（控制理论与控制工程专业论文）烧结法氧化铝生料浆配料专家系统研究与开发.pdf

中南大学硕士学位论文 摘要 摘要 随着经济的发展，市场上氧化铝供不应求，如何提高氧化铝的质 量是氧化铝生产厂家尤其关注的问题。在烧结法氧化铝生产过程中， 熟料的成分和质量对整个工艺的技术经济效果有着十分重要的影响， 而配料作为烧结法氧化铝生产的第一道工序，其配制的生料浆质量直 接影响熟料的质量，进而影响氧化铝的产量与质量。 由于烧结法氧化铝生料浆配料过程是一个具有强耦合、纯滞后和 显著不确定性的复杂工业过程，基于数学模型的传统的方法难以实施 控制。故本文基于烧结法氧化铝生料浆配料机理和长期积累的专家经 验知识，引入基于人工智能的专家系统，研究了适用于生料浆配料生 产特点的生料浆配料专家系统。 论文根据配料机理与长期生料浆配料生产总结的专家经验知识， 结合产生式系统的知识表示方法，讨论了配料知识的抽取方式，采用 基于巴科斯范式( b n f ) 的知识表示形式，研究了规则集分类的方法 和知识求精的算法，在规定知识组织原则的基础上设计了生料浆配料 专家知识库。针对配料知识的特点，依照知识的b n f 形式，推理机 采用启发式搜索、前向推理和哈希表有机结合的方式实现生料浆配料 专家系统的配比计算，即在规则集与规则集之间采用启发式搜索、在 规则集内部采用前向推理、而在规则前提和结论之间采用哈希表。 然后，文中对专家系统的功能模块及开发策略进行了阐述。在系 统投入试运行后，对实际反馈的配料数据进行分析，实际结果证明配 料专家系统配比计算速度快、效率高，既提高了生料浆质量，又稳定 了生产。 论文最后对研究工作进行了总结，提出了今后需要进一步研究的 工作。 关键词配料，专家系统，知识库，推理机，生料浆 a 。b s t r a c t w i t ht h ee c o n o m yd e v e l o p i n g ，t h ea l u m i n ad e m a n di sg r e a t e rt h a n s u p p l y , a n dh o wt oi m p r o v et h eq u a l i t yo f a l u m i n ai sp a i dm o r ea t t e n t i o n t oi na l u m i n am a n u f a c t u r e r s b l e n d i n gi st h eb a s i so ft h ea l u m i n a p r o d u c t i o nb ys i n t e r i n gm e t h o d ( a p s r v o ，a n di t f o r m st h ep u i pw h o s e q u a l i t yd i r e c t l yr e l a t e st ot h es i n t e r e dm i x t u r et h a ti n f l u e n c e ss i g n i f i c a n t l y t h et e c h n i c a le c o n o m yr e s u l t so f t h ew h o l et e c h n o l o g y h o w e r v e r , b e c a u s eo ft h ep r o c e s so fp u l p i na p s m ，i nw h i c h t i m e d e l a ya n dm a n ye n v i r o n m e n te f f e c t se x i s t s ，i st o od i f f i c u l t t o d e s c r i b ew i t hp r e c i s ea n da n a l y t i cm a t h e m a t i c a lm o d e l s ，a n di tc a nn o tb e c o n t r o l l e dp r o p e r l yb yt r a d i t i o n a lm e t h o d s b a s e do nt h ea n a l y s i so fp u l p i na p s ma n dl o n g - p e r i o dk n o w l e d g eo fe x p e r te x p e r i e n c e ，ab l e n d i n g e x p e r ts y s t e mt h a ta d a p t sp r o d u c t i v ef e a t u r e so fp u l pi na p s mh a sb e e n d e v e l o p e di nt h i sp a p e r b a s e do nt h eb l e n d i n gt h e o r y , t h ek n o w l e d g eo f e x p e r t se x p e r i e n c e d e r i v e df r o ml o n g p e r i o db l e n d i n gp r o d u c t i o n ，t h ek n o w l e d g ea b s t r a c t m e t h o di sd e s c r i b e d ，t h eb a c k u s - n a u rf o r m ( b n f ) i sa d o p t e da st h e k n o w l e d g er e p r e s e n t a t i o n ，t h ec l a s s i f i e dp r i n c i p l eo fr u l ec o l l e c t i o na n d k n o w l e d g er e f i n e m e n ta r es t u d i e d ，a n dab l e n d i n ge x p e r tk n o w l e d g eb a s e o fp u l pi s d e s i g n e da f t e rt h eo r g a n i z a t i o np r i n c i p l ei sd e f i n e d t h e n ， a c c o r d i n gt ot h ek n o w l e d g ec h a r a c t e r i s t i ca n dt h ek n o w l e d g eb n f , t h e i n f e r e n c ee n g i n ei sr e a l i z e dt h r o u g ht h eh y b r i do fh e u r i s t i cs e a r c h a m o n g t h er u l ec o l l e c t i o n ，f o r w a r dc h a i n i n gi nt h ei n t e r i o rr u l ec o l l e c t i o na n d h a s ha l g o r i t h mb e t w e e nt h ep r e c o n d i t i o na n dt h ec o n c l u s i o no ft h er u l e ， w h i c hi m p l e m e n t st h em a t c hc o m p u t a t i o n t h e n ，t h ef u n c t i o nm o d u l ea n dd e v e l o p m e n ts t r a t e g yi sd i s c u s s e di n t h ep a p e r t h eb l e n d i n ge x p e r ts y s t e mh a sb e e np u ti n t os e r v i c ei na n a l u m i n as m e l t e r y , w h o s ea c t u a l r u n n i n gr e s u l t s s h o wt h a tt h es y s t e m i m p l e m e n t st h ec o m p u t a t i o no fb l e n d i n gr a t i of a s ta n de f f i c i e n t l y , i m p r o v e st h eq u a l i t yo f p u l pa n ds t a b i l i z e si n d u s t r i a lp r o d u c t i o n a tl a s t ，t h ec o n c l u s i o na b o u tt h er e s e a r c hw o r ka n dt h ef u t u r ew o r k t h a tn e e db ed e e p l yr e s e a r c h e di sg i v e n i i 中南大学硕士学位论文a b s t r a c t k e y w o r d s b l e n d i n g ，e x p e r ts y s t e m ，k n o w l e d g eb a s e ，i n f e r e n c ee n g i n e ， p u l p i i i 原创性声明 。兰蝥曼要兰銮堂兰位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 釜蝥霎竺曼了苎奎耋譬掣婴璧孽注和致谢的地方外，论文中不苞含翼箍爻琶墓薹萎；篓； 篓竺罕耋譬詈坐要曼曼塑登堡中南大学或其他单位的学位或者证；品蓓篇聂磊藉茹；主 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明：“”。”1 “ 懒名：0 垒邋嘲塑笙竺旦型目 关于论文使用授权的说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留学位论文，允 许该论文被查阅和借阅：学校可以公布该论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其 他手段保存学位论文；学校可以根据国家和湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名： 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究的背景和意义 第一章绪论 随着经济的迅速发展，工业界对氧化铝的需求越来越大，氧化铝市场供不应 求。由于国内铝土矿大量是一水硬铝石型的，从而决定了不能沿用国外普遍采用 的常规拜耳法生产氧化铝，从而主要采用烧结法。目前，烧结法生产氧化铝仍占 全国总产量的4 5 左右，而且在今后相当长的时期内，烧结法氧化铝仍然占据 氧化铝生产的主流m 。 烧结法氧化铝的生产流程简图如图卜1 所示，其实质是将铝土矿、石灰、煤、 碱粉等原料按一定配比与补充的新碱液以及后续工艺返回的( 包含硅渣的) 碱赤 泥浆混合并湿磨制备成生料浆，生料浆经过调整后送入烧结窑在高温下烧结成熟 料。熟料经过溶出、脱硅、过滤、蒸发、焙烧等工序生产出氧化铝。 图卜1 烧结法氧化铝的生产流程 烧结法氧化铝生产过程中，熟料的成分( 如铝硅比) 和质量对氧化铝溶出率 影响很大，从而决定了氧化铝的产量和质量；另外，熟料的成分与质量对赤泥膨 胀有显著影响，生料浆钙比过高或熟料烧结程度差，则熟料中会存在过多的游离 氧化钙，溶出后的赤泥易发生膨胀，而赤泥膨胀，会给生产带来很大的危害，会 使赤泥、洗涤的正常作业遭到破坏。可见，熟料的成分和质量对于整个工艺的技 术经济效果有着十分重要的影响，熟料质量的稳定和控制十分重要。 而作为烧结法氧化铝生产的第一道工序，配制的生料浆指标的好坏直接关系 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 到熟料质量的高低，因此稳定生料浆成分和质量不容忽视。“配料是基础，烧结 是关键”的思想已是氧化铝企业人员的共识“1 。生料浆的配制不仅仅是简单几种 物料的混合，它直接关系到整个系统的碱平衡和水平衡。目前中州铝厂配料的状 况是工人凭经验确定配比，结果造成工人计算工作量大、生料浆质量波动大且入 槽合格率低。如能在现有配料的基础上，通过其它途径改善目前的配料方式以提 高生料浆的质量，它不仅能保证整个系统的稳定，而且将会进一步能提高氧化铝 的生产产量和质量，从而为企业增加经济效益，其实际意义非常明显。 由于配料生产是一个存在大滞后、存在许多不确定性的复杂工业过程，影响 生料浆各项指标的因素很多，且各项指标间存在很强的耦合，很难建立起精确的 数学模型，因而不能采用仅仅基于数学模型的方法来确定配比。 为了使铝土矿、石灰、煤、碱粉以及后续工序返回的碱液( 新碱液、硅渣、 碱赤泥浆的混合液) 等原料有一个合理的混合配比，从而保证配制的生料浆质量 指标合格，配料技术人员凭借经验不仅要充分考虑到铝土矿、石灰、煤、碱粉以 及后续工序返回的碱液等原料对生料浆质量指标产生的影响，而且还要充分认识 到工况变化、人为因素等外部环境对配料生产扰动而引起的生料浆质量的波动， 并在配料生产过程中采取相应的处理措施指导配料。要真正做好配料工作，使配 制的生料浆质量指标合格率高，这对配料技术人员而言，是一项艰巨而又非常困 难的工作。 考虑到生料浆配料生产是一个动态的过程，难以建立精确的数学模型，中州 铝厂经过长期的积累，形成了一些专家经验，对采用专家系统提供了基础。烧结 法氧化铝生料浆配料专家系统正是以此为出发点，以配料机理为基础，结合群体 专家经验之所长进行设计，它可以确定准确的配比来提高生料浆质量，进而有效 保证熟料的质量，这对稳定熟料的质量有着积极的意义，从而提高氧化铝生产的 产量和质量，进而提高经济效益。 1 2 配料的国内外研究现状 目前，国内外对配料工作进行了一定的研究，归纳起来主要有两方面，一是 通过配料机理建立数学模型的方法，二是引入人工智能的专家系统进行配料的方 法。 1 2 1 基于数学模型的方法 基于配料机理以及相关的资料建立起数学模型的方法主要有经验公式法、多 元方程组求解法和线性规划法。 经验公式法。该方法只考虑主要因素，忽略次要因素，以主要因素来建立经 中南大学硕士学位论文第一章绪论 验公式，以求达到配料要求，但它只考虑主要的物料而没有考虑其他成分，因而 计算结果精度较低，故存在很大的局限性。 多元方程组求解法。针对经验公式法的不足，多元方程组求解法是综合考虑 各物料的每一种成分，按照静态的物料平衡原理建立相应的方程，然后进行优化 计算。该方法作为研究某种物料或成分变化对配料工作的影响非常有意义。但是， 在设备等因素造成生产组织失调或人为打破系统液量平衡时( 如大修安排、流程 调整或工艺变化等) ，利用该配料算法计算，有时求得的物料量会出现负值，失 去了实际指导意义。再者，实际生产过程是一个动态的平衡过程，而基于多元方 程组求解的方法是一个静态过程，用静态的方法去解决动态的问题，这本身就不 是解决问题的有效途径。 线性规划法。此法的特点是以生产实践和试验为基础，建立目标函数，确定 约束条件”1 。并借助计算机程序设计语言编制相应的计算程序，实现优化配料。 线性规划法在水泥配料、钢铁配料、化肥配料等非复杂工业生产过程中取得了一 些成绩”1 。 经验公式法、多元方程组求解法以及线性规划法，它们共同的特点是建立数 学模型。对于非复杂的且能够建立数学模型的配料系统，利用数学模型来计算配 比是可行的，但对于复杂的系统，数学模型是很难精确地描述配料过程中各个参 数间复杂的耦合关系。由于烧结法氧化铝生料浆配料存在许多不确定性的复杂工 业过程，生料浆各指标问存在很强的耦合，很难建立起精确的数学模型，因而不 能采用仅仅基于数学模型的方法来确定配比。 1 2 2 基于人工智能的专家系统方法 专家系统作为一种智能控制，将人的感性经验和定理算法相结合，能够处理 各种定性与定量的、精确与模糊的信息。鉴于它所表现出来的在层次结构上、控 制方法上知识表达上的灵活性，在冶金、冶炼、化工等行业的复杂工业生产过程 控制中，专家系统已得到了成功的应用。该法在配煤过程中取得了实际成效，其 方法是根据焦化理论和生产所获工业数据构造数学模型，以群体专家经验得到的 定性知识构成规则模型，将解析的数学模型与基于知识的规则模型相结合，采用 定性定量综合集成方法，建立焦炭质量预测数学模型，提出了配煤比计算的实用 算法，并实时控制配煤流量【叫引。 在烧结厂烧结配料过程中采用自适应算法与专家系统相结合的方法【1 9 1 来指 导烧结配料。该法根据烧结理论与生产所获工业数据构造数学模型，以群体专家 经验得到的定性知识构成规则模型，将解析的数学模型与基于知识的规则模型相 结合，采用自适应算法确定配料比 对配煤研究的另外一种方法是采用神经网络专家控制策略 2 0 , 2 1 1 。该法在钢铁 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 工业配煤过程中，首先基于过程的统计数据和经验知识，建立神经网络、经验模 型和规则模型，神经网络用于描述配煤和炼焦产品质量的复杂非线性关系，它与 经验模型相结合，构成了配合煤和焦炭的质量预测模型，然后结合这些网络和模 型，提出一种决定配煤比的专家推理方法。 总之，它们有一个共同点，就是首先根据配料机理与工业数据建立数学模型， 然后以专家经验、配料机理为基础构造专家系统，再将数学模型和专家系统有机 地结合来确定配料比。 1 2 3 专家系统特点 专家系统( e x p e r ts y s t e m ) 是人工智能的一个分支，产生于6 0 年代中期，但 其发展速度相当惊人，目前专家系统的应用领域己渗透到数学、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，都可以通过构造专家系 统来实现高速高效地解决问题0 2 2 ”。 专家系统目前尚无一个精确的全面的众所公认的定义。研究者比较一致的、 粗略的定义是：专家系统是一种相关领域中都具有专家水平解题能力的智能程序 系统，它能运用领域专家多年积累的经验与专门知识，模拟人类专家的思维过程， 求解需要专家才能解决的困难问题。专家系统一般应具有如下一些基本特征： 具有专家水平的专门知识。能像人类专家一样掌握某一领域的专门知识。 能进行有效的推理。能根据用户提供的已知事实，通过运用掌握的知识，进 行有效的推理，以实现对问题的求解。 具有知识获取能力。能够从实践中不断获得新知识，使知识库中的知识越来 越丰富、完善。 透明性。能向用户解释它的推理过程，回答用户的一些关于它自身的问题， 如何得到问题的解。 高性能。拥有一定的专门知识的数量和质量，像人类专家一样具有高水平的 问题求解能力。 灵活性。知识库的知识便于修改、补充和精炼。 具有交互性。能够与领域专家或知识工程师进行对话。 具有实用性。是根据领域问题实际需求开发的。 专家系统以它的高性能和实用性引起了世界各国的普遍重视，美国、日本和 欧洲等发达国家都纷纷投入很多科学家进行研究，并己开发出很多高水平的专家 系统，它们可以像人类专家一样解决应用领域中的许多繁杂而又困难的问题。例 如，在配料领域的焦炉配煤过程中采用专家系统已经取得了实际成效，该系统经 中南大学硕士学位论文第一章绪论 长期运行结果表明该系统工作可靠、性能稳定；当扰动发生时，实际配煤流量能 被快速调整至设定范围，配煤准确率由人工配煤时的6 0 1 - 升到9 7 。焦炭质量 预测精度达到9 5 ，取得了满意的应用效果“。 1 3 论文主要研究内容及结构安排 1 3 1 主要研究内容 基于烧结法氧化铝生料浆配料机理和长期积累的专家经验知识，提出系统总 体设计方案，开发适应于生料浆配料生产特点的配料专家系统，其主要研究内容 如下： 1 ) 配料知识获取及其知识库设计。知识库是专家系统的核心，而知识获取 是建立知识库的基础。知识获取需要解决的问题是从配料机理、配料文献以及长 期积累的配料经验中抽取有益于配料的专家知识，然后采用合理的知识表示形式 来表示配料知识：配料知识难免存在冗余、矛盾等问题，故而对知识的求精进行 了研究；最后，根据已有的知识设计知识库的物理结构，并采取某种组织原则对 知识进行合理的组织。 2 ) 推理机制的确立。推理机也是专家系统的推理机构，它需要解决的问题 是采用何种知识搜索策略来保证推理机的推理效率，当推理遇到冲突时，采取 何种冲突消解策略。 3 ) 基于v c + + 6 0 编程语言，如何开发配料专家系统。 1 3 2 论文结构安排 本文研究的是烧结法氧化铝生料浆配料专家系统，全文共分六章。 第一章绪论，介绍本课题的研究背景和意义，综述了专家系统的研究发展， 以及专家系统在控制领域的应用现状，并对烧结法氧化铝生产工艺做了简要的介 绍。 第二章配料专家系统方案设计，简要介绍烧结法氧化铝生料浆配料生产工 艺，并对配料生产工艺过程中存在的问题进行了分析，针对这些问题设计了配料 专家系统的设计方案。 第三章配料知识获取与知识库设计，研究了如何从配料机理、配料文献以及 长期积累的配料经验中获取配料的专家知识，并研究了该知识的知识表示形式； 针对配料知识存在冗余、矛盾等问题，对知识进行了求精；最后，根据已有的知 识设计知识库的物理结构，并采取某种组织原则对知识进行合理的组织。 第四章推理机制，首先给出了推理的概念及其分类，然后设计了配料专家系 统的推理机制，最后针对推理存在的冲突性，设计了冲突消解策略。 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 第五章专家系统的实现及应用，从软件实现角度对专家系统的实现进行了说 明，并对本系统投入试运行后的结果进行了分析。 第六章结束语，总结了本文的工作，并提出了今后需要研究的工作。 6 中南大学硕士学位论文第二章生料浆配科专家系统方案设计 第二章生料浆配料专家系统方案设计 针对目前烧结法氧化铝生料浆配料生产工艺，对其存在的问题进行了详细分 析。基于烧结法氧化铝生料浆配料过程是一个存在强耦合、纯滞后和显著不确定 性的复杂工业过程，传统的仅仅基于数学模型的方法难以获得精确的配料比，因 而提出配料专家系统的设计方案。 2 生料浆配料工艺分析 由于目前配料生产工艺本身的特点，决定了其自身在配料生产中存在许多问 题，这些问题是这种工艺特点不可避免的。 2 1 1 配料生产工艺简介 目前，烧结法氧化铝生料浆配料一般采用三段配料、三次调配的配料方式希 望达到生料浆质量合格的要求。如图2 - 1 所示，配料过程工艺可简要描述为将各 种不同的铝矿石经粉碎混矿后得到不同品位的铝土矿( 高铝矿、普铝矿、高铁矿 和低铝矿) ，然后将铝土矿连同石灰、煤、碱粉以及后续工序返回的碱液按经验 确定的配比将各物料输送到管磨机进行磨制；出磨后，经过粗配的生料浆经a 槽分料箱分配到n 个a 槽中的其中几个，而后将其中某几个a 槽的生料浆相互 混合后送入m 个b 槽中的其中几个；对于b 槽的生料浆，选择其中几个槽生料 浆综合指标最合乎k 槽期望指标的生料浆送入k 槽，然后再送往熟料窑烧结。 三段配料的操作流程：第一段是将各种成分波动较大的铝矿石粗配成比较稳 定的铝土矿，即各种矿石之间的混合，主要是配矿的铝硅比a s ( a 1 2 03 s i o2 重量比) 和铁铝比 f a ( f e 2 0 3 a 1 2 0 3 分子比，即 o 6 3 7 5 ( y f e ，o ，ys i o ，) 作为生料浆配料的原料；第二段配料是在管磨机喂 料段，就是将石灰、碱粉、碱液等原料和铝土矿送入管磨机段，主要是配生料浆 的c a o 、n a ，o 和水分；第三段配料是生料浆从管磨机出来后一直到k 槽段，主 要是配生料浆的碱比 n r ( n a2 0 ( a 1 2 0 3 + f e 2 0 3 ) 分子比，即1 6 4 5 n a 2 0 ，( y a i ，o ，+ o 6 3 7 5 y f e ，o ，) 及钙比 c ，s ( c a o s i 0 2 分子，即1 0 7 1 ( 芝：c a o y s i o ，) 铝硅比与铁铝比。 由上可知，其中第三段配料是一个比较复杂的工艺过程，各原料经管磨机磨 制配制成生料浆，生料浆经缓冲泵送入a 槽，然后由a 槽到b 槽，再由b 槽到k 槽，而三次调配就是对这一段的生料浆经过合理的调配，使生料浆质量指标合格。 第一次调配是将铝土矿、石灰、煤、碱液、碱粉等原料送入管磨机进行湿磨： 中南大学硕士学位论文第二章生料浆配料专家系统方案设计 出磨后，经过粗配的生料浆经溜槽分配到n 个a 槽中，若a 槽中的生料浆质量 相互间有波动，但通过相互混合可基本满足质量要求，则将进行二次调配，将几 个a 槽的生料浆相互混合后入b 槽；对于m 个b 槽的生料浆，通过三次调配进 行微调后可基本认为合格，送往k 槽，再由k 槽送往熟料窑烧结。 图2 - 1 配料生产工艺 总之，这种配制生料浆生产工艺过程非常复杂、工艺流程长、投入的生产设 备多，这不仅给整个配料工艺的各个工序间相互协调带来很大的困难性，造成工 人劳动强度大、配料效率低、所配制的生料浆质量波动大。 2 1 2 配料过程存在的问题 针对烧结法氧化铝生料浆配料生产工艺的复杂性，配料技术人员采取了一定 的措施去提高生料浆的质量，但结果不尽人意，因为这种配料生产工艺本身存在 一些难以解决的问题。 1 ) 数据量大。生料浆配料生产过程中所要用到的数据非常多，确定配比时， 中南大学硕士学位论文第二章生料浆配料专家系统方案设计 需要对这些数据进行大量且复杂的计算，结果增加了配料技术人员的工作量。在 配料生产过程中，要考虑的主要有如下的一些数据。 ( 1 ) 各物料成分，有铝土矿成分( 主要是氧化硅、氧化铁、氧化铝) 、石灰 的有效成分、碱粉的质量成分、煤的湿度以及碱液的成分( 主要有h 2 0 、c a o 、 n a 2 0 、s i 0 2 、f e 2 0 3 、a | 2 0 3 ) ： ( 2 ) 生料浆成分，有溜槽、a 槽、b 槽生料浆成分( 主要有：h 2 0 、c a o 、 n a 2 0 、s i 0 2 、f e 2 0 3 、a 1 2 0 3 ) ，况且由于生产是连续的，每整点对生料浆取样 次进行化验，且a 、b 槽的数量较多，这样数据量就增加了很多： ( 3 ) 熟料成分，主要有钛( t i ) 、钙( c a ) 、钠( n a ) 、硅( s i ) 、铁( f e ) 、铝( a 1 ) 等： ( 4 ) 生料浆、熟料质量指标，主要有碱比( n r ) 、钙比( c s ) 、铝硅比 ( a s ) 和铁铝比( f a ) ，其中生料浆的质量指标还有水在生料浆中的百分含量： ( 5 ) 碱液成分有h 2 0 、c a o 、n a 2 0 、s i 0 2 、f e 2 0 3 、a 1 2 0 a ； ( 6 ) 其它数据主要有钙、钠硅渣成分、生料浆指标的中心值、新应送等数 据。 2 ) 生产存在大滞后。生产的大滞后主要表现在两方面，一方面是各物料经 管磨机到a 槽生料浆满槽需要2 个小时左右，由生料浆取样到成分检测出来需要 2 小时左右，这样各物料入磨到获得生料浆成分大概需要4 小时；另一方面，根 据生料浆成分、熟料成分、各物料成分等已知数据推出配比需要3 0 分钟l 小 时。由此可知，烧结法氧化铝生料浆配料生产是一个大滞后系统。 3 ) 碱液成分波动大。碱液是后续工序返回的硅渣和碳母的混合液，硅渣的 主要成分有h 2 0 、c a o 、n a 2 0 、s i 0 2 、f e 2 0 3 、a 1 2 0 3 等，碳母主要是n a 2 c 0 3 的 水溶液。其中硅渣中h 2 0 的含量较少，所以在硅渣槽中和碳母混合，然后经泵 送入管磨机进行湿磨。由于硅渣和碳母混合的比例没有一个确定的量，况且二者 一边混合，一边送入管磨机，两者是同时进行的，从而造成入磨碱液的成分是一 个动态波动过程，结果给配料生产带来波动。 4 ) 工艺指标之间相互关联、相互耦合。衡量生料浆合格的指标主要有水分 ( 生料浆中水的百分含量) 、碱比、钙比、铝硅比和铁铝比等，而这些指标是相 互关联、相互耦合的，在目前配料过程中对指标间的调整，往往顾此失彼。比如， 水分是靠碱液保证的，而碱液的成分对所有剩余的指标都会产生影响，尤其是对 碱比和铝硅比影响更大。 5 ) 人为因素影响大。采用现有的配料方式，由于工艺流程长且复杂，相应 投入的人力也多，结果配料生产中把人的影响因素带进来了，从而给配料带来一 定的波动性，有时候这种波动还很大，比如：对生料浆取样的代表性、生料浆化 9 中南大学硕士学位论文第二章生科浆配料专家系统方案设计 验的时的损失、人为计算错误等因素，都会影响配料生产。 6 ) 专家经验丰富，但信息模糊性强，不确定性因素多。由于烧结法氧化铝 配料生产经历了相当长的时问，实际工人经过长时间摸索，已经积累了丰富的经 验，但这些经验模糊性很强，不确定性因素多。例如， 经验1 ：如果需要提高碱比，就增加入磨碱液量； 经验2 ：如果需要提高铝硅比，就添加高铝矿； 其中经验l 中，增加入磨碱液量，但究竟增加多少，即入磨碱液量加大多少 合适，这是一个很模糊的、不确定的量；经验2 中，添加高铝矿，加多少，这也 是一个很模糊、不确定的量。 在实际配料生产过程中，常常是几种问题同时存在，各问题之间相互耦合在 一起，给配料生产带来很大的困难。 由上可知，烧结法氧化铝生料浆配料过程是一个具有强耦合、纯滞后和显著 不确定性的复杂工业过程，数学模型难于精确地描述生料浆配料过程和熟料各参 数间的复杂关系。 2 1 3 目前配比确定的缺点 由于配料工艺本身的复杂性，给配料带来种种困难。为了做好配料生产工作， 提高生料浆质量，中州铝厂根据经验确定的配比，由p l c 控制实现铝土矿、石 灰、煤、碱粉、碱液的精确下料和实时监控，这给配料带来了定的准确性。但 由于生料浆和指标间不能用精确的数学模型来确定，配料技术人员无法确定各物 料配比和生料浆各指标间的准确的关系，这样只能凭借长期积累的经验以及一些 感性的认识来大致确定各物料的配比，即根据各物料的质量、生料浆和熟料成分 的检测数据、配料环境以及长期的配料经验来确定，由于铝土矿品种多、各物料 成分变化以及生料浆和熟料成分检测存在纯滞后等原因，人工确定配比工作量 大、准确性低，结果造成生料浆质量波动大，入槽合格率低。 以生料浆钙比偏低为例说明其基本操作过程，钙比偏低就需增加石灰的入磨 量，这个量是一个模糊不确定性的量，配料技术人员很难准确把握石灰调整的幅 度，一般是采用“一高一低”的策略，即把石灰下料量增加到比较大的量，这样 出来的生料浆钙比就会偏的比较高，以均衡前段时间入槽钙比比较低的生料浆， 实际上很容易过头，过了一段时间，使得生料浆钙比又高了很多，这时候钙比高 了，又需要降低钙比。同时，由于产能是铝土矿和石灰的和，且产能不变，这样， 石灰下料量的变化，势必引起铝土矿下料量的变化，结果给生料浆的铝硅比、碱 比也带来影响，铝土矿下料量一低，铝硅比就下降、碱比上升，这样又要兼顾铝 硅比和碱比，而铝硅比和碱比的调整的策略也是“一高低”，这样又引起铝硅 比和碱比的波动，指标的波动又造成入槽生料浆质量的合格率降低，这种配制生 中南大学硕士学位论文第二章生料浆配料专家系统方案设计 料浆的方式存在明显缺点。 1 ) 无法弥补生产滞后给配料生产带来的负面影响。由铝土矿、石灰等原料 入磨到a 槽生料浆成分检测出来大概需要经历4 小时，在这4 小时中，因为没 有生料浆成分数据，不知道所配生料浆质量指标与期望的指标差距有多大，故而 不能对各物料的配比作出调整，这4 个小时中的生产波动也无法知道更不可能对 波动采取相对应的调整。 2 ) 不能同时兼顾到生料浆的各项工艺指标。衡量生料浆的指标有水分、铁 铝比、钙比、碱比及铝硅比，由于这些指标间相互关联与耦合，仅仅凭借经验来 调整配比是无法同时兼顾到每一项工艺指标的。 3 ) 对于外界工况发生变化时，不能准确把握变化的的调整幅度。铝土矿、 石灰的成分随时产生波动，且铝土矿的成分一个班只检测一次；尤其是碱液的成 分波动更大( 碱液的成分对生料浆质量影响最大) ，而碱液是每两个小时取样一 次，而化验成分大概需要2 个小时，这样实际所获得的碱液是4 个小时前的，这 4 个小时中碱液成分发生了如何变化是不知道的，所以仅仅凭借经验是不可能把 握铝土矿、碱液成分是如何波动的。 4 ) 虽然有专家经验做指导，但是不能把握配比调整的力度。由于专家经验 总结出来的是个调整的方向，并没有一个调整的准确度，所以当生料浆指标不 合格需要调整配比的时候，不能把握配比调整的力度。 5 ) 工人计算工作量大，劳动强度大。由于配料数据量大，与确定配比有关 的计算公式复杂、计算量多，从而造成工人计算工作量大，加大了劳动强度。 6 ) 工人根据生料浆、铝土矿等原料情况确定一个经验的配比需要半小时至 1 小时，而这经验确定的配比误差很大，给生产带来很大的波动。 总之，这种配料方式不仅工艺流程长、设备多，操作粗、控制精度不高，而 且由于原料成分分析时间间隔长且有滞后，配制过程中用到的返回硅渣成分波动 较大，操作工凭借经验确定的配比准确性很差、工作量大，结果导致入槽的生料 浆质量波动大、合格率低，间接造成生产成本升高。 2 2 系统总体设计方案 针对目前实际生产以经验来确定配比的缺点，基于烧结法氧化铝生料浆配料 机理、长期积累的配料专家经验，设计了配料系统的总体方案。 2 2 1 配料系统总体结构 影响配料的因素很多，凭借经验来确定配比很难保证配制的生料浆质量，鉴 于专家系统在复杂工业生产过程中已得到了成功应用。”，故建立基于模型的专 中南大学硕士学位论文 第二章生料浆配科专家系统方案设计 家系统m 刮来实现自动配料。 基于此，配料系统的原理如图2 - 2 所示，系统是以质量预测模型为基础，配 料专家系统为核心的配料系统。配料系统进行配比计算时，首先将初始配比和各 原料成分( 包括从后续过程返回的碱液) 输入到基于物料平衡原理建立的质量预 测模型中，预测结果与给定指标进行比较，其结果作为配料专家系统的输入；然 后配料专家系统根据输入的误差进行推理、决策。如果输入的误差在要求的合格 范围内，则输出配比，作为p l c 控制的给定值：否则继续推理，并将推理获得的 配比再次输入预测模型得到预测指标，预测指标和给定指标比较，得到误差继续 运用专家推理、决策，直至得到最佳配比。所以，配料专家系统是根据生料浆质 量指标、单种物料的质量或成分状态以及预测模型，通过“预测比较推 理再预测再比较再推理”这样不断循环来最终确定满足质量指标要 求的各物料配比的。根据不同的生产要求，配料专家系统将能给出既满足质量指 标要求，又能满足其他生产要求的配比。此外，随着物料以及烧结环境的变化， 配料专家系统将能根据生产过程中的经验数据和知识，对质量预测模型进行在线 修正，而对配料知识进行补充，以保证配比计算和质量预测的准确性。 图2 - 2 配料系统总体结构 配料专家系统作为配料的核心部分，它利用推理机调用配料知识获得准确的 配比，而准确的配比正是生产所期望的，也是保证生料浆质量的关键所在。 2 2 2 配料专家系统的组成 配料专家系统的主要功能是推理机利用知识库所提供的知识进行推理以获 得各物料的准确配比，其次是提供一个合理的人机交互界面以方便知识的管理、 中南大学硕士学位论文第二章生科浆配料专家系统方案设计 维护、编辑等，基于此，如图2 3 所示设计了配料专家系统的组成结构。 菇镇蘸i 驴? 图2 - 3 配料专家系统组成结构 配料专家系统主要组成部分有知识获取、知识库、知识库管理与维护、推理 机、决策机构、数据库以及知识解释等，下面对其各个组成部分给予简要说明。 1 ) 知识获取。知识获取是获取有关生料浆配料的知识，它包含事实知识获 取和规则知识获取，前者指的是有关配料的对象、属性、状态、参数等，后者是 由事实知识组成的规则。 2 ) 知识库。知识库是存储配料知识并为推理机提供推理所用的知识，知识 库包括条件库和结论库，前者是规则前件的集合，后者是规则结论的集合。 3 ) 知识库管理与维护。知识库管理与维护是对知识进行输入、修改、删除 等操作以及对知识进行检测与求精。 4 ) 推理机。推理机首先是利用生料浆成分检测数据、各物料成分检测数据 等计算得到当前配料的启发式信息，然后根据这个启发式信息在知识库中调用相 对应该启发式信息的配料知识进行推理以获得合适的配比。如果在推理过程中发 现知识有问题，将给出提示，然后由知识工程师通过人机交互界面修改知识。 5 ) 决策机构。决策机构是对推理机推理后得到的配比进行判断，如果按照 该配比配制的生料浆质量指标符合期望的生料浆质量指标，则输出该配比，同时 保存该配比到数据库，否则继续进行配比调整。 6 ) 数据库与知识解释。数据库为推理机提供原始的数据，并保存配比：知 识解释是对知识库中的知识进行解释，以方便用户理解。 在配料专家系统中，知识库是核心，它为推理机提供推理的知识，知识的质 量直接影响配比的准确性，而知识获取是建立知识库的基础。推理机是在推理过 程中，采取何种推理机制来确保推理灵活、快速获得配比。 2 3 小结 本章简要介绍烧结法氧化铝配料工艺，在此基础之上，详细分析了目前烧结 法氧化铝配料生产过程中存在的问题，这些问题是目前凭借经验确定配比无法消 除的，故而设计了烧结法氧化铝生料浆配料专家系统，设计了配料专家系统的组 成结构，为配料专家系统的研究打下基础。 1 4 中南大学硕士学位论文第三章生料浆配料知识获取及知识库设计 第三章生料浆配料知识获取与知识库设计 知识库是配料专家系统的核心，而知识获取是建立知识库的基础，知识获取 需要解决的问题是专家系统采取何种方式获取知识。配料专家系统采用的是半自 动知识获取方式，在配料知识获取之后，采用产生式方式来表示知识，并给出其 b n f 范式描述。由于知识可能存在冗余、矛盾等现象，故对配料知识进行求精 研究并给出冲突消解措施。根据获取的知识及其知识表示形式，设计知识库的物 理结构，并在知识组织上对配料知识进行合理安排。 3 1 配料知识获取 配料知识获取所涉及的问题是获取与配料有关的知识，为建立配料知识库获 得知识的内容。 3 1 1 配料知识获取的一般方式 按知识获取的自动化程度划分，可以分为非自动知识获取( 人工知识获取) 、 自动知识获取和半自动知识获取三种方式。 所谓自动知识获取是指系统自身具有获取知识的能力，其实质是一个机器学 习的问题，完全实现机器学习目前在理论上仍然处于探索阶段，还没有一个很适 用的方法可以使用d o , 3 h ，所以本论文不涉及这种知识获取方式。 非自动知识获取，即人工知识获取，这种方式完全依靠人工来获取知识，靠 知识工程师来判断知识的冗余、矛盾性等问题，然后将知识输入计算机。半自动 知识获取是将人和计算机结合起来，一部分功能由知识工程师完成，一部分由机 器完成，这样可以减轻知识工程师的工作任务，减少了人为主观因素的影响，是 目前专家系统经常采用的方式。所以，本系统采用半自动知识获取的方式来获得 配料知识。 3 1 2 半自动知识获取 知识库是配料专家系统的核心，其主要功能是存储和管理生料浆配料领域内 的原理性知识、专家经验知识以及有关的事实等，为推理机提供调整配比所需的 规则知识。而知识获取的基本任务是为配料专家系统获取知识，建立起健全、完 善、有效的知识库，以满足求解领域问题的需要。一般而言，半自动知识获取需 要做以下几方面的工作，如图3 1 所示。 1 ) 抽取知识 所谓抽取知识是把蕴含于知识源( 领域专家、书本、相关论文及其系统运行 中南大学硕士学位论文第三章生料浆配科知识获取及知识库设计 的实践等) 中的知识经识别、理解、筛选、归纳等抽取出来，以便用于建立知识 库。 知识编辑器 黜3 罾一膀 知识输入 知识修改 匿倒倒 知识删除 知识检测 图3 - i 知识获取 知识的主要来源是领域专家及相关专业技术文献，但知识并不都是以某种现 成的形式存在于这些知识源中可供挑选的，为了从中得到所需的知识需要做大量 的工作。就以领域专家来说，虽然他们可以自如地处理领域内的各种问题，但往 往缺少总结，不一定能有条理地说出处理问题的道理和原则，他们可以列举出大 量处理过程实例，但不一定能建立起相互间的联系，有的甚至只可意会不可言传。 另外，领域专家一般都不熟悉专家系统的有关技术，不知道应该提供些什么以及 用什么样的形式进行表达，不能强求他们按专家系统的要求提供知识。这一切都 为知识的抽取带来了困难。为了从领域专家那里得到有用的知识，需要反复多次 地与领域专家交谈，并且有目的地引导交谈的内容，然后通过分析、综合、去粗 存精、去伪存真，归纳出可供建立知识库的知识。 知识的另一来源是系统自身的运行实践，这就是需要从实践中学习、总结出 新的知识。一般来说，一个系统初步建成后是很难做到完美无缺的，通过运行才 会发现知识不够健全，需要补充新的知识。此时除了请领域专家提供进一步的知 识外，还可由系统根据运行经验从已有的知识或实例中演绎、归纳出新的知识， 补充到知识库中去。对于这种情况，要求系统自身具有一定的“学习”能力，但 这将为知识获取机构的建造提出了更高的要求。 2 ) 知识转换 所谓知识转换是把知识由一种表示形式变换为另一种表示形式。 人类专家或科技文献中的知识通常是用自然语言、图形、表格等形式表示的， 而知识库中知识是用计算机能够识别、运用的形式表示的，两者有较大的差别。 为了把从专家及有关文献中抽取出来的知识送入知识库供求解问题使用，需要进 行知识表示形式的转换工作。知识转换一般分为两步进行：第一步是把专家及文 献资料那里抽取的知识转换为某种知识表示模式，如产生式规则、框架等；第二 1 6 中南大学硕士学位论文 第三章生料浆配料知识获取及知识库设计 步是把该模式表示的知识转换为系统可直接利用的内部形式。前一步工作通常由 知识工程师完成，后一步一般通过输入及编译实现。 3 ) 知识输入 把用适当模式表示的知识经编辑、编译送入知识库的过程称为知识的输入。 目前，知识的输入一般是通过两种途径实现的，种是利用计算机系统提供 的编辑软件；另种是专门编制的知识编辑系统，称为知识编辑器。前一种的优 点是简单、方便、可直接拿来使用，减少了编制专门程序的工作：后一种的优点 是可根据需要实现相应的功能、使其具有更强的针对性和实用