连铸板坯表面质量预报专家系统

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摘要：连铸板坯表面质量预报专家系统是在分析国内外相关研究的基础上开发的专家系统。介绍了系统的总体结构、特点和各部分的技术细节。本系统开发基本完成，可以稳定运行。

关键词：板坯，表面质量，专家系统，CLIPS

1 前言

　为了提高连铸坯的质量和热装率，国内外钢厂均加大了对连铸坯质量的监控。在这个领域，采用计算机监控连铸坯的质量是最前沿的技术。

　从1980年代开始，板坯质量计算机控制系统在国外取得了长足的进步，其中奥地利Linz钢厂的计算机辅助质量控制系统（CAQC）和英国CORUS公司的结晶器热监控系统（MTM）是典型代表，发展较为完善。宝钢进行的“连铸过程优化控制”科研项目是我国应用计算机预报与控制连铸坯质量缺陷的很好的尝试。

　奥钢联(VAI)的计算机辅助质量控制系统(CAQC)应用专家系统强大的分析和处理复杂的关系的能力，可预测铸坯质量，识别铸坯缺陷，并能给出合适的铸坯质量等级。CAQC系统投入使用已经有20年时间了。

　与CAQC系统完全依靠过程数据预报板坯质量不同的是，英国CORUS公司的结晶器热监控系统（MTM）主要依靠结晶器热电偶采集的信息预报铸坯质量。该系统除了用于漏钢预报外，还用来研究：坯壳撕裂与结晶器内传热的关系；铸坯表面裂纹和凹陷与结晶器内传热的关系；保护渣性能与结晶器内传热的关系。

　国外的板坯质量计算机控制系统虽然已开发多年，但也处于完善过程之中，还远未达到成熟。连铸过程发展日新月异，新工艺和新钢种层出不穷，完全依赖国外的板坯质量计算机控制系统不仅代价高昂，而且对日后的应用开发不利。

　本文介绍了在分析国内外相关研究的基础上，为国内某钢厂开发的一个连铸板坯表面质量预报专家系统的总体结构、特点和各部分的技术细节。

2 板坯表面质量预报专家系统总体结构

　 “板坯表面质量预报专家系统”在国内属于比较前端的课题项目，目前在国内基本还没有应用。由国外在该类项目上取得的成就来看，采用如下的技术路线，即专家系统依据结晶器热电偶的温度场信息和连铸二级机传来的工艺数据判断表面质量，并由相应的数学模型检测判断规则的合理性，可以较快的开发出可靠的表面质量预报专家系统。系统中的专用开发语言CLIPS6.2在增加和修改专家规则等方面非常简便，可靠性高，为进一步扩充知识库提供有利保证。采用了数据仓库技术对历史数据进行数据挖掘，形成专家规则，这是欧盟多个国家于2000年联合完成的连铸坯质量在线预报项目提出的最新技术。

2.1 专家系统的软、硬件条件

　为国内某钢厂开发的板坯表面质量预报专家系统的基本软、硬件条件如下。

　系统的硬件构成包括：一台用于后台数据支撑的数据仓库服务器，一台用于前端质量预报的工控机，10个热电偶数据采集模块。

　系统的软件构成包括：操作系统软件：WINDOWS 2000 SERVER；数据库系统软件：SQL SERVER 2000；开发软件：VISUAL BASIC 6.0；专家系统的开发语言：CLIPS6.2。

2.2 专家系统的总体结构

　该系统涉及三个计算机，即连铸机的二级机、质量预报的服务器和质量预报的工控机。

　连铸机的二级机通过UDP通信程序向质量预报的工控机发送即时工艺数据，通过SQL SERVER 2000的数据转换服务（DTS）向质量预报的服务器定时发送工艺和管理数据。

　质量预报的服务器用SQL SERVER 2000建立数据仓库完成数据的存储、打包、快速查询和统计分析的功能。另外，用VISUAL BASIC 6.0开发出数据的图形化显示功能和神经网络的学习功能。

　质量预报的工控机用VISUAL BASIC 6.0开发出热电偶数据的图形化显示功能，热电偶工作状态的判断功能，漏钢预报和表面质量判断功能，以及实际质量数据的录入功能。其中，漏钢预报采用逻辑漏钢和人工神经网络漏钢联合判断。表面质量判断由嵌入VISUAL BASIC 6.0语言的CLIPS6.2专家系统语言来完成。

　数据采集系统的构成是，54对结晶器热电偶的电压数据由9个模块采集，结晶器液面的电流数据由1个模块采集，然后所有数据经转换后输入工控机。

2.3 板坯表面质量预报专家系统所具备的特点

　通过建立如上所述的系统结构，本系统具有如下的特点：

　（1）质量预报的数据来源既有连铸机的工艺数据，如拉速、中间包温度、结晶器和二冷段的供水量等，又有结晶器热电偶的温度场数据。系统中的专家规则主要来源于操作经验，同时有相应的数学模型，如钢中夹杂物数量和粒度分布模型、粘连时结晶器热电偶的升温模型和连铸坯壳的应力计算模型等，作为基本依据，使专家推理更为合理。

　（2）质量预报采用了专用的专家系统开发语言CLIPS6.2开发专家系统。

　（3）本系统能对结晶器热电偶的温度随时间的数据变化进行跟踪，从而能判断热电偶是处于工作状态，还是处于非工作状态，或是处于故障状态。

3 专家系统的具体实现

　在连铸板坯表面质量预报的专家系统总体结构中核心的是专家系统的构建，下面介绍专家系统构建平台，专家系统和通用语言间的连接，知识的获取和表示方式，推理机设计，以及事实和事实库的构建。

3.1 CLIPS平台简介

　 1985年，美国国家航空航天局开发了基于C语言的专家系统开发平台—CLIPS，现已升级为Version 6.2并公开为免费软件。目前，CLIPS已经广泛应用于航空航天、电子、计算机、地质、化工、冶金、电子商务等领域。其中，最著名的应用是在“神舟五号”飞船救生逃逸系统上的应用。

　 CLIPS平台结构简洁、程序设计具有模块化的特点。此外，该平台还可以支持过程和面向对象程序设计，以及有很好的兼容性，可以嵌入其他通用语言中。加上其软件源代码开放所带来的安全保障，因此，本系统利用该平台构建专家系统。

3.2 CLIPS在VB6.0中的嵌入　由于连铸板坯表面质量预报专家系统的其余部分均用VISUAL BASIC 6.0编写，因此，需要将CLIPS源程序嵌入VB中。为此，编写了VB的动态链接库程序，通过VB的外部函数调用CLIPS源程序，通过这种方式使CLIPS程序按一定周期稳定运行，成为一个能进行实时预报的专家系统。

3.3 知识的获取和表示

　知识库中知识的丰富程度和知识表示形式，很大程度决定了专家系统的能力。知识获取和知识表示形式是构造知识库的重点。

　通过以下途径获取知识：经验知识：铸坯质量管理的总结、铸机操作规程、热电偶状态判断经验和热电偶温度曲线的判读经验等；原理性知识----板坯表面质量问题的产生机理等。

　本系统设计成基于产生式规则的系统。整理出知识后，根据CLIPS的语法，把知识逐条翻译成规则。知识库中有初始化规则，容错规则和预报判断规则。初始化规则在每次系统开始运行时对事实库提供初值。容错规则对输入数据进行出错检查。预报判断规则代表表面质量预报的知识。

3.4 推理机设计

　系统设计成正向推理形式，由模式匹配算法、冲突消解策略、规则执行等组成。

　模式匹配算法检查每一条规则并寻找一组事实来决定规则模式是否满足，如果是，则将此规则记入议程中，当规则被激活并执行后，将更改事实库中的部分事实。冲突消解策略是指已经激活并进入议程中的规则执行选择策略。在本系统中采用堆栈和优先级相结合的策略。规则执行是指纳入进程的规则，在CLIPS命令（run）的作用下，规则的右部执行，得到判断结果。

3.5 事实及事实库构建

　事实库中的数据是专家系统进行质量预报判断的标准和依据，事实库中存储了结晶器热电偶数据和连铸机的工艺数据。在事实库中的事实被创建前，必须告知CLIPS合法槽的例表，按规定格式输入数据，就可以形成质量判断的数据集合，即事实库。

　另外，板坯表面质量预报专家系统是一个实时系统，预报结果将存入数据库，以便将来完善专家系统，同时系统界面可以对结晶器内的温度场进行图形化监控，并提供每个热电偶的温度曲线，对质量问题给予在线预报和操作建议，严重的质量问题可以提供声光报警。

4 结论

　针对连铸板坯质量预报的特点，同时考虑到专家系统所具有的利用连铸机操作经验和专家知识进行推理的能力。所开发的基于CLIPS平台的连铸板坯质量预报系统，已基本开发完成，可以稳定运行，为我国连铸板坯质量水平的提高贡献了自己的力量。

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