鑄造專家系統(tǒng)

鑄造專家系統(tǒng)1引言專家系統(tǒng)(ExpertSystem)，又稱基于知識的系統(tǒng)，是人工智能科學(xué)走向?qū)嵱没芯恐凶钜俗⒛康某删椭?，專家系統(tǒng)產(chǎn)生于60年代中期，經(jīng)過三十余年的科學(xué)研究，理論和技術(shù)日臻完善，應(yīng)用領(lǐng)域也越來越寬闊，并取得了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。專家系統(tǒng)實質(zhì)上就是一個具有智能特點的計算機(jī)程序系統(tǒng)，能夠在某特定領(lǐng)域內(nèi)，模仿人類專家思維求解復(fù)雜問題的過程。它具有啟發(fā)性、靈活性、透明性的特點，開發(fā)工具大致可分為程序設(shè)計語言(主要采用Lisp及Prolog語言)和專家系統(tǒng)外殼。在各種專家系統(tǒng)外殼中，尤以CLIPS和NEXPERT在鑄造中的應(yīng)用最為廣泛。一般專家系統(tǒng)由知識庫、推理機(jī)、數(shù)據(jù)庫、知識獲取機(jī)制、解釋機(jī)制以及人機(jī)界面組成，其相互間的關(guān)系如圖1所示。圖1.專家系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖知識庫用以存放專家提供的專門知識。專家系統(tǒng)的問題求解是運用專家提供的專門知識來模擬專家的思維方式進(jìn)行招兵買馬以知識庫是決定一個專家系統(tǒng)是否優(yōu)越的關(guān)鍵因素，專家系統(tǒng)的性能水平取決于知識庫中所擁有知識的數(shù)量和質(zhì)量。知識表示采用產(chǎn)生式、框架和語意網(wǎng)絡(luò)等幾種形式，其中以產(chǎn)生式規(guī)則表示應(yīng)用最普遍，其模式為：IF＜條件/前提＞THEN＜動作/結(jié)論〉。數(shù)據(jù)庫用于存放系統(tǒng)運行過程中所需要和產(chǎn)生的所及信息。推理機(jī)是針對當(dāng)前問題的信息，識別、選取、匹配知識庫中規(guī)則，以得到問題求解結(jié)果的一種機(jī)制。目前應(yīng)用較為廣泛的兩種推理方法分別為正向和反向推理。一般的鑄造問題多為診斷性問題，較多采用反向推理。知識獲取是專家系統(tǒng)的關(guān)鍵，也是專家系統(tǒng)設(shè)計的"瓶頸"問題，通過知識獲取機(jī)制可以擴(kuò)充和修改知識庫，實現(xiàn)專家系統(tǒng)的自我學(xué)習(xí)。解釋機(jī)制能夠根據(jù)用戶的提問，對結(jié)論、求解過程以及系統(tǒng)當(dāng)前的求解狀態(tài)提供說明。用戶界面則為人機(jī)間相互交換信息提供了必要的手段。鑄造生產(chǎn)中影響鑄件質(zhì)量的因素錯綜復(fù)雜，專家的豐富經(jīng)驗和具體指導(dǎo)對獲得優(yōu)質(zhì)鑄件起到重要的作用，因此專家系統(tǒng)技術(shù)在鑄造中的應(yīng)用非常必要，甚至有人指出專家系統(tǒng)將成為未來鑄造業(yè)的一個重要決定因素。專家系統(tǒng)在鑄造工藝設(shè)計中的應(yīng)用鑄造工藝歷史悠久，長期以來一直是一種手工經(jīng)驗的積累。雖在近年來鑄造工藝CAD取得了很大進(jìn)展，但由于鑄造工藝設(shè)計涉及多學(xué)科知識，各種影響因素眾多且關(guān)系復(fù)雜，在實際生產(chǎn)中，即便較為成熟的工藝也可能出現(xiàn)問題，因此經(jīng)驗顯得極為重要。這些經(jīng)驗和規(guī)律往往又是對多種影響因素綜合作用的歸納，難以用一種理論或模型加以描述。而具有人工智能的專家系統(tǒng)能夠模擬鑄造專家的決策過程對復(fù)雜情況加以推理和判斷，使工藝設(shè)計更為合理。鑄造方法選擇中的專家系統(tǒng)選擇適當(dāng)?shù)蔫T造方法是鑄造工藝設(shè)計的前提和基礎(chǔ)。由于各種決定因素錯綜復(fù)雜，采用專家系統(tǒng)可將各種因素間的關(guān)系規(guī)范化，給出統(tǒng)一的思考順序，全面、合理、迅速地選擇鑄方法。在鑄方法選擇的過程中，主要是對規(guī)則的管理和運算的匹配，所以鑄造方法選擇專家系統(tǒng)多基于產(chǎn)生式規(guī)則的知識表達(dá)。典型的有西北工業(yè)大學(xué)采用C語言構(gòu)建的一個鑄造工藝CAD產(chǎn)生式專家系統(tǒng)開發(fā)工具。它能提供近七種鑄造方法，其中知識庫與數(shù)據(jù)庫采用兩種耦合方式，實現(xiàn)了經(jīng)驗與標(biāo)準(zhǔn)相結(jié)合的設(shè)計模式。專家系統(tǒng)在澆冒系統(tǒng)中的研究和應(yīng)用鑄件質(zhì)量在很大程度上取決于澆冒系統(tǒng)的設(shè)計。傳統(tǒng)的澆冒系統(tǒng)設(shè)計主要依據(jù)流動和傳熱的一些基本概念及經(jīng)驗，經(jīng)驗知識在設(shè)計中發(fā)揮著重要作用，因此在澆冒系統(tǒng)設(shè)計中引入專家系統(tǒng)可行、實用，具有許多優(yōu)點。（1） 將鑄造工藝設(shè)計者及專家長期積累的豐富經(jīng)驗儲儲存到知識庫中，以利今后借鑒。（2） 普通工藝設(shè)計人員也可借助專家系統(tǒng)進(jìn)行新鑄件的澆冒系統(tǒng)設(shè)計。（3） 采用專家系統(tǒng)能夠減少澆冒系統(tǒng)設(shè)計的校核時間，從而降低成本、縮短開發(fā)周期。（4） 經(jīng)專家系統(tǒng)初步設(shè)計的澆冒系統(tǒng)可用于數(shù)值模擬過程。冒口設(shè)計依據(jù)經(jīng)驗準(zhǔn)則，諸如Chvorinov準(zhǔn)則計算鑄件凝固時間，最后確定冒口的尺寸和位置，具體設(shè)計過程如圖2所示。鑄件的幾何特征，諸如鑄件邊界、砂芯位置、厚壁區(qū)域和流道等對澆冒系統(tǒng)的設(shè)計至關(guān)重要。近來有人對輕合金、鑄鋼和球墨鑄件的澆冒系統(tǒng)設(shè)計規(guī)則進(jìn)行了系統(tǒng)的歸納和研究。關(guān)鍵的分型設(shè)計也有詳細(xì)的分析和總結(jié)。華南理工大學(xué)采用Turbo-Prolog語言編制的壓鑄工藝參數(shù)設(shè)計及缺陷判斷專家系統(tǒng)。文中提出了壓鑄工藝參數(shù)和缺陷判斷的參數(shù)設(shè)計多途徑設(shè)計方法，即按人工設(shè)計思路和計算機(jī)自動搜索差別的輔助設(shè)計法。在基礎(chǔ)工藝參數(shù)設(shè)計部分，以速度、溫度、壓力和時間為主導(dǎo)，確定充填時間、內(nèi)澆口速度及尺寸、慢壓射速度和快壓射位置及速度。沈陽工業(yè)大學(xué)在軋鋼機(jī)機(jī)架鑄造工藝CAD中用專家系統(tǒng)擬定工藝方案，建立了相應(yīng)的知識層次結(jié)構(gòu)模型，不同層次上的知識采用不同的表示方法和推理策略。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了造型、制芯方法、鑄造種類選擇、澆注位置、分型面選擇以及澆冒系統(tǒng)設(shè)計。圖2.專家系統(tǒng)在澆冒系統(tǒng)設(shè)計中的應(yīng)用工藝裝備設(shè)計專家系統(tǒng)西北工業(yè)大學(xué)用C語言構(gòu)建了一個結(jié)構(gòu)完整、功能基本齊全的鑄造工藝裝備CAD專家系統(tǒng)開發(fā)工具。系統(tǒng)由事實庫、知識庫、編輯系統(tǒng)、編譯器、推理機(jī)、解釋器、數(shù)據(jù)庫等部分構(gòu)成。適用于鑄造工藝裝備設(shè)計全過程的子專家系統(tǒng)的開發(fā)。鑄造工藝裝備專家系統(tǒng)是一個基于產(chǎn)生式規(guī)則的具有咨詢型、規(guī)則型和設(shè)計型綜合特點的專家系統(tǒng)。規(guī)則主要針對工藝流程，設(shè)計主要是根據(jù)工藝技術(shù)要求來形成最佳方案。其功能是：(1)在設(shè)計流程中完成推理決策；(2)在非設(shè)計時要能提供咨詢，如數(shù)據(jù)查詢、知識查詢、標(biāo)準(zhǔn)咨詢等。型砂質(zhì)量管理專家系統(tǒng)型砂質(zhì)量管理專家系統(tǒng)是針對流水線生產(chǎn)模式型砂質(zhì)量管理與控制而研制的，其目的是保證生產(chǎn)線上大批量型砂質(zhì)量適合鑄造條件要求并保持相對穩(wěn)定，從而保證鑄件廢品率降低，質(zhì)量高而且穩(wěn)定。清華大學(xué)研制的型砂質(zhì)量管理專家系統(tǒng)是在PC/XT，AT及PC-286等微型機(jī)上用GCLISP語言實現(xiàn)的。該系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)庫管理模塊和分析模塊，分析模塊中包含了型砂質(zhì)量分析模塊和鑄件缺陷分析模塊等內(nèi)容。主要由以下幾部分組成：(1)數(shù)據(jù)庫包括靜態(tài)數(shù)據(jù)庫和動態(tài)數(shù)據(jù)庫。靜態(tài)數(shù)據(jù)庫用于存儲日常檢驗型砂性能等信息數(shù)據(jù)，動態(tài)數(shù)據(jù)庫存儲推理過程中信息的輸入及選擇和存儲中間結(jié)果。為實現(xiàn)上述功能，該專家系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)庫管理模塊和分析模塊。在分析模塊中包含了型砂質(zhì)量分析模塊和鑄件缺陷分析模塊等內(nèi)容；(2)知識庫專家系統(tǒng)所有知識的綜合；(3)邏輯推理機(jī)推理和控制策略的實現(xiàn)部分，通過正向、反向和混合推理方式獲得對整個框架的評定結(jié)果；(4)自動學(xué)習(xí)機(jī)通過鑄件廢品數(shù)據(jù)庫與型砂性能等相關(guān)因素數(shù)據(jù)庫對應(yīng)關(guān)系進(jìn)行定期處理，從而使該專家系統(tǒng)的知識庫能動態(tài)的與生產(chǎn)保持一致，確保專家系統(tǒng)的實用性和可靠性。該系統(tǒng)采用如下兩種方法檢驗和