第三章 系統(tǒng)的知識表示
知識是人類在實踐活動中所積累的認(rèn)識和經(jīng)驗的總和。一般情況下，一個領(lǐng)域內(nèi)的知識可分為兩大類：共性（pub1ic）知識和個性（PliVate）知識。共性知識包括領(lǐng)域內(nèi)與問題求解有關(guān)的定義、事實和各種理論方法，這種知識已被領(lǐng)域內(nèi)專業(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)計手冊、標(biāo)準(zhǔn)、教科書和參考書中。個性知識的大部分則是領(lǐng)域?qū)＜医?jīng)過長期的生產(chǎn)實踐獲取的啟發(fā)式知識，是在具備了大量的知識后的一種“猜想的藝術(shù)”，它是專家們在遇到復(fù)雜問題時能夠處理不完全、不精確的信息，消除矛盾，作出高水平的分析、猜測，從而獲得高水平解的一種能力。這種知識往往難于表達清楚，經(jīng)不起嚴(yán)格的理論論證。開采和重新組織這種知識是建立專家系統(tǒng)的中心任務(wù)。
總結(jié)起來，圓柱齒輪減速器設(shè)計專家系統(tǒng)所要處理的知識包括：
·計算型，例如各類強度計算公式；
·數(shù)表型，如各種標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)表；
·圖線型，如各類試驗圖表；
·經(jīng)驗型，如各類啟發(fā)式規(guī)則。
實際上，在設(shè)計過程中與某一設(shè)計任務(wù)相關(guān)的知識應(yīng)用時相互交叉，嚴(yán)格區(qū)別各種型式的知識并無實際意義。所以，圓柱齒輪減速器設(shè)計知識庫是各類知識的綜合，可表示為
其中，KB代表知識庫；F代表事實；R代表各類規(guī)則；D代表各類數(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。
知識表示是研究各種存儲知識的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計，以便使各種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)能夠方便、有效地存儲各種知識。知識表示可分兩步進行：首先是知識的形式化、符號化；其次選擇最佳的形式。由于圓柱齒轉(zhuǎn)減速器設(shè)計中知識的多樣性，因此，圓柱齒輪減速器設(shè)計專家系統(tǒng)中知識表達也不可能單一。對于知識形式化，一般由四方面因素：
·知識表達的層次；
·表達方式的模塊（擴展能力）和清晰性，
·表達方式的可理解性（自然性）和透明性；
·表達形式實現(xiàn)上的便利性。
為了適合不同形式知識表達的需要，目前AI學(xué)者已研制了許多知識表示方法，例如：
·邏輯表示法；
·過程表示法；
·語義網(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；
·不精確知識表示等。
在圓柱齒輪減速器設(shè)計專家系統(tǒng)中，采用的是多層次、多知識元的復(fù)合型的知識表達方式，其知識表達的類型如下。
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)則類別號，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)計中知識的多樣性，因而產(chǎn)生式的形式上也有許多種：
（1）事實規(guī)則：其規(guī)則的條件集和結(jié)論集均為斷言形式的事實，它通常用來表示設(shè)計常識、經(jīng)驗和設(shè)計中使用的啟發(fā)式知識。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)計中，往往會遇到這種情形，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，運行過程中，一旦（>number）取值X，則（<number）為X。
（5）默認(rèn)規(guī)則：這是一類比較特殊的規(guī)則。這一類規(guī)則完成這樣一些知識，即如果沒有更多的事實證明S不成立，S總是成立的。CGREST采用的思想為：設(shè)計過程的實現(xiàn)，實質(zhì)上是初始狀態(tài)向目標(biāo)狀態(tài)的一個轉(zhuǎn)化過程，初始條件除包含設(shè)計的已知條件，還包含未知的條件，例如下面的設(shè)計開始時的當(dāng)前信息庫（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，則推理機控制將默認(rèn)規(guī)則的前題部分從專家系統(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、進一步的操作等等。
關(guān)于規(guī)則選用時的沖突何題，見§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)計過程通過仔細(xì)的分析并進行歸納，則具有明顯的階段性，可表示為一系列的設(shè)計任務(wù)的鏈?zhǔn)叫蛄小Ｈ缭O(shè)計任務(wù)描述的輸入過程，原動機械的選擇和確定過程，傳動級數(shù)和傳動形式的選擇和確定過程。潤滑方式的選擇和確定過程，齒輪傳動參數(shù)和齒輪結(jié)構(gòu)的選擇和計算過程；……。其中每一個設(shè)計過程都將設(shè)計結(jié)果傳遞給后繼設(shè)計過程。對設(shè)計任務(wù)進行這樣的分階段描述，使整個設(shè)計過程和設(shè)計任務(wù)間的接口形式的描述大大的簡化了。與設(shè)計過程的分階段描述相對應(yīng)，對系統(tǒng)的產(chǎn)生式知識進行分類，將與一設(shè)計階段任務(wù)相關(guān)的產(chǎn)生式知識歸結(jié)在一起，形成對應(yīng)于該階段設(shè)計任務(wù)的產(chǎn)生式知識元。同時，對較通用的產(chǎn)生式知識形成通用規(guī)則知識元。在此基礎(chǔ)上，系統(tǒng)通過不同的設(shè)計階段調(diào)度相應(yīng)的知識元，并與通用知識元一起動態(tài)形成設(shè)計過程的產(chǎn)生式規(guī)則庫，從而，形成設(shè)計過程產(chǎn)生式知識的調(diào)用。這樣作具有：
①成功地實現(xiàn)CGREST的運行并使系統(tǒng)留有余地。圓柱齒輪減速器設(shè)計是一個復(fù)雜的過程。在設(shè)計過程中，所涉及的知識盒的總和，即使象APOLLO這樣具有大內(nèi)存的工作站，資源也會耗費貽盡。因此，設(shè)計任務(wù)必須分階段，設(shè)計知識也必須分類別。同時，這樣作的結(jié)果，也使得系統(tǒng)留有余地，以實現(xiàn)將來系統(tǒng)的擴充需要。
②規(guī)則的分類，可極大地提高專家系統(tǒng)的運行速度。專家系統(tǒng)在選用規(guī)則時，規(guī)則集進行遍歷，然后啟用可用規(guī)則。對規(guī)則進行分類，就是對規(guī)則的預(yù)篩選過程要對（這項工作很容易，只需將與設(shè)計任務(wù)相關(guān)的規(guī)則寫在一起即可），這將極大地提高專家系統(tǒng)的運行速度。
③知識分類便于管理并降低知識庫的維護成本。
3.2知識的框架表示
框架在1975年由M.Minsky提出，并在隨后的應(yīng)用中得到發(fā)展的一種知識表示方式。在機械設(shè)計過程中，當(dāng)分析和解釋新情況時，常常使用過去從經(jīng)臉中積累起來的知識。這些知識與特定的方式存儲在人腦中。設(shè)計某一零件時，自然會聯(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)組織去添寫新的數(shù)據(jù)，從而完成新的設(shè)計。這樣一種典型實體的通用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)一般就稱為一個框架（frame）。
一類實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，可以根據(jù)以往獲得的概念對這些數(shù)據(jù)進行分析和解釋。另外，這種框架結(jié)構(gòu)也提供了一個具體上下文對特定實體進行預(yù)見驅(qū)動的處理方式，在這個上下文環(huán)境下根據(jù)這種結(jié)構(gòu)可以尋找那些預(yù)見的信息。用框架表示的知識，本文稱為框架知識元。
本文使用的框架基本上可分為兩類：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)見的信息的位置稱為槽（slofs），進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框架名。本系統(tǒng)采用的的規(guī)格化框架，歸納起來，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)格化的框架表達形式在圓柱齒輪減速器設(shè)計中應(yīng)用非常廣泛，如圓柱齒輪減速器中主任務(wù)框架（表3-1 )，齒輪強度校核中使用的各類系數(shù)框架（表3-2）等均具有知識的規(guī)格化框架表達形式。
這類框架在圓柱齒輪減速器設(shè)計專家系統(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)。變體框架對同的知識的表達，其結(jié)構(gòu)形式有所變化。變體框架知識元用來表示各種數(shù)據(jù)、曲線參數(shù)、各類計算公式和零件結(jié)構(gòu)及零件參數(shù)的定義和描述等。這類變體框架除具有一般框架表示的優(yōu)點外，還具有：知對變體框架描述仍然沿用規(guī)枯化框架定義中的各類名稱。
圓柱齒輪減速器專家系統(tǒng)設(shè)計中，變體框架知識元應(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)計時采用的框架。表3-3是表3-4所表示的知識的再現(xiàn)。
這樣的變體框架知識元許多，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)驗計算公式
| 名稱 |
代號 |
尺寸計算經(jīng)驗公式 |
單級減速機體壁厚
單級減速器機蓋壁厚
二、三級減速器機體壁厚
二、三級減速器機蓋壁厚
…… |
6
61
6
61
…… |
6=0.025a+3≥8（軟齒面）
6=0.030a+3≥8（硬齒面）
（a——中心距）
61=0.020a+3≥8（軟齒面）
61=0.025a+3≥8（硬齒面）
6=0.025as+3≥8（軟齒面）
6=0.030as+3≥8（硬齒面）
（as——低速級中心距）
61=0.020a+3≥8（軟齒面）
61=0.025a+3≥8（硬齒面）
…… |
3.3數(shù)表、圖線知識的表示
1.數(shù)表：圓柱齒輪減速器設(shè)計中存在有許多數(shù)表。數(shù)表知識的計算機表達基本上可以分三類：
①產(chǎn)生式形式：對某些數(shù)表，如齒輪接觸強度效核時的載荷分布系數(shù)表可轉(zhuǎn)化為如下的產(chǎn)生式規(guī)則：
②框架形式：如齒輪強度校核中的各類系數(shù)轉(zhuǎn)化為框架形式（表3-2）。
③數(shù)表形式：如軸伸（減速器傳動軸伸出端）數(shù)據(jù)表：
數(shù)據(jù)表每一項的含義分別為軸伸直徑值，上、下公差值，軸伸的長度值（長、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)表寫作產(chǎn)生式規(guī)則或其它別的形式，多少有點牽強附會，不如以數(shù)表形式來得更加自然。事實上，數(shù)表也可認(rèn)為是一種無槽名的變體框架。
類似這種處理的方法，圓柱齒輪減速器設(shè)計專家系統(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、軸上各類數(shù)據(jù)（如倒角，過渡圓角）等等均采用這一處理方法。
2.圖線：在圓柱齒輪減速器的專家系統(tǒng)設(shè)計過程中，不可避免地要使用經(jīng)驗圖表、圖線知識。對這些知識的處理，本文采用的方法有兩種：圖表知識公式化和數(shù)據(jù)化。
（1）圖表知識的公式化：如專家推薦的齒輪傳動設(shè)計中簡化的變位系數(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）圖表知識的數(shù)據(jù)化：圖表知識的數(shù)據(jù)化過程是首先將圖表進行離散處理，然后，再對離散數(shù)據(jù)按數(shù)表型知識進行處理。表3-2是齒輪強度校核中的各類圖表系數(shù)數(shù)據(jù)化后用框架形式表達的知識。其中，有潤滑劑（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 知識的過程表示
以上所討論的知識表達的各種方式均是建立在一定格式的基礎(chǔ)上的，可以說是知識的描述性（declarative）表達方式。這類知識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，因此對于某些功能，如回溯、反復(fù)的校核計算等這樣一類操作，不如用語言編寫知識過程來得方便。用語言形式直接編寫知識過程，便有了圓柱齒輪減速器設(shè)計知識的過程表示�？驁D3-l是齒輪強度計算、校核的過程框圖，這樣一個過程需要多次重復(fù)的計算。使用過程表示可使求解過程按照嵌入的程序次序進行調(diào)用，它們不需要和選擇那些不相關(guān)的知識，也不需要那些不自然的推理路徑。同時，還能夠把領(lǐng)域特有的，導(dǎo)致更為直接推理過程的啟發(fā)性知識結(jié)合到設(shè)計過程中去，因而能夠大幅度地提高運行效率。
在LlSP語言中，過程表示用函數(shù)表達，表3-5是圖3-l所示的齒輪強度計算和校核知識的過程表示的形式。
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