基于模糊理论的地下水质量诊断专家系统研究与设计

李 娜，刘俊辉

（郑州牧业工程高等专科学校 信息工程系，河南 郑州 450011）

为了保护和合理地开发地下水资源，防止和控制地下水污染，保障人民身体健康，促进经济建设，我国加强了地下水质量保护的力度，努力发展地下水质量监测和评价方法[1－2]。目前，关于如何有效地对地下水质量进行监测和评价，正成为环境研究领域中一项十分活跃的研究课题，地下水与健康的关系也成为了公众瞩目的新热点[3]。

从70年代后期开始，专家系统就得到了十分迅速的发展，此后世界各国纷纷研制、构造出了一大批成功的专家系统[4]。正是这些获得成功的专家系统的推动，专家系统如雨后春笋般波及各个专业领域，从而产生了各种类型的专家系统，模糊专家系统就是其中的一类。采用模糊技术来处理不确定性问题的专家系统统称为称为模糊专家系统[5]。由于关于地下水质量的评价本身就是一个模糊概念，所以，运用模糊专家系统对其进行评价，这在理论上是合理的，在技术上也是可行的。论文将探讨模糊专家系统在评价地下水质量方面的应用。

1 知识库的建立

1.1 影响因素的确定

影响地下水质量的因素很多[6]，这里根据我国地下水质量标准确定了39个单项指标作为地下水质量评价的依据。确定了影响因素后，就要确定它们各自符合标准要求的数值范围。文献[7]根据我国地下水标准和一些发达国家和地区所建议的地下水质量标准，给出了一套标准建议值。其中类别越低，地下水质量越好，也即各指标值越小越好。本文也借用这套标准建议值。

1.2 各指标隶属函数的设计

根据地下水单项组分评价方法[8]，如表1所示。

表1 地下水单项组分评价方法Tab.1 Groundwater single components evaluation method

在评价地下水质量时（除嗅和味、肉眼可见物）可以选择统一的隶属函数表达式：

其中x代表地下水的各指标的实测值。

对于嗅和味、肉眼可见物这2项指标的隶属度函数值如下：若有嗅和味、肉眼可见物，则隶属度函数值为1，否则为0。

根据上述隶属度函数计算得出隶属度，这里规定隶属度值越小越好。

专家系统中学习模块的功能是允许用户根据特定的情况修改影响质量的39个具体指标的值，以使系统更好的适应不同的情况。

2 推理机的构造

系统要求用户输入指标的测定值，对其进行隶属化处理，然后调用设定的处理方法，对照知识库中给出的结果进行比较，推出最终结果。同时可以调用学习模块以方便用户修改标准值，也可以调用解释模块以得知各种具体数值，了结处理过程。

假设有n个不同地区的地下水要评价，它们构成对象集：U={u1，u2，…，un}。 以 39 个指标作为评价标准，它们构成评价因素集：X={x1，x2，…，x39}。 对各地地下水测量后，即可得到表2的数值。

表2 n个地区地下水39项指标测定值Tab.2 Measured values of 39 groundwater indexes on n areas

在表2中，Nij表示对第i个地区的第j个指标的测定值（i=1，2…n， j=1，2，…，39）。 用所给定的隶属度函数可以求出单因素评价结果，即可以求出模糊关系矩阵：

用cij表示对象ui的因素j的评价结果，则：

由于各单项指标的重要性不同，因此可以为这些评价指标分配不同的权，其权重向量为 A=[a1，a2，…，a39]。

对地下水质量综合评价做如下评价：

表3 最后评价级别Tab.3 Final evaluation rating

该系统的解释模块的功能是告诉用户各个地区地下水质量的综合评价值、级别以及该级别的地下水的用途。

3 系统结构图

根据前面所述，用C++实现了所设计的模糊专家系统，程序的运行界面如图1所示，整个系统执行流程图如图2所示。

图1 程序运行界面Fig.1 Program running interface

图2 整个系统执行流程Fig.2 The whole system implementation process

实际测量过程表明：整个系统运行良好，操作方便，由于增加了标准值修改模块，这大大增加了系统的应用范围，良好的人—机界面，也增加了用户的接受程度。

4 结束语

由以上理论分析可以看出，模糊专家系统作为新型专家系统的代表，在初始信息不完全或不准确的情况下能较好的模拟人类专家解决问题的思路和方法，利用不完整的知识体系，给出尽可能准确的答案。模糊专家系统的这种特点，使得它作为专家系统的一种或作为模糊理论的一个重要应用领域，越来越多地得到人们的青睐，它在应用中的作用也越来越突出。

[1]唐克旺，侯杰，唐蕴.中国地下水质量评价（Ⅰ）— 平原区地下水水化学特征[J].水资源保护，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，吴玉成，侯 杰.中国地下水资源质量评价（Ⅱ）—地下水水质现状和污染分析[J].水资源保护，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.水资源评价[M].北京:水利水电出版社，1990.

[4]蔡自行，约翰.德尔.高级专家系统:原理、设计及应用[M].龚涛，译.北京：科学出版社，2005.

[5]王万森.人工智能原理及其应用[M].2版.北京:电子工业出版社，2007.

[6]水利部.中国水资源公报 [EB/OL].[2011-04-25].http://www.people.com.cn/GB/paper464/4381/497887.html.

[7]国家技术监督局.GB/T14848-93地下水质量标准 [S].北京:中国标准出版社，2004.

[8]水利部水资源司.21世纪初期中国地下水资源开发利用[M].北京:中国水利水电出版社，2004.