专家系统在冶金中的应用.pdf

2 山西冶金 S HANXI ME n I URGY T o t a l 1 3 5 No ． 1 ， 2 0 1 2 文章编号 1 6 7 2 1 1 5 2 2 0 1 2 0 1 0 0 1M- 0 3 专家系统在冶金中的应用 李俊朝 ， 武金朋， 李明周， 张鹏 ， 刘 秀 江西理工大学， 江西赣州3 4 1 0 0 0 摘要 综述了专家系统的特征、 结构及其在冶金中的应用， 指出了专家系统作为智能程序在冶金中的巨大作 用， 展望其未来的发展趋势。 关键词 专家系统智能程序优化 中图分类号 T P 1 8 2 文献标识码 A 收稿 日期 2 0 1 1 1 1 1 1 专 家系统[ 1 ] E x p e r t S y s t e m， 简称 E s 产生 于 2 0世纪 6 O年代 中期 ， 属于人工智能的一个分支。近 年来 ， 各大研究者对专家系统 比较一致的、 粗略的定 义是 专家系统是一种相关领域中具有专家水平解 题能力的智能程序系统 ，它能运用领域专家多年累 积的经验与专业知识， 模拟人类专家的思维过程， 解 决各领域的困难问题。 一般地， 专家系统的知识是从 专业领域 的专家那 里提取而来被实践证 明了可行 的， 如同人类专家 ， 专家系统仅仅擅长于很窄的一类 问题 。 现有的专家系统不能在实践 中学习， 所有的知 识必须通过设计人员用形式化 的语言进行知识编 码 ， 同时在实践的过程 中不断完善。 专家系统不是人 脑结构的复制 ， 也不是一般智能机制的复制， 而是采 用 了启发式策略的实用的计算机程序⋯ 1 。它的出现 以其高性能和实用性引起了世界各 国的普遍重视 ， 美 国、 日本和欧洲等发达 国家都纷纷投入科学家进 行研究 ， 并己开发出许多高水平的专家系统 ， 它们将 人的感性经验和定理算法相结合 ，能够处理各种定 性与定量的、 精确与模糊的信息， 像人类专家一样解 决应用领域中的许多繁杂而又困难的问题。 现在， 专 家系统 己应用到数学、 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 路等众多领域中 。本文主要介绍其在冶金行业 中 的应用 。 1 专家系统的特征 1 ． 1 专家系统运行过程的开放性 用户可以随时检查程序的推理状态 ，并确定程 第一作者简介 李俊朝 1 9 8 6 一 ， 男， 江西理工大学在读 硕士研究生 ， 主要研究方向 冶金过程数值模拟及优化控制。 T e l 1 3 5 7 6 7 9 7 3 0 3 ， E - m a i l l j c 2 0 0 7 1 6 3 ． c o rn 序正在进行的特定选择与决策。决策者根据推理过 程 的解释再结合 自己的专业知识可以分辨出对错 ， 由于中间过程的开放性 ，就可以评估其 中每步决策 的合理陛。 当不完全认为其合理时， 可以添加新的信 息和新的规则 ， 从而改善程序的性能 。 这对于完善知 识库具有非常重要的意义。 1 ．2 专家系统的修正性 专家系统的修正性包括可以从知识库中增加或 删除条 目， 这点是 由 A I 编程语言和开发环境 、 设计 人员良好的编程方法提供的。比如在基于规则的专 家系统中，修改单一的一条规则不会有较大范围的 语法负效应 ，可以增加或者删除规则而不需要对程 序进行进一步的修改。经过多年的应用实践专家系 统开发人员 已经深刻认识到容易修改知识库是专家 系统开发的重要因素。 1 ． 3 专家系统采用启发式问题求解方法 专家系统开发人员经过长期的实践发现 ，不规 范的小窍门及经验法则远比教条的教科书标准理论 更重要 ， 它们有时可以扩展理论知识 ， 有时是解决问 题的捷径。 专家系统应用于各个领域 ，不 同领域的专家系 统所需处理的问题可能完全不同，主要包括以下几 类 解释、 预测、 诊断、 设计 、 规则、 监视、 调试与修复 、 教学、 控制等等。 2 专家系统的结构 专家系统有许多的结构，最典型的是基于规则 的专家系统。 如下页图 1 所示， 用户通过用户接口与 专家系统交互， 这样方便用户使用， 并且隐藏了系统 的复杂性 比如规则库的内部结构 。 解释子系统为 用户提供推理说明， 包括产生结论的理由， 系统需要 特别数据的原因。 在有些实验系统中， 还包括指南说 2 0 1 2 年第 1 期 李俊朝， 等 专家系统在冶金中的应用 明或关于系统行为的深层次说明。 知识库是专家系统的心脏 ，它包括求解问题需 要的知识。图 1 中的通用知识库表示面向特定问题 的专家系统的一般性知识 ， 而非指人类的通用知识 。 推理机运用知识求解实际问题， 是知识库的解释器。 在基于规则的专家系统中， 它实现 “ 识别一动作” 控 制循环。推理机与知识库是分开的， 这点非常重要。 用 户 接 口 图 1 典型专家系统结构 3 专家系统在冶金行业中的应用 3 ． 1 专家系统在高炉中的应用 对于高炉生产来说， 最重要的一点是高炉操作 者能否准确判断炉况及其变化的趋势 。通常情况下 由操作者根据仪表、计算机系统提供的检测数据和 肉眼观察到的风口、 渣铁情况来进行综合判断， 这与 操作者的经验及水平有很大关系， 存在较大的主观 性和片面性。为了提高其科学性和预报的准确性， 国 内几大钢铁公司相继与科研院校合作开发或引进高 炉专家系统， 并在铁水含硅量预报方面取得了比较 满意的效果。 马竹梧【 ， ] 介绍的高炉热风炉流量设定及控制专 家系统可 以解决人工难以控制的对热风炉加热的煤 气和空气量的修正，实现了热风炉燃烧控制的全自 动化 ，并可为高炉提高风温创造条件 。此系统 自 2 0 0 1 年 8 月 中旬在鞍钢 1 0 号 容积为 2 5 0 0 m， 高 炉热风炉投入运行至今 ， 效果 良好 ， 实现 了热风炉的 全 自动烧炉及在线控制。 谢俊勇、 刁 日 升⋯等介绍了攀钢在 2 0 0 1 年从奥 钢联引进的高炉专家系统， 包括专家系统模型、 冶金 规则及冶金诊断， 阐述了闭环或开环专家系统运行 的原理及一些前提条件， 从一些实例说明了专家系 统的系统诊断、 建议动作等特性。 该专家系统针对来 料 比较复杂， 成分波动较大的特点， 通过对 高炉工艺 过程的控制， 来达到炉况稳定和渣铁质量稳定 的目 的。 它的最终 目标是 在完全 自动化的模式下， 优化这 些成本因素， 达到它们之间的最优组合。 高炉专家系 统的应用使以往定性化的操作得以定量化， 高炉操 作更加准确， 高炉生产更加稳定， 生铁产量提高，综合 焦比降低， 主要技术经济指标不断得到优化，经济效 益显著。 杨大宪 介绍了西德玛钢厂的炼钢生产控制专 家系统。该系统由该厂自 行开发，对炼钢从铁水脱 硫 、铁水调配和废钢选择到转炉出钢 、钢水二次冶 金、 真空脱气和连续浇铸各个生产环节进行控制。 专 家系统中包括多种冶金模型和各种质量要求及操作 标准， 可以快捷、 容易地适有于工艺过程的控制。 黄光耀、 冯其明[ 】 等开发了浮选柱控制专家系 统，并利用其对浮选柱关键参数液位高度、 气体 表观速度、 精矿淋洗水及矿浆表观速度进行调节，实 现了浮选柱 自动稳定控制。 蒋彬、 吕晓云[ ， ] 结合高炉工艺生产特点 ， 通过比 较引进高炉专家系统，运用炼铁工艺的计算模型和 数理统计原理开发了出铁管理等符合自身特点的炉 况分析与监控模式。经过实践证明该系统能准确反 映高炉生产操作与运行情况 ，为工人提供有效的操 作指导， 提高了高炉的各项指标， 保证了高炉的运行 稳定及低硅冶炼的实现。 刘祥官、 刘芳⋯介绍了莱钢 1 号高炉开发应用 智能控制专家系统的基本情况。该系统提高了信息 管理效率， 减轻了工人的劳动强度， 实现了炉温的平 稳控制及降低了焦比，并且在操作一技术一管理上 的 “ 三位一体 ” 得到了应用。 3 ． 2 专家系统在矿 山中的应用 周允利、 杨伯和 介绍了铀矿化工冶金专家系 统。该系统包含检索系统和计算系统， 检索系统为计 算系统的各数据库提供文献保障； 计算系统是整个专 家系统的核心部分， 它由多个工艺过程数据库组成。 陈慧萍 、 涂序彦 ] 提出了多级专家系统的设计 思想及总体结构，采用多级专家系统的结构模式实 现 “ 冶金矿山建设智能决策系统”， 并分析了多级专 家系统的实现问题， 提出了解决问题的途径。 顾秀华[ 1 1 】 结合采矿设计的工艺特点， 开发了一 套帮助采矿设计者根据矿山资源条件进行采矿方法 初选并对初选的采矿方法进行经济效益比较进而选 择最佳开采方法的专家系统。该系统采用经济评价 的原则通过对盈利多少的比较从而确定出了最佳开 采方案， 并最终运用在铜陵有色 集团 下属冬瓜山 山西冶金 E- m a i l y e j i n s x 1 2 6 ． c o rn 第 3 5卷 铜矿的开采上， 具有很大的实用性 。 贺怀建、 白世伟[ 也 等结合江西德兴铜矿二号尾 矿坝可能的稳定模式， 考虑到岩石的坚硬程度、 结构 面的结合状态以及发育程度，坝床软弱结构面特征 及坝肩断层破碎带状态和渗流情况，研究了专家系 统的推理机制，对德兴铜矿尾矿坝的安全监测起到 了重要作用。 3 ． 3 专家系统在冶金其他方面的应用 于立业、 徐林 】 等针对转炉吹炼过程氧枪枪位 控制，利用炉 口噪声强度与炉内炉渣厚度之间的关 系， 建立氧枪枪位专家系统， 以实现在氧枪操作时， 防 止喷溅及返干现象的发生，从而优化氧枪吹炼过程。 张瑞军、 黄彦针[ H ]对烧结矿传统的试算法难以 求出最优解， 综合考虑品位、 库存、 成本、 国内外矿比 例等各种因素， 建立了配料优化的线性规划模型， 通 过引入专家系统的解释器和推理机制建立基于专家 系统的多角色决策支持系统。结果表明该系统在满 足烧结配矿工艺条件 的基础上 ，能降低 7 ． 9 7 ％的生 产成本 。 冯建生 、 王秀芝 ] 介绍 了宝钢配矿专家系统 。 该系统是基于 B P 神经网络而建立的配矿模型， 能 准确预测烧结矿质量，并能根据对质量的要求产生 优化的配矿方案。该系统的实际预测烧结矿质量正 确率大于 8 5 ％。 王晓冬、 巴德纯[ 16 等以宝钢 R H K T B炉外精炼 真空系统为例介绍了R H K T B真空设备专家系统。 给出了设备运行监测方案， 建立了专家系统知识库， 编制的软件可对设备的运行状态进行即时评价和故 障预报。 当真空系统出现故障时，采用逆向推理机制， 从 目 标出发，寻找故障可能原因，并给出推理解释。 专 家系统对监测参数阈值的机器学习， 提高了专家系 统实际应用中的推理效率和准确性。专家系统软件 经离线测试和现场在线应用达到预期的 目标。 马雷芬、 戴旭东[ 1 7 ] 提 出了冶金设备在线加工技 术专家系统开发的基本思想、 系统结构和软件环境。 阐述了系统所具备的各项功能与特点。通过综合集 成先进的 C A D 、 M I S 覆在线加工技术专家长期积累 的专家知识， 实现了一个从需求分析、 虚拟仿真到施 工方案制定的冶金设备在线加工方案实施和知识管 理的计算机支持系统。该系统已在宝钢机械厂成功 应用。 安利群、 李正[ 培 ] 等报道了一个以 T u r b o P r o l o g 为核心语言的基于逻辑的专家系统。该系统运用模 式识别技术将专家们近十几年所研究出的各种绿粉 配方进行分类计算， 找到了良好的规律性， 实现了绿 粉配方的预报， 并以预报配方作实验， 合成出了亮度 高于标准绿粉 c e ， T b M g A l 。 。0 。， 的新荧光粉。 姚思秀、 袁丁[ ]等开发的铝电解槽模糊专家系 统于 1 9 9 8 年在新安铝厂正式投入运行。 该系统能够 对病槽做到早发现与早处理 ，病槽诊断成功率达 9 7 ％以上， 且具有较好的实时陛， 能够很好的满足生 产要求。 李丽、 孙云兰[ 加 ] 等根据一个确定铁水脱硫剂喷 吹量的数学模型建立了一个专家系统。该系统能对 脱硫起主要作用的参量进行控制调整，采用基于事 例和规则的综合推理方法进行控制设计， 仿真的结 果证明专家系统能够有效控制铁水脱硫。 4 结语 专家系统与人工智能的完美结合使得其在工业 生产中的各个领域得到了快速发展 ，特别是近几年 国家对高新技术的支持， 以及智能化的推广， 专家系 统在专业领域发挥着巨大的作用。 当然， 现有阶段的 专家系统智能解决专业领域的问题 ，在应用上存在 很大的局限性，而且其具体领域构造知识库和相应 的推理机也有一定的困难 ， 随着科技的发展 ， 专家系 统的研究将不再局限于现有的各种模型与专家系统 的简单结合 ， 而是 向更深层次的发展。 参考文献 [ 1 ] 万百五， 韩崇昭． 蔡远利． 控制论一概念、 方法与应用 [ M] ． 北 京 清华大学出版社，2 0 0 9 ． [ 2 ] 陶杰． 铜闪速熔炼配料过程满意优化研究及应用[ D] ． 长沙 中南大学 ， 2 0 0 5 ． [ 3 ] 马竹梧． 高炉热风炉流量设定及自控专家系统[ J ] ．应用实例， 2 0 0 2 2 9 1 1 ． [ 4 ] 谢俊勇， 刁13 升， 唐炜．攀钢高炉专家系统的建立与运行 [ J ] ． 四 川冶金 ， 2 0 0 8 ， 3 0 3 6 5 6 9 ． [ 5 ] 杨大宪． 西德玛钢厂的炼钢生产控制专家系统[ J ] ． 钢铁技术， 2 0 0 1 4 3 94 4 ． [ 6 ] 黄光耀，冯其明． 微泡浮选柱控制专家系统的开发与应用[ J ] ． 有色金属 ， 2 0 1 0 ， 6 2 4 1 0 5 ． [ 7 ] 蒋彬， 吕晓云． 基于数据挖掘技术的高炉分析与诊断专家系 统 [ J ] ． 冶金 自 动化， 2 0 1 1 4 2 6 2 9 ． [ 8 ] 刘祥官， 刘芳． 莱钢 1 号7 5 0 IT I 高炉智能控制专家系统 [ J ] ． 钢铁 ， 2 0 0 2 ， 3 7 8 l 8 2 1 ． [ 9 ] 周允利， 杨伯和． 建立 铀矿化工冶金专家系统 初探[ J ] ．理论 与探索， 1 9 9 6 1 1 2 1 4 ． 下转第 3 3页 2 0 1 2 年第 1 期 石媚杰 曲线拟合在无缝钢管设备建模中的应用 3 3 0 ． 9 9 9 9 4 2 ， 说明拟合的曲线很好地反应了 S和 R之 间的内在联系。 再看图 6所示的残差表 ， 其 中取样点 和曲线计算点之间最大的差距也只有 3 ．2 ，越往中 间， 差距越小， 完全能满足工艺要求的调整精度。 4 结语 对于调整精度要求不高而机械结构又相对复杂 的无缝钢管生产设备来说，用做轨迹进行曲线拟合 的方法来建立设备的模型是一个比较有用的方法。 L a s t u p d a t e d 1 2 ．1 l 4 ／ 1 ． 0 9 3 1 3． 1 8 2 21 4 2． 7 87 2 94 2． 1 4 8 51 6 1 ． 5 65 88 0 1 ． 02 7 1 o 2 0 ． 4 44 46 6 0 ．1 05 68 8 ．o． 23 3 09 0 0 61 5 7 26 0． 99 8 36 2 1 ． 1 3 7 1 40 1 ． 41 9 7 77 ， 1 ． 6 0241 3 1 ． 7 85 0 49 1 ． 86 7 68 5 1 ． 8 06 46 3 -1 ． 93 2 95 7 一1 ． 9l 5 59 3 -1 ． 7 98 2 29 一1 ． 58 0 86 5 一1 ． 50 7 35 9 -1 ． 1 89 9 95 一1 ． 01 6 48 9 -0 ． 5 99 1 25 -o． 32 5 61 8 0 ． 0 47 88 8 O． 5 21 3 9 4 0． 99 4 90 0 1 ． 5 68 4 O6 2 ．2 4]91 2 3 3 1 541 8 1 ． 74 5 o 66 1 ． 41 8 57 2 0 ． 9 48 2 20 0 ． 721 72 6 0 ． 3 51 3 75 0． 08l 023 ． 08 9 32 9 _ 0． 4 47 3 97 0 ． 37 3 891 ． o． 3 4 4 2 42 _ 0． 35 8 45 2 ． 22 8 80 4 一 O ．0 43 01 4 3 ． 1 8 2 21 4 图 6 残差 编辑 胡玉香 Ap p l i c a t i o n o f Cu r v e Fi t t i n g i n t h e S e a ml e s s S t e e l P i p e Equ i pme nt M o d e l i n g S HI Me i j i e T e c h n o l o g y C e n t e r o f T a i y u a n H e a v y M a c h i n e r y C o ． ， L t d ． ，T a i y u a n 0 3 0 0 2 4 ，C h i n a Ab s t r a c t T h e me t h o d o f u s i n g C H I V e fi t t i n g t o a p p r o x i ma t e t h e a c t u a l mo d e l o f t h e c o mp l e x me c h a n i c al s t r u c t u r e w a s i n t r o d u c e d i n t h i s p a p e r an d t o o k t h e mo d e l i n g o f t h e i n l e t u p - d o w n l i f t i n g d e v i c e o f p i l g e r mi l l f o r e x a mp l e ． Ke y wo r d s c u r v e fi t t i n g ， ma t h e ma t i c s mo d e l ， s e a ml e s s s t e e l p i p e e q u i p me n t 上接 第 6页 [ 1 O] 陈慧萍， 涂序彦． 略论多级专家系统及其在冶金矿山建设智 能决策中的应用 [ J ] ． 河海大学机械学院学报 ， 1 9 9 5 ， 9 1 2 2 - 2 7 ． [ 1 1 ] 顾秀华． 采矿方法选择专家系统及其在冬瓜山铜矿的应用 [ J ] ． 中国矿业 ， 2 0 0 1 ， 1 0 6 7 2 ． [ 1 2 ] 贺怀建， 白世伟． 岩土工程专家系统中的推理及其应用 [ J ] ． 岩 石力学与工程学报， 2 0 0 2 ， 2 1 8 1 2 3 9 一 l 2 4 2 ． [ 1 3 ] 于立业，徐林， 王建辉， 等． 基于声强的转炉氧枪枪位控制专家系 统[ J ] ．人工智能技术应用， 2 0 0 5 6 1 1 - 1 4 ． [ 1 4 ] 张瑞军， 黄彦． 基于专家系统的多角色烧结配矿决策支持系 统[ J ] ．计算机工程， 2 0 1 1 , 3 7 1 9 2 3 3 2 3 5 ． [ 1 5 ] 冯建生， 王秀芝．一个基于神经网络的配矿专家系统 [ J ] ． 冶 [ 1 6 ] [ 1 7 ] [ 1 8 ] [ 1 9 ] [ 2 0 ] 金 自动化 ， 1 9 9 9 4 l 8 2 1 ． 王晓冬， 巴德纯． 真空冶金设备抽气装置专家系统及应用实 例 [ J ] ． 真空， 2 0 0 4 ,4 1 3 3 8 41 ． 马雷芬，戴旭东． 冶金设备在线a n t技术专家系统的开发与应 用 [ J ] ． 计算机工程与应用， 2 0 0 6 1 6 1 9 2 1 ． 安利群。李正． E S R E B P 一个检索和预报稀土硼酸盐绿色荧光 粉的专家系统[ J ] ， 科学通告， 1 9 9 2 ， 3 7 1 8 1 6 6 4 ． 姚思秀， 袁丁． 模糊专家系统在铝电解控制中的应用 [ J ] ． 基 础 自动化，2 0 0 0 ， 7 1 7 一 l 0 ． 李丽， 孙云兰． 一个确定铁水脱硫剂喷吹量的专家系统 [ J ] ． 鞍山科技大学学报2 0 0 4 ， 2 7 2 1 2 0 1 2 3 ． 编辑 苗运平 Ap p l i c a t i o n o f Ex p e r t S y s t e m i n t h e M e t a l l u r g y TONG Ch a n g r e n ，LI J u n c h a o ，Wr U J i n p e n g ，LI M i n g z h o u J i ang x i U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， G anz h o u 3 4 1 0 0 0 ， C h i n a Ab s t r a c t T h i s t e x t o v e rvi e w s o f t h e c h a r a c t e r i s t i c s me t a l l u r gy ， An d i t i n d i c a t e t h a t e x p e r t s y s t e ms p r o c e s s ， l o o k i n g for i t s f u t u r e d e v e l o p me n t Re n d s ． ，s t r u c t u r e o f e x p e r t s y s t e ms a n d i t s a p p l i c a t i o n i n t a k e g r e a t r o l e i n me t a l l u r g y a s t h e i n t e l l i g e n t Ke y wo r d s e x p e r t s y s t e m，s ma r t p r o c e s s ，o p t i mi z a t i o n