程 祥，殷贛華

（1.北京市測(cè)繪設(shè)計(jì)研究院，北京 100038；2.北京市測(cè)繪設(shè)計(jì)研究院基礎(chǔ)地理信息中心研發(fā)室，北京 100038）

一、引 言

2010年1 月，國(guó)務(wù)院下發(fā)了《關(guān)于開(kāi)展第一次全國(guó)水利普查的通知》（國(guó)發(fā)［2010］4號(hào)），決定在3年內(nèi)完成我國(guó)水利普查工作，這是新中國(guó)成立60多年來(lái)首次開(kāi)展全國(guó)性水利普查。第一次全國(guó)水利普查包括河湖基本情況普查、水利工程基本情況普查、經(jīng)濟(jì)社會(huì)用水情況調(diào)查、河湖開(kāi)發(fā)治理保護(hù)情況普查、水土保持情況普查、水利行業(yè)能力建設(shè)情況普查，以及灌區(qū)和地下水取水井兩個(gè)專項(xiàng)普查。水利普查數(shù)據(jù)成果包括了自然類、管理類、設(shè)施類、用水類共4大類40小類要素?cái)?shù)據(jù)。與通常的基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)或地形數(shù)據(jù)相比，水利普查后形成的空間數(shù)據(jù)具有其特殊性:一方面，具有空間關(guān)系的水利各要素間需要存儲(chǔ)拓?fù)湫畔?；另一方面，具有業(yè)務(wù)關(guān)系的各要素也需要存儲(chǔ)關(guān)聯(lián)關(guān)系信息。在數(shù)據(jù)采集和處理過(guò)程中，成果數(shù)據(jù)的空間關(guān)系不進(jìn)行顯示存儲(chǔ)，主要通過(guò)預(yù)先定義的拓?fù)潢P(guān)系準(zhǔn)則對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行約束，而業(yè)務(wù)關(guān)系則要求通過(guò)關(guān)系表進(jìn)行顯示保存。水利數(shù)據(jù)量龐大，數(shù)據(jù)模型關(guān)系復(fù)雜，依靠人工處理進(jìn)行實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的關(guān)系建模和維護(hù)，不僅工作量大，而且容易出錯(cuò)。因此，實(shí)現(xiàn)智能化、自動(dòng)化的水利空間數(shù)據(jù)關(guān)系建模，具有重要意義。

空間數(shù)據(jù)的自動(dòng)處理一般包括兩種方式:一是對(duì)多種處理功能進(jìn)行邏輯抽象，并建立算法庫(kù)，通過(guò)算法庫(kù)中算法的組合及參數(shù)配置來(lái)實(shí)現(xiàn)各種自動(dòng)化處理功能；二是在更高層次上建立知識(shí)庫(kù)系統(tǒng)，依托知識(shí)庫(kù)和規(guī)則處理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)處理。前者不需要復(fù)雜的建模，應(yīng)用廣泛，但靈活性低、擴(kuò)展性差，一旦需求發(fā)生變更，就可能需要修改算法庫(kù)；后者具有很強(qiáng)的靈活性和擴(kuò)展性，通過(guò)知識(shí)庫(kù)的擴(kuò)充和定制就能夠滿足更多需求。本文則采用第二種方法來(lái)實(shí)現(xiàn)水利空間數(shù)據(jù)的自動(dòng)化建模。

二、產(chǎn)生式知識(shí)庫(kù)

所謂知識(shí)庫(kù)，是指針對(duì)某些領(lǐng)域問(wèn)題求解的需要，采用若干知識(shí)表達(dá)方式在計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)、組織、管理和應(yīng)用互相聯(lián)系的知識(shí)片集合。普通的應(yīng)用程序與基于知識(shí)的系統(tǒng)間的區(qū)別在于:一般的應(yīng)用程序是把問(wèn)題求解的知識(shí)隱含在程序的編碼中，而基于知識(shí)的系統(tǒng)則是將應(yīng)用領(lǐng)域的問(wèn)題求解知識(shí)顯示進(jìn)行顯示的表達(dá)，并單獨(dú)組織在一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的軟件實(shí)體中。根據(jù)知識(shí)的應(yīng)用領(lǐng)域、背景、屬性和使用特征，知識(shí)庫(kù)可以被構(gòu)造成有結(jié)構(gòu)的、便于利用的組織形式。通常，知識(shí)庫(kù)中的知識(shí)是有層次的，最低層是事實(shí)知識(shí)；中間層是用來(lái)控制邏輯的知識(shí)（如規(guī)則、過(guò)程等）；最高層是策略，以中間層知識(shí)為控制對(duì)象。在當(dāng)前的主流知識(shí)庫(kù)應(yīng)用系統(tǒng)中，產(chǎn)生式規(guī)則是知識(shí)的常用表示和應(yīng)用形式。

“產(chǎn)生式”是1943年美國(guó)數(shù)學(xué)家Post首先在一種計(jì)算形式體系中提出的術(shù)語(yǔ)。20世紀(jì)70年代，Newell和Simon等學(xué)者在對(duì)人類認(rèn)知模型研究中，開(kāi)發(fā)了基于規(guī)則的產(chǎn)生式系統(tǒng)。從那時(shí)開(kāi)始，產(chǎn)生式系統(tǒng)成為專家系統(tǒng)的最基本結(jié)構(gòu)，而產(chǎn)生知識(shí)表示則在人工智能中得到了廣泛應(yīng)用。產(chǎn)生式系統(tǒng)雖然在形式上很簡(jiǎn)單，但在一定意義上模仿了人類思考的過(guò)程。

產(chǎn)生式規(guī)則是產(chǎn)生式系統(tǒng)的主體，是產(chǎn)生式系統(tǒng)知識(shí)表示的核心。一般產(chǎn)生式的結(jié)構(gòu)可表示為自然語(yǔ)言形式，事實(shí)上，在自然語(yǔ)言表達(dá)中，人們廣泛使用的各種“原因—結(jié)果”、“條件—結(jié)論”、“前提—操作”、“事實(shí)—進(jìn)展”及“情況—行為”等結(jié)構(gòu)，都可歸結(jié)為產(chǎn)生式的知識(shí)表達(dá)形式。產(chǎn)生式規(guī)則基本形式是

式中，A是產(chǎn)生式的前提，用于指出該產(chǎn)生式是否可用的條件（前件）；B是一組結(jié)論或操作，用于指出當(dāng)前提A所指示的條件滿足時(shí)應(yīng)該得出的結(jié)論或應(yīng)該執(zhí)行的操作（后件）。其中，前件就是前提，后件是結(jié)論或動(dòng)作，前件和后件可以是由邏輯運(yùn)算符AND、OR、NOT組成的表達(dá)式。如果前提滿足，則可得到結(jié)論或者執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作，即后件由前件來(lái)觸發(fā)。所以，前件是規(guī)則的執(zhí)行條件，后件是規(guī)則體。

三、水利關(guān)系模型的知識(shí)表示

水利空間數(shù)據(jù)關(guān)系的自動(dòng)化建模處理主要包括4個(gè)方面的內(nèi)容:數(shù)據(jù)采集和編輯時(shí)的自動(dòng)空間關(guān)系約束、數(shù)據(jù)處理完成后的空間關(guān)系自動(dòng)檢查、數(shù)據(jù)采集時(shí)的業(yè)務(wù)關(guān)系自動(dòng)創(chuàng)建、數(shù)據(jù)處理完成后的關(guān)聯(lián)關(guān)系自動(dòng)檢查。

1.數(shù)據(jù)采集和編輯時(shí)的自動(dòng)空間關(guān)系約束

由于各要素存在一些相互的空間拓?fù)潢P(guān)系，在數(shù)據(jù)采集和編輯時(shí)，需要對(duì)這些空間關(guān)系進(jìn)行自動(dòng)維護(hù)和約束。具體形式包括錯(cuò)誤提醒和自動(dòng)錯(cuò)誤處理。如按照空間關(guān)系，水閘工程必須要和水系軸線、引調(diào)水工程或渠道中的一個(gè)對(duì)象相交。而在采集和編輯過(guò)程中，如果水閘工程沒(méi)有和這些要素相交，則提示錯(cuò)誤信息。再比如河湖排污口應(yīng)該落在河湖邊界上，在采集河湖排污口時(shí)，如果沒(méi)有落在河湖邊界上，則提示錯(cuò)誤信息；在編輯移動(dòng)河湖邊界時(shí)，對(duì)應(yīng)的河湖排污口應(yīng)該隨之自動(dòng)移動(dòng)。

根據(jù)以上情況，產(chǎn)生式規(guī)則中If…Then…語(yǔ)句中的前件可分為3部分內(nèi)容:一是當(dāng)前的處理狀態(tài)；二是當(dāng)前的處理數(shù)據(jù)類型；三是數(shù)據(jù)分析。通過(guò)這3部分內(nèi)容結(jié)合來(lái)作為前件。對(duì)于水閘工程，規(guī)則語(yǔ)句如下:

If（當(dāng)前處理狀態(tài)是數(shù)據(jù)采集或數(shù)據(jù)編輯，當(dāng)前處理對(duì)象類型為水閘工程，水閘工程與水系軸線不相交并且水閘工程與引調(diào)水工程不相交并且水閘工程與渠道不相交）Then（提示錯(cuò)誤信息）

對(duì)于河湖排污口的采集，規(guī)則語(yǔ)句如下:

If（當(dāng)前處理狀態(tài)是數(shù)據(jù)采集，當(dāng)前處理對(duì)象類型為河湖排污口，河湖排污口與河湖邊線不重疊）Then（提示錯(cuò)誤信息）

對(duì)于河湖邊線的編輯，規(guī)則語(yǔ)句如下:

If（當(dāng)前處理狀態(tài)是數(shù)據(jù)編輯，當(dāng)前處理對(duì)象類型為河湖邊線，存在與河湖邊線重疊的河湖排污口）Then（河湖排污口自動(dòng)聯(lián)動(dòng)）

2.數(shù)據(jù)處理完成后的空間關(guān)系自動(dòng)檢查

數(shù)據(jù)采集和編輯完成后，需要對(duì)各要素之間的拓?fù)潢P(guān)系是否正確進(jìn)行自動(dòng)檢查，將錯(cuò)誤的空間關(guān)系記錄下來(lái)以供用戶定位和查看。與數(shù)據(jù)采集和編輯時(shí)的自動(dòng)空間關(guān)系約束不同，此時(shí)后件的處理動(dòng)作變成了錯(cuò)誤信息記錄。以水閘工程為例，規(guī)則語(yǔ)句如下:

If（當(dāng)前處理狀態(tài)是質(zhì)量檢查，當(dāng)前處理對(duì)象類型為水閘工程，水閘工程與水系軸線不相交并且水閘工程與引調(diào)水工程不相交并且水閘工程與渠道不相交）Then（記錄錯(cuò)誤信息）

3.數(shù)據(jù)采集時(shí)的業(yè)務(wù)關(guān)系自動(dòng)創(chuàng)建

各要素間業(yè)務(wù)關(guān)系的建立主要包括3個(gè)渠道:一是通過(guò)外業(yè)采集，然后導(dǎo)入到采集軟件；二是人工在數(shù)據(jù)采集時(shí)指定；三是通過(guò)空間關(guān)系進(jìn)行自動(dòng)構(gòu)建。通過(guò)空間關(guān)系進(jìn)行自動(dòng)構(gòu)建時(shí)，同樣可以基于產(chǎn)生式規(guī)則進(jìn)行描述。以水閘工程和水系軸線為例，水閘工程除和水系軸線存在空間關(guān)系外，還存在業(yè)務(wù)關(guān)系，業(yè)務(wù)關(guān)系也可以根據(jù)是否具有空間關(guān)系進(jìn)行建立。具體規(guī)則如下:

If（當(dāng)前處理狀態(tài)是數(shù)據(jù)采集，當(dāng)前處理對(duì)象類型為水閘工程，水閘工程與水系軸線相交）Then（建立水閘工程和水系軸線的業(yè)務(wù)關(guān)系）

4.數(shù)據(jù)處理完成后的業(yè)務(wù)關(guān)系自動(dòng)檢查

數(shù)據(jù)處理完成后，同樣需要對(duì)業(yè)務(wù)關(guān)系進(jìn)行檢查，此時(shí)后件的處理動(dòng)作是記錄錯(cuò)誤信息記錄，具體規(guī)則如下:

If（當(dāng)前處理狀態(tài)是質(zhì)量檢查，當(dāng)前處理對(duì)象類型為水閘工程，（水閘工程與水系軸線相交并且水閘工程與水系軸線不存在業(yè)務(wù)關(guān)系）或（水閘工程與水系軸線不相交并且水閘工程與水系軸線存在業(yè)務(wù)關(guān)系））Then（記錄錯(cuò)誤信息）

四、水利數(shù)據(jù)關(guān)系知識(shí)庫(kù)構(gòu)成

水利數(shù)據(jù)關(guān)系知識(shí)庫(kù)主要由產(chǎn)生式規(guī)則庫(kù)、推理機(jī)、外部接口和知識(shí)管理系統(tǒng)4部分構(gòu)成，知識(shí)庫(kù)的構(gòu)成如圖1所示。

圖1 知識(shí)庫(kù)的組成

1.產(chǎn)生式規(guī)則庫(kù)

通過(guò)知識(shí)庫(kù)的建模，專業(yè)的水利空間數(shù)據(jù)自動(dòng)化建模知識(shí)并以產(chǎn)生式規(guī)則的形式進(jìn)行表示。產(chǎn)生式規(guī)則庫(kù)則是這些產(chǎn)生式規(guī)則的集合。

2.推理機(jī)

推理機(jī)由空間算子庫(kù)和邏輯執(zhí)行器兩部分組成。其中，空間算子庫(kù)是各類空間關(guān)系判斷處理算法的庫(kù)體，邏輯執(zhí)行器則用于解譯并執(zhí)行產(chǎn)生式規(guī)則。邏輯執(zhí)行器中的邏輯包括分支邏輯、合并邏輯和循環(huán)邏輯等邏輯算子。空間算子和邏輯算子構(gòu)成了推理機(jī)的執(zhí)行模型。圖2解釋了一條產(chǎn)生式規(guī)則的推理機(jī)構(gòu)成。

圖2 推理機(jī)的構(gòu)成示意

推理機(jī)的執(zhí)行模型采用參數(shù)關(guān)聯(lián)的方式實(shí)現(xiàn)規(guī)則的邏輯化。圖3是執(zhí)行模型的參數(shù)關(guān)聯(lián)示意。

推理機(jī)的運(yùn)行模式是通過(guò)循環(huán)檢測(cè)各執(zhí)行模型所需數(shù)據(jù)和參數(shù)是否齊備，先齊備的先執(zhí)行。圖4闡述了推理機(jī)的運(yùn)行模式。

圖3 執(zhí)行模型的參數(shù)關(guān)聯(lián)示意

圖4 推理機(jī)的運(yùn)行模式

3.外部接口

外部接口是知識(shí)庫(kù)與外部系統(tǒng)和用戶的接口，包括處理數(shù)據(jù)的調(diào)用接口、自動(dòng)處理的響應(yīng)接口、處理結(jié)果的反饋接口等。

4.知識(shí)維護(hù)系統(tǒng)

知識(shí)維護(hù)系統(tǒng)負(fù)責(zé)對(duì)產(chǎn)生式規(guī)則的添加、刪除等維護(hù)和管理。通過(guò)圖形化的規(guī)則定制和管理界面，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)需編碼的知識(shí)管理和擴(kuò)充，從而提高整個(gè)系統(tǒng)的易用性、易維護(hù)性和擴(kuò)展性。

五、應(yīng)用與結(jié)論

將本文的知識(shí)庫(kù)系統(tǒng)應(yīng)用于北京市水務(wù)普查空間數(shù)據(jù)采集與處理軟件，成功實(shí)現(xiàn)了水務(wù)數(shù)據(jù)采集和編輯時(shí)的自動(dòng)化糾錯(cuò)、質(zhì)量自動(dòng)檢查，以及業(yè)務(wù)模型自動(dòng)創(chuàng)建等功能，并得到實(shí)際生產(chǎn)的檢驗(yàn)（如圖5所示）。

圖5 軟件總體界面

圖6是基于知識(shí)庫(kù)水務(wù)空間數(shù)據(jù)關(guān)系的質(zhì)量檢查功能界面。

圖6 質(zhì)量檢查功能界面

圖7是數(shù)據(jù)采集和編輯時(shí)，知識(shí)庫(kù)在操作錯(cuò)誤后的自動(dòng)提示界面。

圖7 操作錯(cuò)誤時(shí)的自動(dòng)提示

目前，北京市水務(wù)普查數(shù)據(jù)處理工作已經(jīng)基本完成，該系統(tǒng)在生產(chǎn)過(guò)程中取得了良好效果。實(shí)踐證明，該系統(tǒng)大大提高了水務(wù)數(shù)據(jù)處理的自動(dòng)化和智能化程度，降低了生產(chǎn)成本，提高了生產(chǎn)效率，為北京市水務(wù)普查做出了積極貢獻(xiàn)。

［1］ SUWA M，SCOTT A C，SHORTLIFFE E H.An Approach to Verifying Completeness and Consistency in a Rule-based Expert System［J］.Artificial Intelligence Magazine，1982，3（4）:16-20.

［2］ LIGEZA A.Towards Logical Analysis of Tabular Rulebased Systems［J］.International Journal of Inteligence System，2001，16（3）:333-337.

［3］ 吳朝暉，潘云鶴.知識(shí)表達(dá)的發(fā)展?fàn)顩r和趨勢(shì)［J］.計(jì)算機(jī)科學(xué)，1995，22（6）:39-44.

［4］ 伍奎，李潤(rùn)方，劉景浩.智能化系統(tǒng)的知識(shí)表達(dá)與推理機(jī)制［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2005，41（5）:98-103.

［5］ 麥中凡.面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)風(fēng)范與軟件開(kāi)發(fā)方法［J］.計(jì)算機(jī)科學(xué)，1992，19（4）:17-23.

［6］ 李雷，高鐵曼.產(chǎn)生式規(guī)則專家系統(tǒng)的原理與實(shí)現(xiàn)［J］.微計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2006，27（5）:631-634.

［7］ 孫運(yùn)傳，別榮芳.產(chǎn)生式規(guī)則庫(kù)的求精研究［J］.北京師范大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2003，39（4）:435-443.

［8］ 郭慶勝，任曉燕.智能化地理信息處理［M］.武漢:武漢大學(xué)出版社，2003:57-86.

［9］ 田晶，黃仁濤，匡露露.專題地圖制圖決策系統(tǒng)規(guī)則庫(kù)的設(shè)計(jì)［J］.地理空間信息，2007，5（1）:95-98.

［10］ 龔自興，徐光佑.人工智能及應(yīng)用［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2003:49-71.