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

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，促進經(jīng)濟建設(shè)，我國加強了地下水質(zhì)量保護的力度，努力發(fā)展地下水質(zhì)量監(jiān)測和評價方法[1－2]。目前，關(guān)于如何有效地對地下水質(zhì)量進行監(jiān)測和評價，正成為環(huán)境研究領(lǐng)域中一項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[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，專家系統(tǒng)如雨后春筍般波及各個專業(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)量的評價本身就是一個模糊概念，所以，運用模糊專家系統(tǒng)對其進行評價，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)在評價地下水質(zhì)量方面的應(yīng)用。

1 知識庫的建立

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)我國地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)確定了39個單項指標(biāo)作為地下水質(zhì)量評價的依據(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[7]根據(jù)我國地下水標(biāo)準(zhǔn)和一些發(fā)達國家和地區(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

根據(jù)地下水單項組分評價方法[8]，如表1所示。

表1 地下水單項組分評價方法Tab.1 Groundwater single components evaluation method

在評價地下水質(zhì)量時（除嗅和味、肉眼可見物）可以選擇統(tǒng)一的隸屬函數(shù)表達式：

其中x代表地下水的各指標(biāo)的實測值。

對于嗅和味、肉眼可見物這2項指標(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 推理機的構(gòu)造

系統(tǒng)要求用戶輸入指標(biāo)的測定值，對其進行隸屬化處理，然后調(diào)用設(shè)定的處理方法，對照知識庫中給出的結(jié)果進行比較，推出最終結(jié)果。同時可以調(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)處理過程。

假設(shè)有n個不同地區(qū)的地下水要評價，它們構(gòu)成對象集：U={u1，u2，…，un}。 以 39 個指標(biāo)作為評價標(biāo)準(zhǔn)，它們構(gòu)成評價因素集：X={x1，x2，…，x39}。 對各地地下水測量后，即可得到表2的數(shù)值。

表2 n個地區(qū)地下水39項指標(biāo)測定值Tab.2 Measured values of 39 groundwater indexes on n areas

在表2中，Nij表示對第i個地區(qū)的第j個指標(biāo)的測定值（i=1，2…n， j=1，2，…，39）。 用所給定的隸屬度函數(shù)可以求出單因素評價結(jié)果，即可以求出模糊關(guān)系矩陣：

用cij表示對象ui的因素j的評價結(jié)果，則：

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

對地下水質(zhì)量綜合評價做如下評價：

表3 最后評價級別Tab.3 Final evaluation rating

該系統(tǒng)的解釋模塊的功能是告訴用戶各個地區(qū)地下水質(zhì)量的綜合評價值、級別以及該級別的地下水的用途。

3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)前面所述，用C++實現(xiàn)了所設(shè)計的模糊專家系統(tǒng)，程序的運行界面如圖1所示，整個系統(tǒng)執(zhí)行流程圖如圖2所示。

圖1 程序運行界面Fig.1 Program running interface

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

實際測量過程表明：整個系統(tǒng)運行良好，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—機界面，也增加了用戶的接受程度。

4 結(jié)束語

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，使得它作為專家系統(tǒng)的一種或作為模糊理論的一個重要應(yīng)用領(lǐng)域，越來越多地得到人們的青睞，它在應(yīng)用中的作用也越來越突出。

[1]唐克旺，侯杰，唐蘊.中國地下水質(zhì)量評價（Ⅰ）— 平原區(qū)地下水水化學(xué)特征[J].水資源保護，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.中國地下水資源質(zhì)量評價（Ⅱ）—地下水水質(zhì)現(xiàn)狀和污染分析[J].水資源保護，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.水資源評價[M].北京:水利水電出版社，1990.

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

[5]王萬森.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.中國水資源公報 [EB/OL].[2011-04-25].http://www.people.com.cn/GB/paper464/4381/497887.html.

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

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