文｜尹光榮 吳燦剛

專家系統(tǒng)是一個具有大量的專門知識與經(jīng)驗的程序系統(tǒng)，它應(yīng)用人工智能技術(shù)和計算機技術(shù)，根據(jù)某領(lǐng)域一個或多個專家提供的知識和經(jīng)驗，進行推理和判斷，模擬人類專家的決策過程。

圖1 專家系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

隨著生產(chǎn)技術(shù)的不斷提高，人工智能技術(shù)的不斷發(fā)展，特別是基于知識的專家系統(tǒng)設(shè)計方法的產(chǎn)生和發(fā)展，工程設(shè)計型專家系統(tǒng)得到了廣泛的開發(fā)和應(yīng)用。在導管架的設(shè)計過程中，需要運用多方面的專業(yè)知識和豐富的設(shè)計經(jīng)驗對復雜多樣又具有不確定性的大量信息進行處理，通過多次反復的綜合分析計算，才能得到一個好的設(shè)計方案。

圖2 導管架設(shè)計專家系統(tǒng)邏輯流程

導管架結(jié)構(gòu)是固定式海洋平臺的一種基礎(chǔ)型式，目前在國內(nèi)海洋石油開發(fā)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，國內(nèi)海域已建成數(shù)百座導管架結(jié)構(gòu)型式的海洋平臺，有大量的導管架實例數(shù)據(jù)和豐富的設(shè)計經(jīng)驗。

最近幾年人工智能技術(shù)的快速發(fā)展，使得使用計算機代替人類專家實現(xiàn)平臺智能化設(shè)計成為可能，谷歌研發(fā)的AlphaGo 戰(zhàn)勝人類圍棋世界冠軍就是一個典型案例。

人工智能輔助決策

專家系統(tǒng)是一個智能的計算機程序系統(tǒng)，其內(nèi)部含有大量的某個領(lǐng)域?qū)＜宜降闹R與經(jīng)驗，能夠利用人類專家的知識和解決問題的方法來處理該領(lǐng)域問題。也就是說，專家系統(tǒng)是一個具有大量的專門知識與經(jīng)驗的程序系統(tǒng)，它應(yīng)用人工智能技術(shù)和計算機技術(shù)，根據(jù)某領(lǐng)域一個或多個專家提供的知識和經(jīng)驗，進行推理和判斷，模擬人類專家的決策過程，以便解決那些需要人類專家處理的復雜問題，簡而言之，專家系統(tǒng)是一種模擬人類專家解決復雜領(lǐng)域問題的計算機程序系統(tǒng)。

專家系統(tǒng)通常由用戶接口、知識庫、推理機、解釋器、綜合數(shù)據(jù)庫、知識獲取等6 大部分組成。其中尤以知識庫與推理機相互分離而別具特色。

圖3 規(guī)則數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)

圖4 推理機推理流程

具體來看，知識庫是指以某種存儲結(jié)構(gòu)存儲領(lǐng)域?qū)＜抑R。例如求解領(lǐng)域問題所需的操作與規(guī)則等。綜合數(shù)據(jù)庫也稱之為全局數(shù)據(jù)庫，用于存儲求解問題的初始數(shù)據(jù)和推理過程中得到的中間數(shù)據(jù)，以及最終的推理結(jié)論。推理機根據(jù)全局數(shù)據(jù)庫的當前內(nèi)容，從知識庫中選擇匹配成功的可用規(guī)則，并通過執(zhí)行可用規(guī)則來修飾數(shù)據(jù)庫中的內(nèi)容，直至推理出問題的結(jié)論。解釋器用于向用戶解釋專家系統(tǒng)的行為。用戶接口是系統(tǒng)與用戶進行對話的界面，用戶通過接口輸入必要的數(shù)據(jù)、提出問題、獲得推理結(jié)果以及系統(tǒng)向用戶做出的解釋；系統(tǒng)通過接口要求用戶回答系統(tǒng)的詢問，回答用戶的問題及解釋。知識獲取模塊把知識工程師所提供的指示轉(zhuǎn)化成為知識內(nèi)部表示模式存入知識庫中；需要注意的是，在知識存儲的過程中，對知識進行一致性、完整性檢查。

專家系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)隨專家系統(tǒng)的類型、功能和規(guī)模的不同，有所差異。導管架設(shè)計專家系統(tǒng)依據(jù)其自身特點，主要包括推理機、數(shù)據(jù)庫和用戶界面3 大組成部分。推理機包括導管架選型模塊、導管架重量估算模塊、導管架性能校核模塊等。數(shù)據(jù)庫包括知識數(shù)據(jù)庫和綜合數(shù)據(jù)庫，知識庫劃分為規(guī)則庫和實例庫。用戶界面包括用戶接口、解釋器、知識獲取界面等。

“智能”數(shù)據(jù)助力設(shè)計自動化

導管架實例庫存放的是以往實際項目的數(shù)據(jù)。以往項目的數(shù)據(jù)經(jīng)過篩選、甄別、歸納、分解、提取成字段形式，存儲在數(shù)據(jù)庫中。一個導管架平臺包含了項目信息、結(jié)構(gòu)和尺度信息、海域和環(huán)境條件信息、重量信息等字段數(shù)據(jù)。

規(guī)則庫存放著專門的領(lǐng)域知識，包括書本知識、常識知識以及專家知識和經(jīng)驗公式等，把這些知識通過規(guī)則的產(chǎn)生式表示法轉(zhuǎn)換后，就成為系統(tǒng)運行過程中運用的規(guī)則。按照導管架的設(shè)計內(nèi)容和推理過程，將規(guī)則庫的規(guī)則劃分為五個主要部分：導管架選型、主尺度確定、導管架重量估算、導管架性能校核和輔助功能。

導管架選型規(guī)則庫主要依據(jù)設(shè)計基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、以往項目資料和相關(guān)規(guī)范、經(jīng)驗公式，確定導管架主體結(jié)構(gòu)型式，比如樁腿數(shù)量、樁和腿連接型式、建造和安裝方案。主尺度確定規(guī)則庫主要確定導管架主要尺寸，比如工作點和底盤的尺寸，導管架高度和層數(shù)等。導管架重量估算規(guī)則庫主要是依據(jù)導管架結(jié)構(gòu)型式和主尺度，估算導管架結(jié)構(gòu)重量和設(shè)備重量，導管架結(jié)構(gòu)重量又包括主結(jié)構(gòu)重量和附屬結(jié)構(gòu)重量；重量估算主要從經(jīng)驗公式中給出。導管架性能校核規(guī)則庫主要是依據(jù)規(guī)范或者經(jīng)驗公式，估算風波流等環(huán)境載荷，從而校核導管架的承載能力、整體穩(wěn)性、整體結(jié)構(gòu)強度等。輔助功能規(guī)則庫主要是完成一些輔助設(shè)計工作，比如防沉板初步設(shè)計和尺寸估算、吊點初步設(shè)計、運輸駁船選型等。

規(guī)則庫要發(fā)揮功能，就需要按照一定的組織形式進行存儲和管理，以便于系統(tǒng)在推理過程中進行調(diào)用搜索和匹配。規(guī)則庫按推理過程分為一個條件集和多個規(guī)則集，規(guī)則集中的規(guī)則主要包括條件和結(jié)論兩部分。

在推理過程中，首先選擇不同的規(guī)則集，并搜索規(guī)則集中規(guī)則的條件部分所引用的來自條件集中的條件，然后再將選定的條件與綜合數(shù)據(jù)庫中的設(shè)計條件或者中間數(shù)據(jù)進行匹配，如果條件滿足，則執(zhí)行規(guī)則集中的規(guī)則結(jié)論部分。

推理機的推理思想為，依據(jù)用戶輸入的己知的初始設(shè)計條件，主要是海域、水深、波浪等環(huán)境條件和平臺使用條件，從實例庫中搜索匹配的母型平臺，確定導管架型式、獲取主尺度的最初設(shè)計方案，然后從規(guī)則庫中對應(yīng)的規(guī)則集中搜索匹配的規(guī)則，估算導管架重量；依據(jù)水深、環(huán)境條件、土壤等數(shù)據(jù)，校核平臺性能，并分析最初方案的合理性和可行性，通過設(shè)計者的判斷可以做出相應(yīng)的修改，把修改后的方案重新進行推理，循環(huán)直到求出最優(yōu)解。

圖5 導管架設(shè)計專家系統(tǒng)功能模塊

推理機主要包括三大模塊，導管架主體設(shè)計模塊、導管架重量估算模塊和導管架性能校核模塊。推理過程按照正向推理的原理，調(diào)用知識庫中的知識進行求解，綜合數(shù)據(jù)庫用來存取推理過程中的初始條件、中間過程和最終結(jié)果等數(shù)據(jù)。

相對于規(guī)則數(shù)據(jù)庫，綜合數(shù)據(jù)庫的組織形式比較簡單，主要用來存儲各個參數(shù)的結(jié)果，也沒有推理規(guī)則。各個模塊的數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)庫管理軟件中是以數(shù)據(jù)表的形式來存儲。表是數(shù)據(jù)庫存儲數(shù)據(jù)的最基本對象，是一個數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的基礎(chǔ)，在建立了表的基礎(chǔ)上才能建立查詢、窗體和報表等其他項目，并逐步完善數(shù)據(jù)庫。表的設(shè)計主要是確定表的各個字段的字段名以及數(shù)據(jù)的類型和屬性，字段名主要是每個模塊中的變量。從綜合數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)圖映射到數(shù)據(jù)庫表中，并形成了相互聯(lián)系的表。導管架設(shè)計專家系統(tǒng)采用可視化的程序開發(fā)集成環(huán)境，用戶界面與用戶之間的交流友好、輕松便捷。程序的用戶界面不僅是一種外在的包裝，而是用戶與計算機之間交流的窗口。

根據(jù)導管架設(shè)計特點，程序設(shè)計實現(xiàn)了系統(tǒng)主要模塊，并建立友好美觀的用戶界面，實現(xiàn)人機界面、知識庫系統(tǒng)和綜合數(shù)據(jù)庫的有機結(jié)合。主界面共有十個菜單項，分別為：新建、導管架主體、導管架重量、導管架性能、輔助功能、結(jié)果輸出、查看和維護數(shù)據(jù)庫、設(shè)置、幫助和關(guān)于。菜單的順序按照平臺的設(shè)計過程排列，體現(xiàn)了各個模塊之間的設(shè)計繼承性。

通過對專家系統(tǒng)的研究并應(yīng)用到導管架設(shè)計方面，使兩者有機結(jié)合。從理論上論證了導管架設(shè)計專家系統(tǒng)的可行性。導管架設(shè)計專家系統(tǒng)可以實現(xiàn)了導管架總體方案設(shè)計的自動化和智能化，大大提高了設(shè)計者的設(shè)計水平和設(shè)計效率?？梢灶A見，隨著計算機人工智能的進一步發(fā)展，專家系統(tǒng)必將成為海洋工程領(lǐng)域的重要設(shè)計工具。