第三章 系统的知识表示
知识是人类在实践活动中所积累的认识和经验的总和。一般情况下，一个领域内的知识可分为两大类：共性（pub1ic）知识和个性（PliVate）知识。共性知识包括领域内与问题求解有关的定义、事实和各种理论方法，这种知识已被领域内专业人员一致接受，并将其规范化，它们往往已收录在各种设计手册、标准、教科书和参考书中。个性知识的大部分则是领域专家经过长期的生产实践获取的启发式知识，是在具备了大量的知识后的一种“猜想的艺术”，它是专家们在遇到复杂问题时能够处理不完全、不精确的信息，消除矛盾，作出高水平的分析、猜测，从而获得高水平解的一种能力。这种知识往往难于表达清楚，经不起严格的理论论证。开采和重新组织这种知识是建立专家系统的中心任务。

总结起来，圆柱齿轮减速器设计专家系统所要处理的知识包括：
·计算型，例如各类强度计算公式；
·数表型，如各种标准数据表；
·图线型，如各类试验图表；
·经验型，如各类启发式规则。

实际上，在设计过程中与某一设计任务相关的知识应用时相互交叉，严格区别各种型式的知识并无实际意义。所以，圆柱齿轮减速器设计知识库是各类知识的综合，可表示为

其中，KB代表知识库；F代表事实；R代表各类规则；D代表各类数据；0表示规则之间、数据之间及规则和数据间关联的某些操作。
知识表示是研究各种存储知识的数据结构设计，以便使各种数据结构能够方便、有效地存储各种知识。知识表示可分两步进行：首先是知识的形式化、符号化；其次选择最佳的形式。由于圆柱齿转减速器设计中知识的多样性，因此，圆柱齿轮减速器设计专家系统中知识表达也不可能单一。对于知识形式化，一般由四方面因素：
·知识表达的层次；
·表达方式的模块（扩展能力）和清晰性，
·表达方式的可理解性（自然性）和透明性；
·表达形式实现上的便利性。
为了适合不同形式知识表达的需要，目前AI学者已研制了许多知识表示方法，例如：
·逻辑表示法；
·过程表示法；
·语义网表示法；
·产生式表示法；
·框架表示法；
·判定表技术；
·功能表示法；
·不精确知识表示等。
在圆柱齿轮减速器设计专家系统中，采用的是多层次、多知识元的复合型的知识表达方式，其知识表达的类型如下。

3.1基于规则的产生式表示法
1.产生式规则的形式
一条产生式规则是一条“IF某条件（condition）为真（hold)￤某情形（situation）存在，THEN某结论（codclusion）成立￤某操作（action）可取”的语句投影，作者研制的产生式系统形式如下：
(<Rule><Rule-kind-numer>
IF<condition(s)>
THEN<conclusion(s)>)
其中：Rule、Rule-kind-number分别为规则名、规则类别号，condition(s）为条件集(前题部分）,conclusion(s）为决策集（结论部分）。由于减速器设计中知识的多样性，因而产生式的形式上也有许多种：
（1）事实规则：其规则的条件集和结论集均为断言形式的事实，它通常用来表示设计常识、经验和设计中使用的启发式知识。例如下列产生式规则：

(rule motor-5
(if(working machine has standard as IEG))
(then(motor type is Y series)))
（2）计算规则：
（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）判断规则：
（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）变量规则：减速器设计中，往往会遇到这种情形，即规则的条件和（或）结论部分只有部分不同，如下列规则：

（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，都有可能用到该规则，为减少规则数目，设置了变量规则，运行过程中，一旦（>number）取值X，则（<number）为X。
（5）默认规则：这是一类比较特殊的规则。这一类规则完成这样一些知识，即如果没有更多的事实证明S不成立，S总是成立的。CGREST采用的思想为：设计过程的实现，实质上是初始状态向目标状态的一个转化过程，初始条件除包含设计的已知条件，还包含未知的条件，例如下面的设计开始时的当前信息库（上下文）
（（the gear style is not confirm）
……（gear structure is not confirmed）……）

将这种未知条件作为产生式规则的前提条件，可方便地实现狱认推理，如下列齿轮齿形选择规则的片段：
（rule gear-style-6
（if（the gear style is not confirm））
（the（the tooth shape of gear is spiral）））
一旦默认规则启用，则推理机控制将默认规则的前题部分从专家系统的上下文中删除。
（6）规则的其它形式：规则的前提部分和结论部分还有许多其它形式，如可以是某些函数，结论部分可以是所要起用的文件名、数表名、进一步的操作等等。
关于规则选用时的冲突何题，见§5.4。

2.系统规则的组织与调度

圆柱齿轮减速器的设计过程通过仔细的分析并进行归纳，则具有明显的阶段性，可表示为一系列的设计任务的链式序列。如设计任务描述的输入过程，原动机械的选择和确定过程，传动级数和传动形式的选择和确定过程。润滑方式的选择和确定过程，齿轮传动参数和齿轮结构的选择和计算过程；……。其中每一个设计过程都将设计结果传递给后继设计过程。对设计任务进行这样的分阶段描述，使整个设计过程和设计任务间的接口形式的描述大大的简化了。与设计过程的分阶段描述相对应，对系统的产生式知识进行分类，将与一设计阶段任务相关的产生式知识归结在一起，形成对应于该阶段设计任务的产生式知识元。同时，对较通用的产生式知识形成通用规则知识元。在此基础上，系统通过不同的设计阶段调度相应的知识元，并与通用知识元一起动态形成设计过程的产生式规则库，从而，形成设计过程产生式知识的调用。这样作具有：
①成功地实现CGREST的运行并使系统留有余地。圆柱齿轮减速器设计是一个复杂的过程。在设计过程中，所涉及的知识盒的总和，即使象APOLLO这样具有大内存的工作站，资源也会耗费贻尽。因此，设计任务必须分阶段，设计知识也必须分类别。同时，这样作的结果，也使得系统留有余地，以实现将来系统的扩充需要。
②规则的分类，可极大地提高专家系统的运行速度。专家系统在选用规则时，规则集进行遍历，然后启用可用规则。对规则进行分类，就是对规则的预筛选过程要对（这项工作很容易，只需将与设计任务相关的规则写在一起即可），这将极大地提高专家系统的运行速度。
③知识分类便于管理并降低知识库的维护成本。
3.2知识的框架表示
框架在1975年由M.Minsky提出，并在随后的应用中得到发展的一种知识表示方式。在机械设计过程中，当分析和解释新情况时，常常使用过去从经脸中积累起来的知识。这些知识与特定的方式存储在人脑中。设计某一零件时，自然会联想到与该零件有关的一系列参数，并按相应的结构组织去添写新的数据，从而完成新的设计。这样一种典型实体的通用数据结构一般就称为一个框架（frame）。

一类实体的框架提供了一种结构，在这种结构中填入有关新情况的数据时，可以根据以往获得的概念对这些数据进行分析和解释。另外，这种框架结构也提供了一个具体上下文对特定实体进行预见驱动的处理方式，在这个上下文环境下根据这种结构可以寻找那些预见的信息。用框架表示的知识，本文称为框架知识元。
本文使用的框架基本上可分为两类：规格化框架和变体框架。
1.规格化框架
规格化框架中用于存放可预见的信息的位置称为槽（slofs），进一步描述的特性用侧面（facets）表示。框架是一种嵌套结构，即槽名也可以是另外一个框架名。本系统采用的的规格化框架，归纳起来，具有如下结构（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>

规格化的框架表达形式在圆柱齿轮减速器设计中应用非常广泛，如圆柱齿轮减速器中主任务框架（表3-1 )，齿轮强度校核中使用的各类系数框架（表3-2）等均具有知识的规格化框架表达形式。

这类框架在圆柱齿轮减速器设计专家系统中还有许多，如材料和热处理系数、齿轮周节误差系数等。
2.变体框架
变体框架是规格框架结构形式的一种变化结构。变体框架对同的知识的表达，其结构形式有所变化。变体框架知识元用来表示各种数据、曲线参数、各类计算公式和零件结构及零件参数的定义和描述等。这类变体框架除具有一般框架表示的优点外，还具有：知对变体框架描述仍然沿用规枯化框架定义中的各类名称。

圆柱齿轮减速器专家系统设计中，变体框架知识元应用的非常广泛，表3-3是圆柱齿轮减速器箱体结构参数设计时采用的框架。表3-3是表3-4所表示的知识的再现。

这样的变体框架知识元许多，论文的后几章还要作介绍。

表3-4 箱体主要结构尺寸经验计算公式

3.3数表、图线知识的表示

1.数表：圆柱齿轮减速器设计中存在有许多数表。数表知识的计算机表达基本上可以分三类：

①产生式形式：对某些数表，如齿轮接触强度效核时的载荷分布系数表可转化为如下的产生式规则：

②框架形式：如齿轮强度校核中的各类系数转化为框架形式（表3-2）。

③数表形式：如轴伸（减速器传动轴伸出端）数据表：

数据表每一项的含义分别为轴伸直径值，上、下公差值，轴伸的长度值（长、短系列）。再如表3-6所示的公差数据表（部分）：

将这种数表写作产生式规则或其它别的形式，多少有点牵强附会，不如以数表形式来得更加自然。事实上，数表也可认为是一种无槽名的变体框架。
类似这种处理的方法，圆柱齿轮减速器设计专家系统中还有许多，例如，轴承数据、键数据、齿轮模数、中心距、成本、轴上各类数据（如倒角，过渡圆角）等等均采用这一处理方法。
2.图线：在圆柱齿轮减速器的专家系统设计过程中，不可避免地要使用经验图表、图线知识。对这些知识的处理，本文采用的方法有两种：图表知识公式化和数据化。
（1）图表知识的公式化：如专家推荐的齿轮传动设计中简化的变位系数的分配公式：

当∑x<0.6，且z1≤20，则xl=0.7×∑x,x2=0.3×∑x；
当∑x<0.6，且z1>20，则xl=0.65×∑x,x2=0.35×∑x；
当∑x=0.6～1.0，则xl=0.5,x2=∑x-0.5,
当∑x=1.0～1.2，则xl=x2=∑x/2 。

（2）图表知识的数据化：图表知识的数据化过程是首先将图表进行离散处理，然后，再对离散数据按数表型知识进行处理。表3-2是齿轮强度校核中的各类图表系数数据化后用框架形式表达的知识。其中，有润滑剂（lubricator）系数KL，粗糙度（roughness）系数orderl （淬火齿面）、order2（调质齿面），……。
3.4 知识的过程表示
以上所讨论的知识表达的各种方式均是建立在一定格式的基础上的，可以说是知识的描述性（declarative）表达方式。这类知识的表示一般具有模块性，自然性，清晰性等。但正是由于格式的限制，因此对于某些功能，如回溯、反复的校核计算等这样一类操作，不如用语言编写知识过程来得方便。用语言形式直接编写知识过程，便有了圆柱齿轮减速器设计知识的过程表示。框图3-l是齿轮强度计算、校核的过程框图，这样一个过程需要多次重复的计算。使用过程表示可使求解过程按照嵌入的程序次序进行调用，它们不需要和选择那些不相关的知识，也不需要那些不自然的推理路径。同时，还能够把领域特有的，导致更为直接推理过程的启发性知识结合到设计过程中去，因而能够大幅度地提高运行效率。

在LlSP语言中，过程表示用函数表达，表3-5是图3-l所示的齿轮强度计算和校核知识的过程表示的形式。

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