基于专家系统的消磁电流决策.pdf

文章编号1009 - 3486200101 - 0087 - 04 基于专家系统的消磁电流决策 Ξ 幸善成,刘大明,周耀忠 海军工程大学 电气工程系,湖北 武汉430033 摘 要分析了建立消磁电流决策的专家系统的可行性,从基本概念和实际应用等方面介绍了基于专家系统 的消磁电流决策的状态描述、 数据库的建立以及推理机的确立等. 关键词舰船消磁;专家系统;优化;排序 中图分类号 TP182 文献标识码 A 在综合消磁工作中,如何高效、 快速地决策出消磁电流的大小和方向,提高补偿的精度,对提高消磁 质量、 缩短消磁时间是十分重要的.近年来,人工智能技术的兴起和专家系统技术的发展,为消磁工作提 供了一条新的途径和方法,并在实现了自动化消磁以后将成为消磁工作新的发展方向. 1 建立消磁电流决策的专家系统的可行性分析 专家系统是一个具有大量专门知识与经验的程序系统,它应用人工智能技术,并根据某个领域中一 个或多个专家提供的知识和经验进行推理和判断、 模拟专家的决策过程,以解决那些需要经验知识和理 论知识进行推理又往往无法用精确的数学模型和简单的数据流动来描述的问题[1 ,2].在消磁中,消磁电 流的大小和方向不能靠建立精确的数学模型和采用常规的规则去分析计算,只能靠消磁工程师的经验 知识和理论知识进行推理和判断,这恰好是专家系统能够解决的问题.因此,建立相应的专家系统对消 磁电流进行决策将是可行的. 2 消磁电流决策中的状态空间法 2. 1 问题的状态描述 问题的状态是一个表示问题全部可能状态及其关系的图,它包含3种集合,即问题的所有可能存在 的初始状态集合、 操作符集合以及目标状态集合.具体到消磁电流决策中,由于已知通电消磁前测得的 一组原始磁场,关注通电消磁后的结果磁场,因此我们用通电消磁前测得的一组磁场值构成的状态作为 初始状态,用通电消磁后满足标准的结果磁场值构成的状态作为目标状态.由于满足要求的结果磁场不 是唯一的,而是符合一定规则的一组磁场值,因此目标状态是一组n维状态变量的集合n为测量平面 的测量点数 , 而不是单个的状态变量. 2. 2 操作符集合 操作符集合是由初始状态转化到目标状态的动因.在消磁中,由初始状态到结果状态的动因是补偿 绕组的补偿电流.因此,对于一个有m个补偿绕组和取n个测量点的系统来说,我们把m个补偿绕组 第13卷 第1期 2001年2月 海 军工程大学学报 JOURNAL OF NAVAL UNIVERSITY OF ENGINEERING Vol. 13 No. 1 Feb. 2001 Ξ收稿日期2000211209 ;修订日期2000212207 作者简介幸善成19712 , 男,硕士生. 电流值的某种组合作为从初始状态到目标状态的操作符集合.由于操作符集合是m个补偿绕组的电流 变化,因此在确定操作符集合之前,必须首先确定电流变化的步长,以便为以后建立数据库作好准备.每 个绕组电流变化的步长可以相同,也可以不同.为了不失一般性,我们考虑步长不一样的情况来进行分 析. 设第i个补偿绕组电流变化的步长为 △Ii,第i个绕组在第j个测量点的效率第i个绕组电流变 化1 A时引起的第j点的磁场变化量为Cij,则第i个补偿绕组电流变化 △Ii时,在j点引起的磁场变 化为Cij△Ii,我们暂且把它称为绕组i在j点的步长磁场,以 △Zij表示.即△ZijCij△Ii i 1,2, ⋯, m ; j 1,2,⋯, n . 假设第i个绕组变化ki个步长,即第i个绕组变化量为ki△Ii,则m个绕组电流的变化共同作用 于j点,引起j点的磁场变化 △Zj [ C1j C2j⋯Cij⋯Cmj] k1△I1 ki△Ii km△Im 其中 ki为第i个绕组电流变化的步长数 k i 0,1,2,⋯ . m个绕组电流的变化共同作用于n个测量点,引起n个测量点磁场的变化 △Z △Z1 △Z2 △Zn C11C21⋯Cm1 C12C22⋯Cm2 ⋯ C1nC2n⋯Cmn k1△I1 k2△I2 km△Im 图1 消磁电流决策示意图 则n个测量点的磁场值为ZZ0△Z ,其中Z0为 初始磁场值, Z、Z0、 △Z均为n维状态变量.这样,就 完成了消磁电流决策的操作符集合的定义[3]. 由以上分析,可得到用状态空间法建立消磁电 流决策系统的示意图见图1 3 综合数据库与规则集合 3.1 综合数据库 用1m的矩阵表示m个补偿电流的状态,用1n的矩阵表示n个测量点的测量磁场的值,通过 SQL查询建立两者的 “关系”.该数据库包括6个表,分别是 1船型数据表 存放各种舰船的船型数据,包括5个字段和3条记录,字段分别是 “型号” 、“船 长” 、“船宽” 、“水线高度” 、“水线宽度”,主关键字为 “型号”. 2纵向绕组模型表 存放纵向绕组的模型数据,包括 “匝数” 和 “间距” 两个字段.一般认为,纵向 绕组是沿舰船纵向对称布置的,因此只要匝数和间距两项就能确定纵向绕组的模型. 3垂向绕组模型表 存放垂向绕组的模型数据,包括24个字段,记录纵向绕组的匝数和23个测 量点至水线的距离. 4补偿电流表 存放历史上消磁到满意状态的各绕组的补偿电流值,包括 “型号” 、“纵向补偿电 流” 、“垂向补偿电流” 和 “局部补偿电流”4个字段,主关键字为 “型号”. 5结果磁场表 存放历史上消磁到满意状态的结果磁场,23个字段对应于23个测量点. 88 海 军 工 程 大 学 学 报 第13卷 6初始磁场表 存放消磁前的初始磁场值和消磁的中间结果. 因为数据库中有历史的消磁记录,使得本软件具有初步的自学习功能.通过作者建立的数学模型, 可以对历史的消磁结果进行评估,从而可以向消磁技师推荐一种较优的消磁电流. 3.2 规则语句 舰船磁场超过一定程度以后,就应该采取措施进行消磁,各种消磁绕组的敷设和消磁电流的确定就 形成消磁方案.以什么样的规则来产生方案,将决定消磁结果的好坏,所以在消磁电流决策系统中建立 合理的规则是关键.由于目前应用最成功、 最普遍的是专家系统的产生式系统,所以在消磁电流决策系 统中采用产生式知识表达方式来建立消磁电流决策的规则库.产生式规则表达方式如下 if 前提 then 结论 产生式的前提部分用来说明该产生式所应该满足的前提条件;产生式的结论部分用来说明该产生 式系统所应该执行的内容,即它可能改变工作存储器的数据或完成某种输出.规则库是存放这种规则的 集合. 4 消磁电流决策中的推理与搜索方法 推理机实际上是要把知识if - then规则链接起来,形成一条或多条推理链,根据推理方向的不 同,分为正向推理和反向推理.消磁电流决策的推理是根据已知的初始状态向目标状态的逼近,因此采 用正向推理.推理过程也就是搜索问题解答的过程,为迅速地找到问题的解,需要采用适当的搜索方法. 启发式搜索策略是一种有效的搜索方法,其基本原理是对于搜索过程中遇到的每个新状态或者说新 节点 , 按估价函数计算出它的代价估计值,然后选出当时估计值最小的状态,从该状态开始继续搜 索[4].在消磁电流决策中,我们建立磁场状态的目标函数,以便对磁场状态的 “理想程度” 进行评估.通 电消磁后的结果磁场的目标函数值越小,则此结果磁场越理想.取目标函数值作为其新状态或新节点的 代价估计值,因此搜索的方向将是目标函数值减小的方向. 在消磁电流决策中方案产生的优化逻辑是影响决策水平的又一重要因素,在消磁电流决策中采用 了如下的方案产生逻辑 1根据 “最优化方法” 中动态规划的最优性原理可知,一个决策要达到整个过程最优,必须满足以 下条件无论过去的状态和决策如何,对前面的决策所形成的状态来说,其余的诸决策必须构成最优策 略.舰船的消磁电流决策是一个动态过程,可以利用动态规划的最短路径原理来进行消磁电流决策,即 舰船由磁超标状态一步步采取措施到达理想或比较理想的状态.这些措施的组合就形成一个消磁电流 决策方案,每一步采取的措施在该阶段应该是最佳选择,即针对该舰船磁状态所采取的方案应该是最佳 方案,这就是消磁电流决策方案产生的优化逻辑之一.例如,补偿绕组效率越大,补偿效果就越明显,所 需要的补偿电流就越小.当舰船首尾磁场偏大时,每次首先调整在首尾效率大的补偿电流,就会以最快 的速度减小舰船首尾的磁场.按照此逻辑进行消磁就会产生一个比较优化的消磁方案. 2由于消磁电流决策事实上是一个多目标决策的问题,如在调整舰船磁场大小的时候,可能对舰 船磁场的梯度产生影响,因此在应用上述逻辑的同时有必要寻找新的产生逻辑进行补充.现在的计算机 计算速度非常快,性能也非常可靠,可以在较小的可行域内将可以利用的措施进行穷举搜索、 排列组合, 每一个组合就是一个消磁方案,这样就会得到许多可供选择的消磁方案,即可行解,再根据多目标决策 的理论方法对这些方案进行综合评估,根据其综合指标的大小,推荐综合指标最优的方案供决策者采 用. 另外,为了提高系统的搜索效率,在系统中采用缩小搜索空间的办法.例如在舰船消磁时,舰船上有 多组补偿绕组,如果要减小舰船首部的磁场,没有必要采用完全穷举法对逐个补偿绕组进行实验,而是 根据补偿绕组的作用范围或效率曲线的特点,排除一部分对首部不起作用或者作用很小的绕组,从而减 小搜索范围,大大提高搜索效率.为了减小规则的匹配时间,采用规则排序时规则冲突的竞争消解策略. 98第1期幸善成 等基于专家系统的消磁电流决策 在本系统中,规则的排序采用大线圈优先和效率优先的原则,能用大线圈调整的就不用小线圈调整,在 局部调整中,尽量选择对局部效率高而对其它地方影响小的线圈进行调整.规则排序的本身就体现了规 则的优先级,这有利于提高系统的效率. 智能化消磁方框图如图2所示. 图2 专家系统的智能化消磁方框图 5 结束语 本文对建立消磁电流决策的专家系统进行了可行性分析,提出了一种问题的状态描述方法,定义了 消磁电流决策中的操作符集合,确立了对数据库的搜索方法,基本完成了智能化消磁的框架结构,为智 能化消磁提供了一个思路. 参考文献 [1] 张文星,纪有奎.专家系统原理与设计[M].武汉测绘科技大学出版社,1993. [2] 侯馨光,潘文灏.专家智能控制系统[J ].上海船舶工业研究所学报,1991 ,4 34236. [3] 张国友,张忠龙.临时线圈消磁的计算机辅助决策[A]. 96年消磁年会论文[C].上海上海交通大学出版社,1996. [4] 范鸣玉,张 莹.最优化技术基础[M].北京清华大学出版社,1992. Degaussing electric current decision based on expert system XING Shan2cheng , LIU Da2ming , ZHOU Yao2zhong Dept. of Electrical Eng. , Naval Univ. of Engineering , Wuhan 430033 , China Abstract In this paper , the feasibility of establishing expert system of degaussing electric current decision is analyzed. The state description , database establishment and inference engine about degaussing electric current decision based on expert system are described in terms of basic concepts and practical application. Key words ship degaussing; expert system; optimization ; sequence 09 海 军 工 程 大 学 学 报 第13卷