孫彪瑞，廉飛宇

（河南工業(yè)大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，河南 鄭州 450001）

0 前言

糧食是國(guó)家的戰(zhàn)略資源，關(guān)系著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)穩(wěn)定.由于我國(guó)人口規(guī)模和耕地面積矛盾的客觀存在，糧食供應(yīng)將長(zhǎng)期處于緊平衡的狀態(tài)，糧食供給抵御風(fēng)險(xiǎn)的能力較低[1].因此，保持一定量的糧食儲(chǔ)備，就成為我國(guó)的一項(xiàng)基本國(guó)策.但由于我國(guó)糧食行業(yè)科技水平普遍較低，每年因糧食收獲、轉(zhuǎn)運(yùn)、儲(chǔ)藏加工不當(dāng)造成的糧食損失達(dá)0.235億t[2].因此，作為糧食安全的一個(gè)重要組成部分，糧食儲(chǔ)藏安全一直受到國(guó)家糧食管理部門(mén)的高度重視[3].近年來(lái)，隨著信息化技術(shù)向社會(huì)各個(gè)領(lǐng)域的滲透和擴(kuò)展，糧食行業(yè)也提出了信息化的要求，并提出了利用現(xiàn)代科技科學(xué)保糧、綠色儲(chǔ)糧的任務(wù)，其中，糧倉(cāng)智能通風(fēng)系統(tǒng)的推廣是目前國(guó)家糧食局正在全國(guó)范圍內(nèi)著手實(shí)施的工程.作者針對(duì)信息融合技術(shù)在智能通風(fēng)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行研究，為智能通風(fēng)控制系統(tǒng)提供一種有效的智能決策算法.

1 封閉式糧倉(cāng)的自動(dòng)通風(fēng)系統(tǒng)

1.1 自動(dòng)通風(fēng)系統(tǒng)模型

建國(guó)后，我國(guó)就已開(kāi)始實(shí)施儲(chǔ)備糧政策.改革開(kāi)放以來(lái)，儲(chǔ)備糧作為一種戰(zhàn)略資源看待并得到了進(jìn)一步的加強(qiáng).目前，我國(guó)已建立各類(lèi)糧庫(kù)3 萬(wàn)多個(gè)，通風(fēng)設(shè)備的控制多數(shù)采用人工方式，該方式依靠人的經(jīng)驗(yàn)決定通風(fēng)起點(diǎn)，并且糧情檢測(cè)具有非實(shí)時(shí)性的特點(diǎn)，使得通風(fēng)時(shí)長(zhǎng)不能隨糧情變化而調(diào)整，往往造成通風(fēng)效率低下，出現(xiàn)大量無(wú)效通風(fēng)甚至有害通風(fēng).為了解決人工通風(fēng)存在的這些問(wèn)題，現(xiàn)在很多糧庫(kù)都實(shí)現(xiàn)了以單片機(jī)為核心的下位機(jī)控制通風(fēng)設(shè)備，以通風(fēng)軟件為核心的上位機(jī)控制系統(tǒng)的自動(dòng)通風(fēng)系統(tǒng)[4-6].典型的自動(dòng)通風(fēng)系統(tǒng)如圖1 所示.

自動(dòng)通風(fēng)系統(tǒng)減少了人工通風(fēng)的無(wú)效通風(fēng)狀況，減少了能源消耗，同時(shí)也減少了人力、物力的消耗，提高了通風(fēng)效率.

1.2 通風(fēng)條件及其存在的問(wèn)題

在自動(dòng)通風(fēng)系統(tǒng)中，通風(fēng)條件是影響通風(fēng)效果的關(guān)鍵因素.通風(fēng)條件包括開(kāi)啟通風(fēng)條件和關(guān)閉通風(fēng)條件，需要根據(jù)不同的地域和氣候條件進(jìn)行靈活設(shè)置.根據(jù)糧情狀況，通風(fēng)可能會(huì)采取不同的模式，稱(chēng)為通風(fēng)模式.有些通風(fēng)模式是普遍的，如降溫通風(fēng)，有些通風(fēng)模式是特定氣候條件下特有的，如北方干燥地區(qū)的保水通風(fēng).各通風(fēng)模式往往對(duì)應(yīng)一組通風(fēng)條件，即便是相同的通風(fēng)模式，通風(fēng)條件的邊界值也可能隨地域和氣候條件的不同而不同，因此通風(fēng)條件的邊界值在通風(fēng)軟件中應(yīng)當(dāng)是可設(shè)置的.

自動(dòng)通風(fēng)系統(tǒng)以實(shí)時(shí)的糧情采集為基礎(chǔ)，通過(guò)對(duì)通風(fēng)條件的邊界值進(jìn)行計(jì)算，判斷是否滿足某種模式的通風(fēng)條件.若滿足，即按該模式啟動(dòng)或打開(kāi)相應(yīng)的通風(fēng)類(lèi)別，在通風(fēng)過(guò)程中，需要根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的糧情數(shù)據(jù)，計(jì)算結(jié)束通風(fēng)條件邊界值，并計(jì)算是否滿足相應(yīng)的結(jié)束通風(fēng)條件.自動(dòng)通風(fēng)系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中，也遇到了一些問(wèn)題：（1）通風(fēng)模式仍需靠人工進(jìn)行選擇，無(wú)法避免由于經(jīng)驗(yàn)導(dǎo)致的無(wú)效通風(fēng)問(wèn)題；（2）通風(fēng)條件設(shè)置過(guò)死導(dǎo)致通風(fēng)設(shè)備頻繁動(dòng)作，從而導(dǎo)致通風(fēng)耗能增加，通風(fēng)效果也不能完全令人滿意.因此迫切需要具有智能化的通風(fēng)控制機(jī)制，即智能通風(fēng)系統(tǒng).

圖1 自動(dòng)通風(fēng)系統(tǒng)

2 基于信息融合技術(shù)的智能通風(fēng)

2.1 智能通風(fēng)的涵義及實(shí)現(xiàn)方法[7]

目前，智能通風(fēng)還沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的定義.中儲(chǔ)糧將智能通風(fēng)系統(tǒng)分為智能通風(fēng)軟件和自動(dòng)控制系統(tǒng)，其中自動(dòng)控制系統(tǒng)是通風(fēng)設(shè)備的下位機(jī)電氣控制系統(tǒng)，因此智能通風(fēng)主要體現(xiàn)在智能通風(fēng)軟件上.根據(jù)中儲(chǔ)糧成都糧食儲(chǔ)藏科學(xué)研究所的智能通風(fēng)項(xiàng)目具體建設(shè)要求，智能通風(fēng)軟件應(yīng)能滿足項(xiàng)目建設(shè)單位在儲(chǔ)糧通風(fēng)周期內(nèi)的數(shù)據(jù)檢測(cè)、決策、控制等要求，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)糧通風(fēng)的計(jì)算機(jī)管理和自動(dòng)操作.在該項(xiàng)要求中，能夠提供通風(fēng)決策應(yīng)是智能通風(fēng)最基本的特征.在諸多的輔助決策工具中，專(zhuān)家系統(tǒng)在通風(fēng)決策中的應(yīng)用已有一些研究.智能通風(fēng)專(zhuān)家系統(tǒng)是一個(gè)智能化的通風(fēng)軟件系統(tǒng)，其內(nèi)部有大量的該領(lǐng)域?qū)＜宜降闹R(shí)與經(jīng)驗(yàn)，能夠利用在倉(cāng)儲(chǔ)通風(fēng)方面的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)來(lái)解決該領(lǐng)域問(wèn)題.但在實(shí)際應(yīng)用中，專(zhuān)家系統(tǒng)可能會(huì)面臨同時(shí)出現(xiàn)的多種建議：比如一些糧情信息計(jì)算的結(jié)果顯示應(yīng)當(dāng)采取某種模式的通風(fēng)，而另一些糧情計(jì)算的結(jié)果顯示應(yīng)當(dāng)采取另一種通風(fēng)模式，此時(shí)就需要對(duì)采集的多種不同類(lèi)型的糧情信息進(jìn)行融合處理，從多種通風(fēng)模式中推薦出一種最佳模式.因此信息融合技術(shù)在通風(fēng)模式的決策中就顯得必不可少了.

2.2 智能通風(fēng)信息融合模型[8-9]

智能通風(fēng)采集的實(shí)際糧情是多種多樣的，每一種糧情都不能單獨(dú)決定采用哪種模式進(jìn)行通風(fēng)，而通風(fēng)條件計(jì)算結(jié)果還有可能支持不同的通風(fēng)模式.因此，為了使通風(fēng)決策更加正確合理，就需要綜合利用所有的糧情信息.信息融合技術(shù)可以對(duì)多路的同質(zhì)的和異質(zhì)的信息進(jìn)行融合，從而得到比只通過(guò)單一信息更有價(jià)值的判斷結(jié)果[10].因此，作者在利用智能通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算機(jī)輔助決策上，分別引入氣溫、氣濕、倉(cāng)溫、倉(cāng)濕、上層糧溫、中層糧溫、下層糧溫、糧堆水分等多個(gè)來(lái)源的原始信息，建立融合模型，并利用一種改進(jìn)的D-S 算法，對(duì)這些信息進(jìn)行融合判斷，以期取得更好的判斷效果.

作者采用的信息融合框架模型如圖2 所示.該模型可以對(duì)從實(shí)時(shí)糧情中獲取的多重儲(chǔ)糧狀態(tài)信息進(jìn)行融合，并做出通風(fēng)模式?jīng)Q策.在這模型中，融合判斷是在決策級(jí)上進(jìn)行的，融合算法采用的是D-S 證據(jù)算法.考慮到因傳感器失真漂移造成的非真實(shí)數(shù)據(jù)的影響，本模型在實(shí)時(shí)糧情數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，按照一定的采集策略，采集不同時(shí)間點(diǎn)和空間點(diǎn)的多組數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加式融合，以期得到更為準(zhǔn)確的融合結(jié)果.

圖2 糧倉(cāng)通風(fēng)信息融合框架模型

2.3 基于D-S 證據(jù)理論的智能通風(fēng)算法及其實(shí)現(xiàn)

2.3.1 D-S 證據(jù)理論[11-13]

D-S 算法是基于證據(jù)理論的一種推理算法，由Dempster 首先提出，并由Shafer 加以擴(kuò)充發(fā)展，故稱(chēng)為D-S 證據(jù)理論.設(shè)Ω 是被識(shí)別目標(biāo)變量可能值的窮舉集合，稱(chēng)為樣本空間.如果Ω 中元素個(gè)數(shù)為n，則Ω 中樣本個(gè)數(shù)為2n.Ω 集合中的每個(gè)元素對(duì)應(yīng)一個(gè)命題，相當(dāng)于概率論中的基本事件.當(dāng)然，Ω 樣本空間中還存在空集φ，稱(chēng)為“不可能事件”.對(duì)于任何一個(gè)屬于樣本空間Ω 的命題a，令它對(duì)應(yīng)一個(gè)映射m，m(a)∈[0，1]，并且滿足條件為：

式中：m(a)稱(chēng)為命題a 的基本可信度分配值，是賦給a 的置信測(cè)度.

定義命題的信任函數(shù)（Belief Function）為：

式中：Bel(a)表示a 對(duì)應(yīng)的總信任程度，稱(chēng)為可信度.

定義命題a 的似然函數(shù)（Plausibility Function）為：

式中：Ω→[0，1]；a=Ω-a；Pl(a)表示不否定a 的信任程度，又稱(chēng)為擬信度.

Bel(a)和Pl(a)分別為命題a 的下限函數(shù)和上限函數(shù)，兩者的關(guān)系滿足：Pl(a)≥Bel(a).

在獲得的關(guān)于命題a 的所有證據(jù)中，把支持命題a 的證據(jù)稱(chēng)為支持證據(jù)，把不支持命題a 的證據(jù)稱(chēng)為拒絕證據(jù).把除這兩種證據(jù)以外的證據(jù)稱(chēng)為中性證據(jù).對(duì)這3 種證據(jù)區(qū)間如圖3 所示.

圖3 D-S 的證據(jù)區(qū)間

由圖3 可知，Bel(a)是一個(gè)關(guān)于命題a 的極大可信度值，對(duì)應(yīng)的是所有支持命題a 的證據(jù).Pl(a)也是一個(gè)關(guān)于命題a 的極大可信度值，但它是針對(duì)所有不反對(duì)a 的證據(jù)，即針對(duì)支持證據(jù)和中性證據(jù).因此，a 的不確定性就可以由一個(gè)區(qū)間[0，1]上的子區(qū)間［Bel(a)，Pl(a)］來(lái)度量.設(shè)命題a 的概率為P(a)，則有：Bel(a)≤P(a)≤Pl(a).Pl(a)-Bel(a)表示對(duì)命題a 的“未知”信息，該值越小，表明對(duì)命題a 的“未知”部分越少，證據(jù)對(duì)假設(shè)的支持越強(qiáng).

在數(shù)據(jù)融合的處理過(guò)程中，由不同信息通道獲取的數(shù)據(jù)，作為證據(jù)對(duì)命題a 的支持程度是不同的，因此各個(gè)證據(jù)的基本可信度分配值也不同.根據(jù)D-S 的證據(jù)組合規(guī)則，各個(gè)證據(jù)的基本可信度分配值的融合采用了正交和的方法.

根據(jù)證據(jù)理論，樣本空間中的多個(gè)子集都可以獲得同一個(gè)證據(jù)的支持.一種簡(jiǎn)單的情況是：獲得的多個(gè)證據(jù)僅僅支持樣本空間中的一個(gè)單子集，在這樣的情況下，可把剩余的信任度賦給不支持該單子集的子集Θ.

設(shè)n 個(gè)證據(jù)同時(shí)支持命題a，其基本可信度分配值分別為mi(a)，且

根據(jù)D-S 組合規(guī)則有：

即某命題可信度分配的聯(lián)合值，為多個(gè)證據(jù)對(duì)同一命題的基本可信度分配值的正交和.

2.3.2 D-S 證據(jù)算法的實(shí)現(xiàn)與仿真分析

在信息融合決策層上應(yīng)用D-S 證據(jù)組合規(guī)則，得到最終的通風(fēng)模式可信度，算法如圖4 所示.

圖4 通風(fēng)模式的D-S 算法模型

為了驗(yàn)證D-S 算法的有效性，假定有兩個(gè)證據(jù)：糧堆平均溫度和倉(cāng)內(nèi)空氣濕度對(duì)命題“需要環(huán)流通風(fēng)”（用a 表示）的支持度分別為：

根據(jù)D-S 證據(jù)組合規(guī)則有：

這樣，就得到2 重證據(jù)共同作用下的可信度：

可見(jiàn)，聯(lián)合作用下的可信度比單個(gè)證據(jù)的可信度要高.由于在實(shí)際融合過(guò)程中，獲取的數(shù)據(jù)受傳感器分布位置和誤差的影響，其聯(lián)合可信度值的計(jì)算結(jié)果可能也會(huì)有偏差甚至是較為嚴(yán)重的誤差.因此，只選取一組數(shù)據(jù)計(jì)算聯(lián)合可信度值顯然并不是完全可靠的.為了進(jìn)一步提高決策的準(zhǔn)確性，需要按一定規(guī)則（選擇靠近倉(cāng)壁的傳感器數(shù)據(jù)）提取多組數(shù)據(jù)，對(duì)每組數(shù)據(jù)應(yīng)用D-S 規(guī)則進(jìn)行聯(lián)合可信度計(jì)算，并將結(jié)果再作為證據(jù)，應(yīng)用D-S規(guī)則進(jìn)行更高層次上的聯(lián)合可信度計(jì)算，為此，對(duì)以上D-S 證據(jù)信息融合算法進(jìn)行了改進(jìn)：

多重D-S 算法是將D-S 證據(jù)算法計(jì)算出的聯(lián)合可信度再次作為證據(jù)，計(jì)算多組聯(lián)合可信度作為多個(gè)證據(jù)，應(yīng)用D-S 證據(jù)算法計(jì)算最終的聯(lián)合可信度，從而減弱某些頻率點(diǎn)上的干擾所造成的計(jì)算誤差.改進(jìn)后的多重D-S 證據(jù)算法模型如圖5 所示.

假定第一組數(shù)據(jù)對(duì)命題a 的支持度分別為：

m1(a)＝0.6，m1(Θ)＝0.4；

m2(a)＝0.8，m2(Θ)＝0.5.

圖5 多重D-S 證據(jù)算法模型

第二組數(shù)據(jù)對(duì)該命題a 的支持度分別為：

m1(a)＝0.7，m1(Θ)＝0.3；

m2(a)＝0.4，m2(Θ)＝0.6.

依據(jù)D-S 證據(jù)規(guī)則，得到第一組數(shù)據(jù)總的可信度為：

第二組數(shù)據(jù)總的可信度為：

根據(jù)圖5 所示的多重D-S 證據(jù)算法，將兩組計(jì)算的聯(lián)合可信度數(shù)據(jù)Bel1(a)和Bel2(a)再次作為命題a 的支持度，根據(jù)D-S 規(guī)則計(jì)算：

這樣就2 組數(shù)據(jù)的聯(lián)合可信度為：

可見(jiàn)，兩組數(shù)據(jù)的聯(lián)合可信度高于1 組數(shù)據(jù)的聯(lián)合可信度.由此可以推斷，提取的數(shù)據(jù)愈多，聯(lián)合可信度的計(jì)算越精確，這是因?yàn)檫@種方法可以減弱某些傳感器由于誤差而造成的可信度初始分配值上的誤差.

3 結(jié)果與分析

根據(jù)上述D-S 證據(jù)理論，分別采集中央儲(chǔ)備糧滎陽(yáng)直屬庫(kù)、汨羅直屬庫(kù)、洪洞直屬庫(kù)的糧情數(shù)據(jù)（氣溫、氣濕、倉(cāng)溫、倉(cāng)濕、上層糧溫、中層糧溫、下層糧溫）進(jìn)行通風(fēng)模式?jīng)Q策判斷，將判斷結(jié)果與專(zhuān)家意見(jiàn)進(jìn)行比較，結(jié)果如表1 所示.

表1 D-S 融合算法決策輸出與專(zhuān)家意見(jiàn)比較

由表1 可知，隨著參與決策的數(shù)據(jù)越多，決策效果與專(zhuān)家決策的符合度越高.在使用1～2 組數(shù)據(jù)時(shí)，決策符合度為70%左右，使用5 組數(shù)據(jù)，決策符合度一般都達(dá)到80%以上，當(dāng)使用10 組數(shù)據(jù)時(shí)，決策符合度一般都能達(dá)到100%左右，這進(jìn)一步說(shuō)明了作者算法的有效性.

4 結(jié)論

作者針對(duì)封閉式糧倉(cāng)的通風(fēng)問(wèn)題，概述了自動(dòng)通風(fēng)系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)，討論了自動(dòng)通風(fēng)的通風(fēng)條件問(wèn)題，也由此引出智能通風(fēng)系統(tǒng)的概念，并討論了智能通風(fēng)中通風(fēng)模式的智能決策問(wèn)題.提出基于信息融合的智能通風(fēng)解決方案，并實(shí)現(xiàn)了一種基于D-S 證據(jù)理論的信息融合智能通風(fēng)決策算法，應(yīng)用該算法在多個(gè)糧庫(kù)的試驗(yàn)結(jié)果表明，該算法的決策結(jié)果與通風(fēng)專(zhuān)家的決策結(jié)果有著很好的符合度，說(shuō)明應(yīng)用該算法進(jìn)行智能通風(fēng)輔助決策是可行的.

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