（计算机应用技术专业论文）城市地下水开发管理专家决策系统的研究.pdf

中文摘要 城市地下水资源的合理开发和科学管理，对城市发展和经济建设具有特殊 重要的意义。 论文针对当前城市地下水开发管理中存在的实际问题，如模型可操作性差、 信息利用水平、决策效率低的问题，提出将现代决策技术、计算机技术、信息 技术、人工智能用于城市地下水的开发利用与管理。为此，论文以我国北方沿 海城市大连市为例，将管理信息系统、模型技术、专家系统和决策支持系统综 合运用到地下水的开发与管理，形成一个集信息管理、模型计算、专家决策于 一体的智能决策支持系统。系统以计算机为运行平台，分为地下水管理信息系 统、模型系统、打井管理和地下水开采管理专家决策系统既互相独立又互有内 在联系的四大部分。 应用表明，系统不但可以实现地下水基本数据的高质量、高效率的处理、 加工和管理；进行地下水污染、海水入侵科学评价和数值模拟；还将地下水开 发管理方面的大量知识系统化，提高了城市水主管部门对地下水开发管理决策 的有效性、科学性，实现了城市地下水开发管理的总体优化。 关键词：专家系统，决策支持系统，专家决策系统，城市地下水，信息系统， 模型 a b s t r a c t i th a sas p e c i a li m p o r t a n ts i g n i f i c a n c et ot h ed e v e l o p m e n ta n de c o n o m i e so f a c i t yf o rr e a s o n a b l ed e v e l o p m e n ta n ds c i e n t i f i cm a n a g e m e n to f t h eu r b a ng r o u n d w a t e r r e s o u r c e s t h et h e s i sa i m sa tt h ec u r r e n tu r b a ng r o u n d w a t e rd e v e l o p m e n ta n dm a n a g e m e n t i nt h ee x i s t e n ta n da c t u a lp r o b l e m ，s u c ha sb a dm o d e lm a n e u v e r a b i l i t y ，l o wl e v e lo f i n f o r m a t i o nu t i l i z a t i o na n dl o wd e c i s i o ne f f i c i e n c y ，p u t t i n gf o r w a r dt ou s i n gt h e m o d e md e c i s i o nt e c h n i q u e ，c o m p u t e rt e c h n i q u e , i n f o r m a t i o nt e c h n i q u a la n d a r t i f i c i a li n t e l l i g e n c ei n t ou r b a ng r o u n d w a t e rd e v e l o p m e n ta n dm a n a g e m e n t f o rt h i s ， i ti st a k e nt h en o r t hc o s t a lc i t yd a l i a na sa ne x a m p l e ，t h em a n a g e m e n ti n f o r m a t i o n s y s t e m ，m o d e lt e c h n i q u e ，e x p e r ts y s t e ma n dd e c i s i o ns u p p o r ts y s t e mh a v eb e e nu s e d t od e v e l o pa n dm a n a g eu r b a ng r o u n d w a t e r ，a n da ni n t e l l i g e n c ed e c i s i o ns u p p o r t s y s t e mi ss u g g e s t e dw h i c hg a t h e rt h ei n f o r m a t i o nm a n a g e m e n t ，m o d e lc a l c u l a t i o n ， e x p e r td e c i s i o n 1 1 1 es y s t e mt a k e st h ec o m p u t e ra st h er u n n i n gp l a n e d i v i d e si n t of o u r m a i ni n d e p e n d e n tb u tm u t u a l l yr e l a t e dp a r t ss u c ha st h eg r o u n d w a t e rm a n a g e m e n t i n f o r m a t i o ns y s t e m ，m o d e ls y s t e ma n dw e l ld r i v i n gm a n a g e m e n te x p e r ts y s t e ma n d g r o u n d w a t e re x p l o i t a t i o nm a n a g ee x p e r td e c i s i o ns y s t e m i ts h o w st h a tt h es y s t e mn o to n l yc a nc a r r yo u tt h eh i g hq u a n t i t y ，h i g h - e f f i c i e n c y p r o c e s s i n go f t h eb a s i cd a t ao f g r o u n d w a t e ra n dp r o c e s sa n dm a n a g e ，c a r r yo n s c i e n t i f i ce v a l u a t i o nf o rt h eg r o u n d w a t e rp o l l u t i o na n ds e aw a t e ri n v a d e sa n d n u m e r i c a le m u l a t i o n s , b u ta l s o ，b e c a u s eo f s y s t e m a t i z a t i o no f ag r e a td e a lo f k n o w l e d g ef o rg r o u n d w a t e rd e v e l o p m e n ta n dm a n a g e m e n t ，m i s et h ee f f i c i e n c ya n d s c i e n c eo f d e c i s i o no f g r o u n d w a t e rd e v e l o p m e n ta n dm a n a g ef o rac i t yw a t e r s u p e r v i s o rs e c t i o n ，c a r r yo u tt h eu r b a ng r o u n d w a t e rd e v e l o p m e n ta n dm a n a g e m e n tt o e n t i r e l ye x c e l l e n t k e y w o r d s ：e x p e r ts y s t e m ，d e c i s i o ns u p p o r ts y s t e m ，e x p e r td e c i s i o ns y s t e m ，u r b a n g r o u n d w a t e r , m a n a g e m e n ti n f o r m a t i o ns y s t e m ，m o d e l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得鑫壅盘堂或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论 文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：强淑竿 签字日期： 知。5 年7 月工。日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫盗叁鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨盗盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学 校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 旅淑印 签字日期：弘6 年j 7 月日 导师签名： 砻肌 签字日期：刀髟年罗月矽日 第一章绪论 1 1 问题的提出 第一章绪论 地下水是自然界水循环的一个组成部分，它既有自然特性，又有社会特性。 在没有人为影响的自然条件下，地下水、地表水都处于自然循环的稳定平衡之 中i l j 。人类为了获取地下水资源的任何干预，都应根据自然规律和过程，考虑到 可能引起的不良后果。若对自然规律和过程缺乏认识和了解，那么灾害化现象 就会相伴而生。若地下水资源利用不当，只顾暂时受益，就会产生环境恶化现 象。因此，在地下水资源开发利用过程中，不仅要注意研究其自然特性，还要 及时解决以地下水资源为媒介的人与人之间关系，进而达到经济效益、环境效 益、社会效益相统一。 2 0 世纪6 0 年代，由于电子计算机技术的辉煌成就，使得控制论进入了一个 新的发展阶段，控制论含有把各门学科分支统一起来的方法论，所以深刻地影 响着其它学科的发展。在水资源领域中开始用系统的观点研究大气降水、地表 水、地下水的互相转换关系，利用水量均衡的原理、动态分析方法、数学模型 手段、管理模型技术进行水资源评价和提出合理开发方案，特别是由于全球性 水资源的紧张状况，更加促进这方面研究的迅速开展，并取得了令人瞩目的成 就。国内外已经建立了相当数量的水资源管理模型。然而，目前管理模型研究 与应用之间仍然存在一个相当大的距离。现有的水资源管理模型i ：+ - 5 1 ，由于信息 的获取、分类、存储和加工缺少一个高效率的信息系统支持，不仅数据( 信息) 输入是一次性的，数据更新功能很差，而且信息综合利用程度不够，造成信息 资源的极大浪费，从而必然影响决策结果的可靠性。另一方面，在水资源定量 化管理研究中，越来越深刻的认识到，许多属定性判断信息不能完全归纳为数 值计算，而依靠人的经验、直觉知识等非数字化概念模式的判别与识别仍然是 不可缺少的。 2 0 世纪8 0 年代初，人们开始应用管理信息系统( m a n a g e m e n ti n f o r m a t i o n s y s t e m ，简写为m i s ) 对城巾地下水资源进行科学管理，实现了对大量原始资料 和数据进行查询、统计、汇总、报表及图形表达等功能，其准确性、高效性和 规范性，是以往手工劳动无法比拟的，使得传统方法无法解决的技术难题迎刃 而解1 6 j 。但是，由于m i s 中的数据库只存储离散的数据和受数据库结构制约的数 第一章绪论 据集合，系统本身无法揭示数据集合的深层含义和内在联系，更无法由存储的 事实中推出逻辑性结论或作出启发性的判断，存储数据的价值没有得到充分发 挥，对处理半( 非) 结构化的地下水资源管理决策问题的效果仍然不够显著。 因此，城市水资源管理必须依靠效率更高的决策支持系统。该系统不但能 高质量、高效率地承担数据处理和信息管理工作，而且还能拥有水资源管理方 面的大量知识，能够像领域专家那样，对求解问题的演绎推理进行策略调整、 解释和证明，特别是在不完全的、不确定的信息基础上模仿领域专家的思维过 程进行推理判断，这就是城市地下水资源管理专家决策系统所要解决的问题， 也是论文研究的目标。 1 2 决策支持系统在水资源领域中的应用研究 从方法论的角度上讲，处理水资源问题所采用的方法经历了一个从常规方 法到系统分析方法转变的过程，并向着和人工智能技术、决策支持系统技术相 结合的方向发展f 7 - 2 2 】。2 0 世纪5 0 年代以前，人们普遍采用常规的方法进行水资 源管理决策，但常规方法考虑问题不全面、不深入。几十年来，人们应用系统 分析方法( 系统化、模型化、最优化) 对水资源问题进行了广泛而深入的理论 研究和工程实践，取得了丰硕的理论成果和实践效益。但随着研究问题的不断 深入，人们逐渐发现系统分析方法对处理半( 非) 结构化问题并非十分有效。2 0 世纪6 0 年代未、7 0 年代初，专家系统和决策支持系统的诞生与应用引起了计算 机、管理等各方面专家以及各级决策人员的普遍关注，并将其广泛地应用到各 个领域，也为水资源管理决策提供了新的方法和工具，水资源专家决策系统就 是在这样的背景下产生的。 应用决策支持系统来解决水资源管理决策问题，形成了水资源决策支持系 统( w a t e rr e s o u r c e sd e c i s i o ns u p p o r ts y s t e m ，简称w r d s s ) ，在国外始于2 0 世 纪7 0 年代中期，而水资源专家决策系统的研究则史晚。1 9 7 6 年，h o o l s a p p l ecw 和w h i n s t o nab 开发第一个用于流域管理决策支持系统时，当时并没有引起水 资源专家的足够重视。由于水资源问题的复杂性，以及决策者对d s s 和e s 技 术的认识和微型计算机的普遍使用，到2 0 世纪8 0 年代中期，人们对w r d s s 的态度发生了很大的转变，w r d s s 的研制、开发和应用工作也广泛开展起来， 而且很多w r d s s 具有良好的实用性能。如1 9 8 6 年p a l m e rrn 和h o l m e skj 开发的“供水工程早期调度d s s ”( 美国) 用于供水调度；1 9 8 9 年由a r m o l du 和 q r l o b g t ( 美国) 开发了 n e w p o r t 河口水质管理d s s ”；s i m o n o v i cs p 和s a v i c 第一章绪论 da ( 加拿大) 开发“水库分析管理d s s ”用来水库规模确定中、长期优化调度和 实时分析；“t j e o 海湾水质管理d s s ”由c a r n a r a a s 和c a r d o s o d s ( 葡萄牙) 于 1 9 9 0 年开发的用于点源、面源污染计算污水处理系统优化。美国学者p a l m e r 等 开发的基于知识的决策支持系统( k b - - d s s ) 用于早期供水工程的辅助决策，该系 统包括有专家系统、线性规划模型、数据库管理系统和图形管理软件，与其它 d s s 相比，它能利用专家的经验和知识支持决策，形成一个专家知识库。 上述开发的d s s 或多或少地运用了一些人工智能技术，尤其是后期的开发 工作大多将d s s 技术与专家系统技术在不同程度上结合起来，但将专家知识和 经验只用于询问功能的d s s 其意义不大。 国内w r d s s 的研究、开发起步较晚，主要进行了区域水资源规划和水库方 面d s s 的研究，例如天津大学李惕生研究过水库电站群长( 短) 期优化调度决 策支持系统，清华大学翁文斌等人对京津唐水资源决策支持系统进行过研究。 综上所述，模型技术和数据库技术的应用在国内外都比较成熟，w r d s s 国 外起步较早，而人工智能技术与d s s 的有机结合的应用尚在探索中。 1 3 研究的技术路线 ，系统的开发是以系统工程和信息理论为指导，遵循系统化一模型化一最优 化的研究方法，从实际城市入手，然后总结概括一般城市都可通用的地下水开 发管理的专家决策系统。具体的技术路线为： ( 1 ) 总结国内外开展城市地下水开发管理工作的研究经验，并吸取国内外其 他学者的研究成果，按时间空间尺度将城市地下水开发管理的物理模型( 地质 模型或概念模型) 类型确定下来，在此基础上研究地下水信息、地下水开发管 理的工作流程，确定知识模型； ( 2 ) 选择具有典型( 物理模型) 城市一大连市，进行具体城市地下水开发管 理信息系统的研究工作，为地下水开发管理专家决策系统提供功能强大的数据 支持； ( 3 ) 在完成水资源管理信息系统的基础上，扩展数据库管理系统的功能，充 实方法库、模型库的内容； ( 4 ) 采用多种途径、多种方法进行知识获取，为城市地下水开发管理专家决 策系统建造知识库； ( 5 ) 根据领域知识的特点，结合知识的结构和知识的表达形式，选择合理的 推理机制，设计系统的推理机。 第一章绪论 为此，论文依照研究的目标和技术路线，在前人己建立的地下水信息系统 和地下水开发管理的知识模型的基础上，主要开展了以下工作： 1 ) 进行地下水数据流的分析，弄清了地下水信息及其表达的方式： 2 ) 在已有知识模型的基础上，进行了知识库的设计与开发； 3 ) 将地下水评价模型、数值模型充实到系统中来，丰富了决策系统的模型 库： 4 ) 建立了大连市城市地下水开发管理专家决策系统。 第二章u g w e d s 的理论基础 第二章u g w e d s 的理论基础 所谓城市地下水开发管理专家决策系统( e x p e r td e c i s i o ns y s t e m f o r d e v e l o p m e n ta n dm a n a g e m e n to fu r b 锄g r o u d w a t e r ，简称u g w e d s ) ，是决策支 持系统与专家系统的有机结合，是在计算机的支持下，以所采集的水资源系统 基本数据和信息为基础，应用专家系统技术、决策科学、运筹学、水资源管理 科学等学科的有关理论和方法，为水资源管理决策部门提供决策信息，并允许 水资源决策者直接干预和接受他们的经验、直观判断或偏好的动态交互计算机 系统。 u g w e d s 研究目的在于：在该系统的支持下，实现城市水资源管理和决策 的现代化、科学化，为城市水资源的业务管理部门提供容易掌握、运作方便的 技术工具，从而使城市地下水的开发利用达到总体优化水平，以达到城市地下 水环境的整体优化。 2 1 决策支持系统 2 1 1d s s 定义 决策支持系统( d e c i s i o ns u p p o r ts y s t e m ，简称d s s ) ，是2 0 世纪7 0 年代初 由美国mss c o t tm o r t o n 在管理决策系统一文中首先提出的。d s s 是一个为 管理者做出正确决策提供帮助的人机交互式的信息系统。它是以信息技术为手 段，应用决策科学及有关学科的理论和方法，把众多的模型有效地组织和存储 起来，使模型库和数据库有机结合，主要针对半结构化或非结构化的信息，由 计算机自动组织和协调多模型运行，并对数据库、模型库中数据进行存取、处 理和分析，从而达到更高层次的辅助决策能力1 2 3 1 。 一、决策问题 所谓决策，是在人们为了达到一定的目标，而决定行动的方案并付诸实旋 的过程。决策的基本要素是决策者和决策对象，两者构成一个矛盾对立的统一 杠一决策系统。信息是决策的必要条件，也是决策的基本要素。现代决策的 对象十分复杂，因此，科学决策应包含二个方面：( 1 ) 严格实行科学决策程序； ( 2 ) 依靠专家运用科学的决策技术；( 3 ) 决策者用科学的思维方法作出决断1 2 4 1 。 第二章u g w e d s 的理论基础 西蒙( h e r b e r t a s i m o n ) 教授把决策问题分成程序化决策和非程序化决策，或 结构化决策和非结构化决策。结构化问题是常规的和完全可重复的，每一个问 题只有一个求解方法，一般认为结构化问题是可以用程序实现的；而非结构化 问题不具备已知求解方法或存在若干解法却无一致答案，故难以编程完成。通 常认为，m 1 s 主要解决结构化的决策问题，而决策支持系统则以解决半结构化和 非结构化问题为目的【2 5 】。 把决策问题按结构化程度分类，可分为三类： ( 1 ) 结构化决策这类问题相对简单直接，其决策过程和决策方法有固定的 规律可循，能用明确的语言和模型加以描述，并可依据一定的通用模型和决策 规则实现其决策过程的基本自动化。早期的m i s 系统多能解决这类问题。 ( 2 ) 非结构化决策这一类问题指那些决策过程复杂，其决策过程和决策方 法没有固定规律可以遵循，没有固定的决策规则和通用模型可依，决策者的主 观行为对各阶段的决策效果有相当影响的问题。 ( 3 ) 半结构化决策这类问题介于上述二者之间，其决策过程和决策方法有 一定规律但又不能十分确定。这类问题能建立模型，但难以确定最佳方案。 二、d s s 定义及特点 不同的学者给决策支持系统下了不同的定义。rhs p r a g u e 和edc a r l s o n 认 为：d d s 具有交互式计算机系统的特征，帮助决策者利用数据和模型之解决半 结构化问题。pgwk e e n 提出：d s s 是“决策”、“支持”、“系统”三者的汇集体， 通过利用不断发展的计算机建立系统的技术，逐渐扩展支持能力，达到更好的 辅助决策。ssm i t t r a 则认为：d s s 是从数据库中找出必要的数据，并利用数学 模型的功能，为用户产生所需要的信息。g o r r y 和s c o t tm o r o n 认为：d s s 是一 个在非结构或半结构的环境下帮助和支持管理决策者作出决策的系统。 从各位学者对d s s 的定义可知，d s s 具有以下几个方面特征： ( 1 ) d s s 辅助管理人员完成半结构化和非结构化的决策问题，而这些问题确 实很少得到管理信息系统的支持，d s s 可以解决一部分分析工作的系统化问题， 但这一过程的控制还要依靠决策者的洞察力和判断力。 ( 2 ) d s s 是辅助和支持管理人员，而不是代替他们进行判断。 ( 3 ) d s s 是通过它的人机交互接口为决策者提供辅助功能的，该人机接口注 重用户的学习、创造和审核，即让决策者在自己的实际经验和洞察力的基础上， 主动利用各种支持功能，在人机交互过程中反复地学习和探索，最后根据自己 的判断选择一个合适的方案。 ( 4 ) d s s 的目标是辅助人的决策过程，以改进制定决策的效能，它不可能取 代管理信息系统。 第二章u g w e d s 的理论基础 2 1 2d s s 结构 目前广泛采用的d s s ，一般由人机交互系统、数据库管理系统和模型库管理 系统三个基本部件构成1 2 5 捌。随着应用范围和功能的不断扩大，系统结构中又引 入了知识库管理系统和方法库管理系统，它针对的信息主体是基于知识、方法( 或 规则) 的管理，如图2 l 所示。 0oo8 圆圆困圆 自由自由 图2 - 1d s s 结构 在d s s 中，人机交互系统、数据管理、模型管理、知识管理、方法管理等构 成了一个有机的整体。人机交互系统确立了系统与用户之间既有输入又有输出 的交互框架结构。数据管理反映了d s s 的基本特点，即所有决策层次都基于数据 集的存取，其功能包括：数据库管理系统( d b m s ) 、数据库、数据字典、查询和 结果显示等。模型管理主要负责对模型的调用、运行、组织和检查。理想的模 型管理结构如图2 2 所示，包括模型库管理系统( m d m s ) 和模型库、模型执行、 建模命令处理器和数据库接口等f 2 日。知识库管理系统和方法库管理系统，存放 着各种知识、规则、因果关系、决策人员的经验等，以便有效地支持半结构化 和非结构化问题的求解。 一1 图2 - 2 模型管理结构图 第二章u g 盹d s 的理论基础 由上述可见，d s s 的体系结构，不仪包含计算机的硬件和软件，而且包含 所有与d s s 工作有关的事物。它涉及到环境、功能、系统部件、部件的布局和 有关资源等。其中，环境是指辅助决策所使用计算机的软件与硬件，功能则决 定了系统应提供什么样的服务，而系统部件则代表系统的某种功能模块，如上 述的人机界面、数据管理、模型管理、知识管理、方法管理等。 系统开发的软件语言分为数据库系统语言和一般应用程序设计语言，前者 描述和定义数据的各种特征，对数据表中的记录进行数据处理，如d b a s c ， f o x p r o ，a c c e s s ，s q l 等；后者用于对数据进行数值计算，如b a s i c ，c ，c + + ， f o r t r a n ，p a s c a l ，p r o l o g 等。 2 1 3 数据库及其管理系统 数据库系统是由数据库管理系统、数据库、用户和计算机管理系统组成的 具有高度组织的整体。数据库管理系统是管理和维护数据库的软件，数据库是 以一定的组织方式存储在一起的数据集合，它能以最佳方式、最少数据重复( 最 小冗余) 为多种用户( e p 应用程序) 服务，数据的存储方式独立于使用它的应用程 序。对于d s s 中的数据库系统，除了要具备一般数据库管理系统的功能外，还 要考虑到：如何面向决策过程组织和管理数据、如何面向模型( e p 数据匹配) 来使 用数据等。 数据库管理系统具有对信息的添加、修改、删除、预览、打印、查询、统 计等操作功能，接受并回答用户提出访问数据库的各种应用请求。决策支持系 统中的数据库，将面对模型来使用数据，在决策过程中要用到m i s 中的一部分 数据，其数据与模型必须是相匹配的。 2 1 4 模型库及其管理系统 随着管理科学、运筹学和计算机科学的迅速发展，出现了许多有效处理复 杂问题的决策模型，它们是客观事物的抽象和概括。与以往的电子数据处理 ( e l e c t r o n i cd a t a p r o c e s s i n g ，简称e d p ) 和m i s 相比，d s s 的重要进步之一在于 它认识到模型在求解问题巾的作用，并将模型作为一种有用的信息资源加以管 理，以适应求解这些问题的需要。 模型是问题的实体，它是按一定的数学，经济和自然规律及人类经验等组 织起来的有机的信息结构。模型库提供存储的模型，模型库系统是对存储模型 进行模型提取、访问、更新和合成等操作的软件系统”“，模型的类型又可以分为 数据处理模型、程序处理模型、逻辑处理模犁和自定义模型等。 第二章u g 吒d s 的理论基础 一、程序处理模型 程序处理模型是将输入、输出和算法用完整的程序来表示。这种表示方法 使模型难于修改，存储和计算的冗余问题难以解决。 二、数据处理模型 数据处理模型是通过数据的转换来实现的，是完成一定任务的数据处理过 程，或者被看成输入数据集到输出数据集的映射。数据处理模型在运行时处理 的数据量很大，主要处理项目为对数据的选择、计算、排序等。依据一定的管 理规则和自然规律，它在系统中呈现为预先编好的程序块。 三、推理模型 推理模型不仅表示输入输出之间运算关系和数据转换关系，同时还确定了输 入输出之间的逻辑关系。模型体是由根据人类经验归纳出的规则等知识构成， 它在程序中呈现为知识库k b 的知识文件，通常是启动推理机，经过一定的推理 得到结论。 2 2 智能决策支持系统 2 2 1智能决策支持系统基本结构 智能决策支持系统( i d s s ) 足在决策支持系统的基础上集成人工智能的专 家系统( e x p e r ts y s t e r m ，简称e s ) 而成的 2 3 川。d s s 主要是由( 1 ) 问题处理与人 机交互系统( 由语言系统和问题处理系统组成) ；( 2 ) 模型库系统( 由模型库管理系 统和模型库组成) ；( 3 ) 数据库系统( e h 数据库管理系统和数据库组成) 。专家系统 主要由知识库、推理机和知识库管理系统三者组成【2 8 l 。d s s 和e s 相结合即成为 i d s s 。i d s s 的结构如图2 3 所示。 i d s s 充分发挥了e s 以知识推理形式解决定性分析问题的特点，又发挥了 d s s 以模型计算为核心的解决定量分析问题的特点，充分做到定性分析和定量分 析的有机结合，使得解决问题的能力和范围得到一个较人的发展。 i d s s 中d s s 和e s 的结合主要体现在三个方面： ( 1 ) 决策支持系统( d s s ) 和专家系统( e s ) 的总体结合。由集成系统把 d s s 和e s 有机结合起来( h d 将两者一体化) 。 ( 2 ) 知识库( k b ) 和模型库( m b ) 的结合。模型库中的数学模型和数据 处理模型作为知识的一种形式，即过程性知识，加入到知识推理过程中去，或 者将知识库和推理机结合起来，形成知识推理模型加入到模型库中去。 ( 3 ) 数据库( d b ) 和动态数据库的结合。d s s 中的d b 可以看成是相对静 第二章u g w e d s 的理论基础 态的数据库，它为e s 中的动态数据库提供初始数据，e s 推理结束后，动态d b 中 的结果再送回到d s s 中的d b 中去。 2 2 2i d s s 的关键技术 图2 - 3i d s s 的体系结构 ( 1 ) 模型库系统的设计和实现 它包括模型库的组织结构、模型库管理系统的功能、模型库语言等方面的 设计和实现。 ( 2 ) 部件接口 各部件之间的联系是通过接口完成的。部件接口包括：对数据部件的数 据存取；对模型部件的模型调用和运行：对知识部件的知识推理。 ( 3 ) 系统综合集成 根据实际决策问题的要求，通过集成语言完成对各部件的有机综合，形成 一个完整的系统。 2 3 知识获取与表达 i d s s 有机地结合了e s ，推理决策需要知识库的支持。而建造i d s s 时一个关 键的问题之一是知识获取，这也是长期以来最令i d s s 开发者头疼的问题1 2 9 3 0 ! 。知 识获取的好坏，关系到专家系统的工作性能，关系到推理机的推理效率，关系 到i d s s 的成功与否。 第二章u g l e d s 的理论基础 2 3 1 知识获取程序 知识获取是一个不断循环完善的过程。简单地说，知识获取可以概略地划 分成三个阶段，如图2 - 4 所示，即问题概念化、知识形式化、知识完善化。 图2 _ 4 知识获取过程 问题概念化：首先明确问题的特征，然后找出解决问题的思路及其相关的 概念，建立起一个解决问题的过程图。例如，对某一地区能不能开采地下水这 个问题，经全面认真分析，抽取要素，在该例中主要考虑地下水的水量大小、 水质好坏、水位与水质的变化趋势、已有井群的密度以及水质是否满足用户的 要求等因素，再分析这些因素在何种条件下得出何种结论，概念化成“可行”与“不 可行”两个结论，形成问题概念化示意图( 也即知识模型) ，如图2 - 5 所示。 图2 - 5 问题概念化示意图 知识形式化：在问题概念化的基础上， 根据知识结构，将其形成一条一条的知识 题，可以形成这样一条知识： 将各概念或要素之间的关系条理化， 然后形成知识库。例如对于上述问 可行 = 【水量满足】【水质未超标】【水位变化稳定】 【水质变化稳定】【井群密度适宜】【】) 如果用规则形式来表达，则该条知识在知识库中的形式为： 第二章u g w e d s 的理论基础 r u l e ( 编号，“可行”，【“水量满足”，“水质未超标”，“水位变化稳定”，“水 质变化稳定”，“井群密度适宜”，“1 ) 知识完善化：形式化后的知识只是一个雏形，需要不断完善，使知识正确 无误而又较为完备，描述专业化。知识完善化最有效的办法是用实例案例进行 检验。 2 3 2 知识获取方法 知识获取的方法很多，如专家会谈式、直接介入式和书本学习式等。 一、专家会谈式 知识工程师直接与领域专家面对面会谈，从会谈中直接获取知识。由于知 识工程师本身是专家，所以双方配合默契，知识工程师易于诱导专家挖掘潜在 知识，能很好理解、提炼和归纳知识。其过程( 图2 6 ) 大致为： s i ：针对某一问题专家讲述其解决的思维过程； s 2 ：知识工程师对其中间问题进行提问； s 3 ：专家对知识工程师所提出的问题进行解释； s 4 ：知识工程师对问题加以分析总结归纳，在归纳中若存在问题，返回s 2 ； s 5 ：知识工程师对归纳的知识进行形式化表示，将其存在知识库中。 图2 - 6 专家会谈式 二、赢接介入式 直接介入式知识获取方法( 图2 7 ) 是指知识工程师直接深入到专业领域进行 问题分析、总结，归纳，将归纳后的知识经专家修改认可后存放到知识库中。 其流程为： s l ：知识工程师深入领域问题； s 2 ：分析实例问题； s 3 ：形成书面知识； s 4 ：经专家修改补充； s 5 ：存入知识库。 第二章u g w e d s 的理论基础 l 专家l 图2 - 7 直接介入式 三、书本学习式 书本学习式知识获取方式( 图2 8 ) 是知识工程师对已有的基本理论和资料进 行检索，对其分析理解后抽取要素，编辑整理成一条一条的知识存放到知识库 中。其流程为： s i ：资料检索； s 2 ：对资料进行分析理解： s 3 ：抽取要素： s 4 ：编辑整理； s 5 ：存放到知识库中。 2 - 3 3 知识表达f 3 1 1 图2 - 8 书本学习式 知识库及知识库管理系统的功能是对知识进行系统化组织与管理，能够存 储、增加、删除，修改和查询知识，以及对知识进行一致性和完整性校验。知 识的表达是知识获取过程的一个环节，是将归纳提炼后的知识用定的表达方 法，形成知识库存储到计算机中的过程。i d s s 中知识表达的形式要取决于领域 知识的类型和结构，也要考虑所建立的专家系统的规模。常用的知识表达方式 有逻辑模式、产生式( 规则) 、框架式、语义网络等。1 d s s 的知识采用产生式规 则来表示1 3 2 。 产生式是一种基于规则的知识表达方法，是目前众多专家系统中比较常见 的知识表达方法。一条规则的表达形式为： 规则号： 如果条件1 第二章u g e d s 的理论基础 且条件2 且条件n 那么结论 上述产生式规则用t u r b op r o l o g 语言可表示如下： r u l e ( n o ，”c o n c l u s i o n “， c o n d i t i o n i ”，”c o n d i t i o n 2 ”，”c o n d i t i o n n ”】) 这种表达方式意义明确，即当某些条件满足时，则得到或执行某一结论，合乎 人类的思维。 以上规则为确定性规则，它表达确定性知识。如果知识是不确定的，那么 可以用不确定性规则表达方法，具体的办法是给条件和结论赋以一概率。即具 有一定可靠程度的条件，得到的结论也具有一定的可靠程度。其规则的表达形 式如下； 规则号： 如果条件1 ( 概率1 ) 且条件2 ( 概率2 ) 且条件n ( 概率n ) 那么结论 ( 概率) 规则的集合就形成规则库。而在规则库中每一条规则为一个基本的知识单 元，规则之间互相不调用，彼此形式上独立，易于知识库的修改和完善。 2 4 推理方法 推理是运用特定的控制策略，利用已有的知识和事实去求解实际问题的过 程。其实质是知识如何被利用的过程。因此推理机制是专家系统的核心问题， 也是u g w e d s 的核心问题。目前所采用的推理方法主要有正向、反向和混合推 理三种形式。对于p r o l o g 语言来说反向推理易于实现【3 3 一j 。在u g w e d s 中既 有反向推理又有正向推理。 2 4 1 控制策略 深度优先法其基本思想是优先沿纵向进行搜索。从初始节点出发沿一条 分支逐级深入直到遇到终节点或找到目标。若是遇到终节点则退回到前一个还 未被搜索过路径的节点继续进行深入搜索，直到找到目标节点为止。如图2 - 9 所 第二章i j g w e d s 的理论基础 示，搜索路径为一一一一。 宽度优先法其基本思想是优先沿横向( 同层内) 进行搜索，当横向搜索完 毕再扩展到下一层的节点进行下一层的横向搜索，直到找到目标节点为止。如 图2 1 0 所示，搜索路径为一一。 由于t u r b op r o l o 采用深度搜索技术【，因此较容易用它来建造深度搜索的专 家系统。 图2 - 9 深度优先法图2 1 0 宽度优先法 2 4 2 推理机 推理机是专家系统的核心，它模拟人类专家解决问题的思维过程。推理机 在专家系统中主要完成两个任务，即推理和控制。推理过程可简单用i f t h e n 的规则来处理事实，相当于履行规则翻译的功能。控制过程是决定被选择规则 的次序。常见的推理机有正向和反向推理机。 一、反向推理 反向推理，又称目标驱动鲫。其基本思想是：先提出目标或假设，而后通过 检查事实库中的已知事实或向用户获取证据来支持假设。若所有的假设都得不 到事实的支持，则推理失败。其基本算法如下： s l ：根据用户提供的信息提出假设； s 2 ：若假设在事实库中，则假设成立，否则执行s 3 ； s 3 ：若是证据节点，向用户询问； s 4 ：将子目标作为新假设； s 5 ：对新假设重复s 2 、s 3 、s 4 。 二、正向推理 正向推理又称为数据驱动。在正向推理中，用户先提供批事实并放入事 第二章u g l e d s 的理论基础 实库中，推理过程中将这些事实与规则的前提条件进行匹配，把匹配成功的规 则的结论作为新事实加入事实库，并继续上述过程，将更新的事实库中的所有 事实再与规则相匹配，直到没有可匹配的规则为止。其基本算法如下： s l ：把所有事实加入事实库中； s 2 ：若规则集为空集，则结束；否则取出规则与事实库中的事实相匹配； s 3 ：匹配失败转向s 2 ；否则执行规则并把结论加入到事实库中，继续s 2 。 三、混合推理 混合推理是指联合使用正向推理与反向推理，其具体方式为：正向推理根 据工作存贮区中的原始数据提出假设，然后用反向推理来证明这些假设的真假 性，这种推理策略主要是在初始数据准备不充分的情况下使用。 第三章u g w e d s 的知识原型与决策模型 第三章u g w e d s 的知识原型与决策模型 3 1 地下水开发管理 自2 0 世纪6 0 年代以来，国内外水文地质学家开始用系统的观点研究地下 水问题，并提出“地下水系统”的理论瞰】。通过对地下水系统的分析研究，并借 助于系统工程的方法，对地下水资源进行评价、开发和管理。 地下水是在自然或人为活动下大气降水及各种地表水渗入地下，在地下含 水层中生成、发展、演变、排泄，是依附于地下水含水层并与地质环境密切相 关的水体。地下水具有可恢复性、调蓄性和转化性等特征。地下水在开采、消 耗过程中自身不断地获得补充和恢复，而补给的数量和恢复的速度又取决于地 下水的储存环境。地下水在整个地质历史中，其水量、水质均随时空而变化， 特别是近代大规模的人类开采活动下对地下水所造成的各种影响使地下水的运 动更趋复杂。 3 1 1 地下水开发管理系统 地下水开发管理系统是一个由地下水资源综合评价、开发利用规划、调度 分配、取水实施及监督管理和保护等组成的复杂体系p l 。它是社会、政府对地下 水资源管理的职能的系统体现，涉及到自然、人、社会、政治、经济、技术等 多方面、多层次的因素，集技术性、社会性、政策性为一体，内涵丰富，是一 项复杂的系统工程。一个完整、科学、高效的地下水资源管理系统应该包括资 源的信息系统支持、政策支持、管理体系支持、动态监控体系支持等子系统1 3 5 1 。 ( 1 ) 地下水的信息支持系统 地下水资源的信息应是对一个区域内地下水的质和量及其存在状态的科学 评价，包括评价所依据的水文地质状况及有关参数，降水、地表径流，地下水 的相瓦转化关系及特性，天然水质状态及人为因素对地下水的影响等信息数据。 对地下水的综合认识基础是所依靠的有效数据信息，这是对地下水进行科学规 划的依据，是地下水资源管理的基础。在这个系统运行过程中，应积极推行计 算机等现代化技术的应用，以确保信息的科学化、规范化、效率化。 ( 2 ) 政策支持系统 地下水资源管理是水资源管理的一个重要组成部分，资源的合理开发及有 】7 第三章u g w e d s 的知识原型与决策模型 效控制必须依靠强有力的政策支持，包括行政的及法律的手段措施，是地下水 资源有序管理的保障p 6 1 。该系统应该规定地下水的调查评价管理、取水许可管 理，经济管理等主要政策措施。 ( 3 ) 管理体系支持系统 管理体系是地下水资源管理的先决条件和基础。管理系统的主要内容，必 须有科学、可靠的组织技术管理体系以及有效的工作运行规范，该体系是实 施地下水资源有效管理的组织保证和技术保证，主要功能是对政策制度的落实 与运转进行行政组织管理。 ( 4 ) 动态监控系统 地下水的动态监控，包括地下水的水质状态及变化、地下水水位动态规律， 以及地下水环境地质变化等。地下水动态监控的过程，必须采用规范的工程措 施及科学的监测设施。 3 1 2 地下水开发管理中的决策 随着人类经济活动范围的日益扩大，地表水资源污染日益严重，因而地下 水的开发规模不断增大。由于地下水的大量开采，在不少地区出现地下水位不 断下降，含水层被疏干，水井出水量减少甚至废弃，地面沉降，海水入侵，水 质恶化等一系列环境水文地质问题，给国民经济建设和人民生活带来严重的危 害。要做到充分、有效和持续地利用地下水资源，把由于开采地下水资源酿成 的危害控制到最小程度，就必须对地下水资源进行科学的管理，保持生态环境 的平衡。 地下水资源系统管理是指在一个地下水系统内、采取各种有效措施，从时 间和空间上合理调控地下水资源，选择最佳的开采方案，使这个系统内的地下 水资源能够持续、稳定地开采，且获得最大的经济效益【4 。】。 ( 1 ) 地下水资源系统管理目标的确定 地下水资源系统管理目标是在现有的自然和工程技术条件下。为了国民经 济的持续发展，使得系统内地下水资源达到可持续开发和利用。 ( 2