基于LINGO的在線陶瓷礦產資源管理知識庫的設計與實現

鐘 玲， 郭 婷， 張 明

(1 沈陽工業大學 信息科學與工程學院， 沈陽 110870； 2 遼寧省輕工科學研究院， 沈陽 110036)

引言

中國陶瓷工業的發展雖然已有悠久歷史，但對其研究水平還處于亟待深入的階段與層面。當前，國內陶瓷礦產資源的利用，缺乏科學合理的規劃和綜合便利措施，難以滿足現代化陶瓷工業可持續發展的要求[1]。陶瓷礦產資源大多都是天然的礦物或巖石原料，其中硅酸鹽礦物居多，這些陶瓷原料種類繁多且資源豐富。通常，原料的種類越多，原料之間的相互影響作用越復雜，原料的配比就越難把握[2]，因此，在資源利用中重要的配方優化研究方面，以往對陶瓷配方優化的研究往往要預先給定原料，僅優化原料配比部分[3-4]，這就極大限制了陶瓷配方工業化的發展。

針對上述問題，構建完善的陶瓷礦產資源管理知識庫，即已成為研究熱點。不僅可以保存和提煉有關陶瓷生產中的寶貴數據和生產經驗，而且也為陶瓷礦產資源的有效利用提供更加先進和智能化的方法[5]，同時又研究解決了多原料擇優選取的問題，真正實現了從多種陶瓷礦產原料中進行原料的精細選取并給出最優化配方。

1 系統目標與開發工具

系統從陶瓷生產廠商的實際發展需求和資源條件出發，對陶瓷工業過程中涉及應用的相關業務進行信息化完善，并且整合系統功能的優化和運營方法改進，促進陶瓷工業過程中礦產資源的優化管理及合理化開發使用，幫助領域專家、采購員及技術員等將陶瓷礦產資源信息的管理、配方信息的管理、配方生成和權限管理等集成起來，建立完整的信息數據鏈，使得相關知識和成熟經驗可以得到及時的獲取和更新，為陶瓷工業的可從眾多原料中析取的最佳篩選、優化配方等提供了決策支持，節能、高效地完成當前陶瓷產業的日常生產活動，力爭實現陶瓷工業的全面、協調、可持續發展。

在開發過程中運用到的工具主要有:搭建客戶端和服務器端的IntelliJ IDEA，服務器端使用Tomcat服務器，數據庫配置為MySQL。優化部分采用LINGO11.0.1.0實現。

LINGO是美國LINDO(Linear Interactive and Discrete Optimizer)系統公司開發的一套專門用來求解最優化問題的軟件包，可以用來求解 LP(線性規劃)、IP(整數規劃)和QP(二次規劃)問題[6]。LINGO除了可求解線性和二次規劃問題，還可以用來求解非線性規劃和整數規劃。LINGO在呈現了一個可以互動的用戶界面的同時，還包括了一個可調用的編程接口。LINGO的API在優化處理中為應用程序開發人員提供了最大的控制，并使得用戶設計開發一個新的算法以匹配一個特定模型的需要即已成為現實可能。

2 系統實現

2.1 系統概要設計

知識庫是存儲、組織和處理知識以及提供知識服務的重要知識集合[7]。引入知識庫系統技術，從而推進對陶瓷原料的智能化研究及優化利用，不僅有利于陶瓷工業的穩健發展，更有利于社會區域經濟的可持續、協調發展。對提高區域陶瓷礦產資源利用率和建設資源節約型、環境友好型社會、以及強化科技公共服務能力具有重要意義。

在充分理解陶瓷礦產資源管理相關知識與技術的基礎上，結合用戶需求，設計得到的系統功能模塊結構如圖1所示。

圖1 系統功能模塊結構圖Fig. 1 Structure diagram of system function module

由圖1可以看出，系統主要功能模塊有原料知識管理模塊、配方知識管理模塊、配方生成模塊及用戶管理模塊。這些模塊之間依序銜接并協調構建系統工作流程，使信息在模塊間傳遞與共享，共同在設計任務時合理發揮功能作用。

2.2 功能模塊詳細設計

(1)原料知識管理模塊主要功能。用戶可以實現對陶瓷礦產資源信息中的原料知識進行條件查詢。同時，后臺調用Apache POI還可將Excel表格內容自動導入到信息知識倉庫對應表格當中，從而顯示在頁面上。利用此項功能，采購部門可以方便、快捷地對知識倉庫中數據元組提供單一或批量的增加、刪除、修改操作。

(2)配方知識管理模塊主要功能。用戶可以實現對陶瓷工業信息中經驗成熟的配方知識進行條件查詢。同時，后臺調用Apache POI還可將Excel表格內容自動導入到經驗知識倉庫對應表格當中，從而顯示在頁面上。通過此項功能，領域專家可以方便、快捷地對經驗倉庫中數據元組提供單一或批量的增加、刪除、修改操作。

(3)配方生成模塊主要功能。明確生產要求，根據提示錄入需要生產的目標坯、釉料之后，經過優化計算，系統給出原料選擇與優化配方方案。這一過程中，先對經驗庫進行檢索，將基于距離計算的與目標坯、釉料相似度滿足領域專家根據建議預先設定閾值的生產經驗返回給用戶作為備選方案，同時，將配方模型優化后的方案也返回至用戶作為備選，再依據具體生產要求決定最終配方。

(4)用戶管理模塊主要功能。通過超級權限管理員將操作權限分配給不同的對象(領域專家、采購員、生產技術員、一般瀏覽用戶)，使其基于不同需求實現不同的操作內容。

(5)領域專家操作權限。主要實現對配方知識進行單一或批量性的新增、刪除、修改和查詢操作，同時可以對原料知識進行查詢，根據生產要求生成配方。

(6)采購員操作權限。主要實現對原料知識進行單一或批量性的新增、刪除、修改和查詢操作，同時可以對配方知識進行查詢，根據生產要求生成配方。

(7)生產技術員操作權限。主要實現對原料知識和配方知識進行單一或批量性的新增、刪除、修改和查詢操作，同時根據生產要求生成配方。

(8)一般瀏覽用戶操作權限?？梢詫υ现R、配方知識進行查詢瀏覽。

2.3 陶瓷配方推理機制

陶瓷目標坯、釉料往往由多種原料形成，因原料產地、成分等的差異，坯、釉料的質量問題尤其復雜。配方設計是陶瓷資源利用的一個關鍵問題，原料的構成對陶瓷產品的品質起著至關重要的作用[8]，因此研究陶瓷配方優化設計在陶瓷礦產資源管理知識庫設計中具有顯著重要意義。通過合理構建配方模型、選擇優化方法求解模型，研究解決多原料擇優選取的問題，如此即實現了從多種陶瓷礦產原料中成功選取原料并給出最優化配方。

2.3.1 配方模型

不同種類的坯、釉料和原料，有著不同的物理性質，同時化學工藝也是不同的，然而進行化學分析可知，一般的坯料和原料是由SiO2、Al2O3、Fe2O3、TiO2、CaO、MgO、K2O、Na2O等8種化學組成表示的，有些坯、釉料和原料還包括P2O5，但一般含量都比較小，因此在配方時，通常只選擇含量最多的8種化學元素[9]。將各種原料的用量作為優化變量(X1，X2，…，Xm)，在不考慮原料價格因素及運輸成本的控制時，優化目標是使坯、釉料化學組成無限接近生產目標的要求。即：

相對誤差A=(計算值Y-目標值B)/目標值B

(1)

A1=[(X1C11+X2C21+…+XmCm1)-B1]/B1

A2=[(X1C12+X2C22+…+XmCm2)-B2]/B2

…

An=[(X1C1n+X2C2n+…+XmCmn)-Bn]/Bn

約束條件∑Xi=100 (i=1，2，…，m)

Aj≥0 (j=1，2，…，n)

Xi≥0 (i=1，2，…，m)

(2)

研究中，針對多目標優化問題，常用的處理方式分為2類。一類是采用線性加權法將多目標優化轉換為單目標優化;一類是采用Pareto最優策略尋優。本文將多目標問題轉化為單目標問題求解，設定計算值與理論值相對誤差大于等于零，再以絕對誤差的總和作為目標函數，進行優化求最小值。即最終的目標函數為：

(3)

其中，m=1，2，…，n。針對minS，涉及各元素的解析說明可見表1。

表1 min S信息Tab. 1 min S information

2.3.2 計算實例及結果分析

本系統集成了LINGO對該數學模型進行求解。為驗證其可行性，本文以某陶瓷生產廠家實際坯料配方數據為例。目標配方及原料的化學組成含量見表2。

表2 目標配方及原料化學組成含量Tab. 2 Target formula and chemical composition of raw materials

如表2，原料的種類數為20，根據生產目標及各種原料中SiO2、Al2O3、Fe2O3、TiO2、CaO、MgO、K2O、Na2O八種化學成分各組分 (不計灼減)的計算要求，產生一個8×14的矩陣，通過后臺集成的LINGO求解其Pareto解，原料選取及配方優化的結果可見表3。LINGO生成配方與目標配方的相對誤差值則可見表4。

表3 LINGO生成陶瓷配方Tab. 3 LINGO production ceramic formula %

表4LINGO生成配方與目標配方的相對誤差值

Tab.4TherelativeerrorbetweentheLINGOproductionformulaandthetargetformula

化學成分相對誤差化學成分相對誤差SiO20．099618CaO0．00599Al2O30．072462MgO0．078472Fe2O30．00166K2O0．338679TiO20．2326Na2O0．735607

通過實驗驗證了該軟件配方生成方法具有全局尋優的能力、以及良好精度與可靠性。

3 結束語

針對國內陶瓷工業領域現狀設計了陶瓷礦產資源管理知識庫系統，研發了原料知識管理、配方知識管理，配方生成及用戶管理等功能，就目前陶瓷配方研究中僅優化原料配比部分，難以在更大范圍內提供原料選優的現狀進行優化，實現了在滿足目標配方的前提下，從諸多種類原料中給出最符合生產要求的原料種類及其用量百分比的多原料選優，達到對陶瓷資源的有效管理和合理利用的目的。

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