0 引言

    通常，工業(yè)控制系統(tǒng)從正常狀態(tài)演變?yōu)槲ｋU(xiǎn)狀態(tài)甚至是事故狀態(tài)，或從危險(xiǎn)狀態(tài)恢復(fù)到正常狀態(tài)，需要經(jīng)過多個(gè)階段。

    使用有限狀態(tài)機(jī)來引導(dǎo)工控系統(tǒng)在遇到非正常狀態(tài)（事故狀態(tài)除外）時(shí)，經(jīng)過一系列的合法轉(zhuǎn)移動(dòng)作將系統(tǒng)恢復(fù)到正常狀態(tài)^[1]。使用當(dāng)前狀態(tài)、轉(zhuǎn)移動(dòng)作、下一狀態(tài)3個(gè)要素來描述工控防危系統(tǒng)。為直觀地顯示有限狀態(tài)機(jī)，引入流程圖描述工控防危系統(tǒng)的狀態(tài)機(jī)^[2]，如圖1所示^[3]。

1 相關(guān)知識(shí)介紹

1.1 專家系統(tǒng)

    專家系統(tǒng)的核心由知識(shí)庫(kù)和推理機(jī)構(gòu)成。知識(shí)庫(kù)由專家規(guī)則和事實(shí)庫(kù)組成^[4]，如圖2所示。專家規(guī)則由變量描述表和規(guī)則表共同形成，變量描述表中變量的實(shí)際取值構(gòu)成了事實(shí)庫(kù)。事實(shí)庫(kù)是一個(gè)動(dòng)態(tài)庫(kù)，當(dāng)專家規(guī)則編輯完成后，會(huì)形成規(guī)則庫(kù)，事實(shí)庫(kù)會(huì)實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)地與規(guī)則庫(kù)進(jìn)行匹配，從而實(shí)現(xiàn)其防危功能。本文將重點(diǎn)敘述知識(shí)庫(kù)中變量描述表和規(guī)則表的管理。

1.2 XML簡(jiǎn)介

    專家規(guī)則庫(kù)在磁盤中的存儲(chǔ)方式為XML文本文檔。XML即可擴(kuò)展標(biāo)記語(yǔ)言，它提供了一種統(tǒng)一的方法來表示、交換和傳遞獨(dú)立于應(yīng)用程序的數(shù)據(jù)，并直觀、自然地展示了數(shù)據(jù)和對(duì)象之間的嵌套關(guān)系。

    XML文本文檔的保存及讀取數(shù)據(jù)通過DOM(Document Object Model)編程接口實(shí)現(xiàn)^[5]。

2 專家規(guī)則庫(kù)管理模塊設(shè)計(jì)

    對(duì)專家規(guī)則的管理基于變量描述表和規(guī)則表實(shí)現(xiàn)，其管理工具分為對(duì)象編輯和規(guī)則編輯兩大模塊。

2.1 對(duì)象編輯模塊

    工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的對(duì)象可分為6類：輸入開關(guān)量、輸入模擬量、邏輯開關(guān)量、邏輯模擬量、輸出開關(guān)量、輸出模擬量。

    (1)輸入量與邏輯量。輸入量的值可以直接通過測(cè)量獲得，邏輯量的值不能直接進(jìn)行測(cè)量，但可以通過輸入量間接獲得。編輯邏輯量時(shí)須指明它和輸入量之間的邏輯關(guān)系。

    (2)開關(guān)量與模擬量。開關(guān)量的狀態(tài)有開啟和關(guān)閉兩種。模擬量的狀態(tài)離散化為以下7種：低危險(xiǎn)、低臨界、低警告、正常、高警告、高臨界、高危險(xiǎn)。編輯模擬量時(shí)須指定每種狀態(tài)的上下限。

    (3)輸出開關(guān)量和輸出模擬量指執(zhí)行的動(dòng)作。輸出開關(guān)量有開啟和關(guān)閉兩種動(dòng)作。輸出模擬量對(duì)應(yīng)一個(gè)具體數(shù)值，若該值為正，表示該動(dòng)作將對(duì)象值調(diào)高，若該值為負(fù)，表示該動(dòng)作將對(duì)象值調(diào)低。

對(duì)象編輯模塊是根據(jù)上述6種對(duì)象的定義設(shè)計(jì)的。對(duì)象的編輯將為專家規(guī)則的編輯提供必要的元素。

2.2 規(guī)則編輯模塊

    根據(jù)圖1所示的有限狀態(tài)機(jī)示意圖，可將專家規(guī)則分為一般規(guī)則和轉(zhuǎn)移規(guī)則兩類。有限狀態(tài)機(jī)中圓圈所代表的每一個(gè)狀態(tài)，其形成需要一定的前提條件，即：由這些前提條件產(chǎn)生了該狀態(tài)，這一過程形成的規(guī)則為一般規(guī)則。有限狀態(tài)機(jī)中的當(dāng)前狀態(tài)、轉(zhuǎn)移動(dòng)作、下一狀態(tài)這三個(gè)元素構(gòu)成的規(guī)則為轉(zhuǎn)移規(guī)則。

    一般規(guī)則的編輯分為條件表達(dá)式的編輯和結(jié)論的編輯。條件表達(dá)式由各條件因子、關(guān)系操作符、括號(hào)組合形成。條件因子可由兩種方式獲?。簩?duì)象編輯模塊提供的對(duì)象與其狀態(tài)的組合；某條已經(jīng)存在的規(guī)則結(jié)論。關(guān)系操作符包括與（&&）和或（||）。結(jié)論部分為單一的結(jié)論因子，如果專家規(guī)則包含一個(gè)以上的結(jié)論因子，則把這樣的規(guī)則拆成多個(gè)單結(jié)論因子的規(guī)則。采用產(chǎn)生式規(guī)則的形式來描述一般規(guī)則^[4]。產(chǎn)生式規(guī)則的表示方式為：A(條件表達(dá)式)→B(規(guī)則結(jié)論)，用condition_n表示條件因子，conclusion表示規(guī)則結(jié)論。以下為一條產(chǎn)生式規(guī)則的示例：

    condition₁&&(condition₂||condition₃)

    &&condition₄→conclusion

    轉(zhuǎn)移規(guī)則的編輯分為對(duì)現(xiàn)態(tài)、轉(zhuǎn)移動(dòng)作和次態(tài)的編輯。其中現(xiàn)態(tài)和次態(tài)從已存在的一般規(guī)則的規(guī)則結(jié)論中選取。在編輯轉(zhuǎn)移動(dòng)作之前，需要指定其現(xiàn)態(tài)的合法動(dòng)作，這些合法動(dòng)作來自對(duì)象編輯模塊中的輸出開關(guān)量或輸出模擬量，如果是輸出模擬量還需指明其合法區(qū)間。合法動(dòng)作與動(dòng)作狀態(tài)的組合構(gòu)成了轉(zhuǎn)移動(dòng)作。輸出開關(guān)量的動(dòng)作狀態(tài)為開啟或關(guān)閉；輸出模擬量的動(dòng)作狀態(tài)應(yīng)該落在該動(dòng)作的合法區(qū)間內(nèi)。

    以上是規(guī)則編輯模塊的基本功能。

3 專家規(guī)則處理

    專家規(guī)則庫(kù)是一個(gè)整體，專家規(guī)則之間存在著緊密的關(guān)系，一條專家規(guī)則有可能和規(guī)則庫(kù)中的其他規(guī)則產(chǎn)生從屬、沖突、等價(jià)、無(wú)效等問題。

    從屬是指兩條規(guī)則的結(jié)論部分一致，而條件部分存在包含關(guān)系。沖突是指兩條規(guī)則的條件部分一致，結(jié)論部分的對(duì)象相同，但對(duì)象的狀態(tài)不同。針對(duì)專家規(guī)則中可能出現(xiàn)的從屬和沖突等問題，根據(jù)問題出現(xiàn)的原因，可以比較容易地識(shí)別，本文不再敘述處理這些問題的方法。

    本文將介紹專家規(guī)則等價(jià)和無(wú)效問題的處理方法。等價(jià)是指兩條規(guī)則的條件表達(dá)式部分和結(jié)論部分均一致；無(wú)效是指規(guī)則的條件表達(dá)式部分化簡(jiǎn)之后為0或1。因此對(duì)專家規(guī)則條件表達(dá)式部分的化簡(jiǎn)與優(yōu)化成為解決問題的關(guān)鍵。本文提出采用基于“最小項(xiàng)表達(dá)式”和“卡諾圖化簡(jiǎn)算法”對(duì)專家規(guī)則的條件表達(dá)式部分進(jìn)行統(tǒng)一優(yōu)化。

    最小項(xiàng)的概念是：n個(gè)變量的最小項(xiàng)是n個(gè)因子的乘積，每個(gè)因子是某個(gè)變量的原變量或反變量，每個(gè)變量都必須在最小項(xiàng)中出現(xiàn)一次且僅出現(xiàn)一次?？梢园衙恳粭l規(guī)則的條件表達(dá)式部分看成一個(gè)邏輯函數(shù)，每個(gè)邏輯函數(shù)都可以化簡(jiǎn)成若干個(gè)最小項(xiàng)的“和”（即專家規(guī)則中的或（||）），這樣的形式稱之為最小項(xiàng)表達(dá)式。

    卡諾圖化簡(jiǎn)算法的步驟如下：

    (1)根據(jù)專家規(guī)則條件表達(dá)式，做出相應(yīng)的卡諾圖。

    (2)計(jì)算表達(dá)式在每種因子組合下的值，就像填真值表那樣將結(jié)果填入卡諾圖中，值為1的填入1，值為0的不填，每個(gè)“1”方格即為表達(dá)式的一個(gè)最小項(xiàng)。

    (3)對(duì)卡諾圖中的1方格圈卡諾圈，圈出所有的質(zhì)蘊(yùn)涵項(xiàng)。

    (4)從質(zhì)蘊(yùn)涵項(xiàng)中找出其中的必要質(zhì)蘊(yùn)涵項(xiàng)。

    (5)如果必要質(zhì)蘊(yùn)涵項(xiàng)沒有包含卡諾圖中所有的1方格，則必要質(zhì)蘊(yùn)涵項(xiàng)與剩余的質(zhì)蘊(yùn)涵項(xiàng)一同組成了該表達(dá)式的質(zhì)蘊(yùn)涵項(xiàng)集，即最簡(jiǎn)的每個(gè)與項(xiàng)。把這些與項(xiàng)按照一定的順序用或（||）連接起來便形成了化簡(jiǎn)優(yōu)化后的表達(dá)式。

    專家規(guī)則經(jīng)過上述算法優(yōu)化之后，每條規(guī)則都會(huì)轉(zhuǎn)化為唯一的形式。將化簡(jiǎn)優(yōu)化后的專家規(guī)則存入規(guī)則庫(kù)中。如果出現(xiàn)等價(jià)規(guī)則，只有一條最終被存入規(guī)則庫(kù)中。

    上述算法的第二步完成后，會(huì)得到卡諾圖中所有小方格的值，對(duì)于n變量卡諾圖，如果值為1的小方格個(gè)數(shù)為n，則化簡(jiǎn)結(jié)果為1。這樣的專家規(guī)則，其條件表達(dá)式結(jié)果恒為1，為無(wú)效規(guī)則，至此算法將不再繼續(xù)執(zhí)行，該規(guī)則不會(huì)存入規(guī)則庫(kù)中。同理，如果所有小方格的值均為0，這樣的規(guī)則也被視為無(wú)效規(guī)則。

    用小寫字母表示開關(guān)量對(duì)象，大寫字母表示模擬量對(duì)象。

    例1：向規(guī)則庫(kù)中存入以下兩條規(guī)則：

    （A高臨界&&a關(guān)閉）||（a開啟&&b開啟&&A高臨界）||（a開啟&&b關(guān)閉&&A高臨界）→結(jié)論1

    （a開啟&&A高臨界）||（a關(guān)閉&&b開啟&&A高臨界）||(a關(guān)閉&&b關(guān)閉&&A高臨界)→結(jié)論1

    兩條規(guī)則經(jīng)優(yōu)化之后都化簡(jiǎn)為規(guī)則：

    A高臨界→結(jié)論1

    因此兩條規(guī)則構(gòu)成了等價(jià)關(guān)系，故只能存入其中一條。

    例2：向規(guī)則庫(kù)中存入以下規(guī)則：

    c關(guān)閉||（a關(guān)閉&&c開啟）||（a開啟&&b開啟&&c開啟）||（a開啟&&b關(guān)閉&&c開啟）→結(jié)論2

    經(jīng)化簡(jiǎn)優(yōu)化后，其條件表達(dá)式部分為1。因此該規(guī)則為無(wú)效規(guī)則，不會(huì)存入專家規(guī)則庫(kù)中。

4 專家規(guī)則實(shí)例

    本文以石灰窯煅燒系統(tǒng)為例，介紹防危專家規(guī)則庫(kù)的形成過程。

    在石灰窯的煅燒過程中，煅燒區(qū)的位置對(duì)石灰石的燃燒效率、煤的燃料利用率以及煅燒過程的安全性至關(guān)重要。本文選擇了可能會(huì)影響到煅燒區(qū)位置的因素來形成專家規(guī)則庫(kù)中的對(duì)象描述表。編輯后的變量描述表如表1所示。

    有了變量描述表提供的對(duì)象及其狀態(tài)，根據(jù)石灰窯的煅燒特性以及專家規(guī)則庫(kù)規(guī)則編輯模塊的功能，向規(guī)則庫(kù)中逐條輸入規(guī)則。專家規(guī)則經(jīng)處理后，最終形成的系統(tǒng)規(guī)則列表如表2所示。

    由上述規(guī)則列表，結(jié)合系統(tǒng)的轉(zhuǎn)移規(guī)則，形成了如圖3所示的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖。

5 結(jié)論

    本文提出了一套可用于工業(yè)控制防危系統(tǒng)的專家規(guī)則體系，并著重介紹了專家規(guī)則的相關(guān)管理技術(shù)。

    由石灰窯煅燒系統(tǒng)防危規(guī)則實(shí)例可以看出：基于專家系統(tǒng)和產(chǎn)生式規(guī)則來形成專家規(guī)則庫(kù)，其過程條理清晰，便于企業(yè)根據(jù)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況制定各自的防危規(guī)則；基于卡諾圖化簡(jiǎn)算法對(duì)專家規(guī)則進(jìn)行優(yōu)化，專家規(guī)則可以快速、準(zhǔn)確地以統(tǒng)一的形式存入專家規(guī)則庫(kù)中，對(duì)于存在等價(jià)、無(wú)效等關(guān)系的專家規(guī)則，也可以做出準(zhǔn)確判斷；采用XML文本形式存取專家規(guī)則快速、有效、準(zhǔn)確。

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