基于規(guī)則的水質(zhì)評價專家系統(tǒng)研究

摘要：概述了常用的水質(zhì)評價方法，介紹了專家系統(tǒng)的基本組成和功能，在此基礎(chǔ)上提出了基于規(guī)則的水質(zhì)評價專家系統(tǒng)，并給出了系統(tǒng)的基本體系結(jié)構(gòu)，對其知識庫的創(chuàng)建、推理機的設(shè)計進行了分析。

關(guān)鍵詞：水質(zhì)評價；專家系統(tǒng)；知識庫；推理機

中圖分類號：TP182文獻標(biāo)識碼：A文章編號：1009-3044(2008)17-21444-03

1 引言

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，城鎮(zhèn)建設(shè)和工業(yè)生產(chǎn)不斷擴大，許多水體遭到工業(yè)污水、生活污水的污染，水污染成為我國最嚴(yán)重的環(huán)境問題之一。水質(zhì)監(jiān)測與評價作為水資源管理和污染控制的主要手段之一，日益受到廣泛關(guān)注。專家系統(tǒng)是一種智能的計算機程序，它運用知識和推理來解決只有專家才能解決的復(fù)雜問題，可以利用專家系統(tǒng)來對水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析和處理，掌握水質(zhì)現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢，為水資源管理和水環(huán)境保護等決策的制定提供更好的理論依據(jù)。

本文在介紹常用水質(zhì)評價方法和專家系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，采用Delphi作為主要開發(fā)工具，實現(xiàn)了基于規(guī)則的水質(zhì)評價專家系統(tǒng)中的知識庫、推理機和用戶界面。目的在于利用專家系統(tǒng)來模擬人類專家在水質(zhì)評價中的決策作用，根據(jù)水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)的特點，選擇合適的水質(zhì)評價方法，對水質(zhì)指標(biāo)的測量值進行計算分析，并給出合理的評價結(jié)果。

2 常用水質(zhì)評價方法

水質(zhì)評價是以定量的方式直觀的表征水環(huán)境質(zhì)量的總體狀況，是進行水環(huán)境容量計算及實施水污染控制的重要基礎(chǔ)。國內(nèi)外的環(huán)境工作者研究開發(fā)了很多評價方法，目前常用的有指數(shù)評價法、模糊綜合評價法、灰色聚類評價法、BP網(wǎng)絡(luò)評價法、Hopfield網(wǎng)絡(luò)評價法和D-S證據(jù)理論評價法等。

1)指數(shù)評價法：指數(shù)評價法可分單因子污染指數(shù)法和水質(zhì)綜合污染指數(shù)法，單因子污染指數(shù)法表示單項污染物對水質(zhì)污染影響的程度，水質(zhì)綜合污染指數(shù)法表示多項污染物對水質(zhì)綜合污染的影響程度。指數(shù)法始終以其計算簡便、結(jié)果直觀和便于比較的特點，在河流水污染現(xiàn)狀評價中被廣為采用。

2)模糊綜合評價法：基于模糊理論的水質(zhì)評價方法，其關(guān)鍵是構(gòu)造隸屬函數(shù)或矩陣以及權(quán)重矩陣，應(yīng)用模糊理論對水質(zhì)進行綜合評價，克服了用指數(shù)法進行分類的不合理性，考慮了水質(zhì)分界的模糊性和污染因素的權(quán)重，因而，評價結(jié)果能客觀反映水質(zhì)的實際狀況。

3)灰色聚類評價法：灰色聚類評價法就是將水體看作一個灰色系統(tǒng)，灰色聚類分析是建立在灰色的白化函數(shù)生成的基礎(chǔ)上，將聚類對象對于不同的聚類指標(biāo)所具有的白化函數(shù)進行歸納，用以判斷該聚類對象屬于哪一類。

4)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評價法：BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通過對有代表意義的范例的學(xué)習(xí)、訓(xùn)練，就能掌握事物的本質(zhì)特征，具有很強的模式識別和分類能力，將水質(zhì)指標(biāo)分級標(biāo)準(zhǔn)由網(wǎng)絡(luò)輸入節(jié)點表達，水質(zhì)評價級別則由網(wǎng)絡(luò)輸出節(jié)點表達，網(wǎng)絡(luò)通過不斷學(xué)習(xí)，歸納出評價標(biāo)準(zhǔn)與評價級別之間復(fù)雜的內(nèi)在對應(yīng)關(guān)系，這樣就可進行水質(zhì)綜合評價。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用于水質(zhì)綜合評價，其評價效果取決于學(xué)習(xí)樣本的各指標(biāo)是否有顯著特征及指標(biāo)的分級標(biāo)準(zhǔn)是否合理。只有選擇適當(dāng)并合理，訓(xùn)練好的權(quán)值和闡值才對樣本具有很好的分辨作用。

5)D-S證據(jù)理論評價法：D-S理論在不確定性的表示、量測和組合方面具有很大的優(yōu)勢，在水質(zhì)監(jiān)測過程中，受到環(huán)境、氣候以及人為等因素的影響，使得監(jiān)測數(shù)據(jù)具有不確定性，因此利用D-S理論在處理不確定性方面的優(yōu)勢，對水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)進行融合處理，可以獲得對水質(zhì)的確切描述，及做出正確的評價。

3 專家系統(tǒng)

專家系統(tǒng)可視為一類具有大量專門知識的計算機智能程序系統(tǒng)，它能運用特定領(lǐng)域一位或多位專家提供的專門知識和經(jīng)驗，采用人工智能中的推理技術(shù)來求解和模擬通常由專家才能解決的各種復(fù)雜問題，達到與專家具有相同的回答和解決問題的能力，從而使專家的特長不受時間和空間限制。其基本結(jié)構(gòu)由下面的幾大組成部分：

1)知識庫（又被稱為規(guī)則庫）：知識庫是領(lǐng)域知識與經(jīng)驗的存儲器。

2)事實庫：事實庫用于存儲問題求解的初始數(shù)據(jù)和推理過程中得到的各種中間信息，也就是存入了用戶回答的事實，已知的事實和推理而得的事實。專家系統(tǒng)中數(shù)據(jù)庫的存儲格式，必須滿足推理時所使用的形式。

3)推理機：推理機是一組程序，用于控制和協(xié)調(diào)整個系統(tǒng)的工作。它根據(jù)當(dāng)前輸入的數(shù)據(jù)，如設(shè)計參數(shù)的值，利用知識庫中知識，按一定的推理策略去解決當(dāng)前的問題。由于專家系統(tǒng)是模擬人類專家進行工作，設(shè)計推理機時，我們采用使其推理過程與專家的推理過程類似的模式，具體有正向推理方式，逆向推理方式，雙向推理和混合推理方式。

4)解釋部分：解釋部分是一組程序，其任務(wù)是負(fù)責(zé)人機對話，即對用戶提問及回答用戶的問題。一個專家系統(tǒng)必須能夠解釋它所給的決策和和建議，否則，即使它的決策和建議是正確的，也很難使人們接受。解釋部分的主要功能是解釋系統(tǒng)本身的推理結(jié)果，回答用戶的問題。

5)知識獲取部分：專家系統(tǒng)的知識獲取部分，也稱系統(tǒng)的學(xué)習(xí)功能，它為系統(tǒng)的改善提供方便，主要的工作是維護，如知識庫的一致性檢查、知識的擴充與修改等等。一個專家系統(tǒng)是否具有知識漸增的能力，將影響系統(tǒng)使用的生命力。

在專家系統(tǒng)的這五大組成部分中，知識庫與推理機是它的核心。具體的結(jié)構(gòu)如圖1所示。在本文中，我們將專家系統(tǒng)與水質(zhì)監(jiān)測評價相結(jié)合，提出了基于規(guī)則的水質(zhì)評價專家系統(tǒng)。

4 基于規(guī)則的水質(zhì)評價專家系統(tǒng)

本系統(tǒng)的主要功能是根據(jù)用戶提供的水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)的特點進行分析，根據(jù)系統(tǒng)中知識庫的事實性知識和規(guī)則性知識進行推理，選擇合適的產(chǎn)生式規(guī)則，并根據(jù)規(guī)則從系統(tǒng)提供的多種水質(zhì)評價方法中選出合適的方法對水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)進行計算分析，并根據(jù)計算所得的結(jié)果進行推理，給出水質(zhì)狀況的評價結(jié)論。整個處理過程均給用戶提供了友好的操作界面，便于使用。

4.1 水質(zhì)評價專家系統(tǒng)的設(shè)計思想和總體結(jié)構(gòu)

基于規(guī)則的水質(zhì)評價專家系統(tǒng)采用Delphi作為主要開發(fā)工具，設(shè)計并實現(xiàn)了水質(zhì)評價專家系統(tǒng)中的知識庫、事實庫、推理部分、解釋部分以及用戶界面，同時利用SQL Server作為后臺數(shù)據(jù)庫，存儲專家系統(tǒng)中的專家知識和用于推理的所有規(guī)則。

為了更好的完成水質(zhì)評價專家系統(tǒng)的開發(fā)，在系統(tǒng)的開發(fā)中采用了模塊化設(shè)計，各個模塊之間相互聯(lián)系，完成不同的功能。本系統(tǒng)主要由三大模塊組成：

1)方法選擇模塊：即系統(tǒng)根據(jù)水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)的特點進行分析，選擇合適的水質(zhì)評價方法。本系統(tǒng)目前提供了基于D-S證據(jù)理論、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和支持向量機的三種水質(zhì)評價方法。

2)計算分析模塊：即系統(tǒng)調(diào)用上層模塊所選擇的評價方法對水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)進行計算分析。

3)結(jié)果評價模塊：即系統(tǒng)對上層模塊計算所得的結(jié)果進行處理，給出最終的水質(zhì)評價結(jié)果。

基于規(guī)則的水質(zhì)評價專家系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)如圖2所示。

4.2 系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

在系統(tǒng)的實現(xiàn)過程中，首先將水質(zhì)評價專家的知識和經(jīng)驗總結(jié)出來，形成規(guī)則，并將它們以適當(dāng)?shù)男问酱娣旁谟嬎銠C中，建立知識庫。然后根據(jù)水質(zhì)評價、水質(zhì)預(yù)報、水質(zhì)預(yù)測、水質(zhì)規(guī)劃等要求，采用合適的控制策略，調(diào)用知識庫中的各種水質(zhì)信息以及其它有關(guān)信息進行分析處理，選擇合適的規(guī)則進行推理，做出判斷和決策，即選擇出合適的水質(zhì)評價方法。其次，系統(tǒng)調(diào)用所選方法對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行計算。最后，根據(jù)計算所得的結(jié)果，再次選擇知識庫中的相關(guān)規(guī)則進行推理，給出對水質(zhì)狀況的合理評價。

1)知識庫的設(shè)計：本系統(tǒng)采用產(chǎn)生式規(guī)則來構(gòu)造知識庫，同時選用SQL Server作為知識庫的載體，把專家知識存儲在相應(yīng)的表中。利用關(guān)系數(shù)據(jù)庫強大的管理能力來構(gòu)造知識庫，有利于知識的共享和檢索效率，進而提高推理能力。系統(tǒng)的知識庫主要有兩部分組成，一類是事實性知識，一類是規(guī)則性知識。設(shè)計過程中，通過設(shè)計以下的兩張知識表來實現(xiàn)。如表1、表2所示。

2)知識的獲取和維護：本系統(tǒng)采用人工獲取知識的方法，即知識工程師從領(lǐng)域?qū)＜夷抢锏玫劫Y料，進行分析，并借助系統(tǒng)提供的知識獲取界面，將領(lǐng)域?qū)＜业慕?jīng)驗分解為一些恰當(dāng)?shù)闹R和規(guī)則加入到知識庫相應(yīng)的表中。

3)推理機制的設(shè)計：系統(tǒng)采用正向推理方法來實現(xiàn)推理機制。實現(xiàn)過程中，系統(tǒng)通過與用戶不斷的交互獲得初始數(shù)據(jù)信息，然后從知識庫的事實性知識中提取相應(yīng)的知識，與產(chǎn)生式規(guī)則的前提條件進行匹配，并利用正向推理的機制進行推理，最后，從知識庫的規(guī)則性知識中選擇一條規(guī)則，作為水質(zhì)評價方法選擇的依據(jù)。這些推理規(guī)則存儲在系統(tǒng)知識庫的規(guī)則性知識表中，在系統(tǒng)運行過程中，針對不同水域水質(zhì)的實際情況，為用戶選擇出合適的水質(zhì)評價方法。

在系統(tǒng)的實現(xiàn)過程中，主要針對基于D-S證據(jù)理論的水質(zhì)評價方法，設(shè)計并開發(fā)了基于D-S證據(jù)理論的數(shù)據(jù)融合計算分析軟件，采用了模塊化設(shè)計，各個模塊相互聯(lián)系，完成不同的功能。主要由數(shù)據(jù)輸入模塊、計算分析模塊和結(jié)果輸出模塊三大部分組成，其體系機構(gòu)如圖3所示，左側(cè)是多源數(shù)據(jù)輸入模塊，采用SQL Server 2000數(shù)據(jù)庫進行存儲；中間部分是軟件的核心模塊，用來完成對多源數(shù)據(jù)的融合計算分析；右側(cè)是融合結(jié)果輸出模塊，可以按用戶的不同需求把結(jié)果顯示到終端設(shè)備上。

6 總結(jié)

本文在對常用水質(zhì)評價方法進行介紹的基礎(chǔ)上，重點介紹了基于規(guī)則的水質(zhì)評價專家系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)。目的在利用專家系統(tǒng)中的專家知識和經(jīng)驗對水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)的特點進行分析，模擬人類專家做出決策，為不同的水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)選擇合適的評價方法，以對水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)進行更好的計算和分析，并給出對區(qū)域水質(zhì)狀況的合理評價，為水資源管理、水環(huán)境保護和水污染控制等決策的制定提供更好的理論依據(jù)。

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注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請以PDF格式閱讀原文