關(guān)長亮， 王貴成， 郭懿陽， 孫 娜

(沈陽化工大學(xué)信息工程學(xué)院，遼寧沈陽110142)

谷氨酸在許多領(lǐng)域都起著重要的作用，在食品行業(yè)尤為突出.但是由于谷氨酸發(fā)酵過程是一種復(fù)雜的非線性時(shí)變過程，大多數(shù)的變量都難以精確控制，過程響應(yīng)速率緩慢，造成生產(chǎn)率低，原料大量浪費(fèi).近年來，人們不斷地完善和提高發(fā)酵技術(shù).隨著計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，在發(fā)酵過程中不斷應(yīng)用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行過程建模、過程狀態(tài)預(yù)測、過程故障診斷和早期預(yù)警乃至過程控制與優(yōu)化等［1－2］.而以專家系統(tǒng)為代表的智能技術(shù)在發(fā)酵過程中也得到廣泛應(yīng)用，它利用專家知識和推理，模擬專家的決策能力來解決只有專家才能解決的問題.先進(jìn)的代謝工程技術(shù)、過程控制技術(shù)、智能工程技術(shù)與發(fā)酵工程的融合是現(xiàn)代發(fā)酵過程控制的發(fā)展方向［3］.本文以提高谷氨酸產(chǎn)量、降低事故發(fā)生率為目的，采用專家系統(tǒng)工具CLIPS與VC++相結(jié)合，構(gòu)造一個(gè)專門用于谷氨酸發(fā)酵過程的專家系統(tǒng).

1 專家系統(tǒng)及其在發(fā)酵過程中的應(yīng)用

1.1 發(fā)酵過程的專家控制及故障診斷

發(fā)酵過程內(nèi)部機(jī)理復(fù)雜，影響因素較多，在實(shí)際生產(chǎn)過程中，一般要求在發(fā)酵過程的每個(gè)階段，保證罐溫、罐壓、溶解氧和pH值穩(wěn)定在最優(yōu)值.因此，采用傳統(tǒng)的控制方法已不能滿足發(fā)酵過程的工藝要求.為了提高控制的精度，對非線性、時(shí)變、大滯后的發(fā)酵過程采用專家控制系統(tǒng)，為發(fā)酵過程的優(yōu)化控制提供可行方法.

專家診斷系統(tǒng)是將診斷知識，尤其是專家知識與計(jì)算機(jī)結(jié)合在一起，按照一定的推理算法，設(shè)計(jì)出相應(yīng)的計(jì)算機(jī)程序，通過人機(jī)接口的形式讓診斷者與計(jì)算機(jī)進(jìn)行對話，由診斷者回答系統(tǒng)提出的問題，系統(tǒng)根據(jù)提問和回答的答案進(jìn)行推理，并最終給出專家級的診斷結(jié)論［4］.

1.2 谷氨酸發(fā)酵過程專家系統(tǒng)

谷氨酸發(fā)酵過程專家系統(tǒng)將一些專家，包括技術(shù)員、熟練工人的成熟經(jīng)驗(yàn)應(yīng)用到發(fā)酵過程中去，由計(jì)算機(jī)完成具體的操作，不僅能對發(fā)酵過程各參數(shù)進(jìn)行精確分析，保證罐溫、罐壓、溶解氧和pH值穩(wěn)定在最優(yōu)值，而且還能在被控對象即將出現(xiàn)異常時(shí)及時(shí)提供信息［5］，要求對被控對象進(jìn)行調(diào)節(jié)，以減少原料的損失和故障的發(fā)生，對保證發(fā)酵過程的安全進(jìn)行和提高經(jīng)濟(jì)效益方面具有現(xiàn)實(shí)意義.

2 專家系統(tǒng)原理

2.1 專家系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

目前，專家系統(tǒng)一般是由人機(jī)交互界面、知識庫、推理機(jī)、解釋器、綜合數(shù)據(jù)庫、知識獲取等6個(gè)部分構(gòu)成［6］.其中知識庫與推理機(jī)是專家系統(tǒng)的核心.用戶可通過操作界面或由實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)向?qū)＜蚁到y(tǒng)提問，推理機(jī)將輸入的信息與知識庫中各個(gè)規(guī)則的條件進(jìn)行匹配，并把被匹配規(guī)則的結(jié)論放到綜合數(shù)據(jù)庫中.最后，專家系統(tǒng)將得出的最終結(jié)論通過人機(jī)交互界面顯示，提供系統(tǒng)實(shí)際操作的指導(dǎo).

2.2 專家系統(tǒng)的開發(fā)工具

專家系統(tǒng)是以一種或多種工具和方法為核心，加上配套的各種輔助工具和界面為開發(fā)環(huán)境的完整集成系統(tǒng).CLIPS是“C語言集成產(chǎn)生式系統(tǒng)(C Language Integrated Production System)”的縮寫，是由美國航空航天局約翰遜太空中心在1985年用C語言設(shè)計(jì)的，意在克服LISP移植性差、開發(fā)工具和硬件成本高、嵌入性低等缺點(diǎn)［7］.

CLIPS的推理結(jié)構(gòu)包括工作存儲器、產(chǎn)生式規(guī)則庫、匹配器、沖突消解器和解釋器5部分，如圖1所示.

圖1 CLIPS的推理結(jié)構(gòu)Fig.1 CLIPS inference structure diagram

其中產(chǎn)生式規(guī)則(簡稱規(guī)則)由條件部分(LHS)和執(zhí)行的動作(RHS)組成.條件部分包括一些等待匹配的數(shù)據(jù).當(dāng)這些數(shù)據(jù)在匹配器中與工作存儲器(事實(shí)庫)當(dāng)前所有規(guī)則的條件部分進(jìn)行匹配時(shí)，推理機(jī)檢查每一條規(guī)則并找出事實(shí)來判定規(guī)則的條件部分是否符合，若一條規(guī)則與事實(shí)庫的事實(shí)相匹配，則這條規(guī)則就是一條觸發(fā)規(guī)則，并被加入到推理機(jī)的日程表中，如果出現(xiàn)多條規(guī)則與之匹配，需經(jīng)過沖突消解器確定其中的一條為啟用規(guī)則之后再被解釋器執(zhí)行［8］.

3 谷氨酸發(fā)酵過程專家系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 專家系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

谷氨酸發(fā)酵過程專家系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖2所示，其中知識庫由專家系統(tǒng)工具CLIPS實(shí)現(xiàn)，其余部分由Visual C++實(shí)現(xiàn).知識庫是專家系統(tǒng)的核心，它是由CLIPS編寫的規(guī)則和已知事實(shí)組成的，可以根據(jù)需要隨時(shí)添加或修改.為了方便專家對系統(tǒng)的完善，建立專家系統(tǒng)操作界面，用戶可以根據(jù)界面提供的格式輸入，系統(tǒng)會自動將輸入的知識轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)可存儲的形式加入到知識庫中，完成對知識的添加與修改功能［8］.工藝參數(shù)監(jiān)控是采集谷氨酸發(fā)酵過程的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并以曲線和數(shù)據(jù)的形式表示出來，以提供當(dāng)前的發(fā)酵狀態(tài)，及時(shí)地進(jìn)行數(shù)據(jù)分析.報(bào)警提示與處理方法提供系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)運(yùn)行狀態(tài)的異常顯示，并給出合理處理的建議，結(jié)果在操作界面中顯示.解釋機(jī)制提供系統(tǒng)知識的注釋.

圖2 谷氨酸發(fā)酵過程專家系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)Fig.2 The general structure of the glutamic acid expert system

3.2 專家系統(tǒng)知識的提取

知識獲取是實(shí)現(xiàn)知識表示和建立知識庫的前提條件.在專家系統(tǒng)中，知識分為事實(shí)、規(guī)則、元知識、常識性知識4類.常用的知識獲取方式有非自動、自動獲取兩種.

雖然已有許多學(xué)者對自動知識獲取開展研究，并取得一定的成果，但還存在許多理論及技術(shù)上的難題.所以，本系統(tǒng)知識獲取采用人工參與的半自動獲取方式.知識獲取過程如圖3所示.

圖3 知識獲取過程Fig.3 Knowledge acquisition process

谷氨酸發(fā)酵是一個(gè)復(fù)雜的過程，對各種條件的控制極為重要，任何條件的改變都可能影響發(fā)酵的正常進(jìn)行，因此，在發(fā)酵過程中需要綜合考慮各方面的因素.表1、表2為部分常見現(xiàn)象、異?，F(xiàn)象以及解決策略［9］.由表1可知:在發(fā)酵前期，當(dāng)pH值在7.3～7.5范圍內(nèi)時(shí)，系統(tǒng)提示用戶發(fā)酵過程正常進(jìn)行，當(dāng)超出這一范圍時(shí)，系統(tǒng)提示用戶發(fā)酵過程出現(xiàn)異常并給出相應(yīng)的解決策略.表2分別從染菌時(shí)間、雜菌種類和染菌幅度3個(gè)方面給出了染菌處理的方法，再運(yùn)用CLIPS將上述知識表示成系統(tǒng)可接受的語言編寫到知識庫.

表1 發(fā)酵前期pH值變化及提示信息(0～12 h)Table 1 The pH changes of fermentation(0～12 h)

表2 谷氨酸發(fā)酵過程染菌分析Table 2 The analysis of glutamic acid bacteria infection

3.3 專家系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

將CLIPS嵌入到其他高級語言環(huán)境中.通過在高級語言中添加CLIPS的事件驅(qū)動，實(shí)現(xiàn)事實(shí)列表和知識庫的建立與維護(hù)［10］.其嵌入步驟如下:先將除main.c之外的CLIPS源代碼拷貝到用戶目錄;其次在高級語言中建立一個(gè)新工程，將所有的CLIPS源文件添加到該項(xiàng)目下，在窗體中加入頭文件聲明，以便該環(huán)境能夠識別CLIPS源程序;然后在UserFunctions函數(shù)中聲明用戶自定義函數(shù);最后在相應(yīng)文件中編寫所聲明的自定義函數(shù).這樣就可以在高級語言環(huán)境中使用CLIPS.具體步驟如下:

(1)首先，進(jìn)入Microsoft Visual C++6.0界面，完成MFC對話框的建立.將clipwarp文件夾里面的dynclips.h和dynaload.h頭文件拷貝到VC++6.0的INCLUDE文件夾里面去.

(2)將下載的clips.dll和clips.lib文件和clipwarp文件夾里面的 rsvarcol.cpp和 Rsvarcol.h復(fù)制到ClipsTest工程目錄下.

(3)設(shè)置內(nèi)嵌CLIPS的程序項(xiàng)目.

(4)設(shè)置動態(tài)鏈接.選擇Project(工程)菜單中的Settings(設(shè)置)項(xiàng)，點(diǎn)擊Link(連接)標(biāo)簽頁，在對象/庫模塊一欄里添加clips.lib.

(5)將clipwrap文件夾中的Clipsmfc_old.h和Clipsmfc_old.cpp文件拷貝到工程目錄下，把后綴_old去掉，選擇Project(工程)中添加工程的Files，將clipsmfc.cpp和clipsmfc.h文件添加到ClipsTest工程中.打開頭文件ClipsTestDlg.h，在最頂端添加#include“clipsmfc.h”.

完成以上步驟以后，就可以使用CLIPS的包裝類CCLIPSWrap了，通過向OnInitDialog函數(shù)里寫入代碼，進(jìn)行測試，檢驗(yàn)加載是否成功.

CClipsTestDlg.h頭文件:

#include“clipsmfc.h”

……

BOOL CClipsTestDlg::OnInitDialog()//初始化函數(shù)

{

CDialog::OnInitDialog();

CString sDisplay;

m_pClips=new CCLIPSWrap();

if(m_pClips-＞CLIPSInit())

sDisplay=“CLIPS成功!”;

else

sDisplay=“CLIPS失敗!”;

……

if(iErrCode!=CCLIPSWrap::READ_OK)

{

switch(iErrCode)

{

case CCLIPSWrap::READ_FAIL:

MessageBox(“由于讀取失敗，未能成功供加載規(guī)則庫!”，“警告”，MB_OK);

break;

……

}

m_pClips-＞CLIPSExit();

return FALSE;

}

else

m_display+=“ 成功加載知識庫，現(xiàn)在可以運(yùn)行!”;

……

return TRUE;//return TRUE unless you set the focus to a control

}

通過動態(tài)連接DLL可以成功地把CLIPS嵌入到VC++中，再利用VC++來完成用戶界面的設(shè)計(jì)，圖4為專家系統(tǒng)發(fā)酵過程溫度監(jiān)測界面.

圖4 發(fā)酵過程溫度監(jiān)測界面Fig.4 The monitoring interface of fermentation process

曲線控件要實(shí)現(xiàn)對變量的循環(huán)采樣，若增加成功，則調(diào)用pParentWnd-＞Invalidate()來刷新曲線畫面，從而得到動態(tài)的曲線滾動效果.

4 結(jié)論與展望

針對谷氨酸發(fā)酵過程的特點(diǎn)，研究開發(fā)谷氨酸發(fā)酵過程專家系統(tǒng).該系統(tǒng)利用專家系統(tǒng)開發(fā)工具CLIPS與Visual C++混合編程，然后將整理好的知識編碼添加進(jìn)專家系統(tǒng)的知識庫.系統(tǒng)可以對發(fā)酵過程中每個(gè)階段的罐溫、pH值、罐壓、溶解氧和通風(fēng)量等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測，能在異?，F(xiàn)象出現(xiàn)之前給出提示，并對故障現(xiàn)象給出合理的解決辦法.本專家系統(tǒng)具有充足的數(shù)據(jù)庫和知識庫，用來儲存谷氨酸發(fā)酵過程的數(shù)據(jù)、事實(shí)和經(jīng)驗(yàn);采用獨(dú)立的推理機(jī)實(shí)現(xiàn)其推理過程;采用模塊化結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)各部分功能并具有良好的人機(jī)交互界面.本系統(tǒng)能迅速、合理地給出象領(lǐng)域?qū)＜宜o的解決策略，不僅避免了原材料的大量浪費(fèi)、減少事故的發(fā)生，還能增加谷氨酸產(chǎn)量，提高經(jīng)濟(jì)效益，具有良好的應(yīng)用前景.未來的專家系統(tǒng)發(fā)展趨勢是將多種不同的智能技術(shù)結(jié)合起來的綜合型系統(tǒng)，建立操作簡單、外形美觀、功能完善的專家系統(tǒng)界面也是未來研究的重點(diǎn).

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