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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、數(shù)據(jù)庫、解釋器及人機接口；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)展狀況而言(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、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)進行全面的系統(tǒng)分析。廢物最少化強調(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)雜的計算機程序，開發(fā)一個專家系統(tǒng)需要大量的計算機科學(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
在一定的控制策略下針對數(shù)據(jù)庫中的當前問題信息，識別和選取知識庫中對當前問題的可用知識進行推理，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)的當前求解狀態(tài)提供說明。
3.5 人機接口
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)＜�。由于領(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)＜乙黄鸸ぷ鳎ǔＲc領(lǐng)域?qū)＜疫M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)境管理專家進行深入、細致的面談，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
1 白乃彬．環(huán)境專家系統(tǒng)進展．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
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