基于專家系統的儲糧機械通風控制系統

1 引 言

　　儲糧機械通風作為一項重要的科學保糧技術，已被我國糧食儲備庫廣泛應用。1998年以來，國家在新建的糧庫中都配備了機械通風等儲糧新沒備。但是當前這些設備并沒能真正實現機械通風自動化控制。目前情況下，當糧溫達到一定限度時，人工進行通風處理。而糧情變化一般與原糧含水率、倉儲環境溫度和濕度的變化有關，所以這種處理方法沒有達到對儲備糧變化歷史進行科學化的處理，更不能對糧情變化情況做出準確預測。一個科學化、智能化與自動化的現代儲糧機械通風系統在國內一直沒有建立起來。

　　專家系統是用基于知識的程序設計方法建立起來的計算機系統，他綜合集成某個特殊領域內專家的知識和經驗，能像專家那樣運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雜問題。儲糧機械通風專家系統是計算機專家系統在儲糧管理專業領域的一個應用，他能夠在糧庫機械通風時的決策方面以及通風過程中的控制方面起到一個高級儲糧專家的作用。儲糧機械通風專家系統通過人機交互方式和系統自學習方式進行知識獲取和修訂補充，最終擁有各種與儲糧機械通風和糧食安全儲藏相關的數據及經驗知識，并建立相應的數據庫、圖形庫和模型庫。通過儲糧機械通風專家系統，可對不同儲糧要求和儲藏環境下的機械通風的決策和控制進行模擬和比較，提供給管理者和決策者一套完整的、系統的、經濟的、有效的、安全優化的機械通風方案。

2 系統基本結構

　　機械通風專家系統包括基礎數據庫、知識庫、推理機、解釋機、人機接口這兒個方面。基礎數據庫里包含各種糧情信息，首先需要從基礎數據庫獲取信息并處理得到當前糧倉的事實類對象，事實類對象中封裝通風規則表中推理所要用到的事實。有了事實類對象，根據通風規則表就可以進行通風目的和通風方式推理，如果有匹配規則，必然會推理得到某種通風結論。解釋機將告訴用戶得到該結論的推理依據和所依據規則的解釋。如果系統經過推理得到某種通風方式時，系統就會通過I／O接口向控制設備發送命令，控制通風設備執行該通風方式。在通風起動和通風結束這兩個時刻，都會從基礎數據庫里提取糧情信息進行糧情統計，這就是該通風方式的效果分析，統計結果綜合并寫入知識庫里對應的通風效果分析表中。該表為將來選取最優的通風方式結論提供依據。同樣，應用程序和領域專家、知識工程師、一般用戶之間有人機接口。通風專家系統人機接口完成以下2部分的工作：一是實現對通風知識庫的維護、操作；二是提供用戶與解釋機的查看窗口。用戶通過他可以了解系統通風推理的路徑和相關解釋。系統的基本結構如圖l所示。

3 系統實現

3.1 建立基礎數據庫

　　本通風專家系統在糧情測控平臺糧情測控開放式軟件平臺的支撐環境上進行開發，能夠與糧情測控組件進行數據通信，糧情監測得到的信息都存儲在其SQL Sever數據庫中。根據通風規則中各種事實前提設計一個事實類。然后根據糧情檢測系統監控得到的數據實例化事實類。每隔一個系統的采樣周期，會從糧情數據庫中提取一次新的數據，同時事實類對象中的內容也會作相應的改變。從后面的規則表會發現，規則表中前提條件中所需要的事實從糧情數據庫中并不能直接獲得，必須要通過糧情數據庫中的數據處理計算才能得到。例如溫度梯度最大值就是根據糧倉中檢測點布局情況和當時所檢測的各個檢測點溫度值計算出來的。目前該數據類包括以下幾個方面的數據分量：

　　(1)與糧堆水分相關的參數

　　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)與糧堆溫度相關的參數

　　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)與大氣溫濕度相關的參數

　　大氣露點溫度，即時大氣絕對濕度，糧堆溫度下的大氣相對濕度。

　　(4)與糧食濕度有關的一些參數

　　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、糧倉內溫度、糧倉內濕度。

　　事實類對象包含一個變長數組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。如果將來通風規則表中需要新的事實前提，則只需增加事實類對象的變長數組的長度，并將該事實前提對應的變量值賦給變長數組對應的分量。

3.2 建立知識庫

　　知識庫是知識的存儲機構，用于存儲領域專家經驗、領域基礎知識等。其基本任務是為推理機提供問題求解以及為解釋機構提供問題解釋所需的知識。知識庫中的規則是根據儲糧專家和保管人員的知識與經驗總結出來，每條規則就是知識庫中的一條記錄，記錄包括前提條件和結論，前提條件是由若干事實組成。目前知識是由一個字符串表達出來的，其存儲格式為“!a!b!c…@j％g!a!b!c…@j…*c”。“!”后的值a，b，c代表上述事實類中變長數組的下標；“@”后的j代表一個具體的數字；“％”后的g代表2個條件之間的關系；而“*”后的c代表某種通風結論，例如通風規則“! 0@20％0! 9! 8@10*3”所表達的通風規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℃就要進行類型為3(通風分為降溫、均溫、排積熱、降水、保水、調質等6種類型)的通風。通過這種存儲格式的設計，儲糧專家或者知識工程師就可以在以后根據理論知識或經驗創建新的通風規則以及增加新的前提事實。這種規則的設計方法可以增加規則的可擴展性。通風規則通過人性化的人機接口進行輸入，用戶不需要掌握其存儲的格式。

　　規則的獲取有2種方法：一是通過儲糧專家或者知識工程師通過通風人機接口進行輸入，把新的通風規則加入劍規則庫中。這種方法要求輸入規則的人必須在儲糧機械通風領域有很高的造詣。但是普通工作人員很難準確說出這些通風結論的前提條件。第二種方法是在糧情出現故障時由工作人員手工收入。如果糧食出現某種問題，但是根據通風規則卻無法推導出任何結論，說明需要對通風規則表進行補充。系統將通過人機接口將所有的事實數據呈現給工作人員，工作人員可以根據自己的判斷，選取適當的通風條件，系統根據這些通風前提自動構成一個新的通風規則并存入規則表中。目前根據“儲糧機械通風技術規程”總結出一些規則如表1所示。

3.3 糧情通風推理機

　　根據本系統特點，采用正向推理方法，即推理由事實驅動，從已知事實出發推導出結論。該推理過程具有算法簡單、容易理解與實現等優點。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知識組合爆炸，為了提高搜索效率和解決沖突，對規則進行分層模塊化管理，對規則按代價級和優先級合理排序。代價低的、優先級高的優先搜索，構造搜索樹。推理開始時，系統根據選擇的倉號，統計出該糧倉的事實信息，賦給事實類對象相應的成員變量，然后開始推理。推理是從通風規則庫的第一條記錄開始，把事實與當前規則記錄的前提部分進行匹配，具體的匹配工作是這樣進行的：首先從數據庫獲取通風規則，例如“! 9@15％0! 10@25％0! 14@1*0”，根據通風規則的格式解析該規則，獲取通風事實前提表達式“(vlarray[9]-15>0)and(vlarray[10]-25>0)and(vlarray[14]-1>0)”，將事實類對象中相應的值代入獲取表達式的值，如果為真則啟動類型為0(降溫通風)的通風。在推理過程中，系統要不斷地用當前已知的事實與規則表中的前提部分進行匹配，此時可能發生如下2種情況。

　　(1)推理結束后沒有得到任何通風結論。如果糧食情況確實不需要通風，這說明通風規則是完善的。如果糧情發生故障，這說明規則庫中缺少這方面通風的規則，所以就需要知識工程師及時根據當前的故障，提取信息，把新的規則記錄添加到故障規則表中。

　　(2)己知事實恰好與規則表中的1條規則匹配成功。此時為提高系統的效率，將此條規則的優先級提高一級，并插入到搜索數中相應的位置。

3.4 解釋機

　　解釋機的主要作用是解釋專家系統如何推斷結論；回答用戶的提問；使用戶了解推理過程和推理過程中所運用的知識和數據。當通風推理機做出某種通風結論時，通過該規則導出該結論的事實前提保存到數據庫中，而解釋機就是將這些事實前提通過友好的人機界面提示給用戶。因為規則畢竟是一條表記錄，為了直觀的描述規則，對該條規則進行了解釋，實際上就是把規則記錄翻譯成“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>℃／mand糧堆最高溫度與平均溫度之差大于8℃，那么進行均溫通風。

4 結 語

　　本文提出一種基于專家系統的儲糧機械通風控制系統。該專家系統通過人機交互方式和系統自學習方式進行知識獲取和修訂補充，系統綜合應用了智能控制、數據庫等多種技術，將計算機科學與機械科學相結合，為全方位控制糧食儲藏的機械通風提供了一種新的途徑和方法，并結合實例實現一種新的專家系統規則設計方法，可對不同儲糧要求和儲藏環境下的機械通風的決策和控制進行模擬和比較，提供給管理者和決策者一套完整的、經濟的、安全優化的機械通風方案。該系統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對糧食儲藏進行智能通風控制是可行的，可以提高糧食質量，具有廣泛的應用前景。