第四十一章專家系統(tǒng)技術(shù)的應(yīng)用411簡(jiǎn)介基于知識(shí)的專家系統(tǒng)技術(shù)KBES是人工智能領(lǐng)域中的。一個(gè)專家系統(tǒng)可被定義為一個(gè)聰明的計(jì)算機(jī)程序，它能用知識(shí)和推理手段來解決需要有影響的人類專家來解決的困難問題。人工智能的應(yīng)用不僅包括專家系統(tǒng)而且還包括機(jī)器人學(xué)，計(jì)算機(jī)機(jī)覺和自然語言的理解，所有這些都有利于路面工程。專家系統(tǒng)模仿人類專家，并能解決沒有算法解的問題。它們能給出推理過程和結(jié)論的解釋，甚至資料不全也能給出有用的解。特制他，專家系統(tǒng)可以完成論斷機(jī)理并能作為一個(gè)引導(dǎo)。412專家系統(tǒng)技術(shù)的有用性由于用于設(shè)計(jì)、施工、養(yǎng)護(hù)和路面評(píng)價(jià)程序的數(shù)據(jù)的自然性即定性和定量，啟發(fā)式的規(guī)則，基于知識(shí)的專家系統(tǒng)KBES技術(shù)看似很適合處理或集成一個(gè)或多個(gè)這樣的處理。KBES不依賴于單一的計(jì)算途徑。它們解決問題的能力不是主要來自知識(shí)操作而是知識(shí)本身的豐富、中肯和冗余。這些系統(tǒng)能將定量結(jié)果、專家知識(shí)和工程決策的分析，以及當(dāng)?shù)貭顩r的知識(shí)結(jié)合成一個(gè)完整的過程。在路面工程領(lǐng)域中，許多都有賴于技術(shù)人員和工程師的決斷和經(jīng)驗(yàn)。然而，許多有經(jīng)驗(yàn)的人都面臨退休。用一般缺乏路面技術(shù)經(jīng)驗(yàn)的年青人的替代將是必需的。因而，獲取盡可能多的現(xiàn)存的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)不僅時(shí)進(jìn)入這個(gè)領(lǐng)域的年青人的利益而且對(duì)合同人，公路局和顧問的利益都是重要的。413專家系統(tǒng)與傳統(tǒng)軟件的對(duì)比當(dāng)專家系統(tǒng)與傳統(tǒng)軟件比較時(shí)，它的一個(gè)顯著的特征就是當(dāng)需要時(shí)經(jīng)們運(yùn)用知識(shí)的能力。在一個(gè)專家系統(tǒng)中，知識(shí)本性都是已知的，并直到遇到某種情況才被觸動(dòng)。在此就需要做出結(jié)論。每大塊知識(shí)的使用須序不象傳統(tǒng)程序那樣是預(yù)先確定的。知識(shí)單元間的關(guān)系都是給出符號(hào)性的表達(dá)。這些表達(dá)的最后解釋是在運(yùn)行時(shí)確定的。表411總結(jié)了專家系統(tǒng)和傳統(tǒng)軟件的不同之處。表411專家系統(tǒng)與傳統(tǒng)軟件的比較專家系統(tǒng)傳統(tǒng)軟件符號(hào)性的程序語言如PROLOGLISP傳統(tǒng)程序語言如FORTRAN，CPASCAL通常基于通常是可靠的但不總是正確批驗(yàn)工作法或其他知識(shí)代表方案這些都是概念，不能消減為公式或數(shù)學(xué)可被證實(shí)的確定的方程如果給定正確的數(shù)值就可產(chǎn)生正確的答案能解釋它的邏輯和推理僅提供答案能在數(shù)據(jù)不全時(shí)發(fā)揮作用需要運(yùn)行的所有數(shù)據(jù)發(fā)展可由專家來控制通常在與專家和用戶隔離下運(yùn)行提供了極易檢查知識(shí)庫的能力檢查其中的知識(shí)可能極困難一個(gè)典型的專家系統(tǒng)能夠解釋它如何得出結(jié)論和它間用戶所得到的問題的原因。這些解釋此處印刷不清，故此句未翻譯即使有關(guān)問題情況的資料不全，專家系統(tǒng)也能作出結(jié)論，這對(duì)具有不全數(shù)據(jù)是可能的。當(dāng)它們的部分知識(shí)找不到時(shí)，專家系統(tǒng)本身也能檢查并列舉出。它們能夠有效地運(yùn)用它們所包含的所有知識(shí)。另一方面也要記住專家系統(tǒng)在遇到它們實(shí)際上沒有足夠知識(shí)解決給定的問題時(shí)不能給出警告。正如用于專家系統(tǒng)中的。表達(dá)知識(shí)的會(huì)號(hào)性的和聲明性的方式產(chǎn)生了一個(gè)優(yōu)勢(shì)，在大多數(shù)情況下，專家系統(tǒng)它們本身能夠很容易地理解在系統(tǒng)中所表達(dá)的形式中的知識(shí)的內(nèi)容。這降低了專家和程序員之間誤解的可能性。414專家系統(tǒng)建筑圖411顯示了專家系統(tǒng)中的基本元素。這些包含一個(gè)知識(shí)庫、一個(gè)工作記憶和一個(gè)論斷機(jī)理。這些在下面描述。4141知識(shí)庫知識(shí)庫包含關(guān)于特定問題的永久的規(guī)則，事實(shí)和其他類型的知識(shí)通常被專家使用來得出一個(gè)結(jié)論。創(chuàng)建一個(gè)“識(shí)別性知識(shí)庫”要求包含問題的對(duì)象或元素以及一系列這些對(duì)象的每個(gè)特征。一些方式也被需要用于將事物聯(lián)接起來以能夠建立主要由下面幾個(gè)所組成的問題1元素或符號(hào)的圖式，每個(gè)代表工作情況出現(xiàn)的狀態(tài)或方式。2對(duì)應(yīng)于可將一種狀態(tài)變?yōu)榱硪环N狀態(tài)的操作的元素的聯(lián)系。然而，對(duì)于表示知識(shí)有不同的方法。就編碼過程和問題本身屬性而言，每種方法都有一利有弊。最流行的表示控制知識(shí)的方法就指IF條件THEN執(zhí)行規(guī)則。4142工作記憶工作記憶象傳統(tǒng)程序的數(shù)據(jù)庫。它記憶程序的狀態(tài)，諸如輸入的參量的值和所用的規(guī)則，由包含對(duì)給定問題的輸入數(shù)據(jù)。4143推斷機(jī)理推斷機(jī)理，也稱為規(guī)則解釋或推理結(jié)構(gòu)，控制著程序的執(zhí)行。它從用戶，另一個(gè)信息系統(tǒng)，或一些傳感器上獲取要解釋的問題的有關(guān)資料。然后它運(yùn)用知識(shí)庫中的內(nèi)容來得出結(jié)論，同時(shí)著眼于解決給定的的問題。通過使用那些結(jié)論作為新的資料和進(jìn)一步地從用戶處獲得的信息。推理過程就繼續(xù)進(jìn)行。圖411顯示了用戶界面對(duì)表示詢問和輸入資料允許地進(jìn)入系統(tǒng)。專家系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)取得友好的和有效的交流。415專家系統(tǒng)開發(fā)工具專家系統(tǒng)工具給處理知識(shí)的表達(dá)、推理和對(duì)特殊問題制作模型的控制提供了特定的方式。就軟件的復(fù)雜性而言，可用的工具可分為通用的程序設(shè)計(jì)語言如，C和LISP，通用的描述性語如BOLOG和OPS5和ES建筑框架如，INSIGHT硬件的復(fù)雜性的范圍可從特定的LISP機(jī)器延伸到主框架，到微機(jī)。大部分專家系統(tǒng)都已被開發(fā)運(yùn)行在DOS微機(jī)上。然而，也已開發(fā)了基于主框架上的公路養(yǎng)護(hù)策略的專家系統(tǒng)。對(duì)于開發(fā)工具的選擇程序還未健全。然而，卻可在許多參考資料中找到選擇工具的標(biāo)準(zhǔn)，如表412所概括的那樣。從根本上說，應(yīng)用的類型和與其他外部程序相互作用的能力是很重要的。表413對(duì)可得到的專家系統(tǒng)開發(fā)工具有關(guān)1991年的一些給出了概括。由于不間斷的前進(jìn)導(dǎo)致了上市的工具版本的更新，所以不可能做出一個(gè)最新的、可理解的論述。表413表明EXSYS和INSIGHT2在路面相關(guān)的問題比其他工具用得要多。如果軟件將被使用數(shù)年，那么軟件開發(fā)者對(duì)于產(chǎn)品的不斷支持和提高的義務(wù)可能也是一個(gè)重要的選擇因素。表412選擇專家系統(tǒng)開發(fā)工具的標(biāo)準(zhǔn)1應(yīng)用類型2與其他程序相互作用的能力3復(fù)雜的數(shù)學(xué)程序的可用性4控制策略和推理機(jī)制的類型5響應(yīng)時(shí)間在解決問題或提出問題6程序輔助如，編輯，調(diào)試和幫助設(shè)施7輕便性8用戶支持9費(fèi)用416路面工程現(xiàn)存專家系統(tǒng)的例子將專家系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用于公路路面工程開始于二十世紀(jì)八十年代的早期。然而，在文獻(xiàn)中很少描述商業(yè)性的專家系統(tǒng)。在下面部分中描述了具有可操作性或在發(fā)展中的專家系統(tǒng)應(yīng)用的例子。這些包括ROSE、SCEPTRE，PRESERVER和DMMD專家系統(tǒng)。見表4134161路經(jīng)選擇和封面專家系統(tǒng)ROSEROSE是為安大略運(yùn)輸局MTO開發(fā)的一個(gè)專家系統(tǒng)，用于對(duì)特別的公路預(yù)防性養(yǎng)護(hù)活動(dòng)提建議。即在冷的區(qū)域處的瀝青砼中面的選擇和封面。系統(tǒng)的建議是可能使路徑選擇和封面成為適當(dāng)?shù)馁M(fèi)用一效益的養(yǎng)護(hù)方法。路徑選擇和封面的目標(biāo)是防止路表水進(jìn)入和破壞路面結(jié)構(gòu)。ROSE是基于MTO路面監(jiān)控和評(píng)價(jià)系統(tǒng)的，可與現(xiàn)存的路面管理數(shù)據(jù)庫發(fā)生相互作用用MTO的研究結(jié)果開發(fā)了一個(gè)包含有關(guān)何時(shí)選線和封面的決策邏輯的知識(shí)庫。該系統(tǒng)結(jié)合中了26個(gè)數(shù)值變量，諸如路表損壞，包含了大約360條規(guī)則。它是用微機(jī)上的ESSYS知識(shí)工程環(huán)境開發(fā)的。該系統(tǒng)的一個(gè)FORTRAN版本被用于約900個(gè)路段來演示不同選擇和封面政策的后果。在許多不同路面養(yǎng)護(hù)問題上也驗(yàn)證了該系統(tǒng)。ROSE是可操作的；然而，開發(fā)者卻指出由其他管轄區(qū)來直接應(yīng)用可能會(huì)困難，甚至不明智，那種方法學(xué)和通用的解法可能有通用的應(yīng)用，但那個(gè)特定的數(shù)據(jù)庫和規(guī)則卻是MTO遇到情況的反映。4162一個(gè)路表狀況和路面修復(fù)專家系統(tǒng)SCEPTRE是SURFARECONDITIONEXERTSYSTEMFORPAVEMENTRELABILITATION的首字母縮寫詞。它是路面修復(fù)策略發(fā)展中的完整的一套專家系統(tǒng)RITCHIE87,SCEPTRE是一個(gè)熟練的路面工程的建議者，尤其在市和縣級(jí)的當(dāng)?shù)貦C(jī)構(gòu)中。基本上它是評(píng)價(jià)項(xiàng)目級(jí)路表損壞和其他的用戶輸入。來對(duì)隨后的詳細(xì)分析和設(shè)計(jì)推薦可行的修復(fù)策略。用知識(shí)工程的EXSYS在COMPAQ便攜式微機(jī)上已開發(fā)出了SCEPTRE，并可在任何MSDOS兼容機(jī)上運(yùn)行。該系統(tǒng)是規(guī)則基礎(chǔ)上的，使用一個(gè)向后鏈接的推理方法。SCEPTRE14適宜和于華盛頓州的養(yǎng)護(hù)的柔性路面。正在進(jìn)行的研究希望能精煉和適合當(dāng)?shù)氐臋C(jī)構(gòu)的知識(shí)庫。4163養(yǎng)護(hù)策略的專家系統(tǒng)PRESERVER是用于對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工程師和養(yǎng)護(hù)工頭提出有關(guān)道路養(yǎng)護(hù)策略的建議的一個(gè)專家系統(tǒng)HAASC8，該系統(tǒng)概念上與SCEPTRE上很接近，但它主要強(qiáng)調(diào)日常養(yǎng)護(hù)活動(dòng)而SCEPTRE通常強(qiáng)調(diào)主要的修復(fù)策略。兩個(gè)系統(tǒng)現(xiàn)在都用于州和省的養(yǎng)護(hù)的公路。PRESERVER合并了用于安大略道路情況的養(yǎng)護(hù)處理方法。該系統(tǒng)包括了用于安大略運(yùn)輸局的路面養(yǎng)護(hù)指南中所定義的破壞類型的子系統(tǒng)的規(guī)則。這個(gè)手冊(cè)是主要的知識(shí)來源?；谟脩籼崽峁┙oPRESERVER的觀察到的損壞信息，就可產(chǎn)生對(duì)每種破壞情況相應(yīng)的一套可行的處理方法?，F(xiàn)存的系統(tǒng)已被用于說明和驗(yàn)證一些概念。它是用OPS5在VAX主機(jī)上開發(fā)的，是一個(gè)基于規(guī)則的系統(tǒng)，程序的主要部分是順序的，在一些小區(qū)段使用向前和向后鏈接的推理方法。4164馬歇爾混合料設(shè)計(jì)的專家系統(tǒng)DMMDDIAGNOSISOFMARSHALLMIXDESIGN是在WATERLOO大學(xué)開發(fā)的一個(gè)專家系統(tǒng)HOZAYEN90，DMMD是一種查詢性的工具，它能在混合料特性不滿足規(guī)范時(shí)對(duì)路面工程師提出調(diào)整的建議即，如果混合料的混定性、流值、空隙率和礦煽動(dòng)的空隙率不滿足時(shí)。DMMD專家系統(tǒng)是由40條包含人類專家知識(shí)的規(guī)則組成的。INSIGHT2專家系統(tǒng)開發(fā)工具的推理機(jī)制控制結(jié)構(gòu)采用了一種向后和向前鏈接的聯(lián)合方式。417專家系統(tǒng)的技術(shù)益處和局限性通過將專家系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用于路面工程中可取得一些很有價(jià)值的信息。例如，它們可以用作咨詢、培訓(xùn)工具，也就是可用在建議的角色中。然而，象其他技術(shù)一樣，專家系統(tǒng)有局限性，這使某個(gè)人類專家知識(shí)的編碼顯得很困難。除了在開發(fā)專家系統(tǒng)中的局限性外，有關(guān)將他們的知識(shí)編碼，在某些領(lǐng)域取得與專家的合作性也有一些障礙。這些包括用戶專家交流的隔離和可能的誤譯。對(duì)有關(guān)合法的倫理的責(zé)任的害怕和不確定。部分專家缺少時(shí)間。在他們的知識(shí)被編碼后這些專家就可不用。這就是人們所關(guān)注的問題。但是，這個(gè)問題是無根據(jù)的，因?yàn)閷＜沂窃诓粩嗟卦鲩L(zhǎng)他們的知識(shí)。不論如何，仍然需要一個(gè)與用戶有效的交互方式來提高用戶和專家兩者的能力。對(duì)于超出專家系統(tǒng)能力的問題仍然需要專家。4171未來的專家系統(tǒng)技術(shù)路面管理中有一些領(lǐng)域，這些區(qū)域在短期和長(zhǎng)期中專家系統(tǒng)的應(yīng)用都比其他領(lǐng)域更適應(yīng)，在短期中，應(yīng)用在項(xiàng)目級(jí)上，特別在性能評(píng)價(jià)、診斷、可行的解法試驗(yàn)和工程費(fèi)用估計(jì)中。在長(zhǎng)期中，專家系統(tǒng)可用于項(xiàng)目級(jí)上確定均勻的路段、性能預(yù)測(cè)和壽命周期的費(fèi)用分析。在網(wǎng)絡(luò)級(jí)上，專家系統(tǒng)可用于長(zhǎng)期的性能預(yù)測(cè)和有約束的狀況。未來的發(fā)展趨勢(shì)是很多的，并且肯定包含下面的內(nèi)容1隨著專家系統(tǒng)的成熟以及我們?cè)谒鼈兊陌l(fā)展中所得到的經(jīng)驗(yàn)的增加，將會(huì)有更好的自我教授能力。2對(duì)專家系統(tǒng)本身的性能和更新能力的反饋。3解決專家問分歧的能力。4提高在決策制定中人的參與。5路面管理中網(wǎng)級(jí)和項(xiàng)目級(jí)的更好的結(jié)合。6對(duì)路面原理的理解的升級(jí)。7對(duì)于作為基礎(chǔ)的邏輯庫的改善。8開發(fā)較先進(jìn)的工具和通用性系統(tǒng)來改善可移植性。4172選擇應(yīng)用專家系統(tǒng)技術(shù)有前途的領(lǐng)域在路面管理的幾個(gè)領(lǐng)域中對(duì)未來專家系統(tǒng)的開發(fā)都提供了條件。在每種情況中，必須就是否對(duì)給定的問題應(yīng)用技術(shù)的優(yōu)勢(shì)是絕對(duì)的作出一個(gè)決策。為得到這樣一個(gè)決策，應(yīng)當(dāng)使用一套評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。這些標(biāo)準(zhǔn)涉及到以下問題1是否需要工程決斷和經(jīng)驗(yàn)來解決問題2問題是否重復(fù)3問題是否受約束