（岩土工程专业论文）公路软土地基处理技术决策专家系统研究.pdf

摘要 本文在综合考虑公路软土地基处理的知识特点和深入研究专家在决策软基处理方 案时的思维过程的基础上，研究利用人工智能、知识工程、模糊数学、决策分析、计算 机技术等手段来开发公路软土地基处理技术决策专家系统。研究了专家系统的一般 性，重点研究了专家系统在公路软土地基处理中的应用技术，提出了本研究的可行性； 研究了公路软土地基处理的理论知识和专家的经验知识的特点及专家系统的工作原 理，提出了基于产生式规则的知识表示形式，建立了本系统的知识库；基于公路软土 地基处理中存在大量的不确定性、随机性和模糊性，提出了利用不确定性推理方法中的 可信度方法和模糊理论方法对公路软土地基处理决策问题进行推理，建立了本系统的推 理模型；确定了模糊推理的隶属函数和推理规则，并提出用专家评分方法确定各推理 规则的可信度；研究了软基处理专家在技术决策过程中的思维方式，确定了本专家系 统推理机的总体结构、推理方向、推理过程、控制策略和冲突消解策略，并编程实现了 公路软土地基处理技术决策专家系统推理机。本文研究成果有利于提高软基处理技术决 策的数字化和智能化，为软基处理技术人员开展工作提供一定帮助。 关键字：软土地基专家系统产生式规则知识库推理机可信度不确定性推理模糊 推理 a b s t r a c t t h i sd i s s e r t a t i o ns t u d i e sh o wt ou s ea r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e , k n o w l e d g ee n g i n e e r i n g ，f u z z y m a t h e m a t i c s ，d e c i s i o na n a l y s i s ，c o m p u t e rt e c h n o l o g ya n ds oo nt od e v e l o pa ne x p e r ts y s t e m w h i c hi sa b o u th i g h w a ys o f tc l a yg r o u n dp r o c e s s i n gt e c h n o l o g yd e c i s i o n m a k i n g t h es t u d yi s b a s e d0 1 1s y n t h e t i c a lc o n s i d e r a t i n gt h ek o n w l c d g ec h a r a c t e r i s t i ca n dt h o r o u g hr e s e a r c h i n g p l a n m a k i n gq u e s t i o n si np r o c e s s i n gh i g h w a ys o f tc l a yg r o u n d q l ts t u d i e st h eg e n e r a l i t yo f t h ee x p e r t s y s t e m ，e m p h a t i c a l l ys t u d i e s t h e e x p e r ts y s t e ma p p l i c a t i o nt e c h n o l o g y i n p r o c e s s i n gr o a ds o f ts o i lg r o u n d ，t h e nt h ef e a s i b i l i t y o ft h er e s e a r c hi sr a i s e d t h et h e o r e t i c a l k n o w l e d g ea n de x p e r t s e x p e r i e n c ea r ec o l l e c t e da n dr e o r g a n i z e d t h r o u g hu n i f y i n gt h e e x p e r ts y s t e m sp r i n c i p l eo fw o r ka n de x p e r t s t h i n k i n gm o d e ，t h ek n o w l e d g ee x p r e s s i o nf o r m b a s e do np r o d u c t i o nr u l ei sp r o p o s e da n dt h i ss y s t e m sk n o w l e d g eb a s ei se s t a b l i s h e d t h e r e a r em a s s i v eu n c e r t a i n t y , r a n d o m n e s sa n df u z z i n e s se x i s t i n gi np r o c e s s i n gh i g h w a ys o f tc l a y g r o u n d ，t h ed i s s e r t a t i o np r o p o s e su s ec o n f i d e n c el e v e lm e t h o da n df u z z yt h e o r ym e t h o dw h i c h a r ec o n t a i n e di nu n c e r t a i n t yi n f e r e n c em e t h o dt oc a r r yo nt h ei n f e r e n c e ，t h ei n f e r e n c em o d e li s b u i l t t h em e m b e r s h i pf u n c t o na n di n f e r e n c er u l eo ff u z z yd e c i s i o n m a k i n gm o d e la r e d e t e r m i n e d ，t h ev a r i o u sr u l e s c o n f i d e n c el e v ea r eg i v e nb ye x p e r t s t h ed i s s e r t a t i o n r e s e a r c h e sa n dd e v e l o p e sr e a s o n i n gm a c h i n et h r o u g hs i m u l a t i n ge x p e r t s t h o u g h tc h a r a c t e r i - s t i c t h eo v e r a l ls t r u c t u r e ，t h ei n f e r e n c ed i r e c t i o n ，t h ei n f e r e n c ep r o c e s s ，t h ec o n t r o ls t r a t e g y a n dt h ec o n f l i c tr e s o l u t i o ns t r a t e g yo ft h i se x p e r ts y s y t e m sr e a s o n i n gm a c h i n ea r ep r o p o s e d t h i sa r t i c l ea c h i e v e m e n ti sa d v a n t a g e o u si ne n h a n c i n gt h ed i g i t i z a t i o na n dt h ei n t e l l e c t u a l i z a - t i o no fs o f tb a s ep r o c e s s i n gt e c h n o l o g yd e c i s i o n - m a k i n g ，i ta l s oc a np r o v i d e sc e r t a i nh e l pf o r r e l e v a n t t e c h n i c a ls t a f f k e y w o r d ：s o f tc l a yg r o u n d ，e x p e r ts y s t e m ，p r o d u c t i o nr u l e ，k n o w l e d g eb a s e ，r e a s o n i n gm a c h i n e ， c o n f i d e n c el e v e ，u n c e r t a i n t yi n f e r e n c e ，f u z z yi n f e r e n c e 论文独创性声明 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，均己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己经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者虢多同莎矽7 年锄声日 论文知识产权权属声明 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： 导师签名： 2 卵7 年6 只1 2 b 力。7 年6 月2 e l 。眵勺十 了、】叫， 压境 垮旁立 长安大学硕士学位论文 1 1 课题的提出 第一章绪论 近十几年来，随着我国公路的大规模建设，工程中遇到的软土地基问题也越来越多。 在我国，公路软土地基处理的研究是同公路的建设发展相适应的。特别是沪宁、沪嘉、 杭甫、广佛、京珠等高速公路的建设，使这一研究领域达到一个新的阶段。1 9 9 7 年交通 部颁布了公路软土地基路堤设计与施工技术规范就是这些成果的结晶。 我国公路建设中存在着大量的软土问题，已成为影响工程质量、工程周期和工程造 价的关键因素之一。如沿海诸省、市及湖南、湖北、江西等省的公路地基大量存在着淤 泥、淤泥质粘土、淤泥混砂层。这些地基大多属正常压密软粘土，其压缩性高，沉降量 大，排水固结稳定性差。表1 1 是我国部分高速公路软基分布情况。 表1 1 我国部分高速公路软基分布情况 沪宁京津塘泉夏佛开广珠 杭甬广梧高速 高速 高速 高速高速高速高速公路 公路公路公路公路公路公路( 马河段) 公路长度( k m ) 2 7 4 11 4 2 58 1 18 0 05 3 7 71 4 5 03 7 0 软基路段长度( k m )9 2 3 4 8 01 7 51 3 o 1 5 2 6 9 1 6 9 1 软土长度比率( ) 3 3 63 3 72 2 01 6 32 6 46 3 22 4 3 软土一般厚度( m ) 6 1 582 8 4 6l o 2 03 0 4 05 2 2 软土最大厚度( m )3 0 1 31 7 8) 4 0) 6 02 8 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、力学特性给高速公路的建设带 来不少弊病，有的甚至成为工程成败的关键。因此，在这类地基上修建高速公路，若不 经过处理或处理不当，会引起道路质量的降低甚至破坏。可能产生以下一些问题： 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。 如日本的常磐高速公路神田桥从1 9 8 6 年9 月2 0 同通车后，1 9 个月平均每月补修一次 错台，严重影响了路面质量和通行能力【l 】；我国沪嘉高速公路、湖北汉宜一级公路、江 第一章绪论 苏宁连一级公路等通车后，由于软土沉降等问题，使路面开裂，桥头错台，错台大者可 达7 8 厘米，使行车速度大为下降，一直小修不断。随着高速公路的修建，软土问题越 来越突出，己成为影响工程质量，工程周期和工程造价的关键因素之一。因此，加强高 速公路软基处理的研究，己经成为影响我国交通事业的发展的一个非常重要课题。 公路软土地基处理是一个复杂的系统工程，为保证地基处理的质量和道路的使用质 量，在基础资料获取( 包括地质勘探、室内试验、现场原位测试、成果报告等) 、沉降 与稳定计算( 包括计算方法、计算参数、经验系数等的选用) 、处理方案设计( 考虑技 术先进、稳妥可靠、经济可行、因地制宜的原则) 、施工及质量控制( 包括施工机具配 备、材料控制、施工检测等) 、路堤填筑( 路堤稳定监测仪器埋设和观测) 、预压及沉 降预测( 可靠的预测方法选取) 、卸载及施工路面结构全部过程中的每一步，都需要进 行合理的分析判断与决策。 然而公路软土地基的处理过程中影响因素很多，比如工期、造价、处理效果、材料 来源及消耗、机具条件、施工因素、环境影响等。这些要考虑的因素有些可以定量分析， 有些则具有模糊性质，只能定性分析。而且它们相互关联和制约，构成了一个复杂系统。 而目前方案的决策选择基本上停留在凭个人经验的阶段，往往造成经济的浪费，并且达 不到预期的效果。因此，加强地基处理方案的决策分析研究，使决策方法变得数值化、 科学化，具有重要的意义。利用人工智能、知识工程、模糊数学、决策分析、计算机技 术等手段，来进行高速公路软基处理技术智能决策研究，无疑是解决这一问题的有效途 径。 软土地基处理处理技术决策专家系统是一种智能的计算机程序【2 3 1 ，它运用知识和推 理来解决只有专家才能解决的软土地基处理设计与施工的复杂问题。研制和开发该专家 系统，是人工智能在岩土工程中应用的新的发展，同时也有助于提高我国公路软土地基 处理的科学性和可靠性，促进提高我国公路软土地基处理的技术水平。 1 2 国内外的研究现状及发展趋势 专家系纠1 1 ( e x p e r ts y s t e m ，简称e s ) 是人工智能的一个重要分支，自美国斯坦福大 学的费根鲍姆( e a f e i g e n b a u m ) 等人在1 9 6 8 年成功研究出第一个专家系统d e n d r a l 以来，经过近四十年的发展，专家系统被广泛地应用于化学、数学、医疗诊断、生物工 程、情报处理、气象预报、电路设计、农作物产量预报、军事系统、地质勘探以及科学 分析等多个领域，产生了显著的经济效益和社会效益。但专家系统在公路工程中的应用 2 长安大学硕士学位论文 研究较少，国内的研究较国外的少，在路基处理技术中的应用较其他方面( 道路养护维 修、路面施工、交通控制) 的少。 1 2 1 国内研究现状 国内有关公路工程领域中的专家系统研究成果有： 西安公路学院甘仁义( 1 9 9 4 年) 等与导师周兰玉研究开发了“公路抗震评价专家系 统( r o s e c h ) 2 1 ，该系统采用谓词逻辑形式表示知识，采用基于规则的推理方法，并 在逆向推理的推理控制策略下进行系统推理。推理机适合于桥梁、挖方、山地填方及平 原填方四种公路结构物。该系统r o s e c h 5 0 版本基本上达到了能够满足生产任务的要 求，系统结论的正确率在9 0 以上。 长安大学赵炜诚( 2 0 0 1 年) 、刘建兰( 2 0 0 3 年) 等与导师胡长顺研究开发的“沥青路面 施工专家系统( a p c e sv 1 0 ) 【3 】【4 1 。该系统结合沥青路面施工中出现的技术问题特点及 其相应的诊断策略，提出了适宜沥青路面施工只是存储的知识表示方法和相应的存储模 式，建立了沥青路面施工知识库；提出了基于r o u g h 集的知识获取模型；提出了基于c f 模型的不确定推理和基于模糊理论的模糊推理机制，同时为了保证推理的准确性和效 率，采用了混合向推理策略。该系统能够对包括s u p e 印a v e 、s m a 、纤维沥青、抗滑表 层等新型沥青路面在内的多种沥青路面的施工进行咨询指导，分析路面症状的原因，给 出处理建议等。 长安大学高丽( 2 0 0 1 年) 等与导师胡长顺研究开发的“高速公路沥青路面病害诊治专 家系统( f a p d d1 o ) ”和长安大学彭挺( 2 0 0 4 年) 等孑导师胡长顺研究开发的“高速公路 沥青路面养护维修专家系统 【5 】利用产生式规则知识表示方法，分别建立沥青路面病害 诊治知识库和养护维修知识库；采用不确定推理模型，采用正反向推理相结合的方式分 别实现了病害诊治和养护维修的推理过程。这两个系统已在陕西省高速公路沥青路面病 害诊治方面得到应用。 在公路软土方面，有关地基处理技术的研究成果很多，包括勘察技术和手段研究、 软土基本特性研究、沉降与稳定计算方法研究、软基加固方案决策研究、施工工艺研究、 沉降与稳定监测及沉降预测研究等，但将专家系统应用到公路软土地基处理中的研究不 多，能将两者相结合进行探讨研究的成果有： 1 王剑平( 1 9 9 3 年) 选择软基处理问题，探求将专家系统技术用于岩土工程领域的 途径，指出专家系统是一个基于知识的计算机程序，由知识库、数据库、推理机、解释 第一章绪论 设施和学习系统组成 6 1 。提出将岩土工程某一领域的知识，包括一般性的知识和专家们 的特殊知识和经验构造成知识库，借助于专家系统技术，使计算机能够灵活运用结构性 和非构性知识，求解更加广泛的岩土工程问题，从而解决知识不足和专家不足的问题。 2 刘 ( 2 0 0 0 年) 等人用模糊数学中的聚类分析方法分析几种常用软基处理方案的技 术、造价、工期等指标，并对其处理方案进行模糊选择，它解决了模糊语言的归属问题。 3 刘挺、蔡升华( 2 0 0 2 年) 等人将软基处理方案投资、工期、质量、效果作为准则层， 地基处理费用、施工工期、技术成熟性等1 2 个指标作为指标层，运用层次分析法对软基 处理方案作出了综合评价。他首先把软基处理问题层次化，然后根据问题的性质和要求 达到的总目标，将问题分解为不同的组成因素，并按照因素间的相互关联影响以及隶属 关系将不同层次聚集组合，形成一个层次梯阶模型，并最终把系统分析归结为最低层( 方 案层) 相对最高层( 目标层) 的相对重要性权值的确定或相对优劣次序的排列问题，从而选 出最优方案。 4 冯仲仁( 2 0 0 3 年) 以高速公路软基处理的工程实践为基础，深入地研究了高速公 路软基处理的诸多决策问题，以系统工程、人工智能、知识工程、综合评价、神经网络、 模糊数学、遗传演化算法、决策分析、计算机技术等为理论基础【7 1 ，对高速公路软基处 理智能决策支持技术进行了研究。研究的内容有：基于m a t l a b a n n 的高速公路软 基处理方案决策系统；基于m a t l a b f i s 的高速公路软基处理模糊决策系统；高速 公路软基处理方案的多层次模糊决策系统；塑料排水板处理软基的仿真优化系统； 基于遗传算法的深层搅拌桩优化设计系统；基于光纤传感技术的高速公路软基处理施 工仿真监控决策系统。 5 韩冰( 2 0 0 4 年) 以系统工程、模糊理论、决策分析、计算机原理等为理论基础【8 】， 结合岩土工程、土质学和土力学等学科的最新发展，对高速公路软基处理决策问题进行 了研究，着重研究了高速公路软基处理的模糊决策问题，并利用计算机技术与层次分析 法以及模糊相似优先比法对其进行了智能化处理。 6 王岭( 2 0 0 5 年) 结合最新软基处理技术的发展状况，介绍了珠江三角洲地区三种常 用的大面积软土地基处理方法一真空联合堆载预压法、深层搅拌法和动力排水固结法 的作用机理、计算方法和适用范围【9 】。应用专家咨询法对软基处理效果和方案有较大影 响的因素如工程地质条件( 包括软土厚度、软土性质等因素) 、施工条件( 包括工期、材料、 施工机械) 和环境保护要求等进行了系统的分析研究，建立了软基处理方案优选的多层次 分析综合模糊评判模型。 4 长安大学硕上学位论文 1 2 2 国外研究现状 国外有关公路工程领域中的专家系统研究成果有： 1 由安大略省交通运输部研制的r o s e 系统，目的是对寒冷地区的大批沥青混凝土 路段的日常养护和封层工作进行排序。它有两种版本，一种是利用e x s y s 乡 b 壳的交互式 版本，另一种是利用f o r t r a n 语言的自动式版本。 2 由f h w a 赞助和伊利诺斯大学研制成功的混凝土路面评价与修复专家系统( e x p e a r 系统) 。它根据公路工程师提供的信息，来确定路面损坏的型式和原因，以便选择 恰当的修复方案。它考虑了带接缝的钢筋混凝土、带接缝的素混凝土路面以及连续配筋 混凝土路面。 3 由r i t c h i e 等人研制的s c e p t r e ，是反映路面状况的路面修复专家系统，它可以帮 助公路工程师确定灵活的路面修复措施。它包括1 0 种基本措施，可组合2 4 种修复方案。 4 p m a s 系统是专为寒带沿海地区的沥青混凝土路面养护而设计的基础知识的专家 系统，以便选择最合适的养护方法。它选用t e x s y s 和i i l s t a n te x p e r tp l u s 两种软件平台。 除上述之外，还有一些相关的研究。如：a l l e z ，f 等人研究了用于道路养护的专家系 统( e r a s m e ) 1 0 】，该系统针对道路沥青路面养护方面的问题作出决定；a 1 一h o m o u da s 等人介绍了一种边坡和路堤设计和分析的专家系统，涉及c s e e s 1 1 】系统，利用模糊理论， 通过考虑各种影响因素，评估斜坡和路堤的潜在破坏，通过修正系统中的岩石和地基材 料参数，用于其它地质条件下的工程；k h e d r ，s a h v a n a 等人介绍了利用e x s p a v 专家系 统设计柔性路面的方法；a l s h a w i m 等人研究t * u 用路面专家系统对水泥混凝土路面 进行评估，该系统的操作有两种模式，分别为对话形式和数据录入形式【1 3 】；o u l m a n ， c h a r l e s s 等人介绍了一种使用l o t u si - 2 3 程序语言的柔性路面管理专家系统1 4 】； p r e c h a v e r a k u l ，s a k c h a i 等人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等【”】。 而且，专家系统己被证明在公路工程方面的应用是可行的。这些投入使用的系统主 要有：高速公路实时( 快速) 系统( f r e d ) ；己在南加州用于防止市区交通拥挤时的实时管 理、路面评定与整修系统( e r a s m u s ) ；钢铁桥梁的疲劳测定系统( f a s t b r i d ) ；工作区 域安全训练系统( w z t s ) 等。 从已有的国外研究资料看，专家系统作为人工智能的一种方式，已经广泛应用到交 通控制、道路管理、交通安全评估、公路桥梁的设计、公路养护和维修、道路桥梁基础 设计、路面病害诊断和分析、道路规划和使用状况分析、工程方案评价、解决工程设计 第一章绪论 和施工中遇到的问题等诸多方面。其中在道路养护、维修方面的专家系统较多；对路面 方面的研究成果要多于路基方面的成果，特别对柔性路面的研究起步早，比较成熟。但 未见针对软土地基处理方面的专家系统的研究报道。 综上所述，针对公路软土地基专家系统的研究已经有了一定的发展，主要集中在以 下几个方面： 1 对公路软土地基专家系统知识库的构建，推理机、推理机制和推理策略的设计进 行了初步的研究； 2 对公路软基处理智能决策支持技术进行了一般的研究； 3 对公路软基处理方案的决策问题进行了较深入研究。 但同时也存在着需要一些不容忽视的问题： 1 实例研究多，系统研究少。专家系统是建立在知识库基础上的，要想得出准确的 推理结果，要求建立科学合理的事实库、规则库。这就要求对软基处理设计与施工中的 相关知识进行系统的整理，但在这方面的努力还不够； 2 智能化水平低，专家系统的模型少而且简单； 3 模糊数学理论在相关领域专家系统中还不能合理地应用。 1 2 3 发展趋势 针对上述存在的问题，公路软土地基处理技术决策专家系统应从以下几个方面加强 研究： 1 加强软基处理知识的系统化研究，利用大量工程实例，着重研究对工程有重大影 响的特性指标； 2 力口强软基处理的数字化研究，进一步研究软基处理知识在专家系统中的表示形式； 3 进一步研究适合软基处理技术决策的专家系统模型，研究并模拟专家在做出软基 处理时的思维方式，构建更加智能化的推理方式。 1 3 本文研究的内容 本课题结合公路软土地基处理的知识特点，研制开发公路软土地基处理专家系统。 建立知识库和规则库，用产生式规则表示法表示知识，采用不确定推理方法中的可信度 方法和模糊理论方法对公路软土地基处理中的各种决策问题进行推理，利用c + + b u i l d e r 环境来实现本专家系统。研究的内容包括以下几个方面： 6 长安大学硕士学位论文 ( 1 ) 公路软土地基处理专家系统知识库构建分析 寻求适合于软土地基处理知识特点的知识库建造技术，在此基础上对知识库的知识 获取机制进行分析并对知识库的知识进行分类；研究知识库的管理，确保知识库中知识 的准确性；研究知识库的修改功能，确保能对知识进行增、删、改。 ( 2 ) 公路软土地基处理不确定推理方法研究 由于公路软土地基处理中存在大量的不确定性、随机性、模糊性，确定性的研究方 法局限性太大，而基于不确定推理的专家决策能较好地解决这一问题。研究如何利用不 确定性推理方法中的可信度方法和模糊理论方法对公路软土地基处理决策问题进行推 理，构建高速公路软基处理模糊决策模型，构造其隶属函数，确定推理规则，并通过专 家评分方法确定各规则的可信度。 ( 3 ) 公路软土地基处理专家系统体系结构及实现分析 寻求适合于软土地基处理领域的推理机建造技术，即研究该领域专家处理问题的思 维模式，并根据专家的思维特点选择恰当的推理模型进行模拟。分析公路软土地基处理 专家系统推理机采用的推理理论、总体构造、推理方向、推理过程、控制策略和冲突消 解策略。 7 第二章专家系统的基本原理 2 1 专家系统的定义 第二章专家系统的基本原理 专家系统是人工智能应用研究最活跃和最广泛的课题之一【1 6 】。自从1 9 6 5 年第一个专 家系统d e n d r a l 在美国斯坦福大学问世以来，经过近4 0 年的研究开发，各种专家系统 现已遍布各个专业领域，并取得了很大的成功。本章详细分析专家系统的开发过程，并 对高速公路软基处理设计与施工专家系统的开发进行概述。 所谓专家系统，简单地说就是存储在磁盘上的经验。专家系统是一个智能计算机程 序系统，其内部包含大量的某个领域专家水平的知识与经验，能够利用人类专家的知识 和解决问题的办法来处理该领域问题。也就是说，专家系统是一个，应用人工智能技术 和计算机技术的具有大量的专门知识与经验的程序系统。它根据某领域一个或多个专家 提供的知识和经验，进行推理和判断，模拟人类专家的决策过程，以便解决那些需要人 类专家处理的复杂问题。简而言之，专家系统是一种模拟人类专家解决领域问题的计算 机程序设计系统。 专家系统的理论基础涉及到诸多学科，其中一个主要理论基础是认知学科。认知就 是研究人类如何处理信息，换句话说，就是研究人如何思考，尤其是如何解决问题。 人工智能发展初期，其主要目标是依赖少量的知识和功能强大的推理功能方法来生 成智能系统，希望能解决大量的问题，即所谓的通用问题求解器。 7 0 年代初期，研究表明，虽然计算机在博弈时能够与人匹敌，但计算机如果不是比 人计算得快百万倍的话，人将比计算机更好，人类专家下棋并不是依赖于推理，而是依 赖于多年所积蓄的经验。计算机一般通过推理来预测1 0 2 0 步后的情形，而人类识别棋 盘上下棋模式的能力非常强，一般通过分析模式来发现潜在的威胁。虽然推理方法很重 要，但专家并不是首先依赖它来求解问题，事实上，推理只是起到辅助的作用。专家主 要依赖他们多年积蓄的大量启发式知识和经验，只有当专家不能用他们的专家知识去解 决问题时，他们才去推理【1 7 】。在一个不熟悉的领域，人类专家的推理能力和普通人无异。 由此可知，如果计算机能够存储足够的关于某一领域的专门知识，并能有效地利用 它们去解决问题，那么计算机也应该能很好地解决该领域的复杂问题。这就是专家系统 的基本思想。 f e i g e n b a u m 曾精辟地指出：“专家系统的性能水平主要是它所拥有的知识数量和质 长安大学硕士学位论文 量的函数。【1 6 】 一个专家系统知识越多，质量越高，它解决问题的能力也就越强。因此， 专家系统实际上是通过在系统中存储大量与应用领域有关的知识来取得问题求解能力。 2 2 专家系统的一般结构 专家系统的结构是指专家系统各组成部分的组成形式。系统结构选择得恰当与否， 与专家系统的适应性和有效性密切相关，选择什么结构最为恰当，要根据系统的应用环 境和所执行的任务特点而定。 传统意义上的专家系统主体部分包括知识库和推理机两大部分。事实上，一个完整 的专家系统是由知识库、推理机、知识获取、解释机构四个基本部分组成的，各部分之 间的关系如图2 1 所示。 图2 1 专家系统的组成 知识获取：知识的获取过程可以看作是把专业知识从知识源到知识库的转移过程。 这一过程通常是由知识工程师协助专家把某一特定领域的专业知识描述出来，再把它表 示成计算机可以接受的形式，从而形成知识库。 知识库：知识库包括两部分内容。一部分是已知的与当前问题有关的数据信息；另 一部分是进行推理时要用到的一般知识和领域知识。知识库是用来存放领域专门知识的 地方，是构成专家系统的基础，也是推理机的工作对象。建立知识库最重要的问题是确 定合理的知识表达方法。常用的知识表达方法有： ( 1 ) 一阶谓词逻辑表示法 ( 2 ) 产生式规则表示法 9 第二章专家系统的基本原理 ( 3 ) 框架表示法 ( 4 ) 语义网络表示法 ( 5 ) 脚本表示法 ( 6 ) 过程表示法 ( 7 ) p e t r i 网表示法 ( 8 ) 面向对象表示法 推理机：推理机是专家系统运用知识库中领域知识的核心，其的作用是对所提出的 问题，最佳地利用到知识库内容进行求解。其中，包括推理方法和控制策略。推理方法 包括精确推理和不精确推理，专家系统主要使用不精确，即根据不充分的证据推出结论。 推理方向又分为以事实驱动的正向推理( f o r w a r dc h a i n i n g ) 、以目标驱动的反向推理 ( b a c k w a r dc h a i n i n g ) 和正反向混合推理( f o r w a r da n db a c k w a r dc h a i n i n g ) 。控制策 略是指推理方法及规则的选择，推理规则的选择策略一般根据解空间的大小来选择。 解释机构：解释机构是用户与系统进行交流的界面。专家系统与传统应用程序的区 别之一就是它可对用户提出的问题做出回答，并以人们习惯的方式进行信息交流。 2 3 专家系统的基本特征 专家系统的设计具有以下一些特点： 1 具有专家水平的专门知识 一个专家系统为了能够像人类专家那样地工作，就必须具有专家级的知识，知识越 丰富，质量越高，解决问题的能力就越强。 任何一个专家系统都是面向一个具体领域的，求解的问题仅仅局限于一个较窄的范 围内。因此，专家系统的知识都具有专门性，它可能很精，但只局限于所面向的领域， 针对性强。事实上，人类专家也都只是某一方面的专家，在某一方面有独到之处，否则 他就不成其为“专家 了。另外，正是由于专家系统是面向具体领域的，才使得它能抓 住领域内问题的共性与本质，使系统有较高的可信性与效率。 2 省邑进行有效的推理 任何一个专家系统的根本任务是求解领域内的现实问题。问题的求解过程是一个思 维过程，即推理过程。这就要求专家系统必须具有相应的推理机构，能根据用户提供的 已知事实，通过运用掌握的知识，进行有效的推理，以实现对问题的求解。 3 具有获取知识的能力 1 0 长安大学硕士学位论文 专家系统的基础是知识，为了得到知识就必须具有获取知识的能力。遗憾的是目前 专家系统在这方面的能力还比较弱。一些高级专家系统目前正在建立一些自动获取工 具，使得系统自身具有学习能力，能从系统运行的实践中不断总结出新的知识，使知识 库中的知识越来越丰富、完善。 4 具有灵活性 在大多数专家系统中，其体系结构都采用了知识库和推理机相分离的构造原则，彼 此既有联系，又相互独立。 5 具有透明性 专家系统具有较好的透明性，是因为它具有解释功能。专家系统一般都设置了解释 机构，用于向用户解释它的行为动机及得出某些答案的推理过程。这就可使用户能比较 清楚地了解系统处理问题的过程及使用的知识和方法，从而提高用户对系统的信任度， 增加系统的透明度。 6 具有交互性 专家系统一般都是交互式系统。一方面它需要与领域专家或知识工程师进行对话以 获取知识，另一方面它也需要通过与用户对话以索取求解问题时所需的已知事实以及回 答用户的询问。 7 具有实用性 专家系统是根据领域问题的实际需求开发的，这一特点就决定了它具有坚实的应用 背景。事实证明，专家系统已经被用于多种领域，取得了巨大的经济效益及社会效益， 并且正在更广泛的应用于更多的领域中。 8 具有一定的复杂性及难度 专家系统拥有知识，并能运用知识进行推理，以模拟人类求解问题的思维过程。但 是，人类的知识是丰富多样的，人们的思维方式也是多种多样的，一次要真正实现对人 类思维的模拟还是一件十分困难的工作，有赖于其他多种学科的共同发展。在建造一个 专家系统时，会遇到多种需要解决的困难问题，如不确定性知识的表示、不确定性的传 递算法、匹配算法等等。 2 4 专家系统的开发 2 4 1 本专家系统开发的语言及工具的选择 为了给用户提供的使用方便的专家系统，在开发环境的选择上，选择了当前比较流 第二章专家系统的基本原理 行的w i n d o w s 系统。同时由于9 8 版的w i n d o w s 系统已经趋向淘汰，所以在开发的过程中， 系统主要面向w i n d o w s2 0 0 0 和w i n d o w sx p 的用户。当然，该系统在w i n d o w s9 5 、 w i n d o w s9 8 、w i n d o w sm e 上也能够运行，只不过系统的安装和设置显得复杂一些，系 统的运行效果要差一些。 在语言方面，采用了c + + b u i l d e r 作为开发平台，它不仅具有全部d e l p h i 的易用性和 直观性，而且具有全部c + + 开发工具的简洁高效的特点，强有力地支持整个系统的开发。 因为这种开发系统同时具有面向对象特征和支持v c l 控件库。 在后台数据库选取上，为了让开发的专家系统能够支持网络应用，采用了当前广泛 应用的开放源码的数据库m y s q l ，这种系统具有很高的稳定性和很高的运行效率。完全 能够满足专家系统开发的要求，实现了用户对专家技术知识库和公路软土处理知识库能 共享和同步。并能方便地对整个系统实现用户管理，使系统更加稳定、方便、安全。 同时为了使专家系统能从电子表格数据库中存取数据，采用了微软公司提供的 a c t i v e x 技术，实现了与电子表格e x c e l 无缝集成。可以方便地用e x c e l 格式保存公路软土 处理知识。 为了使整个系统与后台数据库的衔接更加稳定高效，选择了微软公司提供的a d o 技术，在专家系统与后台数据库之间，建立一个高效稳定的链接，让整个系统实现高效 集成。 1 w i n d o w s2 0 0 0 x p 技术 与w i n d o w s3 x 和w i n d o w s9 x m e 不同，w i n d o w s2 0 0 0 和w i n d o w sx p 提供的是全新 的纯3 2 位操作系统。同时，w i n d o w s2 0 0 0 是m i c r o s o f t 所提供的首个同时支持p i l p 技术和 n r f s 及f a t 3 2 文件系统的操作系统。 w i n d o w s2 0 0 0 的综合特性使其成为当前企业中台式机和笔记本电脑上的主流操作 系统。w i n d o w s2 0 0 0 继承了w i n d o w s9 8 最优秀的商业特色：如即插即用、易于使用的用 户界面和电源管理；而且还汇集了基于w i n d o w sn t 的技术：标准的安全性、可管理性 和可靠性等强大功能；文件保护，保护核心系统文件不会被应用程序的安装所改写，在 文件被改写事件中，w i n d o w s 文件保护功能将用正确的版本代替该文件。使用w i n d o w s 2 0 0 0 的这种保护系统文件的方法，许多w i n d o w s 早期版本中存在的共有系统故障被减少 了。全3 2 位的操作系统，最大可能的降低应用程序失败的机会和未被预料的重新启动计 算机的次数。 w i n d o w sx p 在w i n d o w s2 0 0 0 的基础上，加入了更加华丽、直观的用户界面，使得 1 2 长安大学硕士学位论文 此操作系统更易于被用户接受。使用w i n d o w sx p 不仅可以得到美观的界面，而且可以 得到真正3 2 位的，真正的多任务的、全新的操作系统。它几乎具有w i n d o w s2 0 0 0 所有功 能，同时具有以往w i n d o w s 系统所不具备的直观华丽的用户界面。 2 c + + b u i l d e r c + + b u i l d e r 是一个面向对象的可视化编程平台，应用于3 2 位的视窗应用程序的快速 开发。用c + + b u i l d e r 编程，可以实现以最小的代码开销编写出高效的w i n d o w s 应用程序。 集成开发环境提供了所有所需要的用于设计、开发、测试、调试和发布应用程序的 所有工具。集成开发环境包括了可视化窗体设计器，对象观察器、组件面板、工程管理 器、源代码编辑器、调试程序以及安装工具等等。 c + + b u i l d e r 可以用来设计任何类型的3 2 位视窗应用程序：从一般的工具应用程序到 复杂的数据存取程序和分布式应用程序。数据库工具和数据感知组件让程序开发人员快 速开发出功能强大的桌面数据库和客户服务器应用程序。 可视化组件库( v c l ) 基于属性、方法、事件模型定义了数据成员( 属性) 、操作 数据的函数( 方法) 、用户使用类的途径( 事件) 。可视化组件是对象的分层结构，它 是用o b j e c t p a s c a l 编写的，可以在c + + b u i l d e r 集成开发环境中使用，依靠它可以实现快速 应用的程序的开发。 3 m y s q l 技术 m y s q l 是最为普及的开发源码数据库服务器软件，是m y s q la b 公司开发并发布 的，并由它提供技术支持。目前已经成为世界上应用最广泛的开发源码数据库服务器， 应用于网上后台数据库、数据存储、电子商务系统、日志系统等等。 m y s q l 是一个数据库管理系统，它可以包含任何东西，从简单的商店清单到图片甚 至大量的公司网络，能把数据存储在单独的表中，提升了数据库的管理速度并且增加了 应用的灵活性，使通过结构化查询语言关联数据成为可能。 m y s q l 是一种非常高速、可靠、易于使用的数据库服务器。起初设计来处理大量的 数据，比所有现存在的解决方案速度都快。在要求很高生产力的环境下得到了多年的成 功应用，m y s q l 的连通性、速度和安全性使它适合于网络应用和大量的数据处理。 4 a c t i v ex 技术 “a c t i v ex ”是微软为分布式计算制定的一套标准，它的前身就是大家所熟知的 “o l ea u t o m a t i o n 。当分布式应用通过网络通信时，a c t i v e x 可以使用两种不同的机 制对客户请求作出响应。一种称为“分布组件对象( d c o m ) ，它只可以在w i n d o w s 1 3 第二章专家系统的基本原理 n t 和w i n d o w s9 5 上使用；另一种是“远程自动化( r e m o t ea u t o m a t i o n ) ，它可以在 1 6 位环境下构造分布式应用。这两种分布式机制都具有着与组件物理位置无关的特点。 也就是说，当构造一个a c t i v ex 组件时，无需知道它将分布在哪台机器上。同样的组件， 既可以将它放在本机，也可以将它分布在其它机器上而不需要重新编译。这样，根据网 络的性能和网络结构的变化，可以方便地调整组件的分布策略。a c t i v e x 具有以下优点： ( 1 ) 构造远程组件和构造本地组件的编程方法一模一样，无须特殊的编程经验。 ( 2 ) 可以用a c t i v ex 组件在服务器实现复杂的商业规则，比用d b m s ( 女i i s q ls e r v e r ) 具有更好的编程、维护和排错手段。 ( 3 ) 大量的商业组件可以使用，而且这样的组件会越来越多。只需要将特殊的商业 规则开发成组件，通用的组件则可买来配合使用。 5 a d o 技术 a d o 是应用层的编程接口，它通过o l ed b 提供的c o m 接口访问数据，它适用于各 种客户机j l 臣, 务器应用系统和基于w e b 的应用，尤其在一些脚本语言中访问数据库操作是 a d o 的主要优势。a d o 是一套用自动化建立起来的对象层次结构，它比其他的一些对 象模型如d a o ( d a t aa c c e s so b j e c t ) 、r d o ( r e m o t ed a t ao b j c c 0 等具有更好的灵活性， 使用更为方便，并且访问数据的效率更高【1 8 】。 a d o 对象模型定义了一组可编程的自动化对象，可用于c + + b u i l d e r 及其他各种支持 自动化特性的语言。a d o 的一个特