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小型组合式冷库设计专家系统pdf

小型组合式冷库设计专家系统pdf

作者: admin 来源: 未知 发布时间:2020-01-01 22:31

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  小型组合式冷库设计专家系统 摘 要 本文围绕专家系统技术在制冷空调领域的应用进行了认真研究。以小型组合 式冷库设计为实例,利用经验的设计方法,详细分析了小型组合式冷库在设计时 所遇到的大量的符号推理和经验数据,运用专家系统技术,建立了一个小型组合 式冷库设计专家系统模型。在此模型的基础上,运用专家系统编程工具一一 CLIPS,编制了小型组合式冷库设计程序。该程序中用产生式规则系统建立了冷 藏食品信息库和经验数据库,并运用模糊逻辑方法进行不精确推理,采用控制知 识和领域知识分离控制流的方法,以规则库的形式,体现了领域专家设计思路。 ,‘ 、 f该专家系统模拟专家进行符号推理及选取经验数据,得到了较好的设计结果。} 关键字 专家系统.CLIPS,产生式规则,模糊逻辑,小型组合式冷库: ofsmall Expertsystem Built-uprefrigeratorydesign Abstract Theresearchon of basedonrulesin applicationexpertsystem and fieldisstudiedinthisthesis.Witha refrigeratingair_conditioning of small the example built-uprefrigeratorydesign,through experiential of and designmethod,quantitiessymbolreasoningexperiential—data whichwillbemetinsmall havebeen built—uprefrigeratorydesign indetail.Asa onthe modelofsmall analyzed result,based built-up establishedwith refrigeratorydesign expertsystemtechnique,the ofsmall havebeenworkedout programmebuilt-up refrigeratorydesign kindof t001.Inthis byusingCLIPS,a expertsystemprogramming database of storedfoodsand database programme,themany experiential aredescribed is byusingproductionsystem,and,inexact reasoning settleddownwiththemethodof the fuzzy logic,finally,by separating control andfield clueof infield knowledgeknowledge,thedesign expert isincarnatedintheformof rules—base.The createdCan expert system simulatethe and of in thought HVAC decision—makingexpert field,and the results get anticipative Keywords: CLIPS rule expertsystem production fuzzy small logic built—up refrigeratory 致谢 本论文是在导师江志斌教授和吴宝志教授悉心指导下完成的。在两年多的硕 士学习生涯中,导师对学生严格要求、认真指导,恩师高深的学术造诣和高度的 责任心深深地影响着学生,不仅在学业上有所获益,而且恩师敬职敬业的精神鼓 舞着我,使课题进展非常顺利;导师吴宝志教授平易近人,在学术上指点帮助作 者,提供专业方面最新发展的资料,本文小型组合式冷库的设计方法,是教授多 年实践的经验总结,实用性非常强,而且大大简化了专家系统的编程;作者课题 研究阶段,得到了制冷教研室各位老师的全力支持和帮助,作者在此一并致以诚 挚的谢意。 感谢所有关心、支持我的老师、同学、朋友和亲人 作者 2002年4月 于合肥工业大学 插图清单 图3一1人工智能领域…………………… u 图4.1基于规则的专家系统总体结构… H 图5—1领域知识与控制知识分离控制流 M 图5—2总体程序执行优先级层次……… 拍 图6.1专家系统语义网络……………… 弘 图6.2表示实例关系的语义网络……… 弱 图6.3表示分类关系的语义网络……… ” 图6-4表示聚集关系的语义网络……… 弱 图6—5表示属性关系的语义网络……… ” 图6-6冷藏库冷藏食品框架…………… 弘 图7—1二叉树…………………………… 为 图7-2小型组合式冷库多叉判定树…… ∞ 图7—3多叉判定树.速冻库分支……….. 舭 图7-4正向链…………………………… 拍 图8.1专家系统模型…………………… 如 IV 表格清单 表2一l 冷间设计温度和相对湿度………………………………………………7 表2.2 换算系数Ki………………………………………………………………8 表2—3 相当饱和蒸汽温降压差值 KG/CM2……………………………………9 表4.1 专家系统与传统程序的一些典型不同点……………………………….15 表6.1 表示食品信息的一个OAV三元组……………………………………..38 表7-i各类食品的设计库温……………………………………………………48 V 第一章 绪 论 1.1前言 作为冷链的~个重要环节,冷库与人民的生活密切相关。食品是人类赖以生 存的基本物质。无论是植物性食品还是动物性食品,其品种虽然多种多样,但它 们的成分都不外乎包括水分、脂肪、蛋白质、糖类、维生素、矿物质和酶等。这 些成分及其性质不仅决定着食品的品质和营养价值,而且决定着食品在运输、加 工和储存过程中的一系列变化。例如,蔬菜和水果在加工过程中的维生素的损失, 蛋白质在冻结时的变性,动物组织在解冻过程中的汁液流失等,还有一些食品放 置时间一久,就会发生变质和腐败,以致完全不能食用。可见,食品质量的好坏 直接影响着人类的生存质量。 随着世界人口的增长,对食品的消费量剧增,除了大力发展农牧业与捕捞业 之外,尚须在流通环节中千方百计地保持易腐食品的质量,减少损耗。另外在食 品工业中,由于鱼、肉、禽、蛋、蔬菜和水果等易腐食品的生产有着很强的季节 性,为了淡、旺季节的调剂及运输,必须以冷藏手段来保存食品。冷藏库、冷藏 箱、冷藏车和冷藏船等都为此目的服务。为此,大力发展冷库用制冷技术非常必 要。 冷库【l】的建造、制冷系统的匹配、装置投资、运行质量等都与冷库的设计密 切相关。而冷库设计的因素很多,如应在装置投资、节能、运行质量之间进行协 调,即冷库的节能不仅与冷库的初步设计有关,而且与冷库的运转方式有关:加 厚围护结构中的隔热层或使用具有低热导率的隔热材料以减少冷负荷,是冷库设 计和运行中节能的重要措施,这就要求采用合理的方式确定隔热层的厚度和计算 热平衡;冷库的隔热结构应采用最小的冷桥,使获得冷量的成本最低;目前冷库 多数采用单层建筑,因而冷库平面设计布置时,在保证装卸的前提下尽可能紧凑, 要根据装载方式和叉车码垛特性来确定库的净高:对于冻结或速冻食品,必须合 理选择储藏温度;在增大冷却效果的同时,减少食品的干耗;其它如制冷工质的 选择、节能措施、融霜、换气等等。所有的这些因素,大部分都涉及符号推理, 同时在设计过程中存在许多经验数据的选取,这些经验数据或者是领域专家长期 实践的经验总结或者是以某几个值(或数值区间)的形式而存在,具有一定的不 确定性。特别对于设计新手们,往往无从下手,模棱两可。传统的计算机程序只 能处理精确数据,无法处理符号推理和不确定性。本文拟运用专家系统来处理符 号推理,用非精确推理来处理不确定性问题,以小型组合式冷库为对象,利用领 域专家们的知识和推理能力,模拟专家思维和决策能力,采取人机交互的方式, 进行冷库设计。 1.2专家系统在制冷行业的发展与应用 近年来,专家系统发展迅速,为制冷空调系统研究提供了有效的研究手段, 它以推理为解决问题的基本技术,并具有一定的启发性和学习的能力,解决了制 冷空调领域中众多没有合适算法和无算法的问题,在系统设计、生产、控制、选 型和故障诊断等方面得到了广泛的应用。如:通用汽车公司运用传统的分析程序、 数据库和建立在专家系统技术基础上的模型实现了小轿车和卡车空调系统的自 动化设计【9】,为将来便利地修改和扩充模型提供了可能;Ling和Dexter运用基 于规则的监控专家系统优化了空调生产车间的控制性能ll叫;Shams等人运用基于 知识的专家系统实现了小型办公大楼供暖、通风、空气调节(HvAC)系统的选 型…J;陈建国等人开发了汽车空调器压缩机自动发现并修理故障专家系统㈦等。 1.3课题主要研究内容 本课题主要研究:建立面向冷库设计工程师们的专家系统模型:冷库设计专 家系统方法与传统设计方法的比较;领域专家们的知识表述(建立知识库):探 索专家系统不确定性推理的方法:专家系统编程语言CLIPS的基本语法,推理 能力与学习功能;研究CLIPS与可视化的面向对象程序设计语言VB,VC++之 间的联系机制。 本课题拟用专家系统解决在冷库设计中众多的符号推理的方法和大量经验 数据选取的方法,建立不确定性推理的方法和表述专家们的专门知识,用CLIPS 语言进行编程,运用面向对象的可视化编程语言VB或VC++,采用人机交互的 方式,建立用户界面,开发出小型组合式冷库设计专家系统。 第二章 小型组合式冷库 2.1冷库的分类 2.1.1冷库的分类‘1I 通常按冷库的使用性质来分,冷库可以分为 一、 生产性冷库 它们主要建在食品产地附近、货源较集中的地区和渔业基地,通常作为鱼品 加工厂、肉类联合加工厂、禽蛋加工厂、乳品加工厂、蔬菜加工厂、各类食品加 工厂等企业的一个重要组成部分,有较大的冷却、冻结能力和一定的冷藏容量, 食品在此进行冷加工后经过短期储存即运往销售地区,直接出口或运至分配性冷 藏库作较长期的储存,其特点是从事大批量的、连续性的冷加工。 二、 分配性冷库 它们主要建在大中城市、人口较多的工矿区和水陆交通枢纽,专门储藏经过 冷加工的食品,以供调节淡旺季节、保证市场供应、提供外贸出口和作长期储存 之用,它的特点是冷藏容量大并考虑多品种食品的储存,其冻结能力较小,“整 进零出”或“整进整出”。 三、 零售性冷库 建在大型副食店,菜场内,供临时储存零售食品之用,特点是库容量较小、 储存期短,库温随使用要求不同而异。 四、 中转性冷库 建在渔业基地的水产冷库,能进行大批量的冷加工,并可在冷藏船、车的 配合下起中间转运作用。 五、 综合性冷库 这类冷库有较大库容量,有一定的冷却和冻结能力,起到生产性冷库和分配 性冷库的双重作用。 2.1.2按结构特点分类 一、土建式冷库这类冷库的主体结构和地下荷重结构都用了钢筋混凝土,其围 护结构的墙体都采用砖砌而成。 二、组合式冷库这类冷库的主体结构都采用轻钢结构,其围护结构的墙体使用 预制的复合隔热板(两种制造方式:一是用现成隔热扳如聚苯乙烯板材两面贴上 金属面板;二是用两层金属面板如喷塑钢板、彩色钢板、防锈铝板或不锈钢板中 间直接灌注发泡材料,在一定的温度下发成多孔的隔热材料)组装而成。本文以 小型组合式冷库为对象,编写了该类冷库设计的专家系统。 2.2小型组合式冷库的结构特点 小型冷库冷藏量只有几吨到几十吨,它主要用于机关、工厂、商店等部门, 其储藏量不大,储藏时间也不长,冷库温度一般为(0--一18℃),它几乎全部采 用氟利昂制冷装置,库内空气采用制冷剂直接蒸发,制冷装置运转实现全自动。 用得最多的小型冷库型式是组合式冷库,它的围壁、库顶、门和地坪预先在制造 工厂加工好,根据设计要求订购。在制冷设备和系统选择好后,可以在现场很快 安装好,因此,组合式冷库建造速度快是它主要的优点。另外,根据需要可以任 意选择库内容积的大小。组合式冷库大都是单层形式,其承重结构由薄壁型钢骨 架组成,库内跨度可达20一30m,中间一般没有柱子,高度一般为2.5m,也有6 ~7m的。各种构件均按制造厂统一的标准在工厂成套预制,现场只要用螺栓连 接。地坪下有通风管道,不冻液加热管等方式进行防冻,如果库温不是很低(O ℃以上)的话,地坪也可直接敷设在地面上。制冷装置采用成套压缩冷凝机组, 冷却设备多采用强制对流的空气冷却器(冷风机)。在现场只要接上水电,冷库 即可投入运行。 小型冷库通常分为四种类型:生活服务性冷库、速冻库、低温冷藏库和高温 冷藏库。每种冷库各有其特点,生活服务性冷库中食品调剂性强、储存时间短、 含湿量大及食品混入等特点;速冻库要求在食品降温时快速通过其最大冰晶生成 带,保证食品的质量:低温冷藏库要求能长期储存食品,一般库温小于或等于食 物冻结终了出库温度;高温冷藏库则不要求水份结晶。由于每种小型冷库的特点 不尽相同,在设计时当然有所差别。其中设计人员面临两个主要问题:一,无论 是同一种冷库还是不同冷库,对不同的食品其冷藏温度不同,这涉及到大量的推 理,设计新手显然比较模糊;二,对每一种食品,其冷藏库温在设计手册中是一 个温度区间,设计时,要从温度区间中选取一个温度值作为设计库温,显然专家 选取的要比新手更接近。,同时,这两个问题是传统的程序无法解决的。 2.3小型组合式冷库的制冷系统介绍及其发展 氟利昂因毒性小,蒸发温度低及便于自动控制等优点,在国外冷库中应用较 多;但氟利昂价格昂贵,国内在大中型冷库中极少使用,但在一些小型冷库中采 用直接供液方式,以热力膨胀阀与电磁阀配合对制冷剂流量进行调节控制,使制 4 冷系统比较简单,操作方便,应用较为广泛。 冷库作为食品冷藏链中一个重要的组成部分,它同其它制冷装置一样,主要 是利用制冷工质在由制冷压缩机、冷凝器、蒸发器、节流机构等部件用连接管组 成的封闭回路中循环来制取冷量的;又由于冷库的建筑特点、结构形式、建造载 体等因素的不同,使得冷库有别于其它制冷装置。下面就冷库制冷系统各个部分 及运行工质作简要阐述。 一、制冷压缩机 制冷压缩机是制冷系统中的主要设备,犹如人体的心脏,在制冷系统中起着 关键性的作用,是整个系统的驱动装置。压缩机的性能以制冷效果、热效率、容 积效率、单位制冷量的重量、单位制冷量的功耗、噪音大小、耐久性、可靠性等 作为技术经济指标。特别地,压缩机的制冷量应该能满足冷库生产旺季高峰负荷 的要求;尽可能的选用相同系列的压缩机,以利于机械零件的互换和操作管理的 方便;为不同蒸发温度系统配备的压缩机,应适当考虑机组之间有互相备用的可 能性。压缩机的性能优劣直接关系整个冷库的制冷性能的优劣。 冷库压缩机通常有两种机型:活塞式和螺杆式。目前,国产的新系列活塞式 压缩机具有高速,多缸,逆流式,体积小,重量轻,效率高,占地面积小,同一 系列压缩机零部件互换性强,平衡性好,振动性小,装有卸载装置和能量调节机 构,可以保证空载启动,又可根据制冷负荷的大小,通过能量调节机械增减投入 工作的气缸数,相应地改变压缩机的制冷量等特点。螺杆式压缩机属于容积型回 转式压缩机,与活塞式相比,它具有某些特殊的优点:运动机构没有往复惯性力, 无进、排气阀,容积效率高,能量可以无级调节,使用温度范围大等,目前在冷 库制冷系统中已得到广泛的应用。 二、热交换器 冷凝器和蒸发器是冷库制冷系统的热交换器。冷凝器通常采用水冷式,它可 以获得较低的冷凝温度,有利于提高制冷系统的制冷能力,降低运行费用。对于 小型冷库,蒸发器的型式应选用冷风机,因它与自然对流相比,具有结构紧凑, 重量轻,降温速度快,库内温度均匀,不占用冷库实用面积等优点,另外,由于 它是强制送风的,所以能使冷库内储存的食品迅速降温,大大提高了储藏食品的 保鲜度。本文设计出的冷凝器采用水冷式,蒸发器采用冷风机。 三、节流机构 制冷系统中的节流机构的作用是将由冷凝器来的高压中温的液体降压节流, 并能控制进入蒸发器的制冷剂液体的流量,使之与蒸发器负荷相适应。冷库系统 中的节流元件通常用热力膨胀阀(与电磁阀一起作用,控制流量),它通过感温 元件自动控制膨胀阀的开启度而实现对流量控制的目的。电磁阀靠近热力膨胀阀 安装,开启或切断制冷剂通路。随着加工水平和计算机技术的迅猛发展,电子膨 胀阀正以其良好的控制性能受到人们广泛的关注。电子膨胀阀灵敏、迅捷的反应 和动作可以确保在任何负荷条件下给蒸发器供应适量的制冷剂,在最大限度利用 蒸发器换热面积的同时,还可避免压缩机湿压缩产生液击。 四、制冷工质”。 传统的冷库制冷系统制冷工质是R12和R22,但由于众所周知的温室效应问 题,目前R12被禁止使用,其替代物为R134a。与R12相比,在相同的蒸发温度 下,其蒸发压力略低,而在相同的冷凝温度下,其冷凝压力略高于R12;单位容 积制冷量略低;理论循环效率下降;单位功耗下降;排气温度较低。作为中期被 文设计计算时采用制冷工质为R22。 此夕},制冷系统中还有储液器、油分离器、高低压保护阀、蒸发压力调节阀、 电磁阀等辅助装置,这些构件通过连接管道连接就组成了完整的制冷系统。 2.4小型组合式冷库设计计算方法 2.4.1一般计算方法121(步骤) 一、 计算冷藏库库容量 G=prlV e一储藏食品的质量(蚝) p——储藏食品的平均密度(kg/m3) n——有效利用系数,组合式冷库取0.6 V——库房内容积(m3) 二、 确定库内外计算温度 冷库设计温度和相对湿度应根据各类食品冷藏工艺要求确定,一般可按下表 (表1)选用。储藏过程中应按照食品的产地、品种、成熟度和降温时间等调节 其温度和相对湿度。 三、 计算库房耗冷量 6 库房耗冷量Q包括以下几部分组成 表2-1冷间设计温度和相对湿度 序号 冷库名称 室温(℃)相对湿度 适用食品范围 l 生活服务性冷库 一5 各类食品混入 一18一一23 肉、禽、兔、冰淇淋等 2 速冻库 一23一一30 鱼、虾等 一15一一20 85—90冻肉、禽、兔和副产,冰棒,冰淇淋等 3 低温冷藏库 一18——23 90—95 冻鱼、虾等 4 高温冷藏库 O一3 85—95 蔬菜、水果等 (1)由于库房内外温差通过围壁的渗入热Q。。 (2)食品加工前后的焓差,即食品热Q:。带有速冻库的小型冷库,其冷加工 食品过程是周期性工作的,食品热在冷加工过程中有很大的变化。开始,热食品 进入低温的速冻库,此时食品与库温有最大的温差,其食品热也最大,随着食品 冷却和冻结过程的进行,它们间的温差逐渐变小,食品热也逐渐变小。设计时如 果只取Qz进行匹配速冻设备是不能满足开始加工时食品热的要求的,否则,进货 后,速冻库的库温会很快上升,速冻库不能正常工作,所以,在确定速冻设备负 荷时,取食品热为1.3Q:即增大30%。 (2) 由于通风或开库门,外界新鲜空气进入库内而带进的热量即换气热 Q3。 (4)操作热Q。(包括照明热、动力热、人体发热和开门渗入热)。 Q=Ql+Q2+Q3+Q4 四、 确定冷却设备负荷 冷却设备负荷:对冷却和冻结库,Qs=P(Q。+1.3Q2+Q3+Q。) 对冷藏库,酝=P(g+Q2+蜴+幺) P一安全系数,P=I.1—1.5。 五、 选择冷却设备和压缩冷凝机组 对小型冷库,不论是固定式还是组合式的,冷却设备都应选用冷风机,因它 与自然对流相比,具有结构紧凑,重量轻,降温速度快,库内温度均匀,不占用 冷库实用面积等优点,Yi夕t-,由于它是强制送风的,所以能使冷库内储存的食品 迅速降温,大大提高了储藏食品的保鲜度。同时,冷风机和压缩冷凝机组的生产 已经系列化,只需知道冷风机负荷和机械负荷,就可到生产厂家匹配设计所需要 的冷风机和压缩冷凝机组。因而,本文所选择的冷却设备均为冷风机。 2.4.2经验计算方法127I 对小型冷库,除了上述的一般设计计算方法之外,合肥工业大学吴宝志教授 和领域专家们总结了一套经验设计计算方法,其步骤如下: 一、 压缩机工况制冷量Qo Oo=K,QB 式中:Qo…一实际运行工况制冷量 QB__….标准工况制冷量 Kk…压缩机制冷量换算系数 (表2.2) K,=砉+等 对于R12,R22,Ki值基本相同。 表2-2换算系数K. to tk(阀前液温) 25 30 35 40 —25 0.6l 0.54 0.48 0.4 .20 0.82 0.74 0.65 O.58 .15 1.06 1 0.86 O.80 .10 1.35 124 1.14 1.06 .5 1.68 1.57 1.45 1.35 例如;2FL5BA制冷压缩机标准工况QB. R12:3500kcal/h R22:5600kcal/h tk=30℃ 若R12 tO=.15℃ Qo=QB t0=一25℃ kcal/h Qo20.54QB=1890 tO=一5℃ Qo。1.57 kcal/h QB=5459 OK:压缩机在空调工况下制冷量QOK的1.2—1.3倍设计冷库用时可以满足 QK=(1.2—1.3)QOK 二、 蒸发器型式及蒸发面积 Q0=F(K。.At) K。.At=q, △f个,于耗小时,达不到沫态沸腾。 概算以At=7。C为准 m3/s F决定因素:V=wt手.巩2 F。c(w,以) 1、受到排管进出口压降限制(表2—3) 1℃。 R12:饱和蒸发温度2℃;R22:饱和蒸发温度 表2-3相当饱和蒸汽温降压差值 KG/CM2 工质 to℃ 一5 —10 -15 .20 .25 .30 R12 0.089 0.080 0.068 0.060 0.05l 0.045 R22 0.145 0.130 0.110 0.100 0.080 0.070 例如:蒸发温度.15C R12:AP=O.068.2=0.136 Kg/cm2 P=0.I10.1=0.110 R22:A Kg/cm2 2、受到工质在管内流速带走润滑油的最小速度限制 wm。。=6.1m/s(压缩机前不带上升立管) w。。。=8m/s (压缩机前带上升立管) 三、 冷室容积v m3 设‘=冷室容积/蒸发面积 表示1平方米蒸发面积可以配得冷室容积m3 1、高温冷藏库 E=1.6 9 2、生活服务性库、低温冷藏库 毛=1.25 3、冷冻库 l=O.60 四、 概算冷库围护结构传热量以跑冷量表示 I、高温库 6kcal/(hm3) 2、低温库 12 kcal/(h1T13) 3、冷冻库 实践证明,这套经验算法与一般设计算法的结论相比非常接近,且在工程实 际中已经得到了广泛的应用。本文所设计的专家系统就是建立在这套经验算法之 上。 第三章 人工智能 3.1人工智能H1的定义 我们知道,电子计算机是迄今为止最有效的信息处理工具,但普通的电子计 算机系统的智能还相当低下,譬如缺乏自适应、自学习、自优化等能力,也缺乏 社会常识或专业知识等,而只能被动地按照人们事先为它安排好的工作步骤进行 工作,如何让计算机也象人脑一样具有智能呢?这正是人们研究人工智能的初 衷。人工智能,指用电子计算机模拟或实现的功能,它作为计算机科学的一个分 支,它的研究不仅涉及到计算机科学,而且还涉及到脑科学、神经生理学、心理 学、语言学、逻辑学、认知(思维)科学、行为科学和数学,以及信息论、控制 论和系统论等许多学科领域(图3—1)。 图3-i人工智能领域 3.2人工智能的基本技术 尽管人工智能还是一个正在探索和发展中的学科,尽管人工智能至今还未形 成一个完整的理论体系,但就其目前各个分支领域的研究内容来看,人工智能的 基本技术应包括以下几个方面: 一、 推理技术 几乎所有的人工智能领域都要用到推理技术。对推理的研究往往涉及到对逻 辑的研究,逻辑是人脑思维的规律,从而成为推理的理论基础。推理技术包括自 然演绎推理、归结反演推理等技术。 二、 搜索技术 所谓“搜索”,就是为了达到某一“目标”,而连续地进行推理的过程,搜索 技术是对对推理进行引导和控制的技术。所有智能活动的过程都可以看成或抽象 为一个“问题求解”的过程,实质上是在显式或隐式的问题空间中进行搜索的过 程,对于某一状态图,即是在逻辑网络上进行搜索的过程。搜索技术也是一种规 划技术,如著名的A+算法和AO*算法就是两个重要的启发式搜索算法。现在的 神经网络技术开辟了问题求解与搜索技术研究的新途径,如HOPFIELD网解决 31个城市的旅行商问题。 三、 知识表示与知识库技术 知识表示指知识在计算机中的表示方法和表示形式,涉及知识的逻辑结构和 物理结构;知识库类似于数据库,知识库技术包含知识的组织、管理、维护、优 化等技术(如本文专家系统采用的知识库),它是人工智能的核心技术。 四、 归纳技术 归纳技术指机器自动提取概念、抽取知识、寻找规律的技术,与知识获取及 机器学习密切相关,是人工智能的重要技术。近年来,基于数据库的数据开采和 知识发现技术异军突起,为归纳技术的发展和应用注入了新的活力。 五、 联想技术 联想技术的前提是联想记忆和联想存储,是一个富有挑战性的技术领域。 第四章 专家系统技术 4.1专家系统131141151的基本概念 人工智能是一门新兴的边缘学科,它主要研究怎样能使计算机去做原来只有 人才做的具有智能性质的工作。人工智能研究目前有两种不同探索途径来实现对 人脑智能的模拟:一是仿生学手段,从结构上进行模拟,达到功能模拟的目的; 另一个是直接通过启发式程序模拟人脑功能,即专家系统。专家系统是人工智能 领域三大前沿(专家系统、模式识别和智能机器人)的一个分支,它大量利用专 家知识和推理、模拟专家的决策能力来解决只有专家才能解决的问题。目前专家 系统的应用已经渗透到数学、物理、化学、生物、农业、地质、气象、交通、冶 金、化工、机械、政治、军事、法律、空间技术、环境科学、信息管理系统、金 融和信息高速公路等众多领域,它的应用几乎渗透到各行各业,凡是需要用专家 知识解决问题的地方,都可以用专家系统。世界上第一个专家系统DENDRAL 系统可以象物理化学专家一样能推断分子的组成结构;MYClN系统象一个经验 丰富的感染病医生,能为患者诊断、治疗传染性疾病;美国地质工作者曾用探矿 ADVISOR可以大大增加该告诉解释业务的总收入;美国数字设备公司(DEC) 利用计算机配置专家系统XCON每年可以为公司节省几千万美元的开支。这些 都是专家系统成功应用的实例。 4.2基于规则的专家系统的组成 从描述知识的方式来划分,专家系统分为基于规则的专家系统和基于对象的 专家系统。以基于对象的方式描述知识包括对象的基本结构、功能和行为,这种 知识往往较深:而以基于规则的方式描述知识指基于经验和启发性知识,这种知 识易于理解。本文采用基于规则的专家系统。如图4一l所示,它由下列几个部分 组成: 图4.1 基于规则的专家系统总体结构 用户界面——用户和专家系统之间的通信机制; 解释机——向用户解释专家系统的推理: 工作内存——被规则所使用的所有事实的全局数据库; 推理机——通过决定哪些规则满足事实或目标,并自动生成规则优先级,然后 按规则的优先级依次执行来进行推理; 议程——由推理机创建的一个规则优先级表,当规则中的事实和工作内存中的 事实相匹配时,这些规则被激活,从而被执行; 知识获取机——为用户创建的一个知识自动输入方法。 当用户提供事实或信息给专家系统时,专家系统内部的工作内存将向推理机 提供它所要用到的、已经得出结论的知识,然后,用户将收到这些专家的建议或 结论,这些建议或结论是专家对用户询问的响应。 4.3专家系统与传统程序的区别 专家系统与传统程序间有许多不同。专家系统经常用于处理不确定性的问 题,因为推理是处理不确定性的最好工具之一;对不同的输入数据和知识库,一 个专家系统可以给出正确答案、好答案、差答案或没有答案等。表4.1给出二者 一些典型的不同点。 目前,小型组合式冷库的设计仅仅依靠工程师们手工进行计算,在设计过程 中涉及到大量的符号推理和经验数据的选取,同拥有这些专门知识的少数领域专 家们相比,大多数工程NJfIJ(设计新手)须花费大量的时间学习和实践,才能达 到或接近冷遇专家们的水平。在此之前,要么计算繁琐要么精确度不高。开发传 统程序,由上表中可以看出,难以解决大量的符号推理和经验数据获得。这也是 本文用专家系统设计小型组合式冷库的原因所在。 4.4专家系统的特点和优点介绍 专家系统可以认为是一种说明性程序设计,程序员不必说明完成目标的具体 算法。如,在一个基于规则的专家系统中,任何一个规则,只要其左部与事实匹 配,那它就可以被激活并被加入到议程中,规则的顺序并不影响它们的激活,不 需要严格的控制流。由此可见,专家系统有不少吸引人的优点:适应性强,专家 系统在任何计算机上都是可利用的;成本低,提供给用户的专家知识成本非常低: 持久性,专家知识是持久的,不象专家那样会退休,或者死亡;复合专家知识, 可以在白天或晚上同时或持续地解决某一问题,由几个专家复合起来的知识,其 4 水平可能会超过一个单独的专家;解释、说明,专家系统能明确、详细地解释导 出结论的推理过程;响应快,依靠所使用的软件或硬件,专家系统比专家反应要 快。 表4.1 专家系统与传统程序的一些典型不同点 特征 传统程序 专家系统 由……控制 语句次序 推理机 控制与数据 隐含在一起 明确分开 控制能力 强 弱 由……求解 算法 规则和推理机 求解搜索 少或没有 多 问题求解 算法的正确性 规则的正确性 输入 假设正确 不完整或错误 意外输入 难以处理 照样处理 输出 总是正确 依赖于问题的不同 解释 没有 通常有 应用 数值、文件或文本 符号推理 执行 一般按顺序 随机 程序设计 结构化设计 很少或没有结构 修改 难 较易 扩充 要作很大改动 可逐步增加 第五章 基于规则的专家系统工具——CLIPS 5.1CLIPSll31基本语法介绍 5.1.1概述 CLIPS是“C语言集成产生式系统(C Production LanguageIntegrated System)” 的首字母缩略词,它是美国航空航天局/约瀚逊太空中心用c语言设计的,他的 特点是简便、低成本和易于与外部系统集成。CLIPS是一种多范例编程语言,它 支持基于规则的、面向对象的和面向过程的编程,其推理和表示能力与OPS5相 语言的规则极为相似,它仅支持正向链规则。 5.1.2基本组成 基于规则的CLIPS的基本组成是: 1)事实列表(FactList):包含推理所需的数据,通常由系统默认事实和 定义事实构成一个事实库; base):包含所有规则,通常用自定义规则形成 2)知识库(Knowledge 知识库; 3)推理机(Inference Engine)..按一定推理机制进行推理并对运行进行总体 控制。 推理机的推理过程为:读入当前插入的事实,与知识库中的间接规则的前件 相匹配,并将匹配成功的规则的结论读入工作内存中:将上一步得出的中间结论 作为新的事实与知识库中的直接规则的前家相匹配;如果工作内存中的事实达到 一种稳定状态即再无新的事实产生时,结束推理过程,输出专家系统的建议或结 论。 5.1.3 CLIPS基本语法构成 CLIPS包含自定义模板结构、自定义事实结构和自定义规则结构三个主要的组 成部分。 5.1.3.1自定义模板结构 事实被创建之前,必须告知CLIPS一个给定关系名的合法槽列表。共享相 16 同的关系名和包含共同信息的几组事实可以利用自定义模板来描述。自定义模板 结构的一般格式为: name CLlPS(deftemplaterelation (slotslot—name)l(multislotslot—name)) 其中slot表示单字段槽,multislot表示多字段槽。 本文专家系统程序使用了五个自定义模板: MAiN::food (deftemplate (mulfislotname) (slottemperature) (slotcf(type FLOAT)) (slot enthalpy(typeFLOAT)) (slot FLOAT))) density(type MAIN::find (deflemplate (slotname)) MAIN::findl (deftemplate (slotname)) MAIN::find2 (deftemplate (slot cO) MAIN::coefficient (deftemplate (multislot name) (slot¨ (slotcf(typeFLOAT))) 自定义模板food用于储存关于冷藏食品的信息,包括食品的种类、各种不 同的设计库温、食品重度、不同温度下食品的比焓;自定义模板find说明了食品 定义模板findl说明了小型组合式冷库的种类,这是由name槽值决定的,规则 的cf槽值中获取该值,然后查找cf槽值与?cf约束值相同的所有food事实;自 定义模板coefficient用于储存关于各种小型组合式冷库库容量与蒸发面积之间的 经验比值的信息。 5.1.3.2自定义事实结构 在程序运行前已知是正确的事实(由字段组成),可以自动声明为一组事实 (CLIPS系统中的初始知识),这就称为自定义事实。其结构的一般格式如下: name CLIPS(deffactsdeffacts facts) 本文结合食品信息的特点,采用对象.属性.值(OAv)三元组表示有关冷藏 食品的知识、经验数据,这些OAV三元组在CLIPS中通过使用下列的自定义事 实结构来表达: (deffactsinitial-phase (phase choose—refrigeratory)) MAIN::food-information (deffacts (enthalpy?enthalpy)(density?density)) MAIN::coefficient·information (deffacts (coefficient(name?name)(k?k)(cf?c聊 每个事实根据与专家提供的设计库温计算出的隶属度联系起来。这些隶属度 的变化范围从0到1,隶属度的值越大,表明专家选取该库温作为设计库温的可 信度也越高。 5.1.3.3规则结构 在定义出事实之后,事实还要满足什么样的条件,专家系统才能完成有用的 工作,这称为规则。其结构的一般格式如下: CLIPS(defrulerule—name patterns+;模式部分,相当于IF = actions*);行为列表部分,相当于THEN 需要注意的是:整条规则必须用括弧括起,规则中的每一个模式()和行为 必须用括弧括起。一条规则可能有多个模式和行为。如果模式和行为被嵌套,则 将它们括住的括弧必须适当地配对。所有的模式与事实匹配,规则才会被激活并 被放入议程中,按CLIPS自动生成的优先级顺序执行。 本文专家系统程序的规则既有简单模式规则又有多模式规则,例如: MAIN::ehiled--food-·choose (clefrule (phasechilled·-food··select) = t”请您从下列选项中选取将要冷冻的食品(请从键盘中输入括 (printout 号中的英文):”crlf ””crlf ”猪肉一(pig)”crlf ”牛肉.(beef)”erlf ”羊肉.(mutton)”crlf ”肉禽混合类(牛肉,羊肉,猪肉,兔肉及其副产品)一(rq) ”鱼虾一(”)”crlf) (assert(find(name(read)))) (assert(phasechilled-temperature))) 该规则就是简单模式规则,它只有一种模式,确定当前正在进行冷藏食品的 选择。而规则 MAIN::frozen—food—weight (defrule caculmionl) (phase (fast-frozen—food?food) ==) t”请您输入冻结”?food”的重量(公斤)?”cdf) (printout 2(read)))) (assert(food-weight—select 是多模式规则,第一种模式确定当前进行的是计算状态,第二种模式确定用 户选择的是哪种食品。显然,无论是哪一类的规则,只有所有模式与事实匹配, 该规则才被置于议程之中。并且,第一种模式与第二种模式以及第N中模式之 间隐含着and关系,即只有所有模式都必须与事实匹配。 5.1.3.4议程与执行 可以用运行run命令使CLIPS程序运行,run命令的语法结构是: (run【limit]) ; 参数口是要被触发的规则的最大数目,如果 ; [1imit]没有输入或等于-1,则规则会被触发, :知道议程中无规则剩下为止 规则需要事实来执行,在CLIPS中reset命令是启动或重新启动专家系统的 主要方法,一般地,用reset命令声明的事实与一条或多条规则的模式相匹配, 并把这些规则的激活状态置于议程之中,发出run命令则开始执行该程序。 5.2模式匹配 5.2.1变量 和其他语言一样,CLIPS有一些变量可用来保存变量值。CLIPS中的变量在 语法上由一个问号后接一个标识字段名组成,在本文中用到的一些变量如下: ?density ?weight ?time ?heat ?enthalpy ?name ?temperature 在规则的LHS上可使用这些变量保存槽值,这些槽值可与规则的LHS上的 其它值相比较,或者可以在规则的RHS上访问这些槽值。例如,在上述的规则 部分的变量?food的值被LHS部分的变量?food所约束,并把该值用于打印输出 语句。 5.2.2字段约束 除了文字常量和变量约束的基本模式匹配能力之外,CLIPS还有很多功能很 强的模式匹配方式,比如字段和字段组合约束,常见的有三种:或字段约束,与 字段约束,非字段约束及其组合约束。下面这条规则使用了与非字段组合约束来 约束用户的错误输入: bad—customer-select (defrule ?phase·(phasechoose—refrigeratory) ?select·(customer-select~Rl&~R2&~R3&~R41 (retract?select?phase) (assert(phasechoose·refrigeratory)) R1orR2R3 t”Choose or or (printout R4.”erlf)) 输入时,提示用户并重新打印出询问问题。 5.2.3函数 数等等。 2 (defruleheat—computel caculaionl) (phase ?fl-(in-food—enthalpy—fast?enthalpyl) (food—enthalpy—zero?enthalpy2) (food—weight?weight) = (retract?fl、 (assert(heal?heal))) Bind函数为防止重复计算,采用临时变量来存放结果,可以将一个变量的 则记录用户从键盘上输入的数据(见规则chilled—food—choose)。 5.2.4测试条件元素和谓词字段约束 在本文程序编写中,要重复进行一个计算或重复其它的信息处理,因此设置 了测试条件元素,根据对表达式的计算结果,使循环自动停止。这种测试条件元 素不是与事实列表中的事实进行模式匹配,而是计算表达式。如果表达式计算结 果是不为FALSE的任何值,则测试条件元素满足,否则,不满足。规则只会在 所有的测试条件元素与其它模式都满足时才会被触发。其语法结构如下: nestpredicate—function) ask-timel (defrule (phasecaculationl) (timeI?time) (test(?time24)) = (assert(time?time))) 一般情况下,领域专家认为(有证据显示O.8)速冻库的运行时间应当小于 24小时(即在24小时内,库温降到设计库温),否则,要调节机组制冷量,提 会被触发。 谓词字段约束类似于在模式之后直接执行一次测试,可以对数据进行出错检 提示用户要注意食品的重量必须大于零,并要求用户重新输入。 (defrulebad—weight—select ?phase-(phasecaeulationl) O)) = (retract?phase?choice) eaculationl)) (assert(phase (printoutt”Warning:食品的重量必须大于0公斤.”crlf “”crlO) 5.3执行控制 5.3.1约束检查 为有利于专家系统的开发和维护,在CLIPS程序中,采用约束检查来控制 语义上的错误,主要有两种方法:静态约束检查和动态约束检查。前者利用自定 义模板对任何槽的属性实施限制以及检查约束规则LHS和RHS中变量的一致 性。例如: MAIN::coefficient (deftemplate (multislotname) (slotk) (slot FLOAT))) cf(type 量?time与RHS中的变量?time的值必须相同;后者检查当事实被声明时对该事 实执行检查,能检查出语法检查阶段所不能检查出来的错误。 5.3.2控制流 对一个专家系统,实现程序的控制或者实现控制流,有几种方法: (1)直接将控制知识嵌入规则中,虽然可以实现程序的控制,但控制知识 和领域知识混在一起难以理解,且必须所有的其它规则都触发。 (2)应用优先级来组织规则。它按照设定的优先级数字值的大小,顺序地 出发规则。但控制知识仍被嵌入到使用优先级的规则中,其并不保证正确的执行 顺序。 (3)将控制知识与领域知识分离。本文专家系统程序的控制采用这种方法, 既易于理解又能决定一个阶段完成的时间。对每个规则都给予一个控制模式,指 示它的适用阶段,然后写出控制规则以便在不同时期转换控制。如图5-1所示: 专家知识 控制知识 图5—1领域知识与控制知识分离控制流 (defrulelife—serving—customer-select ?phase-(phasechoose-refrigeratory) ?select_(customer-selectRO =》 (retract?phase?selecO (assert(phaselife—serving—design))) fast··frozen--customer--select (defrule ?phase-(phasechoose-refrigeratory) R孙 ?select一(customer—select = (retract?phase?select) fast—frozen—design)) (assert(phase (assert(findl(namefast—frozen—refrigeratory)))) low-customer-select (defrule ?phase-(phasechoose—refrigeratory) ?select一(customer—selectR3) =? (retract?phase?select) low-R3))) (assert(phase (defrule high—customer-select ?phase一(phasechoose—refrigeratory) R4、 ?select-(customer-select (retract?phase?seleet) high·refrigeratory-design))) (assert(phase 适用于特定阶段的每一条规则都被给予一个控制模式,此模式用于确认适当的控 制事实已出现。 本文中,程序执行的优先级可以用图5-2来描述: 同上图比较,增加了两个附加层次:约束规则和询问规则。约束规则检查非 法或多余的规则:询问规则向用户询问一些特定的问题以协助专家作出回答,当 然,只有在专家不能得到更多信息时才使用询问规则。 圜圜图圜 .mmll.。....。。111.。。l 图j一2总体程序执行优先级层次 第六章 专家系统知识表示 6.1知识 知识在专家系统中非常重要,有两个原因:一是专家系统的外壳是为某种类 型的知识表示方法设计的,象规则;一是一个专家系统表达知识的方式影响着系 统的开发、效率、速度和维护。知识是人类在改造现实世界的实践中认识和经验 的总和,在计算机科学智能程序设计中的研究知识仅仅是有关现实世界的一部分 知识。知识的类型主要有: 一、对象性知识 根据我们现实世界中的有关对象事实来考虑知识,来表达这些对象本身的类 型或种类及对象描述的方法。例如:鸟有翅膀;学是白的等。 二、事件性知识 在现实世界中所发生的动作和事件,这种知识除了表示事件自身的记述外, 还必须表示事实的类属与特征,同时涉及到对象、时间过程及其因果关系。例如: 2008年要在北京举行夏季奥运会;中国足球队44年后冲出亚洲,走向世界杯等。 三、性能性知识 表达如何做一件事情及其技巧的性能,它是一类行为所包含的、超出了对象 性和事件性之外的那部分知识,这类知识可以决定一个人独立工作的能力、解决 问题水平和创造力。例如:“罗纳尔多球踢得很好”就有“踢”的技巧:“某人字 写得很好”有“写”的技巧等。 四、元知识 在现实世界中使用我们原先已知的知识,比如在研制专家系统时我们所使用 和控制该领域知识的知识。例51:h对某个特殊事物知识的了解程度和来源,或对 某种信息的可靠性估计,以及知道现实世界中的特殊事件的相关重要性;包括己 知道的我们自身的性能:我们的精力、弱点、在不同领域的水平,以及对解决问 题的进展、感觉等。 6.2知识表示技术 知识有很多表示技术,包括产生式系统、语义网、框架、脚本、对象. 属性.值三元组以及知识表示语言。本文采用产生式系统来描述知识。 6.2.1产生式系统 一个产生式系统‘41包括:一个数据库,一个规则库,一个控制模块。 一、数据库 用来存放与求解问题有关的数据,例如:进行冷库设计时,它包含了冷 库冷藏各类食品的数据,“猪肉”的重度、在各个温度下的比焓、设计库温 等数据。 数据库里存放的数据包含了大量的领域专家们的经验数据和知识。在编 写小型组合式冷库设计专家系统时,拜访了五位专家,他们在这一领域有着 丰富经验。从小型组合式冷库设计的特点可以知道,在设计中困扰设计新手 们的主要问题是一些经验数据的选取。由于对小型组合式冷库的压缩冷凝机 组通常采用水冷式,其冷凝温度一般为35。C,因而,所涉及的经验数据集 中于“设计库温”,在五位专家的大力协作之下,作为专家系统的认知部 分,可以理解为以下内容: (一)冷间设计库温 (1)冻结间 i)肉、禽、兔、冰蛋、蔬菜、冰淇淋,对于这类食品,专家们认为适宜的设 计温度区间分别为: 专家一:.20℃~一23℃ 专家二:一20℃~一23℃ 专家三:一18℃~一2l℃ 专家四:一18℃~一22℃ 专家五:一19℃~一21℃ ii)鱼、虾,对于这类食品,专家们认为适宜的设计温度区间分别为 专家一:一25℃~一28℃ 专家二:一24℃~一27℃ 专家三:一25℃~一27℃ 专家四:一24℃~一26℃ 专家五:一25℃~一29℃ (2)高温冷藏间 对于高温冷藏间,专家们一致认为最适宜的设计库温为3。C。 (3)低温冷藏间 i)冻肉、冻禽、冻兔和副产、冰蛋、冰淇淋、冰棒等,对于这类食品,专 家们认为适宜的设计温度区间分别为: 专家一:一17℃~一19℃ 专家二:一17℃~一19℃ 专家三:…17C19。C 专家四:一17℃~一19℃ 专家五:一17℃~一19℃ ii)冻鱼、冻虾等,对于这类食品,专家们认为适宜的设计温度区间分别为: 专家一:一19℃~一21℃ 专家二:一23℃~一25℃ 专家三:-16C~一20℃ 专家四:一19℃~一21℃ 专家五:一20℃~一24℃ (二)各类食品入库温度 (1)高温冷藏库 专家们一致认为最适宜的入库温度为25。C。 (2)低温冷藏库 专家们一致认为最适宜的入库温度为.5C。 (3)速冻库 专家们一致认为最适宜的入库温度为20C。 除此之外,在经验计算方法章节(2.4.2)中所涉及的有关经验数据和知 识都是拜访领域专家们的结果,它们都以自定义事实结构被存放在数据库中。 二、规则库 用来存放规则,或叫产生式,这些规则表示了问题领域中的一般知识。 例如:它包括冷库设计中所需要的规则,每个规则包括一个条件部分C和 一个动作部分A(本文所使用的专家系统编程语言CLIPS也包括),其形式 如下: 如果(IF)C则(THEN)A 象本文所编写的一个判断规则: (defrulebad-weight-select ?phase-(phasecaculationl) 0)) = (retract?phase?choice) (assert(phasecaculationl)) (printoutt”Warning:食品的重量必须大于0公斤.”crlf ””crlO) 如果(1)现在进行的是计算模块,且 (2)用户输入的数据值小于或等于0 则:输出警告“食品的重量必须大于0,并请用户重新输入数据值”。 参照数据库和询问用户有关数据可以知道规则的条件是否满足。规则的动作 部分可以有不同的内容,例如,它可以是在当前有关问题求解的知识库中增加某 些事实,也可以是让用户做某些事情,例如请用户回答一些问题,等等。 三、控制模块 对规则进行选择使用,结果产生了对数据库的增、删、改。在传统的产 生式系统中,控制模块采用数据驱动的方法,即在数据库中循环查找,以找 到数据库能满足其条件部分的规则。如果找到这样的规则,就执行其动作部 分。在大多数情况下,动作的结果改变了数据库中的事实,从而使得其他规 则的条件得以满足。控制模块继续执行直到至少满足以下任何一个条件为 止: (1)问题已得到解决(目标达到); (2)当前没有任何规则的条件能得到满足。 以本文小型组合式冷库设计专家系统为例,它是一个包含以下规则的产生式 系统: (defruletemperature·-down--heat (phaSe life—serving-design) ?hl.(in-food—enthalpy-life?enthalpyI) ?h2-(mixed-food-enthalp

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