基于案例推理的汽车维修专家系统.pdf

!#$!$基于案例推理的汽车维修专家系统!张代胜陈朝阳张树强周卫兵任佩红（合肥工业大学，合肥!#%&）摘要 依据汽车维修行业领域的专家知识和实践经验，综合运用案例推理、模糊推理和缺省推理等方法，对汽车维修中的多种故障采取原因和症状相结合的维修思路进行推理机制的设置，建立基于案例推理、模糊推理和缺省推理相结合的、能迅速确定汽车维修方案的推理模型，建立了某企业汽车维修系统的原型系统。叙词：案例推理，汽车维修，专家系统()*+,(-.*/0(/./+(1 2 3(4 0 5 6 7 0(89.7(:;/!#$%&#()$%，*)$!#+,#$%，!#$%-./#$%，!+.0)1$%23)$4)+$%!#$%&$()$*+,#-./&0,0 1+，!#$!#%&5 1(6 7#8 6?+;4:*/0;(2 3(4 0 7/;A,(:(./:(2 3(4*(/+(，0)(3.3(4.:;3 0 7 0)(8(0);:7;B+.7(C D.7(:4(.7;/*/，B E F F 6 4(.7;/*/./:(B.E,0 4(.7;/*/0;8.(E 3.4(.7;/*/8(+)./*7 8 G H)(/，.8;:(,+;8 D*/*/.D;I(C 8(/0*;/(:0)4(4(.7;/*/7+)(8(7*7 7(0 E 3，A)*+)+./A;4;E 0 I()*+,(8.*/0(/./+(3,./4.3*:,6 G J*/.,6.3 4;0;0 6 3(;B I()*+,(8.*/0(/./+(7 6 7 0(8*7(7 0.D,*7)(:B;4./(/0(4 3 4*7(G9),:+7;(：*#()?#$6)$#$8)，A B)7 6(,(6)?!安徽省重大科技专项（$!&）资助。原稿收到日期为!年&月$%日，修改稿收到日期为!年$!月!#日。$前言汽车维修诊断是汽车售后系统的重要组成部分。汽车一旦出现故障，需要及时给出排除故障的有效措施，否则会影响汽车运行效率，甚至危及驾驶员和乘客的生命安全。故障成因排除是一个较彻底的故障排除方法$，但有时无法在非常短的时间内获得可信度较高的诊断结果（如缺乏某些重要的参数），并且故障症状同故障原因存在较强的因果关系时，借鉴成功案例进行故障症状排除是行之有效的方法!。案例推理#、K是由5 6+.4.提出的，其基本思想是把案例中的各种隐含的指导思想抽取出来，用一些可量化的方式表示，形成知识库（思想库）。知识库与案例库之间的关系为：案例库是思想库的依托，思想库抽取于案例库L。在分析研究了汽车维修专家处理汽车故障的过程后，文中提出了基于案例推理的汽车维修方案生成系统。该系统综合集成应用了案例推理、模糊推理%、缺省推理M、N等人工智能方法。!汽车故障诊断过程分析汽车故障诊断决策过程就是建立故障症状到诊断方案的映射关系。故障原因诊断方法是先建立故障症状到故障原因的映射关系，然后再建立从故障原因到维修方案的映射关系。但在一些情况下，特别是故障原因诊断方法推导出的结论不可靠（可信度小于某阈值）时，采用直接针对故障症状诊断方法的排除手段特别有效。根据对某汽车维修厂的长期调研，发现就常见的故障症状而言，其处理方法有很大的相似性即排除措施与故障症状表现为较强的独立性。比如汽车悬架弹簧断裂，不论是因超载还是弹簧质量差等其它原因引起的，都要采取更换悬架弹簧的措施。这时不需要对其确诊，而是建立在汽车故障症状基础上，给出初步维修方案。该方法是直接建立故障症状到维修方案的映射 推理模汽车工程!#年（第!L卷）第L期 万方数据型，这样做的好处是需要的信息较少。尤其对一些影响汽车运行能力的症状，针对症状到维修的效率较为显著。当然这是建立在对维修知识进行归纳的基础之上。图!综合规则!、规则集的映射关系图综合规则集#的映射关系针对上述诊断过程，采用故障原因和故障症状相结合的维修方法设计推理机制，给出知识库三个规则集：!根据故障症状诊断故障原因；根据故障原因给出故障排除方案；#根据故障症状给出故障排除方案。其中规则集!、规则集是一种推理方法，映射关系如图!。规则集#是一种推理方法，映射关系如图。图中跨在线上的弧线表示条件的与关系，条件间的或关系通过多个弧线的组合表示。然而规则推理所需的时间需要花费用户较长的等待时间，因此，在规则推理的基础上建立案例推理系统。维修方案的生成，首先由案例推理系统中检索，如案例匹配成功，则根据案例推理的规则优化生成维修方案；其次通过第一规则集诊断故障原因，如可信度高于某阈值，则根据第二规则集推理的结果给出故障排除方案；否则，根据故障症状应用第三规则集生成故障处理方案。#汽车维修专家系统的框架结构设计基于案例推理的汽车维修专家系统的指导思想是通过搜索相似案例，根据规则调整相应的维修措施，来生成新的故障排除方案。对于案例匹配不成功的故障，则应用规则集生成维修方案。这样当有案例在库时，可以大大提高诊断方案的生成速度。若没有已存案例的情况，生成新的方案，也不会多费太多时间，只是多了案例的匹配的时间。以此换得的是在案例库有新的类似案例。且随着案例库中案例不断扩充，系统的性能会不断的提高。基于案例推理的汽车维修专家系统的框架结构图如图#。从图中可以看出，系统由十个部分组成。系统中的主要部分功能如下。图#维修专家系统的框架结构图案例库中存放了各类以往成功实施的维修方案，由案例库管理系统统一管理。用户通过案例库管理系统管理维护案例库的功能（浏览、插入、删除、修改、编辑以及案例标引等）。案例库中存放了正反两面的案例。正面案例是成功实施的案例，是借鉴的依据；反面的案例是失败的案例，以免案例生成中重蹈覆辙。通过对案例的处理从而提高机器的处理能力，这与汽车维修领域重视实践相符合。知识库集成了汽车维修专家的知识，通过归纳总结以规则的形式存储在知识库中。上文述及的规则集便是知识库的知识。同时维修知识自学习系统应用粗集理论在案例库中进行知识的归纳总结，生成维修规则，经过优化处理存入知识库。人机交互系统为系统的维护、生成方案的浏览、修改提供了方便。知识推理机集合各种推理方法，是系统的核心部分。通过搜索当前案例库中的案例，检验其匹配程度，如果完全匹配则调出维修方案给维修技师。$%&%#年（第&卷）第&期汽车工程 万方数据如果案例匹配相似度大于某一阈值，但不是完全匹配，则知识推理机应用知识库中的规则进行相应的调整，并把调整处理的过程提供给用户。如果案例库中没有相应的案例，则知识推理机应用知识库中的规则进行方案生成，同时将方案生成的过程提供给维修技师。汽车维修电子档案系统集成记载了汽车维修技术的各种信息，包括各种仪器设备检测出来的数据、专家做成的诊断记载、汽车的运行状况、历史维修记录等。汽车维修电子档案系统是推理机工作的数据来源。通过推理过程生成的维修方案，一方面应用到对汽车的维修实施，另一方面则作为新案例加载到案例库中成为新案例，供以后使用和机器学习。!汽车维修专家系统的实现技术实现案例推理系统的难点在于案例知识的表示、分类、标引、匹配，以及建立在此基础上的案例学习。基于案例推理的汽车维修专家系统中，采用相应的解决办法。!#汽车维修专家知识的计算机表示汽车维修方案生成系统是一个要求具有快速响应的系统。汽车维修企业要排除的汽车故障多是一些疑难故障和综合故障。维修的目的是恢复汽车的性能，延长汽车的使用寿命。现用类模型来表示汽车故障症状。该模型按照汽车故障症状的分类表示出了故障症状之间的层次关系，同时为系统搜索速度的提高打下基础。汽车故障症状包括汽车的故障情况信息，由汽车维修电子档案系统来完成；诊断依据及诊断标准、维修措施的分支实施方法由知识库来完成；汽车技师维修诊断过程的模拟由推理机来完成；已有经验知识由案例库来表示。对于故障症状性态的度量，由于对故障症状的描述以语言量居多，采用了模糊语言量表示的办法。!$综合故障诊断规则的一致性一致性问题有时也称相容性问题，从上文的汽车症状维修知识表示的讨论，知道有些汽车疑难故障症状往往是由于多种故障原因合成导致的。在生成维修方案时，就需要考虑生成方案针对多种故障原因的一致性。因此，建立知识库时应考虑到相容性。在上述类模型的各个层次的对象中，都有可能出现冲突的解决办法。当然，考虑的问题不可能包罗万象。系统运行中，总有可能出现不相容的情况。所以，一方面采用层层抛出给上一层的相容性处理程序，直至顶层抛出给维修技师处理；另一方面针对用户处理措施又层层向下安插到知识库中相应的容器中。!%信息不确定性、不完整性下推理机设计当疑难故障症状出现时，诊断面临的信息往往是不完全、不确定的，甚至规则本身也是模糊的。对这种证据及规则都具有模糊性的情况，采用模糊推理方法。同时随着维修知识和经验的增加，可能要求修改推理规则的某些假设或结论。这就导致了系统的非单调性。采用缺省推理、#是处理非单调逻辑，该方法将和模糊逻辑方法在本项目中有机结合，实现系统的知识推理机用于方案调整与优化。!案例标引、案例学习系统必须对案例库中案例进行标识，这样在推理时，推理机才能根据特征找到相应的案例。案例标引实际上是建立案例的唯一标识。系统采用了基于知识的方法。在专家知识和经验关系的基础上，按汽车故障实例的故障症状、运行状况、车检信息、汽车特征等对汽车进行了分类。这样的分类处理不仅便于案例库管理系统有效地管理案例，而且提高案例检索的速度。在分类基础上，建立了案例的标引。使用基于模糊诊断理论$案例库中的存储的案例是通过案例匹配检索出与当前故障实例的故障症状、汽车特征、车检信息相符合的故障实例。匹配方法的计算公式为!（，#）$!%&%!（(，(）&（(）（(）&#!%&%!（(，(）&（(）&#&（(）（(）%(%(&（(）%(%(式中!（，#）为案例#和案例的匹配程度，当其值越趋于，说明匹配程度越高。%为其论域，、，分别为故障症状（)）、故障症状（)）的模糊隶属度，采用统计分析法或专家打分法加以确定，%、%分别为它们的论域；!（(，(）为建立在统计数据上、(在故障症状判断语言值点（)，)）隶属度的分布；（(）、（(）分别为建立在统计数据上(，(在故障症状判断语言值点（)，)）的隶属度。如此计算出来的匹配程度!（，#），根据相应的阈值判断，得出维修方案，这里相对难确定的是!（(，#&汽车工程(&)年（第(卷）第期 万方数据!）密度函数，它反应了匹配中各个症状对判断的影响程度，可通过对同类案例的大量数据统计出来的函数规律来确定。案例学习，则是从得出的实施方案中，总结出故障症状、汽车特征、车检信息等与诊断、方案之间的对应关系，存入案例库中。具体的案例学习处理方法，另文介绍。!#推理机制推理机制是应用知识的关键所在!，一般推理机制要求达到!根据环境选择可用的知识；正确应用知识；#当推理受阻时，能有效地解决问题；$能恰当地终止推理过程。在上述技术的基础上，设计了系统的推理机制，其推理流程如图#。图#推理流程问题提交有两种方式（!）通过人机交互，由维修技师输入汽车故障信息，提交给系统处理；（$）由数据驱动，即系统在不断地的检测汽车维修电子档案系统中数据，与正常状态进行比较，一旦发现异常，则启动推理机，根据当前数据进行诊断推理，进行案例的检索与匹配时应用建立在前述提及的案例匹配算法。当案例匹配成功时，根据规则对生成初步维修方案进行修改以适应当前案例。为了不至于使相同案例存储于案例库中，系统又一次根据汽车故障症状与处理措施同时进行匹配的匹配算法进行案例匹配，只有没有完全匹配的情况下才对之进行标引，加入案例库中。当案例匹配不成功时，则启动规则搜索算法，应用知识库中的知识来生成初步故障处理方案，由维修技师审查确认后，生成维修方案，并进行标引，添加到案例库中。生成的维修方案最后实施到汽车上，由维修技师观测其实施结果，反馈回来，进一步调整维修方案。%结束语介绍了一个实现案例推理系统的原型系统实现方法。该系统将人工智能技术应用于汽车维修领域，为信息技术在汽车行业中应用提供思路。系统将结合维修人员的使用情况，进一步完善原型系统。争取从汽车维修专家系统推而广之，应用到汽车行业其它领域。参考文献!&()*，+,-.)/0 1 2 3-4 5 67 4)8/3 9 4 9 1:;:/,6 5 6;5 6 ,?3/6 6，?.)/8?./，?.4/)，!A A A$肖应魁1汽车故障诊断学1北京：北京理工大学，$!B*)/6,C，D 4 5 5 4)/2 1?)9 6 E F)9 6 GH 6)9 3/4/8*1:;I J 6 .，M)/87)/1?)9 6 G E-)9 6 G7 6 4 9 4 3/+J J 3 ,+N 9,6 OP 4,.Q 4)5R 6 )5R 6,P 3 (*1?3 O J ,6 9)/G:/G 9,4)5;/8 4/6 6 E4/8，!A A#，$K（!S#）%葛永利，薛华成1基于模糊S神经网络的援例支持系统*1管理科学学报，!A A T，!（$）U王士同1模糊推理理论和模糊专家系统 21上海：上海科学技术文献出版社，!A A%K H 6 4,6 3 7 6 )5,H 6)9 3/4/8*1 Q 4)5:/,6 5 5 4 8 6/6，!A A B，!BTF*1 Q 4)5:/,6 5 5 4 8 6/6，!A A!，%（$）A吴今培1模糊诊断理论及其应用 21北京：科学出版社，!A A%!张代胜、王悦等1融合实例与规则推理的车辆故障诊断专家系统1机械工程学报，$，（K）A%$B年（第$%卷）第%期汽车工程 万方数据基于案例推理的汽车维修专家系统基于案例推理的汽车维修专家系统作者：张代胜，陈朝阳，张树强，周卫兵，任佩红作者单位：合肥工业大学,合肥,230069刊名：汽车工程英文刊名：AUTOMOTIVE ENGINEERING年，卷(期)：2003,25(5)被引用次数：7次 参考文献(10条)参考文献(10条)1.张代胜;王悦 融合实例与规则推理的车辆故障诊断专家系统期刊论文-机械工程学报 2002(07)2.吴今培 模糊诊断理论及其应用 19953.Brewka G Cumulative Default Logic外文期刊 1991(02)4.Reiter R A Logic for Default Reasoning外文期刊 19935.王士同 模糊推理理论和模糊专家系统 19956.葛永利;薛华成 基于模糊-神经网络的援例支持系统 1998(02)7.Gan Renchu;Yang Dan Cased-based Decision Support System with Artificial Neural Network 1994(27)8.Janet K;Willian M Case-Based Reasoning 1992(07)9.肖应魁 汽车故障诊断学 200110.Luka J;Stubhan F Mobile Diagnosis 1999 引证文献(7条)引证文献(7条)1.严军.倪志伟.王宏宇.韩丹 案例推理在汽车故障诊断中的应用期刊论文-计算机应用研究 2009(10)2.苏子林.于京诺.宋进桂.梁桂航.张帅 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