张硕辅 刘卡波 郭俊军 骆辛磊
摘 要 基于系统思想和方法提出创建一个专家系统对提高抗洪抢险技术水平是十分必要的。为克服种种不确定因素的困难，提出了“以慢对快，以静待动”的开发策略思想。专家系统的组成结构、计算机程序编制以及险情划分识别与“八情”资料编辑等，是这一系统的主要内容。
关键词 抗洪抢险 专家系统 程序编制
一、 问题的提出
纵览历年抗洪抢险大势，深感抗洪抢险技术亟待改进提高，可是难度很大，至今未能在全局上摆脱每年抗洪抢险时紧张被动、艰难劳累和低效高耗的落后局面。从主观认识上找原因，可以说与没有跳出就事论事的研究方法有关。抗洪抢险是一个比较复杂的系统，因此我们应该用系统思想和方法去解决抗洪抢险中存在的问题。
二、创建思路和策略 1．界定研究对象所构成的系统范围边界与组成联系 堤防抗洪抢险现场抢护系统是隶属于一个流域或一个地区的防汛系统的一个子系统，它的构成形式因地因人而异，但其基本内容与结构组成形式则是一致的。为便于讨论研究，可从当前每年抗洪抢险实际发生的绝大多数堤防抢护系统归纳概括出一种基本形式如图1所示。 很显然，该系统的空间范围主要限定在出险堤段的现场，时间范围主要限定在险情发生发现到抢护终止时段。不论抢护成功与否，系统都将会分解消失，此后重组的新系统 |
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不在本文讨论范围；对于本系统的外界联系，在空间上也只是讨论到第五块范围为止。时间上也不去追溯堤防质量等种种历史上遗留下来的问题，本文把这些内容看成是系统已经明确的组成部分。由此可看出图１所示抢护现场系统时空边界是比较清楚明确的。 |
系统内部五大块主要靠信息传递和实物输送相联系，联系工具主要为通信工具与交通（车船）工具。为保证系统的有效运行，要求信息流、物流与人流准确无误地执行，交通工具可靠运转。抢护工作是临时简陋的，往往是以人的机动灵活来应对各种各样突如其来的变化，因此，人的沟通互动在实现抢护过程中发挥了重要作用，传统的抢险办法更是如此。
2．分析系统特点，确定解决问题的总体策略思想
从图1可以看出，堤防抗洪抢险系统所跨越的时空范围不算太大，但影响运作的参数变量却不少，既有环境的，又有自身结构的，还有抢护措施的；同时该系统组成既有硬件，又有软件，且为人、事、物三者结合的系统；更为复杂多变的是该系统具有许多不确定因素。不仅洪水发生在时空上有不确定性，而且堤段发生险情在时空上也有一定程度的不确定性。即使出了险，会不会溃决，也不能完全确定。除此之外，还应当看到由于堆筑堤防的土质松散特性而带来险情发生具有突发性与速变性另外两个特点，这也是必须设法妥善应付的问题；与此同时，还应当看到险情发生有一定程度的确定性、缓发性与渐变性。可从这种对立的两方面特点寻求较优的具体对策。不确性要求我们对堤防的防汛抢险全局心中有数，工作要全面安排布置，不能留有盲区；而确定性则要求我们的防汛抢险工作突出重点，不能不分彼此，一刀切地对待；突发性与速变性要求抗洪抢险措施准备充足，响应快捷，具有较强的应变能力；而缓发性与渐变性则告知我们务必抓住最佳抢护时机，提出的抢护对策具有恰到好处的运作空间和时间。
传统的做法是等到险情发生后，再请专家到现场参加临时制订抢护方案，可是此时由于时间仓促紧迫，气氛紧张，人员劳累，以及受周边物料储备及人力不足等限制，在这种紧张被动的环境下，即使抢护方案较简单，匆忙做出的决策难免考虑不周而出现差错。因此要求我们提前给予充足的时间，做出更为完善、更为齐全的抢护方案以应对时空均不确定的突如其来的险情抢护需要。由此分析启发我们提出“以慢对快、以静待动”的策略思想。
为了实现这一策略思想，要求成立一个由该领域专家组成的总体设计部，按从定性到定量的综合集成方法，在非汛期设计出大量的静态抢护方案（包括结构方案、运作和施工方案），利用计算机储存大量的信息数据与方案，通过准确的判断与快速调用，更好地实现专家管理之目的。
3．专家系统的组成基本内容和创建工作大纲
本文所要讨论创建的抗洪抢险现场专家系统将以改进组织管理运作方式为主要内容来达到提高系统的“四速”（速查、速断、速战、速果）“三效”（效果、效率、效益）目标，把系统中的各个单项技术的硬措施的开发研究分到其他课题去研究解决。由此，可构造出该专家系统的组成基本内容与主要需求如图２所示：
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据此可拟出“专家系统”创建工作大纲（即内容与流程）如图3所示：
从图3可以看出，系统创建工程师的首要任务是组织吸纳专家群的经验与技术，然后参与其中，共同合作，完成各单项的研究设计任务。对专家群的初步设想，可分两层，第一层直接参加开发研究的领域专家不应少于5人，第二层间接咨询专家不应少于20人。为充分吸收专家的知识和经验，实现传统与现代相结合，可采用组织专家相互多次反复交流和具体开展方案设计的办法，集思广益，融会贯通，达到创新目的。专家群的工作有分有合，因此有必要进一步对图3每项组成的内容拟出工作细纲或设计细纲，统一专家群的工作方向与研究内容，如发现不妥，应及时调整。 三、知识经验的获取 创造本专家系统的最大难点是如何获取领域专家的知识经验，以建立起知识库与推理机制。 |
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1．抢护方案设计
根据“以静待动”策略思想，采取区分不同险类与险况，然后对组合的险类和险况逐个按静态进行抢护方案设计，以此来满足具体堤段未来可能发生的各种险情的抢护需要。险类区分：以险情外部特征为指标，借用传统的分类方法与结果，稍加调整将险类区分为散浸、裂缝、滑坡（内外）、管涌、渗漏、塌陷、穿孔、涵管周边漏水、闸涵前池翻沙鼓水、闸门损坏卡死、减压井失效、风浪冲刷、堤顶漫溢、堤身沉陷等若干种险情；险况主要有险位的差异与水位的高低；险位主要有堤段不同和同一堤段的所处堤身断面位置的不同（指内坡、外坡与堤身、堤脚与堤基）；对堤段长度一般可采用100ｍ上下为一段，遇有穿堤建筑物以20～50ｍ为一段，对堤身平直、堤基变化不大的堤防还可适当取长一些；对水位工况，采用传统习惯划分为防汛水位、警戒水位、危险水位以及历史最高水位（或超危水位）4个区界。有了险类和险况的划分，即可进行工况组合；其组合结果一般较多，进行设计时，要抓主要矛盾，突出重点展开，以减少设计工作量。
上述静态设计方法，同样应当予以恰当寻优。因为所能提供的大多数数据是相对量化的，有些是凭经验所给予的，所以对这些不甚精确的变量不可能采用严格求解函数极值的办法寻优，但可采用加权综合或模糊综合评判办法，筛选出相对较优方案。这种有固定模式的定性定量结合的评判优劣方法是可信的，得出的结论能满足工程上的需要。
2．险情严重程度划分与识别
在专家系统中，对各种不同险情的严重程度给予了划分与识别，从而为选用不同的抢护结构方案、运作方案和施工方案提供了判别依据。险情严重程度的划分在专家系统中也采用了传统习惯上的早、中、晚期三等，并给出定义为：凡对堤防稳定安全威胁性较小的险情统称为早期险情；对堤防稳定安全威胁性很大的险情统称之为晚期险情；介于两者之间，对堤防稳定安全威胁性不大不小的险情统称之为中期险情。具体做法是，先就可能发生的各种险情自身发展过程划分为中轻、中、重三个等级，并分别给出相应的定性与定量结合的一组特征参数，据此引入隶属度概念，建立起每种险情定量化的标准模式，然后按最大隶属度原则判别出待识别对象的归属；有了对单一因素的判别结果，再结合溃决概率大小，距溃时间长短和抢护难易程度予以综合评判，最终得出早、中、晚期的归属。其模糊模式识别定量判别数学模型详见参考文献5。
3．信息收集与编辑
尽管专家系统中的抢护方案数目很多，但仍然不可能百分之百地覆盖堤防未来可能发生的所有险情。因此，万一遇到某些罕见险情，仍然要请专家到现场策划抢护方案。为此需要为专家制订抢护方案提供出险堤段的“八情”[指堤情、地情、工情、水情、物情、人情、险情（指历史上已经发生的险情）及灾情（包括未来万一溃决可能灾损估算）]资料，以此改变原先凭借少数人头脑记忆或小本子上的记录为依据所提供的堤段基本情况的弊端。专家系统收集整理储存堤防基本情况是不可或缺的组成部分，它既是制订设计抢护方案的需要，也是今后日常管理乃至冬修加固的需要。如有可能，也应将堤防的历史维修加固勘探、设计与施工资料，历史检查评估资料以及有关技术文献、图像等收集储存于计算机中，以供查阅。所有“八情”等资料还应逐年补充修正完善。
四、计算机程序编制
在获取了上述抗洪抢险的种种信息、知识、技术与经验后，即可根据堤防抗洪抢险运作的具体需求开发编制一套使用专家知识（技术）与经验，借助某些推理规则的计算机程序。
在“专家系统总体框架设计”中，绘制了专家系统的组成结构框图（见图4）。
根据功能分析，又可划分出功能模块图（见图5）。
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考虑到目前市场状况，本专家系统直接安装在Windows 9X/ME/NT/2000/XP操作系统上，以此为平台，不再依据ＰＢ开发软件独立运作，数据库接口在安装中进行注册表的修改，亦脱离Sybase SQL Anywhere数据库系统独立存在。
五、试点与评价
依据上述创建思路与方法，笔者曾在洞庭湖区选择了两段堤防（总长6.35ｋｍ），进行了创建专家系统的探索研究。针对各自的堤情、地情与工情的不同，将其划分成41个小段，在大量、反复调查研究的基础上，确定试点堤防未来可能发生的险情13种。共设计出抢护结构方案27个，确定抢护运作位置方案66个，抢护不同程度方案6个。将这些方案（包括结构方案、运作方案与施工主案）作为一个整体录入光盘中。同时还设计了差别险情严重程度的划分与识别模式。通过所编计算机程序，实现人机对话的演示结果表明：本专家系统的创建思路和方法是可行的，开发工作量也是现阶段技术经济条件可以办到的，它能较好地解决传统防汛抢险现场管理中的许多困难和弊端。
参考文献：
1 骆辛磊．防汛抢险技术几个认识问题．水利水电科技进展，1999.1．
2 Joseph Gigrratano & Gaary Riley（美）．专家系统原理与编程．机械工业出版社，2000.5.
3 刘有才，刘增良．模糊专家系统原理与设计．北京航空航天大学出版社，1995.3.
4 于景元，周晓纪．从定性到定量综合集成方法的实现与应用．系统工程理论与实践，2002.10.
5 骆辛磊．堤防险情严重程度划分与识别方法探讨．水利水电科技进展，2003.2.
（作者单位：湖南省水利厅，张硕辅为副厅长）
