基于模糊理論的地下水質量診斷專家系統研究與設計

李 娜，劉俊輝

（鄭州牧業工程高等專科學校 信息工程系，河南 鄭州 450011）

為了保護和合理地開發地下水資源，防止和控制地下水污染，保障人民身體健康，促進經濟建設，我國加強了地下水質量保護的力度，努力發展地下水質量監測和評價方法[1－2]。目前，關于如何有效地對地下水質量進行監測和評價，正成為環境研究領域中一項十分活躍的研究課題，地下水與健康的關系也成為了公眾矚目的新熱點[3]。

從70年代后期開始，專家系統就得到了十分迅速的發展，此后世界各國紛紛研制、構造出了一大批成功的專家系統[4]。正是這些獲得成功的專家系統的推動，專家系統如雨后春筍般波及各個專業領域，從而產生了各種類型的專家系統，模糊專家系統就是其中的一類。采用模糊技術來處理不確定性問題的專家系統統稱為稱為模糊專家系統[5]。由于關于地下水質量的評價本身就是一個模糊概念，所以，運用模糊專家系統對其進行評價，這在理論上是合理的，在技術上也是可行的。論文將探討模糊專家系統在評價地下水質量方面的應用。

1 知識庫的建立

1.1 影響因素的確定

影響地下水質量的因素很多[6]，這里根據我國地下水質量標準確定了39個單項指標作為地下水質量評價的依據。確定了影響因素后，就要確定它們各自符合標準要求的數值范圍。文獻[7]根據我國地下水標準和一些發達國家和地區所建議的地下水質量標準，給出了一套標準建議值。其中類別越低，地下水質量越好，也即各指標值越小越好。本文也借用這套標準建議值。

1.2 各指標隸屬函數的設計

根據地下水單項組分評價方法[8]，如表1所示。

表1 地下水單項組分評價方法Tab.1 Groundwater single components evaluation method

在評價地下水質量時（除嗅和味、肉眼可見物）可以選擇統一的隸屬函數表達式：

其中x代表地下水的各指標的實測值。

對于嗅和味、肉眼可見物這2項指標的隸屬度函數值如下：若有嗅和味、肉眼可見物，則隸屬度函數值為1，否則為0。

根據上述隸屬度函數計算得出隸屬度，這里規定隸屬度值越小越好。

專家系統中學習模塊的功能是允許用戶根據特定的情況修改影響質量的39個具體指標的值，以使系統更好的適應不同的情況。

2 推理機的構造

系統要求用戶輸入指標的測定值，對其進行隸屬化處理，然后調用設定的處理方法，對照知識庫中給出的結果進行比較，推出最終結果。同時可以調用學習模塊以方便用戶修改標準值，也可以調用解釋模塊以得知各種具體數值，了結處理過程。

假設有n個不同地區的地下水要評價，它們構成對象集：U={u1，u2，…，un}。 以 39 個指標作為評價標準，它們構成評價因素集：X={x1，x2，…，x39}。 對各地地下水測量后，即可得到表2的數值。

表2 n個地區地下水39項指標測定值Tab.2 Measured values of 39 groundwater indexes on n areas

在表2中，Nij表示對第i個地區的第j個指標的測定值（i=1，2…n， j=1，2，…，39）。 用所給定的隸屬度函數可以求出單因素評價結果，即可以求出模糊關系矩陣：

用cij表示對象ui的因素j的評價結果，則：

由于各單項指標的重要性不同，因此可以為這些評價指標分配不同的權，其權重向量為 A=[a1，a2，…，a39]。

對地下水質量綜合評價做如下評價：

表3 最后評價級別Tab.3 Final evaluation rating

該系統的解釋模塊的功能是告訴用戶各個地區地下水質量的綜合評價值、級別以及該級別的地下水的用途。

3 系統結構圖

根據前面所述，用C++實現了所設計的模糊專家系統，程序的運行界面如圖1所示，整個系統執行流程圖如圖2所示。

圖1 程序運行界面Fig.1 Program running interface

圖2 整個系統執行流程Fig.2 The whole system implementation process

實際測量過程表明：整個系統運行良好，操作方便，由于增加了標準值修改模塊，這大大增加了系統的應用范圍，良好的人—機界面，也增加了用戶的接受程度。

4 結束語

由以上理論分析可以看出，模糊專家系統作為新型專家系統的代表，在初始信息不完全或不準確的情況下能較好的模擬人類專家解決問題的思路和方法，利用不完整的知識體系，給出盡可能準確的答案。模糊專家系統的這種特點，使得它作為專家系統的一種或作為模糊理論的一個重要應用領域，越來越多地得到人們的青睞，它在應用中的作用也越來越突出。

[1]唐克旺，侯杰，唐蘊.中國地下水質量評價（Ⅰ）— 平原區地下水水化學特征[J].水資源保護，2006（2）:1－5.

TANG Ke-wang， HOU Jie， TANG Yun.Assessment of groundwater quality in China:Ⅰ.Hydrochemical characteristics of groundwater in plain area[J].Water Resources Protection，2006（2）:1-5.

[2]唐克旺，吳玉成，侯 杰.中國地下水資源質量評價（Ⅱ）—地下水水質現狀和污染分析[J].水資源保護，2006，22（3）:1-5.

TANG Ke-wang，WU Yu-cheng，HOU Jie.Assessment of groundwater quality in China:Ⅱ.Groundwater quality and pollution analysis[J].Water Resources Protection，2006，22（3）:1-5.

[3]水利部水文局.水資源評價[M].北京:水利水電出版社，1990.

[4]蔡自行，約翰.德爾.高級專家系統:原理、設計及應用[M].龔濤，譯.北京：科學出版社，2005.

[5]王萬森.人工智能原理及其應用[M].2版.北京:電子工業出版社，2007.

[6]水利部.中國水資源公報 [EB/OL].[2011-04-25].http://www.people.com.cn/GB/paper464/4381/497887.html.

[7]國家技術監督局.GB/T14848-93地下水質量標準 [S].北京:中國標準出版社，2004.

[8]水利部水資源司.21世紀初期中國地下水資源開發利用[M].北京:中國水利水電出版社，2004.