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廢物最少化專(zhuān)家系統的設計
摘 要 環(huán)境專(zhuān)家系統是繼環(huán)境數據庫、環(huán)境管理信息系統之后出現的解決環(huán)境問(wèn)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(wèn)題是如何在企業(yè)產(chǎn)前、產(chǎn)中、產(chǎn)后的生產(chǎn)全過(guò)程中減少廢物的數量、降低廢物的毒性。本文論述了廢物最少化專(zhuān)家系統的設計原則，即實(shí)用性原則、系統性原則、領(lǐng)域專(zhuān)家與知識工程師相結合的原則、面向用戶(hù)原則、知識庫與推理機相分離的原則、知識統一表示原則；提出的廢物最少化專(zhuān)家系統的結構，包括5個(gè)部分：知識庫、推理機、數據庫、解釋器及人機接口；討論了廢物最少化專(zhuān)家系統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(zhuān)家系統開(kāi)發(fā)工具建立了鍍鉻行業(yè)廢物最少化專(zhuān)家系統。
關(guān)鍵詞 環(huán)境專(zhuān)家系統 廢物 最少化
專(zhuān)家系統(ES)是人工智能(AI)的一個(gè)分支，產(chǎn)生于60年代中期。專(zhuān)家系統是一個(gè)(或一組)能在某特定領(lǐng)域內，以專(zhuān)家水平去解決領(lǐng)域中困難問(wèn)題的計算機程序(黃可鳴1988，陳世福等1988，Waterman1986)．國外環(huán)境專(zhuān)家系統的研究起步較晚，但發(fā)展較快。就美國環(huán)境專(zhuān)家系統的發(fā)展狀況而言(白乃彬1993)，1985年前尚無(wú)環(huán)境專(zhuān)家系統，然而最近幾年發(fā)展很快，環(huán)境各個(gè)領(lǐng)域都出現了專(zhuān)家系統，實(shí)用性強是它們的共同特點(diǎn)。從應用功能來(lái)分，有以下類(lèi)型：評價(jià)、預測、診斷、設計、管理、教育和生產(chǎn)控制等，其中大部分是環(huán)境評價(jià)專(zhuān)家系統。國內環(huán)境專(zhuān)家系統的研究從1987年開(kāi)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、區域大氣環(huán)境質(zhì)量評價(jià)等方面的專(zhuān)家系統。本文首次報道廢物最少化專(zhuān)家系統的研究成果。
1 問(wèn)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(shí)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，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(mén)通常使用的逆向反饋控制模式與生產(chǎn)部門(mén)通常采用的正向控制模式結合起來(lái)：它不僅能減少廢物的數量和毒性，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。廢物最少化以系統眼光分析解決問(wèn)題，不僅僅著(zhù)眼于生產(chǎn)過(guò)程或廢物的處理過(guò)程，而從產(chǎn)前、產(chǎn)中、產(chǎn)后全過(guò)程入手。因此，廢物最少化所處理的問(wèn)題應是如何在企業(yè)產(chǎn)前、產(chǎn)中、產(chǎn)后的生產(chǎn)全過(guò)程中減少廢物的數量、降低廢物的毒性。
2 廢物最少化專(zhuān)家系統的設計原則
2.1 實(shí)用性
建立廢物最少化專(zhuān)家系統是為企業(yè)的生產(chǎn)管理、環(huán)境管理提供技術(shù)咨詢(xún)服務(wù)的，系統是否實(shí)用是系統成敗的一個(gè)重要標志。因此設計人員要緊密結合行業(yè)生產(chǎn)特點(diǎn)來(lái)設計系統的功能，系統設計的每一個(gè)階段都應與該行業(yè)緊密結合，并取得行業(yè)專(zhuān)家的配合。
2.2 系統性
用系統工程方法，對廢物最少化專(zhuān)家系統進(jìn)行全面的系統分析。廢物最少化強調的是企業(yè)生產(chǎn)的全過(guò)程，應系統分析企業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節，明確削減廢物的可能性及可行性，確定系統在各個(gè)環(huán)節的功能目標和作用界面。
2.3 領(lǐng)域專(zhuān)家與知識工程師相結合
對于一般的計算機應用系統來(lái)說(shuō)，系統處理問(wèn)題所使用的知識比較簡(jiǎn)單、數量也較少。程序設計人員同時(shí)扮演著(zhù)領(lǐng)域專(zhuān)家及知識工程師的角色。對于專(zhuān)家系統來(lái)說(shuō)，情況則大不相同。一方面專(zhuān)家系統要達到領(lǐng)域專(zhuān)家的水平，就必須掌握領(lǐng)域專(zhuān)家處理問(wèn)題時(shí)所使用的大量專(zhuān)門(mén)知識，特別是經(jīng)驗知識，另一方面專(zhuān)家系統是一種很復雜的計算機程序，開(kāi)發(fā)一個(gè)專(zhuān)家系統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(zhuān)家系統的開(kāi)發(fā)必須是知識工程師、行業(yè)專(zhuān)家與環(huán)境管理專(zhuān)家密切合作、共同努力的過(guò)程。
2.4 面向用戶(hù)
系統的開(kāi)發(fā)應貫穿為用戶(hù)服務(wù)的宗旨，針對企業(yè)現有條件及存在的問(wèn)題，提出切實(shí)可行的廢物最少化方案。系統應有較好的用戶(hù)界面，為增強用戶(hù)對系統信心，系統應具有良好的解釋功能，以增加系統的透明度，提高系統的可接受性。
2.5 知識庫與推理機相分離
這是一般專(zhuān)家系統設計的基本原則，只有知識庫與推理機相分離，才能實(shí)現解釋功能和知識獲取功能。
2.6 盡量使用統一的知識表示方法
這就便于對系統中的知識統一處理、解釋和管理，從而使專(zhuān)家系統的實(shí)現工作相對簡(jiǎn)化。
3 廢物最少化專(zhuān)家系統的結構設計
廢物最少化專(zhuān)家系統是全國范圍內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(shí)咨詢(xún)服務(wù)。系統開(kāi)發(fā)堅持貫穿廢物最少化的綜合設計思想。從企業(yè)診斷及技術(shù)經(jīng)濟分析著(zhù)手，建立廢物最少化專(zhuān)家系統
3.1 知識庫
用以存放廢物最少化技術(shù)的專(zhuān)門(mén)知識，由規則集及事實(shí)組成。因為專(zhuān)家系統的問(wèn)題求解是運用專(zhuān)家提供的專(zhuān)門(mén)知識來(lái)模擬專(zhuān)家的思維方式進(jìn)行的，所以知識是決定一個(gè)專(zhuān)家系統性能是否優(yōu)越的關(guān)鍵因素。知識工程師一方面要頻繁地采訪(fǎng)專(zhuān)家，從同專(zhuān)家的對話(huà)和專(zhuān)家以往處理問(wèn)題的實(shí)例中提取專(zhuān)家知識(稱(chēng)為知識獲取)，另一方面．耍選擇合適的數據結構把獲取的專(zhuān)家知識進(jìn)行形式化存入知識庫中(稱(chēng)為知識表示)。
3.2 數據庫
反映具體問(wèn)題在當前水解狀態(tài)下的符號或事實(shí)的集合，它由問(wèn)題的有關(guān)初始數據和系統求解期間所產(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據庫中的當前問(wèn)題信息，識別和選取知識庫中對當前問(wèn)題的可用知識進(jìn)行推理，以修改數據庫直至最終得出問(wèn)題的求解結果。推理的控制策略常用的有數據驅動(dòng)的正向推理方式、目標驅動(dòng)的逆向推理方式和正向與逆向結合的混合推理方式3種。本設計采用目標驅動(dòng)的逆向推理方式。由于實(shí)際問(wèn)題的證據和知識庫中的知識常常含有不精確成份，因此推理應具有不精確推理功能。
3.4 解釋器
回答用戶(hù)對系統的提問(wèn)，對系統得出結論的求解過(guò)程或系統的當前求解狀態(tài)提供說(shuō)明。
3.5 人機接口
將專(zhuān)家和用戶(hù)的輸入信息翻譯成系統可接受的內部形式，同時(shí)把系統向專(zhuān)家或用戶(hù)的輸出信息轉換為人類(lèi)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(zhuān)家系統可用的形式，是專(zhuān)家系統開(kāi)發(fā)中的主要瓶頸之一。專(zhuān)家系統的主要知識源是領(lǐng)域專(zhuān)家。由于領(lǐng)域專(zhuān)家的知識絕大部分是啟發(fā)性知識，這些知識多來(lái)源于經(jīng)驗，沒(méi)有正確性保障，一般不會(huì )寫(xiě)入教科書(shū)或其它專(zhuān)業(yè)書(shū)籍中。另一方面，對于行業(yè)專(zhuān)家和環(huán)境管理專(zhuān)家來(lái)說(shuō)，專(zhuān)家系統是一種新鮮事物，他們并不真正了解構造專(zhuān)家系統需要什么知識、不需要什么知識，所以由他們整理出來(lái)的知識往往就能滿(mǎn)足構造專(zhuān)家系統的要求。因此，在知識獲取過(guò)程中，必須長(cháng)時(shí)間同領(lǐng)域專(zhuān)家一起工作，通常要與領(lǐng)域專(zhuān)家進(jìn)行一系列深入的系統的面談，從專(zhuān)家對大量實(shí)例的分析中獲取專(zhuān)家解決問(wèn)題的思路、知識、經(jīng)驗及規則。例如，對于鍍鉻行業(yè)廢物最少化專(zhuān)家系統而言，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(wú)害化工藝等方面，這些方面知識的獲取就要與電鍍專(zhuān)家、環(huán)境管理專(zhuān)家進(jìn)行深入、細致的面談，確定各個(gè)環(huán)節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(wèn)題的控制流程、求解問(wèn)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，臺規則表示、框架表示和語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò )表示等。當用于表示在某領(lǐng)域中多年解決問(wèn)題積累的經(jīng)驗知識時(shí)，用規則表示方式是很合適的。規則用IF桾HEN語(yǔ)句表示。對于鍍鉻行業(yè)廢物最少化專(zhuān)家系統。我們整理了21條規則，該知識庫是一個(gè)多目標知識庫。
5 系統的建立
由于專(zhuān)家系統開(kāi)發(fā)工具具有縮短系統開(kāi)發(fā)周期、提高工作效率等優(yōu)點(diǎn)，我們以系統性能及人機接口較好的 M．1專(zhuān)家系統開(kāi)發(fā)工具建立鍍鉻行業(yè)廢物最少化專(zhuān)家系統。
6 結語(yǔ)
a 廢物最少化專(zhuān)家系統的開(kāi)發(fā)具有明顯的現實(shí)意義：能及時(shí)有效地利用專(zhuān)家知識和經(jīng)驗，避免了專(zhuān)家個(gè)人原因無(wú)法提供咨詢(xún)服務(wù)的困難；易于普及專(zhuān)家知識，可以在更大范圍內推廣廢物最少化技術(shù)和經(jīng)驗；避免讓專(zhuān)家進(jìn)行雷同的咨詢(xún)，使專(zhuān)家能夠集中精力從事新的創(chuàng )新研究；為用戶(hù)提供靈活的建議，用戶(hù)可以根據該建議所基于的系統推理過(guò)程自行決定接受建議與否。
b 專(zhuān)家系統開(kāi)發(fā)工具能縮短系統開(kāi)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)現的各種專(zhuān)家系統開(kāi)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)合適的工具是一項重要的工作。 M．1是一種適合于小型專(zhuān)家系統開(kāi)發(fā)的專(zhuān)家系統開(kāi)發(fā)工具，實(shí)踐證明，用 M．1建立廢物最少化專(zhuān)家系統是合適的。
c 廢物最少化專(zhuān)家系統的開(kāi)發(fā)是一個(gè)長(cháng)期的過(guò)程，是系統不斷修改、不斷完善的進(jìn)化過(guò)程。一方面由于廢物最少化本身是一個(gè)相對、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)方面知識獲取是一項長(cháng)期而艱苦的工作，需用大量實(shí)例測試系統的運行結果，不斷修改、完善知識庫。
d 環(huán)境專(zhuān)家系統是繼環(huán)境數據庫、環(huán)境管理信息系統之后出現的解決環(huán)境問(wèn)題有用工具之一。是環(huán)境決策支持系統的重要組成部分，值得做深入的研究。
參考文獻
1 白乃彬．環(huán)境專(zhuān)家系統進(jìn)展．環(huán)境科學(xué)．1993，14(1)：49?2
2 陳世福等．知識工程語(yǔ)言及應用．南京：南京大學(xué)出版社，1988
3 黃可鳴．專(zhuān)家系統導論．南京：東南大學(xué)出版社．1988
作者：不詳
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