引 言
專家系統(tǒng)（Expert System），又稱基于知識(shí)的系統(tǒng)，是人工智能科學(xué)走向?qū)嵱没芯恐凶钜俗⒛康某删椭唬瑢＜蚁到y(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(shí)質(zhì)上就是一個(gè)具有智能特點(diǎn)的計(jì)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(diǎn)，開發(fā)工具大致可分為程序設(shè)計(jì)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(shí)庫、推理機(jī)、數(shù)據(jù)庫、知識(shí)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(jiǎn)圖
知識(shí)庫用以存放專家提供的專門知識(shí)。專家系統(tǒng)的問題求解是運(yùn)用專家提供的專門知識(shí)來模擬專家的思維方式進(jìn)行招兵買馬以知識(shí)庫是決定一個(gè)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(shí)庫中所擁有知識(shí)的數(shù)量和質(zhì)量。知識(shí)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(dòng)作/結(jié)論>。
數(shù)據(jù)庫用于存放系統(tǒng)運(yùn)行過程中所需要和產(chǎn)生的所及信息。推理機(jī)是針對(duì)當(dāng)前問題的信息，識(shí)別、選取、匹配知識(shí)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(shí)獲取是專家系統(tǒng)的關(guān)鍵，也是專家系統(tǒng)設(shè)計(jì)的"瓶頸"問題，通過知識(shí)獲取機(jī)制可以擴(kuò)充和修改知識(shí)庫，實(shí)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(duì)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(cuò)綜復(fù)雜，專家的豐富經(jīng)驗(yàn)和具體指導(dǎo)對(duì)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(gè)重要決定因素。
4.2、專家系統(tǒng)在鑄造工藝設(shè)計(jì)中的應(yīng)用
鑄造工藝歷史悠久，長(zhǎng)期以來一直是一種手工經(jīng)驗(yàn)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(jì)涉及多學(xué)科知識(shí)，各種影響因素眾多且關(guān)系復(fù)雜，在實(shí)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(yàn)顯得極為重要。這些經(jīng)驗(yàn)和規(guī)律往往又是對(duì)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(duì)復(fù)雜情況加以推理和判斷，使工藝設(shè)計(jì)更為合理。
1 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(jì)的前提和基礎(chǔ)。由于各種決定因素錯(cuò)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(duì)規(guī)則的管理和運(yùn)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(shí)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(gè)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(shí)庫與數(shù)據(jù)庫采用兩種耦合方式，實(shí)現(xiàn)了經(jīng)驗(yàn)與標(biāo)準(zhǔn)相結(jié)合的設(shè)計(jì)模式。
2 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(jì)。傳統(tǒng)的澆冒系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要依據(jù)流動(dòng)和傳熱的一些基本概念及經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)驗(yàn)知識(shí)在設(shè)計(jì)中發(fā)揮著重要作用，因此在澆冒系統(tǒng)設(shè)計(jì)中引入專家系統(tǒng)可行、實(shí)用，具有許多優(yōu)點(diǎn)。
（1）將鑄造工藝設(shè)計(jì)者及專家長(zhǎng)期積累的豐富經(jīng)驗(yàn)儲(chǔ)儲(chǔ)存到知識(shí)庫中，以利今后借鑒。
（2）普通工藝設(shè)計(jì)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(jì)。
（3）采用專家系統(tǒng)能夠減少澆冒系統(tǒng)設(shè)計(jì)的校核時(shí)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(jì)的澆冒系統(tǒng)可用于數(shù)值模擬過程。
冒口設(shè)計(jì)依據(jù)經(jīng)驗(yàn)準(zhǔn)則，諸如Chvorinov準(zhǔn)則計(jì)算鑄件凝固時(shí)間，最后確定冒口的尺寸和位置，具體設(shè)計(jì)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(duì)澆冒系統(tǒng)的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。
近來有人對(duì)輕合金、鑄鋼和球墨鑄件的澆冒系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)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(jì)多途徑設(shè)計(jì)方法，即按人工設(shè)計(jì)思路和計(jì)算機(jī)自動(dòng)搜索差別的輔助設(shè)計(jì)法。在基礎(chǔ)工藝參數(shù)設(shè)計(jì)部分，以速度、溫度、壓力和時(shí)間為主導(dǎo)，確定充填時(shí)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(shí)層次結(jié)構(gòu)模型，不同層次上的知識(shí)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(jì)。
4.3、工藝裝備設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)
西北工業(yè)大學(xué)用 C語言構(gòu)建了一個(gè)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(shí)庫、知識(shí)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(jì)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(gè)基于產(chǎn)生式規(guī)則的具有咨詢型、規(guī)則型和設(shè)計(jì)型綜合特點(diǎn)的專家系統(tǒng)。規(guī)則主要針對(duì)工藝流程，設(shè)計(jì)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(jì)流程中完成推理決策；(2)在非設(shè)計(jì)時(shí)要能提供咨詢，如數(shù)據(jù)查詢、知識(shí)查詢、標(biāo)準(zhǔn)咨詢等。
4.4.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(duì)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(duì)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(shí)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(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫。靜態(tài)數(shù)據(jù)庫用于存儲(chǔ)日常檢驗(yàn)型砂性能等信息數(shù)據(jù)，動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)推理過程中信息的輸入及選擇和存儲(chǔ)中間結(jié)果。為實(shí)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(shí)庫 專家系統(tǒng)所有知識(shí)的綜合；
3） 邏輯推理機(jī) 推理和控制策略的實(shí)現(xiàn)部分，通過正向、反向和混合推理方式獲得對(duì)整個(gè)框架的評(píng)定結(jié)果；
4） 自動(dòng)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?cái)?shù)據(jù)庫對(duì)應(yīng)關(guān)系進(jìn)行定期處理，從而使該專家系統(tǒng)的知識(shí)庫能動(dòng)態(tài)的與生產(chǎn)保持一致，確保專家系統(tǒng)的實(shí)用性和可靠性。
該系統(tǒng)采用如下兩種方法檢驗(yàn)和評(píng)定型砂質(zhì)量。即1）專家評(píng)分法，請(qǐng)大型鑄造廠經(jīng)驗(yàn)豐富的專家給予評(píng)分，然后進(jìn)行數(shù)學(xué)處理，可得到一個(gè)經(jīng)驗(yàn)型的關(guān)系矩陣；2）試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)法，對(duì)于不同的鑄件缺陷進(jìn)行鑄件跟蹤統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，可得到質(zhì)檢缺陷與型砂性能之間的關(guān)系。生產(chǎn)應(yīng)用驗(yàn)證，該型砂質(zhì)量管理專家系統(tǒng)分析結(jié)果與實(shí)際情況吻合較好。
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