（机械制造及其自动化专业论文）球磨机粉磨专家系统的研究与开发.pdf

摘要 摘要 粉磨作业是水泥生产的重要环节，又是其中耗电最高的环节，提高粉磨效率、降 低粉磨电耗一直是水泥厂十分关注的课题。球磨机作为粉磨的主要设备，在水泥生产 中具有十分重要的地位，其粉磨系统的选型设计是一个复杂的过程，大多依赖专家经 验。本文主要探讨了将专家系统原理和实例推理技术应用于球磨机粉磨系统的研究， 目的是提供选型参考，指导生产。 具体可分为以下三方面： 1 根据水泥行业近来的发展概况和目前我国水泥粉磨存在的问题，提出课题的研 究背景及课题研究的意义，并结合粉磨系统的发展趋势及专家系统的国内外研究现 状，指出本课题的具体研究内容。 2 首先阐述专家系统结构、实例推理的关键技术及实例推理专家系统的特点与意 义。然后分析粉磨工艺( 包括球磨机、选粉机、粉磨分类及粉磨流程) 和影响磨机效率 的主要因素，在此基础上对系统进行需求分析，建立球磨机粉磨专家系统的整体框架 和系统的模型模型。 3 对粉磨实例描述和输入，采用最近邻法的相似度计算和模糊搜索相结合的策 略，进行实例的检索匹配。此外，基于p d m 中的电子仓库建立专家知识库，对粉磨方面 的专家经验和数据进行存储，实现工艺参数的计算，为粉磨系统的选型设计提供参考 和方便。 关键词：球磨机粉磨工艺专家系统实例推理( c b r ) a b s t r a c t a b s t r a c t g r i n d i n gi sc r u c i a ls t e pi nc e m e n tp r o d u c t i o n ，b u ti t sh i i 曲e l e c t r i c i t yc o n s u m i n gi sa g r e a td i s a d v a n t a g e t h er e s e a r c ht oi m p r o v eg r i n d i n ge f f i c i e n c ya n dr e d u c ee l e c t r i c i t y c o n s u m p t i o ni sa l w a y sc o n c e m e db yc e m e n tp l a n t b a l lm i l l i si m p o r t a n te q u i p m e n ti n g r i n d i n g , a n dh a v eah i g hp o s i t i o ni nc e m e n tf i e l d h o w e v e r , t h ed e s i g no fb a l lm i l lg r i n d i n g s y s t e mi sac o m p l e xp r o c e d u r e ，m o s t l yd e p e n d so ne x p e r te x p e r i e n c e t h i sp a p e rm a i n l y d i s c u s st h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fb a l lm i l lg r i n d i n gw h i c hb a s e do nt h e o r yo fe x p e r t s y s t e ma n dt e c h n o l o g yo fc a s e d - b a s e dr e a s o n i n g ，a i m st oc o n d u c tc e m e n tp r o d u c t i o n f i r s t l y , i n t r o d u c et h eb a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c eo ft h es t u d y , w h i c hi sb a s e do nt h e c e m e n tc u r r e n ts i t u a t i o na n dd i f f i c u l t i e so fg r i n d i n g s u m m a r i z e g r i n d i n gs y s t e m d e v e l o p m e n tt r e n da n dr e s e a r c hs t a t u so fe x p e r ts y s t e m ，a n di n d i c a t et h es t u d yc o n t e n to f t h i sp a p e ri nd e t a i l s e c o n d l y , e x p a t i a t eo ns t r u c t u r eo fe x p e r ts y s t e ma n dc r u c i a lt e c h n o l o g yo fc b r a n d t h ec h a r a c t e r i s t i co fc a s e - b a s e dr e a s o n i n ge x p e r ts y s t e m p r e s e n tt h ep r o c e s so fc e m e n t g r i n d i n gi n c l u d i n gb a l lm i l l ，s e p a r a t o r ，s o r t ，f l o we t c ，a n da n a l y z ep r i m a r yf a c t o r sw h i c h i n f l u e n c eg r i n d i n ge f f i c i e n c y t h e n , e s t a b l i s ht h ef l a m eo fb a l lm i l lg r i n d i n ge x p e r ts y s t e m t h i r d l y , d e s c r i b ea n di n p u tg r i n d i n gc a s e ，t h e na d o p tt h en e a r e s tn e i g h b o ra p p r o a c ht o c a l c u l a t es i m i l a rd i s t a n c ea n df i n do p t i m a lc a s eb yu s i n gt h i sa p p r o a c ha n df u z z ys e a r c h b e s i d e s ，e s t a b l i s he x p e r tk n o w l e d g es t o r eb a s e do nt h e e - w a r e h o u s eo fp d ma n d c a l c u l a t ep a r a m e t e r , w h i c hi sb e n e f i c i a la n dc o n v e n i e n tf o rt h ed e s i g no fb a l lm i l lg r i n d i n g s y s t e m k e y w o r d s ：b a l lm i l l g r i n d i n ge x p e r ts y s t e m c a s e - b a s e dr e a s o n i n g ( c b r ) i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是芩人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人为获得江南 大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料与我一同工作的同志 对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意 签名： 鸣秀亭唇 日 期： 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解江南大学有关保留、使用学位论文的规定： 江南大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文， 并且本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 签名： 导师签名： 。私蔓甚 日 期： 姗苦、f 牟 第一章绪论 第一章绪论 水泥是国民经济的基础原材料，水泥工业与经济建设密切相关，在未来相当长的 时期里，水泥仍将是人类社会的主要建筑材料。改革开放以来，随着经济建设规模扩 大，我国水泥工业一直以较快的速度发展。1 9 7 8 年全国水泥产量6 5 2 4 万吨，2 0 0 5 年水 泥产量1 0 6 0 亿吨，水泥年产量净增9 9 5 亿吨。从1 9 8 5 年起我国水泥产量已连续2 1 年居 世界第一位，目前占世界总产量的4 8 左右。水泥产量的快速增长，从数量上基本满 足了国民经济持续快速发展和大规模经济建设的需要。随着我国工业化和城镇化进程 的加快，水泥消费将继续保持较高的水平，水泥工业也将进入新的发展时期。 水泥作为建材工业的主导产品，为经济发展提供了物质基础，推动了人类文明的进 程。然而从资源、能源和环境的角度分析，水泥生产从原料的提取、使用到废弃又是一 个不断消耗和破坏人类生存空间的过程。我国水泥工业自1 9 世纪8 0 年代末创建以来，经 过1 0 0 多年的发展，已经成为国民经济的支柱产业之一，为我国大规模经济建设作出了很 大贡献。但与此同时，水泥工业也是我国矿产资源消耗最多、绿色土地破坏最多、能源 消耗最多和环境污染最为严重的行业之一。据统计，1 9 9 5 年我国的煤炭消耗量和s 0 ：排放 量居世界首位，其中因生产水泥消耗了6 3 4 0 万吨标准煤，电耗为4 9 0 亿k w h ，s 0 2 、c 0 2 、粉 尘的排放量分别为4 5 万吨、2 4 亿吨和1 0 6 0 万吨，破坏土地面积约为一亿平方米幢1 。这些 数据表明，长期以来，我国水泥工业走过的是一条高能耗、高污染的粗放式增长道路，与 可持续发展的战略要求背道而驰。我们必须站在全民族乃至全人类利益的高度，采取有 效措施，把水泥工业的发展同节约能源和资源、保护生态环境和治理污染有机结合起来， 加快推进水泥工业结构调整和产业升级，引导水泥工业持续、稳定、健康地发展。 1 i 课题的研究背景和意义 随着科技的不断发展，水泥工业的各项技术不断取得新成就。近几年在整个水泥 工业的发展中，粉磨系统进展较快，引入注目。自2 0 0 1 年实施的水泥新标准( g b 1 7 6 7 1 1 9 9 9 ) ，对我国绝大多数水泥厂的水泥粉磨系统提出了新的要求。如对熟料的 强度和水泥的早期强度要求进一步提高，对水泥细度和比表面积要求更加严格等，这就 需要对水泥粉磨系统进行改造和工艺调整。目前，球磨机仍是粉磨系统的主要设备， 在水泥生产中具有十分重要的地位，对水泥质量有着很大的影响。这是因为磨机本身 具有对物料的适应性强、粉碎比大、生产能力高、结构简单、操作可靠、能满足现代 化企业大规模生产的需要等优点，并已广泛应用于冶金、选矿、建材、化工、发电、 陶瓷等行业。但同时磨机的工作效率低、电耗大也是个亟待解决的问题。 江南人学硕十学位论文 当前我国水泥工业的主要问题之一是结构性矛盾仍比较突出，主要表现为企业规 模小、产品档次偏低、落后生产能力仍占相当比重、能耗大、资源消耗高、污染严 重、生态和环境压力越来越大。要解决这一系列问题，就得从粉磨抓起。粉磨作业是 水泥生产中的重要环节，无论是生料还是水泥都要通过粉磨来获得。粉磨直接影响到 水泥生产的质和量以及技术经济指标。粉磨又是水泥生产过程中耗电最高的环节，约 占生产总电耗的6 5 以上，其中水泥粉磨的电耗所占比例高达2 3 b 引。因此，提高水泥 粉磨效率，降低单位电耗一直是水泥厂关注的问题。 过去在很长的时期内，由于工艺系统设备陈旧和落后，粉磨电耗一直居高，据1 9 9 2 年国家建材局统计显示，国内不同工艺的水泥粉磨系统电耗平均值为3 5 4 5 k w h t 而 单独的普通球磨机粉磨系统电耗则高达4 0 - - - 4 6 k w h t 。近十多年来，随着新技术、新设 备、新工艺的应用，粉磨电耗指标大幅度降低，许多厂目前已接近 3 2 k w h t 的生产水 平。这首先得益于诸如辊压机、高细产磨、新型选粉机等性能优良、原理先进的粉磨 设备，为增产节能奠定了基础，同时也取决于工艺流程的合理选择与设计。因为同样 的粉磨设备，采取的工艺流程不同，生产效果也有所不同酾m 儿刀。显然，水泥粉磨系统 的增产节能，关键在于粉磨设备及其工艺流程的合理选择。 目前，我国水泥厂大多使用球磨机作为水泥粉磨设备，众所周知，球磨机的有效 能量利用率仅为3 左右，因此提高能量利用率的潜力很大。我国的水泥年产量已达5 亿 t ，若按水泥粉磨电耗降低1 0 ( 平均约为3 k w h t ) 计，则每年可节电1 5 1 0 9 k w h ；每 度电价以0 5 元计，则每年粉磨成本可降低近8 亿元，这对于节省能源、提高企业的经 济效益具有重要的现实意义。 但是，球磨机是一种工艺性很强的重型机械设备，无论对于设计、科研、制造还 是使用部门，都要注意工艺参数对球磨机产量的影响陋儿引。在粉磨系统流程的选型设计 中，入磨物料特性、粉磨工艺方式、球磨机规格、各仓长度、衬板形状：隔仓板位 置、研磨体级配及配套辅机等参数选择的不同，都会对成品质量和粉磨效率产生截然 不同的效果。既然影响球磨机粉磨效率的因素很多，那么如何选择这些工艺参数以达到 粉磨系统增产节能的要求? 这常常是需要“专家”来解决的问题。而目前厂家在选择 粉磨系统时都是基于自身的实际经验而定，这种方法存在以下不足： 1 粉磨流程复杂，由于人带有较强的主观性，难免存在一定的偏差，且这种方法 效率低，周期长； 2 由于技术人员在粉磨工艺、设备等方面知识的局限性，专家知识和经验数据又 难以查阅，难免出现选型不当或级配不合理等，造成磨机效率低或成品质量无法满足 实际需求： 2 第一章绪论 3 在粉磨系统选型中会涉及到参数的计算，参数繁多且参数之间的关系难以用数 学模型来分析，甚至难以找到切近生产实际的公式。 因此，目前的方法远远满足不了实际工作的需要。 专家系统是人工智能技术应用中最成功的一个分支，作为一个智能的计算机程序 系统，专家系统在指定领域内能够以等同或略高于人类专家的水平成功地解决实际问 题。为了适应节约型社会的发展要求，降低粉磨电耗，以水泥行业的实际需求为背 景，提出该课题“球磨机粉磨专家系统的研究与开发”，将专家系统原理应用于粉磨系 统的选型设计中，通过建立球磨机粉磨实例库( 包括入磨物料属性、成品属性、衬板 类型、隔仓板属性、研磨体特点、球磨机及选粉机类型规格等) ，并结合该领域专家的 丰富经验和粉磨相关理论建立专家知识库，采用实例推理技术提高粉磨系统选型的正 确性及效率，使一般工作人员也具有相当于专家的知识经验水平以及解决实际问题的 能力。同时，专家知识通过计算机程序保存后可以更有效地利用和传播，为指导生产 带来更大方便。 1 2 粉磨系统的发展 根据粉磨理论及其装备的发展，不仅要求粉磨技术及装备尽量节能、降耗，而且 在粉磨效果、产量、质量及环保等方面也提出了更高的要求。近年来，随着新型干法 水泥生产的发展，为了提高粉磨效率，节约能源，提高经济效益，水泥粉磨系统在大 型化的同时，也得到了不断的改进和发展。其发展特点是n ： 1 在设备大型化的同时，力求选用高效、节能型磨机 随着水泥窑系统大型化，水泥磨也向大型化方向发展。用于水泥粉磨的球磨机直 径已达5 5 m 以上，电机功率达7 0 0 0 k w 以上，台时产量达3 0 0 t 以上。近年来设计的巨型 磨机直径已达6 m 以上，电机功率达1 2 0 0 0 k w 以上。采用大型磨机不但可以提高粉磨效 率、降低衬板和研磨体消耗，减少占地面积，还可以简化工艺流程，减少辅助设备， 也有利于降低产品成本。 近年来，世界各国仍然把闭路式球磨机作为水泥粉磨设备的基本型式，但由于开 路磨机具有工艺流程简单，操作方便和易于进行自动控制等优点，许多小型磨机仍然 采用。丹麦史密斯公司在小钢锻磨的基础上，把两级磨合并在一个磨机上，开发了康 比丹磨，既能用于开路，也能用于闭路。此外，立式磨已开始用于水泥粉磨作业，辊 压机也正在广泛地用于各种水泥粉磨系统。 2 采用高效选粉设备 为了适应磨机大型化的要求，近些年来闭路粉磨作业越来越多，因此作为其重要 江南人学硕十学位论文 配套设备的选粉机也得到了较大发展。离心式选粉机( 又称机械空气选粉机) 是水泥工 业应用最早的具有代表性的空气选粉设备，其直径已达1 l m 以上，选粉能力达3 0 0 t h 以上。为了与大型磨机相匹配，旋风式选粉机在水泥粉磨作业中也得到了同益广泛的 应用，同时利于进行水泥冷却，其选粉能力已达5 0 0 t h 。此外，以o - s e p a 选粉机为代 表的第三代选粉机也得到较快的发展，正在广泛地用于水泥的选粉。当然还有许多新 型选粉机出现。 3 采用新型衬板，改善磨机部件材质 随着磨机大型化，世界各国水泥设备制造厂家，在不断改进磨机结构，提高加工 精度的同时还十分重视采用新型衬扳，改善磨机易损部件材质，以提高磨机综合效 率，节省能源，延长运转周期。 磨机衬板已不再是单纯地保护磨机筒体的部件，它已发展成为直接影响粉磨效率 的技术性构件。由于它直接传递能量、对研磨体还起着分级的作用，因此其结构形 状、材质等都对磨机生产效率有着很大的影响。近些年来，国内外都十分重视新型衬 板的研究。 在改善易磨部件材质方面，则日益广泛地采用各种合金钢材料，提高耐磨性能， 降低磨耗率，提高部件和研磨体使用寿命。 4 添加助磨剂，提高粉磨效率 助磨剂能够消除水泥粉磨时物料结块及粘糊研磨体、衬板的弊端，改善粉磨作 业，提高粉磨效率，而受到越来越多的重视。据报导，掺加助磨剂可使粉磨效率提高 2 0 以上。在美国、德国、日本、俄罗斯等国家都日益广泛地将助磨剂用于水泥工业 生产。 5 降低水泥温度，提高粉磨效率 改善水泥品质粉磨作业，特别是使用球磨机会使大部分输入的能量转变为热能传 递给物料，使粉磨物料的温度上升到1 0 0 。c 以上。这样不仅会使水泥在粉磨过程中引起 石膏脱水，失去作为水泥缓凝剂的作用，造成“假凝”现象，并且温度过高还会使物 料粘结、粘糊研磨体，从而降低粉磨效率。因此，为了降低水泥粉磨时的温度，提高 粉磨效率，改善水泥品质，近年来广泛采用了许多新的水泥冷却方法。常用的方法除 原来的磨体淋水，加强磨内通风等方法外，还广泛采用了向磨内喷水，在选粉机内通 风冷却和采用水泥冷却器对出磨水泥进行冷却等方法。 6 采取其它技术措施 如降低入磨物料粒度，保证水泥成品的合理颗粒级配、颗粒形貌及根据产品标准 选择适当的比表面积，改善配料，选择合理的熟料矿物组成，降低入磨物料水分等， 4 第一章绪论 以便进一步提高粉磨过程的综合效率，增加生产，降低能耗，提高水泥质量，取得最 佳的经济效益。 粉磨工艺和设备的发展主要体现在节能、 生产率增长、操作强度下降、设备性能完善、 费用降低和实现文明生产上。 1 3 专家系统的发展及研究现状 增产上，也体现在产品质量提高、劳动 实现自动化、易损件磨耗量减少、操作 专家系统( e x p e r ts y s t e m ，e s ) 是人工智能( a r t i f i c i a li n t e l l i g e n t ，a i ) 研究 的一个重要应用领域，在国外也被称为知识库专家系统，与自然语言理解、机器人一 起并列为a i 研究最活跃的三大领域。1 9 5 6 年，a n e w e l1 和h a s i m o n 在逻辑论及l t 和通 用问题求解程序g p s ( g e n e r a lp r o b l e ms l o v e r ) 的研制中为专家系统的产生奠定了基 础。1 9 6 5 年，s t a n f o r d 大学的e a f e i g e n b a u m 教授等进行了d e n d r a l 系统的研究，于 1 9 6 8 年研制成功，其解决问题的能力已达到甚至超过同领域专家的水平。d e n d r a l 系统 是第一个结合启发式程序和大量专门知识的实用智能程序。它的出现标志着人工智能 研究开始向实际应用阶段过渡，同时标志着人工智能的一个崭新应用领域专家系 统的诞生。 2 0 世纪7 0 年代，专家系统的观念逐渐被人们广泛接受，先后出现了一批卓有成效 的专家系统，关于专家系统通用性研究的骨架系统和通用表示语言的思想已形成。 1 9 7 7 年，e a f e i g e n b a u m 教授在第五届国际a i 联合会上对专家系统的思想作了系统总 结，提出了知识工程的概念，至此，专家系统技术已基本成熟。 随着专家系统研究的不断深入，其应用得到了飞速发展。至今，世界各国已经在 很多领域研制出了大量的实用专家系统，其中不少系统在性能上已达到甚至超过了同 领域人类专家的水平，已经产生或正在产生巨大的经济效益和社会影响。专家系统的 研究已经渗透到各个领域，比较成熟的应用有以下几方面： 地质方面，国际人工智能研究中心开发的专家系统，用于勘探矿床的位置，其准 确度达到地质学家的水平。如斯坦福国际研究中心于1 9 7 6 年设计的p r o s p c t o r 系统，它 用于辅助地质学家探测矿藏，是第一个取得明显经济效益的专家系统。 计算机方面，典型例子有p i s 系统控制技术公司研究开发的专家系统，可根据需要 完成任务的英语描述，编制简单的计算机程序：麻省工学院开发的帮助编制和调试软 件的专家系统等。 工程领域，通用电气公司8 0 年代中期开发的柴油发电机错误诊断系统d e l t a 。此外 还出现了帮助工程师对结构分析问题寻找分析策略的监督系统r e a c t o r 、教授蒸汽传动 江南人学硕十学位论文 工厂的运行方式系统s t e a m e r 等。 这些专家系统的研制促进了人工智能理论和技术的发展，丌辟了计算机求解非数 值问题的有效途径。专家系统已成为世界各国最热门的竞争的研究课题，同本、美 国、英国等国家纷纷将其列为国家重点研究项同，投入了大量的人力和资金，同本把 专家系统作为第五代计算机研究的核心内容，英国已将专家系统智能数据库列入国 家四大重点项目。 我国对于专家系统的研究工作起步较晚，但经过二十年的艰苦努力，已经在理论 研究和应用开发方面取得了很大进展，在中医治疗、油井记录分析、地震预测、气象 预报、军事指挥、故障诊断等方面研制了一批专家系统，取得了明显的经济效益和社 会影响1 。 目前，有关水泥方面的专家系统比较少，比较典型的是武汉理工大学林宗寿研究 室研制开发的水泥厂化验室专家系统、水泥配料专家系统n 射。虽然文献资料中有关球 磨机粉磨系统方面的研究非常多，但都只是针对其中的某一方面，没有构成一个有序 的、完整的体系，因此，研究球磨机粉磨系统的专家系统很有前景。 1 4 课题研究内容 本课题的主要研究内容是基于实例推理的专家系统理论和知识管理的思想在球磨 机粉磨工艺方面的具体应用，介绍了球磨机粉磨系统的构成、影响粉磨效率的主要因 素，建立了粉磨系统实例库，研究了实例推理的检索算法，并在此基础上，开发了球 磨机粉磨专家系统的原型系统。 具体内容如下： 1 在研究球磨机粉磨工艺的基础上，分析影响磨机产量的主要因素，对系统进行 需求分析，结合专家系统理论，给出球磨机粉磨专家系统的框架。 2 对粉磨实例进行分层次描述，采用关系数据库同时考虑关系的完整性约束和规 范化，进行表结构的设计，建立实例库的数据模型。 3 考虑到粉磨实例的相似性特征，研究了基于实例推理的最邻近法，采用相似度 计算和模糊搜索相结合的策略，进行实例的检索匹配。 4 引用知识管理的思想，将粉磨方面的专家经验、数据、公式等以专家知识的形 式存于数据库中，给设备选型、参数计算等带来很大方便。 6 第一章绪论 1 5 本章小结 介绍水泥行业近来的发展概况和目前我国水泥粉磨存在的问题，分析粉磨系统的 发展趋势，并结合专家系统的国内外研究现状，指出本课题的研究内容。 7 江南人学硕十学位论文 第二章基于实例推理专家系统相关理论 在上一章节中提到了专家系统的发展及国内外研究现状，本章主要研究专家系统 的一般原理、结构和基于实例推理的技术，这也将为本文的后续部分鉴定必要的理论 基础。 2 1 专家系统概述 2 1 1 专家系统的基本概念 作为人工智能一个重要分支的专家系统，是在2 0 世纪6 0 年代初期产生并发展起来 的- i - i 新兴的应用科学，而且正随着计算机技术的不断发展而日臻完善和成熟。1 9 8 2 年 美国斯坦福大学教授费根鲍姆给出了专家系统的定义：“专家系统是一种智能的计算机 程序。这种程序使用知识与推理过程，求解那些需要杰出人物的专门知识才能求解的复 杂问题 。 一般认为，专家系统就是应用于某一专门领域，由知识工程师通过知识获取手段，将 领域专家解决特定领域的知识，采用某种知识表示方法编辑或自动生成某种特定表示形 式存放在知识库中：然后用户通过人机接口输入信息、数据或命令，运用推理机制控制 知识库及整个系统，能像人类专家一样进行推理、学习、解释，实现问题求解的计算机 系统。专家系统主要包括两部分：知识库和推理机， 2 - 1 是专家系统的基本结构。 知识工程师 知识库推理机用户 领域专家 图2 - 1 专家系统基本结构 f i g 2 - 1b a s i cs t r u c t u r eo fe x p e r ts y s t e m 其基本思想：知识工程师与领域专家直接交互，收集与整理领域专家的知识，将 其转化为系统的内部表示形式并存放到知识库中；推理机根据用户的问题求解要求和 所提供的初始数据，运用知识库中的知识对问题求解，并将产生的结果输出给用户。 2 1 2 专家系统的特点 专家系统是一个基于知识的系统，它利用人类专家提供的专门知识，模拟人类专 家的思维过程解决对人类专家都相当困难的问题。一般来说，一个高性能的专家系 统应具备如下特征： 第一二章基r 实例推理专家系统相关理论 1 具有专家水平的专门知识。专家系统建造的个最重要目标是达到一个专家在 解决某些仟务时所体现出的高水平的性能。专家系统能够成功地解决领域内的各种问 题，在解题质量、速度和动用启发式规则的能力方面具有领域人类专家的水平，其根 本原因是系统中存储有专家水平的知识。 2 一般问题的求解能力。各种专家系统应具备一种公共的智能行为，能够做一般 的逻辑推理、目标搜索和常识处理等工作。而且，专家系统往往采用试探性方式进行 处理，为了使问题求解更加符合实际情况，往往采用不精确推理。因而，专家系统能 够解决问题领域内的各种专门问题。 3 具有获取知识的能力。人类专家能够通过学习不断丰富自身的知识，高性能的 专家系统也应该具备这种不断获取知识的能力。或者它提供一种手段使知识工程帅和 领域专家能够不断地给系统“传授 知识，使知识库越来越丰富，越来越完善；或者 系统自身具有自学习能力，从系统的运行过程中不断总结经验抽取新知识更换旧 知识，自动地使知识库中的知识不断丰富和更新。 4 知识与推理机构相互独立。专家系统一般把推理机构与知识分开使其独 立使系统具有良好的可扩充性和维护性。 2 2 实例推理技术 2 2 1 概述 基于实例推理n 刀n 鲫( c a s e d - b a s e dr e a s o n i n g ，c b r ) 技术是近年来人工智能研究的 热点。c b r 是从经验中推理的一般范式，也可称为类比推理( a n a l o g yr e a s o n i n g ) ，当 领域中缺乏明确的知识可以利用或知识给出的结论不明确时，c b r 可以借用以往成功的 经验及失败的教训，从而给出问题的解。其基本思想是利用相似实例的解来求解目标 问题的解。 早期的专家系统多是采用基于规则推理( r u l e - b a s e dr e a s o n i n g ，r b r ) 和基于模 型推理( m o d e l - b a s e dr e a s o n i n g ，m b r ) 的推理方法，c b r 方法并未受到重视，直到这 类专家系统出现了知识获取“瓶颈 和“知识爆炸”等问题，才使得一部分研究者重 新考虑到c b r 的重要性。基于实例的推理系统回避了专家知识规则表述这个现在看来 难以很好解决的问题，它将成功的解决方案作为知识的表现形式体现在大量的实例 中，领域新知识的获取表现为新实例的增加。基于实例的系统中，实例知识具有一定 的完整性和独立性，因此知识的使用和维护比较容易。正如l e a k e ( 1 9 9 6 ) 指出：“c b r 可以改进人工智能当中的五个主要的难题：知识获取、知识维护、提高解决问题的效 率、提高解决问题的质量、用户满意程度”。 9 江南人学硕十学位论文 2 2 2 实例推理技术的研究现状 当前c b r 技术的发展十分迅速，对于这方面的研究也比较多。国外的研究起步较 早，1 9 8 2 年s c h a n k 在( d y n a m i cm e m o r y ) 一书中提出了c b r 的认知模型，并在此基础 上开发了一个c b r 的应用系统，该系统是一个问答式的专家系统，它成为以后的许多 c b r 系统的基础。8 0 年代后期，美国的d a r p a 项目导致了r e m i n d 系统的产生，这被认 为是c b r 从认知科学向人工智能转变的标志。近年来，一些机构研究并开发了一些用 于机械设计的c b r 原型系统，日本t o s h i b a 公司将c b r 技术n 9 脚m 捌乜3 1 用于电机设 计。 随着人们对c b r 研究的逐渐深入，使得c b r 的应用范围在不断扩大。我国在这方 面的研究也有了很大进步，已经在在很多领域如企业决策、法律案例、医疗诊断、天 气预报、机器故障诊断等方面都取得了很好的效果。 1 9 9 9 年，哈尔滨工业大学的杜元虎、黄文虎在“基于案例推理的故障诊断专家系 统中案例检索策略的研究 一文中首先建立了面向对象的案例知识表示体系，在此基础 上，研究了基于层次分类模型及模糊技术的两级检索策略。基于层次分类模型的检索策 略，为大型案例库建立了辅助检索模型，可在案例检索时逐步缩小检索空间，提高诊断效 率；基于模糊技术的案例检索方法则进一步提高了诊断精度，使系统更具实用性乜钔。 2 0 0 0 年，浙江大学的邢建国、谭建荣在“实例检索策略及其在减速器零件c a p p 中 的应用 一文中针对c a p p 中实例零件的相似性检索，从加工工艺的角度出发，提出了基 于加工特征和进刀方向的相似性判定准则以及三级搜索策略，提高了实例匹配的准确性， 使实例工艺的重用性增强。该方法已应用到所开发的减速器主要零件通用型c a p p 系统 中，该系统将派生式和基于实例方法集成一体，既具有派生式适应性强的优点，又充分利 用了以往成熟的工艺实例瞄5 1 。 2 0 0 3 年，哈尔滨工业大学的王知行、林琳、钟诗胜等在“知识管理系统中的c b r 技术及其应用 一文中，介绍一个分布式知识管理系统，提出了知识管理系统的基本 框架。重点讨论了基于实例的推理技术在知识管理系统中的应用，并通过在水轮发电 机方案设计中的应用，证明了基于实例的推理技术在知识管理系统中的实用性汹1 。 2 0 0 5 年，四川大学的徐雷、殷国富、宁芊等在。基于功能实例推理的敏捷夹具设 计”一文中提出了基于夹具功能分解的实例推理方法。该方法根据元件的不同功能和 装配特征，建立了一种基于层次的敏捷夹具设计模型。采用基于实例推理方法，通过 对产品信息的相似性计算，获取有相似产品信息的夹具实例，再通过几何冲突裁决法 和功能冲突裁决法来解决相似实例与实际要求之间的冲突，最后修改夹具实例以满足 设计要求。以轴类工件为研究对象进行了应用验证，显示该设计方法可以使敏捷夹具 1 0 第二章基丁实例推理专家系统相荚理论 很容易修改，实现重用1 。 2 2 3 实例推理模型 在c b r 系统中，当一个新问题出现时，首先按规定的方法对其进行描述，接着按某 种算法从实例库中检索出与之相似的实例，对新问题重用与之最相似的实例的解作为 其建议解；然后根据以往经验、领域知识及新问题的特点对建议解进行修正，使之更 适合新问题，并经验证后得到确认解：最后将新问题及其确认解组成新的实例存储于 实例库中，以备将来应用。 c b r 的核心思想是用过去实例经验解决当前的问题，是一种类比性的推理方法 i r a m l 。它采用“4 r ( r e t r i e v e 、r e u s e 、r e v i s e 、r e t a i n ) 循环结构，其基本原理如 图2 - 2 所示： 回一 实例检索 卫 实例库 一困 o 一困 图2 2 实例推理模型 f i g 2 - 2c b rm o d e l 检索( r e t r i e v e ) ：指从实例库中检索出与新实例的问题描述部分相似的实例。 重用( r e u s e ) ：指将检索出的与新问题相似的实例的解决方案重用为新问题的建议解。 修正( r e v i s e ) ：指根据需求对建议解进行修改，使其更好地适合新问题。 保存( r e t a i n ) ：指一经确认或验证，将新问题及解决方案组成新实例，存储在实例中。 2 3 实例推理的关键技术 2 3 1 实例获取和表示 实例作为专家系统推理的基础，承担着重要的角色。要把某一领域的专家知识和 经验转换为计算机能存储和识别的计算机信息，是进行后续推理的前提。这主要涉及 两方面的内容，实例的获取和实例的表示儿3 2 1 。 1 实例获取 实例获取就是要把用于求解专门领域问题的知识从拥有这些知识的知识源中抽取 江南人学硕十学位论文 出来，并转换成为一特定的计算机表示。简单地说，就是搜集、筛选和整理资料。在 专家系统的丌发中，实例获取是最困难、消耗人力、财力最多，消耗时间最长的环 节。本次研究将从将从以下几个方面： ( 1 ) 通过调研，获取最直接的粉磨系统案例； ( 2 ) 查阅粉磨工艺相关书籍； ( 3 ) 提取球磨机粉磨系统的相关数据。 2 实例表示 实例表示是关于各种存储知识的数据结构及其对这些结构的解释过程的结合，它 主要研究各种含有语义信息的数据结构的设计，以便在这些数据结构中存储，开发各 种操作这些数据结构的推理过程，使知识的表示和运用知识的控制以及新知识的获取 相结合，把领域知识有机的结合到程序设计中。在c b r 中，实例表示是实例推理技术 的基础，也是实例检索的前提。目前主要的知识表示方法有：规则表示、框架表示、 逻辑表示、语义网络表示法及面向对象的表达等。 2 3 2 实例检索 实例检索是基于实例推理系统的核心部分，其目标是尽快找到与问题描述最相似 的实例。建立好实例库后，如何根据输人的设计要求，从中检索到并提取出最近似的 实例是系统的核心问题。实例检索的原则主要有三条： 检索的效率应尽可能的高； 检索出的实例应当尽可能的少； 检索出的实例和设计任务应尽可能的相似。 对基于实例推理的系统，其检索方法州汹1 汹1 的好坏直接决定了系统的效率，常 用的实例检索方法主要有三种：最近邻法、归纳法、知识引导法或这三种方法的综 合。现分别作以介绍： 1 最近邻法( n e a r e s tn e i g h b o ra p p r o a c h ) 指用户输入工艺条件后从实例库中查找距离最近的实例。该方法是为实例库的每 个属性指定一个权值，检索实例工艺时根据输入的信息描述与实例库中的实例属性相 匹配，计算出当前实例与实例库中所有实例的距离，然后从中选出距离最小者作为最 佳匹配实例。 该方法定义简单，容易实现，适用于实例库中实例较少或检索目标未能很好定义 的情况，如果可以找到一组能够普遍适用的属性权值，则该检索策略为最佳方法。这 种方法的缺点是，在一些情况下，各属性的权值对不同的实例可能有所不同，因此难 以确定一组适用于所有实例的权值。使用这种方法要注意的一点是，实例特征属性的 1 2 第一二章基丁实例推理专家系统相犬理论 权重往往是相互依赖的，因此特征属性的重要性也取决于这个实例的其它特征属性的 权值。 2 归纳索引法( i n d u c t i v ea p p r o a c h ) 归纳法是一种类似于决策树的学习方法，从实例特征中抽取最能将该实例与其它 实例区别开来的信息差异，并根据这些信息将实例组织成一个类似于决策树的层次结 构，检索时采用决策树检索策略。如果检索目标有明确定义，且每种目标类型有足够 多的例子进行归纳，那么归纳策略要优于最近邻策略。 该方法的优点是能够自动的分析实例，确定实例的最佳特征，并将实例工艺库分 层组织，从而大大减少了检索时间，其缺点是实例工艺库中必须有足够的实例才能做 归纳而且用于归纳成决策树的时间很长；再有就是这种索引随新实例的不断加入而频 繁变化。因此，比较恰当的策略是将最近邻法与此法结合起来，当库中实例工艺较少 时采用最近邻法与此法结合起来，当库中实例工艺较少时采用最近邻法，当实例工艺 增多到一定数量而又往往不引起实例特征信息分布明显变化时，则采用归纳索引法。 3 知识引导法( k n o w l e d g e b a s e dr e t r i e v a la p p r o a c h ) 建立索引知识库，用知识确定实例中哪些特征在实例检索中最重要，并根据这些 特征来组织检索。检索知识包括领域原理、特征间因果关系等，显然，如果知识相当 完备，那么知识引导法可保证实例库的组织结构相对稳定，但对于范围较广泛的领域 来说，要获得完备的索引知识是非常困难的，因此，许多系统往往将这种方法与其它 技术结合使用。对于知识导引索引，由于本身没有固定模式，所以搜索方法将随着知 识引导的方法而变化。最简单的办法是对实例的各种特征加权，对重要的属性优先检 索。因为属性的权重反映了它在领域的重要程度，从而可以看作是一种特殊的领域知 识。 由上所述，可以看出，采用最近邻法的好处是简单，但是最近邻法中权值的确定 是一个很难解决的问题，它只能对具体的一类实例给出一组权值，而且对于不同的类 型的实例，这组权值就不能再使用。归纳索引法必须有足够多的实例，而且检索的时 间开销很大。 2 3 3 基于实例推理专家系统的特点和意义 1 实例推理同其他推理方法的比较眵力 ( 1 ) c b r 与r b r r b r 是人工智能技术发展过程中近年来理论上较成熟的一种推理模式，利用r b r 人 们可以把问题求解领域的知识模型方便地转换为计算机能够实现的程序。在r b r 系统 中，问题求解领域的知识被描述成一系列的事实和反映这些事实之间关系的规则，利 江南人学硕十学位论文 用这些规则的组合可解决领域内的各种问题。规则用“i fat h e nb ”的形式表示，易 为人们理解和使用。但是随着专家系统对经验知识的依赖增多，对一些复杂的问题， 很难找到其内在的规则，而有些问题，在求解的过程中会得出更多的规则。这样，r b r 的缺点越来越明显，主要表现为知识获取困难、容易引起知识爆炸问题、学习困难 等。与此相比，c b r 系统就不存在类似的问题。 一方面，c b r 系统求解问题时不是利用规则，而是利用以前的实例，因此，只要 有足够多的实例就行了。即使对于人们不太熟悉或找不到用规则描述的问题，c b r 也能 适用。 另一方面，c b r 的学习能力体现在能够在求解问题的过程中，不断地获取新的实 例，而不是增加新的规则。这种学习简单易实现，不像r b r 系统那样，需要大量的人工 介入以总结归纳出新的规则。当然，c b r 系统与r b r 系统有时可用来解决相同的问题， 如故障诊断、决策支持等。二者各有自身的优势和缺点，越来越多的研究开始把它们 结合起来，用以解决复杂的问题求解应用。 ( 2 ) c b r 与m b r 基于模型的推理( m o d u l e b a s e dr e a s o n i n g ，m b r ) 是通过设计对象的结构一状 态一功能模型的方式解决问题。由于构造模型本身就是一种创造性的活动，因此，它 适合于解决富于创造性的新问题。但当遇到较复杂的问题时，m b r 又变得难以控制，综 合多种因素的模型变得太复杂，因而又限制了该方法的应用。目前较好的解决方法就 是把c b r 与m b r 集成起来，c b r 适合于解决经常遇到的问题，m b r 适合于解决新问题。因 此，可以把大问题进行分解，用c b r 先发现和解决这些子问题，然后再通过结合这些子 问题的解，形成一个新问题，再用m b r 解决这个新问题。 ( 3 ) c b r 与模式识别 据统计，专家系统最多的应用是解决分类问题，它通过符号推理的方式实现任务 分类。在这方面，模式识别技术和神经网络技术体现得最为突出。模式识别技术用于 分类问题是以一系列数学函数来确定输入类对象的性质好坏，在众多模式识别算法 中，最流行的是线性或二次判别法和贝叶斯( 概率) 分类。线性或二次判别法的最终输 出是数学函数，因而它仅在输入事例特征是用数字描述的情况下才能正常工作，在非 数字领域中，模式识别方法大大受到了限制。贝叶斯( 概率) 分类法需要对大量样本集 中相互依赖的变量给出完全的概率估计，对大多数现实领域而言，这很难做到。模式 识别方法的不足已成为这些年来发展神经网络方法的主要动因。 ( 4 ) c b r 与人工神经网络 人工神经网络( a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ，a n n ) 技术也是当前人工智能技术发 1 4 第二章基r 实例推理专家系统相关理论 展和研究的重要课题方向之一。它是一种模拟生物神经体系进行信息处理的系统，可 用来进行复杂类型的并行计算任务。a n n 与c b r 相比，既有相同的特点，也存在一定的 不同，因而适用的场合和解决问题的效果也有所不同。 从相同的方面来讲，一是两者在解决问题时，都利用以前积累的数据，而且积累 的经验数据越多，解决问题的效果越好；二是两者解决