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1、铸造专家系统1 引 言 专家系统（Expert System），又称基于知识的系统，是人工智能科学走向实用化研究中最引人注目的成就之一，专家系统产生于60年代中期，经过三十余年的科学研究，理论和技术日臻完善，应用领域也越来越宽阔，并取得了巨大的经济效益。 专家系统实质上就是一个具有智能特点的计算机程序系统，能够在某特定领域内，模仿人类专家思维求解复杂问题的过程。它具有启发性、灵活性、透明性的特点，开发工具大致可分为程序设计语言（主要采用Lisp及Prolog语言）和专家系统外壳。在各种专家系统外壳中，尤以CLIPS和NEXPERT在铸造中的应用最为广泛。一般专家系统由知识库、推理机、数据库、知
2、识获取机制、解释机制以及人机界面组成，其相互间的关系如图1所示。图1.专家系统结构简图 知识库用以存放专家提供的专门知识。专家系统的问题求解是运用专家提供的专门知识来模拟专家的思维方式进行招兵买马以知识库是决定一个专家系统是否优越的关键因素，专家系统的性能水平取决于知识库中所拥有知识的数量和质量。知识表示采用产生式、框架和语意网络等几种形式，其中以产生式规则表示应用最普遍，其模式为：IFTHEN。 数据库用于存放系统运行过程中所需要和产生的所及信息。推理机是针对当前问题的信息，识别、选取、匹配知识库中规则，以得到问题求解结果的一种机制。目前应用较为广泛的两种推理方法分别为正向和反向推理。一般的
3、铸造问题多为诊断性问题，较多采用反向推理。知识获取是专家系统的关键，也是专家系统设计的瓶颈问题，通过知识获取机制可以扩充和修改知识库，实现专家系统的自我学习。解释机制能够根据用户的提问，对结论、求解过程以及系统当前的求解状态提供说明。用户界面则为人机间相互交换信息提供了必要的手段。 铸造生产中影响铸件质量的因素错综复杂，专家的丰富经验和具体指导对获得优质铸件起到重要的作用，因此专家系统技术在铸造中的应用非常必要，甚至有人指出专家系统将成为未来铸造业的一个重要决定因素。 2专家系统在铸造工艺设计中的应用 铸造工艺历史悠久，长期以来一直是一种手工经验的积累。虽在近年来铸造工艺CAD取得了很大进展，
4、但由于铸造工艺设计涉及多学科知识，各种影响因素众多且关系复杂，在实际生产中，即便较为成熟的工艺也可能出现问题，因此经验显得极为重要。这些经验和规律往往又是对多种影响因素综合作用的归纳，难以用一种理论或模型加以描述。而具有人工智能的专家系统能够模拟铸造专家的决策过程对复杂情况加以推理和判断，使工艺设计更为合理。2.1 铸造方法选择中的专家系统 选择适当的铸造方法是铸造工艺设计的前提和基础。由于各种决定因素错综复杂，采用专家系统可将各种因素间的关系规范化，给出统一的思考顺序，全面、合理、迅速地选择铸方法。在铸方法选择的过程中，主要是对规则的管理和运算的匹配，所以铸造方法选择专家系统多基于产生式规则
5、的知识表达。 典型的有西北工业大学采用C语言构建的一个铸造工艺CAD产生式专家系统开发工具。它能提供近七种铸造方法，其中知识库与数据库采用两种耦合方式，实现了经验与标准相结合的设计模式。2.2 专家系统在浇冒系统中的研究和应用 铸件质量在很大程度上取决于浇冒系统的设计。传统的浇冒系统设计主要依据流动和传热的一些基本概念及经验，经验知识在设计中发挥着重要作用，因此在浇冒系统设计中引入专家系统可行、实用，具有许多优点。 （1）将铸造工艺设计者及专家长期积累的丰富经验储储存到知识库中，以利今后借鉴。 （2）普通工艺设计人员也可借助专家系统进行新铸件的浇冒系统设计。 （3）采用专家系统能够减少浇冒系统
6、设计的校核时间，从而降低成本、缩短开发周期。 （4）经专家系统初步设计的浇冒系统可用于数值模拟过程。 冒口设计依据经验准则，诸如Chvorinov准则计算铸件凝固时间，最后确定冒口的尺寸和位置，具体设计过程如图2所示。铸件的几何特征，诸如铸件边界、砂芯位置、厚壁区域和流道等对浇冒系统的设计至关重要。 近来有人对轻合金、铸钢和球墨铸件的浇冒系统设计规则进行了系统的归纳和研究。关键的分型设计也有详细的分析和总结。华南理工大学采用 Turbo-Prolog语言编制的压铸工艺参数设计及缺陷判断专家系统。文中提出了压铸工艺参数和缺陷判断的参数设计多途径设计方法，即按人工设计思路和计算机自动搜索差别的辅助
7、设计法。在基础工艺参数设计部分，以速度、温度、压力和时间为主导，确定充填时间、内浇口速度及尺寸、慢压射速度和快压射位置及速度。 沈阳工业大学在轧钢机机架铸造工艺 CAD中用专家系统拟定工艺方案，建立了相应的知识层次结构模型，不同层次上的知识采用不同的表示方法和推理策略。在此基础上进行了造型、制芯方法、铸造种类选择、浇注位置、分型面选择以及浇冒系统设计。 图2.专家系统在浇冒系统设计中的应用 3工艺装备设计专家系统 西北工业大学用 C语言构建了一个结构完整、功能基本齐全的铸造工艺装备 CAD专家系统开发工具。系统由事实库、知识库、编辑系统、编译器、推理机、解释器、数据库等部分构成。适用于铸造工艺
8、装备设计全过程的子专家系统的开发。 铸造工艺装备专家系统是一个基于产生式规则的具有咨询型、规则型和设计型综合特点的专家系统。规则主要针对工艺流程，设计主要是根据工艺技术要求来形成最佳方案。其功能是：(1)在设计流程中完成推理决策；(2)在非设计时要能提供咨询，如数据查询、知识查询、标准咨询等。 4型砂质量管理专家系统 型砂质量管理专家系统是针对流水线生产模式型砂质量管理与控制而研制的，其目的是保证生产线上大批量型砂质量适合铸造条件要求并保持相对稳定，从而保证铸件废品率降低，质量高而且稳定。 清华大学研制的型砂质量管理专家系统是在PC/XT，AT及PC-286等微型机上用GCLISP语言实现的。
9、该系统包括数据库管理模块和分析模块，分析模块中包含了型砂质量分析模块和铸件缺陷分析模块等内容。主要由以下几部分组成： (1）数据库 包括静态数据库和动态数据库。静态数据库用于存储日常检验型砂性能等信息数据，动态数据库存储推理过程中信息的输入及选择和存储中间结果。为实现上述功能，该专家系统包括数据库管理模块和分析模块。在分析模块中包含了型砂质量分析模块和铸件缺陷分析模块等内容； (2）知识库 专家系统所有知识的综合； (3）逻辑推理机 推理和控制策略的实现部分，通过正向、反向和混合推理方式获得对整个框架的评定结果； (4）自动学习机 通过铸件废品数据库与型砂性能等相关因素数据库对应关系进行定期处理，从而使该专家系统的知识库能动态的与生产保持一致，确保专家系统的实用性和可靠性。 该系统采用如下两种方法检验和评定型砂质量。即1）专家评分法，请大型铸造厂经验丰富的专家给予评分，然后进行数学处理，可得到一个经验型的关系矩阵；2）试验统计法，对于不同的铸件缺陷进行铸件跟踪统计试验，然后进行数据处理，可得到质检缺陷与型砂性能之间的关系。生产应用验证，该型砂质量管理专家系统分析结果与实际情况吻合较好。