基于專(zhuān)家系統的儲糧機械通風(fēng)控制系統

1 引 言

　　儲糧機械通風(fēng)作為一項重要的科學(xué)保糧技術(shù)，已被我國糧食儲備庫廣泛應用。1998年以來(lái)，國家在新建的糧庫中都配備了機械通風(fēng)等儲糧新沒(méi)備。但是當前這些設備并沒(méi)能真正實(shí)現機械通風(fēng)自動(dòng)化控制。目前情況下，當糧溫達到一定限度時(shí)，人工進(jìn)行通風(fēng)處理。而糧情變化一般與原糧含水率、倉儲環(huán)境溫度和濕度的變化有關(guān)，所以這種處理方法沒(méi)有達到對儲備糧變化歷史進(jìn)行科學(xué)化的處理，更不能對糧情變化情況做出準確預測。一個(gè)科學(xué)化、智能化與自動(dòng)化的現代儲糧機械通風(fēng)系統在國內一直沒(méi)有建立起來(lái)。

　　專(zhuān)家系統是用基于知識的程序設計方法建立起來(lái)的計算機系統，他綜合集成某個(gè)特殊領(lǐng)域內專(zhuān)家的知識和經(jīng)驗，能像專(zhuān)家那樣運用這些知識通過(guò)推理，通過(guò)模擬人類(lèi)專(zhuān)家作決定的過(guò)程來(lái)解決那些專(zhuān)家才能解決的復雜問(wèn)題。儲糧機械通風(fēng)專(zhuān)家系統是計算機專(zhuān)家系統在儲糧管理專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域的一個(gè)應用，他能夠在糧庫機械通風(fēng)時(shí)的決策方面以及通風(fēng)過(guò)程中的控制方面起到一個(gè)高級儲糧專(zhuān)家的作用。儲糧機械通風(fēng)專(zhuān)家系統通過(guò)人機交互方式和系統自學(xué)習方式進(jìn)行知識獲取和修訂補充，最終擁有各種與儲糧機械通風(fēng)和糧食安全儲藏相關(guān)的數據及經(jīng)驗知識，并建立相應的數據庫、圖形庫和模型庫。通過(guò)儲糧機械通風(fēng)專(zhuān)家系統，可對不同儲糧要求和儲藏環(huán)境下的機械通風(fēng)的決策和控制進(jìn)行模擬和比較，提供給管理者和決策者一套完整的、系統的、經(jīng)濟的、有效的、安全優(yōu)化的機械通風(fēng)方案。

2 系統基本結構

　　機械通風(fēng)專(zhuān)家系統包括基礎數據庫、知識庫、推理機、解釋機、人機接口這兒個(gè)方面?；A數據庫里包含各種糧情信息，首先需要從基礎數據庫獲取信息并處理得到當前糧倉的事實(shí)類(lèi)對象，事實(shí)類(lèi)對象中封裝通風(fēng)規則表中推理所要用到的事實(shí)。有了事實(shí)類(lèi)對象，根據通風(fēng)規則表就可以進(jìn)行通風(fēng)目的和通風(fēng)方式推理，如果有匹配規則，必然會(huì )推理得到某種通風(fēng)結論。解釋機將告訴用戶(hù)得到該結論的推理依據和所依據規則的解釋。如果系統經(jīng)過(guò)推理得到某種通風(fēng)方式時(shí)，系統就會(huì )通過(guò)I／O接口向控制設備發(fā)送命令，控制通風(fēng)設備執行該通風(fēng)方式。在通風(fēng)起動(dòng)和通風(fēng)結束這兩個(gè)時(shí)刻，都會(huì )從基礎數據庫里提取糧情信息進(jìn)行糧情統計，這就是該通風(fēng)方式的效果分析，統計結果綜合并寫(xiě)入知識庫里對應的通風(fēng)效果分析表中。該表為將來(lái)選取最優(yōu)的通風(fēng)方式結論提供依據。同樣，應用程序和領(lǐng)域專(zhuān)家、知識工程師、一般用戶(hù)之間有人機接口。通風(fēng)專(zhuān)家系統人機接口完成以下2部分的工作：一是實(shí)現對通風(fēng)知識庫的維護、操作；二是提供用戶(hù)與解釋機的查看窗口。用戶(hù)通過(guò)他可以了解系統通風(fēng)推理的路徑和相關(guān)解釋。系統的基本結構如圖l所示。

3 系統實(shí)現

3.1 建立基礎數據庫

　　本通風(fēng)專(zhuān)家系統在糧情測控平臺糧情測控開(kāi)放式軟件平臺的支撐環(huán)境上進(jìn)行開(kāi)發(fā)，能夠與糧情測控組件進(jìn)行數據通信，糧情監測得到的信息都存儲在其SQL Sever數據庫中。根據通風(fēng)規則中各種事實(shí)前提設計一個(gè)事實(shí)類(lèi)。然后根據糧情檢測系統監控得到的數據實(shí)例化事實(shí)類(lèi)。每隔一個(gè)系統的采樣周期，會(huì )從糧情數據庫中提取一次新的數據，同時(shí)事實(shí)類(lèi)對象中的內容也會(huì )作相應的改變。從后面的規則表會(huì )發(fā)現，規則表中前提條件中所需要的事實(shí)從糧情數據庫中并不能直接獲得，必須要通過(guò)糧情數據庫中的數據處理計算才能得到。例如溫度梯度最大值就是根據糧倉中檢測點(diǎn)布局情況和當時(shí)所檢測的各個(gè)檢測點(diǎn)溫度值計算出來(lái)的。目前該數據類(lèi)包括以下幾個(gè)方面的數據分量：

　　(1)與糧堆水分相關(guān)的參數

　　平均水分，表層、中層、低層平均水分，上下層水分差，水分梯度最大值、水分梯度平均，上中層、中下層水分梯度。

　　(2)與糧堆溫度相關(guān)的參數

　　平均溫度、溫度最大值、溫度最小值、上下層溫度差、溫度梯度最大值、溫度梯度平均。

　　(3)與大氣溫濕度相關(guān)的參數

　　大氣露點(diǎn)溫度，即時(shí)大氣絕對濕度，糧堆溫度下的大氣相對濕度。

　　(4)與糧食濕度有關(guān)的一些參數

　　糧堆的平衡相對濕度，即時(shí)糧溫下的糧食平衡絕對濕度，按糧食水分分別減1，增加2.5，不變獲得的3種水分值，按即時(shí)大氣溫度之所查得的3種平衡絕對濕度。

　　(5)溫度變化時(shí)間、溫升值、溫度上升部分的體積、糧倉內溫度、糧倉內濕度。

　　事實(shí)類(lèi)對象包含一個(gè)變長(cháng)數組vlarray，將上述的五組中的每個(gè)變量值按照先后順序依次存放在數組中，例如vlarray[0]代表上述組(1)中的變量平均水分，vlarray[9]代表上述組(2)中的平均溫度。如果將來(lái)通風(fēng)規則表中需要新的事實(shí)前提，則只需增加事實(shí)類(lèi)對象的變長(cháng)數組的長(cháng)度，并將該事實(shí)前提對應的變量值賦給變長(cháng)數組對應的分量。

3.2 建立知識庫

　　知識庫是知識的存儲機構，用于存儲領(lǐng)域專(zhuān)家經(jīng)驗、領(lǐng)域基礎知識等。其基本任務(wù)是為推理機提供問(wèn)題求解以及為解釋機構提供問(wèn)題解釋所需的知識。知識庫中的規則是根據儲糧專(zhuān)家和保管人員的知識與經(jīng)驗總結出來(lái)，每條規則就是知識庫中的一條記錄，記錄包括前提條件和結論，前提條件是由若干事實(shí)組成。目前知識是由一個(gè)字符串表達出來(lái)的，其存儲格式為“!a!b!c…@j％g!a!b!c…@j…*c”。“!”后的值a，b，c代表上述事實(shí)類(lèi)中變長(cháng)數組的下標；“@”后的j代表一個(gè)具體的數字；“％”后的g代表2個(gè)條件之間的關(guān)系；而“*”后的c代表某種通風(fēng)結論，例如通風(fēng)規則“! 0@20％0! 9! 8@10*3”所表達的通風(fēng)規則為如果平均濕度大于20℃并且糧堆的最高溫比最低溫大10℃就要進(jìn)行類(lèi)型為3(通風(fēng)分為降溫、均溫、排積熱、降水、保水、調質(zhì)等6種類(lèi)型)的通風(fēng)。通過(guò)這種存儲格式的設計，儲糧專(zhuān)家或者知識工程師就可以在以后根據理論知識或經(jīng)驗創(chuàng )建新的通風(fēng)規則以及增加新的前提事實(shí)。這種規則的設計方法可以增加規則的可擴展性。通風(fēng)規則通過(guò)人性化的人機接口進(jìn)行輸入，用戶(hù)不需要掌握其存儲的格式。

　　規則的獲取有2種方法：一是通過(guò)儲糧專(zhuān)家或者知識工程師通過(guò)通風(fēng)人機接口進(jìn)行輸入，把新的通風(fēng)規則加入劍規則庫中。這種方法要求輸入規則的人必須在儲糧機械通風(fēng)領(lǐng)域有很高的造詣。但是普通工作人員很難準確說(shuō)出這些通風(fēng)結論的前提條件。第二種方法是在糧情出現故障時(shí)由工作人員手工收入。如果糧食出現某種問(wèn)題，但是根據通風(fēng)規則卻無(wú)法推導出任何結論，說(shuō)明需要對通風(fēng)規則表進(jìn)行補充。系統將通過(guò)人機接口將所有的事實(shí)數據呈現給工作人員，工作人員可以根據自己的判斷，選取適當的通風(fēng)條件，系統根據這些通風(fēng)前提自動(dòng)構成一個(gè)新的通風(fēng)規則并存入規則表中。目前根據“儲糧機械通風(fēng)技術(shù)規程”總結出一些規則如表1所示。

3.3 糧情通風(fēng)推理機

　　根據本系統特點(diǎn)，采用正向推理方法，即推理由事實(shí)驅動(dòng)，從已知事實(shí)出發(fā)推導出結論。該推理過(guò)程具有算法簡(jiǎn)單、容易理解與實(shí)現等優(yōu)點(diǎn)。但由于搜索過(guò)程存在盲目性、推理效率低、推理過(guò)程可能會(huì )出現知識組合爆炸，為了提高搜索效率和解決沖突，對規則進(jìn)行分層模塊化管理，對規則按代價(jià)級和優(yōu)先級合理排序。代價(jià)低的、優(yōu)先級高的優(yōu)先搜索，構造搜索樹(shù)。推理開(kāi)始時(shí)，系統根據選擇的倉號，統計出該糧倉的事實(shí)信息，賦給事實(shí)類(lèi)對象相應的成員變量，然后開(kāi)始推理。推理是從通風(fēng)規則庫的第一條記錄開(kāi)始，把事實(shí)與當前規則記錄的前提部分進(jìn)行匹配，具體的匹配工作是這樣進(jìn)行的：首先從數據庫獲取通風(fēng)規則，例如“! 9@15％0! 10@25％0! 14@1*0”，根據通風(fēng)規則的格式解析該規則，獲取通風(fēng)事實(shí)前提表達式“(vlarray[9]-15>0)and(vlarray[10]-25>0)and(vlarray[14]-1>0)”，將事實(shí)類(lèi)對象中相應的值代入獲取表達式的值，如果為真則啟動(dòng)類(lèi)型為0(降溫通風(fēng))的通風(fēng)。在推理過(guò)程中，系統要不斷地用當前已知的事實(shí)與規則表中的前提部分進(jìn)行匹配，此時(shí)可能發(fā)生如下2種情況。

　　(1)推理結束后沒(méi)有得到任何通風(fēng)結論。如果糧食情況確實(shí)不需要通風(fēng)，這說(shuō)明通風(fēng)規則是完善的。如果糧情發(fā)生故障，這說(shuō)明規則庫中缺少這方面通風(fēng)的規則，所以就需要知識工程師及時(shí)根據當前的故障，提取信息，把新的規則記錄添加到故障規則表中。

　　(2)己知事實(shí)恰好與規則表中的1條規則匹配成功。此時(shí)為提高系統的效率，將此條規則的優(yōu)先級提高一級，并插入到搜索數中相應的位置。

3.4 解釋機

　　解釋機的主要作用是解釋專(zhuān)家系統如何推斷結論；回答用戶(hù)的提問(wèn)；使用戶(hù)了解推理過(guò)程和推理過(guò)程中所運用的知識和數據。當通風(fēng)推理機做出某種通風(fēng)結論時(shí)，通過(guò)該規則導出該結論的事實(shí)前提保存到數據庫中，而解釋機就是將這些事實(shí)前提通過(guò)友好的人機界面提示給用戶(hù)。因為規則畢竟是一條表記錄，為了直觀(guān)的描述規則，對該條規則進(jìn)行了解釋?zhuān)瑢?shí)際上就是把規則記錄翻譯成“如果…那么…”形式的語(yǔ)句。例如：

　　If糧堆最高溫度>25℃and糧堆平均溫度梯度>℃／mand糧堆最高溫度與平均溫度之差大于8℃，那么進(jìn)行均溫通風(fēng)。

4 結 語(yǔ)

　　本文提出一種基于專(zhuān)家系統的儲糧機械通風(fēng)控制系統。該專(zhuān)家系統通過(guò)人機交互方式和系統自學(xué)習方式進(jìn)行知識獲取和修訂補充，系統綜合應用了智能控制、數據庫等多種技術(shù)，將計算機科學(xué)與機械科學(xué)相結合，為全方位控制糧食儲藏的機械通風(fēng)提供了一種新的途徑和方法，并結合實(shí)例實(shí)現一種新的專(zhuān)家系統規則設計方法，可對不同儲糧要求和儲藏環(huán)境下的機械通風(fēng)的決策和控制進(jìn)行模擬和比較，提供給管理者和決策者一套完整的、經(jīng)濟的、安全優(yōu)化的機械通風(fēng)方案。該系統在中央儲備糧鄭州庫等8家直屬庫正式投入使用，糧庫管理人員反映利用專(zhuān)家系統對糧食儲藏進(jìn)行智能通風(fēng)控制是可行的，可以提高糧食質(zhì)量，具有廣泛的應用前景。