（制冷及低温工程专业论文）小型组合式冷库设计专家系统.pdf

小型组合式冷库设计专家系统 摘要 本文围绕专家系统技术在制冷空调领域的应用进行了认真研究。以小型组合 式冷库设计为实例，利用经验的设计方法，详细分析了小型组合式冷库在设计时 所遇到的大量的符号推理和经验数据，运用专家系统技术，建立了一个小型组合 式冷库设计专家系统模型。在此模型的基础上，运用专家系统编程工具一一 c l i p s ，编制了小型组合式冷库设计程序。该程序中用产生式规则系统建立了冷 藏食品信息库和经验数据库，并运用模糊逻辑方法进行不精确推理，采用控制知 识和领域知识分离控制流的方法，以规则库的形式，体现了领域专家设计思路。 ，、 f 该专家系统模拟专家进行符号推理及选取经验数据，得到了较好的设计结果。 关键字专家系统c l i p s ，产生式规则，模糊逻辑，小型组合式冷库： e x p e r ts y s t e mo fs m a l lb u i l t - u pr e f r i g e r a t o r yd e s i g n a b s t r a c t t h er e s e a r c ho na p p l i c a t i o no fe x p e r t s y s t e mb a s e do nr u l e s i n r e f r i g e r a t i n ga n da i r _ c o n d i t i o n i n gf i e l di ss t u d i e di n t h i st h e s i s w i t ha e x a m p l eo fs m a l lb u i l t - u pr e f r i g e r a t o r yd e s i g n ，t h r o u g ht h ee x p e r i e n t i a l d e s i g nm e t h o d ，q u a n t i t i e so fs y m b o lr e a s o n i n ga n de x p e r i e n t i a l d a t a w h i c hw i l lb em e ti ns m a l l b u i l t u pr e f r i g e r a t o r yd e s i g nh a v e b e e n a n a l y z e di nd e t a i l a sar e s u l t ，b a s e do nt h em o d e lo fs m a l lb u i l t - u p r e f r i g e r a t o r yd e s i g n e s t a b l i s h e dw i t h e x p e r ts y s t e mt e c h n i q u e ，t h e p r o g r a m m eo fs m a l lb u i l t - u pr e f r i g e r a t o r yd e s i g nh a v eb e e nw o r k e do u t b yu s i n gc l i p s ，ak i n d o fe x p e r ts y s t e mp r o g r a m m i n gt 0 0 1 i nt h i s p r o g r a m m e ，t h ed a t a b a s eo fm a n ys t o r e df o o d sa n de x p e r i e n t i a ld a t a b a s e a r ed e s c r i b e db yu s i n g p r o d u c t i o ns y s t e m ，a n d ，i n e x a c tr e a s o n i n gi s s e t t l e dd o w nw i t ht h em e t h o do ff u z z yl o g i c ，f i n a l l y , b ys e p a r a t i n gt h e c o n t r o lk n o w l e d g ea n df i e l dk n o w l e d g e ，t h ed e s i g nc l u eo f e x p e r ti nf i e l d i si n c a r n a t e di nt h ef o r mo fr u l e s b a s e t h ee x p e r t s y s t e mc r e a t e dc a n s i m u l a t et h et h o u g h ta n dd e c i s i o n m a k i n go fe x p e r ti nh v a cf i e l d ，a n d g e tt h ea n t i c i p a t i v er e s u l t s k e y w o r d s ： e x p e r ts y s t e m c l i p s p r o d u c t i o nr u l e f u z z yl o g i c s m a l lb u i l t u pr e f r i g e r a t o r y 致谢 本论文是在导师江志斌教授和吴宝志教授悉心指导下完成的。在两年多的硕 士学习生涯中，导师对学生严格要求、认真指导，恩师高深的学术造诣和高度的 责任心深深地影响着学生，不仅在学业上有所获益，而且恩师敬职敬业的精神鼓 舞着我，使课题进展非常顺利；导师吴宝志教授平易近人，在学术上指点帮助作 者，提供专业方面最新发展的资料，本文小型组合式冷库的设计方法，是教授多 年实践的经验总结，实用性非常强，而且大大简化了专家系统的编程；作者课题 研究阶段，得到了制冷教研室各位老师的全力支持和帮助，作者在此一并致以诚 挚的谢意。 感谢所有关心、支持我的老师、同学、朋友和亲人 作者 2 0 0 2 年4 月 于合肥工业大学 插图清单 图3 一1 人工智能领域 图4 1 基于规则的专家系统总体结构 图5 1 领域知识与控制知识分离控制流 图5 2 总体程序执行优先级层次 图6 1 专家系统语义网络 图6 2 表示实例关系的语义网络 图6 3 表示分类关系的语义网络 图6 - 4 表示聚集关系的语义网络 图6 5 表示属性关系的语义网络 图6 - 6 冷藏库冷藏食品框架 图7 1 二叉树 图7 - 2 小型组合式冷库多叉判定树 图7 3 多叉判定树速冻库分支 图7 - 4 正向链 图8 1 专家系统模型 i v u h m 拍 弘 弱 ” 弱 ” 弘 为 舭 拍 如 表格清单 表2 一l冷间设计温度和相对湿度7 表2 2换算系数k i 8 表2 3相当饱和蒸汽温降压差值 k g c m 2 9 表4 1专家系统与传统程序的一些典型不同点1 5 表6 1表示食品信息的一个o a v 三元组3 8 表7 - i各类食品的设计库温4 8 v 第一章绪论 1 1 前言 作为冷链的个重要环节，冷库与人民的生活密切相关。食品是人类赖以生 存的基本物质。无论是植物性食品还是动物性食品，其品种虽然多种多样，但它 们的成分都不外乎包括水分、脂肪、蛋白质、糖类、维生素、矿物质和酶等。这 些成分及其性质不仅决定着食品的品质和营养价值，而且决定着食品在运输、加 工和储存过程中的一系列变化。例如，蔬菜和水果在加工过程中的维生素的损失， 蛋白质在冻结时的变性，动物组织在解冻过程中的汁液流失等，还有一些食品放 置时间一久，就会发生变质和腐败，以致完全不能食用。可见，食品质量的好坏 直接影响着人类的生存质量。 随着世界人口的增长，对食品的消费量剧增，除了大力发展农牧业与捕捞业 之外，尚须在流通环节中千方百计地保持易腐食品的质量，减少损耗。另外在食 品工业中，由于鱼、肉、禽、蛋、蔬菜和水果等易腐食品的生产有着很强的季节 性，为了淡、旺季节的调剂及运输，必须以冷藏手段来保存食品。冷藏库、冷藏 箱、冷藏车和冷藏船等都为此目的服务。为此，大力发展冷库用制冷技术非常必 要。 冷库【l 】的建造、制冷系统的匹配、装置投资、运行质量等都与冷库的设计密 切相关。而冷库设计的因素很多，如应在装置投资、节能、运行质量之间进行协 调，即冷库的节能不仅与冷库的初步设计有关，而且与冷库的运转方式有关：加 厚围护结构中的隔热层或使用具有低热导率的隔热材料以减少冷负荷，是冷库设 计和运行中节能的重要措施，这就要求采用合理的方式确定隔热层的厚度和计算 热平衡；冷库的隔热结构应采用最小的冷桥，使获得冷量的成本最低；目前冷库 多数采用单层建筑，因而冷库平面设计布置时，在保证装卸的前提下尽可能紧凑， 要根据装载方式和叉车码垛特性来确定库的净高：对于冻结或速冻食品，必须合 理选择储藏温度；在增大冷却效果的同时，减少食品的干耗；其它如制冷工质的 选择、节能措施、融霜、换气等等。所有的这些因素，大部分都涉及符号推理， 同时在设计过程中存在许多经验数据的选取，这些经验数据或者是领域专家长期 实践的经验总结或者是以某几个值( 或数值区间) 的形式而存在，具有一定的不 确定性。特别对于设计新手们，往往无从下手，模棱两可。传统的计算机程序只 能处理精确数据，无法处理符号推理和不确定性。本文拟运用专家系统来处理符 号推理，用非精确推理来处理不确定性问题，以小型组合式冷库为对象，利用领 域专家们的知识和推理能力，模拟专家思维和决策能力，采取人机交互的方式， 进行冷库设计。 1 2 专家系统在制冷行业的发展与应用 近年来，专家系统发展迅速，为制冷空调系统研究提供了有效的研究手段， 它以推理为解决问题的基本技术，并具有一定的启发性和学习的能力，解决了制 冷空调领域中众多没有合适算法和无算法的问题，在系统设计、生产、控制、选 型和故障诊断等方面得到了广泛的应用。如：通用汽车公司运用传统的分析程序、 数据库和建立在专家系统技术基础上的模型实现了小轿车和卡车空调系统的自 动化设计【9 】，为将来便利地修改和扩充模型提供了可能；l i n g 和d e x t e r 运用基 于规则的监控专家系统优化了空调生产车间的控制性能l l 叫；s h a m s 等人运用基于 知识的专家系统实现了小型办公大楼供暖、通风、空气调节( h v a c ) 系统的选 型j ；陈建国等人开发了汽车空调器压缩机自动发现并修理故障专家系统等。 1 3 课题主要研究内容 本课题主要研究：建立面向冷库设计工程师们的专家系统模型：冷库设计专 家系统方法与传统设计方法的比较；领域专家们的知识表述( 建立知识库) ：探 索专家系统不确定性推理的方法：专家系统编程语言c l i p s 的基本语法，推理 能力与学习功能；研究c l i p s 与可视化的面向对象程序设计语言v b ，v c + + 之 间的联系机制。 本课题拟用专家系统解决在冷库设计中众多的符号推理的方法和大量经验 数据选取的方法，建立不确定性推理的方法和表述专家们的专门知识，用c l i p s 语言进行编程，运用面向对象的可视化编程语言v b 或v c + + ，采用人机交互的 方式，建立用户界面，开发出小型组合式冷库设计专家系统。 第二章小型组合式冷库 2 1 冷库的分类 2 1 1 冷库的分类1 i 通常按冷库的使用性质来分，冷库可以分为 一、 生产性冷库 它们主要建在食品产地附近、货源较集中的地区和渔业基地，通常作为鱼品 加工厂、肉类联合加工厂、禽蛋加工厂、乳品加工厂、蔬菜加工厂、各类食品加 工厂等企业的一个重要组成部分，有较大的冷却、冻结能力和一定的冷藏容量， 食品在此进行冷加工后经过短期储存即运往销售地区，直接出口或运至分配性冷 藏库作较长期的储存，其特点是从事大批量的、连续性的冷加工。 二、 分配性冷库 它们主要建在大中城市、人口较多的工矿区和水陆交通枢纽，专门储藏经过 冷加工的食品，以供调节淡旺季节、保证市场供应、提供外贸出口和作长期储存 之用，它的特点是冷藏容量大并考虑多品种食品的储存，其冻结能力较小，“整 进零出”或“整进整出”。 三、 零售性冷库 建在大型副食店，菜场内，供临时储存零售食品之用，特点是库容量较小、 储存期短，库温随使用要求不同而异。 四、中转性冷库 建在渔业基地的水产冷库，能进行大批量的冷加工，并可在冷藏船、车的 配合下起中间转运作用。 五、 综合性冷库 这类冷库有较大库容量，有一定的冷却和冻结能力，起到生产性冷库和分配 性冷库的双重作用。 2 1 2 按结构特点分类 一、土建式冷库这类冷库的主体结构和地下荷重结构都用了钢筋混凝土，其围 护结构的墙体都采用砖砌而成。 二、组合式冷库这类冷库的主体结构都采用轻钢结构，其围护结构的墙体使用 预制的复合隔热板( 两种制造方式：一是用现成隔热扳如聚苯乙烯板材两面贴上 金属面板；二是用两层金属面板如喷塑钢板、彩色钢板、防锈铝板或不锈钢板中 间直接灌注发泡材料，在一定的温度下发成多孔的隔热材料) 组装而成。本文以 小型组合式冷库为对象，编写了该类冷库设计的专家系统。 2 2 小型组合式冷库的结构特点 小型冷库冷藏量只有几吨到几十吨，它主要用于机关、工厂、商店等部门， 其储藏量不大，储藏时间也不长，冷库温度一般为( 0 - - 一1 8 ) ，它几乎全部采 用氟利昂制冷装置，库内空气采用制冷剂直接蒸发，制冷装置运转实现全自动。 用得最多的小型冷库型式是组合式冷库，它的围壁、库顶、门和地坪预先在制造 工厂加工好，根据设计要求订购。在制冷设备和系统选择好后，可以在现场很快 安装好，因此，组合式冷库建造速度快是它主要的优点。另外，根据需要可以任 意选择库内容积的大小。组合式冷库大都是单层形式，其承重结构由薄壁型钢骨 架组成，库内跨度可达2 0 一3 0 m ，中间一般没有柱子，高度一般为2 5 m ，也有6 7 m 的。各种构件均按制造厂统一的标准在工厂成套预制，现场只要用螺栓连 接。地坪下有通风管道，不冻液加热管等方式进行防冻，如果库温不是很低( o 以上) 的话，地坪也可直接敷设在地面上。制冷装置采用成套压缩冷凝机组， 冷却设备多采用强制对流的空气冷却器( 冷风机) 。在现场只要接上水电，冷库 即可投入运行。 小型冷库通常分为四种类型：生活服务性冷库、速冻库、低温冷藏库和高温 冷藏库。每种冷库各有其特点，生活服务性冷库中食品调剂性强、储存时间短、 含湿量大及食品混入等特点；速冻库要求在食品降温时快速通过其最大冰晶生成 带，保证食品的质量：低温冷藏库要求能长期储存食品，一般库温小于或等于食 物冻结终了出库温度；高温冷藏库则不要求水份结晶。由于每种小型冷库的特点 不尽相同，在设计时当然有所差别。其中设计人员面临两个主要问题：一，无论 是同一种冷库还是不同冷库，对不同的食品其冷藏温度不同，这涉及到大量的推 理，设计新手显然比较模糊；二，对每一种食品，其冷藏库温在设计手册中是一 个温度区间，设计时，要从温度区间中选取一个温度值作为设计库温，显然专家 选取的要比新手更接近。，同时，这两个问题是传统的程序无法解决的。 2 3 小型组合式冷库的制冷系统介绍及其发展 氟利昂因毒性小，蒸发温度低及便于自动控制等优点，在国外冷库中应用较 多；但氟利昂价格昂贵，国内在大中型冷库中极少使用，但在一些小型冷库中采 用直接供液方式，以热力膨胀阀与电磁阀配合对制冷剂流量进行调节控制，使制 4 冷系统比较简单，操作方便，应用较为广泛。 冷库作为食品冷藏链中一个重要的组成部分，它同其它制冷装置一样，主要 是利用制冷工质在由制冷压缩机、冷凝器、蒸发器、节流机构等部件用连接管组 成的封闭回路中循环来制取冷量的；又由于冷库的建筑特点、结构形式、建造载 体等因素的不同，使得冷库有别于其它制冷装置。下面就冷库制冷系统各个部分 及运行工质作简要阐述。 一、制冷压缩机 制冷压缩机是制冷系统中的主要设备，犹如人体的心脏，在制冷系统中起着 关键性的作用，是整个系统的驱动装置。压缩机的性能以制冷效果、热效率、容 积效率、单位制冷量的重量、单位制冷量的功耗、噪音大小、耐久性、可靠性等 作为技术经济指标。特别地，压缩机的制冷量应该能满足冷库生产旺季高峰负荷 的要求；尽可能的选用相同系列的压缩机，以利于机械零件的互换和操作管理的 方便；为不同蒸发温度系统配备的压缩机，应适当考虑机组之间有互相备用的可 能性。压缩机的性能优劣直接关系整个冷库的制冷性能的优劣。 冷库压缩机通常有两种机型：活塞式和螺杆式。目前，国产的新系列活塞式 压缩机具有高速，多缸，逆流式，体积小，重量轻，效率高，占地面积小，同一 系列压缩机零部件互换性强，平衡性好，振动性小，装有卸载装置和能量调节机 构，可以保证空载启动，又可根据制冷负荷的大小，通过能量调节机械增减投入 工作的气缸数，相应地改变压缩机的制冷量等特点。螺杆式压缩机属于容积型回 转式压缩机，与活塞式相比，它具有某些特殊的优点：运动机构没有往复惯性力， 无进、排气阀，容积效率高，能量可以无级调节，使用温度范围大等，目前在冷 库制冷系统中已得到广泛的应用。 二、热交换器 冷凝器和蒸发器是冷库制冷系统的热交换器。冷凝器通常采用水冷式，它可 以获得较低的冷凝温度，有利于提高制冷系统的制冷能力，降低运行费用。对于 小型冷库，蒸发器的型式应选用冷风机，因它与自然对流相比，具有结构紧凑， 重量轻，降温速度快，库内温度均匀，不占用冷库实用面积等优点，另外，由于 它是强制送风的，所以能使冷库内储存的食品迅速降温，大大提高了储藏食品的 保鲜度。本文设计出的冷凝器采用水冷式，蒸发器采用冷风机。 三、节流机构 制冷系统中的节流机构的作用是将由冷凝器来的高压中温的液体降压节流， 并能控制进入蒸发器的制冷剂液体的流量，使之与蒸发器负荷相适应。冷库系统 中的节流元件通常用热力膨胀阀( 与电磁阀一起作用，控制流量) ，它通过感温 元件自动控制膨胀阀的开启度而实现对流量控制的目的。电磁阀靠近热力膨胀阀 安装，开启或切断制冷剂通路。随着加工水平和计算机技术的迅猛发展，电子膨 胀阀正以其良好的控制性能受到人们广泛的关注。电子膨胀阀灵敏、迅捷的反应 和动作可以确保在任何负荷条件下给蒸发器供应适量的制冷剂，在最大限度利用 蒸发器换热面积的同时，还可避免压缩机湿压缩产生液击。 四、制冷工质”。 传统的冷库制冷系统制冷工质是r 1 2 和r 2 2 ，但由于众所周知的温室效应问 题，目前r 1 2 被禁止使用，其替代物为r 1 3 4 a 。与r 1 2 相比，在相同的蒸发温度 下，其蒸发压力略低，而在相同的冷凝温度下，其冷凝压力略高于r 1 2 ；单位容 积制冷量略低；理论循环效率下降；单位功耗下降；排气温度较低。作为中期被 替代制冷剂r 2 2 ，在不久的将来将被禁止使用，其替代物为r 4 1 0 a 和r 4 0 7 c 。本 文设计计算时采用制冷工质为r 2 2 。 此夕 ，制冷系统中还有储液器、油分离器、高低压保护阀、蒸发压力调节阀、 电磁阀等辅助装置，这些构件通过连接管道连接就组成了完整的制冷系统。 2 4 小型组合式冷库设计计算方法 2 4 1 一般计算方法1 2 1 ( 步骤) 一、 计算冷藏库库容量 g = p r l v e 一储藏食品的质量( 蚝) p 储藏食品的平均密度( k g m 3 ) n 有效利用系数，组合式冷库取0 6 v 库房内容积( m 3 ) 二、 确定库内外计算温度 冷库设计温度和相对湿度应根据各类食品冷藏工艺要求确定，一般可按下表 ( 表1 ) 选用。储藏过程中应按照食品的产地、品种、成熟度和降温时间等调节 其温度和相对湿度。 三、 计算库房耗冷量 6 库房耗冷量q 包括以下几部分组成 表2 - 1 冷间设计温度和相对湿度 序号冷库名称室温( )相对湿度适用食品范围 l 生活服务性冷库 一5 各类食品混入 一1 8 一一2 3肉、禽、兔、冰淇淋等 2 速冻库 一2 3 一一3 0 鱼、虾等 一1 5 一一2 0 8 5 9 0 冻肉、禽、兔和副产，冰棒，冰淇淋等 3 低温冷藏库 一1 8 2 39 0 9 5 冻鱼、虾等 4 高温冷藏库o 一3 8 5 9 5 蔬菜、水果等 ( 1 ) 由于库房内外温差通过围壁的渗入热q 。 ( 2 ) 食品加工前后的焓差，即食品热q ：。带有速冻库的小型冷库，其冷加工 食品过程是周期性工作的，食品热在冷加工过程中有很大的变化。开始，热食品 进入低温的速冻库，此时食品与库温有最大的温差，其食品热也最大，随着食品 冷却和冻结过程的进行，它们间的温差逐渐变小，食品热也逐渐变小。设计时如 果只取q z 进行匹配速冻设备是不能满足开始加工时食品热的要求的，否则，进货 后，速冻库的库温会很快上升，速冻库不能正常工作，所以，在确定速冻设备负 荷时，取食品热为1 3 q ：即增大3 0 。 q 3 。 ( 2 ) 由于通风或开库门，外界新鲜空气进入库内而带进的热量即换气热 ( 4 ) 操作热q 。( 包括照明热、动力热、人体发热和开门渗入热) 。 q = q l + q 2 + q 3 + q 4 四、 确定冷却设备负荷 冷却设备负荷：对冷却和冻结库，q s = p ( q 。+ 1 3 q 2 + q 3 + q 。) 对冷藏库，酝= p ( g + q 2 + 蜴+ 幺) p 一安全系数，p = i 1 1 5 。 五、 选择冷却设备和压缩冷凝机组 对小型冷库，不论是固定式还是组合式的，冷却设备都应选用冷风机，因它 与自然对流相比，具有结构紧凑，重量轻，降温速度快，库内温度均匀，不占用 冷库实用面积等优点，y i 夕t - ，由于它是强制送风的，所以能使冷库内储存的食品 迅速降温，大大提高了储藏食品的保鲜度。同时，冷风机和压缩冷凝机组的生产 已经系列化，只需知道冷风机负荷和机械负荷，就可到生产厂家匹配设计所需要 的冷风机和压缩冷凝机组。因而，本文所选择的冷却设备均为冷风机。 2 4 2 经验计算方法1 2 7 i 对小型冷库，除了上述的一般设计计算方法之外，合肥工业大学吴宝志教授 和领域专家们总结了一套经验设计计算方法，其步骤如下： 一、 压缩机工况制冷量q o o o = k ，q b 式中：q o 一实际运行工况制冷量 q b _ _ 标准工况制冷量 k k 压缩机制冷量换算系数( 表2 2 ) k ，= 砉+ 等 对于r 1 2 ，r 2 2 ，k i 值基本相同。 表2 - 2换算系数k t o t k ( 阀前液温) 2 53 03 5 4 0 2 50 6 l0 5 40 4 8 0 4 2 00 8 20 7 40 6 5 o 5 8 1 51 0 610 8 6o 8 0 1 01 3 512 41 1 41 0 6 51 6 81 5 7 1 4 51 3 5 例如；2 f l 5 b a 制冷压缩机标准工况q b r 1 2 ：3 5 0 0k c a l hr 2 2 ：5 6 0 0k c a l h 若r 1 2t k = 3 0 t o = 1 5 t 0 = 一2 5 t o = 一5 q o = q b q o2 0 5 4 q b = 1 8 9 0k c a l h q o 。1 5 7q b = 5 4 5 9k c a l h o k ：压缩机在空调工况下制冷量q o k 的1 2 1 3 倍设计冷库用时可以满足 q k = ( 1 2 1 3 ) q o k 二、蒸发器型式及蒸发面积 q 0 = f ( k 。a t ) k 。a t = q ， f 个，于耗小时，达不到沫态沸腾。 概算以a t = 7 。c 为准 f 决定因素：v = w t 手巩2 m 3 s f 。c ( w ，以) 1 、受到排管进出口压降限制( 表2 3 ) r 1 2 ：饱和蒸发温度2 ；r 2 2 ：饱和蒸发温度 1 。 表2 - 3相当饱和蒸汽温降压差值k g c m 2 工质t o 一5 1 0- 1 52 02 53 0 r 1 20 0 8 90 0 8 00 0 6 80 0 6 00 0 5 l0 0 4 5 r 2 20 1 4 50 1 3 00 1 1 00 1 0 00 0 8 00 0 7 0 例如：蒸发温度1 5 c r 1 2 ：ap = o 0 6 8 2 = 0 1 3 6k g c m 2 r 2 2 ：ap = 0 i1 0 1 = 0 11 0k g c m 2 2 、受到工质在管内流速带走润滑油的最小速度限制 w m 。= 6 1 m s ( 压缩机前不带上升立管) w 。= 8 m s ( 压缩机前带上升立管) 三、 冷室容积vm 3 设= 冷室容积蒸发面积表示1 平方米蒸发面积可以配得冷室容积m 3 1 、高温冷藏库e = 1 6 9 2 、生活服务性库、低温冷藏库 3 、冷冻库 毛= 1 2 5 l = o 6 0 四、概算冷库围护结构传热量以跑冷量表示 i 、高温库 2 、低温库 3 、冷冻库 6k c a l ( h m 3 ) 1 2k c a l ( h1 t 1 3 ) 实践证明，这套经验算法与一般设计算法的结论相比非常接近，且在工程实 际中已经得到了广泛的应用。本文所设计的专家系统就是建立在这套经验算法之 上。 第三章人工智能 3 1 人工智能h 1 的定义 我们知道，电子计算机是迄今为止最有效的信息处理工具，但普通的电子计 算机系统的智能还相当低下，譬如缺乏自适应、自学习、自优化等能力，也缺乏 社会常识或专业知识等，而只能被动地按照人们事先为它安排好的工作步骤进行 工作，如何让计算机也象人脑一样具有智能呢? 这正是人们研究人工智能的初 衷。人工智能，指用电子计算机模拟或实现的功能，它作为计算机科学的一个分 支，它的研究不仅涉及到计算机科学，而且还涉及到脑科学、神经生理学、心理 学、语言学、逻辑学、认知( 思维) 科学、行为科学和数学，以及信息论、控制 论和系统论等许多学科领域( 图3 1 ) 。 图3 - i 人工智能领域 3 2 人工智能的基本技术 尽管人工智能还是一个正在探索和发展中的学科，尽管人工智能至今还未形 成一个完整的理论体系，但就其目前各个分支领域的研究内容来看，人工智能的 基本技术应包括以下几个方面： 一、 推理技术 几乎所有的人工智能领域都要用到推理技术。对推理的研究往往涉及到对逻 辑的研究，逻辑是人脑思维的规律，从而成为推理的理论基础。推理技术包括自 然演绎推理、归结反演推理等技术。 二、 搜索技术 所谓“搜索”，就是为了达到某一“目标”，而连续地进行推理的过程，搜索 技术是对对推理进行引导和控制的技术。所有智能活动的过程都可以看成或抽象 为一个“问题求解”的过程，实质上是在显式或隐式的问题空间中进行搜索的过 程，对于某一状态图，即是在逻辑网络上进行搜索的过程。搜索技术也是一种规 划技术，如著名的a + 算法和a o * 算法就是两个重要的启发式搜索算法。现在的 神经网络技术开辟了问题求解与搜索技术研究的新途径，如h o p f i e l d 网解决 3 1 个城市的旅行商问题。 三、 知识表示与知识库技术 知识表示指知识在计算机中的表示方法和表示形式，涉及知识的逻辑结构和 物理结构；知识库类似于数据库，知识库技术包含知识的组织、管理、维护、优 化等技术( 如本文专家系统采用的知识库) ，它是人工智能的核心技术。 四、归纳技术 归纳技术指机器自动提取概念、抽取知识、寻找规律的技术，与知识获取及 机器学习密切相关，是人工智能的重要技术。近年来，基于数据库的数据开采和 知识发现技术异军突起，为归纳技术的发展和应用注入了新的活力。 五、 联想技术 联想技术的前提是联想记忆和联想存储，是一个富有挑战性的技术领域。 第四章专家系统技术 4 1 专家系统1 3 1 1 4 1 15 1 的基本概念 人工智能是一门新兴的边缘学科，它主要研究怎样能使计算机去做原来只有 人才做的具有智能性质的工作。人工智能研究目前有两种不同探索途径来实现对 人脑智能的模拟：一是仿生学手段，从结构上进行模拟，达到功能模拟的目的； 另一个是直接通过启发式程序模拟人脑功能，即专家系统。专家系统是人工智能 领域三大前沿( 专家系统、模式识别和智能机器人) 的一个分支，它大量利用专 家知识和推理、模拟专家的决策能力来解决只有专家才能解决的问题。目前专家 系统的应用已经渗透到数学、物理、化学、生物、农业、地质、气象、交通、冶 金、化工、机械、政治、军事、法律、空间技术、环境科学、信息管理系统、金 融和信息高速公路等众多领域，它的应用几乎渗透到各行各业，凡是需要用专家 知识解决问题的地方，都可以用专家系统。世界上第一个专家系统d e n d r a l 系统可以象物理化学专家一样能推断分子的组成结构；m y c l n 系统象一个经验 丰富的感染病医生，能为患者诊断、治疗传染性疾病；美国地质工作者曾用探矿 专家系统p r o s p e c t o r 于1 9 8 2 年发现了美国华盛顿州的一处钼矿，开采价值 超过一亿美元；s c h i n m b e r g e r 公司用测井记录解释专家系统d i p m e t e r a d v i s o r 可以大大增加该告诉解释业务的总收入；美国数字设备公司( d e c ) 利用计算机配置专家系统x c o n 每年可以为公司节省几千万美元的开支。这些 都是专家系统成功应用的实例。 4 2 基于规则的专家系统的组成 从描述知识的方式来划分，专家系统分为基于规则的专家系统和基于对象的 专家系统。以基于对象的方式描述知识包括对象的基本结构、功能和行为，这种 知识往往较深：而以基于规则的方式描述知识指基于经验和启发性知识，这种知 识易于理解。本文采用基于规则的专家系统。如图4 一l 所示，它由下列几个部分 组成： 图4 1基于规则的专家系统总体结构 用户界面用户和专家系统之间的通信机制； 解释机向用户解释专家系统的推理： 工作内存被规则所使用的所有事实的全局数据库； 推理机通过决定哪些规则满足事实或目标，并自动生成规则优先级，然后 按规则的优先级依次执行来进行推理； 议程由推理机创建的一个规则优先级表，当规则中的事实和工作内存中的 事实相匹配时，这些规则被激活，从而被执行； 知识获取机为用户创建的一个知识自动输入方法。 当用户提供事实或信息给专家系统时，专家系统内部的工作内存将向推理机 提供它所要用到的、已经得出结论的知识，然后，用户将收到这些专家的建议或 结论，这些建议或结论是专家对用户询问的响应。 4 3 专家系统与传统程序的区别 专家系统与传统程序间有许多不同。专家系统经常用于处理不确定性的问 题，因为推理是处理不确定性的最好工具之一；对不同的输入数据和知识库，一 个专家系统可以给出正确答案、好答案、差答案或没有答案等。表4 1 给出二者 一些典型的不同点。 目前，小型组合式冷库的设计仅仅依靠工程师们手工进行计算，在设计过程 中涉及到大量的符号推理和经验数据的选取，同拥有这些专门知识的少数领域专 家们相比，大多数工程n j f i j ( 设计新手) 须花费大量的时间学习和实践，才能达 到或接近冷遇专家们的水平。在此之前，要么计算繁琐要么精确度不高。开发传 统程序，由上表中可以看出，难以解决大量的符号推理和经验数据获得。这也是 本文用专家系统设计小型组合式冷库的原因所在。 4 4 专家系统的特点和优点介绍 专家系统可以认为是一种说明性程序设计，程序员不必说明完成目标的具体 算法。如，在一个基于规则的专家系统中，任何一个规则，只要其左部与事实匹 配，那它就可以被激活并被加入到议程中，规则的顺序并不影响它们的激活，不 需要严格的控制流。由此可见，专家系统有不少吸引人的优点：适应性强，专家 系统在任何计算机上都是可利用的；成本低，提供给用户的专家知识成本非常低： 持久性，专家知识是持久的，不象专家那样会退休，或者死亡；复合专家知识， 可以在白天或晚上同时或持续地解决某一问题，由几个专家复合起来的知识，其 4 水平可能会超过一个单独的专家；解释、说明，专家系统能明确、详细地解释导 出结论的推理过程；响应快，依靠所使用的软件或硬件，专家系统比专家反应要 快。 表4 1专家系统与传统程序的一些典型不同点 特征传统程序 专家系统 由控制语句次序推理机 控制与数据隐含在一起明确分开 控制能力强 弱 由求解 算法规则和推理机 求解搜索少或没有多 问题求解 算法的正确性规则的正确性 输入假设正确不完整或错误 意外输入难以处理照样处理 输出 总是正确依赖于问题的不同 解释 没有通常有 应用数值、文件或文本符号推理 执行一般按顺序随机 程序设计结构化设计 很少或没有结构 修改难较易 扩充要作很大改动 可逐步增加 第五章基于规则的专家系统工具c l i p s 5 1c l i p s l l 3 1 基本语法介绍 5 1 1 概述 c l i p s 是“c 语言集成产生式系统( 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 ) ” 的首字母缩略词，它是美国航空航天局约瀚逊太空中心用c 语言设计的，他的 特点是简便、低成本和易于与外部系统集成。c l i p s 是一种多范例编程语言，它 支持基于规则的、面向对象的和面向过程的编程，其推理和表示能力与o p s 5 相 似，但功能更强；在语法方面，c l i p s 规则与a r t 、a r t i m 、e c l i p s e 和c o g n a t e 语言的规则极为相似，它仅支持正向链规则。 5 1 2 基本组成 基于规则的c l i p s 的基本组成是： 1 ) 事实列表( f a c tl i s t ) ：包含推理所需的数据，通常由系统默认事实和 定义事实构成一个事实库； 2 ) 知识库( k n o w l e d g eb a s e ) ：包含所有规则，通常用自定义规则形成 知识库； 3 ) 推理机( i n f e r e n c ee n g i n e ) 按一定推理机制进行推理并对运行进行总体 控制。 推理机的推理过程为：读入当前插入的事实，与知识库中的间接规则的前件 相匹配，并将匹配成功的规则的结论读入工作内存中：将上一步得出的中间结论 作为新的事实与知识库中的直接规则的前家相匹配；如果工作内存中的事实达到 一种稳定状态即再无新的事实产生时，结束推理过程，输出专家系统的建议或结 论。 5 1 3c l i p s 基本语法构成 c l i p s 包含自定义模板结构、自定义事实结构和自定义规则结构三个主要的组 成部分。 5 1 3 1 自定义模板结构 事实被创建之前，必须告知c l i p s 一个给定关系名的合法槽列表。共享相 1 6 同的关系名和包含共同信息的几组事实可以利用自定义模板来描述。自定义模板 结构的一般格式为： c l l p s ( d e f t e m p l a t e ( s l o t ) l ( m u l t i s l o t ) ) 其中s l o t 表示单字段槽，m u l t i s l o t 表示多字段槽。 本文专家系统程序使用了五个自定义模板： ( d e f t e m p l a t em a i n ：f o o d ( m u l f i s l o tn a m e ) ( s l o tt e m p e r a t u r e ) ( s l o tc f ( t y p ef l o a t ) ) ( s l o te n t h a l p y ( t y p ef l o a t ) ) ( s l o td e n s i t y ( t y p ef l o a t ) ) ) ( d e f l e m p l a t em a i n ：f i n d ( s l o tn a m e ) ) ( d e f t e m p l a t em a i n ：f i n d l ( s l o tn a m e ) ) ( d e f t e m p l a t em a i n ：f i n d 2 ( s l o tc o ) ( d e f t e m p l a t em a i n ：c o e f f i c i e n t ( m u l t i s l o tn a m e ) ( s l o t ( s l o tc f ( t y p ef l o a t ) ) ) 自定义模板f o o d 用于储存关于冷藏食品的信息，包括食品的种类、各种不 同的设计库温、食品重度、不同温度下食品的比焓；自定义模板f i n d 说明了食品 的种类，这是由n a l t l e 槽值决定的，规则c h i l l e d 。f o o d c h o o s e 从该模板的n a i t e 槽 值中获取该值，然后查找r l a r n e 槽值与? n a m e 约束值相同的所有f o o d 事实；自 定义模板f i n d l 说明了小型组合式冷库的种类，这是由n a m e 槽值决定的，规则 f a s t f r o z e n d e s i g n 、规则c o e m c i e n t f i n d 、规则c o e f f i c i e n t h i g h f i n d 、规则 c o e f f i c i e n t l o w - f i n d 从该模板的n a m e 槽值中获取该值，然后查找n a m e 槽值 与? n a m e 约束值相同的所有c o e f f i c i e n t i n f o r m a t i o n 事实：自定义模板f i n d 2 说明 了设计库温的隶属度值，这是由c f 槽值决定的，规则f i n d 2 p a r a m e t e r s 从该模板 的c f 槽值中获取该值，然后查找c f 槽值与? c f 约束值相同的所有f o o d 事实；自 定义模板c o e f f i c i e n t 用于储存关于各种小型组合式冷库库容量与蒸发面积之间的 经验比值的信息。 5 1 3 2 自定义事实结构 在程序运行前已知是正确的事实( 由字段组成) ，可以自动声明为一组事实 ( c l i p s 系统中的初始知识) ，这就称为自定义事实。其结构的一般格式如下： c l i p s ( d e f f a c t s ) 本文结合食品信息的特点，采用对象属性值( o a v ) 三元组表示有关冷藏 食品的知识、经验数据，这些o a v 三元组在c l i p s 中通过使用下列的自定义事 实结构来表达： ( d e f f a c t si n i t i a l - p h a s e ( p h a s ec h o o s e r e f r i g e r a t o r y ) ) ( d e f f a c t sm a i n ：f o o d - i n f o r m a t i o n ( f o o d ( n a j i l e ? n a m e ) ( t e m p e r a t u r e ? t e m p e r a t u r e ) ( c f ? c 0 ( e n t h a l p y ? e n t h a l p y ) ( d e n s i t y ? d e n s i t y ) ) ( d e f f a c t sm a i n ：c o e f f i c i e n t i n f o r m a t i o n ( c o e f f i c i e n t ( n a m e ? n a m e ) ( k ? k ) ( c f ? c 聊 每个事实根据与专家提供的设计库温计算出的隶属度联系起来。这些隶属度 的变化范围从0 到1 ，隶属度的值越大，表明专家选取该库温作为设计库温的可 信度也越高。 5 1 3 3 规则结构 在定义出事实之后，事实还要满足什么样的条件，专家系统才能完成有用的 工作，这称为规则。其结构的一般格式如下： c l i p s ( d e f r u l e + ；模式部分，相当于i f = * )；行为列表部分，相当于t h e n 需要注意的是：整条规则必须用括弧括起，规则中的每一个模式( ) 和行为 必须用括弧括起。一条规则可能有多个模式和行为。如果模式和行为被嵌套，则 将它们括住的括弧必须适当地配对。所有的模式与事实匹配，规则才会被激活并 被放入议程中，按c l i p s 自动生成的优先级顺序执行。 本文专家系统程序的规则既有简单模式规则又有多模式规则，例如： ( c l e f r u l em a i n ：e h i l | e d - - f o o d - c h o o s e ( p h a s ec h i l l e d - f o o d s e l e c t ) = ( p r i n t o u tt ”请您从下列选项中选取将要冷冻的食品( 请从键盘中输入括 号中的英文) ：”c r l f ”c r l f ”猪肉一( p i g ) ”c r l f ”牛肉( b e e f ) ”e r l f ”羊肉( m u t t o n ) ”c r l f ”肉禽混合类( 牛肉，羊肉，猪肉，兔肉及其副产品) 一( r q ) ”鱼虾一( ”) ”c r l f ) ( a s s e r t ( f i n d ( n a m e ( r e a d ) ) ) ) ( a s s e r t ( p h a s ec h i l l e d - t e m p e r a t u r e ) ) ) 该规则就是简单模式规则，它只有一种模式，确定当前正在进行