生物质成型机性能评价系统设计

2011-01-29刘会丽

中州大学学报 2011年5期

徐虹，刘会丽

(1．河南省郑州种畜场，郑州450045;2．郑州师范学院，郑州450044)

随着经济的发展，能源消费量逐年递增，而能源供应却赶不上经济发展的速度，以致能源价格不断地攀升，不断刷新的能源价格又制约着经济的发展。为解决这一难题，世界各国把目光投向了可再生能源，在可再生能源中，生物质能有着非常重要的位置。中国有着丰富的生物质资源，利用生物质成型机对秸秆进行固化成型有很重要的意义。虽然生物质成型机在一些地方已经开始试用，但是很难大规模推向市场，因为生物质成型机的总体性能以及机器选型设计存在很大问题。成型机性能的好坏，对于创造较高的生产率、商品率和利润率有着重要影响，文献在这方面做了很多研究也提出了一些方法，但是，由于生物质成型机性能的评价是一个复杂系统，许多指标都是模糊的，不能够直接量化和表达，数学模型也很难建立。在这种情况下，就必须用专家系统(Expert System)来解决这一问题。当然依靠专家的知识和经验进行科学评价的方法也存在很多问题，比如专家的经验和知识只能依靠传统的方法来发挥作用，还不能方便快捷地在计算机上实现。为此，在生物质成型机性能总体评价和选型中引入专家系统技术，形成了生物质成型机性能评价与选型专家系统(Expert System for Evaluating the Overall Function of Briquetting Biomass Fuel Machine and its Selection，减记BBFMES)。这一系统为科学地评价生物质成型机的总体性能，根据不同秸秆源和要求合理地确定机器型号提供了有效的手段。

1． BBFMES原理和构成

BBFMES的基本原理是以成型机的性能综合评价指标体系为依据，借助于有关专家的知识和经验，通过智能推理机给出设备的总体评分，并结合专家知识经验给出成型机设计主要参数。该系统主要由知识库、数据库、推理模块、编译及控制模块等几部分组成，其结构如图1所示。

图1 BBFMES系统结构

2．知识库的设计

该部分是BBFMES的核心，是决定专家系统性能的主要因素，针对BBFMES的主要功能，其知识库主要包括:生物质成型机的总体性能评价指标体系、成型机性能的评分标准、某种秸秆类型(麦秸秆，玉米秸秆，棉花秸秆等)的特点等等。

2．1 知识的获取

专家系统中的知识由共性知识和个性知识两部分组成，BBFMES中的共性知识为该类机器总体性能评价的一般标准，但是由于生物质机械成型的原理不同其性能评价标准和选型的依据也不尽相同，所以根据不同的设计原理和作物秸秆的不同可以将有关知识归纳为个性知识。

2．2 知识的表达

为了方便快捷地实现计算机操作，必须对专家系统中的知识进行系统的表示，根据设计知识的特点和计算机表达的可实现性，我们采用Turbo－prolog语言来表达知识库中的内容。主要有两种方式表示，一是基于规则的表达方式即把事实和数据分类，放在prolog规则中;二是基于逻辑表达的方式即把事实和数据构成子句，形成知识库。基于规则的表示法，缺点就是由于产生或规则是放在程序中的，因此程序的规模将随着规则的增加而增长，但是现在随着计算机储存设备价格的下降，成本已经下降很多。而基于逻辑的表示法，是把知识库存放在磁盘文件中，无需考虑知识库大小的限制，并且实现也很方便，所以，BBFMES的知识将采用基于逻辑的表示法。

3．推理模块的设计

推理是指从已有事实推出新事实(或结论)的过程，是一种证明在一系列假设中隐含结论的系统化方法，是知识的正确选择和综合运用。在BBFMES中，首先设计了基于Turbo－Prolog内部合一特点的推理机，它可以借助于用户对成型机各种性能指标的有关信息来推出各指标的分数，在此基础上，我们还设计了一个基于层次分(AHP)的集成变换器，它可以将推理机得到的分数通过适当的处理构成判断矩阵，然后按照AHP的方法评价出每种类型机械的总体性能，因此，带有AHP模块的推理系统可以实现对生物质成型机性能评价的定性推理与定量计算的综合集成，其结构功能如图2所示。

图2 BBFMES推理模块

4． BBFMES用户界面设计

用户界面的设计对于专家系统来讲很重要，该系统的功能是在人和机器的互动过程(Human Machine Interaction)中实现的，因此界面设计要从感觉和感情两个层次着手，总体设计上把握置界面于用户的控制之下、减少用户的记忆负担、保持界面的一致性这三条原则，先结构设计、交互设计再进行视觉设计。在BBFMES中，充分考虑人的因素，本着方便快捷实用高效的原则设计出人机交互界面，并保持屏幕设计和色彩搭配的一致性，此外还配以语音输入、输出、自然语言交互等柔性I/O模块。

5．系统应用实证

以新型螺杆挤压式生物质成型机为例，参照文献3和文献6中的评价细则，在计算机上实现这一系统。该系统中的成型机评价指标和具体评分标准都遵循一定原则，并在系统工程理论的基础上使用Delphi方法进行专家咨询论证。整个评价指标体系由6个一级指标(分别记为B1，B2，…，B6)和25个二级指标(分别记为 C1，C2，…，C25)组成。

BBFMES将具体评分细则以规则形式编入知识库，以“一级指标”成型机性能B4为实例，该指标是由螺杆部分耐磨性C19、低能耗C20、产能C21、易操作C22以及外观质量和造型C23等5个二级指标构成的，这样根据具体评价细则和分数量值，可以用运筹学的方法得到，以低能耗C20为例进行实证:

Topic(“低能耗 C20”)

cond(1，“压块成型主机能耗低”)

cond(2，“压块成型主机能耗低，电辅加热部件能耗低”)

cond(3，“压块成型主机能耗低，粉碎、烘干主机能耗低”)

cond(4，“整条设备生产线能耗低”)

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］)

该句组题目(topic)、条件(cond)和规则(rule)构成了分数这一知识，“低能耗C20”是需要评定的指标。在rule句子中第一个参数表示rule的序号，第二个参数表示评定指标的名称，第三个参数表示在该评分体系中的分数值，第四个参数表示条件索引，其值要调用cond句子中各种分数条件编号。在rule中的规则编号是推理时访问分数知识库使用的。按此规则专家评委就可以借助于对成型机的初步判断和评价得出各指标的具体分数值，在此基础上，系统中的AHP模块将不同量纲的指标转化为相同量纲的分数值。然后对于待比较的两类成型机，以各自相对于同一指标的得分之比表示它们相对于该指标的重要性程度，从而形成判断矩阵，最后按AHP方法求得每种成型机的总体性能。表1是对三种型号成型机的总体性能评价结果，可以看出，新型螺杆式挤压式生物质成型机总体性能最好，这与文献3所得的结果具有一致性。