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廢物最少化專家系統(tǒng)的設(shè)計 摘要環(huán)境專家系統(tǒng)是繼環(huán)境數(shù)據(jù)庫、環(huán)境管理信息系統(tǒng)之后出現(xiàn)的解決環(huán)境問題的有用工具之一，目前已成為環(huán)境科學(xué)研究的熱點之一。廢物最少化處理的問題是如何在企業(yè)產(chǎn)前、產(chǎn)中、產(chǎn)后的生產(chǎn)全過程中減少廢物的數(shù)量、降低廢物的毒性。本文論述了廢物最少化專家系統(tǒng)的設(shè)計原則，即實用性原則、系統(tǒng)性原則、領(lǐng)域?qū)＜遗c知識工程師相結(jié)合的原則、面向用戶原則、知識庫與推理機(jī)相分離的原則、知識統(tǒng)一表示原則；提出的廢物最少化專家系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，包括5個部分：知識庫、推理機(jī)、數(shù)據(jù)庫、解釋器及人機(jī)接口；討論了廢物最少化專家系統(tǒng)的知識獲取方法及知識表示模式；以鍍鉻行業(yè)為例建立了知識庫，并以M．I．專家系統(tǒng)開發(fā)工具建立了鍍鉻行業(yè)廢物最少化專家系統(tǒng)。 關(guān)鍵詞環(huán)境專家系統(tǒng)廢物最少化 專家系統(tǒng)(ES)是人工智能(AI)的一個分支，產(chǎn)生于60年代中期。專家系統(tǒng)是一個(或一組)能在某特定領(lǐng)域內(nèi)，以專家水平去解決領(lǐng)域中困難問題的計算機(jī)程序(黃可鳴1988，陳世福等1988，Waterman1986)．國外環(huán)境專家系統(tǒng)的研究起步較晚，但發(fā)展較快。就美國環(huán)境專家系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r而言(白乃彬1993)，1985年前尚無環(huán)境專家系統(tǒng)，然而最近幾年發(fā)展很快，環(huán)境各個領(lǐng)域都出現(xiàn)了專家系統(tǒng)，實用性強(qiáng)是它們的共同特點。從應(yīng)用功能來分，有以下類型：評價、預(yù)測、診斷、設(shè)計、管理、教育和生產(chǎn)控制等，其中大部分是環(huán)境評價專家系統(tǒng)。國內(nèi)環(huán)境專家系統(tǒng)的研究從1987年開始，目前已有城市環(huán)境噪聲防治、城市污水處理、水資源保護(hù)、區(qū)域大氣環(huán)境質(zhì)量評價等方面的專家系統(tǒng)。本文首次報道廢物最少化專家系統(tǒng)的研究成果。 1問題界定 廢物最少化最早由美國提出，并已在很多國家得到實施。美國國家環(huán)境局對廢物最少化的定義是：在可行的范圍內(nèi)，減少產(chǎn)生的或隨之貯存、處理、處置的有害廢物量。廢物最少化制度將環(huán)保部門通常使用的逆向反饋控制模式與生產(chǎn)部門通常采用的正向控制模式結(jié)合起來：它不僅能減少廢物的數(shù)量和毒性，進(jìn)而減少其處理與處置成本，而且希望能減少生產(chǎn)成本、提高生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量，增加企業(yè)收入。廢物最少化以系統(tǒng)眼光分析解決問題，不僅僅著眼于生產(chǎn)過程或廢物的處理過程，而從產(chǎn)前、產(chǎn)中、產(chǎn)后全過程入手。因此，廢物最少化所處理的問題應(yīng)是如何在企業(yè)產(chǎn)前、產(chǎn)中、產(chǎn)后的生產(chǎn)全過程中減少廢物的數(shù)量、降低廢物的毒性。 2廢物最少化專家系統(tǒng)的設(shè)計原則 2.1實用性 建立廢物最少化專家系統(tǒng)是為企業(yè)的生產(chǎn)管理、環(huán)境管理提供技術(shù)咨詢服務(wù)的，系統(tǒng)是否實用是系統(tǒng)成敗的一個重要標(biāo)志。因此設(shè)計人員要緊密結(jié)合行業(yè)生產(chǎn)特點來設(shè)計系統(tǒng)的功能，系統(tǒng)設(shè)計的每一個階段都應(yīng)與該行業(yè)緊密結(jié)合，并取得行業(yè)專家的配合。 2.2系統(tǒng)性 用系統(tǒng)工程方法，對廢物最少化專家系統(tǒng)進(jìn)行全面的系統(tǒng)分析。廢物最少化強(qiáng)調(diào)的是企業(yè)生產(chǎn)的全過程，應(yīng)系統(tǒng)分析企業(yè)生產(chǎn)的各個環(huán)節(jié)，明確削減廢物的可能性及可行性，確定系統(tǒng)在各個環(huán)節(jié)的功能目標(biāo)和作用界面。 2.3領(lǐng)域?qū)＜遗c知識工程師相結(jié)合 對于一般的計算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)來說，系統(tǒng)處理問題所使用的知識比較簡單、數(shù)量也較少。程序設(shè)計人員同時扮演著領(lǐng)域?qū)＜壹爸R工程師的角色。對于專家系統(tǒng)來說，情況則大不相同。一方面專家系統(tǒng)要達(dá)到領(lǐng)域?qū)＜业乃?，就必須掌握領(lǐng)域?qū)＜姨幚韱栴}時所使用的大量專門知識，特別是經(jīng)驗知識，另一方面專家系統(tǒng)是一種很復(fù)雜的計算機(jī)程序，開發(fā)一個專家系統(tǒng)需要大量的計算機(jī)科學(xué)、特別是人工智能和知識工程方面的知識。這就決定了廢物最少化專家系統(tǒng)的開發(fā)必須是知識工程師、行業(yè)專家與環(huán)境管理專家密切合作、共同努力的過程。 2.4面向用戶 系統(tǒng)的開發(fā)應(yīng)貫穿為用戶服務(wù)的宗旨，針對企業(yè)現(xiàn)有條件及存在的問題，提出切實可行的廢物最少化方案。系統(tǒng)應(yīng)有較好的用戶界面，為增強(qiáng)用戶對系統(tǒng)信心，系統(tǒng)應(yīng)具有良好的解釋功能，以增加系統(tǒng)的透明度，提高系統(tǒng)的可接受性。 2.5知識庫與推理機(jī)相分離 這是一般專家系統(tǒng)設(shè)計的基本原則，只有知識庫與推理機(jī)相分離，才能實現(xiàn)解釋功能和知識獲取功能。 2.6盡量使用統(tǒng)一的知識表示方法 這就便于對系統(tǒng)中的知識統(tǒng)一處理、解釋和管理，從而使專家系統(tǒng)的實現(xiàn)工作相對簡化。 3廢物最少化專家系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計 廢物最少化專家系統(tǒng)是全國范圍內(nèi)推廣廢物最少化技術(shù)的有效手段，將為企業(yè)提供涉及廢物最少化技術(shù)的遠(yuǎn)程、即時咨詢服務(wù)。系統(tǒng)開發(fā)堅持貫穿廢物最少化的綜合設(shè)計思想。從企業(yè)診斷及技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析著手，建立廢物最少化專家系統(tǒng)3.1知識庫 用以存放廢物最少化技術(shù)的專門知識，由規(guī)則集及事實組成。因為專家系統(tǒng)的問題求解是運用專家提供的專門知識來模擬專家的思維方式進(jìn)行的，所以知識是決定一個專家系統(tǒng)性能是否優(yōu)越的關(guān)鍵因素。知識工程師一方面要頻繁地采訪專家，從同專家的對話和專家以往處理問題的實例中提取專家知識(稱為知識獲取)，另一方面．耍選擇合適的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)把獲取的專家知識進(jìn)行形式化存入知識庫中(稱為知識表示)。 3.2數(shù)據(jù)庫 反映具體問題在當(dāng)前水解狀態(tài)下的符號或事實的集合，它由問題的有關(guān)初始數(shù)據(jù)和系統(tǒng)求解期間所產(chǎn)生的所有中間信息組成。 3.3推理機(jī) 在一定的控制策略下針對數(shù)據(jù)庫中的當(dāng)前問題信息，識別和選取知識庫中對當(dāng)前問題的可用知識進(jìn)行推理，以修改數(shù)據(jù)庫直至最終得出問題的求解結(jié)果。推理的控制策略常用的有數(shù)據(jù)驅(qū)動的正向推理方式、目標(biāo)驅(qū)動的逆向推理方式和正向與逆向結(jié)合的混合推理方式3種。本設(shè)計采用目標(biāo)驅(qū)動的逆向推理方式。由于實際問題的證據(jù)和知識庫中的知識常常含有不精確成份，因此推理應(yīng)具有不精確推理功能。 3.4解釋器 回答用戶對系統(tǒng)的提問，對系統(tǒng)得出結(jié)論的求解過程或系統(tǒng)的當(dāng)前求解狀態(tài)提供說明。 3.5人機(jī)接口 將專家和用戶的輸入信息翻譯成系統(tǒng)可接受的內(nèi)部形式，同時把系統(tǒng)向?qū)＜一蛴脩舻妮敵鲂畔⑥D(zhuǎn)換為人類易于理解的形式。 4知識獲取及形式化表示 獲取知識并把知識表達(dá)成專家系統(tǒng)可用的形式，是專家系統(tǒng)開發(fā)中的主要瓶頸之一。專家系統(tǒng)的主要知識源是領(lǐng)域?qū)＜摇Ｓ捎陬I(lǐng)域?qū)＜业闹R絕大部分是啟發(fā)性知識，這些知識多來源于經(jīng)驗，沒有正確性保障，一般不會寫入教科書或其它專業(yè)書籍中。另一方面，對于行業(yè)專家和環(huán)境管理專家來說，專家系統(tǒng)是一種新鮮事物，他們并不真正了解構(gòu)造專家系統(tǒng)需要什么知識、不需要什么知識，所以由他們整理出來的知識往往就能滿足構(gòu)造專家系統(tǒng)的要求。因此，在知識獲取過程中，必須長時間同領(lǐng)域?qū)＜乙黄鸸ぷ?，通常要與領(lǐng)域?qū)＜疫M(jìn)行一系列深入的系統(tǒng)的面談，從專家對大量實例的分析中獲取專家解決問題的思路、知識、經(jīng)驗及規(guī)則。例如，對于鍍鉻行業(yè)廢物最少化專家系統(tǒng)而言，廢物最少化技術(shù)涉及到配方工藝、操作工藝、漂洗工藝、鉻霧回收工藝、廢水處理及無害化工藝等方面，這些方面知識的獲取就要與電鍍專家、環(huán)境管理專家進(jìn)行深入、細(xì)致的面談，確定各個環(huán)節(jié)所需要的概念及各種概念之間的關(guān)系，同時還需確定問題的控制流程、求解問題的約束條件等。 建立知識庫的下一步工作是對獲取的知識進(jìn)行形式化表示。知識表示模式有多種，臺規(guī)則表示、框架表示和語義網(wǎng)絡(luò)表示等。當(dāng)用于表示在某領(lǐng)域中多年解決問題積累的經(jīng)驗知識時，用規(guī)則表示方式是很合適的。規(guī)則用IF桾HEN語句表示。對于鍍鉻行業(yè)廢物最少化專家系統(tǒng)。我們整理了21條規(guī)則，該知識庫是一個多目標(biāo)知識庫。 5系統(tǒng)的建立 由于專家系統(tǒng)開發(fā)工具具有縮短系統(tǒng)開發(fā)周期、提高工作效率等優(yōu)點，我們以系統(tǒng)性能及人機(jī)接口較好的M．1專家系統(tǒng)開發(fā)工具建立鍍鉻行業(yè)廢物最少化專家系統(tǒng)。 6結(jié)語 a廢物最少化專家系統(tǒng)的開發(fā)具有明顯的現(xiàn)實意義：能及時有效地利用專家知識和經(jīng)驗，避免了專家個人原因無法提供咨詢服務(wù)的困難；易于普及專家知識，可以在更大范圍內(nèi)推廣廢物最少化技術(shù)和經(jīng)驗；避免讓專家進(jìn)行雷同的咨詢，使專家能夠集中精力從事新的創(chuàng)新研究；為用戶提供靈活的建議，用戶可以根據(jù)該建議所基于的系統(tǒng)推理過程自行決定接受建議與否。 b專家系統(tǒng)開發(fā)工具能縮短系統(tǒng)開發(fā)周期、提高工作效率。由于每種人工智能基本技術(shù)都有一定的局限性，所以用這些技術(shù)實現(xiàn)的各種專家系統(tǒng)開發(fā)工具也不可避免地具有一定的局限性。因此能否選擇一個合適的工具是一項重要的工作。M．1是一種適合于小型專家系統(tǒng)開發(fā)的專家系統(tǒng)開發(fā)工具，實踐證明，用M．1建立廢物最少化專家系統(tǒng)是合適的。 c廢物最少化專家系統(tǒng)的開發(fā)是一個長期的過程，是系統(tǒng)不斷修改、不斷完善的進(jìn)化過程。一方面由于廢物最少化本身是一個相對、動態(tài)的概念，廢物最少化技術(shù)處于不斷完善之中；一個方面知識獲取是一項長期而艱苦的工作，需用大量實例測試系統(tǒng)的運行結(jié)果，不斷修改、完善知識庫。 d環(huán)境專家系統(tǒng)是繼環(huán)境數(shù)據(jù)庫、環(huán)境管理信息系統(tǒng)之后出現(xiàn)的解決環(huán)境問題有用工具之一。是環(huán)境決策支持系統(tǒng)的重要組成部分，值得做深入的研究。 參考文獻(xiàn) 1白乃彬．環(huán)境專家系統(tǒng)進(jìn)展．環(huán)境科學(xué)．1993，14(1)：49?2 2陳世福等．知識工程語言及應(yīng)用．南京：南京大學(xué)出版社，1988 3黃可鳴．專家系統(tǒng)導(dǎo)論．南京：東南大學(xué)出版社．1988 第 7 頁 共 7 頁