（控制理论与控制工程专业论文）装炉组合专家系统的研究与开发.pdf

摘要 本文以上海宝钢益昌薄板有限公司罩式退火炉车间退火过程为背景，研究了组合优 化问题在钢卷的优化装炉组合中的应用。结合退火过程中对钢卷组合方式的需要，开发 了装炉组合专家系统。 本文把现场调度员的实际操作用专家系统进行了重现和改进。主要是使用v c + + 对系 统进行了重新封装，使用户界面具有w i n d o w s 的风格；研究了规则库的界面维护方法， 使得用户通过界面可自行维护规则库，方便用户操作。另外，利用人工蚁群算法并结合 专家系统对钢卷的装炉组合进行优化。对人工蚁群算法信息素的确定方法进行了改进， 并成功将其运用到优化装炉组合问题中。本文最后介绍了装炉组合专家系统的软件设计 和实际生产的应用效果。 关键词：专家系统；组合优化：蚁群算法；钢卷 a b s t r a c t b a s e do nt h ea n n e a l i n gp r o c e s so ft h eb e l l - t y p ea n n e a l i n gs h o po fs h a n g h a ib a o s t e e l y i c h a n gs t e e ls t r i pc o ，l t d ，t h i sp a p e ri n v e s t i g a t e dm ea p p l i c a t i o no f t h ec o m b i n a t o r i a l o p t i m i z a t i o np r o b l e mi nc o m b i n a t o r i a lo p t i m i z a t i o no f s t e e lc o i l s 。a n dd e v e l o p e dt h ee x p e r t s y s t e m o fc o m b i n a t o r i a l o p t i m i z a t i o n o fs t e e lc o i l s a c c o r d i n g t o p r a c t i c a l d e m a n do f a n n e a l i n gp r o c e s s t ot h er u l e so fs t e e lc o i l sc o m b i n a t i o n t 1 l i sp a d e rr e p l a c e da n di m p r o v e dt h eo p e r a t i o no ft h ed i s p a t c h e ri nt h ea n n e a l i n gs h o p b ye x p e r ts y s t e m m a i n l yu s e dv c + + t oe n c a p s u l a t i o n t h ee x p e r ts y s t e m s ot h ei n t e r f a c eh a s w i n d o w ss t y l e ；a n ds t u d i e dt h em e t h o do ft h em a i n t e n a n c eo ft h er u l e s b a s eb yi n t e r f a c e s o t h a tt h eu s e r sc a nm a i n t a i nt h er u l e s - b a s eb vt h ei n t e r f a c et h e m s e l v e s ，t h u st h eu s e r sc a nu s e t h es y s t e me a s i l y f u r t h e r m o r e ，u s e da r t i f i c i a la n ta l g o r i t h mt oo p t i m i z et h ec o m b i n a t i o no f t h es t e e lc o i l st o g e t h e rw i t ht h ee x p e r ts y s t e m i m p r o v e dt h em e t h o do fd h e r o m o n ed e f m ei n a r t i f i c i a la n t a l g o r i t h m ，a n d s u c c e e d a p p l y i n g i ti n t ot h e p r o b l e m o fc o m b i n a t o r i a l o p t i m i z a t i o no f s t e e lc o i l s n ep a p e ri n t r o d u c e dt h es o f t w a r ed e s i g no f t h ee x p e r ts y s t e mo f c o m b f f m t o r i a l o p t i m i z a t i o n o f s t e e lc o i l sa n dt h er e s u l ti n p r a c t i c a l i t ya p p l i c a t i o n k e yw o r d s ：e x p e r ts y s t e m ；e o m b i n a 州a lo p t i m i z a t i o n ；s t e e lc o i l s ；a n ta l g o r i t h m i i 装炉组合专家系统的研究与开发 0 前言 我国是世界钢铁大国，但我国钢铁工业总体工艺装备水平并不高，而且很多现有设 备也没有达到其最大产能。与发达国家相比，能源利用效率、生产效率等都还有较大的 差距。因此利用企业现有的资源降低生产成本、提高企业的生产率、提高经济效益并为 企业提供更好的服务是现在企业需要解决的重要课题。 钢铁工业的成品钢中有一种是薄板钢，薄板钢在生产过程中，通常要卷成钢卷以便 于处理和运输。为了提高钢板的抗拉强度、屈服强度，改善内在机械性能，进而提高钢 板质量，要对其进行退火处理。本课题是以上海宝钢益昌薄板有限公司的退火炉车间为 背景，对退火炉车间的钢卷组合优化问题进行了研究。 上海宝钢益昌薄板有限公司1 9 9 0 年初建成，主要产品是家电钢板和涂镀层钢板， 现已是全国5 0 0 家最大工业企业之一和全国最大外商投资企业之一。但公司的各环节的 生产能力的搭配不尽合理，在钢卷的退火环节上出现“瓶颈”，严重影响了公司整体生 产能力的提高。退火的加热和冷却时间跟钢卷的装炉系数有关。装炉系数就是指退火计 划重量与最大装炉量的比值。差的装炉系数会增加加热和冷却时间。这些原因造成实际 生产能力达不到设计生产能力。益昌薄板有限公司虽然已经引进了国外的先进设备，但 是由于钢卷退火车间的大部分排产工作仍然是靠人力完成，人工对于规则繁多生产周期 长而且工序复杂的退火调度问题处理效率不高，很难对批量钢卷的生产傲到良好、合理 的组合和调度，所以钢卷退火这一生产环节严重影响了薄板厂的总体生产能力。随着我 国经济体制的转变和我国加入灯0 ，益昌薄板有限公司的订单特点也发生了变化，这主 要表现在从按长期的、规律性的生产计划组织生产，转变为按短期的、带有随机性和突 发性的订货合同组织生产；从以大批量、单一品种、规范规格为特征的生产方式，转变 为以小批量、多品种、不规范规格为特征的生产方式。这些转变增大了装炉组合和生产 调度的难度。类似问题在我国钢铁薄板生产企业中普遍存在，因此提高罩式炉退火的生 产效率对于薄板生产企业有很重要的意义 t - 2 。 针对上述问题，同时为尽量减少投资，充分发挥设备的生产能力，降低能耗，上海 宝钢益昌薄板有限公司提出了罩式退火炉优化排产技术这一项目。该项目的实施不但能 够提高益昌薄板有限公司的经济效益，其推广使用也将提高我国冷轧薄板企业整体的生 产能力，为企业带来新的利润增长点。该项目主要是针对罩式退火炉生产计划和调度中 存在问题的两个主要部分一装炉组合和作业调度来进行优化的。由于优化排产系统中 计算机在优化作业调度时首先要得到可供调度的退火计划，所以让计算机自动生成装炉 组合就成为首要问题。本文对装炉组合问题进行了研究，给出了一个计算机实现装炉组 合的解决方案。 装炉组合专家系统的研究与开发 1问题的提出 1 1 钢卷装炉组合问题描述 冷轧薄板企业通常采用罩式退火炉炉群退火，一般的退火车间都有几十个退火炉。 退火生产能量消耗很大、工艺周期比较长。加热的时间一般为2 0 个小时左右，加热结 束以后要进行冷却，冷却时间跟加热时间相近。再加上其它用时，普通氮氢罩式炉的退 火周期一般超过7 0 个小时。而每个退火炉每次最多可以容纳四个或五个钢卷，为最大 利用其产能，实际生产时，每炉每次要尽量装到上限。但并不是任意的钢卷都可以放到 同一炉里进行退火的，必须符合钢卷的组合规则，否则不能保证退火后的钢卷的质量。 具体的工艺要求是： 组成一炉的铜卷总高度不超过退火炉允许的最大高度4 米。 在装炉组合的过程中要求尽可能把相同钢种的钢卷装在一起退火。在工艺允许的范 围内，一些特定的钢种可以混装。 要求尽可能把规格相同的钢卷装在一个炉台内退火。钢卷的规格包括，钢种、高度、 厚度、外径、内径、重量等指标。厚度大于或等于0 5 硼的钢为厚料，小于0 5 m m 的为薄料。 要求能够按照合同组织生产，保证合同跟踪。 要求装炉量尽量达到大的装炉系数。所谓大的装炉系数，就是指退火计划重量与最 大装炉量的比值。 要使一批钢卷的总的加热时间最小。 从规格上看，有两薄两厚、三薄一厚、三厚一薄等多种堆垛方式。同时，对于不同 的装炉方式，均有不同的工艺规定。 规则中的2 、3 是比较模糊的，对于具体问题，甚至现场专家的看法也不尽相同。 规则中的5 和6 是优化问题所要考虑的，也是优化装炉组合的主要目标。在实际生产过 程中，钢卷的装炉组合的具体操作步骤如下： 1 ) 更新前库。进行装炉组合首先要弄清产销库中钢卷的情况，更新前库就是把产销库 中经脱脂后等待组合的钢卷信息读到本地数据库，以便于调度员掌握前库的生产情 况和对钢卷进行下一步处理。 2 ) 建池。即按照预定的合同订单和市场需求从前库中选取每天生产需要的钢卷，通常 几十至几百卷不等。这些钢卷构成排产池，每次组合都是针对池中的钢卷进行的。 2 装炉组舍专家系统的研究与开发 3 ) 堆垛。装炉组合在现场也被叫做堆垛，就是排定钢卷装炉的生产计划，即按照特定 的工艺规则将几个钢卷组合在一起( 形成一个生产计划) ，放在一个炉台上进行退 火。每个炉台最多可装四个或五个钢卷。计划在同一炉中退火的几个钢卷组合在一 起叫做一个退火计划，用一个唯一的编号标示，叫做退火计划号。退火计划号是作 业调度的依据。 4 ) 回写结果。装炉组合方式确定后，要通知( 更新) 产销库，作业调度模块将根据该 结果进行调度。 1 2 钢卷装炉组合问题分析 退火是提高钢材抗拉强度、屈服强度，改善薄板机械性能，提高表面质置的重要手 段。因其处于薄板生产中的后道工序，对薄板最终产品质量有着直接影响。退火质量的 优劣跟装炉组合的合理性直接相关。因为退火是对钢卷进行高温处理，高温时如果不合 适的钢种放到一起，或钢卷承受的压力过大等，钢卷很容易受到损坏。稳定退火生产操 作，减少粘接、杯突等质量缺陷是薄板企业正常生产的重要指标。装炉组合工艺规范的 制定正是为了避免造成质量缺陷甚至报废。以前现场的装炉组合都是靠有经验的工人手 工完成的，装炉组合的质量对工人的依赖性很大。而装炉组合的约束条件很多，又有很 大的模糊性，所以现场手工的装炉组合质量不高，甚至有时会出现不合格的组合，给公 司造成很大的损失。人工堆垛具体主要存在以下几个问题： 1 ) 堆垛方式的多样性使得人工堆垛非常因难 薄板产品品种和规格较多，堆垛方式也多种多样。从钢种上看，有的钢种不能混装， 而有的钢种允许混装方式。从规格上看，有两薄两厚、三薄一厚、三厚一薄等多种堆垛 方式。同时，对于不同的装炉方式均有不同的工艺规定。同一退火计划内各个钢卷的 叠放顺序也都有具体要求。如在两薄两厚( 两个薄卷和两个厚卷进行堆垛) 工艺中，薄 卷必须放在厚卷的上面，两个薄卷和两个厚卷中重量轻的放在上面，而且最重的薄卷要 比最轻的厚卷轻，此外还要考虑外径因素，尽量形成塔形堆垛。这些复杂的工艺约束使 得人工进行堆垛非常困难。假设对2 0 0 个钢卷进行堆垛，有些计划员能够组成5 0 个退 火计划，有些计划员可能只能组成4 0 个退火计划。 2 ) 人工堆垛的随机性很难保证退火质量的稳定 不仅罩式炉装炉组合的多样性和复杂性给人工堆垛带来了困难，有些规则还是模糊 的，完全靠计划员掌握。因此不同的计划员堆垛的质量也不致，有的计划员组成的塔 形堆垛多一些，而有的计划员可能腰鼓形堆垛多一些，且很难杜绝违规堆垛。而且技术 部会根据退火工艺的改进不定时的给生产部下达调整装炉规则的文件。很难保证每个计 划员都能及时掌握新的组合规则。人工堆垛方式受人为因素影响太大，很难形成稳定的 装炉组台专家系统的研究与开发 堆垛方式，这给工艺制度的严格执行和出现质量问题时原因的查找带来了较大困难。钢 卷每卷一般都重5 吨以上，如果因堆垛不合格导致报废不但浪费了燃料、原料、降低生 产率，甚至可能耽误交货日期，损失特别大。 3 ) 人工堆垛很难保证最大的装炉系数和最小的总工艺时间 装炉组合对罩式炉生产率也有直接影响。装炉系数越大，退火炉资源的利用率越高、 生产率越高、燃料消耗越少。此外，不同的堆垛方式，加热段、保温段和冷却段的工艺 也不同。因此装炉组合中存在寻找最佳装炉组合方式，使各个退火计划装炉系数尽量高 和总工艺时间尽量短的优化问题。装炉组合的优化是一个复杂的组合优化问题，存在着 组合爆炸现象。人工方式只能进行小范围的调整，不可能找到全局最优解。或者很多计 划员根本不考虑优化，无法保证最优的装炉系数。小的装炉系数将直接导致生产率的低 下和能源、原料等的浪费。这是限制退火炉车间生产率的一个重要因素。 4 ) 人工堆垛速度慢 目前益昌薄板有限公司生产部的装炉组合是由调度员通过钢卷的跟踪卡片完成的。 每个钢卷对应一张卡片，卡片上记录了该钢卷的各种必要信息，每经过一道工序，就要 在卡片上相应位置做上记录。调度员在进行装炉组合时要翻阅大量卡片，同时要非常熟 悉装炉规则，费时费力。而计算机有着优秀的数据处理能力，人工一天能完成的堆垛计 划，计算机只要几分钟就能完成。 根据退火工艺规则，让计算机完成钢卷的组合并优化组合方式，缩短加热时间，可 以节省燃料，提高生产率。退火效率不高的另外一个原因是由于资源的利用不合理，优 化作业调度的目标就是合理利用资源、最大限度的使用资源、提高生产率、降低能源及 原材料的消耗。优化作业调度首先要有可供调度的退火计划。有了完整的退火计划，计 算机才能拟定排产方案。所以装炉组合的计算机实现是优化作业调度的基础，是整个项 目要考虑的首要问题。 1 3 优化装妒组合问题的国内外研究现状 罩式炉优化装炉组合和优化作业调度一直是国外研究的热点。据相关技术资料表 明，国外目前已形成较为成形的软件产品，如国际上著名的两大退火炉设备供应商( l o i 公司和e b n e r 公司) 均有退火炉优化排产软件出售，并有非常成功的应用。国外软件的 排产思路是以底层的退火炉群热模型为基础，由这一机理模型预报冷点湿度和热点温 度，从而确定出加热时间和冷却时间，在此基础上进行装炉组合和作业调度的优化。这 些软件产品的价格非常昂贵，同时由于优化排产是建立在热机理模型的基础上，机理模 型的投入需要较多的调试时间，要求较多的实验花费，影响正常生产，适宜在建厂时投 入。由于没有热机理模型，国内大部分退火车间已形成了自已的工艺制度，这一制度的 4 装炉组合专家系统的研究与开发 主要特点是按确定时间加热，按固定温度出炉。存一个退火计划确定以后，其加热时间 是已知的，器要预报的只是各个退火计划的冷却时问。因此国外的排产软件不适合国内 退火生产的工艺。在引进国外先进退火设备和退火工艺的基础上，通过消化吸收，罩式 退火炉设备和控制系统已实现了国产化，但优化排产方面仍是个空白。因此，开发针对 国内退火生产工艺和生产实际的罩式炉退火生产优化平台有着重要的意义。 国内对优化装炉组合的研究目前仍足以理论研究为主，通过建立数学模型，对所研 究的问题提出一些算法。如文献 3 提出的算法有：f f ( f i r s t - f i t ) 、n f ( n e x t f i t ) 、 b f ( b e s t - f i t ) 、w f ( w o r s t - f i t ) 、a w f ( a 1 m o s t w o r s t f j t ) 算法以及文献 2 提出了贪婪 算法。f f ( f i r s t f i t ) 算法主要是将垛位编弓，冷卷到达时，依垛位顺序搜索，在第一 个符合约束条件的垛位放置该冷卷。n f ( n e x t f i t ) 算法是记录最近使用的( “开着的”) 垛位序号，冷卷到达时，如果“开着的”垛位符合约柬条件则放簧该冷卷，否则该冷卷 放入下一个垛位。b - f ( b e s t - f i t ) 算法在冷卷到达时，搜索所有垛位，汜录与冷卷综合 匹配权值最接近且垛位剩余高度最小的垛位，把冷卷放置到该垛位。w - f ( w o r s t - f i t ) 算 法在冷卷到达时，搜索所有垛位，记录与冷卷综合匹配权值最接近且垛位剩余高度最大 的垛位。把冷卷放置到该垛位。a w f ( a 1 m o s t w o r s t f i t ) 算法当冷卷到达时，搜索所 有垛位，记录与冷卷约束条件最符合且剩余高度最大和第二大的垛位。把冷卷放置到剩 余高度第二大的垛位( 如果只有个满足约束条件的垛位，! i l i i 把冷卷放霹到该垛位) 。 数值实验得出的结果是近似卜f 算法是最佳解决方案。但不难看出，卜f 算法本身是很 粗糙的，几乎没什么优化。而且对于装炉组合柬说，这种方法无法处理规则的相互制约 性、模糊性、甚至不一致性。也无法满足优化的要求。另外，文献 2 把钢卷热处理的 调度问题归结为组合优化中的不允许等待的混合流水年问j 序问题进行研究。该模型是 目前研究的热点之一。文献中给出了已有的序列调度算法，同时给出了新的贪婪算法。 贪婪算法是在机器a 刚开始空闲的时刻，设机器b l 上工件加工结束所需时问为t b l ， 机器b 2 上工件加工结束所需时间为t b 2 。在等待加工的工件嫩搜索在a 上加工时间同 “l 与t b 2 中较小一个最接近的工件作为下一个在a 上加工的工件。按照序列调度算法 计算它在a 上开始加工的时间。通过现场实验，贪婪算法明显优于序列调度算法，但贪 婪算法也只是针对小规模问题的优化排序，文献l 只以3 个罩式炉为例，不能处理不同 钢种的混合装炉问题。文献 5 对于组合优化引入了遗传算法。在文献中，遗传算法的 编码采用了一种新的双下标符号编码方寨。并且在选择算子、适值函数、交叉算予以及 变异算子等方面部提出了自己的见解，保证了系统的搜索速度以及精度，在实际中收到 了较好的效果。遗传算法是g o l d b e r g 提出的。它是一种基于生物自然选择与遗传机理 相结合的随机搜索算法。遗传算法从一组随机产生的初始解，称为“种群”，开始搜索 过程。种群中的每个个体是问题的一个解，称为“染色体”。染色体是一串符号编码， 比如可以是一个二进制字符串。这些染色体在后续迭代中不断迸化，称为遗传。在每一 代中通过“适值”来衡量染色体的好坏。生成的下一代染色体称为“后代”，后代是由 交叉或变异运算形成的。新一代形成中，根据适值大小选择部分后代，淘汰部分后代， 装炉组合专家系统的研究与开发 从而保持种群大小不变。适值高的染色体被选中的概率大。这样，经过若干代之后，算 法收敛于最好的染色体，它很可能就是最优解或近优解。 文献 6 给出了多目标模糊问题的描述方法，模糊约束问题以及优先级的处理等方 法。同时给出了模糊多目标优化的基于模糊修正的方法。通常的模糊约束问题使用运行 调查或标准反馈算法。文献 5 3 7 给出了基于遗传算法的生产调度问题的基本特点，并 结合实际问题进行改进，采取了切合实际的选择法和遗传算子。提出的改进遗传算子以 及编码方式的遗传算法，可以处理一类加工路径不固定的问题。遗传算法本身存在选择 操作时有相似个体的问题，导致有时过早收敛，不能收敛到全局最优解。文献 7 3 中做 了改进，按其适应值由大到小排序，取前面一半为新代的解群。 1 4 本文的主要工作 针对宝钢益昌0 4 退火机组当前的生产实际情况以及罩式炉调度对装炉组合的自动 实现的需要，本文研究开发了装炉组合专家系统。因为考虑到专家系统在寻优方面的能 力不强，本文又研究了组合优化方法并最终选用人工蚁群算法。结合专家系统和人工蚁 群算法各自的优点，实现了具有通用性、结构化强的、可重用的、用户可个性化定义的 优化装炉组合专家系统。软件基层算法采用c + + 编程，核心程序采用专家系统编程语言 c l i p s 编写，用v c $ + 6 0 开发了单机版界面和部分算法模块。具体工作可归纳为以下几 个部分： 1 ) 在详细调研的基础上分析了钢卷罩式炉退火的工艺过程和目前装炉组合搡作中 存在的问题。并对国内外在这方面的研究进行了综述。 2 ) 针对所研究的问题的需要，对专家系统的应用界面进行了改进。传统的专家系 统是以命令行的形式工作的，不利于工厂中普通工作人员的使用。本文对专家 系统使用v c 十+ 进行了封装，使该专家系统有w i n d o w s 风格的人机界面，可以使 用鼠标。同时，对规则库的维护方式作了改进。通常专家系统的规则库的维护 都需要计算机专业人员来进行而现场的规则很多不很成熟，这使得规则库的 维护成为一个难题。为此本文开发了规则库的维护系统，使得现场的操作人员 可自行对规则库进行维护，有效的解决了这一问题。 3 ) 对人工蚁群算法的信息素的确定方法进行了改进，成功的将人工蚁群算法应用 到了装炉组合的优化问鼷中。由于该问题属于n p - h a r d 问题，难于用一般的优 化方法求解。而且与旅行商问题的差别也比较大，所以本文对人工蚁群算法进 行了改进。这一改进体现了蚁群算法应用的灵活性。同时，改进了人工蚁群算 法中信息挥发度系数1 一p 中p 的取值方法，使其能够自适应的改变。这样可以 在保证收敛速度的情况下，提高解的全局性。实验表明改进算法的收敛速度也 有所提高。 6 装炉组台专家系统的研究与开发 4 ) 对罩式炉装炉组合专家系统进行了总体设计和开发。在密切结合国内罩式退火 炉生产车间生产特点和工艺特点的基础上，针对目前的装炉组合方式存在的具 体问题，综合运用专家系统技术、随机优化技术，采用当前流行的信息系统开 发框架，开发了罩式炉装炉组合专家系统软件模块，实现了自动、优化装炉组 合。 装炉组合专家系统的研究与开发 2 专家系统的研究 2 1 专家系统简介 专家系统是当前人工智能研究领域中最活跃的一个分支，越来越多的具体专家系统 在各个专门领域显示了相当出色的工作能力。专家系统的研究工作开始于6 0 年代。主 要目的是利用计算机模拟人类专家的知识和推理方法，使计算机本身成为或辅助普通人 成为领域专家。第一个具有代表性的研究成果就是m y c i n ，m y c i n 直到今天，仍是许多 专家系统的设计范例【1 6 】。专家系统早期先导者之一，美国斯坦福大学的e d w a r d f e i g e n b a u m 教授曾把专家系统定义为“一种智能的计算机程序，它运用知识和推理来解 决只有专家才能解决的复杂问题”。也就是说，专家系统是一种模拟( e m u l a t e ) 专家决策 能力的计算机系统。到6 0 年代中期，人工智能的主要目标就是依赖少量的知识和功能 强大的推理方法来生成智能系统。也就是人们希望发明一种通用问题求解器，用来解决 大量问题，而非针对某一特定领域。虽然通用问题求解器的推理功能非常强大，但它仍 然只相当于一个初学者。当面对一个新的领域时，它得从头做起，远比不上一个依赖于 领域知识的人类专家。到7 0 年代初期，人们才意识到知识才是建造具有人类专家水平 的问题求解器的关键，虽然推理方法很重要，但研究表明，专家并不是首先依赖推理来 求解问题。事实上，推理只是起到辅助的作用，人类专家主要依赖他们多年所积累的大 量启发式知识和经验。只有当专家不能用他们的专家知识去求解问题时，他们才去推理 ( 或是求教另一个专家) 。在一个不熟悉的环境下，专家的推理能力与常人无异。早期 基于推理建造问题求解器的尝试表明，完全依赖推理是行不通的。领域知识是建造现实 世界问题求解器的关键，这一观点导致了专家系统的成功。2 0 世纪7 0 年代，随着基于 知识系统的广为接受，产生了许多成功的专家系统。 2 1 1 专家系统的优点 专家系统是对传统人工智能问题中智能程序设计的一个非常成功的近似解决方法， 这依赖于它的许多吸引人的特征。专家系统具有以下诸多优点： 适应性强。c l i p s 的成功使得专家知识在任何计算机硬件上都是可利用的，实 际上，专家系统的知识是专家知识的集成体。 成本低，周期短。专家系统在开发时会有一些资金投入，一旦开发成功就很容 易复制，因此提供给用户的专家知识成本可以非常低。而人类需要长期的培养， 花费大量的费用才能成为专家。 持久性。专家系统的知识是持久的，不像人类专家那样会退休，或者死亡，专 装炉组舍专家系统的研究与开发 家系统的知识会无限的持续。 解释、说明。专家系统能明确、详细的解释导出结论的推理过程。一个人可能 会太厌烦、不愿意或是没有能力去这样做，但明确、详细的解释有利于得出正 确的决策。 复合专家知识。复合专家知识可以做到在白天或晚上的任何时候同时和持续的 解决某一问题。由几个专家复合起来的知识，其水平可能会超过一个单独的专 家嘲。 可靠性强。专家系统可增强正确决策的信心。这是通过向专家提供一个辅助观 点而得到的；此外，专家系统还可协调多个专家的不同意见。不过，如果专家 系统是由某一个专家编程设计的，这个方法就不能奏效。如果专家没有犯错误 的话，专家系统应该始终与专家意见一致。但是，如果专家很累或有压力就可 能会犯错误。 响应快。迅速或实时的响应对某些应用来讲是必要的。依靠所使用的软件或硬 件，专家系统可以比专家反应的更迅速或更有效。某些突发的情况需要响应的 比专家更迅速，因此实时的专家系统是一个好的选择0 1 。 始终稳定、理智和完整的响应。在实时和突发情况下，专家可能由于压力或疲 劳而不能高效的解决问题，但专家系统不会，这一点是至关重要的。 智能数据库。专家系统能以智能的方式存取一个数据库 1 l - 1 2 l 。 开发专家系统的过程也会有一个间接的益处，由于专家知识必须以精确的形式输入 到计算机中，所以知识要被明确的了解而不是被隐含于专家的脑海中。这样，就必须对 知识进行正确性、一致性和完整性检查，这就提高了知识的质量。专家系统可以试图去 解决传统程序不能解决的问题，如果专家的知识大部分是启发式和模糊的时，选用专家 系统是非常合适的。对本课题中间题的分析，适用专家系统来解决。 2 i 2 专家系统的应用与领域 传统的计算机程序可用来解决许多类型的问题，这些问题通常有算法上的解决方 法，这使得它们易于用传统的程序和程序设计语言如f o r t r a n 、p a s c l 以及a d a 等来实 现。在许多应用领域如商业和工程技术中，数值计算是极其重要的；与之相反，专家系 统基本上是为符号推理而设计的。 虽然一些语言如l i s p 和p r o l o g 常被用作符号操作的语言，但它们的应用并不限于 专家系统外壳。这并不意昧着不可用l i s p 和p r o l o g 建造专家系统。事实上，许多专家 系统都是用l i s p 和p r o l o g 建造的。p r o l o g 针对诊断系统有很多的优点，这主要是由于 它内含的反向链推理。不过使用专门为专家系统建造而设计的外壳和实用程序来建造大 9 装炉组合专家系统的研究与开发 型专家系统更为方便，效率也更高。因为它不必每建造一个新的专家系统就从头做起。 专家系统已被应用到几乎每一个知识领域，其中有些被设计为研究工具，有些则履 行着重要的商业和工业功能。大量的专家系统已创建并且已在计算机期刊、书籍和会议 上报道，但这些可能只是涉及到专家系统的一青i ；分，凶为许多公司和军事集团由于所有 权或者包含在系统内的秘密缘故而不会报道他们的系统。在已公开的系统基础上，可以 看出专家系统应用的某些领域，如计算机配置、疚瘸诊断、设备故障诊断、电子教学、 自动控制等。 2 1 3 专家系统的开发流程 一个专家系统的使用领域取决于很多因素。存开始建造专家系统之前，决定专家系 统是不是一个适当的选择是很必要的。例如要考虑为什么要用专家系统而不是用传统的 程序设计。传统的程序设计能有效的解决此问题吗? 如果答案是肯定的，那么专家系统 就不是最好的选择。例如，考虑一个诊断某种设备的问题。如果能预先知道所有功能失 灵的全部症状，那么一个简单的图表或错误判定树就足够了。专家系统最适合于那些没 有高效算法解决的情况。 建立一个专家系统的过程通常被称为知识t 程，因为知识的获取和表示在专家系统 中是非常重要的，关系着整个系统的成败。这个上作主要由知识工程师来完成。知识工 程师是指能从专家或其他来源获取知识并把它们编码到专家系统中的人。专家系统中的 知识可以是专门知识或是从书籍、杂志和有学问的人中获得的知识。一个典型的专家系 统主要依赖于没有写下的知识，这主要通过知识工程师长期的与人类专家进行接触而获 得。图2 1 描述了开发专家系统的一般步骤： 首先需要对项目进行深入分析，如果经过仔细的考虑并选用了专家系统，那么首先 要获取相关领域的知识。知识工程师通过与专家进行对话而获取专家知识，这个阶段与 传统程序设计中系统设计人员与用户讨沧系统的需求相类似这是建立转专家系统的过 程中知识工程师对专门知识的主要获取方式。当然，知识工程师也可以通过阅读相关领 域的书籍、工艺手册、杂志等获取相关知识，这些方式图2 1 中略去了。同时知识工程 师要对所有的知识进行明确化，尤其是对于从多个领域专家获取专家知识的情况，经常 会得到一些模糊的，不报确定的知识表达。而输入计算机的知识都必须是精确的。然后 知识工程师将所需的所有知识编码到计算机中，所有的知识构成专家系统的知识库。知 识库是专家系统推理的基础。同时知识工程师要改计枣实的表达方式，事实表达方式的 优劣会直接影响专家系统推理的快慢，因此事实表达方式的设计是建立专家系统的一项 重要工作。最终知识库、事实列表和推理机一起组成专家系统。随后专家评估系统并返 回意见给知识工程师，这个过程一直循坏，直到系统的性能为专家所满意为止。 i o 装炉组合专家系统的研究与开发 图2 1 专家系统的开发 f i g 2 。1d e v e l o p m e n to f e x p e r ts y s t e m 2 2 基于规则的专家系统 2 2 1 基于规则的专家系统的要素 基于规则的专家系统主要由规则库、用户界面、解释机、工作内存、推理机、议程、 知识获取机这几部分中的全部或部分组成。规则库是由系统所掌握的相关领域的所有知 识构成的，是推理机进行推理的主要依据，规则库也被叫做知识库：用户界面是用户和 专家系统之间的通信机制；解释机用来解释系统的推理给用户；工作内存是被规则所使 装炉组合专家系统的研究与开发 用的实时的全局数据库，它包含所有的事实列表：推理机通过决定哪些规则满足事实或 目标，并授予规则优先级，然后执行最高优先级规则来进行推理；议程是由推理机创建 的一个规则优先级表，这些规则匹配工作内存中的事实或目标；知识获取机是为用户建 立的一个知识自动输入方法，以代替知识工程师去编码知识。基于规则的专家系统的结 构如图2 2 所示： 图2 2 基于规则的专家系统的结构 f 追2 2s 扛u c t t i r eo f r u l e - b a s e ds y s t e m 知识获取机在很多专家系统中是一个可选的功能，一般采用统计或归纳的算法使得 系统具备自学习的功能。系统自学习一般只能归纳得出一些非常简单的知识，或简单的 经验性的知识。通过知识工程师建立的规则要比来自归纳的简单规则复杂的多。而统计 归纳的算法又比较复杂，所以大多数的专家系统的知识库都是由知识工程师来建立和维 护的。 2 2 2 知识的表示 基于规则的专家系统里的知识被定义为：由事实激发而产生新的事实或结论的规 则。知识的表示在专家系统中非常重要，跟专家系统的整体性能直接相关。推理过程是 专家系统的另一个重要部分。事实上，在专家系统中可以说 知识+ 推理= 专家系统 知识的表示在专家系统中之所以非常重要，其原因主要有两个：第一，专家系统外 壳是为某种类型的知识表示方法设计的，例如规则或者逻辑；第二，个专家系统表达 知识的方式影响着系统的开发、效率、速度和维护。已经有许多不同的知识表示技术， 包括规则、语义网、框架、脚本以及知识表示语言、概念图和其它一些语言1 1 3 】。其中产 生式规则因为其优点大大超过了缺点，近年来成为知识表示方法的首选，常被作为知识 库而用在专家系统中。 定义产生式的一种形式方法是b a c k u s - n a u r 范式( b n f ) 。这种方法是一种定义 装炉组合专家系统的研究与开发 语法的元语言。语法定义了形式，而语义则指出了含义。元语言是一种描述语言的语言， 因此元语言是高于一般语言的。例如“一个句子由一个名词和一个动词及标点符号组 成”，这个简单的英语语言规则的b n f 如下： ：= 这就是一个产生式规则，如果同时给出以下规则： 一i i y o u i w e l e f t c a l n e 一17i ! 则可以生成以下的产生式 1 l e f t i l e r ? 1 y j t ll e r y 0 1 1l e f t ? k l e f c w i l e 盘? ii e r !y o ul e f t !w el e f t ! 简单的产生式推理规则可以表示为： i f 条件1a n d 条件2 a n d a n d 条件n t h e n 结论或新的事实 这也是本系统规则库使用的主要知识表达方式。 2 2 3 专家系统的推理机制 在基于规则的系统中，推理机决定哪些规则的前件被事实满足。专家系统中用来求 解问题的两个常用推理策略是芷向链( f o r w a r dc h a i n i n g ) 和反向链( b a c k w a r d c h a i n i n g ) 。正向链是从事实到结论的推理。例如，如果你离家之前看到外面正在下雨 ( 事实) ，那么你应该拿把伞( 结论) 。反向链是从假设，即要证明的结论，到事实的推 理。例如，假如你看到外面有人穿着湿鞋，拿着伞进来，你的假设就是正在下雨。为了 支持这个假设，你可以问这个人是否真的在下雨。如果回答是，那么假设证明为真而成 为事实。正如前面所述，一个假设可以作为一个真伪尚未确定的事实，它可作为一个要 证明的目标。 根据不同的设计，推理机既可以作正向链、也可以做反向链推理。例如，由n a s a 开发的c l i p s 是正向链推理，而e m y c i n 则是反向链推理。有些推理机，如i n f e r e n c e 公司的自动推理工具a r t 、c o r p 公司的知识工程工具k e e ，两者都提供。推理机的选择 取决于问题的类型。诊断问题最好用反向链推理，而预测、监视和控制则最好用正向链 装炉组台专家系统的研究与开发 推理。 工作记忆可能包含关于系统当前状态的事实，这些事实可能一个或者两个同时在工 作记忆中。如果有一个事实在工作记忆中，那么推理机会注意到这个事实满足规则的条 件部分，并将这条规则放到议程中。如果一条规则有多个模式，那么只有所有的模式同 时得到满足时才能把它放到议程中。有些模式被满足还要通过在工作记忆中指定某些没 有的事实。 把所有模式得到满足的规则称作是被激活的或者是被例化的，多个被激活的规则可 同时在议程中。在这种情况下推理机必须选择一个规则去触发它。为了避免无谓的循环， 基于规则的专家系统采用了反射方法。即如果规则在同样的事实上一次又一次的被触 发，那么专家系统不做任何事情。实现反射有很多方法，例如在o p s 5 专家系统语言中， 每一个事实进入工作记忆时，都赋予它一个叫时间标签的唯一标识在规则被一个事实 触发后，推理机就不会使它在那个事实上再次触发，因为它的时间标签已经用过了。 在规则语句中t h e n 后面的部分是规则触发时将要执行的行为( a c t i o n ) 。规则的这 部分称作后件( c o n s e q u e n t ) 或右部( r i g h t h a n d s i d er h s ) 。当规则触发时，它的行 为就被执行。一些特定行为通常包含从工作记忆中增加、删除一些事实或是打印结果。 这些行为的格式依赖于专家系统语言的语法。 推理机不停的循环工作。直到某种执行终止的判定标准出现。这就是基本的推理机 识别动作循环。 2 3 专家系统的改进及应用 早期的专家系统是软硬件结合在一起的，有专门的设计语言l i s p 和专门的l i s p 机。 在l i s p 机中，汇编语言、操作系统和所有其它基本代码都是用l i s p 写的。其软件无法 在普通计算机上运行，因此系统非常昂贵。一台单用户机和单用户软件合起来需要 1 0 0 ，0 0 0 美元。为了解决专家系统的通用性，美国航空航天局约瀚逊太空中心用c 语言 设计了专家系统开发程序c l i p s ( cl a n g u a g ei n t e g r a t e dp r o d u c t i o ns y s t e m ) 。c l i p s 功能完善，语法简捷，具有对计算机机型的广泛适应性。c l i p s 使得专家系统甚至可以 运行在普通的p c 机上，目前已被世界上成千上万的人所使用。 2 3 1 专家系统人机交互的改进 入机交互界面是用户最直接接触的部分，虽然它不是系统的核心，但良好的用户界 面更容易被用户接收，更有利于专家系统的推广。尤其对于不很了解算法的用户，他们 更关心界面的操作方便和美观。c l i p s 的成功虽然大大降低了专家系统的成本，但它的 操作命令是命令行式的，不适合设计用户交互界面。而且目前没有汉化版，不支持汉字 1 4 茎生塑皇皇塞墨鉴塾堑塞皇要垄 输入。用c l i p s 开发的专家系统必须在c l i p s 环境下运行图2 3 是直接用c l i p s 语言 编制的专家系统示例。只有c l i p s 编程人员才会使用该系统。而普通的计算机使用人员 只习惯于按钮和下拉菜单、列表框等w i n d o w s 风格的操作，这使得普通工作人员使用专 家系统非常困难。 圈2 , 3c l i p s 下专家系统界面实例 f i g 2 3i n t e r f a c eo f e x p e r ts y s t e mi nc l i p s 针对上述问题，本文改进了c l i p s 的应用方法：将系统的人机交互界面部分用v c + + 开发，而核心的推理部分使用c l i p s 开发的专家系统。c l i p s 的源代码是公开的，可以 从h t t p ：w w w g h g n e t c l i p s c l i p s h t m l 上免费获得。由于c l i p s 6 1 版本已经与c + + 完全兼容，因此可实现专家系统与v c + + 程序的无缝对接。从而将专家系统工具与w i n d o w s 界面完美地结合为一体。具体实现方法如下： 1 )使用v c + + 建立工程，编写用户界面。 2 ) 将c l i p s 源代码文件除m a i n c 外都拷贝至用户工程目录中。 3 )把所有拷贝过来的文件添加到项目中。可在f i l e v i e w 中用右键菜单的a d d f i l e st op r o j e c t 。 4 )如果调用c 编译器编译过的函数，则须在c + + 文件中加入： e x t e r n ”c ” # i n c l u d e “c l i p s h ”) 5 ) 在需要调用专家系统的类中加入头文件声明，以使该类能使用专家系统。如： 装炉组台专家系统的研究与开发 # i n c l u d e “c l i p s h ”， 以便c + + 程序能识别c l i p s 源程序。 6 ) 在u s e r f u n c t i o n s 0 函数中编写用户自定义函数。u s e r f u n c t i o n s o 是c l i p s 提供 的用户自定义函数接口。所有外部函数都必须向c l i p s 声明，以便它们能被 c l i p s 正确调用。用户定义的函数通过修改函数u s e r f u n c t i o n s 来向c u p s 声明。在u s e r f u n c f i o n s 中，需为每个与c l i p s 集成的函数调用函数 d e f m e f u n c t i o n ，这样用户的源代码才能被c l i p s 编译和链接。在整个系统中 只需一个u s e r f u n c t i o n s o 就够了，可放在任一窗体下，所有的自定义函数都 在此处声明，其它窗体中若要使用某一自定义函数，如要用j i a n c h i ，可在当 前窗体下声明为：e x t e m ”c ”v o i dj i a n c h i 0 。 7 ) 至此，就可以在v c + + 的项目中启动c l i p s 了。c l i p s 启动函数有很多，可 参见文献 1 5 1 ，此处不再赘述。 v c + + 是当前流行的编程软件，可开发出很友好的用户界面，装炉组合专家系统的用 户界面如图4 5 所示。系统界面采用当前流行形式：采用m i c r o s o f to u t l o o k 界面的形 式，