摘 要：機(jī)械通風(fēng)是糧庫保持糧食品質(zhì)的重要手段之一。但是由于糧情變化與含水率、倉儲溫度以及濕度等諸多因素相關(guān)，人工通風(fēng)存在很多不足之處。對專家系統(tǒng)的知識規(guī)則庫進(jìn)行研究并根據(jù)實(shí)際應(yīng)用提出具體的規(guī)則設(shè)計(jì)方法，利用專家系統(tǒng)的人機(jī)交互方式和系統(tǒng)自學(xué)習(xí)方式進(jìn)行知識獲取和修訂補(bǔ)充，可以對糧庫進(jìn)行機(jī)械通風(fēng)的決策以及通風(fēng)過程中控制方面起到一個高級儲糧專家的作用。實(shí)踐證明，這種研究方法具有廣泛的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：智能控制；機(jī)械通風(fēng)；儲糧；專家系統(tǒng)

中圖分類號：TP391文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1004-373X(2008)08-168-03

Intelligent Control System of Storing Mechanical Ventilation Based on the Expert System 

ZHEN Tong，HE Xiaoping，ZHU Yuhua

(College of Information Science and Engineering，Henan University of Technology，Zhengzhou，450001，China)

Abstract:Mechanical ventilation is one of the most important ways to keep grain′s quality in barn，whereas artificial ventilation has many disadvantages for those factors such as ratio of water，temperature and humidity of barn involved in the changes of gain quality.The design details of rule definition based on practicality is brought forward after research of expert system′s knowledgerule database.Expert system will work as an advanced grain storing expert in the decision and control of storing ventilation when using expert system′s interactive manmachine technique and selfstudy system technique to gain new knowledge and modify previous knowledge.It has been proved that the research means have bright application future.

Keywords：intelligent control;mechanical ventilation;storing grain;expert system

1 引 言

儲糧機(jī)械通風(fēng)作為一項(xiàng)重要的科學(xué)保糧技術(shù)，已被我國糧食儲備庫廣泛應(yīng)用。1998年以來，國家在新建的糧庫中都配備了機(jī)械通風(fēng)等儲糧新設(shè)備。但是當(dāng)前這些設(shè)備并沒能真正實(shí)現(xiàn)機(jī)械通風(fēng)自動化控制。目前情況下，當(dāng)糧溫達(dá)到一定限度時，人工進(jìn)行通風(fēng)處理。而糧情變化一般與原糧含水率、倉儲環(huán)境溫度和濕度的變化有關(guān)，所以這種處理方法沒有達(dá)到對儲備糧變化歷史進(jìn)行科學(xué)化的處理，更不能對糧情變化情況做出準(zhǔn)確預(yù)測。一個科學(xué)化、智能化與自動化的現(xiàn)代儲糧機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)在國內(nèi)一直沒有建立起來。

專家系統(tǒng)是用基于知識的程序設(shè)計(jì)方法建立起來的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，他綜合集成某個特殊領(lǐng)域內(nèi)專家的知識和經(jīng)驗(yàn)，能像專家那樣運(yùn)用這些知識通過推理，通過模擬人類專家作決定的過程來解決那些專家才能解決的復(fù)雜問題。儲糧機(jī)械通風(fēng)專家系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)專家系統(tǒng)在儲糧管理專業(yè)領(lǐng)域的一個應(yīng)用，他能夠在糧庫機(jī)械通風(fēng)時的決策方面以及通風(fēng)過程中的控制方面起到一個高級儲糧專家的作用。儲糧機(jī)械通風(fēng)專家系統(tǒng)通過人機(jī)交互方式和系統(tǒng)自學(xué)習(xí)方式進(jìn)行知識獲取和修訂補(bǔ)充，最終擁有各種與儲糧機(jī)械通風(fēng)和糧食安全儲藏相關(guān)的數(shù)據(jù)及經(jīng)驗(yàn)知識，并建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫、圖形庫和模型庫。通過儲糧機(jī)械通風(fēng)專家系統(tǒng)，可對不同儲糧要求和儲藏環(huán)境下的機(jī)械通風(fēng)的決策和控制進(jìn)行模擬和比較，提供給管理者和決策者一套完整的、系統(tǒng)的、經(jīng)濟(jì)的、有效的、安全優(yōu)化的機(jī)械通風(fēng)方案。

2 系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

機(jī)械通風(fēng)專家系統(tǒng)包括基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫、知識庫、推理機(jī)、解釋機(jī)、人機(jī)接口這幾個方面。基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫里包含各種糧情信息，首先需要從基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫獲取信息并處理得到當(dāng)前糧倉的事實(shí)類對象，事實(shí)類對象中封裝通風(fēng)規(guī)則表中推理所要用到的事實(shí)。有了事實(shí)類對象，根據(jù)通風(fēng)規(guī)則表就可以進(jìn)行通風(fēng)目的和通風(fēng)方式推理，如果有匹配規(guī)則，必然會推理得到某種通風(fēng)結(jié)論。解釋機(jī)將告訴用戶得到該結(jié)論的推理依據(jù)和所依據(jù)規(guī)則的解釋。如果系統(tǒng)經(jīng)過推理得到某種通風(fēng)方式時，系統(tǒng)就會通過I/O接口向控制設(shè)備發(fā)送命令，控制通風(fēng)設(shè)備執(zhí)行該通風(fēng)方式。在通風(fēng)起動和通風(fēng)結(jié)束這兩個時刻，都會從基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫里提取糧情信息進(jìn)行糧情統(tǒng)計(jì)，這就是該通風(fēng)方式的效果分析，統(tǒng)計(jì)結(jié)果綜合并寫入知識庫里對應(yīng)的通風(fēng)效果分析表中。該表為將來選取最優(yōu)的通風(fēng)方式結(jié)論提供依據(jù)。同樣，應(yīng)用程序和領(lǐng)域?qū)＜?、知識工程師、一般用戶之間有人機(jī)接口。通風(fēng)專家系統(tǒng)人機(jī)接口完成以下2部分的工作：一是實(shí)現(xiàn)對通風(fēng)知識庫的維護(hù)、操作；二是提供用戶與解釋機(jī)的查看窗口。用戶通過他可以了解系統(tǒng)通風(fēng)推理的路徑和相關(guān)解釋。系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 建立基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫。

本通風(fēng)專家系統(tǒng)在糧情測控平臺糧情測控開放式軟件平臺的支撐環(huán)境上進(jìn)行開發(fā)，能夠與糧情測控組件進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，糧情監(jiān)測得到的信息都存儲在其SQL Sever數(shù)據(jù)庫中。根據(jù)通風(fēng)規(guī)則中各種事實(shí)前提設(shè)計(jì)一個事實(shí)類。然后根據(jù)糧情檢測系統(tǒng)監(jiān)控得到的數(shù)據(jù)實(shí)例化事實(shí)類。每隔一個系統(tǒng)的采樣周期，會從糧情數(shù)據(jù)庫中提取一次新的數(shù)據(jù)，同時事實(shí)類對象中的內(nèi)容也會作相應(yīng)的改變。從后面的規(guī)則表會發(fā)現(xiàn)，規(guī)則表中前提條件中所需要的事實(shí)從糧情數(shù)據(jù)庫中并不能直接獲得，必須要通過糧情數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)處理計(jì)算才能得到。例如溫度梯度最大值就是根據(jù)糧倉中檢測點(diǎn)布局情況和當(dāng)時所檢測的各個檢測點(diǎn)溫度值計(jì)算出來的。目前該數(shù)據(jù)類包括以下幾個方面的數(shù)據(jù)分量：

(1) 與糧堆水分相關(guān)的參數(shù)

平均水分，表層、中層、低層平均水分，上下層水分差，水分梯度最大值、水分梯度平均，上中層、中下層水分梯度。

(2) 與糧堆溫度相關(guān)的參數(shù)

平均溫度、溫度最大值、溫度最小值、上下層溫度差、溫度梯度最大值、溫度梯度平均。

(3) 與大氣溫濕度相關(guān)的參數(shù)

大氣露點(diǎn)溫度，即時大氣絕對濕度，糧堆溫度下的大氣相對濕度。

(4) 與糧食濕度有關(guān)的一些參數(shù)

糧堆的平衡相對濕度，即時糧溫下的糧食平衡絕對濕度，按糧食水分分別減1，增加2.5，不變獲得的3種水分值，按即時大氣溫度之所查得的3種平衡絕對濕度。

(5) 溫度變化時間、溫升值、溫度上升部分的體積、糧倉內(nèi)溫度、糧倉內(nèi)濕度

事實(shí)類對象包含一個變長數(shù)組vlarray，將上述的五組中的每個變量值按照先后順序依次存放在數(shù)組中，例如vlarray［0］代表上述組(1)中的變量平均水分，vlarray［9］代表上述組(2)中的平均溫度。如果將來通風(fēng)規(guī)則表中需要新的事實(shí)前提，則只需增加事實(shí)類對象的變長數(shù)組的長度，并將該事實(shí)前提對應(yīng)的變量值賦給變長數(shù)組對應(yīng)的分量。

3.2 建立知識庫

知識庫是知識的存儲機(jī)構(gòu)，用于存儲領(lǐng)域?qū)＜医?jīng)驗(yàn)、領(lǐng)域基礎(chǔ)知識等。其基本任務(wù)是為推理機(jī)提供問題求解以及為解釋機(jī)構(gòu)提供問題解釋所需的知識。知識庫中的規(guī)則是根據(jù)儲糧專家和保管人員的知識與經(jīng)驗(yàn)總結(jié)出來，每條規(guī)則就是知識庫中的一條記錄，記錄包括前提條件和結(jié)論，前提條件是由若干事實(shí)組成。目前知識是由一個字符串表達(dá)出來的，其存儲格式為“!a!b!c…@j%g!a!b!c…@j…*c”?！?！”后的值a，b，c代表上述事實(shí)類中變長數(shù)組的下標(biāo)；“@”后的j代表一個具體的數(shù)字；“%”后的g代表2個條件之間的關(guān)系；而“*”后的c代表某種通風(fēng)結(jié)論，例如 通風(fēng)規(guī)則“!0@20%0!9!8@10*3”所表達(dá)的通風(fēng)規(guī)則為如果平均濕度大于20 ℃并且糧堆的最高溫比最低溫大10 ℃就要進(jìn)行類型為3（通風(fēng)分為降 溫、均溫、排積熱、降水、保水、調(diào)質(zhì)等6種類型）的通風(fēng)。通過這種存儲格式的設(shè)計(jì)，儲糧專家或者知識工程師就可以在以后根據(jù)理論知識或經(jīng)驗(yàn)創(chuàng)建新的通風(fēng)規(guī)則以及增加新的前提事實(shí)。這種規(guī)則的設(shè)計(jì)方法可以增加規(guī)則的可擴(kuò)展性。通風(fēng)規(guī)則通過人性化的人機(jī)接口進(jìn)行輸入，用戶不需要掌握其存儲的格式。

規(guī)則的獲取有2種方法：一是通過儲糧專家或者知識工程師通過通風(fēng)人機(jī)接口進(jìn)行輸入，把新的通風(fēng)規(guī)則加入到規(guī)則庫中。這種方法要求輸入規(guī)則的人必須在儲糧機(jī)械通風(fēng)領(lǐng)域有很高的造詣。但是普通工作人員很難準(zhǔn)確說出這些通風(fēng)結(jié)論的前提條件。第二種方法是在糧情出現(xiàn)故障時由工作人員手工收入。如果糧食出現(xiàn)某種問題，但是根據(jù)通風(fēng)規(guī)則卻無法推導(dǎo)出任何結(jié)論，說明需要對通風(fēng)規(guī)則表進(jìn)行補(bǔ)充。系統(tǒng)將通過人機(jī)接口將所有的事實(shí)數(shù)據(jù)呈現(xiàn)給工作人員，工作人員可以根據(jù)自己的判斷，選取適當(dāng)?shù)耐L(fēng)條件，系統(tǒng)根據(jù)這些通風(fēng)前提自動構(gòu)成一個新的通風(fēng)規(guī)則并存入規(guī)則表中。目前根據(jù)“儲糧機(jī)械通風(fēng)技術(shù)規(guī)程”總結(jié)出一些規(guī)則如表1所示。

3.3 糧情通風(fēng)推理機(jī)

根據(jù)本系統(tǒng)特點(diǎn)，采用正向推理方法，即推理由事實(shí)驅(qū)動，從已知事實(shí)出發(fā)推導(dǎo)出結(jié)論。該推理過程具有算法簡單、容易理解與實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)。但由于搜索過程存在盲目性、推理效率低、推理過程可能會出現(xiàn)知識組合爆炸，為了提高搜索效率和解決沖突，對規(guī)則進(jìn)行分層模塊化管理，對規(guī)則按代價級和優(yōu)先級合理排序。代價低的、優(yōu)先級高的優(yōu)先搜索，構(gòu)造搜索樹。推理開始時，系統(tǒng)根據(jù)選擇的倉號，統(tǒng)計(jì)出該糧倉的事實(shí)信息，賦給事實(shí)類對象相應(yīng)的成員變量，然后開始推理。推理是從通風(fēng)規(guī)則庫的第一條記錄開始，把事實(shí)與當(dāng)前規(guī)則記錄的前提部分進(jìn)行匹配，具體的匹配工作是這樣進(jìn)行的：首先從數(shù)據(jù)庫獲取通風(fēng)規(guī)則，例如“!9@15%0!10@25%0!14@1*0”，根據(jù)通風(fēng)規(guī)則的格式解析該規(guī)則，獲取通風(fēng)事實(shí)前提表達(dá)式“(vlarray［9］-15>0)and(vlarray［10］-25>0)and(vlarray［14］-1>0)”，將事實(shí)類對象中相應(yīng)的值代入獲取表達(dá)式的值，如果為真則啟動類型為0（降溫通風(fēng)）的通風(fēng)。在推 理 過 程中，系統(tǒng)要不斷地用當(dāng)前已知的事實(shí)與規(guī)則表中的前提部分進(jìn)行匹配，此時可能發(fā)生如下2種情況。

（1） 推理結(jié)束后沒有得到任何通風(fēng)結(jié)論。如果糧食情況確實(shí)不需要通風(fēng)，這說明通風(fēng)規(guī)則是完善的。如果糧情發(fā)生故障，這說明規(guī)則庫中缺少這方面通風(fēng)的規(guī)則，所以就需要知識工程師及時根據(jù)當(dāng)前的故障，提取信息，把新的規(guī)則記錄添加到故障規(guī)則表中。

（2） 己知事實(shí)恰好與規(guī)則表中的1條規(guī)則匹配成功。此時為提高系統(tǒng)的效率，將此條規(guī)則的優(yōu)先級提高一級，并插入到搜索數(shù)中相應(yīng)的位置。

3.4 解釋機(jī)

解釋機(jī)的主要作用是解釋專家系統(tǒng)如何推斷結(jié)論；回答用戶的提問；使用戶了解推理過程和推理過程中所運(yùn)用的知識和數(shù)據(jù)。當(dāng)通風(fēng)推理機(jī)做出某種通風(fēng)結(jié)論時，通過該規(guī)則導(dǎo)出該結(jié)論的事實(shí)前提保存到數(shù)據(jù)庫中，而解釋機(jī)就是將這些事實(shí)前提通過友好的人機(jī)界面提示給用戶。因?yàn)橐?guī)則畢竟是一條表記錄，為了直觀的描述規(guī)則，對該條規(guī)則進(jìn)行了解釋，實(shí)際上就是把規(guī)則記錄翻譯成“如果…那么…”形式的語句。例如：



If糧堆最高溫度 > 25 ℃ and 糧堆平均溫度梯度 > ℃/m and 糧堆最高溫度與平均溫度之差大于8 ℃，那么進(jìn)行均溫通風(fēng)。

4 結(jié) 語

本文提出一種基于專家系統(tǒng)的儲糧機(jī)械通風(fēng)控制系統(tǒng)。該專家系統(tǒng)通過人機(jī)交互方式和系統(tǒng)自學(xué)習(xí)方式進(jìn)行知識獲取和修訂補(bǔ)充，系統(tǒng)綜合應(yīng)用了智能控制、數(shù)據(jù)庫等多種技術(shù)，將計(jì)算機(jī)科學(xué)與機(jī)械科學(xué)相結(jié)合，為全方位控制糧食儲藏的機(jī)械通風(fēng)提供了一種新的途徑和方法，并結(jié)合實(shí)例實(shí)現(xiàn)一種新的專家系統(tǒng)規(guī)則設(shè)計(jì)方法，可對不同儲糧要求和儲藏環(huán)境下的機(jī)械通風(fēng)的決策和控制進(jìn)行模擬和比較，提供給管理者和決策者一套完整的、經(jīng)濟(jì)的、安全優(yōu)化的機(jī)械通風(fēng)方案。該系統(tǒng)在中央儲備糧鄭州庫等8家直屬庫正式投入使用，糧庫管理人員反映利用專家系統(tǒng)對糧食儲藏進(jìn)行智能通風(fēng)控制是可行的，可以提高糧食質(zhì)量，具有廣泛的應(yīng)用前景。

參 考 文 獻(xiàn)

［1］成曙，董程林，陳科吉，等.基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的故障診斷專家系統(tǒng)研究［J］.微計(jì)算機(jī)信息，2006(31):35.

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作者簡介 甄 彤 男，1965年出生，河南工業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院教授，博士。研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)。何小平 男，1979年出生，河南工業(yè)大學(xué)碩士研究生。研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)檢測與控制。

祝玉華 女，1965年出生，新聞與傳播學(xué)院院長，教授，博士。研究方向?yàn)榈乩硇畔⑾到y(tǒng)。