廢物最少化專家系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

廢物最少化專家系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

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(diǎn)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(jì)原則，即實(shí)用性原則、系統(tǒng)性原則、領(lǐng)域?qū)＜遗c知識(shí)工程師相結(jié)合的原則、面向用戶原則、知識(shí)庫與推理機(jī)相分離的原則、知識(shí)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(gè)部分：知識(shí)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(shí)獲取方法及知識(shí)表示模式；以鍍鉻行業(yè)為例建立了知識(shí)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(gè)分支，產(chǎn)生于60年代中期。專家系統(tǒng)是一個(gè)(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(jì)算機(jī)程序(黃可鳴1988，陳世福等1988，Waterman1986)．國(guó)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(guó)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(gè)領(lǐng)域都出現(xiàn)了專家系統(tǒng)，實(shí)用性強(qiáng)是它們的共同特點(diǎn)。從應(yīng)用功能來分，有以下類型：評(píng)價(jià)、預(yù)測(cè)、診斷、設(shè)計(jì)、管理、教育和生產(chǎn)控制等，其中大部分是環(huán)境評(píng)價(jià)專家系統(tǒng)。國(guó)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(píng)價(jià)等方面的專家系統(tǒng)。本文首次報(bào)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(guó)提出，并已在很多國(guó)家得到實(shí)施。美國(guó)國(guó)家環(huán)境局對(duì)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(jì)原則

2.1 實(shí)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(shí)用是系統(tǒng)成敗的一個(gè)重要標(biāo)志。因此設(shè)計(jì)人員要緊密結(jié)合行業(yè)生產(chǎn)特點(diǎn)來設(shè)計(jì)系統(tǒng)的功能，系統(tǒng)設(shè)計(jì)的每一個(gè)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(duì)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(gè)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(gè)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(shí)工程師相結(jié)合

對(duì)于一般的計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)來說，系統(tǒng)處理問題所使用的知識(shí)比較簡(jiǎn)單、數(shù)量也較少。程序設(shè)計(jì)人員同時(shí)扮演著領(lǐng)域?qū)＜壹爸�識(shí)工程師的角色。對(duì)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�平，就必須掌握領(lǐng)域?qū)＜姨幚韱栴}時(shí)所使用的大量專門知識(shí)，特別是經(jīng)驗(yàn)知識(shí)，另一方面專家系統(tǒng)是一種很復(fù)雜的計(jì)算機(jī)程序，開發(fā)一個(gè)專家系統(tǒng)需要大量的計(jì)算機(jī)科學(xué)、特別是人工智能和知識(shí)工程方面的知識(shí)。這就決定了廢物最少化專家系統(tǒng)的開發(fā)必須是知識(shí)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(duì)企業(yè)現(xiàn)有條件及存在的問題，提出切實(shí)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(duì)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(shí)庫與推理機(jī)相分離

這是一般專家系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原則，只有知識(shí)庫與推理機(jī)相分離，才能實(shí)現(xiàn)解釋功能和知識(shí)獲取功能。

2.6 盡量使用統(tǒng)一的知識(shí)表示方法

這就便于對(duì)系統(tǒng)中的知識(shí)統(tǒng)一處理、解釋和管理，從而使專家系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)工作相對(duì)簡(jiǎn)化。

3 廢物最少化專家系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

廢物最少化專家系統(tǒng)是全國(guó)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(shí)咨詢服務(wù)。系統(tǒng)開發(fā)堅(jiān)持貫穿廢物最少化的綜合設(shè)計(jì)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(shí)庫

用以存放廢物最少化技術(shù)的專門知識(shí)，由規(guī)則集及事實(shí)組成。因?yàn)閷＜蚁到y(tǒng)的問題求解是運(yùn)用專家提供的專門知識(shí)來模擬專家的思維方式進(jìn)行的，所以知識(shí)是決定一個(gè)專家系統(tǒng)性能是否優(yōu)越的關(guān)鍵因素。知識(shí)工程師一方面要頻繁地采訪專家，從同專家的對(duì)話和專家以往處理問題的實(shí)例中提取專家知識(shí)(稱為知識(shí)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(shí)進(jìn)行形式化存入知識(shí)庫中(稱為知識(shí)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(hào)或事實(shí)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(duì)數(shù)據(jù)庫中的當(dāng)前問題信息，識(shí)別和選取知識(shí)庫中對(duì)當(dāng)前問題的可用知識(shí)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(dòng)的正向推理方式、目標(biāo)驅(qū)動(dòng)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(jì)采用目標(biāo)驅(qū)動(dòng)的逆向推理方式。由于實(shí)際問題的證據(jù)和知識(shí)庫中的知識(shí)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(duì)系統(tǒng)的提問，對(duì)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(shí)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(shí)獲取及形式化表示

獲取知識(shí)并把知識(shí)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(shí)源是領(lǐng)域?qū)＜摇Ｓ捎陬I(lǐng)域?qū)＜业闹�識(shí)絕大部分是啟發(fā)性知識(shí)，這些知識(shí)多來源于經(jīng)驗(yàn)，沒有正確性保障，一般不會(huì)寫入教科書或其它專業(yè)書籍中。另一方面，對(duì)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(shí)、不需要什么知識(shí)，所以由他們整理出來的知識(shí)往往就能滿足構(gòu)造專家系統(tǒng)的要求。因此，在知識(shí)獲取過程中，必須長(zhǎng)時(shí)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(duì)大量實(shí)例的分析中獲取專家解決問題的思路、知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)及規(guī)則。例如，對(duì)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(shí)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(gè)環(huán)節(jié)所需要的概念及各種概念之間的關(guān)系，同時(shí)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(shí)庫的下一步工作是對(duì)獲取的知識(shí)進(jìn)行形式化表示。知識(shí)表示模式有多種，臺(tái)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(yàn)知識(shí)時(shí)，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(duì)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(shí)庫是一個(gè)多目標(biāo)知識(shí)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(diǎn)，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(shí)意義：能及時(shí)有效地利用專家知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，避免了專家個(gè)人原因無法提供咨詢服務(wù)的困難；易于普及專家知識(shí)，可以在更大范圍內(nèi)推廣廢物最少化技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)；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(shí)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(gè)合適的工具是一項(xiàng)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(shí)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(gè)長(zhǎng)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(gè)相對(duì)、動(dòng)態(tài)的概念，廢物最少化技術(shù)處于不斷完善之中；一個(gè)方面知識(shí)獲取是一項(xiàng)長(zhǎng)期而艱苦的工作，需用大量實(shí)例測(cè)試系統(tǒng)的運(yùn)行結(jié)果，不斷修改、完善知識(shí)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)

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