基于专家系统的储粮机械通风控制系统

    1 引 言

    储粮机械通风作为一项重要的科学保粮技术，已被我国粮食储备库广泛应用。1998年以来，国家在新建的粮库中都配备了机械通风等储粮新没备。但是当前这些设备并没能真正实现机械通风自动化控制。目前情况下，当粮温达到一定限度时，人工进行通风处理。而粮情变化一般与原粮含水率、仓储环境温度和湿度的变化有关，所以这种处理方法没有达到对储备粮变化历史进行科学化的处理，更不能对粮情变化情况做出准确预测。一个科学化、智能化与自动化的现代储粮机械通风系统在国内一直没有建立起来。

    专家系统是用基于知识的程序设计方法建立起来的计算机系统，他综合集成某个特殊领域内专家的知识和经验，能像专家那样运用这些知识通过推理，通过模拟人类专家作决定的过程来解决那些专家才能解决的复杂问题。储粮机械通风专家系统是计算机专家系统在储粮管理专业领域的一个应用，他能够在粮库机械通风时的决策方面以及通风过程中的控制方面起到一个高级储粮专家的作用。储粮机械通风专家系统通过人机交互方式和系统自学习方式进行知识获取和修订补充，最终拥有各种与储粮机械通风和粮食安全储藏相关的数据及经验知识，并建立相应的数据库、图形库和模型库。通过储粮机械通风专家系统，可对不同储粮要求和储藏环境下的机械通风的决策和控制进行模拟和比较，提供给管理者和决策者一套完整的、系统的、经济的、有效的、安全优化的机械通风方案。

    2 系统基本结构

    机械通风专家系统包括基础数据库、知识库、推理机、解释机、人机接口这儿个方面。基础数据库里包含各种粮情信息，首先需要从基础数据库获取信息并处理得到当前粮仓的事实类对象，事实类对象中封装通风规则表中推理所要用到的事实。有了事实类对象，根据通风规则表就可以进行通风目的和通风方式推理，如果有匹配规则，必然会推理得到某种通风结论。解释机将告诉用户得到该结论的推理依据和所依据规则的解释。如果系统经过推理得到某种通风方式时，系统就会通过I／O接口向控制设备发送命令，控制通风设备执行该通风方式。在通风起动和通风结束这两个时刻，都会从基础数据库里提取粮情信息进行粮情统计，这就是该通风方式的效果分析，统计结果综合并写入知识库里对应的通风效果分析表中。该表为将来选取最优的通风方式结论提供依据。同样，应用程序和领域专家、知识工程师、一般用户之间有人机接口。通风专家系统人机接口完成以下2部分的工作：一是实现对通风知识库的维护、操作；二是提供用户与解释机的查看窗口。用户通过他可以了解系统通风推理的路径和相关解释。系统的基本结构如图l所示。

    3 系统实现

    3.1 建立基础数据库

    本通风专家系统在粮情测控平台粮情测控开放式软件平台的支撑环境上进行开发，能够与粮情测控组件进行数据通信，粮情监测得到的信息都存储在其SQL Sever数据库中。根据通风规则中各种事实前提设计一个事实类。然后根据粮情检测系统监控得到的数据实例化事实类。每隔一个系统的采样周期，会从粮情数据库中提取一次新的数据，同时事实类对象中的内容也会作相应的改变。从后面的规则表会发现，规则表中前提条件中所需要的事实从粮情数据库中并不能直接获得，必须要通过粮情数据库中的数据处理计算才能得到。例如温度梯度最大值就是根据粮仓中检测点布局情况和当时所检测的各个检测点温度值计算出来的。目前该数据类包括以下几个方面的数据分量：

    (1)与粮堆水分相关的参数

    平均水分，表层、中层、低层平均水分，上下层水分差，水分梯度最大值、水分梯度平均，上中层、中下层水分梯度。

    (2)与粮堆温度相关的参数

    平均温度、温度最大值、温度最小值、上下层温度差、温度梯度最大值、温度梯度平均。

    (3)与大气温湿度相关的参数

    大气露点温度，即时大气绝对湿度，粮堆温度下的大气相对湿度。

    (4)与粮食湿度有关的一些参数

    粮堆的平衡相对湿度，即时粮温下的粮食平衡绝对湿度，按粮食水分分别减1，增加2.5，不变获得的3种水分值，按即时大气温度之所查得的3种平衡绝对湿度。

    (5)温度变化时间、温升值、温度上升部分的体积、粮仓内温度、粮仓内湿度。

    事实类对象包含一个变长数组vlarray，将上述的五组中的每个变量值按照先后顺序依次存放在数组中，例如vlarray[0]代表上述组(1)中的变量平均水分，vlarray[9]代表上述组(2)中的平均温度。如果将来通风规则表中需要新的事实前提，则只需增加事实类对象的变长数组的长度，并将该事实前提对应的变量值赋给变长数组对应的分量。

    3.2 建立知识库

    知识库是知识的存储机构，用于存储领域专家经验、领域基础知识等。其基本任务是为推理机提供问题求解以及为解释机构提供问题解释所需的知识。知识库中的规则是根据储粮专家和保管人员的知识与经验总结出来，每条规则就是知识库中的一条记录，记录包括前提条件和结论，前提条件是由若干事实组成。目前知识是由一个字符串表达出来的，其存储格式为“!a!b!c…@j％g!a!b!c…@j…*c”。“!”后的值a，b，c代表上述事实类中变长数组的下标；“@”后的j代表一个具体的数字；“％”后的g代表2个条件之间的关系；而“*”后的c代表某种通风结论，例如通风规则“! 0@20％0! 9! 8@10*3”所表达的通风规则为如果平均湿度大于20℃并且粮堆的最高温比最低温大10℃就要进行类型为3(通风分为降温、均温、排积热、降水、保水、调质等6种类型)的通风。通过这种存储格式的设计，储粮专家或者知识工程师就可以在以后根据理论知识或经验创建新的通风规则以及增加新的前提事实。这种规则的设计方法可以增加规则的可扩展性。通风规则通过人性化的人机接口进行输入，用户不需要掌握其存储的格式。

    规则的获取有2种方法：一是通过储粮专家或者知识工程师通过通风人机接口进行输入，把新的通风规则加入剑规则库中。这种方法要求输入规则的人必须在储粮机械通风领域有很高的造诣。但是普通工作人员很难准确说出这些通风结论的前提条件。第二种方法是在粮情出现故障时由工作人员手工收入。如果粮食出现某种问题，但是根据通风规则却无法推导出任何结论，说明需要对通风规则表进行补充。系统将通过人机接口将所有的事实数据呈现给工作人员，工作人员可以根据自己的判断，选取适当的通风条件，系统根据这些通风前提自动构成一个新的通风规则并存入规则表中。目前根据“储粮机械通风技术规程”总结出一些规则如表1所示。

    3.3 粮情通风推理机

    根据本系统特点，采用正向推理方法，即推理由事实驱动，从已知事实出发推导出结论。该推理过程具有算法简单、容易理解与实现等优点。但由于搜索过程存在盲目性、推理效率低、推理过程可能会出现知识组合爆炸，为了提高搜索效率和解决冲突，对规则进行分层模块化管理，对规则按代价级和优先级合理排序。代价低的、优先级高的优先搜索，构造搜索树。推理开始时，系统根据选择的仓号，统计出该粮仓的事实信息，赋给事实类对象相应的成员变量，然后开始推理。推理是从通风规则库的第一条记录开始，把事实与当前规则记录的前提部分进行匹配，具体的匹配工作是这样进行的：首先从数据库获取通风规则，例如“! 9@15％0! 10@25％0! 14@1*0”，根据通风规则的格式解析该规则，获取通风事实前提表达式“(vlarray[9]-15>0)and(vlarray[10]-25>0)and(vlarray[14]-1>0)”，将事实类对象中相应的值代入获取表达式的值，如果为真则启动类型为0(降温通风)的通风。在推理过程中，系统要不断地用当前已知的事实与规则表中的前提部分进行匹配，此时可能发生如下2种情况。

    (1)推理结束后没有得到任何通风结论。如果粮食情况确实不需要通风，这说明通风规则是完善的。如果粮情发生故障，这说明规则库中缺少这方面通风的规则，所以就需要知识工程师及时根据当前的故障，提取信息，把新的规则记录添加到故障规则表中。

    (2)己知事实恰好与规则表中的1条规则匹配成功。此时为提高系统的效率，将此条规则的优先级提高一级，并插入到搜索数中相应的位置。

    3.4 解释机

    解释机的主要作用是解释专家系统如何推断结论；回答用户的提问；使用户了解推理过程和推理过程中所运用的知识和数据。当通风推理机做出某种通风结论时，通过该规则导出该结论的事实前提保存到数据库中，而解释机就是将这些事实前提通过友好的人机界面提示给用户。因为规则毕竟是一条表记录，为了直观的描述规则，对该条规则进行了解释，实际上就是把规则记录翻译成“如果…那么…”形式的语句。例如：

    If粮堆最高温度>25℃and粮堆平均温度梯度>℃／mand粮堆最高温度与平均温度之差大于8℃，那么进行均温通风。

    4 结 语

    本文提出一种基于专家系统的储粮机械通风控制系统。该专家系统通过人机交互方式和系统自学习方式进行知识获取和修订补充，系统综合应用了智能控制、数据库等多种技术，将计算机科学与机械科学相结合，为全方位控制粮食储藏的机械通风提供了一种新的途径和方法，并结合实例实现一种新的专家系统规则设计方法，可对不同储粮要求和储藏环境下的机械通风的决策和控制进行模拟和比较，提供给管理者和决策者一套完整的、经济的、安全优化的机械通风方案。该系统在中央储备粮郑州库等8家直属库正式投入使用，粮库管理人员反映利用专家系统对粮食储藏进行智能通风控制是可行的，可以提高粮食质量，具有广泛的应用前景。