基于專家系統(tǒng)的儲(chǔ)糧機(jī)械通風(fēng)控制系統(tǒng)

1 引 言

　　儲(chǔ)糧機(jī)械通風(fēng)作為一項(xiàng)重要的科學(xué)保糧技術(shù)，已被我國糧食儲(chǔ)備庫廣泛應(yīng)用。1998年以來，國家在新建的糧庫中都配備了機(jī)械通風(fēng)等儲(chǔ)糧新沒備。但是當(dāng)前這些設(shè)備并沒能真正實(shí)現(xiàn)機(jī)械通風(fēng)自動(dòng)化控制。目前情況下，當(dāng)糧溫達(dá)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(chǔ)環(huán)境溫度和濕度的變化有關(guān)，所以這種處理方法沒有達(dá)到對儲(chǔ)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(zhǔn)確預(yù)測。一個(gè)科學(xué)化、智能化與自動(dòng)化的現(xiàn)代儲(chǔ)糧機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)在國內(nèi)一直沒有建立起來。

　　專家系統(tǒng)是用基于知識的程序設(shè)計(jì)方法建立起來的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，他綜合集成某個(gè)特殊領(lǐng)域內(nèi)專家的知識和經(jīng)驗(yàn)，能像專家那樣運(yùn)用這些知識通過推理，通過模擬人類專家作決定的過程來解決那些專家才能解決的復(fù)雜問題。儲(chǔ)糧機(jī)械通風(fēng)專家系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)專家系統(tǒng)在儲(chǔ)糧管理專業(yè)領(lǐng)域的一個(gè)應(yīng)用，他能夠在糧庫機(jī)械通風(fēng)時(shí)的決策方面以及通風(fēng)過程中的控制方面起到一個(gè)高級儲(chǔ)糧專家的作用。儲(chǔ)糧機(jī)械通風(fēng)專家系統(tǒng)通過人機(jī)交互方式和系統(tǒng)自學(xué)習(xí)方式進(jìn)行知識獲取和修訂補(bǔ)充，最終擁有各種與儲(chǔ)糧機(jī)械通風(fēng)和糧食安全儲(chǔ)藏相關(guān)的數(shù)據(jù)及經(jīng)驗(yàn)知識，并建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫、圖形庫和模型庫。通過儲(chǔ)糧機(jī)械通風(fēng)專家系統(tǒng)，可對不同儲(chǔ)糧要求和儲(chǔ)藏環(huán)境下的機(jī)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(tǒng)的、經(jīng)濟(jì)的、有效的、安全優(yōu)化的機(jī)械通風(fēng)方案。

2 系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

　　機(jī)械通風(fēng)專家系統(tǒng)包括基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫、知識庫、推理機(jī)、解釋機(jī)、人機(jī)接口這兒個(gè)方面。基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫里包含各種糧情信息，首先需要從基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫獲取信息并處理得到當(dāng)前糧倉的事實(shí)類對象，事實(shí)類對象中封裝通風(fēng)規(guī)則表中推理所要用到的事實(shí)。有了事實(shí)類對象，根據(jù)通風(fēng)規(guī)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(guī)則，必然會(huì)推理得到某種通風(fēng)結(jié)論。解釋機(jī)將告訴用戶得到該結(jié)論的推理依據(jù)和所依據(jù)規(guī)則的解釋。如果系統(tǒng)經(jīng)過推理得到某種通風(fēng)方式時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)通過I／O接口向控制設(shè)備發(fā)送命令，控制通風(fēng)設(shè)備執(zhí)行該通風(fēng)方式。在通風(fēng)起動(dòng)和通風(fēng)結(jié)束這兩個(gè)時(shí)刻，都會(huì)從基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫里提取糧情信息進(jìn)行糧情統(tǒng)計(jì)，這就是該通風(fēng)方式的效果分析，統(tǒng)計(jì)結(jié)果綜合并寫入知識庫里對應(yīng)的通風(fēng)效果分析表中。該表為將來選取最優(yōu)的通風(fēng)方式結(jié)論提供依據(jù)。同樣，應(yīng)用程序和領(lǐng)域?qū)＜?、知識工程師、一般用戶之間有人機(jī)接口。通風(fēng)專家系統(tǒng)人機(jī)接口完成以下2部分的工作：一是實(shí)現(xiàn)對通風(fēng)知識庫的維護(hù)、操作；二是提供用戶與解釋機(jī)的查看窗口。用戶通過他可以了解系統(tǒng)通風(fēng)推理的路徑和相關(guān)解釋。系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖l所示。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 建立基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫

　　本通風(fēng)專家系統(tǒng)在糧情測控平臺糧情測控開放式軟件平臺的支撐環(huán)境上進(jìn)行開發(fā)，能夠與糧情測控組件進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，糧情監(jiān)測得到的信息都存儲(chǔ)在其SQL Sever數(shù)據(jù)庫中。根據(jù)通風(fēng)規(guī)則中各種事實(shí)前提設(shè)計(jì)一個(gè)事實(shí)類。然后根據(jù)糧情檢測系統(tǒng)監(jiān)控得到的數(shù)據(jù)實(shí)例化事實(shí)類。每隔一個(gè)系統(tǒng)的采樣周期，會(huì)從糧情數(shù)據(jù)庫中提取一次新的數(shù)據(jù)，同時(shí)事實(shí)類對象中的內(nèi)容也會(huì)作相應(yīng)的改變。從后面的規(guī)則表會(huì)發(fā)現(xiàn)，規(guī)則表中前提條件中所需要的事實(shí)從糧情數(shù)據(jù)庫中并不能直接獲得，必須要通過糧情數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)處理計(jì)算才能得到。例如溫度梯度最大值就是根據(jù)糧倉中檢測點(diǎn)布局情況和當(dāng)時(shí)所檢測的各個(gè)檢測點(diǎn)溫度值計(jì)算出來的。目前該數(shù)據(jù)類包括以下幾個(gè)方面的數(shù)據(jù)分量：

　　(1)與糧堆水分相關(guān)的參數(shù)

　　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(shù)

　　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(shù)

　　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(shù)

　　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(nèi)溫度、糧倉內(nèi)濕度。

　　事實(shí)類對象包含一個(gè)變長數(shù)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(shù)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。如果將來通風(fēng)規(guī)則表中需要新的事實(shí)前提，則只需增加事實(shí)類對象的變長數(shù)組的長度，并將該事實(shí)前提對應(yīng)的變量值賦給變長數(shù)組對應(yīng)的分量。

3.2 建立知識庫

　　知識庫是知識的存儲(chǔ)機(jī)構(gòu)，用于存儲(chǔ)領(lǐng)域?qū)＜医?jīng)驗(yàn)、領(lǐng)域基礎(chǔ)知識等。其基本任務(wù)是為推理機(jī)提供問題求解以及為解釋機(jī)構(gòu)提供問題解釋所需的知識。知識庫中的規(guī)則是根據(jù)儲(chǔ)糧專家和保管人員的知識與經(jīng)驗(yàn)總結(jié)出來，每條規(guī)則就是知識庫中的一條記錄，記錄包括前提條件和結(jié)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(dá)出來的，其存儲(chǔ)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)類中變長數(shù)組的下標(biāo)；“@”后的j代表一個(gè)具體的數(shù)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(jié)論，例如通風(fēng)規(guī)則“! 0@20％0! 9! 8@10*3”所表達(dá)的通風(fēng)規(guī)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)行類型為3(通風(fēng)分為降溫、均溫、排積熱、降水、保水、調(diào)質(zhì)等6種類型)的通風(fēng)。通過這種存儲(chǔ)格式的設(shè)計(jì)，儲(chǔ)糧專家或者知識工程師就可以在以后根據(jù)理論知識或經(jīng)驗(yàn)創(chuàng)建新的通風(fēng)規(guī)則以及增加新的前提事實(shí)。這種規(guī)則的設(shè)計(jì)方法可以增加規(guī)則的可擴(kuò)展性。通風(fēng)規(guī)則通過人性化的人機(jī)接口進(jìn)行輸入，用戶不需要掌握其存儲(chǔ)的格式。

　　規(guī)則的獲取有2種方法：一是通過儲(chǔ)糧專家或者知識工程師通過通風(fēng)人機(jī)接口進(jìn)行輸入，把新的通風(fēng)規(guī)則加入劍規(guī)則庫中。這種方法要求輸入規(guī)則的人必須在儲(chǔ)糧機(jī)械通風(fēng)領(lǐng)域有很高的造詣。但是普通工作人員很難準(zhǔn)確說出這些通風(fēng)結(jié)論的前提條件。第二種方法是在糧情出現(xiàn)故障時(shí)由工作人員手工收入。如果糧食出現(xiàn)某種問題，但是根據(jù)通風(fēng)規(guī)則卻無法推導(dǎo)出任何結(jié)論，說明需要對通風(fēng)規(guī)則表進(jìn)行補(bǔ)充。系統(tǒng)將通過人機(jī)接口將所有的事實(shí)數(shù)據(jù)呈現(xiàn)給工作人員，工作人員可以根據(jù)自己的判斷，選取適當(dāng)?shù)耐L(fēng)條件，系統(tǒng)根據(jù)這些通風(fēng)前提自動(dòng)構(gòu)成一個(gè)新的通風(fēng)規(guī)則并存入規(guī)則表中。目前根據(jù)“儲(chǔ)糧機(jī)械通風(fēng)技術(shù)規(guī)程”總結(jié)出一些規(guī)則如表1所示。

3.3 糧情通風(fēng)推理機(jī)

　　根據(jù)本系統(tǒng)特點(diǎn)，采用正向推理方法，即推理由事實(shí)驅(qū)動(dòng)，從已知事實(shí)出發(fā)推導(dǎo)出結(jié)論。該推理過程具有算法簡單、容易理解與實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)。但由于搜索過程存在盲目性、推理效率低、推理過程可能會(huì)出現(xiàn)知識組合爆炸，為了提高搜索效率和解決沖突，對規(guī)則進(jìn)行分層模塊化管理，對規(guī)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(gòu)造搜索樹。推理開始時(shí)，系統(tǒng)根據(jù)選擇的倉號，統(tǒng)計(jì)出該糧倉的事實(shí)信息，賦給事實(shí)類對象相應(yīng)的成員變量，然后開始推理。推理是從通風(fēng)規(guī)則庫的第一條記錄開始，把事實(shí)與當(dāng)前規(guī)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(shù)據(jù)庫獲取通風(fēng)規(guī)則，例如“! 9@15％0! 10@25％0! 14@1*0”，根據(jù)通風(fēng)規(guī)則的格式解析該規(guī)則，獲取通風(fēng)事實(shí)前提表達(dá)式“(vlarray[9]-15>0)and(vlarray[10]-25>0)and(vlarray[14]-1>0)”，將事實(shí)類對象中相應(yīng)的值代入獲取表達(dá)式的值，如果為真則啟動(dòng)類型為0(降溫通風(fēng))的通風(fēng)。在推理過程中，系統(tǒng)要不斷地用當(dāng)前已知的事實(shí)與規(guī)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(jié)束后沒有得到任何通風(fēng)結(jié)論。如果糧食情況確實(shí)不需要通風(fēng)，這說明通風(fēng)規(guī)則是完善的。如果糧情發(fā)生故障，這說明規(guī)則庫中缺少這方面通風(fēng)的規(guī)則，所以就需要知識工程師及時(shí)根據(jù)當(dāng)前的故障，提取信息，把新的規(guī)則記錄添加到故障規(guī)則表中。

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

3.4 解釋機(jī)

　　解釋機(jī)的主要作用是解釋專家系統(tǒng)如何推斷結(jié)論；回答用戶的提問；使用戶了解推理過程和推理過程中所運(yùn)用的知識和數(shù)據(jù)。當(dāng)通風(fēng)推理機(jī)做出某種通風(fēng)結(jié)論時(shí)，通過該規(guī)則導(dǎo)出該結(jié)論的事實(shí)前提保存到數(shù)據(jù)庫中，而解釋機(jī)就是將這些事實(shí)前提通過友好的人機(jī)界面提示給用戶。因?yàn)橐?guī)則畢竟是一條表記錄，為了直觀的描述規(guī)則，對該條規(guī)則進(jìn)行了解釋，實(shí)際上就是把規(guī)則記錄翻譯成“如果…那么…”形式的語句。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(jié) 語

　　本文提出一種基于專家系統(tǒng)的儲(chǔ)糧機(jī)械通風(fēng)控制系統(tǒng)。該專家系統(tǒng)通過人機(jī)交互方式和系統(tǒng)自學(xué)習(xí)方式進(jìn)行知識獲取和修訂補(bǔ)充，系統(tǒng)綜合應(yīng)用了智能控制、數(shù)據(jù)庫等多種技術(shù)，將計(jì)算機(jī)科學(xué)與機(jī)械科學(xué)相結(jié)合，為全方位控制糧食儲(chǔ)藏的機(jī)械通風(fēng)提供了一種新的途徑和方法，并結(jié)合實(shí)例實(shí)現(xiàn)一種新的專家系統(tǒng)規(guī)則設(shè)計(jì)方法，可對不同儲(chǔ)糧要求和儲(chǔ)藏環(huán)境下的機(jī)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(jì)的、安全優(yōu)化的機(jī)械通風(fēng)方案。該系統(tǒng)在中央儲(chǔ)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家系統(tǒng)對糧食儲(chǔ)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(yīng)用前景。