全 文 ：第 ws卷 第 y期
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林 业 科 学
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人工神经网络在木材工业中的应用前景
杨文斌
k福建农林大学 福州 vxsssul
刘一星 刘迎涛
k东北林业大学 哈尔滨 txsswsl
摘 要 } 在简要介绍人工神经网络的基本特征和基本功能的基础上 o阐明利用这些特征和功能在木材工业中可
能的应用方向 ∀利用神经网络可以预测木材干燥中木材在不同温湿度条件下的含水率 !应力与应变情况和植物纤
维复合材料在不同工艺条件下的性能 !优化林化产品等工艺条件以及预测林产品市场的国内外走向等 ∀
关键词 } 人工神经网络 o林产品工业 o应用前景
中图分类号 }≥z{w 文献标识码 }„ 文章编号 }tsst p zw{{kusswlsy p stxv p sx
收稿日期 }ussv p tu p t| ∀
基金项目 }国家自然科学基金项目kvsvzttvwl ∀
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人工神经网络是对生物神经系统的结构和功能进行数学抽象 !简化和模仿而逐步发展起来的一种新型
信息处理和计算系统 o它是由大量的简单处理单元k又称神经元l之间彼此按某种方式相互连接而形成的复
杂网络系统 o通常情况下 o人工神经网络又简称为神经网络 ∀神经网络作为一种新型的/黑箱0操作方法 o是
近年迅速发展的研究热点 o现已广泛地应用于经济 !机器人和自动控制 !军事 !化学工程 !水利工程 !路桥工程
等领域k韩力群 oussu ~张际先等 ot||y ~方千山等 ousst ~盛谦等 ousss ~郝大力等 ousstl o并取得了一些成果 ~在
林业系统中 o人工神经网络也得到了一定程度的应用k刘金福等 ousst ~李际平等 ot||yl ∀本文简要介绍人工
神经网络在木材工业领域的应用前景 ∀
t 神经网络的基本特征和基本功能
111 基本特征
在结构上 o它是由大量简单处理元件相互连接构成的高度并行的非线性系统 o具有大规模并行性处理的
特征 o结构上的并行性使其信息存储必然采用分布式方式 o即信息不是存储在网络的某个局域 o而是分布在
网络所有的连接权中 ∀在能力上 o具有自学习 !自组织 !自适应性的功能 ∀自适应性是指一个系统能改变自
身的性能以适应环境变化的能力 o它是神经网络的一个重要特征 o自适应性包括自学习和自组织两层含义 ∀
神经网络的自学习是指当外界环境发生变化时 o经过一段时间的训练或感知 o神经网络能自动调整网络结构
参数 o使得对于给定输入能产生期望的输出 o训练是神经网络学习的途径 ∀神经系统能在外部刺激下按一定
规则调整神经元之间的突触连接 o逐步构建起神经网络 o这一构建过程称为网络的自组织 ∀
112 基本功能
人工神经网络是借鉴生物神经网络而发展起来的新型智能信息处理系统 o由于其结构上/仿造0了人脑
的生物神经系统 o因而它具有联想记忆 !知识处理 !分类与识别 !非线性映射和优化计算等功能 ∀
在客观世界中 o许多系统的输入与输出之间存在复杂的非线性关系 o对于这类系统 o往往很难用传统的
数理方法建立数学模型 ∀设计合理的神经网络通过对系统输入输出样本对自动学习 o能够以任意精度逼近
任意复杂的非线性映射 o因此它能够成为多维非线性函数的通用数学模型 ∀而优化计算则是指在已知的约
束条件下 o寻找一组参数组合 o使由该组合确定的目标函数达到最小值 ∀某些类型的神经网络可以把待求解
问题的可变参数设计为网络的状态 o将目标函数设计为网络的能量函数 ∀神经网络经过动态演变过程达到
稳定状态时对应的能量函数最小 o从而其稳定状态就是问题的最优解 ∀这种优化不需要对目标函数求导 o其
结果是网络自动给出的 ∀
u 神经网络在木材工业中的应用前景
211 木材干燥领域
木材是应用最广泛而全球紧缺的工程材料之一 ∀然而 o我国是一个少林的国家 o如何合理 !高效地利用
砍伐的木材成为当前林产品工业的热门话题 ∀目前可行并正在应用的木材改性方法如木材的染色 !防腐 !阻
燃等处理 o由于在处理的或前或后均须对木材进行干燥 o相比之下单纯的木材干燥显得较为经济 o合理的干
燥可以有效避免实木产品产生浪费 ∀
木材干燥是木制品k如实木家具用材 !实木地板 !实木装饰条等l生产过程中不可缺少的一道工序 o然而
木材干燥工艺的制定至今为止基本上还依赖于经验k²¯¼ ετ αλqot|{s ~°µ¤·ot|zw ~•¤¶¶°∏¶¶¨±ot|ytl ∀
目前国内外对木材干燥传热传质模型的研究较多 o按照其建模方法可将这些模型分为 u类 }∏¬®²√模型
和 • «¬·¤®¨µ模型 ∀∏¬®²√模型是根据不可逆热力学和水势概念 o运用 ∏¬®²√kt|zxl方程和数值计算方法 o采
用导湿和热梯度 u个比例系数 o将传热看作为单纯的导热和由于相变引起的传热这二者之和 ∀对于没有对
流质量传递的情况 o假设水分运动是水势梯度和温度梯度共同作用的结果 ∀比较有代表性的此类模型有 }
׫²°¤¶等kt|{sl !Œµ∏§¤µ¤µ¤等kt||sl和 «¤±ª等kt||ul采用水势概念和有限元数值方法建立的木材干燥热质
耦合传递模型 ∀ • «¬·¤®¨µ模型分别考虑了木材中液态水 !水蒸气和气体混合物对传质传热的贡献 o按照不同
传输系数和驱动力建立各组分通量的宏观方程组 ∀比较有代表性的此类模型有 }°¯ ∏°¥等kt|{xl !°¨ µµ¾¨
kt||{l等建立的多组分传质传热模型 ∀
木材干燥的模拟需要大量的工作 o它涉及物理力学公式 !分析和数字解以及在工厂和实验室所进行的工
艺试验和木材物理力学特性 ∀根据上述 u种方法导出的木材干燥数学模型还必须对木材进行诸多的限制性
假设 o如有的学者在模拟时假定心边材的渗透性一致k°¤±ªoussul o而实际上木材是变异的 ~有的学者假设木
材相邻的 u个细胞之间是开放的 ou个细胞有相同的体积等k杨庆贤 ot|||l ~有的学者对木材进行了 |个方面
的简化k常建民 ot||xl ∀这些假设时常使得模型中的/木材0与实际情况有较大程度的偏离 ∀
综合分析国内外的这些木材干燥模型可见 o大多数模型均因太复杂或考虑实际情况不够或对木材实际
情况过分地简化而难以为工程运用所接受 o在实际应用中由模型得出的结果与实际结果有时相差较远 ∀而
要建立干燥过程精确的数学模型需要解决很多问题 o其中包括确定动力学系数 !被干燥物料和干燥介质的热
物理特性等 ∀即使建立了数学模型 o往往也会因为模型太复杂而无法用软件实现 o尤其对木材干燥这类复杂
多变的干燥方式而言 o水分在木材内部的运动规律十分复杂 o引起的木材变形也十分复杂 o目前仍无法从其
内部的运动机理和传热传质特性出发建立准确模型 o而且 o确定这些参数的劳动成本足以抵消数字建模的优
点kŽ¤°¬±¶®¬ot||ul ∀然而 o人工神经网络具有捕捉过程输入 p输出之间的非线性关系能力和强大的学习推
理能力 o其优点是传统的数学模型所无法比拟的k方建军等 ot||zl o它不需要了解过程复杂的内在机理 o只需
通过对训练样本的学习 o即可获得过程的动态知识 o故有望作为外推预测木材干燥特性的一种新方法 ∀
在其他行业的干燥中 o已开始运用人工神经网络来预测干燥过程 ∀如 …¤¯¤¶∏¥µ¤°¤±¬¤±等kt||yl用 „‘‘
技术为流化床干燥机建模 o采用基于感知器的 v层前向网络结构 ∀结果表明 }用 v个输入单元 !ts个隐单元
和 u个输出单元的 v层前向网络结构就能很好地对流化床干燥机进行模拟 o网络能很好地预测出口的温度 ∀
¬±¨ ¶¦∏等kt||xl在皮脂酸干燥过程建模中 o详细研究了网络结构参数 !非线性变换函数等对网络学习速率的
影响 ∀ Ž¤°¬±¶®¬等kt||yl通过径向函数网络模型来模拟谷物干燥机 ∀郑文利等kt||{l将人工神经网络应用
于真空冷冻干燥过程的建模 o结果表明 }神经网络方法对真空冷冻干燥过程进行建模是可行的 o具有实用价
值 ∀吴涛等kt|||l利用神经网络外推预测垂直对撞流干燥过程的降水率 o取得了较好的预测效果 ∀
wxt 林 业 科 学 ws卷
木材干燥过程是个时间长 !动态复杂的过程 o从目前的国内外资料看 o东北林业大学利用人工神经网络
技术对木材干燥过程的木材含水率变化进行预测预报tlk张冬妍 oussvl o表明了此法的可行性 ∀从木材的结
构可知 o木材为毛细管多孔胶体 o它在干燥过程中不仅有含水率的变化 o而且伴随着尺寸的改变 o从而在木材
断面产生应力 o因此 o今后的工作除了对不同树种在不同的温湿度环境下含水率的预测预报 o还应在人工神
经网络对干燥过程的应力或应变进行预测和预报方面作进一步的努力 ∀总之 o探索利用人工神经网络模型
来预测木材的干燥过程的方法 o从而实现干燥工艺条件的自动调节 o不仅有望提高木材的干燥质量 o而且可
降低能耗k木材加工能耗的 zs h是消耗在干燥工序l ∀因此 o这种研究既有学术意义又有实际应用价值 o对
于提高木材利用率 o促进木材工业可持续发展具有积极的指导意义 ∀
tl刘亚秋 q木材干燥窑神经网络控制仿真 q东北林业大学硕士学位论文 ousst ox
212 木质人造板及植物纤维复合材料制造领域
有关专家指出 out世纪木材工业是一个具有高科技含量 !拥有自主知识产权 !涉及多领域的特色产业 o
其中很重要的一点就是开发具有自主知识产权的木材加工技术k张齐生等 ousssl ∀
木材工业要开拓新市场就必须研发新产品 o就要做各种试验 o而凡是试验就存在着如何安排试验方案 !
如何分析试验结果的问题 o即要解决试验设计的方法问题 ∀若试验方案设计正确 o对试验结果的分析得法 o
就能够以较少的试验次数 !较短的试验周期 !较低的试验费用 !迅速地得到正确的结论和较好的试验结果 ~反
之 o试验方案设计不正确 o试验结果分析不当 o就会增加试验次数 o延长试验周期 o造成人力 !物力和时间的浪
费 o不仅难以达到预期的效果 o甚至造成试验的全盘失败k李波等 oussvl ∀因此 o科学地进行试验设计是一个
重要的问题 ∀进行试验的目的是发现规律和运用规律 o客观世界的规律是复杂的 o需要考察诸多因素之间的
因果关系 o就必须做试验 o为了摸清规律 o有时必须进行很多次数的试验 ∀随着社会 !科学技术水平的飞速发
展 o人们对现实世界内在规律的研究越来越精细 o建立一个好的数学模型是解决实际问题的关键 o而模型的
建立往往需要选取适当的试验数据 o最优设计理论很好地解决了这一问题 ∀在木材工业领域产品研制常用
的试验设计和优化方法有单因素法 !正交试验设计 !回归正交试验设计 !正交旋转回归试验设计等 ∀
近年来 o复合材料研究领域越来越多的研究人员采用一种新的试验优化方法在即利用人工神经网络
k„‘‘l对复合材料的宏观性能 !界面性能进行设计 !预测或工艺优化 ∀例如 o易洪雷等kt|||l提出了采用人
工神经网络研究纤维增强复合材料力学性能的基本思路 o种种迹象表明 }将这种方法引入复合材料力学研究
领域是合理和切实可行的 ∀张兴华等kt|||l在研究中先将 °°材料按纯 °° !共混和增韧及填充和增强 °°等
进行分类 o并根据这些数据的特点建立 …°网络 o然后用各类 °°材料的组成和力学性能数据对网络进行学
习训练 o最后用/未知样品0的数据对网络进行验证 ∀结果表明 }所建立的网络能反映 °°的力学性能特性 o预
测有一定的准确性 o但不同类别的材料预到准确性不同 ∀石鲜明等kusssl等应用 „‘‘研究了热固性酚醛树
脂的合成反应条件与其玻璃纤维复合材料力学性能之间的映射关系 o建立了可用于定量预测玻璃纤维增强
酚醛树脂静弯曲强度的模型 o并进行了实验验证 ∀顾强生等kusstl通过神经网络来处理泡沫轻质材料的试
验数据 o得出任意组分与强度之间的关系 o从而可快捷地寻找满足工程设计指标要求的最优配比 ∀
复合材料界面影响到复合材料整体的物理力学性能 o利用神经网络还可以对界面的性能进行设计k刘子
龙等 oussvl o从而在较少的工作量情况下想得到比较理想的复合材料界面性能 ∀
木质人造板或植物纤维复合材料是木材工业中的支柱产业 o其生产尽管有着与其他材料不同的特点 o但
无论如何 o它也是一种复合材料 ∀从哲学的角度看 o它必然与其他行业的复合材料具有共性 o这个共性就是
试验设计和数据处理及分析方法 ∀由于人工神经网络是人们采用数理模型的方法 o模仿生物脑结构和功能
的一种信息处理系统 o其显著特点是不必人为给定网络的内部结构参数 o仅需通过必要的样本学习 o网络便
能以一组权重的形式达到稳定状态 ∀在不需了解研究对象输入与输出参数之间的变化规律情况下 o就可根
据输入参数预测输出参数的数值 o而且 o更可贵的是随着研究工作的不断深入 o人工神经网络还会不断地进
行知识更新和自我完善 o最后逐步建立起一个理想的关系模型 ∀因而 o在人造板或植物纤维复合材料的研究
中引入人工神经网络方法是合理的 !可行的 ∀人工神经网络在人造板或植物纤维复合材料中的利用可从以
下几个方面入手 }设计人造板或植物纤维复合材料的界面性能 o从而达到优化界面的目的 ~结合小波分析技
xxt 第 y期 杨文斌等 }人工神经网络在木材工业中的应用前景
术和人工神经网络技术 o对人造板及植物纤维复合材料的力学性能或缺陷进行无损检测 ~预测人造板及植物
纤维复合材料的宏观性能 o进而优化生产工艺 ~预测和优化制胶工艺参数 ∀
213 林产化学工业领域
对林化产品的进一步开发和利用 o将遇到对产品成分 !结构 !性质和分离技术等问题 ∀为了适应发展 o需
要开展新工艺 !新技术的研究 o同时 o还必须有化学 !数学 !生物 !木材 !遗传 !林学 !生理等方面的专家进行跨
学科的合作 ∀人工神经网络作为计算统计学的分支 o在林产化工产品的开发和研究中同样能大有作为 ∀
在木糖醇发酵液脱色的研究中 o梅余霞等kusssl利用均匀试验设计 o将试验数据构筑人工神经网络模
型 o在此模型的预测参数下获得了较好的脱色工艺 ~方千山等kusst¤~usst¥l利用神经网络实现对木糖醇发
酵过程的再线测量 ~中国医药大学k燕立波等 oussul将遗传神经网络用于药物液相色谱分离条件的优化 o结
果表明 }利用该模型所预测的最佳分离条件进行试验 o获得了比较满意的分离结果 ∀
为了对特定化工过程进行有效的动态监控 o必须充分根据已有测量数据对系统的行为进行分析 o推断可
能发生的事故 ∀显然 o对未来一段时间内过程变量的正确预测是问题的关键 ∀传统的预测方法有系统辨析
法 !傅立叶变换法等 ∀基于神经网络的预测方法由于其鲁棒性较好而倍受关注 ∀ • …ƒ神经网络具较快的训
练速度 o同时也是普遍适用的近似器 o故其可用于过程变量的预测和事故诊断k王洪元等 oussul ∀
在该领域人工神经网络可能的应用方向有以下几点 }预测和优化林化产品如松香 !活性炭 !栲胶及其他
树木提取物的工艺参数 ~动态监控林化产品的生产过程以及生产过程的事故诊断和处理 ∀
v 小结
通过以上的介绍和分析表明 o人工神经网络具有自学习 !自组织 !自适应能力及有如人脑一样的容错和
联想能力 o可应用于木材干燥领域如含水率 !应力及应变状态预测和预报 ~在木质人造板及植物纤维复合材
料方面的利用将使人造板及植物纤维的界面设计及优化 !对其物理力学性能或缺陷进行无损检测 !预测人造
板及植物纤维复合材料的宏观性能 o达到优化工艺参数的目的 ~林化产品工艺参数的预测和工艺优化 !动态
监控林化产品的生产 o及时地对生产过程的事故进行诊断和处理 ∀同时它与木材科学的交叉与融合也将有
助于这门新兴的学科的完善和发展 ∀
参 考 文 献
常建民 q木材对流干燥热质传递模型的研究 q第五次全国木材干燥学术讨论会 o中国 o南京 ot||x ots
杜国兴 q木材水分非稳定扩散的研究 q南京林业大学学报 ot||t otxkul }zz p {t
方建军 o曹崇文 q利用人工神经网络建立谷物干燥模型 q中国农业大学学报 ot||z oukyl }vx p v{
方千山 o王永初 q木糖醇发酵过程软测量 q计算机自动测量与控制 ousst¤o|kxl }{ p |
方千山 o王永初 q软测量技术在发酵过程中的应用研究 q厦门大学学报k自然科学版l ousst¥owskyl }tvuw p tvuz
郭焰明 q干燥过程中木材温度的变化规律以及与含水率关系的研究 q林业科学 ot||s ouykxl }wvx p wwu
顾强生 o施 斌 o周红兵 q人工神经网络模型在均匀设计实验数据处理中的应用 q河海大学学报 ousst ou|kul }{v p {y
韩力群编著 q人工神经网络理论 !设计及应用 q北京 }化学工业出版社 oussu
郝大力 o王秉纲 q路面结构动力响应仿真与参数分析研究 q中国公路学报 ousst otwkwl }u p w
李 波 o徐泽民 o李 方等 q试验设计与优化 q中国皮革 oussv ovuktl }uy p u{
李际平 o姚东和 q…°模型在单木树高与胸径生长模拟中的应用 q中南林学院学报 ot||y otykvl }vw p vy
刘金福 o洪 伟 q闽南山地巨尾桉生长的土壤主导因子调控模型的研究 q土壤学报 ousst ov{kwl }xtw p xut
刘子龙 o秦 伟 q运用 …• ƒ神经网络设计复台材料界面性能 q合成树脂及塑料 oussv ouskul }ty p t{
梅余霞 o谢小兰 o万 宁等 q木糖醇发酵液脱色的优化工艺 q华侨大学学报k自然科学版l ousss outkwl }v|w p v|{
盛 谦 o丁秀丽 o冯夏庭等 q三峡船闸边坡考虑开挖卸荷效应的位移反分析 q岩石力学与工程学报 ousss ot|k增l }|{z p ||v
石鲜明 o赵 彤 o吴瑶曼等 q神经网络用于玻纤增强酚醛树脂力学性能的预测 q高分子材料与工程 ousss otykwl }ttz p tt|
滕通濂 q短周期工业木材干燥过程中木材内部水分迁移特点的研究 q木材工业 ot||{ otukwl }v p z
王洪元 o史国栋主编 q人工神经网络技术极其应用 q北京 }中国石化出版社 oussu otu第一版
吴 涛 o刘登瀛 o许晓鸣等 q利用神经网络外推预测干燥过程降水率 q上海交通大学学报 ot||| ovvkxl }x|y p x||
燕立波 o薛 萍 o相秉仁 q遗传神经网络用于药物液相色谱分离条件的优化 q计算机与应用化学 oussu ot|ktl }xt p xv
杨庆贤 q木材干燥过程中热质迁移交互作用的研究 q福建林学院学报 qt||| ot|kul }tst p tsw
yxt 林 业 科 学 ws卷
易洪雷 o黄润发 o丁 辛 q人工神经网络在纤维增强复合材料力学性能研究中的应用 q纺织高校基础科学学报 ot||| otukul }tx{ p tyt
张际先 o宓 霞 o神经网络及其在工程中的应用 q北京 }机械工业出版社 ot||y
张冬妍 q基于动态递归神经网络的木材干燥模型辨识 q森林工程 qussv ot|kyl }ts p tu
张齐生 o孙丰文 qut世纪的中国木材工业 q南京林业大学学报 ousss ouwkvl }t p w
张兴华 o李 梅 o林志定等 q„‘‘方法分析预测聚丙烯材料的力学性能 q中国塑料 ot||| otvk{l }zt p zu
郑文利 o徐成海 o张 省等 q基于神经网络的真空冷冻干燥过程建模研究 q真空 ot||{ okwl }{ p tt
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