净水厂设计专家系统的开发研究

秘春华 　　　　　　　　刘灿生
（中国市政工程华北设计研究院） （哈尔滨建筑大学）

　　1. 前言

　　专家系统是人工智能领域现今最活跃和成果最多的一个分支。关于专家系统在水处理工程领域的研究，开始于80年代初。在已有的研究成果中，无论是美国科学工作者研制的建立在经济分析所得费用函数基础上的“污水处理流程选择推理专家系统”和基于动力学模型的“污水处理厂诊断系统”；还是我国同济大学开发的“污水处理厂流程选择专家系统（WTPES）”和北京市政设计研究院正开发的“城市污水处理厂专家系统”，这些成果的研究对象全部是污水处理工程。但专家系统在给水处理中的应用研究却一直处于空白。
　　然而，目前在应用传统的设计方法和手段对给水厂进行设计时，许多设计环节，诸如处理工艺流程选择﹑构筑物池型及其设计参数的采用及技术经济比较等，对设计者的实际经验要求很高，设计者的经验直接影响到工程设计的质量。而开发给水厂设计专家系统，可以通过建造拥有大量给排水专家经验的知识库，使人类这些宝贵财富不受时空限制地加以可靠地复制﹑传播﹑保留并应用于工程设计中，从而使水厂设计更快速﹑准确﹑技术含量更高，将来开发与专家系统相对应的优化设计和辅助绘图软件，最终形成集三者于一体的智能辅助设计系统。给水处理设计智能系统（WTWDIS）正是从上述现状出发进行的研究。本文现仅对该系统的系统分析和结构功能作简单介绍。

　　2. WTWDIS系统分析

　　作为一个软件，不仅仅是开发它，更重要的在于其使用和维护，尤其对于要靠许多人在很长时间内修改和完善的大型软件，十分必要在开始编程时就对系统进行细致的分析，将程序设计思想、设计思路﹑实现途径和实现方法以文字或图表的形式简练地表达出来，以备系统修改和维护之用。数据流分析技术(Data Flowing Analysis)是系统分析最常用的方法，其基本方法是分解与抽象，将一个复杂的系统由粗到细﹑从上到下﹑从里到外分解为小的组成部分，直到能够将每个部分抽象为实现某一方面明确的功能为止。具体步骤如下：
　　(1) 理解当前的现实环境，获得当前人工系统的具体模型；
　　(2) 从分析当前系统的具体模型抽象出当前系统的逻辑模型；
　　(3) 分析目标系统与当前系统逻辑上的差别，建立目标系统的逻辑模型；
　　(4) 为目标系统的逻辑模型作补充。
　　本研究对给水处理工艺设计经过了深入的分析，并根据规则基产生式系统及不确定性知识的确定性理论推理模型。

　　3. WTWDIS的构造及功能简介

　　3.1 WTWDIS系统组成
　　采用智能化语言Turbo Prolog 2.0 编写,系统设计为模块化结构,主要包括知识获取﹑外部数据库调用﹑结论推理﹑不确定性推理﹑解释等五个功能模块，各模块和知识库﹑综合数据库﹑人机交互接口构成WTWDIS整个系统。
　　3.2 系统功能简介
　　3.2.1 系统管理模块
　　该系统是WTWDIS的运行管理和控制中心,可进行整个设计系统各项功能的调度和信息交流,主要完成以下功能：
　　提供友善的人机接口：
　　选择系统的各个功能模块：
　　不同模块间组织调度和信息处理：
　　提供与其它语言环境的接口。
　　3.2.2 知识获取模块
　　本模块主要为获取推理知识提供各种操作，如知识库的修改﹑增删﹑检索等。其功能菜单分为构造知识库﹑知识库编辑﹑建立帮助文本。当使用者选择“构造知识库”时，按屏幕提示输入相应的事实并作出确定应答后，系统将该知识库文件存入当前目录下；当选择“知识库编辑”时，进入全屏幕编辑状态，使用者可直接增加或修改知识库的内容，从而提高了知识获取的灵活性和可操作性；当选择“建立帮助文本”时，系统为每个关键问题配备一个帮助文件，以便用户需要时帮助对推理结果作出解释。
　　3.2.3 外部数据库调用模块
　　WTWDIS系统针对推理的需要，可调用以外部数据库形式实现的多个知识库，系统已实现编程的库包括给水厂设计工艺数据库﹑池型选择及不确定性因素数据库（利用系统知识获取功能还可以构造更多更完善的库），对整个系统的空间进行了分解，并且增强了整个系统的灵活性和可维护性。
　　3.2.4 结论推理模块
　　按照一定的推理方式和控制策略,从已有的事实(知识库的知识和用户通过人机交互接口输入的事实)中完成水厂设计问题求解并得出结论。该模式采用了基于规则的推理范式。
　　3.2.5 不确定性推理模块
　　WTWDIS的不确定性推理模块主要功能是在池型选择推理时完成可信度计算﹑传播和合成等一系列处理并输出各结论可信度结果，为系统单体构筑物选择的综合评价决策完成技术评价。

　　4. 结束语

　　给水处理厂设计智能系统的研制是一个具有理论价值和实用意义的研究方向。虽然WTWDIS的研究基本上处于探索性阶段，若达到工程实用化还有很大距离（特别是知识获取和知识库扩充是关键），但本文提供的系统设计思想及结构框架将有益于给水处理智能设计最终实用化软件的开发，期望为加速我国给水工程设计的科学化和现代化提供一有效思路。

参考文献
[1] 秘春华 给水处理厂设计智能系统的研究 哈尔滨建筑大学硕士论文，1996.6
[2] Yuan Gensheng, Wei Heping, An Expert system For Wastewater Treatment Processing Of The International Conference ’89 On Expert System In Engineering Application,1989.