申请日2011.07.18
公开(公告)日2011.11.23
IPC分类号G06F19/00
摘要
本发明提供一种基于本体的污水决策-支持系统和方法，所述系统包括数据采集层、诊断层，和决策-支持层，数据采集层通过在线传感器和实验室得到在线传感器数据、离线测量数据和经过计算的数据：诊断层首先采用基于规则的推理模块和基于案例的推理模块，分别对来自数据采集层的数据进行处理诊断，若此两个模块无法得出诊断结果，则采用污水本体模块进行诊断与处理;决策-支持层包括用户界面和监控模块，监控模块根据来自诊断层的诊断结果提供完整的诊断信息和相应的本体类，用户界面用于使用户激活污水处理系统来选择污水处理方式，用户还可以查询污水处理方式的具体原因。本发明提高了污水决策-支持系统的可靠性，重用和分享了污水知识，并且提高了整个系统的可移植性。
权利要求书
1.一种基于本体的污水决策-支持系统，包括数据采集层、诊断层，和决 策-支持层，其特征在于：
所述的数据采集层包括在线传感器和实验室数据，该数据采集层通过在线 传感器和实验室得到在线传感器数据、离线测量数据和经过计算的数据：在线 传感器数据包括各种从机械设备上采集的数字信号和污水信息数据;离线数据 有定量和定性之分，通过分析抽样数据来提供定量描述符，通过就地微观监视 和实验室微观检查来提供定性描述符;经过计算的数据包括在污水处理过程中 对众多定量数据计算后的得到的数据;
所述的诊断层，包含基于规则的推理模块、基于案例的推理模块，和污水 本体模块，分别对来自数据采集层的数据进行处理诊断：如果两个推理模块的 诊断结果相同的，则将结果发送到决策-支持系统，如果诊断结果不相同，而 基于案例的推理模块的得到的案例相似度高于定义域阈值，那么基于案例的推 理成立，反之则是基于规则的推理成立;如果两个推理模块无法得出诊断结果， 则采用污水本体模块进行处理诊断;所述定义域阈值是指来自数据采集层的数 据与数据库里面案例的数据的相似度，所述诊断结果是污水本体类和明确的处 理子类;
所述的决策-支持层，包括用户界面和监控模块，所述监控模块根据来自 诊断层的诊断结果提供完整的诊断信息和相应的本体类，所述用户界面用于使 用户激活污水处理系统来选择污水处理方式，用户还可以查询污水处理方式的 具体原因。
2.根据权利要求1所述的基于本体的污水决策-支持系统，其特征在于： 所述的污水本体模块包括基于污水本体的知识库，其将基于污水本体的知识表 示方式同专家系统的知识库相结合，包含四个部分：污水本体库、污水规则库、 污水语义关系库、污水实例库;污水本体库用来存放抽象的污水本体，包括类、 方法、属性的定义，所述污水本体是一个准确定义污水领域所有术语的模型， 该污水本体里最基础的分类是表现特殊属性及关系的对象，该对象包括涉及的 污水领域、决策支持，以及详细的微生物类别;污水规则库存放的是以用于专 家系统推理的条件规则表示的知识;污水语义关系库存放的是知识之间的语义 关系;污水实例库存放的是污水本体具体化后的知识点;污水本体库、污水语 义关系库、污水规则库和污水实例库都单独存放，并相互链接起来，以通过该 机制表示的知识，实现污水知识的共享和重用。
3.根据权利要求2所述的基于本体的污水决策-支持系统，其特征在于： 所述用于专家系统推理的条件规则表示的知识中，所述规则是通过污水语义关 系的映射，将以条件规则形式的污水知识进行分解，形成一些有联系的关键字， 这些关键字和他们之间的关系存放在污水语义关系数据库中;关键字在污水本 体库中找到相应的本体，通过污水本体的实例化形成包含相关语义、属性和方 法的知识点，存放在污水实例库中;通过以上语义处理，污水规则库中的规则 就包含了语义;由于污水知识点是污水本体的实例化，污水知识库中的知识有 了明确的语义定义。
4.根据权利要求2所述的基于本体的污水决策-支持系统，其特征在于： 所述污水本体库采用一种框架结构的存储形式来存储本体，该些框架结构限制 知识的表，当断言逻辑的核心建模元语被确立以后，基于框架和面向对象的方 法提供了不同的观点，根据它们不同核心建模元语的属性来分类，这些属性没 有全局的范围而只是适用于它们自己定义的类，也就是说当它们在不同的类之 间时相同名字的属性也许会对应不同的值。
5.根据权利要求2所述的基于本体的污水决策-支持系统，其特征在于： 所述污水本体使用规则和描述污水过程的关系来表示语义，以自动推断污水处 理的相关问题的答案，污水公理推论被一系列能决定污水本体表达能力的问题 所决定。
6.根据权利要求1所述的基于本体的污水决策-支持系统，其特征在于： 所述的基于规则的推理模块和基于案例的推理模块各自独立工作，同时各自输 出诊断结果，该些结果被传递给诊断集成器，该诊断集成器显示诊断信息和相 关联的置信值给用户，同时开始推理模式。
7.根据权利要求1所述的基于本体的污水决策-支持系统，其特征在于： 在污水本体中，重用了本体框架，污水本体和上层本体均是由本体描述语言写 的，且都存储在本体库里面，故污水本体可以重用其他本体创建的元件库。
8.一种基于本体的污水决策-支持方法，其特征在于：
获取在线传感器数据、离线测量数据和经过计算的数据：在线传感器数据 包括各种从机械设备上采集的数字信号和污水信息数据;离线数据有定量和定 性之分，通过分析抽样数据来提供定量描述符，通过就地微观监视和实验室微 观检查来提供定性描述符;经过计算的数据包括在污水处理过程中对众多定量 数据计算后的得到的数据;
对来自数据采集层的数据分别进行基于规则的推理诊断和基于案例的推 理诊断，如果两个诊断结果相同的，则将结果用于发送到决策-支持步骤，如 果诊断结果不相同，而基于案例的推理模块的得到的案例相似度高于定义域阈 值，那么基于案例的推理成立，反之则是基于规则的推理成立，如果无法得出 诊断结果，则采用污水本体模块进行处理诊断，所述定义域阈值是指来自数据 采集层的数据与数据库里面案例的数据的相似度，所述诊断结果是污水本体类 和明确的处理子类;
根据诊断结果提供完整的诊断信息和相应的本体类，使用户能通过激活污 水处理系统来选择污水处理方式，并使用户可以查询污水处理方式的具体原 因。
9.根据权利要求8所述的基于本体的污水决策-支持方法，其特征在于： 该方法还包含步骤：将获取到的在线传感器数据、离线测量数据和经过计算的 数据同专家系统的知识库相结合，分别形成：抽象的本体，其包括类、方法、 属性的定义;以用于专家系统推理的条件规则表示的知识;知识之间的语义关 系;和本体具体化后的知识点;所述污水本体是一个准确定义污水领域所有术 语的模型，该污水本体里最基础的分类是表现特殊属性及关系的对象，该对象 包括涉及的污水领域、决策支持，以及详细的微生物类别;所述本体、知识、 语义关系和知识点都单独存放，并相互链接。
10.根据权利要求8所述的基于本体的污水决策-支持方法，其特征在于： 所述污水规则库存放的以规则形式表示的知识，所述规则通过污水语义关系的 映射，将以条件规则形式的污水知识进行分解，形成一些有联系的关键字，这 些关键字和他们之间的关系存放在污水语义关系数据库中;关键字在污水本体 库中找到相应的本体，通过污水本体的实例化形成包含相关语义、属性和方法 的知识点，存放在污水实例库中;通过以上语义处理，污水规则库中的规则就 包含了语义;由于污水知识点是污水本体的实例化，污水知识库中的知识有了 明确的语义定义。
说明书
基于本体的污水决策-支持系统和方法
技术领域
本发明涉及污水管理技术领域，具体地说，是一种基于本体的污水决策-支 持系统(ontoWEDSS)和方法。
背景技术
污水处理系统由于其处理过程具有多变量、非线性、时变性和随机性等特 点，呈现出不稳定性和不确定性，采用常规简单的模型难以实现理想的控制效 果。现有的污水处理假设污水管理系统是一个稳定的状态，没有考虑到真实的 污水处理的因素相当复杂，所以这种传统控制还是有很多局限性的。
为了解决以上的污水管理问题，国内外学者探索将专家系统应用于污水处 理系统的过程评价、自动控制和故障诊断等问题中。然而在污水控制过程中获 取的知识越来越丰富的今天，传统的专家系统知识库面临着许多困难。主要困 难包括：污水知识表示、污水知识组织管理、污水知识的共享和重用，特别是 怎样在已有知识体系上，更简单、有效的创建新的污水专家系统。为了更好地 解决这些问题，本体论(Ontology)作为一种能在语义和知识层次上描述信息 系统的概念模型建模工具，被引入了人工智能领域，并在专家系统中发挥了重 要的作用。
本发明就污水本体在专家系统知识库的应用进行了深入的探讨和研究。给 出了如何结合本体论与专家系统，并对其作用进行了探讨。最后通过在专家系 统中污水本体的构建和污水知识库的建立等方面，就本体论在专家系统知识库 具体应用进行了揭示。
发明内容
本发明的目的在于克服现有污水处理技术的不足，提供一种基于本体的污 水决策-支持系统。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
本发明首先一种基于本体的污水决策-支持系统，包括数据采集层、诊断层， 和决策-支持层;所述的数据采集层包括在线传感器和实验室，该数据采集层通 过在线传感器和实验室得到在线传感器数据、离线测量数据和经过计算的数据： 在线传感器数据包括各种从机械设备上采集的数字信号和污水信息数据;离线 数据有定量和定性之分，通过分析抽样数据来提供定量描述符，通过就地微观 监视和实验室微观检查来提供定性描述符;经过计算的数据包括在污水处理过 程中对众多定量数据计算后的得到的数据;所述的诊断层，包含基于规则的推 理模块和基于案例的推理模块，分别对来自数据采集层的数据进行处理诊断， 如果两个推理模块的诊断结果相同的，则将结果发送到决策-支持系统，如果诊 断结果不相同，而基于案例的推理模块的得到的案例相似度高于定义域阈值， 那么基于案例的推理成立，反之则是基于规则的推理成立，所述诊断结果是污 水本体类和明确的处理子类，如果两个推理模块无法得出诊断结果，则采用污 水本体模块进行处理诊断，所述定义域阈值是指来自数据采集层的数据与数据 库里面案例的数据的相似度，所述诊断结果是污水本体类和明确的处理子类; 以及所述的决策-支持层，包括用户界面和监控模块，所述监控模块根据来自诊 断层的诊断结果提供完整的诊断信息和相应的本体类，所述用户界面用于使用 户激活污水处理系统来选择污水处理方式，用户还可以查询污水处理方式的具 体原因。
所述的数据采集层还包括基于污水本体的知识库，其将基于污水本体的知 识表示方式同专家系统的知识库相结合，包含四个部分：污水本体库、污水规 则库、污水语义关系库、污水实例库;污水本体库用来存放抽象的本体类型， 包括类、方法、属性的定义，所述污水本体是一个准确定义污水领域所有术语 的模型，该污水本体里最基础的分类是表现特殊属性及关系的对象，该对象包 括涉及的污水领域、决策支持，以及详细的微生物类别;污水规则库存放的是 以用于专家系统推理的条件规则表示的知识;污水语义关系库存放的是知识之 间的语义关系;污水实例库存放的是本体具体化后的知识点;污水本体库、污 水语义关系库、污水规则库和污水实例库都单独存放，并相互链接起来，以通过 该机制表示的知识，实现污水知识的共享和重用。
所述以用于专家系统推理的条件规则表示的知识中，所述规则是通过污水 语义关系的映射，将以条件规则形式的污水知识进行分解，形成一些有联系的 关键字，这些关键字和他们之间的关系存放在污水语义关系数据库中;关键字 在污水本体库中找到相应的本体，通过污水本体的实例化形成包含相关语义、 属性和方法的知识点，存放在污水实例库中;通过以上语义处理，污水规则库 中的规则就包含了语义;由于污水知识点是污水本体的实例化，污水知识库中 的知识有了明确的语义定义。
所述污水本体库采用一种框架结构的存储形式来存储本体，该些框架结构 限制知识的表，当断言逻辑的核心建模元语被确立以后，基于框架和面向对象 的方法提供了不同的观点，根据它们不同核心建模元语的属性来分类，这些属 性没有全局的范围而只是适用于它们自己定义的类，也就是说当它们在不同的 类之间时相同名字的属性也许会对应不同的值。
所述污水本体使用规则和描述污水过程的关系来表示语义，以自动推断污 水处理的相关问题的答案，污水公理推论被一系列能决定污水本体表达能力的 问题所决定。
所述的基于规则的推理模块和基于案例的推理模块各自独立工作，同时各 自输出诊断结果，该些结果被传递给诊断集成器，该诊断集成器显示诊断信息 和相关联的置信值给用户，同时开始推理模式。
在污水本体中，重用了本体框架，污水本体和上层本体均是由本体描述语 言写的，且都存储在本体库里面，故污水本体可以重用其他本体创建的元件库。
本发明另外一种基于本体的污水决策-支持方法，包括：
获取在线传感器数据、离线测量数据和经过计算的数据：在线传感器数据 包括各种从机械设备上采集的数字信号和污水信息数据;离线数据有定量和定 性之分，通过分析抽样数据来提供定量描述符，通过就地微观监视和实验室微 观检查来提供定性描述符;经过计算的数据包括在污水处理过程中对众多定量 数据计算后的得到的数据。
对来自数据采集层的数据分别进行基于规则的推理诊断和基于案例的推理 诊断，如果两个诊断结果相同的，则将结果用于发送到决策-支持步骤，如果诊 断结果不相同，而基于案例的推理模块得到的案例相似度高于定义域阈值，那 么基于案例的推理成立，反之则是基于规则的推理成立，如果无法得出诊断结 果，则采用污水本体模块进行处理诊断，所述定义域阈值是指来自数据采集层 的数据与数据库里面案例的数据的相似度，所述诊断结果是污水本体类和明确 的处理子类。
根据诊断结果提供完整的诊断信息和相应的本体类，使用户能通过激活污 水处理系统来选择污水处理方式，并使用户可以查询污水处理方式的具体原因。
所述方法还包含步骤：将获取到的在线传感器数据、离线测量数据和经过 计算的数据同专家系统的知识库相结合，分别形成：抽象的本体，其包括类、 方法、属性的定义;以用于专家系统推理的条件规则表示的知识;知识之间的 语义关系;和本体具体化后的知识点;所述污水本体是一个准确定义污水领域 所有术语的模型，该污水本体里最基础的分类是表现特殊属性及关系的对象， 该对象包括涉及的污水领域、决策支持，以及详细的微生物类别;所述本体、 知识、语义关系和知识点都单独存放，并相互链接。
所述污水规则库存放的以规则形式表示的知识，所述规则通过污水语义关 系的映射，将以条件规则形式的污水知识进行分解，形成一些有联系的关键字， 这些关键字和他们之间的关系存放在污水语义关系数据库中;关键字在污水本 体库中找到相应的本体，通过污水本体的实例化形成包含相关语义、属性和方 法的知识点，存放在污水实例库中;通过以上语义处理，污水规则库中的规则 就包含了语义;由于污水知识点是污水本体的实例化，污水知识库中的知识有 了明确的语义定义。
与现有技术相比，本发明的积极效果是：
(1)本发明通过引进污水本体和诊断积分器提高了决策-支持系统的可靠 性，重用和分享了污水知识，并且提高了整个系统的可移植性。污水专家系统 是通过计算机程序来模拟人类专家解决特定领域内的问题。这就需要专家系统 对于这个领域有着更深入的了解。其中包括了该领域内术语、概念、规则等之 间的语义关系。基于本体的污水决策-支持系统可以起到很好的规范作用，为系 统提供一套可共享的标准术语，人与机器都可以理解和应用，并以一种精确的、 没有歧义的方式定义术语的精确语义。
(2)本发明通过使数据采集层包括基于污水本体的知识库，将基于污水本 体的知识表示方式同专家系统的知识库相结合，使其包含四个部分：污水本体 库、污水规则库、污水语义关系库和污水实例库，可以从不同层次上给出词汇 之间相互关系的明确定义，使知识库通过一定的原则和方法，对杂乱、无序的信 息进行整序、优化，形成一个便于有效利用的系统，有利于污水知识的组织管理。
(3)污水专家系统已经开始得到越来越多的应用，并且包含的污水知识也 更加丰富。将污水本体引入专家系统有利于不同污水设施的专家系统进行交互 和知识共享，使新的污水专家系统创建过程更简单、有效。
下面结合附图对本发明的实施和优点作进一步解释。
