基于案例推理的層流冷卻數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)構(gòu)建

徐芳 白艷江 黃爽

【摘 要】本文構(gòu)建了一種層流冷卻工藝控制案例庫模型，提出了一種實現(xiàn)案例推理的算法。研究層流冷卻控制工藝，歸納影響卷取溫度控制的工藝特征。針對各個工藝特征給出局部相似度計算方法，提出主觀賦權(quán)法來確定各工藝特征權(quán)重，采用兩級過濾實現(xiàn)案例檢索。通過實際應(yīng)用表明案例推理算法有效提高首卷帶鋼頭部卷取溫度的控制精度。

【關(guān)鍵詞】層流冷卻；案例推理；案例檢索

【中圖分類號】F407.4【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A【文章編號】1672-5158（2013）07-0127-01

1 前言

基于案例的推理（Case-Based Reasoning，CBR）是一種人工智能推理方法[1]。它借鑒人類處理問題的方式，運(yùn)用以前積累的知識和經(jīng)驗直接解決問題，從而大大減少知識獲取的工作量。CBR在沒有領(lǐng)域顯式模型而僅有經(jīng)驗知識時，較常規(guī)專家系統(tǒng)具有一定優(yōu)勢。

熱軋帶鋼軋后冷卻過程既是一個直接決定微觀組織和力學(xué)性能的工藝過程，又是一個影響因素眾多的傳熱過程，具有典型多變量、強(qiáng)耦合、非線性、離散型、大滯后特征，因此層流冷卻控制系統(tǒng)對自學(xué)習(xí)參數(shù)的依賴性較強(qiáng)。為提高不同工況條件下模型設(shè)定精度，特在1580mm產(chǎn)線層流冷卻系統(tǒng)中引入案例推理技術(shù)[2]，將典型工況總結(jié)成案例形式，充分利用案例推理的智能特性對模型長期自學(xué)習(xí)系數(shù)進(jìn)行決策，提高帶鋼頭部卷取溫度設(shè)定精度。

2 層流冷卻案例庫模型

層流冷卻案例庫由案例構(gòu)造、案例推理、案例檢索和案例學(xué)習(xí)4個模塊構(gòu)成。

在實際控制過程中，設(shè)計案例推理技術(shù)僅應(yīng)用于換規(guī)格軋制首卷或起始卷帶鋼上。控制系統(tǒng)首先提取當(dāng)前運(yùn)行工況條件的描述特征（終軋溫度、軋制速度、厚度、水溫、PDI等）作為待解決問題輸入，經(jīng)過兩級過濾處理檢索與當(dāng)前工況相似的歷史案例，若能夠找到一個與當(dāng)前狀態(tài)最為匹配的案例則作為結(jié)果輸出，若對于相似工況案例采用相似計算調(diào)整后作為結(jié)果輸出，否則直接舍棄推理結(jié)果。當(dāng)帶鋼控制結(jié)束后，將該類問題作為新的實例存儲到案例數(shù)據(jù)庫中，以豐富實例庫的內(nèi)容。

3 案例構(gòu)造

在案例數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建中，采用合理一致的案例表示方法將直接影響CBR系統(tǒng)的應(yīng)用效率和效果。案例表示應(yīng)包含問題描述和解決方案兩部分：問題描述應(yīng)充分表達(dá)控制要求的工況條件，作為案例推理的基礎(chǔ)；解決方案必須能夠給出控制所需求的實際參數(shù)，以解決實際控制問題。

軋后層流冷卻過程易受到較強(qiáng)的外部干擾和上游工序遺傳影響。在案例構(gòu)造過程中，采用工況特性指標(biāo)（例如預(yù)報終軋溫度偏差、穿帶速度、水溫、厚度波動、停軋時間、PDI等）和控制指標(biāo)（卷取溫度偏差值、標(biāo)準(zhǔn)差等）來共同實現(xiàn)問題描述，解決方案形式相對簡易，即自學(xué)習(xí)系數(shù)。

4 案例相似度計算

案例推理是在案例數(shù)據(jù)庫中求解與當(dāng)前工況問題最相似的案例的過程，采用一定相似度算法來實現(xiàn)。

（1）計算局部相似度

計算局部相似度是計算當(dāng)前待解決問題與案例的每一個工藝特征的相似度。由于案例工藝特征屬性的不同取值之間沒有任何聯(lián)系，層流冷卻系統(tǒng)的各工藝特征參數(shù)局部相似度定義Sim（i）（i分別代表水溫、精軋終軋溫度、穿帶速度和軋制時間），根據(jù)不同的偏差范圍給出不同的相似度。

（2）確定工藝特征的權(quán)重值

進(jìn)行案例匹配時，需要決定不同案例特征的主次及其優(yōu)劣程度，所決策出的特征重要程度稱為權(quán)重值。權(quán)重的確定主要是采用主觀賦權(quán)法，即充分利用調(diào)試經(jīng)驗來確定權(quán)值。

通過調(diào)試摸索不同鋼種成分體系及目標(biāo)厚度范圍下水溫、精軋終軋溫度預(yù)測值、穿帶速度預(yù)測值以及軋制間隔時間的相似度權(quán)重。

5 案例檢索

案例檢索是實現(xiàn)案例推理的重要環(huán)節(jié)。考慮到生產(chǎn)特點，設(shè)計絕對和相對兩級過濾方式。

（1）絕對過濾

根據(jù)對當(dāng)前工況進(jìn)行工藝特征分析，給出問題的鋼種、厚度層別、卷取溫度層別、冷卻策略作為檢索條件，若檢索結(jié)果為空，說明從案例庫中找不到滿足要求的案例源。

（2）相對過濾

在滿足上述絕對過濾案例中，引入工藝特征水溫偏差、軋制時間偏差、終軋溫度偏差和速度偏差這四項作為進(jìn)一步檢索輸入條件。檢索結(jié)果表現(xiàn)兩種情況：

第一種：存在完全滿足當(dāng)前工況特征的案例。接下來進(jìn)一步增加卷取溫度指標(biāo)類工藝特征以篩選出與當(dāng)前工況最相似且卷取溫度指標(biāo)控制精度最佳的案例，該案例的解決方案即作為當(dāng)前問題的建議解。

第二種：檢索出的案例不一定完全符合當(dāng)前工況特征。首先增加卷取溫度指標(biāo)類工藝特征作為進(jìn)一步篩選條件，接著對符合上述判定條件的案例的工況特征進(jìn)行判定評估，若能找到最優(yōu)的案例符合當(dāng)前工況要求，則該建議方案被采納，否則需要建議解決方案進(jìn)行適當(dāng)?shù)男薷膩頋M足當(dāng)前工況的需求，以最相似案例的解決方案作為出發(fā)點，基于上述相似度計算方法，明確當(dāng)前工況與每個案例的相似度，得到最終的案例修正解。該案例修正解作為當(dāng)前問題的建議解。

6 案例學(xué)習(xí)

案例學(xué)習(xí)是保證案例庫質(zhì)量的一個重要手段，主要包括案例評價和案例庫維護(hù)兩部分。

案例評價主要是對當(dāng)前工況的應(yīng)用效果進(jìn)行評價，將解決方案應(yīng)用效果較佳的新案例進(jìn)行存儲以豐富擴(kuò)充案例庫。

案例庫維護(hù)主要是向案例庫中添加新的案例（即案例存儲）或刪除一些噪音案例，定期將系統(tǒng)中工況特征相似但卷取溫度指標(biāo)偏低的案例進(jìn)行刪除，提高案例推理時案例檢索的效率。此外，根據(jù)生產(chǎn)實際情況和調(diào)試經(jīng)驗，對不成功案例工藝特征和解決方案進(jìn)行調(diào)整或修改，以便為以后解決類似的問題提供解決方案。

7 實際應(yīng)用

通過對換規(guī)格軋制帶鋼卷取溫度頭部及整體控制精度進(jìn)行統(tǒng)計，確定基于案例推理的層流冷卻數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)可有效提高換規(guī)格或換層別首卷帶鋼的卷取溫度設(shè)定精度，使已批量生產(chǎn)鋼種的首卷卷取溫度控制精度得到明顯提高。但是對于試軋鋼種的作用有限，還需要收集相關(guān)經(jīng)驗數(shù)據(jù)，將問題求解過程中獲得的知識以新案例的形式加入到案例庫中，進(jìn)一步完善案例庫，提高檢索的準(zhǔn)確性。

8 小結(jié)

本文建立了一種基于案例推理的層流冷卻數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。這種數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)具有以下特點：

（1）提出當(dāng)前工況問題描述方法，即通過工藝特征對控制問題進(jìn)行描述，使案例推理求得的控制案例滿足當(dāng)前工況的設(shè)定要求；

（2）提出卷取溫度案例推理的具體實現(xiàn)方法，通過局部相似度與整體相似度計算求出與問題最相似的案例，并通過絕對和相對兩級過濾實現(xiàn)案例檢索，完善了案例推理算法；

（3）采用主觀賦權(quán)法確定局部相似度的權(quán)重值，充分應(yīng)用調(diào)試人員的經(jīng)驗數(shù)據(jù)；

（4）采用案例評價和案例庫維護(hù)實現(xiàn)案例學(xué)習(xí)，保證案例庫質(zhì)量，提高案例檢索的準(zhǔn)確性和實時性。

采用層流冷卻數(shù)據(jù)庫的工藝控制數(shù)據(jù)能夠有效提高換規(guī)格首卷或起始卷帶鋼的卷取溫度控制精度，為提高穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量起到積極促進(jìn)作用。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉曉冰，薄洪光，馬躍.基于案例推理的鋼鐵生產(chǎn)工藝設(shè)計研究[J].中國機(jī)械工程，2008，19（18）：2189-2195

[2] 案例推理方法及其在軋后冷卻過程中的應(yīng)用研究：[碩士學(xué)位論文]，沈陽工業(yè)大學(xué)