生物質成型機性能評價系統設計

徐 虹，劉會麗

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

隨著經濟的發展，能源消費量逐年遞增，而能源供應卻趕不上經濟發展的速度，以致能源價格不斷地攀升，不斷刷新的能源價格又制約著經濟的發展。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，生物質能有著非常重要的位置。中國有著豐富的生物質資源，利用生物質成型機對秸稈進行固化成型有很重要的意義。雖然生物質成型機在一些地方已經開始試用，但是很難大規模推向市場，因為生物質成型機的總體性能以及機器選型設計存在很大問題。成型機性能的好壞，對于創造較高的生產率、商品率和利潤率有著重要影響，文獻在這方面做了很多研究也提出了一些方法，但是，由于生物質成型機性能的評價是一個復雜系統，許多指標都是模糊的，不能夠直接量化和表達，數學模型也很難建立。在這種情況下，就必須用專家系統(Expert System)來解決這一問題。當然依靠專家的知識和經驗進行科學評價的方法也存在很多問題，比如專家的經驗和知識只能依靠傳統的方法來發揮作用，還不能方便快捷地在計算機上實現。為此，在生物質成型機性能總體評價和選型中引入專家系統技術，形成了生物質成型機性能評價與選型專家系統(Expert System for Evaluating the Overall Function of Briquetting Biomass Fuel Machine and its Selection，減記BBFMES)。這一系統為科學地評價生物質成型機的總體性能，根據不同秸稈源和要求合理地確定機器型號提供了有效的手段。

1． BBFMES原理和構成

BBFMES的基本原理是以成型機的性能綜合評價指標體系為依據，借助于有關專家的知識和經驗，通過智能推理機給出設備的總體評分，并結合專家知識經驗給出成型機設計主要參數。該系統主要由知識庫、數據庫、推理模塊、編譯及控制模塊等幾部分組成，其結構如圖1所示。

圖1 BBFMES系統結構

2． 知識庫的設計

該部分是BBFMES的核心，是決定專家系統性能的主要因素，針對BBFMES的主要功能，其知識庫主要包括:生物質成型機的總體性能評價指標體系、成型機性能的評分標準、某種秸稈類型(麥秸稈，玉米秸稈，棉花秸稈等)的特點等等。

2．1 知識的獲取

專家系統中的知識由共性知識和個性知識兩部分組成，BBFMES中的共性知識為該類機器總體性能評價的一般標準，但是由于生物質機械成型的原理不同其性能評價標準和選型的依據也不盡相同，所以根據不同的設計原理和作物秸稈的不同可以將有關知識歸納為個性知識。

2．2 知識的表達

為了方便快捷地實現計算機操作，必須對專家系統中的知識進行系統的表示，根據設計知識的特點和計算機表達的可實現性，我們采用Turbo－prolog語言來表達知識庫中的內容。主要有兩種方式表示，一是基于規則的表達方式即把事實和數據分類，放在prolog規則中;二是基于邏輯表達的方式即把事實和數據構成子句，形成知識庫。基于規則的表示法，缺點就是由于產生或規則是放在程序中的，因此程序的規模將隨著規則的增加而增長，但是現在隨著計算機儲存設備價格的下降，成本已經下降很多。而基于邏輯的表示法，是把知識庫存放在磁盤文件中，無需考慮知識庫大小的限制，并且實現也很方便，所以，BBFMES的知識將采用基于邏輯的表示法。

3． 推理模塊的設計

推理是指從已有事實推出新事實(或結論)的過程，是一種證明在一系列假設中隱含結論的系統化方法，是知識的正確選擇和綜合運用。在BBFMES中，首先設計了基于Turbo－Prolog內部合一特點的推理機，它可以借助于用戶對成型機各種性能指標的有關信息來推出各指標的分數，在此基礎上，我們還設計了一個基于層次分(AHP)的集成變換器，它可以將推理機得到的分數通過適當的處理構成判斷矩陣，然后按照AHP的方法評價出每種類型機械的總體性能，因此，帶有AHP模塊的推理系統可以實現對生物質成型機性能評價的定性推理與定量計算的綜合集成，其結構功能如圖2所示。

圖2 BBFMES推理模塊

4． BBFMES用戶界面設計

用戶界面的設計對于專家系統來講很重要，該系統的功能是在人和機器的互動過程(Human Machine Interaction)中實現的，因此界面設計要從感覺和感情兩個層次著手，總體設計上把握置界面于用戶的控制之下、減少用戶的記憶負擔、保持界面的一致性這三條原則，先結構設計、交互設計再進行視覺設計。在BBFMES中，充分考慮人的因素，本著方便快捷實用高效的原則設計出人機交互界面，并保持屏幕設計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． 系統應用實證

以新型螺桿擠壓式生物質成型機為例，參照文獻3和文獻6中的評價細則，在計算機上實現這一系統。該系統中的成型機評價指標和具體評分標準都遵循一定原則，并在系統工程理論的基礎上使用Delphi方法進行專家咨詢論證。整個評價指標體系由6個一級指標(分別記為B1，B2，…，B6)和25個二級指標(分別記為 C1，C2，…，C25)組成。

BBFMES將具體評分細則以規則形式編入知識庫，以“一級指標”成型機性能B4為實例，該指標是由螺桿部分耐磨性C19、低能耗C20、產能C21、易操作C22以及外觀質量和造型C23等5個二級指標構成的，這樣根據具體評價細則和分數量值，可以用運籌學的方法得到，以低能耗C20為例進行實證:

Topic(“低能耗 C20”)

cond(1，“壓塊成型主機能耗低”)

cond(2，“壓塊成型主機能耗低，電輔加熱部件能耗低”)

cond(3，“壓塊成型主機能耗低，粉碎、烘干主機能耗低”)

cond(4，“整條設備生產線能耗低”)

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)和規則(rule)構成了分數這一知識，“低能耗C20”是需要評定的指標。在rule句子中第一個參數表示rule的序號，第二個參數表示評定指標的名稱，第三個參數表示在該評分體系中的分數值，第四個參數表示條件索引，其值要調用cond句子中各種分數條件編號。在rule中的規則編號是推理時訪問分數知識庫使用的。按此規則專家評委就可以借助于對成型機的初步判斷和評價得出各指標的具體分數值，在此基礎上，系統中的AHP模塊將不同量綱的指標轉化為相同量綱的分數值。然后對于待比較的兩類成型機，以各自相對于同一指標的得分之比表示它們相對于該指標的重要性程度，從而形成判斷矩陣，最后按AHP方法求得每種成型機的總體性能。表1是對三種型號成型機的總體性能評價結果，可以看出，新型螺桿式擠壓式生物質成型機總體性能最好，這與文獻3所得的結果具有一致性。

表1

5． 結束語

事實證明將系統工程的思想和方法引入專家系統，并以此設計出的BBFMES具有一定的有效性和實用性，這一系統結構清晰，方法可靠，方便快捷，評價實例結果與定性鑒定基本相符，客觀真實地反映了生物質成型機性能的實際水平，這將對生物質成型機的設計、制造、選型以及成功的推向市場提供了科學的手段和工具。

［1］汪應洛．系統工程［M］．北京:機械工業出版社，2011．

［2］劉圣勇，趙迎芳，張百良．生物質成型燃料燃燒理論分析［J］．能源研究與利用，2002(6)．

［3］王森．螺桿擠壓式生物質成型機優化設計與試驗［D］．河南農業大學，2008．

［4］劉俊紅，王許濤，張百良．生物質成型燃料在農村推廣的經濟性分析［J］．安徽農業科學，2007(11)．

［5］劉圣勇，王艷錦，楊群發，王智展，郭前輝，楊國峰，王曉東．生物質致密成型燃料燃燒機理研究進展［J］．安徽農業科學，2009(24)．

［6］樊峰鳴．我國農村秸稈成型燃料規模化技術研究［D］．河南農業大學，2005．

［7］葉繼昌，王登峰，楊印生．農業機械性能評價及選型專家系統的設計［J］．農業機械學報，1995(3)．