（计算机应用技术专业论文）韶钢8号高炉专家系统的研究与开发.pdf

武汉科技大学硕士学位论文 第l 页 摘要 为了进一步提高我国的高炉炼铁技术水平，实现高炉生产的优质、高产、长寿、 低耗，高炉生产的自动化势在必行。而高炉专家系统是实现高炉操作智能化的关键技 术之一 韶钢8 号高炉( 3 2 0 0 m 3 ) 专家系统的软件开发平台采用可视化编程语言v c 实现， 数据库系统采用o r a c l e l o g 数据库管理系统，采用了先进的数据挖掘技术。数据挖掘 是一个多学科交叉研究领域，它融合了数据库技术、人工智能、机器学习、统计学、 知识工程、面向对象方法、信息检索、高性能计算以及数据可视化等最新技术的研究 成果。 韶钢8 号高炉专家系统主要由炉热子系统、顺行子系统和气流子系统等三个子系 统组成，实现对炉热水平与走向和炉料异常下降状况进行预报和建议，对煤气流分布 状况进行判断并提出调剂建议，提出稳定炉况保证顺行的综合专家建议。 本文结合韶钢8 号高炉专家系统这一实际项目，介绍了高炉专家系统在国内外的 开发应用现状，高炉专家系统技术的发展趋势，并介绍了高炉专家系统开发的基本内 容和关键技术以及韶钢8 号高炉专家系统的具体开发、设计和实现。 关键词：高炉，专家系统，数据库，数据挖掘 第1 i 页武汉科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t i no r d e rt of u r t h e re n h a n c et h et e c h n o l o g yo fb l a s tf u n r a c e ，a n dt oa c h i e v et h eg o a lo f h i g hq u a l i t y , h i 曲p r o d u c t i o n ，l o n gl i f ea n dl o wc o s t ，t h ea u t o m a t i o no fb l a s tf i u n a c em u s t b ee n f o r c e d b l a s tf u r n a c ee x p e r ts y s t e mi so n eo ft h ek e y st oc a r r yo u tb l a s tf u r n a c e i n t e l l i g e n tm a n i p u l a t i o n t h es o f t w a r ed e v e l o p m e n tp l a t f o r mo ft h ee x p e r ts y s t e mf o rt h en o 8b l a s tf u r n a c eo f c s gi st h ev i s u a ld e v e l o p m e n te n v i r o n m e n tv c ，t h ed a t a b a s ea d m i n i s t r a t i v es y s t e mi s o r a c l e l0 9 , t h ea d v a n c e dd a t am i n i n gt e c h n o l o g yw a su s e di nt h es y s t e m d a t am i n i n gi sa m u l t i d i s c i p l i n a r yf i e l do fi n t e r d i s c i p l i n a r yr e s e a r c h e s ，w h i c hc o m b i n e st h el a t e s tr e s e a r c h r e s u l t ss u c ha sd a t a b a s et e c h n o l o g y , a r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e ，m a c h i n el e a r n i n g ，s t a t i s t i c s ， k n o w l e d g ee n g i n e e r i n g ，o b j e c t o r i e n t e dm e t h o d s ，i n f o r m a t i o nr e t r i e v a l ，h i g h p e r f o r m a n c e c o m p u t i n ga n dd a t av i s u a l i z a t i o nt e c h n i q u e s t h ee x p e r ts y s t e mf o rt h en o 8b l a s tf u r n a c eo fc s gi sc o m p o s e do ff u m a c eh e a t s u b s y s t e m ，b u r d e nd e s c e n ts u b s y s t e ma n dg a sf l o ws u b s y s t e m ，i m p l e m e n t i n gt h ef o r e c a s t o ff u m a c eh e a tt r e n da n dt h ea b n o r m a ls i t u a t i o no ft h eb u r d e nd e s c e n d i n g , p r o v i d i n gt h e s u g g e s t i o n so ft h ed i s t r i b u t i o no fg a s f l o wa n dt h ei n t e g r a t i o ns u g g e s t i o n st ok e e pt h e f u r n a c ec o n d i t i o nn o r m a l b a s e do nt h ee x p e r ts y s t e mf o rt h en o 8b l a s tf u r n a c eo fc s g p r o j e c t ，t h i st h e s i sh a s d e m o n s t r a t e dt h ed e v e l o p m e n ta n dt h ea p p l i c a t i o no fb l a s tf u r n a c ee x p e r ts y s t e ma th o m e a n da b r o a d ，t h ed e v e l o p m e n tt r e n do ft h eb l a s tf u m a c ee x p e r ts y s t e mt e c h n o l o g y , t h eb a s i c k n o w l o d g eo ft h ed e v e l o p m e n to fb l a s tf u m a c ee x p e r ts y s t e m ，a n dt h ec o n c r e t ed e s i g n ， d e v e l o p m e n ta n di m p l e m e n t a t i o no ft h ee x p e r ts y s t e mf o r t h en o 8b l a s tf u r n a c eo fc s g k e y w o r d s ：b l a s tf u r n a c e ，e x p e r ts y s t e m ，d a t a b a s e ，d a t am i n i n g 武汉科技大学 研究生学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下，独立进行研 究所取得的成果。除了文中已经注明引用的内容或属合作研究共同完成的 工作外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：垂亟里承i t 其l t ：丝遂丝多担 研究生学位论文版权使用授权声明 本论文的研究成果归武汉科技大学所有，其研究内容不得以其它单位 的名义发表。本人完全了解武汉科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向有关部门( 按照武汉科技大学关于研究生学位论文收录 工作的规定执行) 送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅， 同意学校将本论文的全部或部分内容编入学校认可的国家相关数据库进行 检索和对外服务。 论文作者签名：荔塑些拯 指导教师签名：鲨缒 日期：坦丝丝星星 武汉科技大学硕士学位论文第1 页 第一章文献综述 随着我国改革开放的深入和世界经济一体化发展趋势，国内外钢铁企业间竞争日益激 烈。如何提高生产效率、降低生产成本、改善质量已经成为关系到我国钢铁企业生存和发 展的重大课题。 利用信息技术改造传统产业，是实现钢铁生产的自动化和智能化的战略措施。它将会 使钢铁生产从个人经验操作逐步达到科学合理、协调优化控制。从而提高生产效率，降低 物耗，提升企业竞争能力。 高炉作为一种成熟的炼铁工艺有一百多年的历史了，由于高炉炼铁过程十分复杂，它 涉及到气、固、液三相的交互作用，全面而正确地理解高炉内发生的各种现象很困难。长 期以来，高炉过程的控制直主要依赖于人们在长期生产实践中所积累起来的经验，采用 传统的纯经验方法或简单的机理建模方法都难于把握其工艺过程的关键，全面而正确地理 解高炉内发生的各种现象也就很困难。 为了克服以上的这些困难，借助专家系统实现对高炉的描述和控制是当今高炉实现计 算机控制技术的发展方向。高炉专家系统被称为“高炉操作的第三代技术”。高炉专家系 统是利用经验丰富的高炉工艺专家及操作人员的知识，结合冶金学科理论知识，采用先进 的控制理念集成的高炉控制系统。其作用是检测和预报高炉生产过程的状态及发展趋势， 以语音、文字和图形等方式显示高炉冶炼过程的变化，包括非正常炉况的预警、提出最佳 的操作方案、为操作人员提供指导，从而实现高炉生产安全、稳定、顺行，达到高产、低 耗、长寿的目的。在冶炼过程中，如果能及时掌握铁水中硅的含量及其变化趋势，并做出 较准确的估计，以便于及时采取调节措施，则对于稳定热制度，减少炉况波动，降低铁水 硅含量以及提高生铁质量和降低焦比都是非常有利的。 初期的高炉专家系统主要是用于炉热状态、异常炉况两个方面，现在还可用于布料控 制、软融带位置及形状的推断、炉体炉底耐火材料砌体的侵蚀推断、炉体设备诊断以及热 风炉燃烧控制等许多方面。目前，高炉专家系统的功能类型也是很多的，除有诊断型、解 释型和控制型的专家系统外，还发展了计划型和设计型专家系统。 8 0 年代以来，日本一些钢铁公司的高炉研究工作者开始引入了人工智能的方法，开 发预报高炉炉况的专家系统。如g o - s t o p 系统和b a i s y s 系统等，取得了较好的成效。在 这些系统中，对炉料下降异常( 如崩料、管道行程和；悬料等) 和炉热走向( 向凉或向热) 进行 经验的总结和知识的提取。在知识表示和知识推理中引入了模糊数学的方法，并采用产生 式规则的描述方法。这些系统在实际运行中，根据其中的规则，结合实际情况，进行推理， 得到关于炉况异常情况的报告。 我国的高炉专家系统开发和研究始于8 0 年代末9 0 年代初位1 。国内如首钢、武钢、宝 钢等公司作了很多这方面的工作，也取得了很大的成绩，其中也存在很多的问题。其原因， 一是由于我国国内的检测手段维护手段落后，二是绝大多数专家系统都是围绕炉热指数一 个单一的指标来做文章，高炉是一个复杂的综合体系，只靠一个指标不能够完全反映高炉 第2 页武汉科技大学硕士学位论文 的真实情况。 各种高新技术的进步将推动高炉专家系统不断发展，并将使高炉专家系统进入一个崭 新的阶段。将人工智能技术引入高炉炉况判断中，实现各种技术的集成，建立高炉集成智 能系统，这一工作的前景是十分广阔的。 l - 1 高炉生产过程及其特点 炼铁生产历史悠久，高炉技术源远流长，高炉炼铁同其他工业生产技术一样经历了一 个由经验到理论、由低级到高级的发展过程。高炉炼铁己经成为主要的炼铁方式。高炉冶 炼是在密闭状态下进行的。煤气与炉料在高炉内做逆向运动，由矿石、焦炭和熔剂组成的 炉料靠自身的重力作用不断下降，焦炭在风口前燃烧成煤气，矿石则还原和熔化为液态的 生铁和炉渣，并不断地排到炉外，为上边炉料的下降腾出空间。风口前，热风和焦炭燃烧 生成的煤气则受鼓风机压力的推动向上运动。炉料和煤气在逆向运动中相互接触，煤气作 为热载体和还原剂，一方面把热量传给炉料，使其温度升高，为还原和熔化创造条件，另 一方面夺取铁氧化物中的氧，同时还原若干其他合金元素。煤气在风口前燃烧生成，初始 煤气中只有一氧化碳、氮气和少量的氢，并具有很高的温度和压力，上升过程煤气温度和 成分不断发生变化，煤气中的一氧化碳下降，二氧化碳升高，煤气温度则由于热交换和热 损失不断降低，压力也由于阻力损失而不断下降。高炉冶炼过程中，生铁和炉渣是同时形 成的。生铁的最终成分是在炉缸内完成的、除了铁之外，生铁中含有一定量的碳、少量的 硅、锰、磷、硫等元素。凡是在冶炼过程中未被还原的氧化物都成为炉渣。 从高炉生产的工艺流程可以看出：高炉冶炼过程既是连续性过程，又是离散性过程。 炉内冶炼过程存在大量的物理反应、化学变化以及三相力学过程，而且都是非线性与随机 性的复合。可以说，高炉冶炼过程是目前为止最复杂的一种冶金反应，因此，要实现对高 炉冶炼过程的控制，首先要清楚高炉冶炼过程本身的特点。高炉冶炼过程有如下特点 【i 【3 】【4 】： ( 1 ) 高炉冶炼过程极端复杂。炼铁过程发生在高炉内部，高炉内部发生大量的物理化 学反应，至今还没有得到完全和充分的认识。 ( 2 ) 高炉检测信息不全。这首先表现在检测项目少，一般只是对炉缸、风口、炉身静 压力等边界信息进行检测，而且检测数据的采样频率低。其次是由于高炉大都投产多年， 内部传感器件有些己经失灵甚至损坏，得到的信息不准确或者根本无法获得某些信息。 ( 3 ) 高炉反应迟钝。高炉过程是个大滞后的系统，时间常数很大，对控制动作的反应 不灵敏。 ( 4 ) 高炉的可控范围狭窄。一是由于铁水质量必须满足炼钢的要求，使得高炉的各种 控制参数的可调范围相对较小。二是对于高炉炉况必须提前调整，而且幅度不能过大，这 样才能避免发生过大的波动，否则炉况将会急剧恶化，从而失去控制，导致高炉事故的发 生。 高炉冶炼过程的这些特点，使得高炉的过程控制，特别是实时在线控制，成为一项十 分复杂的工作。 武汉科技大学硕士学位论文 第3 页 1 2 国内外高炉专家系统的开发应用现状 1 2 1 国外高炉专家系统的开发与应用 2 0 世纪7 0 年代以后，随着日本钢铁工业的崛起，日本对高炉过程的计算机应用及其 数学模型的研究开始居于国际先进水平。各种高炉热指数模型和炉温预测模型应用于日本 各大高炉冶炼过程。随着模型研究的深入，人们很快意识到：以高炉炉温控制为核心的高 炉冶炼过程的自动控制，完全不同于传统控制理论范畴的自动控制。高炉炉温控制不是单 纯的反馈控制。于是日本各钢铁厂先后提出了以炼铁专家知识为基础的逻辑判断与数量计 算相组合的模型，如：“炉况诊断模型 、9 g o - s t o p 模型一，操作管理系统“a g o s 模型一等。 开始了高炉过程控制中人工智能应用的研究，明确提出建立高炉冶炼过程的“专家知识规 则 圆。 在各种各样的“专家系统开发中，具有代表性的应用研究成果有晦阳： ( 1 ) 以软融带推断模型为主建立的模型集成系统，在新日铁大分厂2 号高炉上应用， 简称s a f a i a 系统，使用5 3 2 个传感器，8 种软融带模式，专家知识库建立5 8 5 0 条规则， 采集2 0 0 条过程机数据，系统采样时间间隔1 秒，推理判断给出操作指导时间间隔为5 秒。 ( 2 ) 以无钟炉顶炉料布料模型为主建立的模型集成系统，应用在日本京滨l 号高炉 ( 4 9 0 7 m 3 ) 上。该系统根据装料制度、煤气流状态、炉体温度场、风量、风压、透气性等重 要影响因素组成专家知识规则库。 ( 3 ) 以炉顶预报与异常炉况判断为主的专家系统，应用在日本钢管福山厂5 号高炉上， b a i s y s 系统。它包含9 0 0 个检测点，专家知识库含7 0 0 多条规则( 炉热预报5 0 0 多条，炉 况判断2 0 0 多条) 盯1 。2 分钟一次预测异常炉况，包括管道、崩料等，2 0 分钟一次炉热状 态推断。命中率8 3 。这是基于传感器的在线实用型专家系统。 ( 4 ) 以数学模型与专家系统相结合的混合型专家系统应用在日本住友金属鹿岛1 号高 炉上，简称h y b r i d 专家系统。建立专家知识库1 2 0 0 条规则，8 0 8 5 时间依靠炉热指数 t s 的预报模型操作高炉，1 5 - 2 0 时间依靠经验型专家系统操作高炉。其铁水含硅量与铁 水温度的预测命中率达到8 5 9 0 哺1 。 ( 5 ) 应用在日本川崎水岛4 号高炉上的a d v a n c e dg o - s t o p 模型，即炉况判断改进型专 家系统砷1 。这也是上海宝钢2 号高炉在8 0 年代中期引进的g o - s t o p 模型后，9 0 年代引进 的新的模型。 ( 6 ) 应用在新日铁君津3 号高炉上的a l i s 系统，也是炉况诊断专家系统。 1 2 2 国内开发与引进的高炉专家系统 与国际先进水平相比，国内大型钢铁公司投入高炉专家系统开发应用研究的资金与技 术力量都比较薄弱。9 0 年代以来，国内高炉推进基础自动化改造取得了显著成效。 许多高炉在完成基础自动化改造中采用了计算机数据采集系统p l c 或d c s 替代了高炉 仪表n 训，实现了高炉过程参数的集中控制。这些基础自动化改造取得了炼铁生产的应用成 第4 页武汉科技大学硕士学位论文 效，高炉冶炼过程的顺行状态和技术经济指标得到改善。以计算机替代高炉仪表作为高炉 应用计算机的初级阶段，它也为高炉专家系统的应用打下了硬件技术基础。 在国内钢铁企业开发的高炉数学模型和专家系统中，具有代表性的有： ( 1 ) 首钢“人工智能高炉冶炼专家系统”瞳】 1 。这是9 0 年代初北京科技大学与首钢 合作开发的专家系统，应用在1 2 0 0 m 3 高炉上。包括3 个子系统：e s i 预报子系统、炉况 顺行子系统( 悬料，崩料，滑料等) 和炉体判断子系统( 炉墙结瘤，冷却壁烧穿及漏水等) 。 该系统是当时国内的领先水平。由于没有继续深入开发和完善提高，2 0 0 0 年首钢决定引 进芬兰的“高炉专家系统 ，主要由炉温控制、操作炉型管理、顺行控制、渣铁管理等系 统组成。主要控制项目有布料控制、煤气分布、负荷平衡、压力损失、热平衡、死料柱控 制、风口参数、出铁管理、炉缸平衡、炉缸侵蚀等。投产后，炉料成分比较稳定，专家系 统投入的效果较好。但随着近期炉料成分波动较大，加之一些检测设备损坏后不易更换， 专家系统基本失去了参考价值。 ( 2 ) 鞍钢l o 号高炉( 2 5 8 0 m 3 ) 高炉专家系统n 引。这是1 9 9 5 年冶金部立项的重大课题， 投资5 0 0 万元，由北京科技大学、东北大学和鞍钢三家合作开发。经过6 年努力，在专家 知识库、炉况诊断等方面取得一定成果。 ( 3 ) 马钢2 5 0 0 m 3 高炉炉况诊断专家系统口1 ，这是原冶金部自动化研究院与马钢合作开 发的专家系统。它在原有v a x 计算机基础上，加上工业微机作为人工智能( a i 处理机，进 行模型运算和专家系统推理。系统为a d v a n c e dg o - s t o p 系统。 ( 4 ) 宝钢2 号高炉1 9 8 6 年引进日本的“g 旷s t o p 系统”脚。这是国内巨资引进软件的 第一座高炉。9 0 年代升级为“a d v a n c e dg 沪s t o p ”。在消化引进技术的基础上，宝钢与复 旦大学合作开发了“l 号高炉( 4 0 6 3 4 ) 操作指导专家系统”。其功能类似g o - s t o p 系统，但 对炉况的综合判断是用“专家系统”来实现。 ( 5 ) 武钢4 号高炉( 2 5 0 0 m 3 ) 1 9 9 7 年引进芬兰罗德洛基公司的“高炉控制专家系统”，系 统软件费l1 0 0 万元人民币，配套检测设备投资2 0 0 0 多万元。1 9 9 8 年该系统投入生产应 用，并取得技术经济成效。在武钢引进高炉专家系统之后，我国首钢、本钢、昆钢、攀钢 等大型高炉也相继引进芬兰、奥地利的高炉专家系统，以推动高炉炼铁的技术进步。 ( 6 ) 由浙江大学与杭钢、济钢和新临钢等钢铁厂合作，将“高炉炼铁优化专家系统 推广应用到3 5 0 m 3 ，3 8 0 m 3 ，4 2 0 m 3 7 5 0 m 3 高炉上。该系统是国家科技部批准的国家级科 技成果重点推广计划项目。它借鉴国外高炉专家系统的先进经验，从国内一般高炉装备 条件与原燃料稳定性的实际出发，建立数据库，进行工艺参数系统优化，进行炉温预报与 异常炉况判断，帮助工长实现优化操作与科学管理。因而取得了投资省、技术经济效益大 的显著成效。 1 3 高炉专家系统技术发展趋势 当前，国内外对高炉专家系统的研究是多方位的，高炉专家系统技术呈现出许多与以 往不同的特点。而高炉专家系统技术发展的显著特点是它与其他高新技术的结合，正是这 种结合使高炉专家系统技术发展进入一个崭新的阶段。 武汉科技大学硕士学位论文第5 页 高炉专家系统的发展，有以下主要趋势： ( 1 ) 高炉专家系统的协同化n 羽 目前，大部分专家系统都是针对某一特定领域建立的，一旦越出这一特定领域，系统 就可能成为“白痴”，所以单个专家系统的应用局限性很大，很难获得满意的效果。 协同式多专家系统是克服一般专家系统局限性的一个重要途径。高炉冶炼工艺很复 杂，生产过程中影响炉况的因素很多。高炉专家系统可分为三个组成部分：炉热状态专家 系统、顺行状态专家系统、气流状态专家系统。每部分又可分成若干个子系统，各子系统 分别解决高炉冶炼工艺中的具体问题。高炉专家系统中各个子系统是相互影响的，如果孤 立地采用其中一个专家系统而忽略其它，必然引起炉况的误判和漏判。然而，当前所使用 的高炉专家系统中，大多是针对高炉中某一特定领域建立的，因此高炉专家系统的协同化 尤为必要。 ( 2 ) 建立分布式高炉专家系统 分布式专家系统具有分布处理的特征，主要是把一个专家系统的功能经分解以后，分 布到多个处理器上并行地工作，从而总体上提高高炉专家系统的处理效率。如果采用分布 式专家系统技术设计高炉专家系统，可将判断高炉异常炉况( 悬料、管道、崩料等) 及高 炉热状态的知识按功能分布和知识分布原则，经合理划分后分配到各处理节点上并行地工 作，同时使专家系统各部分之间互相通讯和同步容易进行，这样就提高了高炉专家系统的 知识处理能力和推理效率。 ( 3 ) 用实时专家系统开发工具开发高炉专家系统n 铂 实时专家系统是专家系统中非常有挑战性的一个领域。目前高炉专家系统构造存在的 问题是，构造专家系统所耗费的人力和机时太大。造成这个问题的一个重要原因是缺乏构 造适合于高炉专家系统所需的开发工具，使开发中大部分人力和机时耗费在重复己有的劳 动上。目前，国内外已从开发实用专家系统的研究转向以专家系统开发工具为研究中心的 潮流。进行专家系统开发时，选择正确的问题范围和挑选合适的开发工具是两个困难任务。 选择专家系统开发工具的困难是因为多数开发工具是为处理某一特定问题而开发的。 日本的一些钢铁企业已率先用专家系统开发工具开发高炉专家系统如新日铁君津制 铁所利用开发工具e ur e k a 开发了高炉操作管理系统a l t s ，新同铁利用实时控制专家系统 开发工具f a i n 开发高炉操作专家系统，住友公司利用它所开发的系列专用开发工具 m a r k s e 开发了高炉炉况管理专家系统。目前，可用于开发高炉专家系统的开发工具尚处 于初创时期，相信将来会有更多的实时专家系统开发工具应用于高炉中。 ( 4 ) 实现高炉专家系统解释机制的重构 目前专家系统的解释都是通过记录推理过程路线，采用“基于踪迹”的解释方法对系 统的结论加以解释。但由于高炉专家系统的实时性、复杂性和动态性，要求操作者对于问 题求解过程的解释要随着时间的推移而变化，解释系统要具有动态重新构造解释的能力： 还要求随着时间的推移，解释系统动态地考虑高炉过去发生的事件和动作对当前结果的影 响，以及当前的事件及动作对未来将产生的影响加以解释的能力。 第6 页武汉科技大学硕士学位论文 以上要求决定了高炉专家系统必须引入新的深层次知识来描述推理的结论，对问题发 生本质的原因加以解释。 ( 5 ) 建立高炉操作指导专家支持系统u 研 高炉操作指导建立在专家系统的解释机制基础上，目前的高炉专家系统操作指导仍采 用传统专家系统推理机的方法。高炉是一个惯性和时滞性很大的复杂动态系统，其操作指 导是在试探性中进行的时序操作流程，在实际应用时，往往有多种操作手段，应根据工艺 参数和经济因素兼顾的原则选择调剂参数：由于高炉的操作变化要经过一段时间才能反映 出来，每个操作指导不是孤立的结点，受上一动作结果的影响和当前状态的制约，当提出 某个建议后，它与下一步的操作建议之间存在时间顺序和因果关系，并对未来的操作产生 影响。因此高炉操作指导具有动态性、不确定性、时间延迟性，而且操作者个人决策起着 一定的作用。应将专家知识和操作者的主观能动性结合起来，建立高炉操作指导决策树， 即必须采用传统的专家系统的方法同决策支持系统有机地结合起来，既利用专家的知识和 经验，又发挥操作者的主观能动性，建立高炉专家支持系统，实现对高炉操作更好的指导。 1 3 1 多专家系统的协同化 尽管专家系统已经在各个领域得到了广泛的应用，并收到良好的效果，但他们解决问 题的范围常常受到限制，主要是因为：( 1 ) 知识不足；( 2 ) 解决问题的方法不妥。目前，大 部分的专家系统都是针对某一特定领域建立的，一旦越出这一特定领域，系统就有可能无 法再有效的运行，因此发展协同式多专家系统就是克服一般专家系统局限性的一个重要途 径。 协同式多专家系统涉及多个专家系统( 如图1 1 ) ，通过多个子专家系统的协同工作 扩大了专家系统的解决问题的整体能力。每一子专家系统仅有一种问题求解方法，但却充 分了解自身的局限性以及协作专家的长处，从而知道何时和怎样传递问题n 引。 图l - l 多专家系统结构 武汉科技大学硕士学位论文第7 页 1 3 2 分布式专家系统 由于工程领域专家系统中知识的复杂性，需要多种问题求解的方法，以适应不同子任 务的需要，分布式专家系统是在分布式人工智能的基础上发展起来的，各子系统相互协作， 共同完成一个或多个控制作业任务的技术。 网络通讯技术的成熟，硬件的发展，处理速度的提高为分布式专家系统提供了可能。 研究分布式专家系统，可以考虑将复杂的大问题分解为简单的小问题，先确定小问题的推 导策略和相关的知识源，然后再考虑如何使各个子系统之间相互协调，相互合作n ；同时 将一个复杂模块分解成相对独立的模块，便于系统调试和维护，并且能使系统对软件及硬 件的错误具有容错能力，使系统更具可靠性。 分布式专家系统具有分布处理的特征，把一个专家系统的功能经分解以后分布到多个 处理器上工作，总体上提高了专家系统的处理效率。但是目前其基本理论、体系结构、协 作策略、开发工具还处于研究和开发中。 专家系统是2 0 世纪末和本世纪初的重大技术之一，不仅是高技术的标志，而且有着 重大的经济效益。“知识工程之父 e f e i g n b a u m 在对世界许多国家和地区的专家系统应 用情况进行调查后指出：几乎所有的e s 都至少将人的工作效率提高1 0 倍，有的能提高 1 0 0 倍，甚至3 0 0 倍。 专家系统技术能够高效、准确、周到、迅速和不知疲倦的工作，在解决实际问题时不 受情绪和周围环境的影响。可以使专家的专长不受时间和空间的限制，以便推广稀缺的专 家知识和经验。同时，专家系统能促进各领域的发展，是各领域专家的专业知识和经验的 总结和提炼。能广泛有力的传播专家的知识、经验。专家系统能汇集多领域的专家的知识 和经验以及他们协作解决重大问题的能力。它拥有渊博的知识、更丰富的经验和更强的工 作能力。 综上所述，将多种智能技术结合起来形成混合系统，克服实际应用中的缺陷和不足， 是当今智能系统的发展趋势。以计算机智能生产为目标，发展成以新的控制理论及方法、 专家系统、神经网络、集散控制系统、数据库、智能化仪表、多媒体等新型技术相结合的 集成智能系统，从而实现高炉生产过程自动化和信息管理自动化。各种高新技术的进步必 将推动高炉专家系统不断发展，使高炉专家系统进入一个崭新的阶段。 第8 页武汉科技大学硕士学位论文 第二章高炉专家系统理论分析 2 1 人工智能技术简介 人工智能领域的研究是从1 9 5 6 年正式开始的，这一年在达特茅斯大学召开的会议上 正式使用了“人工智能”( a r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e ，a i ) 这个术语n7 1 。人工智能也称机 器智能，它是计算机科学、控制论、信息论、神经生理学、心理学、语言学等多种学科互 相渗透而发展起来的一门综合性学科。 人工智能是研究如何制造智能机器或智能系统，来模拟人类智能活动的能力，以延伸 人们智能的科学。如果仅从技术的角度来看，人工智能要解决的问题是如何使电脑表现 智能化，使电脑能更灵活方效地为人类服务。只要电脑能够表现出与人类相似的智能行为， 就算是达到了目的，而不在乎在这过程中电脑是依靠某种算法还是真正理解了。人工智能 就是计算机科学中涉及研究、设计和应用智能机器的一个分支，人工智能的目标就是研究 怎样用电脑来模仿和执行人脑的某些智力功能，并丌发相关的技术产品，建立有关的理论。 人工智能是一门新的技术学科，它研究如何用人工的方法和技术，即用各种自动机器 和智能机器( 主要指计算机或智能机) 模仿、延伸和扩展人的智能，实现某些“机器思维” 或脑力自动化u8 。 从计算机科学技术方面来讲，人工智能是计算机科学的一个前沿分支，其目的在于提 高计算机的智能水平，主要研究如何利用计算机软、硬件系统，模仿、延伸与扩展人的智 能、方法和技术，进一步研究人工智能计算机或新的智能机。从自动化科学技术方面来说， 人工智能是脑力劳动自动化的技术基础，它为各种智能控制、智能管理与决策系统的设计， 为智能仪表与智能机器的研制，提供理论与方法，它是自动化科学技术向纵深发展的结果。 另一方面人工智能也是研究人的智能活动与思维过程的工程技术方法，它研究神经细 胞模型、神经网络模型以及脑模型，利用电子装置和计算机模拟人的记忆、联想、学习、 推理和识别等思维工程和智能活动。 在人工智能研究的发展过程中，曾出现过许多学派，他们持有不同的观点，用不同的 方法，从不同的方面对人工智能的原理和技术进行研究。 目前，发展迅速、应用较广的人工智能技术主要有基于知识的专家系统和基于神经元 的神经网络模型，并且专家系统与神经网络正趋于结合，同时由于模糊数学理论上的深入 研究，以及它在工程实际中的广泛应用，人们己尝试着在专家系统和神经网络的开发和研 制中，引入模糊集和模糊逻辑的概念和有关技术，将知识的不确定性引入到规则的内部， 以便更好地表达领域知识，使得专家系统以更贴近人类的思维形式来求解问题h 引。此外， 生命科学和工程科学的相互交叉、渗透和相互促进成为近代科学技术发展的一个显著特 点，作为一种优化搜索算法的遗传算法正在人工智能领域中展现出其独有的特色和魅力。 2 2 专家系统的构成及特征 专家系统是一种模拟人类专家解决领域问题的计算机程序系统。专家系统技术是以计 武汉科技大学硕士学位论文第9 页 算机为工具，利用专家知识及知识推理来理解与求解问题的知识系统，模拟人类领域专家 的宏观推理活动，是一种利用计算机对于符合模型描述的领域知识进行符号推理的技术。 专家系统系由知识库、推论引擎及接口为基础而组成的计算机化系统，其目的在对于 某一特定领域的问题作判断、解释及认知，但由于此特定领域可大可小，且对认知的定义 亦有不同的解释n 町，故可有小如某些汽车专家系统只能依照外型等特征辨认十余种车，亦 有大如某些医学专家系统可依据十二万个不同的医学表征分辨八千余种疾病。尽管专家系 统的定义未尽明确，但基本上，当此系统所能处理的问题，其复杂性、对专业知识的需求、 以及其执行的信度及效度足可与专家相匹敌时，我们便可称之为专家系统。而由于专家系 统能够提供智能型的决策与辅助、解决问题、并对求解的过程做某种程度的解释，因而也 可以称为“智能型知识库系统 ( i n t e l l i g e n tk n o w l e d g e - b a s e ds y s t e m ，i k b s ) 。 提出专家系统思想的最大贡献就是它使人们对知识在智能的人工实现中的作用开始 有所认识，要使一个程序具有智能，就要向它提供关于某些问题领域的大量的高质量的专 门知识。在专家系统诞生之前，人工智能研究主要以形式推理，特别是各种搜索策略为中 心进行的啪1 。专家系统是人工智能的一个分支，它大量利用专业知识以解决只有专家才能 解决的问题。 2 2 1 专家系统的构成 一个专家系统是由包括知识库、推理机等若干个具有特殊功能的程序模块组成。 常见的专家系统结构如图2 1 所示乜n 乜刳： 用户h 专家 图2 1 专家系统简化结构 ( 1 ) 知识库 知识库是领域知识的存储器。它存储专家经验、专门知识与常识性知识，是专家系统 的核心部分。知识库可以由事实性知识和推理性知识组成。知识是决定一个专家系统性能 的主要因素。一个知识库必须具备良好的可用性、确实性和完善性。要建立一个知识库， 首先要从领域专家那里获取知识即称为知识获取。然后将获得的知识编排成数据结构并存 入计算机中，这就形成了知识库可供系统推理判断之用。知识库系统的主要工作搜集人 类的知识，将之有系统地表达或模块化，使计算机可以进行推论、解决问题。知识库中包 含两种型念：一是知识本身，即对物质及概念作实体的分析，并确认彼此之间的关系；而 另一则是人类专家所特有的经验法则、判断力与直觉。知识库与传统数据库在信息的组织、 并入、执行等步骤与方法均有所不同，概括来说，知识库所包含的是可做决策的知识，而 第1 0 页武汉科技大学硕士学位论文 传统数据库的内容则是未经处理过的数据，必须经由检索、解释等过程才能实际被应用。 ( 2 ) 推理机 推理机用来控制、协调整个系统，它根据当前输入的数据即数据库中的信息，利用知 识库中的知识按一定的推理策略，去解决当前的问题，井把结果送到用户接口。 在专家系统中的推理方式有：正向推理、反向推理、混合推理1 。在上述三种推理方 式中，又有精确与不精确推理之分。因为专家系统是模拟人类专家进行工作，所以推理机 的推理过程应与专家的推理过程尽可能一致 推理机是由算法或决策策略来进行与知识库内各项专门知识的推论，依据使用者的问 题来推得正确的答案。推理机的问题解决算法可以区分为三个层次u 引： 1 一般途径：利用任意检索( b l i n ds e a r c h ) 随意寻找可能的答案，或利用启发式检 索( h e u r i s t i cs e a r c h ) 尝试寻找最有可能的答案。 2 控制策略：有前推式( f o r w a r dc h a i n i n g ) 、回溯式( b a c k w a r dc h a i n i n g ) 及双向式 ( b i d i r e c t i o n a l ) 三种。前推式是从已知的条件中寻找答案，利用数据逐步推出结论；回 溯式则先设定目标，再证目标成立。 3 额外的思考技巧：用来处理知识库内数个概念间的不确定性，一般使用模糊逻辑 ( f u z z yl o g ic ) 来进行演算。 推理机会根据知识库、使用者的问题及问题的复杂度来决定适用推论层次。 ( 3 ) 人机接口 人机接口是专家系统与用户通信的部分。它既可接受来自用户的信息将其翻译成系 统可接受的内部形式，又能把推理机从知识库中推出的有用知识送给用户，接口的主要 功能是提供相关数据的输入与输出，可分为三个主要部分心引： 1 开发者接口：目的在方便协助系统开发者进行知识粹取、知识库与推理机的编辑 与修订，并能对专家系统进行测试、记录，并说明系统运作的过程、状态与结果。 2 使用者接口：即专家系统与使用者之间的沟通桥梁，强调系统使用的亲和性与简 易性，提供多种的操作方法，并指示正确的行为模式。 3 系统接口：为系统与其它软硬件设备的整合管理，例如连接其它数据库系统、外 部档案、绘图软件或传感器等，均需透过此系统接口来进行。 ( 4 ) 综合数据库 数据库用于存储领域内的初始数据和推理过程中得到的各种信息。数据库中存放的内 容是该系统当前要处理的对象的一些事实。综合数据库的主要功能是：存放初始数据，推 理结果，控制信息，最终结论等，管理数据雎6 。 ( 5 ) 知识获取 知识获取部分为修改、扩充知识库中的知识提供手段，这里指的是机器自动实现的知 识获取，它对于一个专家系统的不断完善、提高起着重要的作用。通常，它应具备能删除 知识库中不需要的知识及把需要的新知识加入知识库中的功能。最好还具有能根据实践结 果，发现知识库中不合适的知识以及能总结出新知识的功能心7 1 。知识获取部分实际上是一 武汉科技大学硕士学位论文第1 1 页 种学习功能。 专家系统的一个重要特征是知识库与推理机分离，系统允许在运行过程中不断修改知 识增加新知识，使系统性能不断提高。知识获取是指：编辑( 设计者与专家交互输入) 和自学习( 机器感知识别学习，自动补充) 。 ( 6 ) 解释程序 解释程序作用是：解答用户问题，了解运行步骤，验证推理合理性和正确性。 综上所述可知一个专家系统不仅能提供专家水平的建议与意见，而且当用户需要时， 能对系统本身行为作出解释，同时还有知识获取功能。专家系统的工作特点是运用知识进 行推理，因此知识获取( 包括人工方式的知识获取和机器学习) 、知识表示和知识运用是建 造专家系统的三个核心部分嘲。专家系统技术覆盖了计算机应用的许多领域，按其所完成 的任务性质和特征，可以分为解释专家系统、预测专家系统、设计专家系统、规划专家系 统、诊断专家系统、控制专家系统、决策专家系统、咨询专家系统等几类。 2 2 2 专家系统的特征 高炉冶炼过程专家系统实际上是一类计算机软件系统，它根据计算机科学中的专家系 统，依靠由优秀高炉冶炼专家提供的经验和知识所建立的知识库，凭借系统的推理机进行 逻辑推理和判断，模拟高炉冶炼专家处理冶炼过程中出现的各种复杂问题的能力，从而对 高炉生产进行指导。 专家系统是一种智能的计算机程序，与传统应用程序相比，具有以下特点嘲1 ： ( 1 ) 利用专家系统可以大大地减轻高炉操作人员的负担。随着生产的发展，高炉操作 人员所面临的压力越来越大，人员越来越少，而对高炉操作稳定性的要求越来越高，这就 迫切需要将高炉操作人员从一般性的事物中解放出来，一些常规的、重要的管理工作，如： 水温差的测定，热负荷的计算等让计算机控制系统去完成，而高炉操作人员则专注于根据 各种信息对高炉过程进行分析与判断，从而发现问题的症结所在。专家系统的使用，使测 量数据以及测量指标的监测效率大大提高。 ( 2 ) 高炉冶炼专家系统主要是由高炉操作人员的经验和知识所构成的知识系统，参照 操作条件和管理条件的变化，使炉况判断定量化，可以避免漏判和误判，达到较准确控制 高炉的目的。 ( 3 ) 专家系统是一种开放性的知识系统，高炉操作人员可以根据高炉状况的变化及时 修改知识库中的内容，从而确保系统的可靠性，提高系统的命中率。 ( 4 ) 利用专家系统所提供的大量信息，可以加快对高炉操作人员的培养过程，丰富他 们对高炉过程的认识。 ( 5 ) 与传统的过程控制相比，专家系统较易实现高炉的标准化和规范化。采用专家系 统后，过程控制人员的专业素养将得到提高，根据专家系统的预报和建议，不同操作班次 之间的过程控制思想容易统一，工艺操作将更加平顺。 第1 2 页武汉科技大学硕士学位论文 2 3 开发专家系统的步骤 个高炉专家系统的开发，通常需要经过以下几个步骤乜羽啪： ( 1 ) 确定系统的目标，根据生产中待解决的问题，有无解决问题所需要的专家经验、 高炉的装备水平、检测仪表的配置等基本条件，确定待开发专家系统将要具备的功能，并 界定系统的工作范围。目标一定要符合实际情况，可以先解决那些最需要解决的问题，待 开发出可以成功运行的系统以及获得开发经验之后，再不断增加新的功能。 ( 2 ) 获取知识。知识获取就是把解决问题所用的专门知识从某些知识来源变换为计算 机程序，知识获取由计算机方面的工程师一知识工程师来完成。知识的获取十分重要，但 又十分困难，知识获取有三方面的途径，即研究高炉操作规程、分析操作数据和采访高炉 专家。知识和规则通常必须用实际操作数据调试和验证，以确定规则中的有关参数，而不 确定知识则需要经过模糊数学的方法进行处理。对大量工程案例的分析，可以借助于数理 统计方法，或寄希望于神经元网络方法等。 ( 3 ) 建立知识库。知识库是将传统的数据库( d b ) 和人工智能( a i ) 技术相结合的产物。 d b 技术和a i 技术都是计算机研究的重要领域，他们各自独立发展了几十年，并在各自的 领域里取得突出的成绩并得到了广泛的应用。然而它们都存在突出的矛盾和问题。一方面 现有的a i 系统( 例如我们原有的专家系统) 可以使用成百上千条基于规则的知识去进行启 发式搜索与推理，但是却没有高效检索访问和管理海量数据的能力：另一方面现在的数据 库管理系统虽然已优化到可以处理海量数据和事务，但却无力表达和处理基于规则的知 识。因此将两者结合起来建立和实现新一代的知识库管理系统是数据库和人工智能的重要 技术。知识库需要规定目标、约束、知识来源，参加者以及他们的作用。详细叙述问题如 何分解成子问题，从假设、数据、中间推理、概念等方面来说明每个子问题的组成，这些 概念化如何影响可能的执行过程。为在概念化阶段中确定了的子问题的各个组成部分选择 表达方式。这是第一个要求计算机执行的阶段。在这一阶段中信息流的研究以及概念和数 据的连接将更为完善。 ( 4 ) 构建系统原型。一旦选定了知识表达方法，就可以着手执行整个系统所需知识的 原型子集。