论文专区▏海道测量专家系统开发构想
【编者按：世界各国已经在许多重要领域研制出了大量实用的专家系统。围绕专家系统构造条件，从海道测量专家系统开发的可能性、合理性和必要性方面进行分析，提出了海道测量专家系统构建设想。本文发表在《海洋测绘》2011年第4期上，现编发给朋友们阅读了解。考虑到排版关系，参考文献索引略。孙毅，男，1962出生，山西晋中人，高级工程师，主要从事海洋重力、磁力和水深测量研究；黄谟涛，男，1961出生，海南文昌人，高级工程师，博士生导师，我国海洋测量和海洋重力场应用研究领域学科带头人，曾获海洋测绘专业委员会首届海洋测绘学科发展突出贡献奖，在国外核心学术刊物上发表论文10多篇，在国内一级学术刊物上发表论文40多篇，出版论著6部，其由测绘出版社出版发行的专著《海洋重力场测定及其应用》，获得国际、国内同行的广泛赞誉，近两年在重力场向下延拓理论方面又取得了重大创新性进展。】
一、引言
专家系统就是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，是模仿人类领域专家的一种智能计算机程序系统。专家系统作为人工智能的一个最为重要的应用领域，其应用历史已有40多年，已被广泛运用于医疗诊断、化学工程、语音识别、金融决策、图像处理、信号解释、地质勘探、石油、军事、教学等领域。其中不少系统在性能上已达到或超过了同领域人类专家的水平，产生了巨大的经济和社会效益。按国际海道测量组织的定义，海道测量学是应用科学的一门分支，主要对海洋(包括海底)和海岸特征进行测量和描述，为船舶导航和其他与海洋有关的人类活动和目的服务，涉及近海及沿岸工程、海洋调查、环境保护、海洋预测等学科。具体可分为：海洋环境基础、海洋水文测量、海洋潮汐测量、海洋定位、海洋测深、海图深度基准面、海洋重力测量、海洋磁力测量、近海地震测量、海洋工程测量等十个方面，属于高技术、高精度、高难度的应用工程技术领域，测量规范多，作业要求严，特别需要海道测量专家和一线作业人员丰富的专业知识和实际工作经验。本文就海道测量专家系统构造条件进行分析，提出海道测量专家系统的构建设想。
二、海道测量专家系统构造条件分析
专家系统的建造需要专门的知识工程师完成，其过程通常称为知识工程，主要包括知识工程师与某问题领域内一个或多个人类专家之间特殊的交互过程。知识工程师从人类专家那里获取他们解决问题的过程、策略和主要规则，并将这种知识融入专家系统中。因为不是所有的问题领域都适合于开发专家系统，下面就来探讨海道测量这个问题领域是否适合开发专家系统。
⒈ 海道测量专家系统开发的可能性
某一问题领域开发专家系统必须具备一些条件。首先，必须要有真正的领域人类专家存在。从事多年人类专家行为研究的科学家P E Johnson对专家给出了明确的定义：“专家是这样一类人，因为他们经过了严格的训练并积累了丰富的经验，从而能做一些其他人所不能做的事。专家不仅技术娴熟，而且工作稳妥高效。他们拥有大量知识，而且具有将他们所知道的知识运用到具体问题任务中的诀窍和避开失误的方法。他们擅长于把遇到的问题归结为已熟悉的问题类型，同样擅长于从许多不相关的信息中发现问题的本质”。如果专家不止一人，那么，专家们必须在问题解的选择和精确性方法的应用方面取得一致意见，能够明确表达和解释他们用来解决领域问题的方法。这样，知识工程师们才能从他们那里获取知识，并融入到程序中。第二，专家系统所要解决的问题的特征必须是可认识的和非物理的。即领域问题不能包含只有通过实践才能学会的物理处理过程。第三，专家系统所要解决的问题必须具有相当的复杂度和难度，如果领域问题不够复杂的话，不需要专家来解决，也就没必要建立专家系统。当然，如果问题非常新又十分难以理解，以至于为了求解须作一些基础研究的话，那么这种任务也不易在专家系统中加以实现。
对照以上条件，分析一下海道测量领域开发专家系统的可能性。第一，我国的海道测量工作始于民国时期，新中国成立后，海道测量工作得以全面系统地展开，形成了海军主管，院校、研究所、测量作业大队和航海图书出版社等实体组成的完备的海道测量体系。同时也形成了一支分布于海道测量各专业领域中的高素质专家队伍。第二，海道测量属于应用工程技术领域，该领域问题都是可认识的、规范的、成熟的，不需要物理处理过程。第三，海道测量各专业理论知识较深，作业程序有一定的复杂程度，没有本科专业知识和数年的工作实践，很难胜任本领域的工作。然而，海道测量领域理论知识成熟、测量规范完备、作业规程严谨、专家经验丰富。海道测量专家对本领域内既有的理论知识和作业方法，不存在难以理解和很难解决的问题，并可以精确地、容易地指导初学者进行作业。
由以上分析结果可知，海道测量领域满足了开发专家系统的三个必要条件，海道测量专家系统开发是可能的。
⒉ 海道测量专家系统开发的合理性
对于某个特定领域问题而言，具备了专家系统开发的可能性，并不意味着就有了专家系统开发的合理性。评价某个专家系统开发合理性的标准有：问题的求解需要很高的代价；人类专家知识被损失；人类专家资源相对稀少；有许多场合下，甚至危险的环境下需要人类专家知识。参照评价标准，就海道测量专家系统开发的合理性作如下讨论。
海道测量的探测范围是地球上的水域和相邻陆地部分，探测内容涵盖了这些区域的地理、物理和化学等方面的各种信息。海道测量作业通常在野外和海上进行。一般情况下，作业地点和领域专家所在地相隔的距离较远，一旦出现问题，需要专家到现场解决时，往往成本都很高。譬如，在海上测量中测量仪器出现了故障，如果外业人员不能排除，需要专家到场解决时，则必须将测量船驶回港口停靠，同时，测量仪器专家也要及时赶到该港口上船对故障仪器进行检查维修。再譬如，测量分队在远离大陆的无人小岛进行测量作业，遇到特殊情况无法处置，需要专家现场勘察后才能给出处置方法时，专家必须先赶到海边，然后再乘坐专门接送专家的舰船前往小岛。这势必造成经济上和时间上的极大浪费。
专家的能力指专家对某一领域问题的理解和解决问题的技能。专家知识不仅仅局限于公开的知识，他们还经常使用公开知识以外的个人知识，而个人知识来源于专家的积累和经验，一般也称为启发性知识。启发性知识能够使专家在需要时做出合理的猜测，识别最有希望获得成功的求解途径，并且有效地处理错误和不完全的数据。个人知识只存在于专家的脑子里，是会随着专家的离去而消失的。因此，毋容置疑，海道测量领域和其他领域一样，专家知识是会自然损失的。
海道测量专家人数和实际需要数相比还相差很大，而且，大多数的海道测量专家都在研究所和院校工作，平时都有繁重的科研和教学任务，除非足特别重大的测量任务，通常的外业测量工作很难能有专家在现场指导。因此，海道测量专家的技术支持客观上还存在差距。
海道测量各个专业都有很高的科技含量，特别是近年来随着科技的进步和国民经济建设的需要，海道测量领域在不断拓展，作业手段在不断更新，无论理论层面还是实际作业都需要专家的指导和参与。海道测量作业，虽然不能说存在绝对的危险性，但是，很多测量作业过程是不适宜专家现场参与的。比如，长时间连续海上作业，如果专家全程参与，势必影响到专家的正常工作和业务活动；飞机遥感作业，由于作业空间所限也不适合专家上机指导。如此来看，海道测量专家系统开发的合理性是存在的。
⒊ 海道测量专家系统开发的必要性
与人类专家相比，专家系统具有工作不受时间限制、操作成本低、易于传递及复制、具有一致性、可处理费时及复杂的问题等诸多优势。专家系统的高性能和优良特质使其开发和研究具有了重要的意义。
专家系统作为一种实用工具，为人类专家宝贵知识的保存、传播和使用提供了有效的手段。在海道测量领域中专家所占人数的比例并不高，随着老专家退休，他们脑子里的知识能否得到继承将直接关系到本领域的丁作效率和发展水平。专家系统能将专家的知识形式化，替代或协助专家解决实际问题，有利于专家抽出更多的时间和精力去研究更高深的问题。专家系统可以延伸人类专家的能力，能高效、准确、周全地工作。专家系统能汇集本领域多个专家的知识与经验，在解决专门问题时其能力往往要强过单个专家。因此，开发海道测量专家系统很有必要。
专家系统的构建有其自身规则、语言和算法，有其独特的开发工具。专家系统的建立必须遵循一定的程序分步进行。首先要确认欲解决的问题是哪些，根据这些特定的需求找出相关的知识并将其形式化，将这些形式化的知识加以组织整理成一个系统的知识结构，从而初步形成一个知识库。接下来就是制定涵盖上述知识的规则，包含有推论技术与算法的选择、转译、推演等程序。专家系统的开发通常由一群学科领域专家和知识工程师共同完成，其中知识工程师扮演着中枢的角色，他们既要有专业技术知识，又要有专家系统编程知识，更要具备良好的沟通和组织能力。因为专家系统开发是一门专门的学问，本文无法给出海道测量专家系统的具体模型，只探讨海道测量专家系统的构建设想。
⒈ “规范型”海道测量专家系统
海道测量是服务于水域交通运输和其他经济与军事活动的一项对水域及相关区域进行探测、数据获取的实用性测量工作，同时为研究地球形状、海底构造和空间技术提供基础数据。直接关系到舰船的航行安全，是作业规范最多，施工要求最严的行业之一。因此，“规范型”海道测量专家系统适用于海道测量各专业领域的外业测量、内业整理和测图编绘的全过程。该系统首先应具备本领域涉及到的所有测量规范的知识，即测量规范的知识内容都应在系统知识库中体现。然而，在测量作业时，光有测量规范是不够的，更需要领域专家在对规范内容理解的基础上对规范中条款的解释和应用，即把条款变成可执行的步骤，这里就需要专家的知识积累和经验总结。因此，“规范型”海道测量专家系统中应尽可能地获取本领域所有专家的个人知识，使得专家系统在指导测量人员作业时，实施步骤能尽可能地具体和详细，让人看了就知道怎么干。
⒉ “手册型”海道测量专家系统
在国家经济、军事需求和现代科学技术发展推动下，海道测量在技术和能力方面的进步突飞猛进。全球定位系统、水下定位系统、海岸地形快速测图系统、无验潮测深系统、多波束测深系统、侧扫声纳系统、水下摄影系统、浅地层剖面仪、姿态传感器、海洋重力仪、海洋磁力仪等在海道测量中广泛应用，使得海道测量技术产生了质的飞跃。然而，高新技术和高科技仪器的应用也对测量人员提出了更高的要求。为了使高科技仪器发挥出最大效能，就需要相应地开发“手册型”海道测量专家系统。该系统应包含所有使用仪器操作手册中的全部知识和相关专家对仪器的使用、维护和故障判断、修理知识。仪器的使用和维护应包括仪器安装、试验、标定、参数设置、调试、使用条件确定、存放处理等内容。在测量作业中，经常会遇到这种情况，同样的仪器，因为使用者的不同，测量作业效率和测量数据的质量会出现各种差异。这就涉及到使用者对仪器的熟悉程度、作业条件的把握和数据处理方法的使用等因素。对于仪器故障的判断和修理能力更是和使用者对仪器的了解和经验积累分不开。“手册型”海道测量专家系统应开发成测量仪器的高智商“贴身保镖”。
⒊ “参谋型”海道测量专家系统
海道测量的目的是为国家经济和军事提供丰富、细致、准确的海洋和海岸空间地理、海水性质、海底特征等信息，最终是要为应用服务的。然而，对于最终用户而言，海道测量所提供的信息可能太专业、太生疏，难以很好地理解，需要有海道测量专家给予讲解和判读。可是，给每一个用户都安排一名海道测量专家是不可能的，最好的解决办法就是开发“参谋型”海道测量专家系统。该系统应具备对海道测量信息进行图像判读、数据分析和应用指导等功能。
⒋ 海道测量专家系统应用分析
海道测量专家系统应具有获取和扩充知识的功能，在使用过程中，把专家和使用者新的经验和认识不断地“传授”给系统，对系统知识库进行修改和扩充，使其不断地丰富和完善起来。海道测量专家系统首先可以在海道测量作业单位中加以应用。外业测量中，他应该做到既可以指导技术设计、测量组织、质量监控、安全管理等宏观方面的工作，也能指导像选点埋石、仪器安装、测量导航、观测记录等具体的作业步骤。在测量单位的业务训练中，海道测量专家系统又可以担当“教授”的角色，为初学者答疑解惑，帮助初学者完成自我培训。另外，海道测量专家系统应在海道测量本科生和专科生的教学中发挥作用。因为，海道测量专家系统知识库中的知识是最贴近海道测量作业实际的，学生利用本系统完成专业训练，可以尽快将理论知识和毕业后的实际工作接轨，从而使他们更快地进入角色。
采用专家系统技术解决各个领域的问题已经成为世界各国最热门的竞争性研究课题，并取得了丰富的成果，我国也不例外，已经在中医治疗、气象预报、作战模拟、农业灌溉、故障诊断、地震预报等领域研制了一批专家系统。海道测量各专业领域之问存在着差异，但其中肯定有适合开发专家系统的专业领域或某个独立的项目存在。本文提出开发海道测量专家系统的问题，旨在希望有更多的人来讨论和研究这方面的问题，期待着专家系统这项技术能在海道测量领域有所突破。