鐘 玲， 郭 婷， 張 明

(1 沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院， 沈陽(yáng) 110870； 2 遼寧省輕工科學(xué)研究院， 沈陽(yáng) 110036)

引言

中國(guó)陶瓷工業(yè)的發(fā)展雖然已有悠久歷史，但對(duì)其研究水平還處于亟待深入的階段與層面。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)陶瓷礦產(chǎn)資源的利用，缺乏科學(xué)合理的規(guī)劃和綜合便利措施，難以滿足現(xiàn)代化陶瓷工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的要求[1]。陶瓷礦產(chǎn)資源大多都是天然的礦物或巖石原料，其中硅酸鹽礦物居多，這些陶瓷原料種類(lèi)繁多且資源豐富。通常，原料的種類(lèi)越多，原料之間的相互影響作用越復(fù)雜，原料的配比就越難把握[2]，因此，在資源利用中重要的配方優(yōu)化研究方面，以往對(duì)陶瓷配方優(yōu)化的研究往往要預(yù)先給定原料，僅優(yōu)化原料配比部分[3-4]，這就極大限制了陶瓷配方工業(yè)化的發(fā)展。

針對(duì)上述問(wèn)題，構(gòu)建完善的陶瓷礦產(chǎn)資源管理知識(shí)庫(kù)，即已成為研究熱點(diǎn)。不僅可以保存和提煉有關(guān)陶瓷生產(chǎn)中的寶貴數(shù)據(jù)和生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，而且也為陶瓷礦產(chǎn)資源的有效利用提供更加先進(jìn)和智能化的方法[5]，同時(shí)又研究解決了多原料擇優(yōu)選取的問(wèn)題，真正實(shí)現(xiàn)了從多種陶瓷礦產(chǎn)原料中進(jìn)行原料的精細(xì)選取并給出最優(yōu)化配方。

1 系統(tǒng)目標(biāo)與開(kāi)發(fā)工具

系統(tǒng)從陶瓷生產(chǎn)廠商的實(shí)際發(fā)展需求和資源條件出發(fā)，對(duì)陶瓷工業(yè)過(guò)程中涉及應(yīng)用的相關(guān)業(yè)務(wù)進(jìn)行信息化完善，并且整合系統(tǒng)功能的優(yōu)化和運(yùn)營(yíng)方法改進(jìn)，促進(jìn)陶瓷工業(yè)過(guò)程中礦產(chǎn)資源的優(yōu)化管理及合理化開(kāi)發(fā)使用，幫助領(lǐng)域?qū)＜摇⒉少?gòu)員及技術(shù)員等將陶瓷礦產(chǎn)資源信息的管理、配方信息的管理、配方生成和權(quán)限管理等集成起來(lái)，建立完整的信息數(shù)據(jù)鏈，使得相關(guān)知識(shí)和成熟經(jīng)驗(yàn)可以得到及時(shí)的獲取和更新，為陶瓷工業(yè)的可從眾多原料中析取的最佳篩選、優(yōu)化配方等提供了決策支持，節(jié)能、高效地完成當(dāng)前陶瓷產(chǎn)業(yè)的日常生產(chǎn)活動(dòng)，力爭(zhēng)實(shí)現(xiàn)陶瓷工業(yè)的全面、協(xié)調(diào)、可持續(xù)發(fā)展。

在開(kāi)發(fā)過(guò)程中運(yùn)用到的工具主要有:搭建客戶端和服務(wù)器端的IntelliJ IDEA，服務(wù)器端使用Tomcat服務(wù)器，數(shù)據(jù)庫(kù)配置為MySQL。優(yōu)化部分采用LINGO11.0.1.0實(shí)現(xiàn)。

LINGO是美國(guó)LINDO(Linear Interactive and Discrete Optimizer)系統(tǒng)公司開(kāi)發(fā)的一套專門(mén)用來(lái)求解最優(yōu)化問(wèn)題的軟件包，可以用來(lái)求解 LP(線性規(guī)劃)、IP(整數(shù)規(guī)劃)和QP(二次規(guī)劃)問(wèn)題[6]。LINGO除了可求解線性和二次規(guī)劃問(wèn)題，還可以用來(lái)求解非線性規(guī)劃和整數(shù)規(guī)劃。LINGO在呈現(xiàn)了一個(gè)可以互動(dòng)的用戶界面的同時(shí)，還包括了一個(gè)可調(diào)用的編程接口。LINGO的API在優(yōu)化處理中為應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)人員提供了最大的控制，并使得用戶設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)一個(gè)新的算法以匹配一個(gè)特定模型的需要即已成為現(xiàn)實(shí)可能。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)概要設(shè)計(jì)

知識(shí)庫(kù)是存儲(chǔ)、組織和處理知識(shí)以及提供知識(shí)服務(wù)的重要知識(shí)集合[7]。引入知識(shí)庫(kù)系統(tǒng)技術(shù)，從而推進(jìn)對(duì)陶瓷原料的智能化研究及優(yōu)化利用，不僅有利于陶瓷工業(yè)的穩(wěn)健發(fā)展，更有利于社會(huì)區(qū)域經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)、協(xié)調(diào)發(fā)展。對(duì)提高區(qū)域陶瓷礦產(chǎn)資源利用率和建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會(huì)、以及強(qiáng)化科技公共服務(wù)能力具有重要意義。

在充分理解陶瓷礦產(chǎn)資源管理相關(guān)知識(shí)與技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合用戶需求，設(shè)計(jì)得到的系統(tǒng)功能模塊結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)功能模塊結(jié)構(gòu)圖Fig. 1 Structure diagram of system function module

由圖1可以看出，系統(tǒng)主要功能模塊有原料知識(shí)管理模塊、配方知識(shí)管理模塊、配方生成模塊及用戶管理模塊。這些模塊之間依序銜接并協(xié)調(diào)構(gòu)建系統(tǒng)工作流程，使信息在模塊間傳遞與共享，共同在設(shè)計(jì)任務(wù)時(shí)合理發(fā)揮功能作用。

2.2 功能模塊詳細(xì)設(shè)計(jì)

(1)原料知識(shí)管理模塊主要功能。用戶可以實(shí)現(xiàn)對(duì)陶瓷礦產(chǎn)資源信息中的原料知識(shí)進(jìn)行條件查詢。同時(shí)，后臺(tái)調(diào)用Apache POI還可將Excel表格內(nèi)容自動(dòng)導(dǎo)入到信息知識(shí)倉(cāng)庫(kù)對(duì)應(yīng)表格當(dāng)中，從而顯示在頁(yè)面上。利用此項(xiàng)功能，采購(gòu)部門(mén)可以方便、快捷地對(duì)知識(shí)倉(cāng)庫(kù)中數(shù)據(jù)元組提供單一或批量的增加、刪除、修改操作。

(2)配方知識(shí)管理模塊主要功能。用戶可以實(shí)現(xiàn)對(duì)陶瓷工業(yè)信息中經(jīng)驗(yàn)成熟的配方知識(shí)進(jìn)行條件查詢。同時(shí)，后臺(tái)調(diào)用Apache POI還可將Excel表格內(nèi)容自動(dòng)導(dǎo)入到經(jīng)驗(yàn)知識(shí)倉(cāng)庫(kù)對(duì)應(yīng)表格當(dāng)中，從而顯示在頁(yè)面上。通過(guò)此項(xiàng)功能，領(lǐng)域?qū)＜铱梢苑奖恪⒖旖莸貙?duì)經(jīng)驗(yàn)倉(cāng)庫(kù)中數(shù)據(jù)元組提供單一或批量的增加、刪除、修改操作。

(3)配方生成模塊主要功能。明確生產(chǎn)要求，根據(jù)提示錄入需要生產(chǎn)的目標(biāo)坯、釉料之后，經(jīng)過(guò)優(yōu)化計(jì)算，系統(tǒng)給出原料選擇與優(yōu)化配方方案。這一過(guò)程中，先對(duì)經(jīng)驗(yàn)庫(kù)進(jìn)行檢索，將基于距離計(jì)算的與目標(biāo)坯、釉料相似度滿足領(lǐng)域?qū)＜腋鶕?jù)建議預(yù)先設(shè)定閾值的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)返回給用戶作為備選方案，同時(shí)，將配方模型優(yōu)化后的方案也返回至用戶作為備選，再依據(jù)具體生產(chǎn)要求決定最終配方。

(4)用戶管理模塊主要功能。通過(guò)超級(jí)權(quán)限管理員將操作權(quán)限分配給不同的對(duì)象(領(lǐng)域?qū)＜?、采?gòu)員、生產(chǎn)技術(shù)員、一般瀏覽用戶)，使其基于不同需求實(shí)現(xiàn)不同的操作內(nèi)容。

(5)領(lǐng)域?qū)＜也僮鳈?quán)限。主要實(shí)現(xiàn)對(duì)配方知識(shí)進(jìn)行單一或批量性的新增、刪除、修改和查詢操作，同時(shí)可以對(duì)原料知識(shí)進(jìn)行查詢，根據(jù)生產(chǎn)要求生成配方。

(6)采購(gòu)員操作權(quán)限。主要實(shí)現(xiàn)對(duì)原料知識(shí)進(jìn)行單一或批量性的新增、刪除、修改和查詢操作，同時(shí)可以對(duì)配方知識(shí)進(jìn)行查詢，根據(jù)生產(chǎn)要求生成配方。

(7)生產(chǎn)技術(shù)員操作權(quán)限。主要實(shí)現(xiàn)對(duì)原料知識(shí)和配方知識(shí)進(jìn)行單一或批量性的新增、刪除、修改和查詢操作，同時(shí)根據(jù)生產(chǎn)要求生成配方。

(8)一般瀏覽用戶操作權(quán)限?？梢詫?duì)原料知識(shí)、配方知識(shí)進(jìn)行查詢?yōu)g覽。

2.3 陶瓷配方推理機(jī)制

陶瓷目標(biāo)坯、釉料往往由多種原料形成，因原料產(chǎn)地、成分等的差異，坯、釉料的質(zhì)量問(wèn)題尤其復(fù)雜。配方設(shè)計(jì)是陶瓷資源利用的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，原料的構(gòu)成對(duì)陶瓷產(chǎn)品的品質(zhì)起著至關(guān)重要的作用[8]，因此研究陶瓷配方優(yōu)化設(shè)計(jì)在陶瓷礦產(chǎn)資源管理知識(shí)庫(kù)設(shè)計(jì)中具有顯著重要意義。通過(guò)合理構(gòu)建配方模型、選擇優(yōu)化方法求解模型，研究解決多原料擇優(yōu)選取的問(wèn)題，如此即實(shí)現(xiàn)了從多種陶瓷礦產(chǎn)原料中成功選取原料并給出最優(yōu)化配方。

2.3.1 配方模型

不同種類(lèi)的坯、釉料和原料，有著不同的物理性質(zhì)，同時(shí)化學(xué)工藝也是不同的，然而進(jìn)行化學(xué)分析可知，一般的坯料和原料是由SiO2、Al2O3、Fe2O3、TiO2、CaO、MgO、K2O、Na2O等8種化學(xué)組成表示的，有些坯、釉料和原料還包括P2O5，但一般含量都比較小，因此在配方時(shí)，通常只選擇含量最多的8種化學(xué)元素[9]。將各種原料的用量作為優(yōu)化變量(X1，X2，…，Xm)，在不考慮原料價(jià)格因素及運(yùn)輸成本的控制時(shí)，優(yōu)化目標(biāo)是使坯、釉料化學(xué)組成無(wú)限接近生產(chǎn)目標(biāo)的要求。即：

相對(duì)誤差A(yù)=(計(jì)算值Y-目標(biāo)值B)/目標(biāo)值B

(1)

A1=[(X1C11+X2C21+…+XmCm1)-B1]/B1

A2=[(X1C12+X2C22+…+XmCm2)-B2]/B2

…

An=[(X1C1n+X2C2n+…+XmCmn)-Bn]/Bn

約束條件∑Xi=100 (i=1，2，…，m)

Aj≥0 (j=1，2，…，n)

Xi≥0 (i=1，2，…，m)

(2)

研究中，針對(duì)多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題，常用的處理方式分為2類(lèi)。一類(lèi)是采用線性加權(quán)法將多目標(biāo)優(yōu)化轉(zhuǎn)換為單目標(biāo)優(yōu)化;一類(lèi)是采用Pareto最優(yōu)策略尋優(yōu)。本文將多目標(biāo)問(wèn)題轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)問(wèn)題求解，設(shè)定計(jì)算值與理論值相對(duì)誤差大于等于零，再以絕對(duì)誤差的總和作為目標(biāo)函數(shù)，進(jìn)行優(yōu)化求最小值。即最終的目標(biāo)函數(shù)為：

(3)

其中，m=1，2，…，n。針對(duì)minS，涉及各元素的解析說(shuō)明可見(jiàn)表1。

表1 min S信息Tab. 1 min S information

2.3.2 計(jì)算實(shí)例及結(jié)果分析

本系統(tǒng)集成了LINGO對(duì)該數(shù)學(xué)模型進(jìn)行求解。為驗(yàn)證其可行性，本文以某陶瓷生產(chǎn)廠家實(shí)際坯料配方數(shù)據(jù)為例。目標(biāo)配方及原料的化學(xué)組成含量見(jiàn)表2。

表2 目標(biāo)配方及原料化學(xué)組成含量Tab. 2 Target formula and chemical composition of raw materials

如表2，原料的種類(lèi)數(shù)為20，根據(jù)生產(chǎn)目標(biāo)及各種原料中SiO2、Al2O3、Fe2O3、TiO2、CaO、MgO、K2O、Na2O八種化學(xué)成分各組分 (不計(jì)灼減)的計(jì)算要求，產(chǎn)生一個(gè)8×14的矩陣，通過(guò)后臺(tái)集成的LINGO求解其Pareto解，原料選取及配方優(yōu)化的結(jié)果可見(jiàn)表3。LINGO生成配方與目標(biāo)配方的相對(duì)誤差值則可見(jiàn)表4。

表3 LINGO生成陶瓷配方Tab. 3 LINGO production ceramic formula %

表4LINGO生成配方與目標(biāo)配方的相對(duì)誤差值

Tab.4TherelativeerrorbetweentheLINGOproductionformulaandthetargetformula

化學(xué)成分相對(duì)誤差化學(xué)成分相對(duì)誤差SiO20．099618CaO0．00599Al2O30．072462MgO0．078472Fe2O30．00166K2O0．338679TiO20．2326Na2O0．735607

通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該軟件配方生成方法具有全局尋優(yōu)的能力、以及良好精度與可靠性。

3 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)國(guó)內(nèi)陶瓷工業(yè)領(lǐng)域現(xiàn)狀設(shè)計(jì)了陶瓷礦產(chǎn)資源管理知識(shí)庫(kù)系統(tǒng)，研發(fā)了原料知識(shí)管理、配方知識(shí)管理，配方生成及用戶管理等功能，就目前陶瓷配方研究中僅優(yōu)化原料配比部分，難以在更大范圍內(nèi)提供原料選優(yōu)的現(xiàn)狀進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了在滿足目標(biāo)配方的前提下，從諸多種類(lèi)原料中給出最符合生產(chǎn)要求的原料種類(lèi)及其用量百分比的多原料選優(yōu)，達(dá)到對(duì)陶瓷資源的有效管理和合理利用的目的。

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