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1、华中科技大学 硕士学位论文 膜污染与清洗诊断和咨询专家系统的应用研究 姓名：陈斯 申请学位级别：硕士 专业：环境工程 指导教师：濮文虹 20061105 I 摘摘 要要 由于水处理技术涉及知识面广，既有定性分析，还有定量计算，因此，为了满 足临时多变的工程要求，开发一套具有水处理基本知识、通晓所有水处理技术又能 单独深入处理专门问题的水处理专家系统是十分必要的。 本文针对目前水处理专家系统的现状，系统地分析了专家系统的结构、组成及 开发过程。在总结我国水处理技术的基础上，针对现有水处理专家系统的不足，重 新规定了知识库所包括的水处理知识内容，提出了新的获取这些知识的途径和方法； 并应用产生式规
2、则建立了水处理知识库。本文详细介绍了构建知识库和实现推理机 的主要数据结构和设计思想，同时，根据水处理要素不确定性的特点，将模糊数学 引入水处理专家系统中，比较模糊规则和确定性规则两种形式，总结研究出一种适 合水处理领域的模糊匹配和模糊推理方法。 应用 V 和数据库设计语言开发了一套膜清洗诊断和水处理咨询专家系统。 检测过程中，通过众多隶属函数值与阈值的比较可以得出与实际情况最相关的隶属 值，具体实例对该系统的测试表明该系统运行结果准确。 最后，在研究中发现知识录取的准确程度直接影响推理结果的精确性，并且考 虑到专家系统的生存性，今后必须提高推理机制的算法和增加知识库的容量。 关键词：关键词：
3、水处理技术 专家系统 模糊数学 膜污染与清洗 II Abstract The water treatment technology possesses a broad knowledge, including both qualitative analysis and quantitative calculation. To satisfy different requirements of project and dealing with a problem specially, developing an expert system with basic but skilled knowl
4、edge of water treatment technology is necessary. In this work, we analyzed the structure and composition of an expert system as well as the development process, aiming at the actuality of the water treatment expert system. Based on the summarization of water treatment technology and the shortage of
5、the present water treatment expert system, new water treatment knowledge content was re-stipulated and a new method to acquire the knowledge was proposed in this thesis. Furthermore, the production rules were employed to develop the water treatment knowledge base. The main data structure and the des
6、ign ideas used to build the knowledge base and perform the implement of the inference process were introduced in detail. According to the uncertain characteristic of the water treatment factors, fuzzy rules and definite rules were compared with the method of fuzzy mathematics in the water treatment
7、expert system. A fuzzy matching strategy and fuzzy reasoning method that could be employed in the field of water treatment were summarized. V and database design language were employed to develop the water treatment expert system, including membrane fouling diagnosis and consultation. The most corre
8、lated membership value could be obtained by comparing the membership functions value and the threshold value in the monitoring process. The accuracy of the system operation was proved by the specific tests. At last, the knowledge enrollment was found to have a direct impacted on the accuracy of the
9、conclusion results. Thus, taking into account the survival of the expert system, the algorithm of the reasoning mechanism must be improved and the capacity of the knowledge base should be increased in the future. Keyword: water treatment technology expert system fuzzy math membrane fouling and clean
10、ing 独创性声明独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师的指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除文中已标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入
11、有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密，在_年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密 （ 请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 1 1 绪绪 论论 1.1 专家系统（专家系统（ES）概念）概念 专家系统是一种基于特定领域内大量知识与经验的智能程序系统， 应用人工智能 技术模拟人类专家求解问题的思维过程解决领域内的各种问题，是人工智能的一个 重要分支。专家系统知识库中存储的知识是一些能够在专家水平上进行问题求解的 专门知识，这就决定了专家系统一般以求解那些需要人类专家才能求解的高难度问
12、 题或称不良结构问题为目的。目前，专家系统已经广泛地应用于医疗诊断、图像处 理、金融决策、实时监控、分子遗传工程、教学、军事等多种领域中，已成为人工 智能中一个最活跃且最有成效地研究领域。 其通过运用知识进行推理，在问题所在的领域内推导出满意的答案，即1： “专 家系统知识推理” ，这区别于常规计算机程序的“程序数据结构算法”的一 般模式2，专家系统和常规程序有着不同的体系结构。 从专家系统的定义可以看出，虽然专家系统在某些方面存在不足，但是，它集 中了人类专家和计算机系统的大量优点。对比于计算机系统，它有人类专家的灵活 性和智能性。对比人类专家，它的优点也有很多：它继承了计算机系统快速、准确
13、 的优点；不受时间地域的限制，可以综合许多个专家的知识；可以专家知识长久的 保留，专家系统也不会因时间关系而消亡（人类专家会因人的去世而消亡） 。此外， 培养一个人类专家需要大量地投入（学习也是一种花费） ，经过十几年甚至几十年地 时间才能成功，而专家系统就不一样了，专家系统可能在开发的时候要大量地人力 和物力，但是，一但开发成功，可以在瞬间完成成百上千的专家系统的复制工作， 就在短时间内造就许许多多的“专家” 。 1.2 专家系统的产生与发展专家系统的产生与发展 专家系统是在关于人工智能的研究处于低潮时提出来的。 由于它的出现及其所显 示出来的巨大潜能，不仅使人工智能摆脱了困境，而且使之走上
14、了一个新的发展时 期。 20 世纪 60 年代中期，化学家勒德贝格(J.Lederberg)提出了一种可以根据输入德 质谱数据列出所有可能德分子结构德算法。在此之后，他与费根鲍姆等人一起探讨 2 了用规则表示知识建立系统，以便在更短时间获得同样结果的可能性，经过近 3 年 的研究，终于在 1968 年建成了这样的系统，这就是著名的 DENDRAL3专家系统。 产生于斯坦福大学的这一系统是专家系统发展史上成功的首例，它的出现标志着人 工智能的一个新的研究领域专家系统诞生了。 在此之后，各种不同功能、不同类型的专家系统相继地建立起来。例如，20 世 纪 60 年代末麻省理工学院(MIT)开始研制专
15、家系统 MACSYMA3，这是一个专为帮 助数学家、工程师们解决复杂微积分运算和数学推导而开发地软件系统。同期，卡 内基梅隆大学开发了一个用于语音识别地专家系统 HEARSAY，之后又相继推 出了 HEARSAY，HEARSAY等。20 世纪 70 年代初，匹兹堡大学的鲍波尔 (H.E.Pople)和内科医生合作研制了内科病诊断咨询系统 INTERNIST，该系统用 Inter LISP 语言写成， 于 1974 年演示成功， 此后进一步发展完善， 成为后来的 CADUCEUS 专家系统。 20 世纪 70 年代中期，专家系统进入了成熟期，其观点逐渐被人们接受，并先后 出现了一批卓有成效的专家
16、系统，其中较具代表性的有 MYCIN，PROSPCTOR， CASNET 等。关于 MYCIN，之所以对它如此重视，不仅是由于它能对细菌感染性疾 病作出专家水平的诊治和治疗，是一个成功的专家系统，而且还由于它第一次使用 了目前专家系统中常用的知识库的概念，并对不确定性的表示与处理提出了可信度 方法。PROSPCTOR 是第一个取得明显经济效益的探矿专家系统：CASNET 是一个 几乎与 MYCIN 同时开发的专家系统，用于青光眼病的诊断与治疗。除这些以外，在 这一时期另外两个影响较大的专家系统是斯坦福大学研制的 AM 系统及 PUFF 系统。 AM 是一个用机器模拟人类归纳推理、抽象概念的专家系统，而 PUFF 是一个肺功能 测试专家系统，经对多个实例进行验证，成功率达 93。 20 世纪 80 年代以来，专家系统的研究领域不断扩大，尤其是近十年专家系统几 乎遍及所有可研究领域，Larsson4、power system fault diagnos
