本書的主要特色在于知識建模和智能推理技術(shù)方面的創(chuàng)新，并基于知識圖譜建模和智能推理技術(shù)的集成完成了一系列應(yīng)用軟件的開發(fā)，直觀形象、易學(xué)易用。本書是AI3軟件的詳盡解讀，分為AI3普及版（自由拷貝，不限使用）、AI3智能教學(xué)版以及AI3專業(yè)版（適用于復(fù)雜過程工業(yè)系統(tǒng)AI應(yīng)用）。
系統(tǒng)理論的發(fā)展為知識本體建模提供了更為系統(tǒng)化和結(jié)構(gòu)化的方法。成功的美國實(shí)時在線人工智能專家系統(tǒng)G2已經(jīng)在20000個以上工業(yè)應(yīng)用和軍事應(yīng)用中取得實(shí)效。知識圖譜的下一波應(yīng)用呼喚著新一代專家系統(tǒng)的誕生。部分科技發(fā)達(dá)國家已經(jīng)將智能教學(xué)系統(tǒng)大規(guī)模應(yīng)用于學(xué)校和職業(yè)教育領(lǐng)域。目前，國產(chǎn)化、實(shí)用、高質(zhì)量、通用性人工智能專家系統(tǒng)軟件奇缺，現(xiàn)有的教科書多數(shù)局限于人工智能自身概念或原理介紹，構(gòu)建領(lǐng)域知識本體和人工智能工業(yè)應(yīng)用技術(shù)的指導(dǎo)書奇缺。急需向應(yīng)用群體廣泛普及人工智能的實(shí)用知識，急需開發(fā)大眾化、方便易用、先進(jìn)的新一代人工智能應(yīng)用軟件，并將其推廣普及。這就是我們撰寫本書的初衷。
本書的主要特色在于知識建模和智能推理技術(shù)方面的創(chuàng)新，并基于知識圖譜建模和智能推理技術(shù)的集成，完成了一系列應(yīng)用軟件的開發(fā)，直觀形象、易學(xué)易用。所開發(fā)的具有自主知識產(chǎn)權(quán)的高速、高效、省容、多功能通路與回路推理機(jī)，是實(shí)現(xiàn)人工智能應(yīng)用的“卡脖子”技術(shù)，在本書中公開了算法和程序，僅用一臺微機(jī)或筆記本電腦就可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜系統(tǒng)的人工智能應(yīng)用。
本書內(nèi)容主要包括：運(yùn)用知識工程的知識本體論理念，解讀人類的工業(yè)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)知識和相關(guān)國際信息標(biāo)準(zhǔn)，擴(kuò)展具體事件和概念事件、靜態(tài)連接關(guān)系與動態(tài)影響關(guān)系的認(rèn)知；獲取計算機(jī)化、圖形化、自然語言化、標(biāo)準(zhǔn)化精準(zhǔn)表達(dá)人類知識的知識圖譜全譜模型（大數(shù)據(jù)+靜態(tài)知識+動態(tài)知識模型）；探索因果模型與代數(shù)方程組和微分方程組的直接聯(lián)系，提出實(shí)用的因果模型結(jié)構(gòu)信息的影響方程表達(dá)方法；基于符號有向圖與因果有向模型（SDG＋CDG）進(jìn)行反事實(shí)推理“挖掘”，以實(shí)現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用的深度學(xué)習(xí)方法；知識圖譜建模與智能推理系列軟件平臺AI3的設(shè)計與開發(fā)，以及AI3在智能教學(xué)和過程工業(yè)中的實(shí)際應(yīng)用案例。
本書是AI3軟件的詳盡解讀，軟件分為AI3普及版（自由拷貝，不限使用）、AI3智能教學(xué)版以及AI3專業(yè)版（適用于復(fù)雜過程工業(yè)系統(tǒng)AI應(yīng)用）。形式化知識圖譜仿真軟件MPCE和CSA，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)仿真建模、控制系統(tǒng)組態(tài)、硬件在回路、被控對象模型在回路聯(lián)合組態(tài)與多功能仿真實(shí)驗(yàn)。實(shí)時智能型危險化學(xué)品特種作業(yè)仿真培訓(xùn)系統(tǒng)AI3-RT-TZZY，是一種功能完備的智能化操作工培訓(xùn)軟件，也是知識圖譜模型驗(yàn)證的綜合型工具軟件。實(shí)時在線專家系統(tǒng)“石油化工裝置安全運(yùn)行指導(dǎo)系統(tǒng)PSOG”，在數(shù)個大型石化裝置試運(yùn)行成功。所有技術(shù)細(xì)節(jié)，包括高效通路、回路推理算法和原理程序，以及實(shí)際應(yīng)用案例，都總結(jié)在本書之中。以上進(jìn)展無意中已經(jīng)邁進(jìn)了新一代人工智能專家系統(tǒng)的門檻。
本書內(nèi)容是幾十年來師生合作，多單位、多學(xué)科和多個科研團(tuán)隊(duì)集體智慧的總結(jié)。在此對所有參與和支持我們科研與工業(yè)應(yīng)用工作的單位和個人表示衷心的感謝。其中做出重要貢獻(xiàn)的有：北京思創(chuàng)信息系統(tǒng)有限公司總經(jīng)理納永良博士；北京化工大學(xué)信息學(xué)院張貝克副教授、許欣博士和高東博士等；清華大學(xué)自動化系王雄教授、肖德云教授和楊帆博士后等；中石化青島安全工程研究院張衛(wèi)華教授級高級工程師。納永良博士撰寫了本書第三章3.2.6節(jié)和第八章8.2節(jié)。張衛(wèi)華博士為本書第八章提供了材料。借此機(jī)會也對國家應(yīng)急管理部危險化學(xué)品安全監(jiān)督管理司新老領(lǐng)導(dǎo)、中國化學(xué)品安全協(xié)會新老領(lǐng)導(dǎo)和相關(guān)工作人員給予我們安全科技成果的充分認(rèn)可、悉心指導(dǎo)和大力推廣普及表示由衷的感謝！
研究人工智能知識圖譜建模與智能推理關(guān)鍵技術(shù)及軟件并應(yīng)用于實(shí)踐，是我們長期的夢想和不懈的追求。期望AI3系列軟件與仿真訓(xùn)練軟件的聯(lián)合平臺在教學(xué)實(shí)踐環(huán)節(jié)中發(fā)揮作用；期望本書在人工智能應(yīng)用技術(shù)的研發(fā)方面對科研人員具有拋磚引玉的作用。其中，AI3軟件的普及版可登錄官方網(wǎng)站 www.cipedu.com.cn自行下載使用。
鑒于時間所限，書中難免存在不足之處，懇請廣大讀者批評指正。
吳重光
2020年12月
第一章緒論1
1.1知識圖譜建模與智能推理的概念和沿革1
1.2知識圖譜和智能推理的應(yīng)用進(jìn)展4
1.3知識圖譜建模與智能推理的需求分析12
1.4本書各章內(nèi)容概要15
第二章知識本體、信息標(biāo)準(zhǔn)化和領(lǐng)域知識本體17
2.1知識本體17
2.1.1知識本體的基本類型19
2.1.2知識本體的設(shè)計規(guī)則20
2.2工業(yè)自動化信息國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 15926 21
2.2.1ISO 15926簡介21
2.2.2ISO 15926-2知識本體的基本要素23
2.3ISO 15926原理借鑒和擴(kuò)展31
2.3.1過程系統(tǒng)的領(lǐng)域知識本體內(nèi)容信息分類31
2.3.2過程系統(tǒng)的領(lǐng)域知識本體結(jié)構(gòu)信息分類32
2.3.3影響方程35
2.4過程系統(tǒng)的領(lǐng)域知識本體總貌37
2.5劇情對象模型（SOM）39
2.5.1劇情的定義39
2.5.2危險劇情的定義39
2.5.3劇情對象模型（SOM）設(shè)計40
2.5.4危險劇情在系統(tǒng)安全領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)展48
第三章方法和任務(wù)知識本體56
3.1常用推理分析方法56
3.1.1演繹法——正向推理56
3.1.2歸納法——反向推理57
3.1.3溯因法——雙向推理58
3.1.4默認(rèn)推理58
3.1.5因果反事實(shí)推理59
3.2可操作性分析（HAZOP）方法60
3.2.1HAZOP的產(chǎn)生背景和意義60
3.2.2HAZOP國際標(biāo)準(zhǔn)和術(shù)語定義61
3.2.3HAZOP原理62
3.2.4設(shè)計描述64
3.2.5HAZOP應(yīng)用65
3.2.6HAZOP分析步驟67
3.2.7人工HAZOP分析方法的不足和改進(jìn)76
3.3保護(hù)層分析（LOPA）方法81
3.3.1LOPA的定義和作用81
3.3.2LOPA的優(yōu)點(diǎn)82
3.3.3LOPA的局限性82
3.3.4LOPA的結(jié)果類型83
3.3.5執(zhí)行LOPA的必備條件83
3.3.6LOPA方法描述83
第四章高效推理算法、圖論與網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?0
4.1高效基本回路搜索算法90
4.1.1詹森回路搜索算法90
4.1.2詹森回路搜索算法原理92
4.1.3有向圖基本回路搜索算法程序92
4.2有向圖基本通路搜索算法及程序97
4.2.1有向圖基本通路搜索算法要點(diǎn)97
4.2.2有向圖基本通路搜索算法程序設(shè)計98
4.2.3基本通路搜索算法程序例題99
4.3網(wǎng)絡(luò)獨(dú)立通路和回路搜索算法應(yīng)用案例100
4.3.1信號流圖的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)解法100
4.3.2圖形化控制系統(tǒng)信號流圖分析CSA軟件101
4.3.3采用CSA自動解算復(fù)雜信號流圖系統(tǒng)107
4.4回路搜索和推理在動態(tài)系統(tǒng)分析和決策中的作用113
第五章基于符號有向圖（SDG）的深度學(xué)習(xí)119
5.1符號有向圖（SDG）方法的歷史與進(jìn)展121
5.2SDG方法的優(yōu)缺點(diǎn)123
5.3SDG原理與建模124
5.3.1定量和定性仿真與SDG的關(guān)系124
5.3.2SDG模型及定義126
5.3.3SDG建模方法和原則128
5.3.4SDG模型的主要推理機(jī)制131
5.4SDG簡單建模實(shí)例132
5.4.1世界系統(tǒng)SDG建模132
5.4.2離心泵與液位系統(tǒng)SDG建模133
5.5SDG模型簡化141
5.6加熱爐SDG建模與驗(yàn)證試驗(yàn)142
5.6.1加熱爐工藝流程簡介143
5.6.2加熱爐故障診斷模型的建立145
5.6.3SDG模型檢驗(yàn)與驗(yàn)證方法分類152
5.6.4加熱爐SDG故障診斷試驗(yàn)154
5.7反應(yīng)再生裝置SDG故障診斷試驗(yàn)158
5.7.1反應(yīng)再生裝置工藝流程簡介158
5.7.2反應(yīng)再生裝置故障診斷模型的建立162
5.7.3反應(yīng)再生裝置SDG故障診斷試驗(yàn)167
5.8SDG深度學(xué)習(xí)啟示172
第六章知識圖譜建模與智能推理軟件AI3的設(shè)計與開發(fā)174
6.1AI3概述174
6.2AI3總體功能、結(jié)構(gòu)設(shè)計描述和應(yīng)用174
6.3圖形化人機(jī)界面使用說明與要點(diǎn)177
6.3.1AI3圖形化建模編程要點(diǎn)177
6.3.2AI3基本畫面和圖形化操作方法設(shè)計與實(shí)現(xiàn)178
6.4推理引擎開發(fā)190
6.4.1具體事件一致性和條件約束推理方法190
6.4.2正向推理192
6.4.3反向推理192
6.4.4雙向推理193
6.4.5AI3推理速度測試194
6.5推理輸出結(jié)果表達(dá)197
6.5.1AI3推理結(jié)果畫面197
6.5.2工況數(shù)據(jù)（“快門”）一覽表202
6.5.3反應(yīng)溫度記錄曲線查詢202
6.5.4模型中具體事件超限狀態(tài)顯示203
6.6AI3應(yīng)用建模方法205
6.6.1經(jīng)驗(yàn)漸進(jìn)法建模要點(diǎn)206
6.6.2“與門”串聯(lián)連接規(guī)則206
6.6.3經(jīng)驗(yàn)與深度學(xué)習(xí)相結(jié)合的建模要點(diǎn)207
6.6.4知識圖譜的初步認(rèn)知212
第七章AI3在智能教學(xué)中的應(yīng)用214
7.1智能教學(xué)系統(tǒng)（ITS）應(yīng)用進(jìn)展214
7.2學(xué)習(xí)內(nèi)容、教學(xué)方法和智能教學(xué)219
7.3智能仿真培訓(xùn)系統(tǒng)222
7.4知識本體模型與仿真模型的協(xié)同技術(shù)226
7.4.1仿真模型的質(zhì)量評估226
7.4.2動態(tài)仿真模型的特點(diǎn)及建模注意事項(xiàng)229
7.5高精度動態(tài)仿真模型開發(fā)案例231
7.5.1充分利用工程設(shè)計的成熟計算方法231
7.5.2閥門特性仿真建模234
7.5.3間歇反應(yīng)動力學(xué)仿真建模238
7.6多功能過程與控制仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)245
7.6.1MPCE實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)成246
7.6.2MPCE過程動態(tài)特性測試實(shí)驗(yàn)案例254
7.6.3PID控制器參數(shù)整定實(shí)驗(yàn)257
7.7MPCE連續(xù)反應(yīng)先進(jìn)控制案例262
7.7.1連續(xù)反應(yīng)系統(tǒng)（CSTR）工藝流程262
7.7.2CSTR控制硬件配置263
7.7.3CSTR控制目標(biāo)263
7.7.4CSTR系統(tǒng)測試及分析264
7.7.5系統(tǒng)控制策略設(shè)計267
7.8智能型危險化學(xué)品特種作業(yè)仿真培訓(xùn)與考核軟件272
7.8.1重特大事故的主因——人為失誤274
7.8.2預(yù)防操作工人為失誤必要的技能、難點(diǎn)和解決方法274
7.8.3危險化學(xué)品特種作業(yè)實(shí)際操作仿真培訓(xùn)與考核系列軟件276
7.8.4AI3-TZZY培訓(xùn)與考核軟件內(nèi)容277
7.8.5AI3-TZZY系統(tǒng)考核方法要點(diǎn)279
7.8.6AI3-TZZY培訓(xùn)與考核軟件特點(diǎn)280
7.8.7智能仿真培訓(xùn)系列軟件主要類型288
7.8.8AI3和智能仿真軟件適用范圍288
第八章AI3在過程工業(yè)中的應(yīng)用290
8.1大型過程工業(yè)智能安全評估應(yīng)用290
8.2智能HAZOP軟件CAH使用方法295
8.3大型過程工業(yè)智能故障診斷探索308
結(jié)語316
附錄一因果反事實(shí)推理“如果-怎么樣？”化工過程典型問題集319
附錄二專家陪練-AI3軟件說明334
參考文獻(xiàn)341
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