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        基于模糊理論的地下水質(zhì)量診斷專家系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)

        2012-10-09 09:46:56劉俊輝
        電子設(shè)計(jì)工程 2012年1期
        關(guān)鍵詞:水資源函數(shù)模塊

        李 娜,劉俊輝

        (鄭州牧業(yè)工程高等??茖W(xué)校 信息工程系,河南 鄭州 450011)

        為了保護(hù)和合理地開發(fā)地下水資源,防止和控制地下水污染,保障人民身體健康,促進(jìn)經(jīng)濟(jì)建設(shè),我國(guó)加強(qiáng)了地下水質(zhì)量保護(hù)的力度,努力發(fā)展地下水質(zhì)量監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)方法[1-2]。目前,關(guān)于如何有效地對(duì)地下水質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià),正成為環(huán)境研究領(lǐng)域中一項(xiàng)十分活躍的研究課題,地下水與健康的關(guān)系也成為了公眾矚目的新熱點(diǎn)[3]。

        從70年代后期開始,專家系統(tǒng)就得到了十分迅速的發(fā)展,此后世界各國(guó)紛紛研制、構(gòu)造出了一大批成功的專家系統(tǒng)[4]。正是這些獲得成功的專家系統(tǒng)的推動(dòng),專家系統(tǒng)如雨后春筍般波及各個(gè)專業(yè)領(lǐng)域,從而產(chǎn)生了各種類型的專家系統(tǒng),模糊專家系統(tǒng)就是其中的一類。采用模糊技術(shù)來(lái)處理不確定性問題的專家系統(tǒng)統(tǒng)稱為稱為模糊專家系統(tǒng)[5]。由于關(guān)于地下水質(zhì)量的評(píng)價(jià)本身就是一個(gè)模糊概念,所以,運(yùn)用模糊專家系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行評(píng)價(jià),這在理論上是合理的,在技術(shù)上也是可行的。論文將探討模糊專家系統(tǒng)在評(píng)價(jià)地下水質(zhì)量方面的應(yīng)用。

        1 知識(shí)庫(kù)的建立

        1.1 影響因素的確定

        影響地下水質(zhì)量的因素很多[6],這里根據(jù)我國(guó)地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)確定了39個(gè)單項(xiàng)指標(biāo)作為地下水質(zhì)量評(píng)價(jià)的依據(jù)。確定了影響因素后,就要確定它們各自符合標(biāo)準(zhǔn)要求的數(shù)值范圍。文獻(xiàn)[7]根據(jù)我國(guó)地下水標(biāo)準(zhǔn)和一些發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)所建議的地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn),給出了一套標(biāo)準(zhǔn)建議值。其中類別越低,地下水質(zhì)量越好,也即各指標(biāo)值越小越好。本文也借用這套標(biāo)準(zhǔn)建議值。

        1.2 各指標(biāo)隸屬函數(shù)的設(shè)計(jì)

        根據(jù)地下水單項(xiàng)組分評(píng)價(jià)方法[8],如表1所示。

        表1 地下水單項(xiàng)組分評(píng)價(jià)方法Tab.1 Groundwater single components evaluation method

        在評(píng)價(jià)地下水質(zhì)量時(shí)(除嗅和味、肉眼可見物)可以選擇統(tǒng)一的隸屬函數(shù)表達(dá)式:

        其中x代表地下水的各指標(biāo)的實(shí)測(cè)值。

        對(duì)于嗅和味、肉眼可見物這2項(xiàng)指標(biāo)的隸屬度函數(shù)值如下:若有嗅和味、肉眼可見物,則隸屬度函數(shù)值為1,否則為0。

        根據(jù)上述隸屬度函數(shù)計(jì)算得出隸屬度,這里規(guī)定隸屬度值越小越好。

        專家系統(tǒng)中學(xué)習(xí)模塊的功能是允許用戶根據(jù)特定的情況修改影響質(zhì)量的39個(gè)具體指標(biāo)的值,以使系統(tǒng)更好的適應(yīng)不同的情況。

        2 推理機(jī)的構(gòu)造

        系統(tǒng)要求用戶輸入指標(biāo)的測(cè)定值,對(duì)其進(jìn)行隸屬化處理,然后調(diào)用設(shè)定的處理方法,對(duì)照知識(shí)庫(kù)中給出的結(jié)果進(jìn)行比較,推出最終結(jié)果。同時(shí)可以調(diào)用學(xué)習(xí)模塊以方便用戶修改標(biāo)準(zhǔn)值,也可以調(diào)用解釋模塊以得知各種具體數(shù)值,了結(jié)處理過(guò)程。

        假設(shè)有n個(gè)不同地區(qū)的地下水要評(píng)價(jià),它們構(gòu)成對(duì)象集:U={u1,u2,…,un}。 以 39 個(gè)指標(biāo)作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),它們構(gòu)成評(píng)價(jià)因素集:X={x1,x2,…,x39}。 對(duì)各地地下水測(cè)量后,即可得到表2的數(shù)值。

        表2 n個(gè)地區(qū)地下水39項(xiàng)指標(biāo)測(cè)定值Tab.2 Measured values of 39 groundwater indexes on n areas

        在表2中,Nij表示對(duì)第i個(gè)地區(qū)的第j個(gè)指標(biāo)的測(cè)定值(i=1,2…n, j=1,2,…,39)。 用所給定的隸屬度函數(shù)可以求出單因素評(píng)價(jià)結(jié)果,即可以求出模糊關(guān)系矩陣:

        用cij表示對(duì)象ui的因素j的評(píng)價(jià)結(jié)果,則:

        由于各單項(xiàng)指標(biāo)的重要性不同,因此可以為這些評(píng)價(jià)指標(biāo)分配不同的權(quán),其權(quán)重向量為 A=[a1,a2,…,a39]。

        對(duì)地下水質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)做如下評(píng)價(jià):

        表3 最后評(píng)價(jià)級(jí)別Tab.3 Final evaluation rating

        該系統(tǒng)的解釋模塊的功能是告訴用戶各個(gè)地區(qū)地下水質(zhì)量的綜合評(píng)價(jià)值、級(jí)別以及該級(jí)別的地下水的用途。

        3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

        根據(jù)前面所述,用C++實(shí)現(xiàn)了所設(shè)計(jì)的模糊專家系統(tǒng),程序的運(yùn)行界面如圖1所示,整個(gè)系統(tǒng)執(zhí)行流程圖如圖2所示。

        圖1 程序運(yùn)行界面Fig.1 Program running interface

        圖2 整個(gè)系統(tǒng)執(zhí)行流程Fig.2 The whole system implementation process

        實(shí)際測(cè)量過(guò)程表明:整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行良好,操作方便,由于增加了標(biāo)準(zhǔn)值修改模塊,這大大增加了系統(tǒng)的應(yīng)用范圍,良好的人—機(jī)界面,也增加了用戶的接受程度。

        4 結(jié)束語(yǔ)

        由以上理論分析可以看出,模糊專家系統(tǒng)作為新型專家系統(tǒng)的代表,在初始信息不完全或不準(zhǔn)確的情況下能較好的模擬人類專家解決問題的思路和方法,利用不完整的知識(shí)體系,給出盡可能準(zhǔn)確的答案。模糊專家系統(tǒng)的這種特點(diǎn),使得它作為專家系統(tǒng)的一種或作為模糊理論的一個(gè)重要應(yīng)用領(lǐng)域,越來(lái)越多地得到人們的青睞,它在應(yīng)用中的作用也越來(lái)越突出。

        [1]唐克旺,侯杰,唐蘊(yùn).中國(guó)地下水質(zhì)量評(píng)價(jià)(Ⅰ)— 平原區(qū)地下水水化學(xué)特征[J].水資源保護(hù),2006(2):1-5.

        TANG Ke-wang, HOU Jie, TANG Yun.Assessment of groundwater quality in China:Ⅰ.Hydrochemical characteristics of groundwater in plain area[J].Water Resources Protection,2006(2):1-5.

        [2]唐克旺,吳玉成,侯 杰.中國(guó)地下水資源質(zhì)量評(píng)價(jià)(Ⅱ)—地下水水質(zhì)現(xiàn)狀和污染分析[J].水資源保護(hù),2006,22(3):1-5.

        TANG Ke-wang,WU Yu-cheng,HOU Jie.Assessment of groundwater quality in China:Ⅱ.Groundwater quality and pollution analysis[J].Water Resources Protection,2006,22(3):1-5.

        [3]水利部水文局.水資源評(píng)價(jià)[M].北京:水利水電出版社,1990.

        [4]蔡自行,約翰.德爾.高級(jí)專家系統(tǒng):原理、設(shè)計(jì)及應(yīng)用[M].龔濤,譯.北京:科學(xué)出版社,2005.

        [5]王萬(wàn)森.人工智能原理及其應(yīng)用[M].2版.北京:電子工業(yè)出版社,2007.

        [6]水利部.中國(guó)水資源公報(bào) [EB/OL].[2011-04-25].http://www.people.com.cn/GB/paper464/4381/497887.html.

        [7]國(guó)家技術(shù)監(jiān)督局.GB/T14848-93地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn) [S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2004.

        [8]水利部水資源司.21世紀(jì)初期中國(guó)地下水資源開發(fā)利用[M].北京:中國(guó)水利水電出版社,2004.

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