0 引言

    抗生素對(duì)致病微生物具有較好的抑制和滅殺作用，具有較廣泛的臨床應(yīng)用，隨著其應(yīng)用需求不斷擴(kuò)大，提高其生產(chǎn)效率并降低生產(chǎn)成本成為相關(guān)生產(chǎn)企業(yè)提高企業(yè)效益的研究重點(diǎn)。目前，抗生素發(fā)酵異常報(bào)警系統(tǒng)已在各醫(yī)藥生產(chǎn)企業(yè)得到普遍應(yīng)用，它加快了檢測(cè)速度，提高了檢驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，對(duì)生產(chǎn)異常的分析和診斷起了重要的作用。但常規(guī)檢驗(yàn)結(jié)果只提供測(cè)試結(jié)果及參考范圍，還需經(jīng)驗(yàn)豐富的工人進(jìn)一步解讀及分析^[1]。

    抗生素發(fā)酵過(guò)程的影響因素和采樣參數(shù)類(lèi)型繁多、工藝復(fù)雜，很難建立精確的數(shù)學(xué)模型^[2]。因此，本文引入了一種基于Snort推理結(jié)構(gòu)的專(zhuān)家診斷系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用Snort擴(kuò)展性強(qiáng)、靈活性高、占用資源少的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出一種以專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)、混合推導(dǎo)規(guī)則以及異常案例為知識(shí)源的知識(shí)庫(kù)，并將基于Snort高效匹配規(guī)則的推理機(jī)與產(chǎn)生式樹(shù)形結(jié)構(gòu)的知識(shí)庫(kù)相結(jié)合，有效解決了專(zhuān)家診斷系統(tǒng)普遍存在的知識(shí)組合崩潰、推理速度慢、推理能力差等問(wèn)題，能實(shí)時(shí)根據(jù)專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)定位和分析異常情況并提出改善、處理方法^[3]。實(shí)踐證明，本文設(shè)計(jì)的專(zhuān)家診斷系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定，除具有分析異常情況的功能之外，還能生成常見(jiàn)問(wèn)題處理辦法，為工人進(jìn)一步診斷提供了參考，也有利于及時(shí)處理異常情況，對(duì)提高醫(yī)藥生產(chǎn)企業(yè)生產(chǎn)效率具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

1 抗生素發(fā)酵工藝

1.1 發(fā)酵過(guò)程及工藝

    抗生素發(fā)酵過(guò)程中需要根據(jù)工藝要求，保證各級(jí)發(fā)酵罐中的各項(xiàng)環(huán)境條件，進(jìn)而促進(jìn)菌體的生長(zhǎng)和增殖?？股匕l(fā)酵過(guò)程可采用補(bǔ)料分批發(fā)酵的方式，在發(fā)酵過(guò)程中需要根據(jù)發(fā)酵狀態(tài)間歇地補(bǔ)加新鮮培養(yǎng)基，使發(fā)酵罐內(nèi)維持適當(dāng)?shù)幕|(zhì)濃度，基質(zhì)濃度過(guò)低會(huì)導(dǎo)致菌體營(yíng)養(yǎng)不足，進(jìn)而代謝減緩；基質(zhì)濃度過(guò)大會(huì)造成阻遏效應(yīng)，使溶解氧濃度變小，同樣影響次級(jí)代謝產(chǎn)物的分泌^[4，5]。

    從發(fā)酵前對(duì)發(fā)酵罐、管道和培養(yǎng)基的消毒滅菌等準(zhǔn)備工作，到發(fā)酵過(guò)程中培養(yǎng)基的添加、溫度的調(diào)節(jié)、去泡沫、空氣流量的調(diào)節(jié)等操作，都需要獲取現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，通過(guò)專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行實(shí)時(shí)推理，對(duì)發(fā)酵狀態(tài)和異常進(jìn)行診斷，并輔助用戶(hù)進(jìn)行異常的確認(rèn)與排除，以使發(fā)酵過(guò)程按照預(yù)期的軌跡進(jìn)行，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)較高的發(fā)酵率^[6]。

1.2 發(fā)酵過(guò)程的異常管控

    發(fā)酵過(guò)程應(yīng)根據(jù)發(fā)酵的菌齡，結(jié)合當(dāng)前發(fā)酵的狀態(tài)，不斷調(diào)整相關(guān)參數(shù)，以使發(fā)酵過(guò)程朝著產(chǎn)品數(shù)量更多、質(zhì)量更好的方向進(jìn)行。以青霉菌為例，生長(zhǎng)適宜溫度為30 ℃，合成適宜溫度25 ℃。在生長(zhǎng)期需要設(shè)定提高溫度，縮短生長(zhǎng)時(shí)間；而在生產(chǎn)階段可以適當(dāng)降低溫度以促進(jìn)次級(jí)代謝產(chǎn)物的合成，溫度的控制通過(guò)對(duì)冷卻水流量的控制進(jìn)行調(diào)節(jié)。適宜代謝產(chǎn)物合成的酸堿度pH范圍為6.4～6.6，應(yīng)避免超過(guò)7.0，因?yàn)樵趬A性條件下代謝產(chǎn)物不穩(wěn)定，易水解。當(dāng)pH值異常時(shí)，可向發(fā)酵罐注入氨水或者增加糖以達(dá)到調(diào)節(jié)目的。泡沫過(guò)多時(shí)加入消泡劑，進(jìn)而避免漏液及其引起的染菌^[7]。溶解氧是微生物發(fā)酵過(guò)程中最為重要的參數(shù)之一，調(diào)節(jié)攪拌電機(jī)的轉(zhuǎn)速和空氣通入量是調(diào)節(jié)溶解氧的兩個(gè)重要方法。在微生物發(fā)酵過(guò)程中還需進(jìn)行營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的補(bǔ)充，以保證微生物的生長(zhǎng)和產(chǎn)物的代謝。

2 專(zhuān)家診斷系統(tǒng)基本原理

    基于專(zhuān)家系統(tǒng)的抗生素發(fā)酵過(guò)程異常診斷系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)傳感器采集發(fā)酵罐內(nèi)部的發(fā)酵罐溫度、壓力、攪拌轉(zhuǎn)速、pH值、溶解氧濃度等參數(shù)值，并由系統(tǒng)自動(dòng)存儲(chǔ)到綜合數(shù)據(jù)庫(kù)中，通過(guò)推理機(jī)讀取數(shù)據(jù)，并結(jié)合知識(shí)庫(kù)和推理規(guī)則庫(kù)，推理分析得出最優(yōu)結(jié)論并通過(guò)解釋程序說(shuō)明推理過(guò)程和結(jié)果，最后通過(guò)人機(jī)接口供用戶(hù)查閱。專(zhuān)家也可通過(guò)專(zhuān)家接口管理擴(kuò)充知識(shí)庫(kù)，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的診斷水平和技術(shù)成熟度。

    針對(duì)抗生素發(fā)酵工藝特點(diǎn)，本專(zhuān)家系統(tǒng)主要由知識(shí)庫(kù)、推理機(jī)、人機(jī)接口、系統(tǒng)綜合數(shù)據(jù)庫(kù)、解釋機(jī)等部分組成。系統(tǒng)綜合數(shù)據(jù)庫(kù)主要存放系統(tǒng)配置數(shù)據(jù)、發(fā)酵過(guò)程歷史數(shù)據(jù)和推理過(guò)程中間數(shù)據(jù)。解釋機(jī)根據(jù)推理機(jī)推出的結(jié)論結(jié)合知識(shí)庫(kù)中的專(zhuān)家知識(shí)，定位可能存在的異常問(wèn)題點(diǎn)，搜索并提取知識(shí)庫(kù)中基于專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)的相應(yīng)解決方案。

3 知識(shí)庫(kù)的建立

    發(fā)酵異常知識(shí)庫(kù)主要存放由專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)轉(zhuǎn)化的知識(shí)條目。發(fā)酵異常知識(shí)庫(kù)以關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)設(shè)計(jì)出一種產(chǎn)生式樹(shù)形結(jié)構(gòu)的形式進(jìn)行構(gòu)造，包含異常故障樹(shù)的映射和索引，可通過(guò)人機(jī)接口進(jìn)行管理[8]。為了提高推理機(jī)的推理效率，知識(shí)庫(kù)中的知識(shí)條目采用了產(chǎn)生式規(guī)則的表達(dá)形式。

    產(chǎn)生式規(guī)則的一般形式是：

    If X Then Y (C)

其中，X是產(chǎn)生式的前提條件，Y是產(chǎn)生式的動(dòng)作或結(jié)論，C為可信度。

    為提高知識(shí)表達(dá)的清晰度和明確性并簡(jiǎn)化異常診斷推理步驟，提高診斷效率，將知識(shí)庫(kù)按照如下模塊進(jìn)行劃分：

    (1)關(guān)聯(lián)模型知識(shí)：描述發(fā)酵系統(tǒng)常態(tài)運(yùn)行時(shí)變量之間的關(guān)聯(lián)規(guī)則和可信度，可判斷系統(tǒng)是否偏離預(yù)訂的發(fā)酵工藝軌跡，確定異?；A(chǔ)信息。

    (2)異常原型知識(shí)：分為設(shè)備異常知識(shí)庫(kù)和發(fā)酵參數(shù)異常知識(shí)庫(kù)，通過(guò)對(duì)專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行提煉進(jìn)而獲取。

    (3)解決方案知識(shí)：分為設(shè)備異常排除知識(shí)庫(kù)和發(fā)酵異常處理知識(shí)庫(kù)，是對(duì)各種異常情況處理方法的總結(jié)和匯總。

    如圖2所示為知識(shí)庫(kù)的結(jié)構(gòu)及其匹配方向圖，現(xiàn)場(chǎng)采樣的數(shù)據(jù)在關(guān)聯(lián)模型知識(shí)庫(kù)中搜索參數(shù)約束條件，找到對(duì)應(yīng)超出約束的規(guī)則條目并得出失配原因，并在異常原型知識(shí)庫(kù)中進(jìn)一步搜索異常原因，最后在解決方案知識(shí)庫(kù)中搜索解決方案。

    發(fā)酵異常知識(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)的表達(dá)方法是通過(guò)關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)的，這種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)具有較好的靈活性，方便功能的實(shí)現(xiàn)和后期管理。

4 推理機(jī)及推理規(guī)則

    推理機(jī)結(jié)合發(fā)酵參數(shù)和內(nèi)置推理規(guī)則，通過(guò)雙向混合推理在知識(shí)庫(kù)中進(jìn)行匹配，列出所有結(jié)論并按優(yōu)先級(jí)及可信度排序。使用知識(shí)庫(kù)中的映射關(guān)系和推理規(guī)則進(jìn)行推導(dǎo)求解。

    推理機(jī)采用特定的搜索策略與發(fā)酵異常知識(shí)庫(kù)中的知識(shí)條目進(jìn)行匹配，其過(guò)程包括規(guī)則推理、沖突消除、執(zhí)行規(guī)則等階段。規(guī)則推理是將知識(shí)庫(kù)中的知識(shí)與規(guī)則庫(kù)中的規(guī)則進(jìn)行匹配的過(guò)程，采用基于規(guī)則推理的推理方式，根據(jù)已知的線(xiàn)索條件以及前提與結(jié)論之間的邏輯關(guān)系得出結(jié)論。當(dāng)出現(xiàn)多條成功匹配的結(jié)論時(shí)，一種解決沖突的方法是先隨機(jī)選擇一條知識(shí)條目，如果執(zhí)行無(wú)效，則回到原始選擇點(diǎn)上，重新選擇知識(shí)條目。這樣周期循環(huán)，直到找到對(duì)應(yīng)的有效知識(shí)條目。這種方法效率低，復(fù)雜度大，當(dāng)數(shù)據(jù)量較大時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)惡性循環(huán)甚至無(wú)解。更為有效的處理方法就是對(duì)知識(shí)條目進(jìn)行唯一標(biāo)識(shí)，以知識(shí)條目在發(fā)酵異常知識(shí)庫(kù)中的優(yōu)先級(jí)和可信度的設(shè)定來(lái)對(duì)知識(shí)條目的選擇進(jìn)行決策。規(guī)則執(zhí)行是將匹配成功的規(guī)則提取出來(lái)作為最終結(jié)論直接輸出或作為中間結(jié)論繼續(xù)進(jìn)行下一輪推理^[9，10]。

    推理策略包括正向推理策略、反向推理策略和混合推理策略。正向推理策略按照從信息條件到最終結(jié)論的方向進(jìn)行推理，可以利用原始發(fā)酵數(shù)據(jù)直接進(jìn)行推導(dǎo)，可快速實(shí)現(xiàn)對(duì)原始發(fā)酵數(shù)據(jù)的響應(yīng)，但推導(dǎo)過(guò)程目的性較差，降低了推導(dǎo)效率。反向推理策略與正向策略相反，它是以結(jié)論為基礎(chǔ)的推理策略，根據(jù)預(yù)先設(shè)定的結(jié)論，反向推導(dǎo)這個(gè)結(jié)論所需要的條件。這種方法在結(jié)論數(shù)量較少的求解空間中效率較高，但假設(shè)結(jié)論的方法具有一定的盲目性，不能充分結(jié)合已知條件進(jìn)行推理，當(dāng)知識(shí)庫(kù)容量較大時(shí)，推理難度較大?；旌贤评聿呗越Y(jié)合兩種方法的優(yōu)勢(shì)，首先根據(jù)異常發(fā)酵參數(shù)進(jìn)行前向推理，這一過(guò)程可能得到幾個(gè)結(jié)論，這幾個(gè)結(jié)論都與用戶(hù)提供的信息具有一定的關(guān)聯(lián)度；然后再分別對(duì)剛剛得到的結(jié)論進(jìn)行假定，反向推理其對(duì)應(yīng)的知識(shí)條目和參數(shù)狀態(tài)，再與給定數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，吻合的結(jié)論即是最終結(jié)論。

    下面舉例說(shuō)明混合推理的實(shí)現(xiàn)方法：系統(tǒng)首先檢測(cè)到301罐的溶氧出現(xiàn)異常，然后調(diào)用推理機(jī)進(jìn)行處理，推理機(jī)在表1所示知識(shí)庫(kù)中進(jìn)行規(guī)則匹配，得到的匹配規(guī)則是Rule n，通過(guò)Rule n正向推理，可知301罐的溶氧值過(guò)低；然后利用Rule n+1進(jìn)行反向推理，可得到兩個(gè)導(dǎo)致上級(jí)異常的原因，由圖3所示推理過(guò)程圖，可得到更深層的推理結(jié)果，然后通過(guò)各規(guī)則的優(yōu)先級(jí)設(shè)定值，可得出最終結(jié)論；最后，利用得到的異常診斷結(jié)果在解決方案知識(shí)庫(kù)中搜索異常處理操作方法。

5 軟件運(yùn)行效果

    人機(jī)接口是用戶(hù)與系統(tǒng)的交互平臺(tái)，對(duì)內(nèi)主要實(shí)現(xiàn)發(fā)酵參數(shù)數(shù)據(jù)和發(fā)酵過(guò)程知識(shí)庫(kù)的信息交互，對(duì)外主要提供專(zhuān)家和操作用戶(hù)兩個(gè)接口。專(zhuān)家接口是面向發(fā)酵領(lǐng)域?qū)＜矣脩?hù)的知識(shí)管理接口，可進(jìn)行知識(shí)管理和維護(hù)；操作用戶(hù)接口是面向現(xiàn)場(chǎng)操作人員的人機(jī)接口，可查看對(duì)發(fā)酵狀態(tài)的異常診斷結(jié)果。通過(guò)知識(shí)管理模塊可使用可視化界面將專(zhuān)家輸入的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化知識(shí)規(guī)則，反之，也可以將知識(shí)庫(kù)中的知識(shí)規(guī)則轉(zhuǎn)化為操作人員易于理解的經(jīng)驗(yàn)文本信息。系統(tǒng)可根據(jù)發(fā)酵參數(shù)的監(jiān)控需要，增刪和修改發(fā)酵異常知識(shí)庫(kù)中的索引信息和映射關(guān)系。異常診斷界面如圖4所示。

6 結(jié)束語(yǔ)

    針對(duì)抗生素發(fā)酵過(guò)程的工藝特點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了一種用于抗生素發(fā)酵的專(zhuān)家診斷系統(tǒng)，并詳細(xì)介紹了產(chǎn)生式知識(shí)庫(kù)的搭建和基于Snort規(guī)則的推理機(jī)的設(shè)計(jì)過(guò)程，對(duì)推導(dǎo)出的潛在問(wèn)題進(jìn)行預(yù)警并提取專(zhuān)家知識(shí)庫(kù)中的處理經(jīng)驗(yàn)和方法，進(jìn)而輔助用戶(hù)進(jìn)行相應(yīng)操作，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)診斷異常并給出處理辦法的功能，能夠提高發(fā)酵過(guò)程的發(fā)酵率，減少原材料的消耗，給企業(yè)帶來(lái)較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。目前，本文設(shè)計(jì)的專(zhuān)家診斷系統(tǒng)已成功應(yīng)用于某醫(yī)藥生產(chǎn)企業(yè)中，其性能已逐漸趨于完善。

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