專利名稱：解釋性測量儀器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及科學(xué)儀器，并具體地涉及一種能從事各種測量及解釋其結(jié)果以提供診斷或預(yù)測結(jié)論的解釋性測量儀器。
在以科學(xué)為基礎(chǔ)的許多活動領(lǐng)域中，科學(xué)儀器被用來對各種裝置的輸出進(jìn)行分析、記錄及監(jiān)視。這些裝置包括應(yīng)變儀，心電圖(ECG)裝置，擴(kuò)音器，及壓力、溫度、流率等傳感器。相應(yīng)地，這些科學(xué)儀器被用于土木工程，電氣工程，聲學(xué)，水利工程，化學(xué)處理，生物醫(yī)學(xué)工程等方面。
通常需要大量的這些科學(xué)儀器，以便從事期望的測量。這些儀器包括各種波形(如正弦波，方波，斜波及三角波)發(fā)生器；信號處理裝置，如微分器，積分器，濾波器，乘法器等；分析器，例如用來進(jìn)行快速傅里葉變換需要的分析器；及各種記錄裝置，例如圖表記錄器，數(shù)據(jù)記錄器，陰極射線示波器或瞬態(tài)記錄器。
另一方面，可使用一種如同已轉(zhuǎn)讓給本申請人(但在本申請的優(yōu)先權(quán)日尚未公開)的專利PCT/AU92/00076說明書中所公開的科學(xué)儀器仿真裝置來從事期望的測量。這個最終以WO92/15959公開的說明書結(jié)合于此作為相互參照。
本發(fā)明涉及對從這些測量得到的結(jié)果的估價或數(shù)據(jù)的解釋，以及在所描述的實施例中將公開的一種裝置，藉此能夠解釋在進(jìn)行測量的過程中測得的各種參數(shù)，以提供診斷或預(yù)測性的結(jié)論。本發(fā)明的概述根據(jù)本發(fā)明的一個方面，公開一種包含計算機(jī)裝置的解釋性測量儀器，此計算機(jī)包括一個存儲裝置及至少兩個處理器，一個具有多個模擬信號輸入端且每個輸入端連接有數(shù)字化裝置以形成相應(yīng)數(shù)字輸出的輸入模數(shù)轉(zhuǎn)換裝置；連接到所述數(shù)字輸出的信號操作裝置，以將裝置上的數(shù)據(jù)輸送到所述存儲裝置；及一個存儲在所述存儲裝置中并能對所述傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行操作以計算一個基于所述傳輸數(shù)據(jù)的解釋性結(jié)論的分類程序。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，公開了一種使用上述解釋性測量儀器測得的一組參數(shù)來計算解釋性結(jié)果的方法，所述方法包括以下步驟1.形成在先測量數(shù)據(jù)的集合，每個數(shù)據(jù)包括在特定時間上測得的一組所述參數(shù)；2.對所述集合中的每個所述組分配一個結(jié)果；3.產(chǎn)生一個使用所述集合的分類程序并將其存儲在儀器存儲器中；4.測量一個所述參數(shù)的進(jìn)一步的組；及5.對所述進(jìn)一步的組運用所述分類程序以產(chǎn)生所述的解釋性結(jié)論。


現(xiàn)在將參照附圖來描述本發(fā)明的三個實施例，附圖為圖1復(fù)制上述PCT說明書中的圖1，并示出一個對IBM PC需要硬件修改的概要電路框圖；
圖2復(fù)制上述PCT說明書中的圖2，它是圖1中模擬量組件的電路框圖；圖3類似于上述PCT說明書中的圖6，是列出各種儀器單元圖標(biāo)的屏幕顯示；圖4是一用來獲得并解釋期望測量數(shù)據(jù)的電路布置框圖；圖5是圖4布置的一個改進(jìn)，以便能滿足附加的待測參數(shù)；圖6是與圖4類似的電路框圖，但它是一個使用ID3算法分類數(shù)據(jù)的第二實施例的電路陳列；圖7是一用圖6的仿真電路得到的屏幕顯示的再現(xiàn)；圖8是一使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)反饋系統(tǒng)的示意布置圖，此系統(tǒng)基本維持一個窯的溫度，所述窯的溫度在不規(guī)則的時間間隔里接收燃燒的物品時基本上恒定不變；圖9是與圖4及6相似的電路框圖，但它是控制圖8中窯的仿真反饋電路；圖10是由圖9的圖形NN所表示的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的示意圖。詳細(xì)說明本發(fā)明的第一個實施例將描述有關(guān)電動機(jī)的維護(hù)，這種電動機(jī)例如在電力機(jī)車中使用的電動機(jī)。應(yīng)該理解，下面的例子僅是對本發(fā)明原理的說明。
譬如說，在例行維護(hù)期間進(jìn)行每周維護(hù)檢查時，對每個電動機(jī)的某些參數(shù)將作出測量及記錄，以提供一組指示在具體時間上具體電動機(jī)狀態(tài)的參數(shù)。至今這些參數(shù)是由熟悉電動機(jī)維護(hù)的專家來解釋的，該專家必須確定出是否某些部件應(yīng)被更換。專家面臨的困境實質(zhì)上是一種必須對安全和/或出現(xiàn)麻煩作出權(quán)衡的價值問題。如果對部件作了更換或修理而不作出這種決擇，就使電動機(jī)維護(hù)費用徒然地抬高。但是，如果應(yīng)該更換或修理的部件沒有被更換及修理且隨后損壞，那么該損壞將引起麻煩、增加花費，甚至可能出現(xiàn)事故。
在每周維護(hù)時對每個電機(jī)測量的一組參數(shù)如下1.在加速期間的峰值定子電流(SiMax)2.在加速期間的峰值轉(zhuǎn)子電流(RiMax)3.在加速期間以dB單位測量的可聞噪音峰值(Rmax)4.使用加速度計測量的電動機(jī)機(jī)座上的平均振動加速度(ChAvg)5.自從電動機(jī)最近被更換以來參數(shù)1的變化(SiAlt)最好使用上述PCT說明書中的裝置進(jìn)行測量，該裝置如圖1中所示，能夠整個地被裝在具有ISA或EISA總線但基于原始IBM AT的一般的IBM(注冊商標(biāo))個人計算機(jī)機(jī)箱1中。在機(jī)箱1內(nèi)有一個中央處理單元(CPU)2，存儲器3及8MHz總線4等通用部件。
位于一個備用51/4英寸軟盤艙中的是一個模擬量組件6，其上裝有專用輸入插頭7、專用輸出插頭8，及用于放大器、頻率計數(shù)器、采樣時鐘同步、數(shù)字輸入等的通用輸入/輸出導(dǎo)線5。
位于總線4上的是用于印刷電路板9的四個插槽。這四個PC板(PCB)9分別用A、B、C及D表示。相鄰的三個PCB A到C分別為一個主PCB，一個從PCB及一個視頻PCB。該視頻PCB依次驅(qū)動一個眾知的VGA印刷電路板D，它能提供譬如有256種采用色的1024×780分辨率。PC板D直接與視頻顯示屏10相連接。
在模擬量組件6中設(shè)有以下系統(tǒng)資源1.四個獨立的(可選)模擬量i/p通道。每個通道具有可編程的9-120dB增益(3微伏分辨率及信噪比為一)，可編程抗混擾濾波及12位分辨率的ADC轉(zhuǎn)換。每個通道可以是AC或具有長AC耦合時間常數(shù)(2分鐘)耦合的DC，以及具有AC或DC偏置的獨立控制，該偏置可從運行時間屏幕來控制。每通道采樣速率可為15KHz(取決于項目處理負(fù)載及附加在同一從處理器板上的模擬量組件數(shù))。輸入絕緣達(dá)3.5KV RMS持續(xù)電壓。
2.具有+/-10V電壓范圍及+/-100mA電流容量的兩個模擬量輸出。這些輸出量可用于應(yīng)變儀偏置(AC或DC驅(qū)動)，控制其輸出等。
3.四個可選擇的高電平模擬量輸出，每一個來自上述放大器。它們驅(qū)動數(shù)字FM磁帶記錄器以存儲很少發(fā)生的事件，以用于重播到處理器(2)中。或四個可選擇的高電平輸入到上述每個放大器通道。為了重播在磁帶上輸出方式中捕獲到的事件，系統(tǒng)被轉(zhuǎn)換成此方式。
4.八位以地為參考的數(shù)字輸入。
5.能用于繼電器驅(qū)動器或事件指示器的八位數(shù)字輸出。
6.一個0-2Mhz 0.1％精確度的頻率發(fā)生器輸出(時鐘發(fā)生器)。
7.一個事件計數(shù)器/頻率計數(shù)器，其輸入為0.1Hz-8MHz。
8.一個100mA+/-5％的5V參考源(用于應(yīng)變儀等)。
9.一個采樣時鐘輸出參考線，用于在該優(yōu)選實施例的多個科學(xué)儀器仿真器之間同步采樣。
10.一個采樣時鐘輸入?yún)⒖季€，用于“主”科學(xué)儀器仿真器(與“從”仿真器一起使用)的同步采樣。
11.五個接地線模擬量組件6及PC板9的每個分別用不同的輔助總線11，12，13及14被互連起來。
如圖2中看到的，圖1的模擬量組件6提供四個模擬量輸入/輸出連接器20，四個模擬量輸入21，兩個模擬量輸出22，一個頻率輸出計數(shù)器輸23，一個時鐘輸出24，一個8位數(shù)字輸入25，一個8位數(shù)字輸出26，一個5伏參考電壓27及一個從同步輸出28。
每個模擬量輸入21經(jīng)由一前置放大器31與一隔離器32相連接，后者的輸出與繼電器33相連接。繼電器33也與模擬量輸入/輸出連接器20相連接并連接到一個放大器34，該放大器具有可編程增益，AC/DC耦合，準(zhǔn)備用于AC拐點及DC偏置。放大器34的輸出再傳到采樣及保持電路35，后者的輸出由模擬量多路轉(zhuǎn)換器36接收。多路轉(zhuǎn)換器36的輸出經(jīng)由A/D轉(zhuǎn)換器37傳到輔助總線11，后者與模擬量組件6及PC板9B相連接。
放大器34及采樣操作和保持電路35的工作受一數(shù)字控制器、地址譯碼器6及A/D-D/A定序器39的控制，后者既接受來自總線11的數(shù)據(jù)也接收采樣時鐘及定序器時鐘信號。控制器/譯碼器/定序器39也經(jīng)由D/A轉(zhuǎn)換器40通過輸出放大器41輸出到模擬量輸出22。
頻率計數(shù)器輸23及時鐘輸出24分別直接與計數(shù)器42相連接，后者再直接與輔助總線11相連接。
數(shù)字輸入25，數(shù)字輸出26，參考電壓27及從同步輸出28中的每個與數(shù)字輸入/輸出電路43相連接，后者則直接與輔助總線相連接。
圖2中所示線路的定時結(jié)構(gòu)分成兩個序列。第一序列涉及數(shù)字輸入及輸出。當(dāng)程序需要時，這個數(shù)字輸入及輸出由來自在PCB 9B(圖1)上構(gòu)成從處理器部分的基本上常規(guī)的數(shù)據(jù)獲取控制器的單個命令來實現(xiàn)。
第二序列是由模擬輸入轉(zhuǎn)換來的或待轉(zhuǎn)換的以提供模擬輸出的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)流。這些數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)在控制器/譯碼器/定序器39的控制下被接收及發(fā)送，該部件39可被預(yù)置，以便操作所需數(shù)目的輸入及輸出模擬量通道。在每個采樣周期控制器/譯碼器/定序器39執(zhí)行一個完整的輸入及輸出周期或序列，并很少涉及處理器來作這些工作，于是就增加了上述PCB 9B的從處理器上的數(shù)據(jù)獲取控制器的操作速度。
圖2中電路的另外功能，諸如作為時鐘輸出24的頻率，被頻率計數(shù)器輸入23計數(shù)的頻率“范圍”，及用于從同步信號28所需的任何同步信號，在圖表編譯程序開始執(zhí)行時通過適當(dāng)?shù)匾?guī)定相應(yīng)的圖形被建立起來。
使用圖3中所示的各種圖標(biāo)，根據(jù)在上述PCT說明書中所述的原理便建立了如圖4所示的一個陣列。一旦該電路陣列按操作員和安裝程序要求連接起來，則編譯程序就運行，把電路陣列的圖形表示編譯成可執(zhí)行的目標(biāo)碼，該目標(biāo)碼具有對整個電路陣列的所有信號處理的功能。因此，當(dāng)輸入信號實時地加到電路陣列時，單個或多個輸入信號被操作并使一個或多個電路陣列輸出實時地在屏10上顯示的視頻窗上顯示出、儲存到盤中，等等。
對于那些熟悉電子技術(shù)的人將會明白，上述的電路陣列仿真一個具有四個輸入的電路，而每個輸入經(jīng)過四個隔離放大器101A-101D中的一個相應(yīng)放大器被連接起來。這些輸入相當(dāng)于上述要被測量的第一組四個參數(shù)。一個加速度開關(guān)102提供觸發(fā)定子電流、轉(zhuǎn)子電流及音頻噪音的測量。為了提供峰值測量，對每個這些輸出設(shè)置了以采樣及保持電路103及邏輯門104形式的鎖定結(jié)構(gòu)。然后峰值輸出進(jìn)入到多路轉(zhuǎn)換器105的一個相應(yīng)輸入端。加速度計的輸出使用一個放置在反饋環(huán)中的積分器106所構(gòu)成的低通濾波器取平均值。接著將輸出傳到多路轉(zhuǎn)換器105。
多路轉(zhuǎn)換器105由方波電壓控制振蕩器107觸發(fā)以在該時期結(jié)束時形成一個矢量。因此振蕩器107的輸出周期確定該時期的長度。當(dāng)觸發(fā)發(fā)生時，到多路轉(zhuǎn)換器105的五個輸入每個上的值被記錄直到下次出現(xiàn)的五個序列采樣周期為止。觸發(fā)被延遲同樣的五個時鐘周期。
在各個線上的數(shù)據(jù)可被視為形成了一個數(shù)據(jù)矢量。在上述專利申請說明中所述的機(jī)器初始發(fā)行時，由在第一線上在第一采樣時間上有效的數(shù)據(jù)，在第二數(shù)據(jù)線上在第二采樣周期上可以利用的數(shù)據(jù)，等等構(gòu)成數(shù)據(jù)矢量。這就形成了上述延遲觸發(fā)設(shè)置。
但是，在有改進(jìn)速度特性的機(jī)器以后的發(fā)行時，有可能對于所有的數(shù)據(jù)，譬如五個輸入或線同時地記錄。因此在這些情況下數(shù)據(jù)矢量在每個采樣周期上構(gòu)成了所有可用的數(shù)據(jù)。因此有可能對每個采樣周期而不是對每個采樣周期序列進(jìn)行分類。
如圖5所示，如果需要附加的參數(shù)，則可以級聯(lián)形式再設(shè)置一個或多個多路轉(zhuǎn)換器105A等。在此，多路轉(zhuǎn)換器105A高端輸入上的值被直接導(dǎo)入到多路轉(zhuǎn)換器105A的輸出。這種布置可使多路器105及105A相級聯(lián)，以形成一個在相繼采樣周期記錄的具有不同參數(shù)值的數(shù)據(jù)流。
由圖4可見，多路轉(zhuǎn)換器105輸入到ID3圖標(biāo)108。這可以被設(shè)置成兩種不同方式。在第一方式中數(shù)據(jù)被采集，而在第二方式中由ID3算法建立的判定樹算法被運行。
由于ID3圖標(biāo)108設(shè)置成數(shù)據(jù)收集方式，所以可以收集在各個日期上對各個電動機(jī)作出的測試結(jié)果。該結(jié)果表示在下表中表1測試 SiMaxRlMaxAMaxChAvg5lAlt分類DO/MM/YY.#nAmps Amps d8 m/sec2Amps27/01/92.#1120 25 100 23 - 無損壞27/01/92.#2111 26 110 10 - 無損壞28/01/92.#3130 30 105 30 10 轉(zhuǎn)子卡住等表1中第一欄只是測試日期及被測電動機(jī)的號碼。以下五欄是五個參數(shù)的結(jié)果，最后一欄是表示歷史性結(jié)論的分類。對于該欄的典型分類如下1.更換整個電動機(jī)2.重繞定子3.更換轉(zhuǎn)子4.不用修理。
該分類可用三種方法中的一種得到，首先，上述專家的作用及他根據(jù)測量參數(shù)發(fā)生的指令可用作分類的基礎(chǔ)。這將產(chǎn)生一個判定樹或別的分類程序(以下再解釋)，該程序?qū)⒅噩F(xiàn)這個專家的經(jīng)驗。該方法具有不需要任何程序變化便可使數(shù)據(jù)收集的優(yōu)點。但是一個主要的缺點是從這數(shù)據(jù)得到的結(jié)果將決不會好于由專家作出的決定。
另一方面，在此前一星期作出的維修歷史結(jié)論可用來確定分類。如果在正常工作期間某些電動機(jī)部件損壞，則其損壞類型可歸結(jié)為對具體的電動機(jī)在前期維修測量中采集的數(shù)據(jù)的分類。這個分類的優(yōu)點是允許判定樹程序解釋由專家作出的任何錯誤。但在測量之間時期，在希望對電動機(jī)不做維修的意義上來說，它有一定缺點。如果一個電動機(jī)被修理了，則與一具體測量參數(shù)相關(guān)的損壞例的數(shù)目將丟失了，因為不知道所懷疑的部件是否會損壞。但若不修理電動機(jī)可能引起安全問題。用這種替換方法產(chǎn)生的分類類型可為以下幾種1.電動機(jī)燒損2.轉(zhuǎn)子卡住3.定子絕緣損壞4.無損壞。
第三種分類方法是使用上面略述過的兩種方法。該方法由于已知結(jié)論對專家的分類有效地增加修正。
不管所使用的分類方法如何，可以得到如上面表1所指示的一個歷史結(jié)果的收集及相應(yīng)的分類。
為了建立判定樹，一種判定樹程序?qū)?yīng)用于該歷史結(jié)果。一個典型結(jié)果判定樹如下
SiAlt是否大于或等于10？| 是| 否| RiMax是否大于35？| | 是| 否| | 預(yù)料無損壞| Amax是否大于120？| | 是| 否| | 預(yù)料無損壞| 轉(zhuǎn)子將卡住SiMax是否大于128？| 是 | 否| ChAvg是否大于28？| ||| | 是 | 否| |預(yù)料無損壞| 電動機(jī)將燒損||電動機(jī)將燒損一旦判定樹產(chǎn)生出來，則就以可執(zhí)行的方式存儲到計算機(jī)存儲器中。然后就可以將ID3圖標(biāo)108轉(zhuǎn)換到其兩個方式的第二方式上。在此情況下，當(dāng)接著對一具體電動機(jī)作出一組測量時，測量值經(jīng)由多路轉(zhuǎn)換器105傳送到ID3圖標(biāo)108。然后ID3圖標(biāo)108將判定樹應(yīng)用到結(jié)果數(shù)據(jù)得到一個結(jié)論，例如“不會有故障”，或“轉(zhuǎn)子將卡住”，這是基于在判定樹中表達(dá)知識的歷史積累的預(yù)測性預(yù)料結(jié)論?；趯⑴卸鋺?yīng)用到建立此樹中未用到的歷史數(shù)據(jù)而得到的結(jié)果，一個可信度可計算出來或歸納出一個具體的結(jié)論。這能使保險公司得到一個數(shù)值基礎(chǔ)，由此能確定設(shè)備損壞的風(fēng)險。這將得到低保險費用的可能性。
ID3圖標(biāo)108是用軟件實現(xiàn)的，因為購置并連接復(fù)制這種程序功能的硬件門電路其費用昂貴得不現(xiàn)實。該說明書的附件I中所提出的是一為在判定樹建立的程序中選擇判定所用的平均信息量計算的概要。ID3算法本身從Quinlan Jr.“INDUCTION OF DECISION TREES”(Machine Learning1(1)第81-106頁，1986)中知道。
ID3算法是一個基于用于計算具有兩個結(jié)論及“n”個分類的系統(tǒng)中的平均信息量或失調(diào)量H的完全公開的算法H=W1Σi=0n-p1(i)log2p1(i)+W2Σj=0n-p2(i)log2p2(i)]]>式中，W1＝N1/(N1+N2)及W2＝N2/(N1+N2)N1＝結(jié)論1中的總例數(shù)N2＝結(jié)論2中的總例數(shù)n＝分類總數(shù)P1(i)＝分類i中具有結(jié)論1的例數(shù)除以分類i中的總例數(shù)。
P2(i)如同P1(i)，但用于結(jié)論2而非結(jié)論1。
該計算被認(rèn)為非常適用于噪音環(huán)境。樹建立程序采用上面的公式以試探各種可能的判定。選擇降低平均信息量到最大程序的判定。在該判定上對這些例子進(jìn)行劃分，然后找出兩個新的判定以進(jìn)一步把例子組分解。該過程繼續(xù)進(jìn)行直到或是平均信息量達(dá)到零或是不能發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致平均信息量進(jìn)一步下降的判定為止。
在該說明書的附件II中提出的是一個程序表，它表示當(dāng)ID3圖標(biāo)轉(zhuǎn)換到其判定樹運行方式時所進(jìn)行的程序。
在本發(fā)明申請書公開的范圍內(nèi)包括的是使用C4程序(本身是公知的)，用來對使用ID3程序建立的判定樹。進(jìn)行“修剪”或精選。
顯然，上述布置提供了巨大的好處。這就是，使用了這一裝置用來既可收集所用數(shù)據(jù)以導(dǎo)出作出樹的判定，又可收集作為產(chǎn)生解釋性判定基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)。結(jié)果是消除了所有系統(tǒng)錯誤源，因為這兩種類型的數(shù)據(jù)是在同一環(huán)境中收集的。
因此總存在一個更重要的問題，即這個可能且的確可能的問題是克服了例子集的歷史數(shù)據(jù)的整修與測量的數(shù)據(jù)整修不相同。這種數(shù)據(jù)整修可以是作為各種機(jī)構(gòu)，如濾波、定時、采樣及觸發(fā)機(jī)構(gòu)等的結(jié)果出現(xiàn)。
事實上，通過使用同一機(jī)器(科學(xué)儀器仿真機(jī))來收集數(shù)據(jù)并進(jìn)行測量不僅避免了歷史數(shù)據(jù)與實際測量數(shù)據(jù)間的差異，而且在歷史數(shù)據(jù)集本身之中上述類型的變化也被消除了。
這種數(shù)據(jù)獲取與測量的一致性被保證了，因為電路陣列可以存儲在機(jī)器的存儲器中，因此電路陣列本身、任何需要調(diào)整的圖標(biāo)的調(diào)整以及類似信息都可被存儲在與記錄數(shù)據(jù)本身同一的存儲器中。用于這種數(shù)據(jù)存儲的優(yōu)選機(jī)構(gòu)適于采用在現(xiàn)有技術(shù)數(shù)據(jù)庫、如大家知道的VBX，OLE，dBase，Paradox及Retrieve(商標(biāo))中規(guī)定新登記項的程序。這由使用者以他自身的“知識基礎(chǔ)”而無需任何專門動作便可作到。因此在一個時刻上作出的測量和在另一個時刻上作出的測量之間的任何差別可以被消除。
此外，實施解釋性測量可以被視為包括以下兩個或多個階段(A)在一個或多個被稱謂“時期”(“epochs”)的較早時間周期上獲取的例子數(shù)據(jù)；(B)應(yīng)用分類系統(tǒng)建立在分類程序中固有的“專家經(jīng)驗”，這個分類程序最終從歷史數(shù)據(jù)獲得。
(C)通過對測量程序源中獲取的數(shù)據(jù)實時地運用分類程序作出預(yù)測性測量。
因為上面所述的階段A及C是在同一電路陣列中進(jìn)行的，由此就具有相同的聯(lián)通性并可用可重復(fù)方式操作，上述消除來自歷史數(shù)據(jù)及當(dāng)前測量數(shù)據(jù)兩者的系統(tǒng)誤差的優(yōu)點能夠?qū)崿F(xiàn)。
此外，還可以獲得另外的優(yōu)點。這就是，每個作出的測量可用來向現(xiàn)有的歷史數(shù)據(jù)集增添進(jìn)一步的數(shù)據(jù)。這意味著使用該機(jī)來作出預(yù)測性或解釋性測量可以增添機(jī)器的經(jīng)驗。這種處理工作能在當(dāng)前測量的數(shù)據(jù)上或在先期存儲的數(shù)據(jù)及實時(即在下一時期以前)提供的解釋來實現(xiàn)。這樣一個過程對于機(jī)器學(xué)習(xí)是基本的。所述的機(jī)器結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)這一過程。
類似地，機(jī)器中的分類經(jīng)驗，正當(dāng)一個新測量開始并記錄數(shù)據(jù)時，對于應(yīng)用或修改是可用的，而無需中斷數(shù)據(jù)的獲取。在第一種情況下，分類系統(tǒng)應(yīng)用于新收集的數(shù)據(jù)。這是操作中的階段C。但是，基于添加測量數(shù)據(jù)，該新獲得的數(shù)據(jù)也可用來修改現(xiàn)有的分類程序，并從那時刻起修改的分類程序可被使用。這種使用可以是對于新數(shù)據(jù)(階段C)或?qū)τ谛薷姆诸惓绦蛩玫淖罱鼣?shù)據(jù)(按階段B及C的順序)。
現(xiàn)在參照圖6及7來描述第二實施例，該實施例涉及根據(jù)數(shù)的大小將數(shù)分成四類的一個電路。如果這個數(shù)僅是個位數(shù)，則被分類到類1，如果該數(shù)是十位數(shù)的大小，則被分類到類2，如果該數(shù)是在百位數(shù)的范圍中，則被分類到類3，最后如果其大小是在幾千的范圍中則被分類到類4。顯然，數(shù)的范圍在該實施例中被限定在四位數(shù)。
分類電路200是由圖6中所示的電路陣列或電路框圖來仿真的。這些數(shù)本身由四個白色噪聲發(fā)生器201的裝置發(fā)生，每個發(fā)生器由一偽隨機(jī)數(shù)發(fā)生器組成，在這些代表千位、百位及十位數(shù)的情況下，該發(fā)生器的輸出連接到一個限幅器202上。由于每個白色噪聲發(fā)生器201具有在長時間周期期間上取平均的平均值零，因此對于個位的白色噪音發(fā)生器連接到一個偏置電壓發(fā)生器203上，以給出一個處于幅值5的中間值。
每個數(shù)發(fā)生器的輸出通向兩個方向。在第一個“水平”方向上，該輸出經(jīng)過采樣及保持電路205并由此到達(dá)數(shù)字顯示器206。這四個數(shù)字顯示器206具有如在圖7中分別以A、B、C及D指示的輸出，其中顯示器A代表千位及顯示器D代表個位。
采樣及保持電路205的輸出也作為輸入連接到多路轉(zhuǎn)換器207，后者的輸出受到ID3分類器208的操作。ID3分類的結(jié)果均被顯示在數(shù)字顯示器209(圖7中標(biāo)記為“ID3 Class”)中。此外，ID3分類器208的輸出也借助于構(gòu)成圖7中圖表輸出的一個可視顯示器210的裝置來顯示。
在圖6中白色噪聲發(fā)生器201上方是定時及計數(shù)電路，它確定作出測量的速率，并也確定發(fā)生參數(shù)累積的“時期”或時間周期。該電路基本上包括一個可變頻率方波發(fā)生器212，一個觸發(fā)電路213及一個計數(shù)器214。為了保證同步，計數(shù)器214的輸出用作整個電路的觸發(fā)，由計數(shù)器214允許的最大計數(shù)能通過檢驗框輸入215確定。這確定了“時期”的長度，該時間周期在不同的應(yīng)用中能在一個采樣及多個采樣之間變化。這樣一個輸入為了用在分類程序中能允許輸入非采集數(shù)據(jù)。這些非采集或非測量數(shù)據(jù)可包括病人年齡，性別，膚色，居住地；一個主供電電源的額定電壓，額定頻率；機(jī)器的類型，機(jī)器的年齡，潤滑等級，等等。
數(shù)發(fā)生器的輸出也“垂直地”通向邏輯網(wǎng)絡(luò)218，它借助于各種邏輯門來計算一種控制或檢驗分類，對該分類可用ID3分類器208產(chǎn)生的分類與之比較。由邏輯網(wǎng)絡(luò)218計算的分類結(jié)果可在數(shù)字顯示器219上顯示。該控制結(jié)果可顯示在圖7中標(biāo)題為“ID3 class”的框中。
由邏輯網(wǎng)絡(luò)218確定的分類及由ID3分類器確定的分類均被輸入到比較電路220中，以便能計算出誤差并在數(shù)字顯示器221中顯示。該顯示出現(xiàn)在圖7中標(biāo)題“Errors”的下面。此外，借助于計數(shù)器222，所有的例子總數(shù)能顯示在數(shù)字顯示器223中，并也可計算百分比誤差并顯示在數(shù)字顯示器224中。
圖6電路操作的結(jié)果表示在圖7中。此圖代表可視顯示器210的輸出，此輸出根據(jù)給出的級3呈現(xiàn)在圖7中圖形軌跡的左側(cè)。四個接連的先期采樣分別產(chǎn)生出1，3，0及2的結(jié)果。
當(dāng)前采樣的信息在圖形或軌跡緊靠下方的框中給出。該采樣是在一采樣序列采樣的第136個，而由白色噪聲發(fā)生器201對于該具體采樣產(chǎn)生的數(shù)具有數(shù)值205。它被ID3分類器208正確地分類成類3(即數(shù)百)該數(shù)的表示如圖7中所示。但是，ID3分類器208不是完全無誤差的，而且將看到在136號的采樣或例子中至今已由該邏輯網(wǎng)絡(luò)218給出百分比誤差率為3.67的邏輯網(wǎng)絡(luò)218檢測出5個誤差。
現(xiàn)在來看圖8至10，本發(fā)明的一個第三實施例，在此例中現(xiàn)在將結(jié)合一個神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)而不是ID3判定樹進(jìn)行描述。這里分類程序用于一反饋網(wǎng)絡(luò)中，該網(wǎng)絡(luò)用來基本恒定地維持窯300的溫度，該窯接收用于燒制的物301，這些物品用傳送帶302傳入和傳出窯300。由于物品301是以不規(guī)則的距離分布在傳送帶302上，窯需要的熱量和窯的溫度將根據(jù)物品301在傳送帶302上的距離分布而變化。
窯300具有一個煤氣燃燒器303，它的煤氣由煤氣供給罐304供給，該煤氣罐從一煤氣源(未示出)用一個可打開或關(guān)閉的進(jìn)氣閥305充滿煤氣。進(jìn)氣閥305是一典型的螺線管線圈操作閥。
煤氣罐304中設(shè)有一個浮動臂306(虛線所示)，它操作一個液位指示器307，指示在煤氣罐304中液化氣的液位L。液位L在一定程度上依賴于由溫度傳感器308指示出的室溫T1，煤氣罐上也設(shè)有指示壓力P的壓力傳感器。將煤氣罐304與煤氣燃燒器303相互連接的管道310包括一個用于測量傳給燃燒器303的煤氣流率F的流率發(fā)送器311，窯300中也設(shè)有溫度傳感器312，以提供指示窯300溫度T2的信號。各個傳感器及發(fā)送器的輸出與AMLAB(注冊商標(biāo))解釋性測量儀313相連接，該儀器既作傳感檢測又控制電信號V，電信號V將確定進(jìn)氣閥305是開還是關(guān)。
現(xiàn)在參見圖9，它表示產(chǎn)生所需反饋結(jié)果的仿真電路，其中隔離放大器315連接到每個傳感器307，308，309，311及312上。一個電壓參考源316用來確定被控制的窯溫度。該參考電壓從溫度傳感器312的輸出中減去，以便提供一個決定窯300的溫度應(yīng)上升還是下降的控制信號。各種電輸入連接在多路轉(zhuǎn)換器317上，317的輸出連接到一神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)圖標(biāo)318。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)圖標(biāo)318的輸出經(jīng)由邏輯門319返回到多路轉(zhuǎn)換器317的輸入端。該信號完成反饋路徑并用量化器320數(shù)字化，以便提供給進(jìn)氣閥305一個開關(guān)信號。
由神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)圖標(biāo)318代表的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)概要地表示在圖10中，如同一個三層感知對象，這種表示是根據(jù)Hinton及Sejnowski(1987年)的表示改編的。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入分別由窯溫度T2(或該溫度與它期望控制值的差)，導(dǎo)致煤氣燃燒器303的管道310中氣體的流率F，煤氣罐304中的氣壓P、煤氣罐304中液化氣體的液位L、室溫T1及進(jìn)氣閥305是否打開等組成。這些信號中心每個根據(jù)預(yù)定的權(quán)W進(jìn)行加權(quán)，該神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出是指示進(jìn)氣閥305是應(yīng)該開還是閉的信號。
由以上描述的三個實施例清楚地看到有三個能應(yīng)用分類程序的情況。第一種情況是在整個輸入數(shù)據(jù)范圍上只可能有一個結(jié)論的情況。例如，機(jī)車電動機(jī)根據(jù)電動機(jī)特性作出的具體的測量是否需更換。在此情況下，僅有一個結(jié)論且在每個期間僅有一個數(shù)據(jù)采樣。
在第二種情況中，具有一組在一定時間周期上啟動采樣的狀態(tài)。這引起對于每個事件有一個單獨分類或單種例子。這些例子包括監(jiān)測，譬如每15秒鐘檢測一個連續(xù)流，并作為監(jiān)測的結(jié)果判定為該流是流通還是堵塞。另一例子可以包括檢測一個泵是否仍工作及在被泵的液體中有無氣穴。如果檢測出氣穴，則泵功率應(yīng)被降低。這種情況的另一例是在第二實施例中進(jìn)行的數(shù)大小的檢測。
第三種類型的情況是在每個采樣周期中根據(jù)分類程序作出分類。尤其是它能使分類程序使用在控制環(huán)中，第三實施例示范了這種情況。
雖然已經(jīng)給出的是ID3分類程序及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類程序的詳細(xì)實施例，但本發(fā)明同樣可應(yīng)用于另外類型的分類程序，其包括模糊邏輯，基于規(guī)則的專家系統(tǒng)，或?qū)?shù)回歸。所有這些類型的分類程序可應(yīng)用在連續(xù)數(shù)據(jù)流環(huán)境中，在其中將進(jìn)行數(shù)據(jù)收集、分類及解釋性測量。
上述這些實施例示范了本發(fā)明大大地提高了解釋性儀器效率的兩個特征，它們?nèi)缦?.不同類型的數(shù)據(jù)可同時獲取。此數(shù)據(jù)可以是各種采用色、圖象幅值、酸度(pH)或溫度。這能方便地實現(xiàn)，因為在一個連接牢靠的硬件結(jié)構(gòu)中的所有傳感器的輸入被同時采樣，該結(jié)構(gòu)包含無通信延遲，否則會使周期的開始和結(jié)束擺動。類似地，該儀器的顯示能力是這樣的，即對選擇的采樣組在同步時間周期上以高更新率顯示同步數(shù)據(jù)。一個采樣組的選擇可在測量開始時作出以便建立采樣組。
2.具有兩種處理方式，它們確定最后的輸出并在已知及可重復(fù)的時間周期中完成，而不管輸入狀態(tài)的組合如何。其中第一種以基本采樣速率操作并能實現(xiàn)信號處理。第二種以周期速率操作，例如執(zhí)行分類程序。在包含解釋性測量儀器的迭代控制系統(tǒng)診斷性系統(tǒng)中，為了系統(tǒng)的穩(wěn)定，分類程序應(yīng)足夠頻繁進(jìn)行。周期速率通常低于采樣速率。但是，周期速率及采樣速率也可相同。這特別要同在“機(jī)器學(xué)習(xí)”狀況時出現(xiàn)增加的采樣組一起使用。
這樣一種解釋性儀器在其能力是內(nèi)在地可擴(kuò)展，并且如描述的多處理或結(jié)構(gòu)可理想地適用這點，因為它可在IBM PC外圍環(huán)境中操作，這是當(dāng)今世界上最廣泛使用的計算機(jī)。
上面描述的僅是本發(fā)明的某些實施例，顯然，對于熟悉該技術(shù)領(lǐng)域的人員，在不偏離本發(fā)明的精神和范圍的情況下可以作出各種改型。
權(quán)利要求
1.一種包含計算機(jī)裝置的解釋性測量儀器，該計算機(jī)裝置包括一個存儲裝置及至少兩個處理器，具有多個模擬信號輸入端且有數(shù)字化裝置連接到每個輸入端，并形成相應(yīng)數(shù)字輸出的輸入模數(shù)轉(zhuǎn)換裝置，信號操作裝置，它與所述數(shù)字輸出相連接以將其上數(shù)據(jù)輸送到所述存儲裝置，并把一分類程序存儲在所述存儲裝置中并能對所述傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行操作以基于所述傳輸數(shù)據(jù)計算解釋性結(jié)論。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的儀器，其中分類程序使用存儲在所述存儲器中并經(jīng)由所述模擬輸入及信號操作裝置輸入其中的歷史數(shù)據(jù)，對這樣的數(shù)據(jù)采用同樣的信號整修，根據(jù)該數(shù)據(jù)進(jìn)行解釋性測量，由此基本上消除了數(shù)據(jù)整修的誤差。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的儀器，其中所述存儲裝置接收所述傳送數(shù)據(jù)并用該數(shù)據(jù)增補(bǔ)所述歷史數(shù)據(jù)，由此用每次作出的測量來增加歷史數(shù)據(jù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的儀器，其中所述分類程序被存儲在所述存儲裝置中積累的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行修改。
5.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的儀器，其中所述存儲裝置被分成時期部分，及所述傳送數(shù)據(jù)根據(jù)所述傳送數(shù)據(jù)產(chǎn)生的時刻或時間被分配到所述存儲裝置的不同時期部分中。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項所述的儀器，其中所述信號操作裝置包括一個多路轉(zhuǎn)換器裝置，用以形成一個具有由所述數(shù)字化裝置基于順序采樣數(shù)字化的數(shù)據(jù)形成的數(shù)據(jù)值的數(shù)據(jù)矢量。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項所述的儀器，其中所述信號操作裝置包括一個多路轉(zhuǎn)換裝置，用以形成一個具有由同時采樣被所述數(shù)字化裝置數(shù)字化的數(shù)據(jù)而形成的數(shù)據(jù)值的數(shù)據(jù)矢量。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一項所述的儀器，其中所述信號操作裝置包括非測量數(shù)據(jù)輸入裝置，由此傳送到所述存儲器的數(shù)據(jù)包括不經(jīng)過所述模擬信號輸入端輸入的數(shù)據(jù)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至8中任一項所述的儀器，其中所述分類程序嵌入在一個反饋和/或控制環(huán)中。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至8中任一項所述的儀器，其中所述分類程序是從由ID3判定樹及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)組成的組中選出的。
11.根據(jù)權(quán)利要求1至9中任一項所述的儀器，其中所述分類程序包括從由模糊邏輯，基于規(guī)則的專家系統(tǒng)及對數(shù)回歸組成的組中選出的邏輯。
12.根據(jù)權(quán)利要求1至11中任一項所述的并包括在PCT/AU92/00076專利申請中要求保護(hù)的科學(xué)儀器仿真機(jī)的一種解釋性測量儀器。
13.從一種使用如權(quán)利要求1中限定的解釋性測量儀器由測得的一組參數(shù)來計算解釋性結(jié)論的方法，所述方法包括下列步驟(1)形成一個先期測量數(shù)據(jù)的集合，每個數(shù)據(jù)包括在特定時間上測得的一組參數(shù)；(2)對所述集合中的所述組的每個分配一個結(jié)果；(3)產(chǎn)生一個使用所述集合并將其存儲在儀器存儲器中的分類程序；(4)測量所述參數(shù)的一個進(jìn)一步的組；及(5)對所述一個進(jìn)一步的組運用所述分類程序以產(chǎn)生所述解釋性結(jié)論。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中步驟1及5是在同一解釋性測量儀器上進(jìn)行的，由此基本上消除了數(shù)據(jù)整修誤差。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中在步驟4中測得的進(jìn)一步的組參數(shù)被添加到在步驟1中形成的先期測量數(shù)據(jù)集合中。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，還包括步驟(6)使用所述增大的集合修改所述分類程序，該被修改的分類程序被存儲在儀器存儲器中；及(7)在隨后的時間上，對所述一個進(jìn)一步的組運用修改后的分類程序以產(chǎn)生一個修改的解釋性結(jié)果。
17.根據(jù)權(quán)利要求13至16中任一項所述的方法，其中把先期測量數(shù)據(jù)的集合根據(jù)所述收集先期測量數(shù)據(jù)的時間或時刻分成各時期部分。
18.根據(jù)權(quán)利要求13至17中任一項所述的方法，包括將非測量數(shù)據(jù)輸入所述參數(shù)組或進(jìn)一步參數(shù)組的步驟。
19.根據(jù)權(quán)利要求13至18中任一項所述的方法，其中每個所述參數(shù)組包括一個具有由順序或同時采樣形成的數(shù)據(jù)值的數(shù)據(jù)矢量。
20.根據(jù)權(quán)利要求13至19中任一項所述的方法，其中所述分類程序使用從由ID3判定樹，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，模糊邏輯，基于規(guī)則的專家系統(tǒng)及對數(shù)回歸組成的組中選出的邏輯。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種包括在IBM PC外圍環(huán)境中的測量儀器，它能對作出的或采樣得到的測量作出解釋以提供預(yù)測性或診斷性結(jié)論，基于作出的測量在一特定時間周期、一個時期、短至測量采樣周期的時期中，在所作的所有測量上實現(xiàn)分類程序。該分類程序有產(chǎn)生預(yù)測性或診斷性的能力。該程序也可用于反饋控制結(jié)構(gòu)中。
文檔編號G07C3/00GK1132563SQ94193668
公開日1996年10月2日 申請日期1994年8月26日 優(yōu)先權(quán)日1993年8月26日
發(fā)明者J·D·奧蒂斯 申請人:結(jié)合量度有限公司