现代路面管理 专家系统技术的应用

第四十一章专家系统技术的应用411简介基于知识的专家系统技术KBES是人工智能领域中的。一个专家系统可被定义为一个聪明的计算机程序，它能用知识和推理手段来解决需要有影响的人类专家来解决的困难问题。人工智能的应用不仅包括专家系统而且还包括机器人学，计算机机觉和自然语言的理解，所有这些都有利于路面工程。专家系统模仿人类专家，并能解决没有算法解的问题。它们能给出推理过程和结论的解释，甚至资料不全也能给出有用的解。特制他，专家系统可以完成论断机理并能作为一个引导。412专家系统技术的有用性由于用于设计、施工、养护和路面评价程序的数据的自然性即定性和定量，启发式的规则，基于知识的专家系统KBES技术看似很适合处理或集成一个或多个这样的处理。KBES不依赖于单一的计算途径。它们解决问题的能力不是主要来自知识操作而是知识本身的丰富、中肯和冗余。这些系统能将定量结果、专家知识和工程决策的分析，以及当地状况的知识结合成一个完整的过程。在路面工程领域中，许多都有赖于技术人员和工程师的决断和经验。然而，许多有经验的人都面临退休。用一般缺乏路面技术经验的年青人的替代将是必需的。因而，获取尽可能多的现存的知识和经验不仅时进入这个领域的年青人的利益而且对合同人，公路局和顾问的利益都是重要的。413专家系统与传统软件的对比当专家系统与传统软件比较时，它的一个显著的特征就是当需要时经们运用知识的能力。在一个专家系统中，知识本性都是已知的，并直到遇到某种情况才被触动。在此就需要做出结论。每大块知识的使用须序不象传统程序那样是预先确定的。知识单元间的关系都是给出符号性的表达。这些表达的最后解释是在运行时确定的。表411总结了专家系统和传统软件的不同之处。表411专家系统与传统软件的比较专家系统传统软件符号性的程序语言如PROLOGLISP传统程序语言如FORTRAN，CPASCAL通常基于通常是可靠的但不总是正确批验工作法或其他知识代表方案这些都是概念，不能消减为公式或数学可被证实的确定的方程如果给定正确的数值就可产生正确的答案能解释它的逻辑和推理仅提供答案能在数据不全时发挥作用需要运行的所有数据发展可由专家来控制通常在与专家和用户隔离下运行提供了极易检查知识库的能力检查其中的知识可能极困难一个典型的专家系统能够解释它如何得出结论和它间用户所得到的问题的原因。这些解释此处印刷不清，故此句未翻译即使有关问题情况的资料不全，专家系统也能作出结论，这对具有不全数据是可能的。当它们的部分知识找不到时，专家系统本身也能检查并列举出。它们能够有效地运用它们所包含的所有知识。另一方面也要记住专家系统在遇到它们实际上没有足够知识解决给定的问题时不能给出警告。正如用于专家系统中的。表达知识的会号性的和声明性的方式产生了一个优势，在大多数情况下，专家系统它们本身能够很容易地理解在系统中所表达的形式中的知识的内容。这降低了专家和程序员之间误解的可能性。414专家系统建筑图411显示了专家系统中的基本元素。这些包含一个知识库、一个工作记忆和一个论断机理。这些在下面描述。4141知识库知识库包含关于特定问题的永久的规则，事实和其他类型的知识通常被专家使用来得出一个结论。创建一个“识别性知识库”要求包含问题的对象或元素以及一系列这些对象的每个特征。一些方式也被需要用于将事物联接起来以能够建立主要由下面几个所组成的问题1元素或符号的图式，每个代表工作情况出现的状态或方式。2对应于可将一种状态变为另一种状态的操作的元素的联系。然而，对于表示知识有不同的方法。就编码过程和问题本身属性而言，每种方法都有一利有弊。最流行的表示控制知识的方法就指IF条件THEN执行规则。4142工作记忆工作记忆象传统程序的数据库。它记忆程序的状态，诸如输入的参量的值和所用的规则，由包含对给定问题的输入数据。4143推断机理推断机理，也称为规则解释或推理结构，控制着程序的执行。它从用户，另一个信息系统，或一些传感器上获取要解释的问题的有关资料。然后它运用知识库中的内容来得出结论，同时着眼于解决给定的的问题。通过使用那些结论作为新的资料和进一步地从用户处获得的信息。推理过程就继续进行。图411显示了用户界面对表示询问和输入资料允许地进入系统。专家系统应当取得友好的和有效的交流。415专家系统开发工具专家系统工具给处理知识的表达、推理和对特殊问题制作模型的控制提供了特定的方式。就软件的复杂性而言，可用的工具可分为通用的程序设计语言如，C和LISP，通用的描述性语如BOLOG和OPS5和ES建筑框架如，INSIGHT硬件的复杂性的范围可从特定的LISP机器延伸到主框架，到微机。大部分专家系统都已被开发运行在DOS微机上。然而，也已开发了基于主框架上的公路养护策略的专家系统。对于开发工具的选择程序还未健全。然而，却可在许多参考资料中找到选择工具的标准，如表412所概括的那样。从根本上说，应用的类型和与其他外部程序相互作用的能力是很重要的。表413对可得到的专家系统开发工具有关1991年的一些给出了概括。由于不间断的前进导致了上市的工具版本的更新，所以不可能做出一个最新的、可理解的论述。表413表明EXSYS和INSIGHT2在路面相关的问题比其他工具用得要多。如果软件将被使用数年，那么软件开发者对于产品的不断支持和提高的义务可能也是一个重要的选择因素。表412选择专家系统开发工具的标准1应用类型2与其他程序相互作用的能力3复杂的数学程序的可用性4控制策略和推理机制的类型5响应时间在解决问题或提出问题6程序辅助如，编辑，调试和帮助设施7轻便性8用户支持9费用416路面工程现存专家系统的例子将专家系统技术应用于公路路面工程开始于二十世纪八十年代的早期。然而，在文献中很少描述商业性的专家系统。在下面部分中描述了具有可操作性或在发展中的专家系统应用的例子。这些包括ROSE、SCEPTRE，PRESERVER和DMMD专家系统。见表4134161路经选择和封面专家系统ROSEROSE是为安大略运输局MTO开发的一个专家系统，用于对特别的公路预防性养护活动提建议。即在冷的区域处的沥青砼中面的选择和封面。系统的建议是可能使路径选择和封面成为适当的费用一效益的养护方法。路径选择和封面的目标是防止路表水进入和破坏路面结构。ROSE是基于MTO路面监控和评价系统的，可与现存的路面管理数据库发生相互作用用MTO的研究结果开发了一个包含有关何时选线和封面的决策逻辑的知识库。该系统结合中了26个数值变量，诸如路表损坏，包含了大约360条规则。它是用微机上的ESSYS知识工程环境开发的。该系统的一个FORTRAN版本被用于约900个路段来演示不同选择和封面政策的后果。在许多不同路面养护问题上也验证了该系统。ROSE是可操作的；然而，开发者却指出由其他管辖区来直接应用可能会困难，甚至不明智，那种方法学和通用的解法可能有通用的应用，但那个特定的数据库和规则却是MTO遇到情况的反映。4162一个路表状况和路面修复专家系统SCEPTRE是SURFARECONDITIONEXERTSYSTEMFORPAVEMENTRELABILITATION的首字母缩写词。它是路面修复策略发展中的完整的一套专家系统RITCHIE87,SCEPTRE是一个熟练的路面工程的建议者，尤其在市和县级的当地机构中。基本上它是评价项目级路表损坏和其他的用户输入。来对随后的详细分析和设计推荐可行的修复策略。用知识工程的EXSYS在COMPAQ便携式微机上已开发出了SCEPTRE，并可在任何MSDOS兼容机上运行。该系统是规则基础上的，使用一个向后链接的推理方法。SCEPTRE14适宜和于华盛顿州的养护的柔性路面。正在进行的研究希望能精炼和适合当地的机构的知识库。4163养护策略的专家系统PRESERVER是用于对现场工程师和养护工头提出有关道路养护策略的建议的一个专家系统HAASC8，该系统概念上与SCEPTRE上很接近，但它主要强调日常养护活动而SCEPTRE通常强调主要的修复策略。两个系统现在都用于州和省的养护的公路。PRESERVER合并了用于安大略道路情况的养护处理方法。该系统包括了用于安大略运输局的路面养护指南中所定义的破坏类型的子系统的规则。这个手册是主要的知识来源。基于用户提提供给PRESERVER的观察到的损坏信息，就可产生对每种破坏情况相应的一套可行的处理方法。现存的系统已被用于说明和验证一些概念。它是用OPS5在VAX主机上开发的，是一个基于规则的系统，程序的主要部分是顺序的，在一些小区段使用向前和向后链接的推理方法。4164马歇尔混合料设计的专家系统DMMDDIAGNOSISOFMARSHALLMIXDESIGN是在WATERLOO大学开发的一个专家系统HOZAYEN90，DMMD是一种查询性的工具，它能在混合料特性不满足规范时对路面工程师提出调整的建议即，如果混合料的混定性、流值、空隙率和矿煽动的空隙率不满足时。DMMD专家系统是由40条包含人类专家知识的规则组成的。INSIGHT2专家系统开发工具的推理机制控制结构采用了一种向后和向前链接的联合方式。417专家系统的技术益处和局限性通过将专家系统技术应用于路面工程中可取得一些很有价值的信息。例如，它们可以用作咨询、培训工具，也就是可用在建议的角色中。然而，象其他技术一样，专家系统有局限性，这使某个人类专家知识的编码显得很困难。除了在开发专家系统中的局限性外，有关将他们的知识编码，在某些领域取得与专家的合作性也有一些障碍。这些包括用户专家交流的隔离和可能的误译。对有关合法的伦理的责任的害怕和不确定。部分专家缺少时间。在他们的知识被编码后这些专家就可不用。这就是人们所关注的问题。但是，这个问题是无根据的，因为专家是在不断地增长他们的知识。不论如何，仍然需要一个与用户有效的交互方式来提高用户和专家两者的能力。对于超出专家系统能力的问题仍然需要专家。4171未来的专家系统技术路面管理中有一些领域，这些区域在短期和长期中专家系统的应用都比其他领域更适应，在短期中，应用在项目级上，特别在性能评价、诊断、可行的解法试验和工程费用估计中。在长期中，专家系统可用于项目级上确定均匀的路段、性能预测和寿命周期的费用分析。在网络级上，专家系统可用于长期的性能预测和有约束的状况。未来的发展趋势是很多的，并且肯定包含下面的内容1随着专家系统的成熟以及我们在它们的发展中所得到的经验的增加，将会有更好的自我教授能力。2对专家系统本身的性能和更新能力的反馈。3解决专家问分歧的能力。4提高在决策制定中人的参与。5路面管理中网级和项目级的更好的结合。6对路面原理的理解的升级。7对于作为基础的逻辑库的改善。8开发较先进的工具和通用性系统来改善可移植性。4172选择应用专家系统技术有前途的领域在路面管理的几个领域中对未来专家系统的开发都提供了条件。在每种情况中，必须就是否对给定的问题应用技术的优势是绝对的作出一个决策。为得到这样一个决策，应当使用一套评价标准。这些标准涉及到以下问题1是否需要工程决断和经验来解决问题2问题是否重复3问题是否受约束