基金項目：國家自然科學(xué)基金項目（30371134）。

 

　　林業(yè)科學(xué)40卷數(shù)理方法建立數(shù)學(xué)模型。設(shè)計合理的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通過對系統(tǒng)輸入輸出樣本對自動學(xué)習(xí)，能夠以任意精度逼近任意復(fù)雜的非線性映射，因此它能夠成為多維非線性函數(shù)的通用數(shù)學(xué)模型。而優(yōu)化計算則是指在已知的約束條件下，尋找一組參數(shù)組合，使由該組合確定的目標函數(shù)達到最小值。某些類型的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以把待求解問題的可變參數(shù)設(shè)計為網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)，將目標函數(shù)設(shè)計為網(wǎng)絡(luò)的能量函數(shù)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過動態(tài)演變過程達到穩(wěn)定狀態(tài)時對應(yīng)的能量函數(shù)最小，從而其穩(wěn)定狀態(tài)就是問題的最優(yōu)解。這種優(yōu)化不需要對目標函數(shù)求導(dǎo)，其結(jié)果是網(wǎng)絡(luò)自動給出的。

 

　　2神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在木材工業(yè)中的應(yīng)用前景2.1木材干燥領(lǐng)域木材是應(yīng)用最廣泛而全球緊缺的工程材料之一。然而，我國是一個少林的國家，如何合理、高效地利用砍伐的木材成為當(dāng)前林產(chǎn)品工業(yè)的熱門話題。目前可行并正在應(yīng)用的木材改性方法如木材的染色、防腐、阻燃等處理，由于在處理的或前或后均須對木材進行干燥，相比之下單純的木材干燥顯得較為經(jīng)濟，合理的干燥可以有效避免實木產(chǎn)品產(chǎn)生浪費。

 

　　木材干燥是木制品（如實木家具用材、實木地板、實木裝飾條等）生產(chǎn)過程中不可缺少的一道工序，然而木材干燥工藝的制定至今為止基本上還依賴于經(jīng)驗（Jolyetal.，1980；Pratt，1974；Rassmussrn，1961）。

 

　　目前國內(nèi)外對木材干燥傳熱傳質(zhì)模型的研究較多，按照其建模方法可將這些模型分為2類：Luikov模型和Whitaker模型。Luikov模型是根據(jù)不可逆熱力學(xué)和水勢概念，運用Luikov（1975）方程和數(shù)值計算方法，采用導(dǎo)濕和熱梯度2個比例系數(shù)，將傳熱看作為單純的導(dǎo)熱和由于相變引起的傳熱這二者之和。對于沒有對流質(zhì)量傳遞的情況，假設(shè)水分運動是水勢梯度和溫度梯度共同作用的結(jié)果。比較有代表性的此類模型有：Thomas等（1980）Jmdarara等（1990）和Zhang等（1992）采用水勢概念和有限元數(shù)值方法建立的木材干燥熱質(zhì)耦合傳遞模型。Whitaker模型分別考慮了木材中液態(tài)水、水蒸氣和氣體混合物對傳質(zhì)傳熱的貢獻，按照不同傳輸系數(shù)和驅(qū)動力建立各組分通量的宏觀方程組。比較有代表性的此類模型有：Plumb等（1985）、Pern>（1998）等建立的多組分傳質(zhì)傳熱模型。

 

　　木材干燥的模擬需要大量的工作，它涉及物理力學(xué)公式、分析和數(shù)字解以及在工廠和實驗室所進行的工藝試驗和木材物理力學(xué)特性。根據(jù)上述2種方法導(dǎo)出的木材干燥數(shù)學(xué)模型還必須對木材進行諸多的限制性假設(shè)，如有的學(xué)者在模擬時假定心邊材的滲透性一致（Pang，2002），而實際上木材是變異的；有的學(xué)者假設(shè)木材相鄰的2個細胞之間是開放的，2個細胞有相同的體積等（楊慶賢，1999）；有的學(xué)者對木材進行了9個方面的簡化（常建民，1995）。這些假設(shè)時常使得模型中的/木材“與實際情況有較大程度的偏離。

 

　　綜合分析國內(nèi)外的這些木材干燥模型可見，大多數(shù)模型均因太復(fù)雜或考慮實際情況不夠或?qū)δ静膶嶋H情況過分地簡化而難以為工程運用所接受，在實際應(yīng)用中由模型得出的結(jié)果與實際結(jié)果有時相差較遠。而要建立干燥過程精確的數(shù)學(xué)模型需要解決很多問題，其中包括確定動力學(xué)系數(shù)、被干燥物料和干燥介質(zhì)的熱物理特性等。即使建立了數(shù)學(xué)模型，往往也會因為模型太復(fù)雜而無法用軟件實現(xiàn)，尤其對木材干燥這類復(fù)雜多變的干燥方式而言，水分在木材內(nèi)部的運動規(guī)律十分復(fù)雜，引起的木材變形也十分復(fù)雜，目前仍無法從其內(nèi)部的運動機理和傳熱傳質(zhì)特性出發(fā)建立準確模型，而且，確定這些參數(shù)的勞動成本足以抵消數(shù)字建模的優(yōu)點（Kaminski，1992）。然而，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有捕捉過程輸入-輸出之間的非線性關(guān)系能力和強大的學(xué)習(xí)推理能力，其優(yōu)點是傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型所無法比擬的（方建軍等，1997），它不需要了解過程復(fù)雜的內(nèi)在機理，只需通過對訓(xùn)練樣本的學(xué)習(xí)，即可獲得過程的動態(tài)知識，故有望作為外推預(yù)測木材干燥特性的一種新方法。

 

　　在其他行業(yè)的干燥中，已開始運用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來預(yù)測干燥過程。如Balasubramanian等（1996）用ANN技術(shù)為流化床干燥機建模，采用基于感知器的3層前向網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明：用3個輸入單元、10個隱單元和2個輸出單元的3層前向網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)就能很好地對流化床干燥機進行模擬，網(wǎng)絡(luò)能很好地預(yù)測出口的溫度。Jinescu等（1995）在皮脂酸干燥過程建模中，詳細研究了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)參數(shù)、非線性變換函數(shù)等對網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)速率的影響。Kaminski等（1996）通過徑向函數(shù)網(wǎng)絡(luò)模型來模擬谷物干燥機。鄭文利等（1998）將人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于真空冷凍干燥過程的建模，結(jié)果表明：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法對真空冷凍干燥過程進行建模是可行的，具有實用價值。吳濤等（1999）利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)外推預(yù)測'對撞流干燥過程的降水率，取得了較好的預(yù)測效果。

 

　　楊文斌等：人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在木材工業(yè)中的應(yīng)用前景木材干燥過程是個時間長、動態(tài)復(fù)雜的過程，從目前的國內(nèi)外資料看，東北林業(yè)大學(xué)利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對木材干燥過程的木材含水率變化進行預(yù)測預(yù)報u（張冬妍，2003），表明了此法的可行性。從木材的結(jié)構(gòu)可知，木材為毛細管多孔膠體，它在干燥過程中不僅有含水率的變化，而且伴隨著尺寸的改變，從而在木材斷面產(chǎn)生應(yīng)力，因此，今后的工作除了對不同樹種在不同的溫濕度環(huán)境下含水率的預(yù)測預(yù)報，還應(yīng)在人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對干燥過程的應(yīng)力或應(yīng)變進行預(yù)測和預(yù)報方面作進一步的努力?？傊?，探索利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型來預(yù)測木材的干燥過程的方法，從而實現(xiàn)干燥工藝條件的自動調(diào)節(jié)，不僅有望提高木材的干燥質(zhì)量，而且可降低能耗（木材加工能耗的70%是消耗在干燥工序）。因此，這種研究既有學(xué)術(shù)意義又有實際應(yīng)用價值，對于提高木材利用率，促進木材工業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有積極的指導(dǎo)意義。

 

　　2.2木質(zhì)人造板及植物纖維復(fù)合材料制造領(lǐng)域有關(guān)專家指出，21世紀木材工業(yè)是一個具有高科技含量、擁有自主知識產(chǎn)權(quán)、涉及多領(lǐng)域的特色產(chǎn)業(yè)，其中很重要的一點就是開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的木材加工技術(shù)（張齊生等，2000）。

 

　　木材工業(yè)要開拓新市場就必須研發(fā)新產(chǎn)品，就要做各種試驗，而凡是試驗就存在著如何安排試驗方案、如何分析試驗結(jié)果的問題，即要解決試驗設(shè)計的方法問題。若試驗方案設(shè)計正確，對試驗結(jié)果的分析得法，就能夠以較少的試驗次數(shù)、較短的試驗周期、較低的試驗費用、迅速地得到正確的結(jié)論和較好的試驗結(jié)果；反之，試驗方案設(shè)計不正確，試驗結(jié)果分析不當(dāng)，就會增加試驗次數(shù)，延長試驗周期，造成人力、物力和時間的浪費，不僅難以達到預(yù)期的效果，甚至造成試驗的全盤失?。ɡ畈ǖ?，2003）。因此，科學(xué)地進行試驗設(shè)計是一個重要的問題。進行試驗的目的是發(fā)現(xiàn)規(guī)律和運用規(guī)律，客觀世界的規(guī)律是復(fù)雜的，需要考察諸多因素之間的因果關(guān)系，就必須做試驗，為了摸清規(guī)律，有時必須進行很多次數(shù)的試驗。隨著社會、科學(xué)技術(shù)水平的飛速發(fā)展，人們對現(xiàn)實世界內(nèi)在規(guī)律的研究越來越精細，建立一個好的數(shù)學(xué)模型是解決實際問題的關(guān)鍵，而模型的建立往往需要選取適當(dāng)?shù)脑囼灁?shù)據(jù)，最優(yōu)設(shè)計理論很好地解決了這一問題。在木材工業(yè)領(lǐng)域產(chǎn)品研制常用的試驗設(shè)計和優(yōu)化方法有單因素法、正交試驗設(shè)計、回歸正交試驗設(shè)計、正交旋轉(zhuǎn)回歸試驗設(shè)計等。

 

　　近年來，復(fù)合材料研究領(lǐng)域越來越多的研究人員采用一種新的試驗優(yōu)化方法在即利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN）對復(fù)合材料的宏觀性能、界面性能進行設(shè)計、預(yù)測或工藝優(yōu)化。例如，易洪雷等（1999）提出了采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)研究纖維增強復(fù)合材料力學(xué)性能的基本思路，種種跡象表明：將這種方法引入復(fù)合材料力學(xué)研究領(lǐng)域是合理和切實可行的。張興華等（1999）在研究中先將PP材料按純PP、共混和增韌及填充和增強PP等進行分類，并根據(jù)這些數(shù)據(jù)的特點建立BP網(wǎng)絡(luò)，然后用各類PP材料的組成和力學(xué)性能數(shù)據(jù)對網(wǎng)絡(luò)進行學(xué)習(xí)訓(xùn)練，最后用/未知樣品“的數(shù)據(jù)對網(wǎng)絡(luò)進行驗證。結(jié)果表明：所建立的網(wǎng)絡(luò)能反映PP的力學(xué)性能特性，預(yù)測有一定的準確性，但不同類別的材料預(yù)到準確性不同。石鮮明等（2000）等應(yīng)用ANN研究了熱固性酚醛樹脂的合成反應(yīng)條件與其玻璃纖維復(fù)合材料力學(xué)性能之間的映射關(guān)系，建立了可用于定量預(yù)測玻璃纖維增強酚醛樹脂靜彎曲強度的模型，并進行了實驗驗證。顧強生等（2001）通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來處理泡沫輕質(zhì)材料的試驗數(shù)據(jù)，得出任意組分與強度之間的關(guān)系，從而可快捷地尋找滿足工程設(shè)計指標要求的最優(yōu)配比。

 

　　復(fù)合材料界面影響到復(fù)合材料整體的物理力學(xué)性能，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)還可以對界面的性能進行設(shè)計（劉子龍等，2003），從而在較少的工作量情況下想得到比較理想的復(fù)合材料界面性能。

 

　　木質(zhì)人造板或植物纖維復(fù)合材料是木材工業(yè)中的支柱產(chǎn)業(yè)，其生產(chǎn)盡管有著與其他材料不同的特點，但無論如何，它也是一種復(fù)合材料。從哲學(xué)的角度看，它必然與其他行業(yè)的復(fù)合材料具有共性，這個共性就是試驗設(shè)計和數(shù)據(jù)處理及分析方法。由于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是人們采用數(shù)理模型的方法，模仿生物腦結(jié)構(gòu)和功能的一種信息處理系統(tǒng)，其顯著特點是不必人為給定網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)，僅需通過必要的樣本學(xué)習(xí)，網(wǎng)絡(luò)便能以一組權(quán)重的形式達到穩(wěn)定狀態(tài)。在不需了解研究對象輸入與輸出參數(shù)之間的變化規(guī)律情況下，就可根據(jù)輸入?yún)?shù)預(yù)測輸出參數(shù)的數(shù)值，而且，更可貴的是隨著研究工作的不斷深入，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)還會不斷地進行知識更新和自我完善，最后逐步建立起一個理想的關(guān)系模型。因而，在人造板或植物纖維復(fù)合材料的研究中引入人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法是合理的、可行的。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在人造板或植物纖維復(fù)合材料中的利用可從以下幾個方面入手：設(shè)計人造板或植物纖維復(fù)合材料的界面性能，從而達到優(yōu)化界面的目的；結(jié)合小波分析技1）劉亞秋。木材干燥窯神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制仿真。東北林業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文，2001，5林業(yè)科學(xué)40卷術(shù)和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，對人造板及植物纖維復(fù)合材料的力學(xué)性能或缺陷進行無損檢測；預(yù)測人造板及植物纖維復(fù)合材料的宏觀性能，進而優(yōu)化生產(chǎn)工藝；預(yù)測和優(yōu)化制膠工藝參數(shù)。

 

　　2.3林產(chǎn)化學(xué)工業(yè)領(lǐng)域?qū)α只a(chǎn)品的進一步開發(fā)和利用，將遇到對產(chǎn)品成分、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和分離技術(shù)等問題。為了適應(yīng)發(fā)展，需要開展新工藝、新技術(shù)的研究，同時，還必須有化學(xué)、數(shù)學(xué)、生物、木材、遺傳、林學(xué)、生理等方面的專家進行跨學(xué)科的合作。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為計算統(tǒng)計學(xué)的分支，在林產(chǎn)化工產(chǎn)品的開發(fā)和研究中同樣能大有作為。

 

　　在木糖醇發(fā)酵液脫色的研究中，梅余霞等（2000）利用均勻試驗設(shè)計，將試驗數(shù)據(jù)構(gòu)筑人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，在此模型的預(yù)測參數(shù)下獲得了較好的脫色工藝；方千山等（2001a；2001b）利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)對木糖醇發(fā)酵過程的再線測量；中國醫(yī)藥大學(xué)（燕立波等，2002）將遺傳神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用于藥物液相色譜分離條件的優(yōu)化，結(jié)果表明：利用該模型所預(yù)測的最佳分離條件進行試驗，獲得了比較滿意的分離結(jié)果。

 

　　為了對特定化工過程進行有效的動態(tài)監(jiān)控，必須充分根據(jù)已有測量數(shù)據(jù)對系統(tǒng)的行為進行分析，推斷可能發(fā)生的事故。顯然，對未來一段時間內(nèi)過程變量的正確預(yù)測是問題的關(guān)鍵。傳統(tǒng)的預(yù)測方法有系統(tǒng)辨析法、傅立葉變換法等?；谏窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測方法由于其魯棒性較好而倍受關(guān)注。RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具較快的訓(xùn)練速度，同時也是普遍適用的近似器，故其可用于過程變量的預(yù)測和事故診斷（王洪元等，2002）。

 

　　在該領(lǐng)域人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可能的應(yīng)用方向有以下幾點：預(yù)測和優(yōu)化林化產(chǎn)品如松香、活性炭、栲膠及其他樹木提取物的工藝參數(shù)；動態(tài)監(jiān)控林化產(chǎn)品的生產(chǎn)過程以及生產(chǎn)過程的事故診斷和處理。

 

　　3小結(jié)通過以上的介紹和分析表明，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有自學(xué)習(xí)、自組織、自適應(yīng)能力及有如人腦一樣的容錯和聯(lián)想能力，可應(yīng)用于木材干燥領(lǐng)域如含水率、應(yīng)力及應(yīng)變狀態(tài)預(yù)測和預(yù)報；在木質(zhì)人造板及植物纖維復(fù)合材料方面的利用將使人造板及植物纖維的界面設(shè)計及優(yōu)化、對其物理力學(xué)性能或缺陷進行無損檢測、預(yù)測人造板及植物纖維復(fù)合材料的宏觀性能，達到優(yōu)化工藝參數(shù)的目的；林化產(chǎn)品工藝參數(shù)的預(yù)測和工藝優(yōu)化、動態(tài)監(jiān)控林化產(chǎn)品的生產(chǎn)，及時地對生產(chǎn)過程的事故進行診斷和處理。同時它與木材科學(xué)的交叉與融合也將有助于這門新興的學(xué)科的完善和發(fā)展。