定的形式输入到计算机中，使得该计算机能够模拟专家进行推理诊断，找到故障原因。由于船用核动力装置系统复杂，运行工况多变，事故知识多样化。为准确描述事故信息，便于事故的准确诊断，该文对事故进行了分类，并系统研究了知识的获取和表示方法。

2.1 事故分类及知识获取

借鉴核动力装置安全分析報告、事故处置规程的研究成果和事故的特点规律，从事故诊断专家系统设计的需求出发，将核动力装置典型事故分为8类，主要包括：二回路系统排热增加、二回路系统排热减少，主回路流量丧失事故，一回路系统中小破口失水事故，一回路系统冷却剂装量增加事故，蒸汽发生器传热管破损事故，未能紧急停堆的预期瞬变事故，放射性屏障失效事故，专设安全系统冗余能力下降事故。在事故分类基础上，研究确定事故诊断信息，即事故知识的获取方法。

所谓的“知识获取”实质上是指从专家或其他专门知识来获得知识并向知识型系统转移的技术。知识获取的基本任务：（1）提炼经验知识，对知识进行理解、选择、分类和组织，最后形成知识库；（2）从已有的知识中产生新的知识；（3）检查知识的完备性、一致性和冗余性，这是对获取的知识检测最重要的环节，也体现了专家系统知识库的灵活性和强大的生命力。

知识获取是事故诊断专家系统的重要环节，同样也是构建专家系统的难点。目前专家系统知识获取方法从知识来源看，主要途径有以下几种：知识工程师以会谈的形式从专家那里获取知识，已有的研究成果中抽取知识，从实装事故运行数据中提取知识，从外部环境不断学习更新知识。一个成熟的知识库应该具备知识的获取和学习机制等能力，它们是保证专家系统的性能的重要因素。

2.2 确定性知识表示方法

针对核动力装置事故知识的多样性和复杂性，本专家系统对知识进行抽象合理的表达。目前专家系统的知识表示主流方法有以下几类：谓词逻辑表示法、产生式表示法、框架表示法、语义网络法。其中产生式系统简称产生式，它是构造知识型系统和建立认知模型时常用的知识表示的形式，是人工智能系统中最典型的结构之一。与其它常规程序不同之处在于产生式系统中规则的激活不在事前硬性规定，各个产生式之间不相互调用，关键看规则前件与数据库中相应数据是否匹配。产生式系统基本结构包括：（1）总数据库：它包含了与具体任务相关的信息；（2）一套规则：它是对数据库进行操作运算；（3）一个控制策略：它针对的是哪条规则复合条件并激活。产生式系统的优点是：（1）模块化：每个产生式系统是相互对立、互不相关的，所以可以较容易的对知识进行添加、修改和删除；（2）均匀性：每个产生式系统只是表示整体知识的一个部分，知识分布结构分布较细易于理解；（3）自然性：直观知识的表示非常自然。

基于产生式系统，确定性规则的基本形式可表示为：

上式表示的是单故障征兆对应的故障。

上式表示的是多个故障征兆对应的故障。

其中和表示的是产生式的前件部分，是判断规则是否被激活的前提条件。表示的是产生式的后件部分，是这一规则的结论或动作。当且仅当前件匹配成功时，规则的后件才能激活给出相应结论。

2.3 模糊性知识表示方法

知识的不确定性主要表现在两个方面：一方面是证据或者事实的不确定性；另一方面是规则的不确定性。故障征兆是判断故障的主要依据，同时也是专家系统中知识库的主要组成部分。故障征兆又称故障现象，在本系统中主要以两种形式存在：（1）以自然语言的形式存在，例如稳压器水位下降，蒸汽发生器二次侧压力等，这一类主要是通过总结前人及专家的经验得到的；（2）以数据形式存在，在使用数据前要先对数据进行滤波，降噪等处理，形成比较直观的征兆表达形式，而该类征兆在此处主要是通过模拟故障或舰艇实际运行数据来获取的。

由于核动力装置的复杂性使得其故障形成的原因和征兆的因果关系错综复杂，故障之间相互关联难以分离，征兆与故障之间难以建立明确的数学模型，只能用描述性的语言把一些设备的运行状态描绘出来，例如“压力快速升高”、“温度下降”等模糊性的语言。通过阅读大量文献及专家经验，针对上述对征兆的描述及特点可将其分为五个变化状态，即“快速升高”、“升高”、“正常”、“降低”、“快速降低”。这五种状态分别对应的五种特征值，即1.0，0.5，0，-0.5，-1.0。

为了使知识的表示更为准确，采用模糊数学中求隶属度的方式，从实际情况出发，并根据专家经验找出满足条件的隶属函数，本系统采用的隶属函数算法如式（1）所示。

（1）

式中，为参數正常值；为参数变化的最小限值；为参数变化的最大限值。

征兆模糊隶属度函数的模糊语言描述，利用下式进行计算。

（2）

表达式（2）中，

是人为确认的系统默认阈值，这样由式（1）、式（2）可得到不同程度描述的数学特征值。

3 核动力装置事故诊断推理机的设计

上述知识表示方法可将得到的故障征兆转化为计算机可识别的形式，但还需要按一定的策略进行推理得到相应的诊断结论，推理即是由一个或多个已知事实推导出未知结论的过程。推理机在专家系统中具有核心地位，该文推理机设计考虑了推理方法和推理策略两个方面。

3.1 推理方法研究

该文所设计的专家系统是由故障征兆得到故障类型，采用的是正向推理策略，其推理流程包括：（1）判断数据库中已有事实能否得到诊断结论；（2）如果不能得出结论，则将综合数据库中的事实与规则前件相匹配，将匹配成功的规则加入到规则集；（3）在按冲突消解的策略选出一条合适的规则，执行规则得到结论事实，并把结论加入到数据库中。正向推理流程示意如图2所示。

3.2 冲突消解策略

在专家系统中推理机通过设定的特权值将激活的规则进行分类，这过程称为冲突消解。冲突消解是决定下一个触发规则的冲突，CLIPS按照议程中所给定的权限值（salience）来确定哪条规则被激活，一般规则被激活是按照由大到小的顺序，salience的值设置范围为（-10000，+10000），默认特权为0。CLIPS具有7种不同的冲突消解策略，它们分别为深度优先策略（depth）、广度优先策略（breadth）、LEX策略、MEA策略、complexity策略、simplicity策略和随机策略（random）。这7类冲突消解策略各有各的优点，只是每一种冲突消除策略在针对不同的软件程序时适用程度有所区别。

深度优先策略（depth strategy）是CLIPS标准默认策略（default strategy）。它是类似于故障树的推理策略，其搜索的起始点为顶层节点，由顶层节点向第二层某一子节点进行搜索，再由该子节点向其下一级的节点搜索直到匹配到目标节点为止，如果未找到目标节点，则返回上一层节点重新搜索，重复上述步骤，直到找到相匹配的目标节点为止，具体流程如图3所示。

如图3所示，该模型搜索到目标节点后，即结束搜索，其搜索路径为：

路径1=> A —> B —> E —>J，经优化变为=>A —> B —> E —>J；

路径2=> A—> C—> F—>H —>K，经优化变为=>C—> F —> H —>K；

路径3=> A—> C—> F—>I—>L，经优化变为=>I—>L；

路径4=> A—> C—>G，经优化变为=>G；

路径5=>A—>D，经优化变为=>D。

经过优化后的搜索路径，在一定程度上减少了搜索时间，在搜索过程中忽略了已搜索过的节点直接进入该节点的另一未搜索的子节点中进行搜索，降低了搜索的复杂程度，提高了搜索效率。

3.3 推理流程

按照CLIPS的推理方式，专家系统的推理流程如图4所示，其过程可分为如下几个步骤：

（1）将初始事实表中事实按照规定的计算机的语言形式加载到综合数据库中；

（2）知识匹配，通过扫描知识库中的规则知识，将知识库中的所有知识的规则前件与综合知识库中的事实相互匹配；

（3）检查是否存在匹配的规则，如果存在匹配的规则时跳转到（4）继续进行推理，假如不存在匹配规则时，则结束推理；

（4）将匹配成功的规则放入到议程表中，然后对规则进行执行并得到新的事实，最后新的事实重新加载到综合知识库中；

（5）重复上述过程，直到议程表中激活的规则执行完毕。

在此基础上，利用CLIPS与VC++混合编程构建了船用核动力装置事故诊断专家系统，克服了CLIPS界面不友好和VC++诊断推理存在缺陷等问题[6-7]。在实验论证阶段以主系统破口、蒸汽发生器传热管破损及安全阀卡开等事故作为诊断实例，结果表明船用核动力事故诊断专家系统能快速诊断出这三类故障并给出相应的处理措施。

4 结语

该文针对舰船核动力装置的事故特点，结合已有的研究成果，对典型事故类别进行了归并，并研究提取了事故诊断知识，建立了知识表示方法，设计推理机，开发了相应的事故诊断专家系统。在船用核动力装置出现异常或事故瞬变时，可以辅助运行人员开展智能诊断，减少人员误操作，对提高核动力装置的运行安全性具有重要意义。

参考文献

[1] 周刚，苗海，张大发.船舶动力装置仪表与控制系统的故障诊断系统研究[J].海军工程大学学报，2002，14（5）：333-337.

[2] NASA.CLIPS Reference Manual Volume I Basic Programming Guide [M].Vesion6.24June 15th，2006.

[3] Nabeshima K，Suzudo T，Ohno T，et al.Nuclear Reactor Monitoring with the Combination of Neural Network and Expert System[J].Mathematics and Computers in Simulation，2002，60（3）：233-244.

[4] Liao S H.Expert system methodologies and applications-a decade review from 1995 to 2004[J].Expert Systems with Applications，2005，28（1）：93-103.

[5] 杨家涛.基于CLIPS的船舶机舱设备诊断专家系统研究[D].武汉：武汉理工大学，2012.

[6] 谢晓方，姜震.一种结合CLIPS和VC++开发专家系统的方法[J].计算机系统应用，2004（12）：61-63.

[7] 邓海平，何玉林，杜静，等.CLIPS嵌入VC++技术的实现与应用[J].计算机工程与应用，2009（15）：88-90，132.