生物質(zhì)成型機(jī)性能評(píng)價(jià)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

徐 虹，劉會(huì)麗

(1．河南省鄭州種畜場，鄭州450045;2．鄭州師范學(xué)院，鄭州450044)

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，能源消費(fèi)量逐年遞增，而能源供應(yīng)卻趕不上經(jīng)濟(jì)發(fā)展的速度，以致能源價(jià)格不斷地攀升，不斷刷新的能源價(jià)格又制約著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。為解決這一難題，世界各國把目光投向了可再生能源，在可再生能源中，生物質(zhì)能有著非常重要的位置。中國有著豐富的生物質(zhì)資源，利用生物質(zhì)成型機(jī)對(duì)秸稈進(jìn)行固化成型有很重要的意義。雖然生物質(zhì)成型機(jī)在一些地方已經(jīng)開始試用，但是很難大規(guī)模推向市場，因?yàn)樯镔|(zhì)成型機(jī)的總體性能以及機(jī)器選型設(shè)計(jì)存在很大問題。成型機(jī)性能的好壞，對(duì)于創(chuàng)造較高的生產(chǎn)率、商品率和利潤率有著重要影響，文獻(xiàn)在這方面做了很多研究也提出了一些方法，但是，由于生物質(zhì)成型機(jī)性能的評(píng)價(jià)是一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)，許多指標(biāo)都是模糊的，不能夠直接量化和表達(dá)，數(shù)學(xué)模型也很難建立。在這種情況下，就必須用專家系統(tǒng)(Expert System)來解決這一問題。當(dāng)然依靠專家的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行科學(xué)評(píng)價(jià)的方法也存在很多問題，比如專家的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)只能依靠傳統(tǒng)的方法來發(fā)揮作用，還不能方便快捷地在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)。為此，在生物質(zhì)成型機(jī)性能總體評(píng)價(jià)和選型中引入專家系統(tǒng)技術(shù)，形成了生物質(zhì)成型機(jī)性能評(píng)價(jià)與選型專家系統(tǒng)(Expert System for Evaluating the Overall Function of Briquetting Biomass Fuel Machine and its Selection，減記BBFMES)。這一系統(tǒng)為科學(xué)地評(píng)價(jià)生物質(zhì)成型機(jī)的總體性能，根據(jù)不同秸稈源和要求合理地確定機(jī)器型號(hào)提供了有效的手段。

1． BBFMES原理和構(gòu)成

BBFMES的基本原理是以成型機(jī)的性能綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系為依據(jù)，借助于有關(guān)專家的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，通過智能推理機(jī)給出設(shè)備的總體評(píng)分，并結(jié)合專家知識(shí)經(jīng)驗(yàn)給出成型機(jī)設(shè)計(jì)主要參數(shù)。該系統(tǒng)主要由知識(shí)庫、數(shù)據(jù)庫、推理模塊、編譯及控制模塊等幾部分組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 BBFMES系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2． 知識(shí)庫的設(shè)計(jì)

該部分是BBFMES的核心，是決定專家系統(tǒng)性能的主要因素，針對(duì)BBFMES的主要功能，其知識(shí)庫主要包括:生物質(zhì)成型機(jī)的總體性能評(píng)價(jià)指標(biāo)體系、成型機(jī)性能的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)、某種秸稈類型(麥秸稈，玉米秸稈，棉花秸稈等)的特點(diǎn)等等。

2．1 知識(shí)的獲取

專家系統(tǒng)中的知識(shí)由共性知識(shí)和個(gè)性知識(shí)兩部分組成，BBFMES中的共性知識(shí)為該類機(jī)器總體性能評(píng)價(jià)的一般標(biāo)準(zhǔn)，但是由于生物質(zhì)機(jī)械成型的原理不同其性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和選型的依據(jù)也不盡相同，所以根據(jù)不同的設(shè)計(jì)原理和作物秸稈的不同可以將有關(guān)知識(shí)歸納為個(gè)性知識(shí)。

2．2 知識(shí)的表達(dá)

為了方便快捷地實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)操作，必須對(duì)專家系統(tǒng)中的知識(shí)進(jìn)行系統(tǒng)的表示，根據(jù)設(shè)計(jì)知識(shí)的特點(diǎn)和計(jì)算機(jī)表達(dá)的可實(shí)現(xiàn)性，我們采用Turbo－prolog語言來表達(dá)知識(shí)庫中的內(nèi)容。主要有兩種方式表示，一是基于規(guī)則的表達(dá)方式即把事實(shí)和數(shù)據(jù)分類，放在prolog規(guī)則中;二是基于邏輯表達(dá)的方式即把事實(shí)和數(shù)據(jù)構(gòu)成子句，形成知識(shí)庫。基于規(guī)則的表示法，缺點(diǎn)就是由于產(chǎn)生或規(guī)則是放在程序中的，因此程序的規(guī)模將隨著規(guī)則的增加而增長，但是現(xiàn)在隨著計(jì)算機(jī)儲(chǔ)存設(shè)備價(jià)格的下降，成本已經(jīng)下降很多。而基于邏輯的表示法，是把知識(shí)庫存放在磁盤文件中，無需考慮知識(shí)庫大小的限制，并且實(shí)現(xiàn)也很方便，所以，BBFMES的知識(shí)將采用基于邏輯的表示法。

3． 推理模塊的設(shè)計(jì)

推理是指從已有事實(shí)推出新事實(shí)(或結(jié)論)的過程，是一種證明在一系列假設(shè)中隱含結(jié)論的系統(tǒng)化方法，是知識(shí)的正確選擇和綜合運(yùn)用。在BBFMES中，首先設(shè)計(jì)了基于Turbo－Prolog內(nèi)部合一特點(diǎn)的推理機(jī)，它可以借助于用戶對(duì)成型機(jī)各種性能指標(biāo)的有關(guān)信息來推出各指標(biāo)的分?jǐn)?shù)，在此基礎(chǔ)上，我們還設(shè)計(jì)了一個(gè)基于層次分(AHP)的集成變換器，它可以將推理機(jī)得到的分?jǐn)?shù)通過適當(dāng)?shù)奶幚順?gòu)成判斷矩陣，然后按照AHP的方法評(píng)價(jià)出每種類型機(jī)械的總體性能，因此，帶有AHP模塊的推理系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)生物質(zhì)成型機(jī)性能評(píng)價(jià)的定性推理與定量計(jì)算的綜合集成，其結(jié)構(gòu)功能如圖2所示。

圖2 BBFMES推理模塊

4． BBFMES用戶界面設(shè)計(jì)

用戶界面的設(shè)計(jì)對(duì)于專家系統(tǒng)來講很重要，該系統(tǒng)的功能是在人和機(jī)器的互動(dòng)過程(Human Machine Interaction)中實(shí)現(xiàn)的，因此界面設(shè)計(jì)要從感覺和感情兩個(gè)層次著手，總體設(shè)計(jì)上把握置界面于用戶的控制之下、減少用戶的記憶負(fù)擔(dān)、保持界面的一致性這三條原則，先結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、交互設(shè)計(jì)再進(jìn)行視覺設(shè)計(jì)。在BBFMES中，充分考慮人的因素，本著方便快捷實(shí)用高效的原則設(shè)計(jì)出人機(jī)交互界面，并保持屏幕設(shè)計(jì)和色彩搭配的一致性，此外還配以語音輸入、輸出、自然語言交互等柔性I/O模塊。

5． 系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)證

以新型螺桿擠壓式生物質(zhì)成型機(jī)為例，參照文獻(xiàn)3和文獻(xiàn)6中的評(píng)價(jià)細(xì)則，在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)這一系統(tǒng)。該系統(tǒng)中的成型機(jī)評(píng)價(jià)指標(biāo)和具體評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)都遵循一定原則，并在系統(tǒng)工程理論的基礎(chǔ)上使用Delphi方法進(jìn)行專家咨詢論證。整個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系由6個(gè)一級(jí)指標(biāo)(分別記為B1，B2，…，B6)和25個(gè)二級(jí)指標(biāo)(分別記為 C1，C2，…，C25)組成。

BBFMES將具體評(píng)分細(xì)則以規(guī)則形式編入知識(shí)庫，以“一級(jí)指標(biāo)”成型機(jī)性能B4為實(shí)例，該指標(biāo)是由螺桿部分耐磨性C19、低能耗C20、產(chǎn)能C21、易操作C22以及外觀質(zhì)量和造型C23等5個(gè)二級(jí)指標(biāo)構(gòu)成的，這樣根據(jù)具體評(píng)價(jià)細(xì)則和分?jǐn)?shù)量值，可以用運(yùn)籌學(xué)的方法得到，以低能耗C20為例進(jìn)行實(shí)證:

Topic(“低能耗 C20”)

cond(1，“壓塊成型主機(jī)能耗低”)

cond(2，“壓塊成型主機(jī)能耗低，電輔加熱部件能耗低”)

cond(3，“壓塊成型主機(jī)能耗低，粉碎、烘干主機(jī)能耗低”)

cond(4，“整條設(shè)備生產(chǎn)線能耗低”)

rule(1，“低能耗 C20”，50，［1］)

rule(2，“低能耗 C20”，65，［2］)

rule(3，“低能耗 C20”，80，［3］)

rule(4，“低能耗 C20”，90，［4］)

該句組題目(topic)、條件(cond)和規(guī)則(rule)構(gòu)成了分?jǐn)?shù)這一知識(shí)，“低能耗C20”是需要評(píng)定的指標(biāo)。在rule句子中第一個(gè)參數(shù)表示rule的序號(hào)，第二個(gè)參數(shù)表示評(píng)定指標(biāo)的名稱，第三個(gè)參數(shù)表示在該評(píng)分體系中的分?jǐn)?shù)值，第四個(gè)參數(shù)表示條件索引，其值要調(diào)用cond句子中各種分?jǐn)?shù)條件編號(hào)。在rule中的規(guī)則編號(hào)是推理時(shí)訪問分?jǐn)?shù)知識(shí)庫使用的。按此規(guī)則專家評(píng)委就可以借助于對(duì)成型機(jī)的初步判斷和評(píng)價(jià)得出各指標(biāo)的具體分?jǐn)?shù)值，在此基礎(chǔ)上，系統(tǒng)中的AHP模塊將不同量綱的指標(biāo)轉(zhuǎn)化為相同量綱的分?jǐn)?shù)值。然后對(duì)于待比較的兩類成型機(jī)，以各自相對(duì)于同一指標(biāo)的得分之比表示它們相對(duì)于該指標(biāo)的重要性程度，從而形成判斷矩陣，最后按AHP方法求得每種成型機(jī)的總體性能。表1是對(duì)三種型號(hào)成型機(jī)的總體性能評(píng)價(jià)結(jié)果，可以看出，新型螺桿式擠壓式生物質(zhì)成型機(jī)總體性能最好，這與文獻(xiàn)3所得的結(jié)果具有一致性。

表1

5． 結(jié)束語

事實(shí)證明將系統(tǒng)工程的思想和方法引入專家系統(tǒng)，并以此設(shè)計(jì)出的BBFMES具有一定的有效性和實(shí)用性，這一系統(tǒng)結(jié)構(gòu)清晰，方法可靠，方便快捷，評(píng)價(jià)實(shí)例結(jié)果與定性鑒定基本相符，客觀真實(shí)地反映了生物質(zhì)成型機(jī)性能的實(shí)際水平，這將對(duì)生物質(zhì)成型機(jī)的設(shè)計(jì)、制造、選型以及成功的推向市場提供了科學(xué)的手段和工具。

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