衛(wèi)生潔具燒成缺陷工況監(jiān)測預(yù)報專家系統(tǒng)的研究

周露亮 胡國林 鐘貴全

（景德鎮(zhèn)陶瓷學(xué)院，景德鎮(zhèn)： 333001）

衛(wèi)生潔具燒成缺陷工況監(jiān)測預(yù)報專家系統(tǒng)的研究

周露亮 胡國林 鐘貴全

（景德鎮(zhèn)陶瓷學(xué)院，景德鎮(zhèn)： 333001）

介紹了以隧道窯為研究對象的衛(wèi)生潔具陶瓷燒成缺陷工況監(jiān)測預(yù)報專家系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，分析了其工況數(shù)據(jù)采集方法和燒成缺陷知識表示及推理機制，并進行燒成缺陷工況監(jiān)測預(yù)報的仿真，系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)實時監(jiān)控功能。

衛(wèi)生潔具，燒成缺陷，監(jiān)測預(yù)報，專家系統(tǒng)

1 引言

我國是衛(wèi)生潔具陶瓷生產(chǎn)的大國，其產(chǎn)量居世界第一。衛(wèi)生潔具陶瓷的燒成設(shè)備主要是隧道窯，由于衛(wèi)生潔具陶瓷產(chǎn)品體積大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在燒成過程中容易產(chǎn)生各種缺陷。如何監(jiān)測衛(wèi)生潔具陶瓷燒成工況，在缺陷還未產(chǎn)生時提前預(yù)報，及時修正產(chǎn)生缺陷的工況，是衛(wèi)生潔具陶瓷燒成研究的重要課題。

目前，在我國陶瓷工業(yè)領(lǐng)域中，以專家系統(tǒng)為主的人工智能理論的研究還處于初步階段，國內(nèi)外有關(guān)衛(wèi)生潔具陶瓷燒成缺陷工況監(jiān)測預(yù)報專家系統(tǒng)的研究尚未見報道，因此，研究衛(wèi)生潔具陶瓷燒成工況監(jiān)測預(yù)報專家系統(tǒng)，對提升隧道窯設(shè)備的燒成性能、降低燒成能耗，提高我國衛(wèi)生潔具陶瓷產(chǎn)品的質(zhì)量與檔次有著十分重要的意義。

2 燒成缺陷工況監(jiān)測預(yù)報專家系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

本文所研究的隧道窯衛(wèi)生潔具燒成缺陷工況預(yù)報專家系統(tǒng)主要包括工況數(shù)據(jù)庫、專家知識庫、推理機等，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

本系統(tǒng)結(jié)合了MCGS和VB程序開發(fā)而成，MCGS是當作專家系統(tǒng)的人機接口和仿真數(shù)據(jù)來源使用，利用VB程序強大的編程功能建立了推理機及其數(shù)據(jù)庫與仿真界面的連接。MCGS在本系統(tǒng)中負責(zé)數(shù)據(jù)采集，每個MCGS工程都會為其建立一個MCGS數(shù)據(jù)庫，MCGS實時數(shù)據(jù)庫保存了從隧道窯燒成實際工況采集而來的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)正是基于這些參數(shù)來進行分析從而產(chǎn)生報警信息的。缺陷監(jiān)測是通過VB程序?qū)崿F(xiàn)的，它直接對MCGS實時數(shù)據(jù)庫進行操作，以實現(xiàn)系統(tǒng)的完整性。系統(tǒng)通過VB程序來調(diào)用這些數(shù)據(jù)庫，能實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的采集功能，然后通過知識庫的專家經(jīng)驗對采集來的數(shù)據(jù)進行分析整理，計算出缺陷的可信度，根據(jù)可信度的大小決定是否報警。

衛(wèi)生潔具燒成缺陷工況監(jiān)測預(yù)報專家系統(tǒng)的運行過程見圖2。

3 工況數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

MCGS通過設(shè)備驅(qū)動程序與外部設(shè)備進行數(shù)據(jù)交換，包括數(shù)據(jù)采集和發(fā)送設(shè)備指令。設(shè)備驅(qū)動程序是由VB程序設(shè)計語言編寫的DLL文件，設(shè)備驅(qū)動程序中包含符合各種設(shè)備通訊協(xié)議的處理程序，將設(shè)備運行狀態(tài)的特征數(shù)據(jù)采集進來或發(fā)送出去。系統(tǒng)運行過程中，設(shè)備構(gòu)件由設(shè)備窗口統(tǒng)一調(diào)度管理，通過通道連接，向?qū)崟r數(shù)據(jù)庫提供從外部設(shè)備采集到的數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)的模擬以實際工況（佛山某潔具有限公司的氣燒隧道窯的燒成工藝參數(shù)及所記錄的窯爐溫度和壓力值）為基礎(chǔ)，系統(tǒng)主要是對該隧道窯的47個溫度點和1個壓力點進行數(shù)據(jù)采集模擬，模擬數(shù)據(jù)采用MCGS的模擬設(shè)備自動生成，每一個溫度點都有一個模擬設(shè)備的通道相對應(yīng)，而每一個通道的幅值和周期都可以任意設(shè)置。通過整理從工廠收集的該隧道窯燒成工藝資料，把每個溫度和壓力的數(shù)值提取進行統(tǒng)計，找出每一個點的最大和最小值，并求出其平均值。將最大和最小值設(shè)置成模擬通道的幅值，模擬設(shè)備所產(chǎn)生的數(shù)值在幅值之間按某種規(guī)律變化，并和實際的溫度變化范圍相吻合。而平均值則作為知識庫中溫度點的標準值，每個溫度和壓力點的設(shè)定都嚴格按照窯爐的燒成曲線來制定，其工況仿真數(shù)據(jù)設(shè)置見表1。

4 系統(tǒng)的知識表示及推理機制

4.1 衛(wèi)生潔具燒成缺陷知識表示

衛(wèi)生潔具陶瓷燒成缺陷的影響因素很多，而且關(guān)系錯綜復(fù)雜，通過生產(chǎn)企業(yè)的調(diào)研與相關(guān)文獻的查詢，結(jié)合窯爐專家與工程技術(shù)人員的分析，從中提煉了目前衛(wèi)生潔具陶瓷燒成環(huán)節(jié)中較常見的缺陷作為監(jiān)測預(yù)報專家系統(tǒng)分析的仿真實例，并以這些數(shù)據(jù)建立了燒成缺陷綜合知識庫。

表1 仿真數(shù)據(jù)設(shè)置（部分）Tab.1 The setting of emulational data

主要數(shù)據(jù)庫有缺陷推理規(guī)則庫、MCGS仿真燒成工況數(shù)據(jù)庫、常見燒成缺陷知識庫。其中缺陷推理規(guī)則庫如圖3所示，“Kxd”為專家給出缺陷出現(xiàn)可信度，“XGDian”為規(guī)則庫與監(jiān)控數(shù)據(jù)相聯(lián)系點，“SXian”為實時運行數(shù)據(jù)與標準數(shù)據(jù)相差的最大值；“XXian”為實時運行數(shù)據(jù)與標準值相差的最小值。

4.2 推理方法

在本系統(tǒng)中，監(jiān)測對象都是用MCGS軟件模擬實時工況運行數(shù)據(jù)，并都有正常的數(shù)據(jù)范圍，當監(jiān)測數(shù)據(jù)超過窯爐專家給出一個標準范圍，系統(tǒng)就要報警。本系統(tǒng)的難點和重點就是如何實現(xiàn)報警以及在某種缺陷還沒有完全發(fā)生時提前預(yù)報。例如“最高燒成溫度過高”，它到底有多高，沒有清楚的表達，只是一個很模糊的概念，系統(tǒng)必須及時處理這個模糊現(xiàn)象，因此本系統(tǒng)采用了基于可信度的帶有閾限的不確定推理方法，即：if e then h(CF(h，e)，λ)。其中 e可以是一個簡單證據(jù)，也可以是多個證據(jù)的合取，CF(h，e)是規(guī)則的可信度，取范圍0＜CF(h，e)≤1，λ為規(guī)則的閾值，λ的取值范圍為0＜λ≤1。只有當相應(yīng)證據(jù)e的可信度CF(e)≥λ時，該規(guī)則才被激活，那么規(guī)則的可信度CF(h，e)乘以CF(e)將作為結(jié)論及其可信度CF(h)給用戶。

由于引起衛(wèi)生潔具陶瓷某些燒成缺陷的因素不止一個，而且關(guān)系復(fù)雜。例如，最高燒成溫度過高或零壓面后移都會造成開裂，最高燒成溫度過高或保溫時間過長都會造成過燒。也就是說有多條規(guī)則都具有相同的結(jié)論，因此根據(jù)知識的結(jié)構(gòu)，采用并行規(guī)則的不確定計算。我們以“崩裂”為例，按照知識的不確定性表示成如下形式：

R1：if最高燒成溫度過高 then崩裂 (0.8，0.5)

R2：if 零壓面后移 then崩裂 (0.9，0.5)

如果R1和R2的兩條規(guī)則都被激活，即CF(最高燒成溫度過高)和CF(零壓面后移)的可信度都大于各自的閾值0.5時，那么就通過比較CF(最高燒成溫度過高)×0.8與CF(零壓面后移)×0.9的乘積的大小，最后取最大的那個可信度作為結(jié)論的可信度。

4.3 求解條件的可信度

本系統(tǒng)中，求解條件的可信度是根據(jù)下面的公式計算：

其中：CF(e)是條件的可信度，T是相關(guān)點的實際監(jiān)測的數(shù)據(jù)，T0是相關(guān)點的標準值，Tmax是相關(guān)點的最大值，Tmin是相關(guān)點的最小值。

實際生產(chǎn)過程中，各個相關(guān)點的數(shù)據(jù)會在一定的范圍內(nèi)波動，于是系統(tǒng)以正常工況數(shù)據(jù)的平均值作為要監(jiān)測的相關(guān)點的一個標準值，目的是把監(jiān)測到的相關(guān)點數(shù)據(jù)與它比較，用來計算正負偏差。同時，根據(jù)工廠提供的異常工況數(shù)據(jù)，給出要監(jiān)測的相關(guān)點的上限值和下限值。

以“生燒”缺陷預(yù)報為例，產(chǎn)生“生燒”缺陷的原因主要是燒成溫度過低或窯內(nèi)上下溫差大。對于燒成溫度過低這一原因，根據(jù)收集到的正常工況數(shù)據(jù)為最高燒成溫度在1280～1230℃，系統(tǒng)以其平均值1250℃作為正常工況該點溫度標準值T0。當最高燒成溫度低于1200℃時產(chǎn)品均出現(xiàn)生燒缺陷，此時的可信度取為“1”；而當最高燒成溫度大于1250℃時，可信度取為“0”。假設(shè)系統(tǒng)監(jiān)測到相關(guān)點的工況數(shù)據(jù)為1210℃，把它與標準值1250℃比較大小，前者小于后者，故按公式（3-2）計算：（1250-1210）÷[（1250-1200）]=0.80。因此，對這一監(jiān)測相關(guān)點的工況最終算出產(chǎn)生過燒缺陷的條件可信度為80﹪。

5 燒成缺陷工況監(jiān)測預(yù)報的仿真

本系統(tǒng)是在MCGS工況軟件運行環(huán)境下實現(xiàn)的，系統(tǒng)仿真界面如圖4所示。界面上畫出了煤氣隧道窯燒成衛(wèi)生潔具陶瓷運行工況的示意圖，共設(shè)計了47個溫度數(shù)據(jù)顯示輸出框和1個壓力數(shù)據(jù)輸出框，首先在實時數(shù)據(jù)庫中增加所要模擬采集溫度、壓力數(shù)據(jù)對象并設(shè)置其屬性值，其次在“設(shè)備窗口”添加“模擬溫度采集器”功能模塊，然后設(shè)置數(shù)據(jù)通道屬性值和所要采集溫度數(shù)據(jù)的最大值與最小值，系統(tǒng)運行界面所顯示的溫度數(shù)據(jù)即它們之間的隨機值。

點擊“隧道窯燒成工況顯示”菜單，即可顯示隧道窯運行簡要示意圖；點擊“報警信息顯示”菜單，即可在仿真界面“燒成缺陷預(yù)警信息窗口”顯示出缺陷名稱、可能所在位置和預(yù)測缺陷產(chǎn)生的可信度。當缺陷出現(xiàn)后，可點擊“啟動缺陷查詢系統(tǒng)”進行缺陷相關(guān)信息查詢，即可知道缺陷產(chǎn)生的原因及相應(yīng)的解決措施，從而實現(xiàn)實時監(jiān)控功能。

6 結(jié)語

本系統(tǒng)以VB編程語言為工具，開發(fā)在MCGS運行環(huán)境下的缺陷報警信息平臺，利用Access構(gòu)建燒成缺陷規(guī)則庫、知識庫，運用全中文工控軟件MCGS模擬隧道窯燒成衛(wèi)生潔具陶瓷運行實時工況，將模擬的工況數(shù)據(jù)與規(guī)則庫比較，符合報警條件的缺陷自動取出，并根據(jù)缺陷名稱啟動缺陷信息查詢專家系統(tǒng)獲得缺陷產(chǎn)生的原因及其解決措施，最終實現(xiàn)缺陷報警信息的實時性。

1 尹朝慶,尹皓.人工智能與專家系統(tǒng).北京:中國水利水電出版社

2 王曉明.基于數(shù)據(jù)庫的專家系統(tǒng)設(shè)計.計算機工程與應(yīng)用,2001,（20）

3 袁秀英.組態(tài)控制技術(shù).北京:電子工業(yè)出版社,2003,(8)

4 鐘貴全,胡國林等.衛(wèi)生潔具缺陷分析.中國陶瓷工業(yè),2008,15(2)

RESEARCH OF EXPERT SYSTEM FOR MONITORING AND FORECASTING FIRING-FLAWS CONDITION OF SANITARYWARE

Zhou Luliang Hu Guolin Zhong Guiquan
(Jingdezhen Ceramic Institute,Jingdezhen 333001)

With the tunnel kiln as the research object,this article introduces the structure of expert system for monitoring and forecasting firing-flaws condition of sanitary-ware,analyses the method for collecting experimental data and the representation and reasoning mechanism for firing-flaws knowledge,and simulates the monitoring and forecasting of firingflaws conditions.The expert system can realize the real-time monitoring function.

sanitary-ware,firing-flaws,monitoring and forecasting,expert system

on Jan.8,2010

T Q 1 7 4.6+5

A

1000-2278（2010）02-0336-04

2010-01-08

周露亮，E-mail:zhoululiang@126.com

Zhou Luliang,E-mail:zhoululiang@126.com