基金項目：國家自然科學基金項目（30371134）。

 

　　林業(yè)科學40卷數(shù)理方法建立數(shù)學模型。設計合理的神經(jīng)網(wǎng)絡通過對系統(tǒng)輸入輸出樣本對自動學習，能夠以任意精度逼近任意復雜的非線性映射，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)絡可以把待求解問題的可變參數(shù)設計為網(wǎng)絡的狀態(tài)，將目標函數(shù)設計為網(wǎng)絡的能量函數(shù)。神經(jīng)網(wǎng)絡經(jīng)過動態(tài)演變過程達到穩(wěn)定狀態(tài)時對應的能量函數(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，其結果是網(wǎng)絡自動給出的。

 

　　2神經(jīng)網(wǎng)絡在木材工業(yè)中的應用前景2.1木材干燥領域木材是應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前林產(chǎn)品工業(yè)的熱門話題。目前可行并正在應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）。

 

　　目前國內外對木材干燥傳熱傳質模型的研究較多，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)不可逆熱力學和水勢概念，運用Luikov（1975）方程和數(shù)值計算方法，采用導濕和熱梯度2個比例系數(shù)，將傳熱看作為單純的導熱和由于相變引起的傳熱這二者之和。對于沒有對流質量傳遞的情況，假設水分運動是水勢梯度和溫度梯度共同作用的結果。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傳熱的貢獻，按照不同傳輸系數(shù)和驅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特性。根據(jù)上述2種方法導出的木材干燥數(shù)學模型還必須對木材進行諸多的限制性假設，如有的學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；有的學者假設木材相鄰的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）；有的學者對木材進行了9個方面的簡化（常建民，1995）。這些假設時常使得模型中的/木材“與實際情況有較大程度的偏離。

 

　　綜合分析國內外的這些木材干燥模型可見，大多數(shù)模型均因太復雜或考慮實際情況不夠或對木材實際情況過分地簡化而難以為工程運用所接受，在實際應用中由模型得出的結果與實際結果有時相差較遠。而要建立干燥過程精確的數(shù)學模型需要解決很多問題，其中包括確定動力學系數(shù)、被干燥物料和干燥介質的熱物理特性等。即使建立了數(shù)學模型，往往也會因為模型太復雜而無法用軟件實現(xiàn)，尤其對木材干燥這類復雜多變的干燥方式而言，水分在木材內部的運動規(guī)律十分復雜，引起的木材變形也十分復雜，目前仍無法從其內部的運動機理和傳熱傳質特性出發(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)絡具有捕捉過程輸入-輸出之間的非線性關系能力和強大的學習推理能力，其優(yōu)點是傳統(tǒng)的數(shù)學模型所無法比擬的（方建軍等，1997），它不需要了解過程復雜的內在機理，只需通過對訓練樣本的學習，即可獲得過程的動態(tài)知識，故有望作為外推預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)絡來預測干燥過程。如Balasubramanian等（1996）用ANN技術為流化床干燥機建模，采用基于感知器的3層前向網(wǎng)絡結構。結果表明：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)絡結構就能很好地對流化床干燥機進行模擬，網(wǎng)絡能很好地預測出口的溫度。Jinescu等（1995）在皮脂酸干燥過程建模中，詳細研究了網(wǎng)絡結構參數(shù)、非線性變換函數(shù)等對網(wǎng)絡學習速率的影響。Kaminski等（1996）通過徑向函數(shù)網(wǎng)絡模型來模擬谷物干燥機。鄭文利等（1998）將人工神經(jīng)網(wǎng)絡應用于真空冷凍干燥過程的建模，結果表明：神經(jīng)網(wǎng)絡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)絡外推預測'對撞流干燥過程的降水率，取得了較好的預測效果。

 

　　楊文斌等：人工神經(jīng)網(wǎng)絡在木材工業(yè)中的應用前景木材干燥過程是個時間長、動態(tài)復雜的過程，從目前的國內外資料看，東北林業(yè)大學利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡技術對木材干燥過程的木材含水率變化進行預測預報u（張冬妍，2003），表明了此法的可行性。從木材的結構可知，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)境下含水率的預測預報，還應在人工神經(jīng)網(wǎng)絡對干燥過程的應力或應變進行預測和預報方面作進一步的努力。總之，探索利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡模型來預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節(jié)，不僅有望提高木材的干燥質量，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，這種研究既有學術意義又有實際應用價值，對于提高木材利用率，促進木材工業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有積極的指導意義。

 

　　2.2木質人造板及植物纖維復合材料制造領域有關專家指出，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、涉及多領域的特色產(chǎn)業(yè)，其中很重要的一點就是開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權的木材加工技術（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、如何分析試驗結果的問題，即要解決試驗設計的方法問題。若試驗方案設計正確，對試驗結果的分析得法，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論和較好的試驗結果；反之，試驗方案設計不正確，試驗結果分析不當，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，不僅難以達到預期的效果，甚至造成試驗的全盤失敗（李波等，2003）。因此，科學地進行試驗設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)律是復雜的，需要考察諸多因素之間的因果關系，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、科學技術水平的飛速發(fā)展，人們對現(xiàn)實世界內在規(guī)律的研究越來越精細，建立一個好的數(shù)學模型是解決實際問題的關鍵，而模型的建立往往需要選取適當?shù)脑囼灁?shù)據(jù)，最優(yōu)設計理論很好地解決了這一問題。在木材工業(yè)領域產(chǎn)品研制常用的試驗設計和優(yōu)化方法有單因素法、正交試驗設計、回歸正交試驗設計、正交旋轉回歸試驗設計等。

 

　　近年來，復合材料研究領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（ANN）對復合材料的宏觀性能、界面性能進行設計、預測或工藝優(yōu)化。例如，易洪雷等（1999）提出了采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡研究纖維增強復合材料力學性能的基本思路，種種跡象表明：將這種方法引入復合材料力學研究領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，然后用各類PP材料的組成和力學性能數(shù)據(jù)對網(wǎng)絡進行學習訓練，最后用/未知樣品“的數(shù)據(jù)對網(wǎng)絡進行驗證。結果表明：所建立的網(wǎng)絡能反映PP的力學性能特性，預測有一定的準確性，但不同類別的材料預到準確性不同。石鮮明等（2000）等應用ANN研究了熱固性酚醛樹脂的合成反應條件與其玻璃纖維復合材料力學性能之間的映射關系，建立了可用于定量預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)絡來處理泡沫輕質材料的試驗數(shù)據(jù)，得出任意組分與強度之間的關系，從而可快捷地尋找滿足工程設計指標要求的最優(yōu)配比。

 

　　復合材料界面影響到復合材料整體的物理力學性能，利用神經(jīng)網(wǎng)絡還可以對界面的性能進行設計（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合材料界面性能。

 

　　木質人造板或植物纖維復合材料是木材工業(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，它也是一種復合材料。從哲學的角度看，它必然與其他行業(yè)的復合材料具有共性，這個共性就是試驗設計和數(shù)據(jù)處理及分析方法。由于人工神經(jīng)網(wǎng)絡是人們采用數(shù)理模型的方法，模仿生物腦結構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)絡的內部結構參數(shù)，僅需通過必要的樣本學習，網(wǎng)絡便能以一組權重的形式達到穩(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系模型。因而，在人造板或植物纖維復合材料的研究中引入人工神經(jīng)網(wǎng)絡方法是合理的、可行的。人工神經(jīng)網(wǎng)絡在人造板或植物纖維復合材料中的利用可從以下幾個方面入手：設計人造板或植物纖維復合材料的界面性能，從而達到優(yōu)化界面的目的；結合小波分析技1）劉亞秋。木材干燥窯神經(jīng)網(wǎng)絡控制仿真。東北林業(yè)大學碩士學位論文，2001，5林業(yè)科學40卷術和人工神經(jīng)網(wǎng)絡技術，對人造板及植物纖維復合材料的力學性能或缺陷進行無損檢測；預測人造板及植物纖維復合材料的宏觀性能，進而優(yōu)化生產(chǎn)工藝；預測和優(yōu)化制膠工藝參數(shù)。

 

　　2.3林產(chǎn)化學工業(yè)領域對林化產(chǎn)品的進一步開發(fā)和利用，將遇到對產(chǎn)品成分、結構、性質和分離技術等問題。為了適應發(fā)展，需要開展新工藝、新技術的研究，同時，還必須有化學、數(shù)學、生物、木材、遺傳、林學、生理等方面的專家進行跨學科的合作。人工神經(jīng)網(wǎng)絡作為計算統(tǒng)計學的分支，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）利用均勻試驗設計，將試驗數(shù)據(jù)構筑人工神經(jīng)網(wǎng)絡模型，在此模型的預測參數(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)絡實現(xiàn)對木糖醇發(fā)酵過程的再線測量；中國醫(yī)藥大學（燕立波等，2002）將遺傳神經(jīng)網(wǎng)絡用于藥物液相色譜分離條件的優(yōu)化，結果表明：利用該模型所預測的最佳分離條件進行試驗，獲得了比較滿意的分離結果。

 

　　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，對未來一段時間內過程變量的正確預測是問題的關鍵。傳統(tǒng)的預測方法有系統(tǒng)辨析法、傅立葉變換法等。基于神經(jīng)網(wǎng)絡的預測方法由于其魯棒性較好而倍受關注。RBF神經(jīng)網(wǎng)絡具較快的訓練速度，同時也是普遍適用的近似器，故其可用于過程變量的預測和事故診斷（王洪元等，2002）。

 

　　在該領域人工神經(jīng)網(wǎng)絡可能的應用方向有以下幾點：預測和優(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小結通過以上的介紹和分析表明，人工神經(jīng)網(wǎng)絡具有自學習、自組織、自適應能力及有如人腦一樣的容錯和聯(lián)想能力，可應用于木材干燥領域如含水率、應力及應變狀態(tài)預測和預報；在木質人造板及植物纖維復合材料方面的利用將使人造板及植物纖維的界面設計及優(yōu)化、對其物理力學性能或缺陷進行無損檢測、預測人造板及植物纖維復合材料的宏觀性能，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。同時它與木材科學的交叉與融合也將有助于這門新興的學科的完善和發(fā)展。