（岩土工程专业论文）公路软土地基处理设计与施工专家系统知识库的设计与应用.pdf

摘要 本文通过对公路软土地基处理设计与旌工领域内知识系统地总结和研究，分 析和了解设计人员和施工人员对该领域内的知识的需求，并根据该领域知识的自 身特点，对公路软土地基处理设计与施工知识进行了分类，并采用3 - 维关系表 格的方式对知识进行了表示，针对每种知识分类做出了有效的知识库结构的设 计。 本文还引入了多层次分析综合模糊评判模型理论，综合考虑影响公路软土地 基处理的各种因素，解决了对于评语隶属度的选取、影响因素的权重的分配以及 各种模糊评判的等效表示关系等难点问题，得到了适合于软土地基处理的四个层 次分析综合模糊评判模型。 关键词：公路软土地基处理设计与施工知识库系统专家系统知识推理 a b s t r a c t t h et h e s i ss y s t e m a t i c a l l ys u m m a r i z e sa n ds t u d i e st h ek n o w l e d g ew h i c hb e l o n g s t ot h ed e s i g n i n ga n dc o n s t r u c t i o no fh i g h w a yf o u n d a t i o nt r e a t m e n to ns o f tg r o u n d i t a n a l y z e st h en e e do fp e r s o n n e lw h op a r t i c i p a t ei nt h ed e s i g n i n ga n dc o n s t r u c t i o n b a s e do nt h ec h a r a c t e f i s t i co ft h ek n o w l e d g e ，t h ea u t h o rc l a s s i f i e st h ek n o w l e d g eo f t h ed e s i g n i n ga n dc o n s t r u c t i o no fh i g h w a yf o u n d a t i o nt r e a t m e n to ns o f tg r o u n da n d d e s i g n st h es t r u c t u r eo ft h ek n o w l e d g eb a s e s e c o n d , f u z z ym a t h e m a t i c sa n da h p t h e o r i e sa i ei n t r o d u c e d , t h ef a c t o r s ，w h i c h h a v eb i gi n f l u e n c et oh i g h w a yf o u n d a t i o n l k a l r n c n to ns o f tg r o u n da nc o n s i d e r e d a n dt h e c h o i c eo fc o m m e n tg r a d eo fm e m b e r s h i p ，t h ed i s m b u f f o no fw e i g h i n g , a sw e l la st h e e q u i v a l e n tr e l a t i o no fa l lt h ef u z z yj u d g ea r es e t t l e d a n dt h ef o u rl e v e la n a l y s i s s y n t h e t i cf u z z ye v a l u a t i o nm o d e l ，w h i c hf i th i g h w a yf o u n d a t i o nt r e a t m e n t0 1 s o f t g r o u n d ，a r eb u i l t k e y w o r d s ：d e s i g n a n d c o n s 舡l l c t i o n o f h i g h w a y f o u n d a t i o n t r e a t m e n t 0 1 1 s o f i t g r o u n d k n o w l e d g eb a s es y s t e m ( k b s ) e x p e r ts y s t e m ( e s ) k n o w l e d g er e a s o n i n g 论支独创住声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论 文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成 果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：炙僻力州年妇乃日 论囊知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归 属学校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请 专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的 学术论文或成果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：失讨z 午“年j 明”日 导师签名：乡挠得 如。f 年歹月枷 第一章绪论 1 1 引言 随着知识经济时代的到来，知识成为推动社会发展的真正动力，谁掌握了知 识，谁就掌握了主动权。青霉素的诞生改变了生死受自然主宰的历史；神六的成 功翻开了我国航天事业的新的一页，使中华民族自豪地矗立于世界民族之林。然 而，在近些年来，知识的发展速度之快是过去任何时候所无法比拟的。人类该如 何管理和使用这些知识呢? 长期以来人们对此做了不懈的努力。 计算机的发明使人类从繁重的数值计算中解放出来，数据库系统的出现又使 大规模的数据存储、管理和共享成为现实。但人类所具有知识大部分都是非数值 的，如何让这些非数值性的知识也能像数据一样被处理呢? 知识库系统就是为着 解决这个问题而提出的i ”。 知识库系统作为一种知识管理的工具，是近年来发展起来的一门新兴学科。 ，。 随着计算机科学技术的迅速发展，基于知识的应用系统己在航空、航天、工业、 农业等领域得到广泛应用。与此同时，人们对知识库系统的要求和期望也越来越 ， 高，迫切希望它们能有效地解决更加复杂的问题1 2 】。 1 2 公路软土地基处理专家系统在国内外的发展现状 专家系统( e x p e r ts y s t e m ，简称e s ) 是人工智能三大重要支柱之一，自 e a f e i g e n b a u m 等1 9 6 5 年研究专家系统d e n d r a l 以来，现在已发展的极为成熟， 已在商业、医学、航天、农业等领域得到了广泛的应用。如用于商业的x c o n 系 统、用于医学的m y c i n 系统、用于地质学的p r o s p e c t o r 系统等。其中许多已经 推广使用并已达到了该领域专家的水平，在某些方面甚至超过了同领域专家的水 平。 公路软土地基处理设计与施工专家系统在公路工程建设中的应用还比较少， 主要应用于公路的交通法规、沥青路面的施工、公路的养护管理等方面，对于公 路软土地基处理设计与施工专家系统只是对其原理有所涉及的初步研究。由于公 路软土地基处理设计与施工存在大量的不确定性、随机性和模糊性，使得公路软 土地基处理设计与施工至今仍然具有很强经验性、实践性，而基于模糊数学的专 家决策、工程类比方法和专家评分优化选择法具有较大的发展空间，因此通过工 程数据库结合领域专家经验，实现领域专家经验和工程数据共享，来有效地解决 实际中遇到的问题，成为当前研究的热点问题。 以下是专家系统在公路软土地基处理中的研究成果： ( i ) 王剑平软基处理专家系统的初步研究岩土工程学报1 9 9 3 ，1 5 ( 5 ) 9 0 一9 5 ( 2 ) 王岭珠江三角洲地区大面积软土地基处理方法的研究出处：中国 优秀博硕士论文全文数据库 ( 3 ) 韩冰高速公路软基处理决策问题智能化技术的研究出处：中国优 秀博硕士论文全文数据库 在国外对于专家系统的研究主要集中在路面设计和养护以及交通工程方面 的研究： ( 4 ) ，r i ：e x p e r ts n s e me n h a n c e m e n t st oh i g h a n 柚a i n e n a n c e 订衄a g e 日忙n t s y s t e m s a u ：m a k a r a c h i ，g ac o n i vo f b i r m i n g h a m ) ；t i l l o t s o n ，h t _ s o ：v t ts y m p o s i u m ( v a l f i o nt c k n f l l i n e nt u t k m u s k e s k u s ) ，v1 ，n1 1 6 ，1 9 9 0 , p 3 8 2 - 4 0 0 本文介绍了一种提高公路维护管理的专家系统，本文分两部分，第一部分讨 论了利用专家知识库帮助进入数据库使用世界银行i - i d m - m 模型，第二部分讲 的是利用系统检索b s m 资料档案( b s m 资料档案是总结道路的破坏特点，涉及 的是道路损坏方面的内容) 。 ( 5 ) t i ：e x p e r ts y s t e mf o rm e d i u m - t e r mr o a dm a n a g e m e n tp l a n n i n g a u ：p i k k a r a i n e n ，m a t t i ( t i e t o m e k k al t d ) s o ：v 1 ts y m p o s i u m ( v a l t i o nt e k n i l l i n e nt u t k i m u s k e s k u s ) ，v1 ，n1 1 6 ，1 9 9 0 ，p 3 2 7 3 3 6 本文介绍了一种中期道路管理专家系统，研究了专家系统在道路养护计划中 的应用及作用。 ( 6 ) t i ：a r c ak n o w l e d g e - b a s e de x p e r ts y s t e mf o rp a v e m e n tc o n d i t i o n e v a l u a t i o n a u ：p e h l i v a n i d i s ，m i c h a l i s ( m i n i s t e r ed e st r a n s p o r t sd uq u e b e c ) ；l a r o s e ， 2 g a s t o n s o ：v 兀s y m p o s i u m ( v a l t i o n t e k n i l l i n e nt u t k i m u s k e s k u s ) ，v1 ，n1 1 6 ，1 9 9 0 ，p 3 3 7 - 3 5 2 本文介绍了一种评估道路使用状况和路面修复管理的基于知识库原型的专 家系统a r c 。 ( 7 ) t i ：d e s i g no ff l e x i b l ep a v e m e n t s a n d o v e r l a yu s i n g a l le x p e r ts y s t e m a u ：k h e d r , s a f w a n 八( a m 硎c a nu n i vi nc a i r o ) ；m i k h a i l ，m a g d y s o ：t r a n s p o r t a t i o nr e s e a r c hr e c o r d , n1 5 4 3 ，n o v , 1 9 9 6 ，p2 0 - 2 8 本文介绍了利用e x s p a v 专家系统设计柔性路面的方法。 ( 8 ) t i ：u s i n gak n o w l e d g e - b a s e de x p e r ts y s t e ma n df u z z yl o g i cf o rm i n o r r e h a b i l i t a t i o np r o i e c t si no h i o a u ：p r e c h a v e r a k u l ，s a k e h a i ( p r i n c eo fs o n g k l au n i v ) ；h a d i p r i 0 1 1 0 ，f a b i a nc s o ：t r a n s p o r t a t i o nr e s e a r c hr e c o r d , n1 4 9 7 ，j u l ，1 9 9 5 ，p1 9 2 6 本文介绍了一种以知识为基础的专家库和逻辑推理，采用模糊推理方法对道 路损坏进行维修。 ( 9 ) t i ：f u z z ye x p e r ts y s t e mf o ra s p h a l tp a v e m e n tp e r f o r m a n c ep r e d i c t i o n 。 a u ：k a u r , d ( t o l e d ou n i v ，o h ，u s a ) ；t e k k e d f l ，d s o ：i t s c 2 0 0 0 2 0 0 0i e e ei n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m s p r o c e e d i n g s ( c a t n o 0 0 t h 8 4 9 3 ) ，2 0 0 0 ，p4 2 8 3 3 本文介绍了一种以逻辑推理和推理机为基础的专家系统，在逻辑推理的基础 上，预测沥青路面的车辙深度，提供建筑材料参数，路面厚度、道路使用年限和 交通量计算。用v i s u a lb a s i c 语言编程，提交给推理机的资料要求输入。结果 表明利用模糊推理专家系统能很好的预测路面使用性能。 ( 1 0 ) t ht h ep o s s i b i l i t i e so ff u z z ys e t sa n de x p e r ts y s t e m si nt r a n s p o r t a t i o n m a n a g e m e n t a u ：a l t s c h a e f f l ，a g ；c h a m e a u ，j l s o ：i t ec o m p e n d i u mo ft e c h n i c a l p a p e r s p u b l i c a t i o nd a t e ：0 9 0 0 1 9 8 6 p a g i n a t i o n ：p1 9 6 2 0 0 本文介绍了在交通工程领域，利用专家系统知识库和模糊方法在系统中做出 决定时，如何做出客观的判断。 ( 1 1 ) t i ：a k n o w l e d g e - b a s e d a p p r o a c h t o f o u n d a t i o n d e s i g n a u ：l i r a ，p c ；s o h ，c k ；b r o m s ，b b s o ：c o m p u t e r - a i d e de n g i n e e r i n gj o u r n a lv 0 1 7 i l o 6 ：1 6 5 - 7 2 , d e c 1 9 9 0 本文介绍了利用现有知识库专家系统k b a s e 框架( 可自动对陆上建筑地基 进行选择和设计) 合成启发式知识的可行性，讨论了在知识库程序开发中知识的 管理步骤和方法。基于这些原理，开发了用于地基设计的专家系统s o f t 。 虽然公路软土地基处理专家系统的研究和开发已经有一定的成果，但是前人 对其进行的研究仍处于初步阶段，许多问题有待进一步的研究，还远未达到其应 有的程度，未来的发展前景十分广阔。 1 3 研究公路软土地基处理设计与施工专家系统的必要性 我国幅员辽阔，地质情况复杂多变，其中软土在我国分布十分广泛，在许 多的公路建设中都会遇到软基的情况( 如表1 ) 。 表1我国京津塘高速公路软基分布情况 i全长软土地基长软土长比例软土一般厚度软土最大厚度 i1 4 2 6 9 i a n约5 3 k r a 3 7 8 m1 3 m i 软土是指在滨海、湖沼、谷地、河滩等区域近代沉积的天然含水量高、孔 隙比大、压缩性高、抗剪强度低的细粒土。由于软土的这些物理、力学特性给公 路的建设带来不少病害。随着高速公路大规模的建设，工程中遇到的软基问题愈 来愈多，软土给公路工程建设和人工构造物带来了较大的影响和隐患，严重影响 路基的施工质量，因此，公路软土地基处理就成为高速公路建设的一个关键问题。 如果处理不当，就会产生以下问题： ( 1 ) 路堤整体滑动，桥台破坏； ( 2 ) 构筑物与路堤衔接处差异沉降，引起桥头跳车及路面破坏； ( 3 ) 涵身、通道凹陷，沉降缝拉宽而漏水； ( 4 ) 路面横坡变缓，造成积水等。 因此，加强公路软基处理的研究，己经成为公路建设中的一个重要课题。 然而，在公路软土地基处理设计与施工过程中，影响因素众多、计算工作量 大、设计理论不完善，往往需要专家根据自己丰富的实践经验和扎实的理论知识 4 才能做出合理的分析和判断，若要在短时间内做出最优的处理方案，则需经多名 专家的论证、指导与建议。但直接组织大批专家到施工现场提出对策，缺乏可操 作性。因此，开发公路软土地基处理设计与施工专家系统是解决这一问题的最有 效途径。通过开发公路软土地基处理设计与施工专家系统，许多技术难度较高的 问题将能够被全面、快速、准确地解决。因此，利用先进的计算机技术使公路软 土地基处理设计与施工问题智能化成为十分必要的研究课题。 1 4 研究公路软土地基处理设计与施工知识库系统的意义 公路软土地基处理设计与施工知识库系统是公路软土地基处理设计与施工 专家系统的关键部分。基于上述公路软土地基处理方面的专家系统的研究仅处于 初步的阶段，其应用还基本上是一片空白，因此，公路软土地基处理设计与施工 知识库系统前人也很少研究。知识库系统的结构设计、软土专业知识的归纳以及 知识之间关系的研究成为创建知识库的难点和重点。 公路软土地基处理设计与旌工专家系统是把公路软土地基处理设计与施工 方面的知识汇集成知识库，对公路软土地基处理施工中的质量控制、规划管理乃 至旅工方法以专家的思维方式来解决，可以使现场的施工技术人员能够在缺乏软 土专家的情况下，对各种状况做出及时且最佳的决策处理。此外，专家系统还可 以作为存储多年来公路软土地基处理设计与施工技术的方法和经验的媒介，传递 公路软土地基处理设计与施工知识的有效手段，解决公路软土地基处理设计与施 工中专家缺乏的问题。并将公路软土地基处理设计与旌工的知识经过一定的计算 机技术处理后，以一定的方法和结构进行存储的系统。由于专家系统是依托于知 识库的系统，所以知识库建造的好坏直接关系到专家系统性能的优劣。 公路软土地基处理设计与施工专家系统是一种智能的计算机程序，它运用知 识和推理来解决只有专家才能解决的公路软土地基处理设计与施工中遇到的复 杂问题。研制和开发该知识库系统，是在人工智能中应用中新的发展，同时也有 助于提高我国公路软土地基处理设计与施工的科学性和可靠性，促进我国公路软 土地基处理设计与施工的技术的发展。 1 5 本课题研究的主要内容 建造公路软土地基处理设计与施工知识库系统需要从多方面综合考虑，从 5 实际出发的原则，本课题的主要研究内容如下： ( 1 ) 对软土地基处理设计与施工领域内的知识进行研究和总结，并对该领域 内的知识进行分类。 ( 2 ) 研究适合本专家系统的知识库结构。 ( 3 ) 研究适合于软土地基处理的多层次分析模糊评判模型。 第二章公路软土地基处理设计与施工知识库分析 2 1 知识库的需求分析 进行知识库建设首先必须准确了解与分析用户的知识需求。需求分析是整个 设计过程的基础，是设计知识库的起点。需求分析的结果是否准确地反映了用户 的实际要求，将直接影响到后面各个阶段的设计，并影响到设计结果是否合理和 实用。需求分析做得不好，甚至会导致整个知识库系统设计返工重做。 需求分析的重点是调查、收集与分析用户在知识管理中的知识要求、处理要 求、安全性与完整性要求f 3 j 。知识要求是指用户需要从知识库中获得知识的内容 与性质，根据用户的知识需求就可以确定在知识库中要存储哪些知识；处理要求 是指用户要求完成什么处理功能，还有对处理时间和处理方式的要求。设计出来 的新系统必须能够满足用户的以上各种需求。 2 2 知识库的用户分析 本课题的研究成果的使用者主要分为三类：现场施工技术人员；设计人 员；科研人员。由于工作性质的不同，各类用户对知识库系统有着不同的需求， 因此，专家知识库系统应该根据不同的需求进行搭设。 图1 知识库的用户分析 对于现场的施工技术人员，他们首先是发现施工过程中出现的问题，头脑中 会立即条件反射的思考这是什么原因造成的，他们会有疑问，当他们缺乏经验或 者系统的理论知识时，就不能立即判断是什么原因造成的，也许会百思不得其解。 7 这时他们就需要帮助，那么专家系统就要能帮助他们寻求原因及提出解决问题的 对策。 对于设计和科研人员类用户，需求分析思路是相似的，不同的只是他们对知 识内容需求的不同。设计人员根据设计的需要，需求的是关于多年来软土地基处 理设计与施工技术的方法和经验以及规范中规定的一些基本的理论知识；科研人 员类用户对于设计和施工的知识都有所需求。 2 3 知识库的知识分类 根据知识库系统用户分析结果，本课题把公路软土地基处理设计与施工知识 做如下分类： ( 1 ) 鉴别软土的种类。 ( 2 ) 确定软土地基承载力。 ( 3 ) 根据不同的软土地基条件选择不同的处理方法。 “) 根据不同的已知参数选择不同的设计计算方法。 ( 5 ) 软土地基处理设计与施工中遇到的问题以及解决的办法。 2 4 知识库的知识来源 拥有知识是专家系统有别于其它计算机软件系统的重要标志，而知识的质量 与数量又是决定专家系统性能的关键因素，但如何使专家系统获得高质量的知识 呢? 本知识库的知识来源为下面两种方式： 在知识库开发初期，主要由知识工程师尽可能多的收集、整理公路软土地 基处理设计与施工的资料。经过特定的知识处理后，最终得出较完整的软土地基 处理设计与施工的事实和规则。公路软土地基处理设计与施工知识库的初期开发 主要有三种知识源： ( 1 ) 基本资料。采用的基本资料主要是将要执行的公路软土地基路堤设计与 施工技术指南【4 】和公路地基处理设计施工实用技术f 5 1 、高等级公路软土地 基路堤设计与施工技术1 6 】以及各主干高速公路软土地基处理设计与施工论文 集。这些基本资料为公路软土地基处理设计与施工提供了指导，叙述了公路软土 地基处理设计与施工中的各种现象，分析了公路软土地基处理设计与施工中出现 不足的原因。知识工程师通过分析处理这些资料，可以获取知识库中的最基本的 知识。 ( 2 ) 专家咨询。公路软土地基处理设计与施工的专家是该领域的宝贵财富。专 家在大量的公路软土地基处理设计与旆工工程中，处理了大量的具体问题并积累 了许多宝贵经验，这些经验很多都是具体实践的结晶，是在书籍或其他资料上无 法得到的。特别是专家在处理问题时的思维方法和角度，更是知识库中较高层次 的知识，它能指导推理机的推理。值得注意的是，由于公路软土地基处理设计与 施工中的问题绝大多数是不确定的、模糊的，多个专家对某一问题的处理可能差 别较大，这是正常的。因此，在专家咨询前要尽量选择多位权威的公路软土地基 处理设计与施工领域的专家，并且获取知识时还要尊重大多数专家的意见。 ( 3 ) 实例。公路软土地基处理设计与施工中经常出现大量具体问题，实际的设 计和施工技术人员是处理这些问题的主要工程师。所以，有必要通过分析实例， 询问设计和施工技术工程师，来获取具体的知识。此外，还有众多的设计和施工 技术论文可以利用。它们阐述了一些公路软土地基处理设计与施工的实例分析和 问题处理，从中也可以提取很多有用的知识。 在知识库使用期间，利用知识获取工具自动获取知识库中没有的公路软土 地基处理设计与施工领域专业知识，并以知识库中的知识表示形式表示，最后通 过由知识库管理系统进行知识库的一致性检查，并存储于知识库中。 2 5 知识库的知识特点 众所周知，公路软土地基处理设计与施工是一个繁杂的、庞大的系统工程。 公路软土地基处理设计与施工涉及许多方面的知识，不仅包括材料、施工机械、 施工方法和施工组织管理等内容，还与许多不确定因素如环境状况等有密切关 系。且绝大多数的知识是经验性的，系统性和理论性不够强，而且知识普遍具有 模糊性，这给知识的获取、知识在知识库中的存储及其在专家系统的推理应用带 来了较大难度。如果要建立一个性能良好的公路软土地基处理设计与施工专家系 统，必须依据该领域的知识特点，建立内含丰富专业知识的知识库，要做到这一 点需要广泛的、细致的收集和提取公路软土地基处理设计与旌工领域的知识。此 外，由于我国公路软土地基处理设计与施工方法正不断地向前发展，各种新型公 路软土地基处理设计与施工方法先后应用于公路建设中，出现了很多新型公路软 土地基处理设计与施工技术和相应的知识。同时，一些陈旧的公路软土地基处理 9 设计与施工技术也逐渐被淘汰。这要求知识库中存储的知识能够及时更新，以适 应新时期公路建设发展的需要。 2 6 小结 本章首先讨论了公路软土地基处理设计与施工知识库的需求分析和用户分 析，充分了解知识库的用户对知识库内容的需求以及用户在遇到实际问题时，求 解答案的全过程。这将有利于正确地对公路软土地基处理设计与施工领域内的知 识进行系统的分类，从而确定知识库的知识内容和知识来源。这部分内容的设计 和实旌是有效地创建知识库的重要前提。 1 0 第三章知识库系统的基本理论 3 1 知识库系统的发展历史 计算机科学技术的发展使得知识库系统的应用领域曰益拓宽，计算机已从传 统的数值计算发展到非数值处理，在非数值处理领域，人们也早已不再满足于数 据处理和控制，而把计算机的应用进一步深入到知识处理领域乃至模拟人类的智 能活动等。在2 0 世纪6 0 年代，随着数据库系统的产生，使用计算机来存储、管理 和控制大规模的数据成为现实。到y 7 0 年代，人工智能中的专家系统、知识工程 及大量基于知识的处理系统的出现，使得知识的存储、管理和控制成为迫切的需 要，在这种情况下，一种新型的知识管理工具知识库系统成为计算机发展的 必然产物。 知识库系统的发展经历了若干个阶段，其初级阶段是2 0 世纪7 0 年代中期出现 的演绎数据库系统。演绎数据库系统是传统数据库系统与人工智能的演绎、推理 技术相结合的产物。通常，它是在传统的数据库管理系统的基础上增加一个推理 机制和建立一组规则来实现的，它能在原始数据库系统的基础上演绎出更多的新 数据，并在一定范围内实现对知识的存储与管理。 2 0 世纪8 0 年代中期，知识库系统成为了数据库界的研究热点，出现了基于谓 词逻辑的知识库系统，它具有存储与管理大量知识的功能，比演绎数据库又前进 了一大步。但是，传统的谓词逻辑所表示的知识是一种完全的知识，其推理是精 确推理，而在现实世界中大多数知识属于不完全知识，其推理也多属非精确推理。 因此，进入9 0 年代以来，数据库工作者在成功研制演绎数据库、基于谓词逻辑的 知识库系统的基础上充分引用人工智能技术和方法，重视对不完全知识、非精确 推理、非逻辑知识库系统的研究，不断改进知识库的演绎算法、查询优化算法、 知识库一致性较验算法及知识库语言等方面的研究，并且在所研制的知识库系统 中扩大了知识的表示与处理范围，引入了知识获取和知识学习机制、改进了知识 库用户界面川。 近年来，知识库系统在理论研究和实践应用上都取得了一定的突破，这主要 归功于人工智能技术与数据库技术相互促进、取长补短、彼此克服它们自身发展 中的因难和障碍，实现有效结合。 3 2 知识库系统的发展现状 由于知识库系统在知识管理领域起着大厦基石的作用，在它的基础上可以开 发出各种基于知识的系统，如专家系统、智能决策支持系统等，因此对知识库系 统的研究和开发受到了人们的高度重视。目前，世界上很多国家，特别是发达国 家，都在投入可观的入力、物力和财力进行知识库系统的研究和建设，并取得了 较好的效益。在一些著名的企业和科研机构，知识库系统的建设已经日趋成熟。 在我国，也有许多单位在开展这方面的工作，一些面向实际应用领域的知识库系 统已经被开发出来，但离商业化的使用还有一段路要走，还需要在实用性、规范 化等方面做大量的工作【引。 3 3 知识库系统的基本概念 3 3 1 数据、信息和知识 人们赖以生存的空间是一个物质的世界，同时又是一个信息的世界。在这个 不断的变化的世界中，无论是在政治、经济、军事方面，还是在科学研究、文化、 教育等方面，每时每刻都在产生着大量的信息。随着社会的发展与进步，信息在 人类生活中越来越扮演着极其重要的角色。但是，信息是需要用一定的形式表示 出来才能被记载和传递的，尤其是在使用计算机做信息存储及处理时，更需要用 一组符号及其组合进行表示f 9 】。因此，数据就是有名论域简单内容的符号表示【1 0 1 。 换句话说就是对某一种事实的表达形式，它包括数字、文字和图形。这一定义与 数据处理及数据库系统中的数据定义相一致。由此可见，现在我们所说的“数据” 已不仅仅时通常意义下的“数”，而是对它在概念上的拓广和延伸，它是泛指对 客观事物的数量、属性、位置及其相互关系的抽象表示。它既可以是一个数，例 如整数、小数、负数，也可以是由一组符号组合而成的字符窜。例如以下使某学 校的学生档案管理数据： ( 1 ) 小李第一学年的平均分是旦旦量。 ( 2 ) 小刘的籍贯是出峦坦鱼。 ( 3 ) 小邓是垡菱生些生。 ( 4 ) 小张是昱挂 信息是指凡是对人有用的，能够影响人们行为的数据和符号成为信息，是通 过对数据或者符号的处理而产生的。例如，“小邓是优秀毕业生”这本身是个数 1 2 据，但是经过比较和联想后，我们就会得出“小邓比一般的毕业生优秀”这一信 息。 什么是知识? 在从猿到人的进化过程中，人类变得越来越聪明能干，引起这 一变化的原因是什么昵? 据研究发现，3 万年来人类大脑结构几乎没有发生变化， 因此不是生理的因素。现代人与原始人的主要区别在于掌握了知识。由此可见， 知识是人类进化的决定性因素之一。中世纪著名的数学家、哲学家培根有一句名 言“知识就是力量”，也充分肯定了知识在人类生活中的重要地位。 对于什么是知识? 不同的人对此有不同的理解至今没有一个统一的定义。抛 开这些微妙的哲学问题，针对知识库领域的特点。对知识的定义如下： 知识就是有名论域内容的符号表裂1 1 】【1 2 l 。 有名论域就是具有名字的研究领域。如物理学、数学、计算机科学等。有名 论域可以是实际的，如人们一日三餐所涉及的烹调学；也可以是虚拟的，如小说 中的世界：可以是现在的，如市场管理学；也可以是未来的，如下十世纪的能源 问题预测。有名论域的内容是指这些论域所包含的所有东西，如假设、真理、事 实和经验等。例如物理学中的自由落体运动规律，数学中的歌德巴赫猜想。有名 论域内容的符号表示是指用文字或符号来表示这些假设、真理、事实和经验【1 3 1 。 例如“西安正在下雨”这件事实可用中文表示为： 西安正在下雨。 “1 + 1 等于2 ”这条数学规律可用算术符号表示为： 1 + 1 = 2 这些文字和符号本身不具备任何意义，正是这些被表示的内容构成了它们的 意义。根据此定义，知识就是用文字或符号表示的某个研究领域中的内容。这个 定义的最大特点就是强调它的符号表示性，这与我们将研究的知识库系统相一 致。以下是用符号表示知识的几个例子： ( 1 ) 知识库系统可以作为存储多年来软土地基处理设计与施工技术的方法和 经验的媒介。( 中文) ( 2 ) 8x8 = 6 4 ( 算术符号) ( 3 ) c 0 ：、0 ：、h 2 0( 化学符号) ( 4 ) h o wa r ey o u ?( 英文) 总之，知识是人类对客观世界的认识，是人们在生活、劳动和与自然作斗争 中在自然、物质的基础上，升华提高成为有系统的信念和经验的集大成。 3 3 2 数据、信息和知识之间的关系 数据、信息和知识形成一个层次，数据在底层，知识在最上层。数据和信息 的关系十分的密切。数据是信息的载体和表示，信息是数据在特定的场合下的具 体的含义，或者说信息是数据所表达的客观事实；另外，数据和信息又是两个不 同的概念。对于同一个数据，它在某一场合下可能表示这样一个信息，但在另一 个场合下却表示另外的一个信息。而知识包含一定量的信息。数据经过一系列的 加工，如归纳、综合、比较、分类、联想或计算等处理后就成为了信息。在数据 和信息之上的是知识。知识是人们通过实践认识到的客观世界规律性的东西。知 识是信息经过加工整理、解释、挑选和改造而形成的，是人们进行决策的基础。 数据是资源，数据处理的计算化将有助于提高数据资源的利用率和获得高质量的 信息。知识是一种更宝贵的资源，知识的推广和使用可以产生巨大的经济效益和 社会效益。 3 3 3 知识的特性 知识主要具有以下特性： ( 1 ) 相对正确性 知识是人们对客观世界认识的结晶，并且又受到长期实践的检验。因此，在 一定的条件及环境下，知识一般是正确的、可信的。这里“一定的条件及环境” 是必不可少的，它是知识正确性的前提【。因为任何知识都是在一定的条件及环 境下产生的，因而也就只有在这种条件及环境下才是正确的，在人们的日常生活 及科学实验中可以找到很多这样的例子。例如i + i - - - - - 2 ，这是一条妇幼皆知的正确 知识，但它也只是在十进制的前提下才十正确的，如果十二进制，它就不正确了。 ( 2 ) 不确定性 知识是有关信息关联在一起形成的信息结构，“信息”与“关联”是构成知 识的两个要素。由于现实世界的复杂性，信息可能是精确的，也可能是不精确的、 模糊的；关联可能是确定的，也可能是不确定的。这就使得知识并不总是只有“真” 与“假”这两种状态，而是在“真”与“假”之间还存在许多中间状态，即存在 为“真”的程度问题，知识的这一特性称为不确定性。 1 4 造成知识的不确定性的原因是多方面的，概括起来可归结为以下几种情况： 由随机性引起的不确定性。在随机事件中一个事件是否发生是不能预先确 定的，它可能发生，也可能不发生，因而需要用某一个概率值来表示它发生的可 能性。显然，由这种事件所形成的知识不能简单地用“真”与“假”来刻画它， 它是不确定的。就以“头疼流鼻涕”与“患了感冒”之间的一种不确定的因果关 系，因为具有“头疼流鼻涕”的并不一定是“患了感冒”。因此它是一条不确定 性的知识。 由模糊性引起的不确定性。由于某些事物客观上存在的模糊性，使得人们 无法把两个类似的事物严格的区分开来，不能明确的判定一个对象是否附和一个 模糊的概念；又由于某些事物间存在着模糊关系，使得我们不能准确的确定它们 之间的关系究竟是“真”与“假”。像这样由模糊概念、模糊关系所形成的知识 显然是不确定的。 由不完全性引起的不确定性。人们对客观世界的认识是逐步提高的，只有 在积累了大量的感性认识后才能升华到理性认识的高度，形成某种知识，因此知 识有一个逐步完善的过程。在此过程中，也许由于客观事物表露得不够充分，致 使人们对它的认识不够全面，或者对充分表露的事物一时抓不住本质，致使对它 的认识不够准确。这种认识的不完全、不确定必然导致相应的知识是不精确的、 不确定的。 事实上，由于现实世界的复杂性，人们很难一下掌握完全的知识，因而不完 全性就成为引起知识不确定性的一个重要原因。人们求解问题时，很多情况下也 是在知识不完全的背景下进行思维并最终求得问题的解决。 由经验性引起的不确定性。在人工智能的研究领域专家系统中，知识 都是由领域专家提供的，这种知识大多数都是领域专家在长期的实践及研究中积 累起来的经验性知识。尽管领域专家能够得心应手地运用这些知识，正确地解决 领域内的有关问题，但若让他们精确地表述出来却是相当困难的，这是引起知识 不确定性的一个原因。另外，由于经验性自身就蕴含着不确定性及模糊性，这就 形成了知识不确定性的另一个原因。因此，在专家系统中大部分知识都是具有不 确定性的这一特性。 ( 3 ) 可表示性和可利用性 知识是可以用适当形式表示出来的，如用语言、文字、图形等，正是由于它 具有这一特性，所以它才能被存储并得以传播。至于它的可利用性，这是不言而 喻的，我们每个人天天都在利用自己掌握的知识解决所面临的各种各样的问题。 3 3 4 知识表示的形式化 能学会写是人类所具有的最值得骄傲的技能，它使人类有别于地球上的其他 生物。人类可用自然语言进行广泛的交流，其内容可涉及到人类现实生活以及愿 望、意念等方面的内容，是人类生活中最自然、最强有力的相互交流手段和思想 表达手段【嘲。 自然语言也有它的缺陷，有些东西用自然语言是无法表示的。例如人的情感： 喜、怒、哀、乐四个字太简单：再如艺术的境界：当你听到一段好音乐，看到一 幅美好的画，那种感受是难以用自然语言来表达的。 尽管如此，仍然可以说自然语言是最理想的知识表示手段。自然语言除了它 强有力的表达能力以外，还有使用方便、自然的优点。我们从小受教育的一个主 要内容就是要掌握并熟练地运用自然语言，不幸的是，在知识库系统中还不能用 自然语言进行知识表示，其主要的阻碍因素有以下三条： ( 1 ) 自然语言的二义性。在自然语言中，同一个词在不同的情况下往往有不同 的解释。人类消除二义性的方法是根据上下文和进一步阅读，但是不存在这样一 整套规则，它能消除所有的二义性。因而，计算机也不能对二义性进行处理。 ( 2 ) 自然语言缺乏一致性结构。所谓一致性结构就是一种规律、均匀的结构， 如逻辑语言。自然语言的结构是丰富多彩的，如果使用一种规律的结构来表达思 想或描述事实就会让人感到单调、泛味。并且，自然语言的结构还在日新月异地 发展，为了吸引读者，作家们一直在试图打破已有的旧框框，创造自己的新风格。 但已有的知识管理和处理技术却要求知识的表示形式是一致化结构的。 ( 3 ) 自然语言的语法、语义不能全部知道。语法是一组规则，它能确定任何一 个合法句子的结构。语义也是一组规则，它能确定任何一个合法句子的意义。现 在还不存在这样一种自然语言，它的任何一个合法句子都能由语法确定其结构， 用已有的语义确定其含义。现在的自然语言越来越降低语法的作用，一个句子无 论语法是否正确，只要符合人们的习惯、容易被人理解，都是可以的。因此，没 有完整的语法、语义规则，计算机就不能进行自然语言处理和理解。 1 6 以上3 种缺限( ( 2 ) 和( 3 ) 本质上是相同的) 妨碍了自然语言在知识自动处理中的 应用。因此，各种知识的形式化表示方法应运而生。 所谓知识表示形式化就是以某种一致化的结构来表示知识n 6 】。例如，对于“老 虎是动物”这件事实，可用形式逻辑一致化地表示如下： t i g e r “) - - a n i m a l ( x ) 目前人们已开发出许多一致化的知识表示方法，这些方法各有其优缺点，并 各自适用于不同的领域。 3 4 知识库系统的主要应用领域和发展方向 3 4 1 知识库系统的主要应用领域“7 ” 知识库系统是一种基于逻辑的通用性开发工具，它的适应面广，特别适合于 知识量大的知识处理系统。目前，知识库系统可分为两种类型：独立型和自主型。 独立型知识库系统专用功能强、通用功能差；知识处理能力强、计算功能差。因 此，独立型知识库系统并不适合实际开发应用。只有在知识库系统中嵌入主语言， 才可使系统既有知识处理能力又有计算功能，既有非过程的描述能力又有过程控 制能力，同时使其通用能力得到加强。 由于知识库系统的特点，目前，它主要应用于以下几个领域： ( 1 ) 决策支持系统( d s s ) 决策支持系统是用于处理半结构化与非结构化问题的计算机软件系统。在传 统的d s s 中，一般是通过数学模型和常规数值计算方法来辅助决策，但是，数学 模型往往无法模拟现实世界中的复杂情况，而且决策过程中存在大量知识及知识 推理，也很难用数学模型及计算方法来表示，因此综合利用数学模型与知识模型， 并在传统d s s 中引入知识表达和知识处理功能，使系统同时具有数值计算和知识 处理能力，才能更为方便、准确地模拟客观世界，更为全面地反映决策过程。d s s 般由方法库、数据库和模型库等几个部分组成，在加入知识模型后则需要加上 知识库系统，从而构成了由方法库、数据库、模型库和知识库等四个库所组成的 智能决策支持系统( i d s s ) 。i d s s 以决策者的大脑思维过程为模型，即根据他们的 经验和知识构成模型，并把数据和知识的收集、存储、分析等功能结合在一起， 利用启发式问题求解，为高层领导提供非结构型决策的各种功能，以提供更加接 近于客观世界的决策。显然，i d s s 将使决策更为科学、有效。 ( 2 ) 计算机辅助设计( c a d ) 随着计算机辅助设计的发展，单纯通过关系数据库，甚至采用c a d 数据库、 工程数据库等专用数据库已无法满足c a d 的复杂要求。因此，寻求一种合适的、 功能强大的通用工具，以支撑c a d 发展中不断提出的新要求，是促使c a d 技术深入 发展的一个重要途径，而作为一种供c a d 采用的通用工具，知识库是其首选。因 为一个产品的开发与设计是一个智力活动的过程，它需要大量的知识，在这些知 识支持下，设计师们才有可能开发与设计出新产品来。因此用知识库系统作支撑 以实现产品设计是计算机辅助设计中的一个新的方向，我们称它为智能计算机辅 助设计。 ( 3 ) 专家系统( f s ) 专家系统是一个基于专家知识的系统，它通过将知识表达和知识处理技术引 入传统数据库，使二者有机地结合，以开发出能共享信息的面向知识处理的问题 求解系统。这种系统对各种应用具有独立性，能实现透明的和高性能的启发式推 理，具有知识的扩充和维护能力，适用于多用户环境，可用来求解各种复杂的实 际问题。知识库系统作为专