专家系统赋能智慧决策

文｜尹光荣 吴灿刚

专家系统是一个具有大量的专门知识与经验的程序系统，它应用人工智能技术和计算机技术，根据某领域一个或多个专家提供的知识和经验，进行推理和判断，模拟人类专家的决策过程。

图1 专家系统结构图

随着生产技术的不断提高，人工智能技术的不断发展，特别是基于知识的专家系统设计方法的产生和发展，工程设计型专家系统得到了广泛的开发和应用。在导管架的设计过程中，需要运用多方面的专业知识和丰富的设计经验对复杂多样又具有不确定性的大量信息进行处理，通过多次反复的综合分析计算，才能得到一个好的设计方案。

图2 导管架设计专家系统逻辑流程

导管架结构是固定式海洋平台的一种基础型式，目前在国内海洋石油开发领域应用广泛，国内海域已建成数百座导管架结构型式的海洋平台，有大量的导管架实例数据和丰富的设计经验。

最近几年人工智能技术的快速发展，使得使用计算机代替人类专家实现平台智能化设计成为可能，谷歌研发的AlphaGo 战胜人类围棋世界冠军就是一个典型案例。

人工智能辅助决策

专家系统是一个智能的计算机程序系统，其内部含有大量的某个领域专家水平的知识与经验，能够利用人类专家的知识和解决问题的方法来处理该领域问题。也就是说，专家系统是一个具有大量的专门知识与经验的程序系统，它应用人工智能技术和计算机技术，根据某领域一个或多个专家提供的知识和经验，进行推理和判断，模拟人类专家的决策过程，以便解决那些需要人类专家处理的复杂问题，简而言之，专家系统是一种模拟人类专家解决复杂领域问题的计算机程序系统。

专家系统通常由用户接口、知识库、推理机、解释器、综合数据库、知识获取等6 大部分组成。其中尤以知识库与推理机相互分离而别具特色。

图3 规则数据库结构

图4 推理机推理流程

具体来看，知识库是指以某种存储结构存储领域专家知识。例如求解领域问题所需的操作与规则等。综合数据库也称之为全局数据库，用于存储求解问题的初始数据和推理过程中得到的中间数据，以及最终的推理结论。推理机根据全局数据库的当前内容，从知识库中选择匹配成功的可用规则，并通过执行可用规则来修饰数据库中的内容，直至推理出问题的结论。解释器用于向用户解释专家系统的行为。用户接口是系统与用户进行对话的界面，用户通过接口输入必要的数据、提出问题、获得推理结果以及系统向用户做出的解释；系统通过接口要求用户回答系统的询问，回答用户的问题及解释。知识获取模块把知识工程师所提供的指示转化成为知识内部表示模式存入知识库中；需要注意的是，在知识存储的过程中，对知识进行一致性、完整性检查。

专家系统的体系结构随专家系统的类型、功能和规模的不同，有所差异。导管架设计专家系统依据其自身特点，主要包括推理机、数据库和用户界面3 大组成部分。推理机包括导管架选型模块、导管架重量估算模块、导管架性能校核模块等。数据库包括知识数据库和综合数据库，知识库划分为规则库和实例库。用户界面包括用户接口、解释器、知识获取界面等。

“智能”数据助力设计自动化

导管架实例库存放的是以往实际项目的数据。以往项目的数据经过筛选、甄别、归纳、分解、提取成字段形式，存储在数据库中。一个导管架平台包含了项目信息、结构和尺度信息、海域和环境条件信息、重量信息等字段数据。

规则库存放着专门的领域知识，包括书本知识、常识知识以及专家知识和经验公式等，把这些知识通过规则的产生式表示法转换后，就成为系统运行过程中运用的规则。按照导管架的设计内容和推理过程，将规则库的规则划分为五个主要部分：导管架选型、主尺度确定、导管架重量估算、导管架性能校核和辅助功能。

导管架选型规则库主要依据设计基础数据、以往项目资料和相关规范、经验公式，确定导管架主体结构型式，比如桩腿数量、桩和腿连接型式、建造和安装方案。主尺度确定规则库主要确定导管架主要尺寸，比如工作点和底盘的尺寸，导管架高度和层数等。导管架重量估算规则库主要是依据导管架结构型式和主尺度，估算导管架结构重量和设备重量，导管架结构重量又包括主结构重量和附属结构重量；重量估算主要从经验公式中给出。导管架性能校核规则库主要是依据规范或者经验公式，估算风波流等环境载荷，从而校核导管架的承载能力、整体稳性、整体结构强度等。辅助功能规则库主要是完成一些辅助设计工作，比如防沉板初步设计和尺寸估算、吊点初步设计、运输驳船选型等。

规则库要发挥功能，就需要按照一定的组织形式进行存储和管理，以便于系统在推理过程中进行调用搜索和匹配。规则库按推理过程分为一个条件集和多个规则集，规则集中的规则主要包括条件和结论两部分。

在推理过程中，首先选择不同的规则集，并搜索规则集中规则的条件部分所引用的来自条件集中的条件，然后再将选定的条件与综合数据库中的设计条件或者中间数据进行匹配，如果条件满足，则执行规则集中的规则结论部分。

推理机的推理思想为，依据用户输入的己知的初始设计条件，主要是海域、水深、波浪等环境条件和平台使用条件，从实例库中搜索匹配的母型平台，确定导管架型式、获取主尺度的最初设计方案，然后从规则库中对应的规则集中搜索匹配的规则，估算导管架重量；依据水深、环境条件、土壤等数据，校核平台性能，并分析最初方案的合理性和可行性，通过设计者的判断可以做出相应的修改，把修改后的方案重新进行推理，循环直到求出最优解。

图5 导管架设计专家系统功能模块

推理机主要包括三大模块，导管架主体设计模块、导管架重量估算模块和导管架性能校核模块。推理过程按照正向推理的原理，调用知识库中的知识进行求解，综合数据库用来存取推理过程中的初始条件、中间过程和最终结果等数据。

相对于规则数据库，综合数据库的组织形式比较简单，主要用来存储各个参数的结果，也没有推理规则。各个模块的数据在数据库管理软件中是以数据表的形式来存储。表是数据库存储数据的最基本对象，是一个数据库系统的基础，在建立了表的基础上才能建立查询、窗体和报表等其他项目，并逐步完善数据库。表的设计主要是确定表的各个字段的字段名以及数据的类型和属性，字段名主要是每个模块中的变量。从综合数据库结构图映射到数据库表中，并形成了相互联系的表。导管架设计专家系统采用可视化的程序开发集成环境，用户界面与用户之间的交流友好、轻松便捷。程序的用户界面不仅是一种外在的包装，而是用户与计算机之间交流的窗口。

根据导管架设计特点，程序设计实现了系统主要模块，并建立友好美观的用户界面，实现人机界面、知识库系统和综合数据库的有机结合。主界面共有十个菜单项，分别为：新建、导管架主体、导管架重量、导管架性能、辅助功能、结果输出、查看和维护数据库、设置、帮助和关于。菜单的顺序按照平台的设计过程排列，体现了各个模块之间的设计继承性。

通过对专家系统的研究并应用到导管架设计方面，使两者有机结合。从理论上论证了导管架设计专家系统的可行性。导管架设计专家系统可以实现了导管架总体方案设计的自动化和智能化，大大提高了设计者的设计水平和设计效率。可以预见，随着计算机人工智能的进一步发展，专家系统必将成为海洋工程领域的重要设计工具。