基于本體的建筑質(zhì)量管理規(guī)范建模與檢索研究

胡云忠， 駱漢賓， 鐘波濤， 胡海盟

(華中科技大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院， 湖北 武漢 430074)

建筑工程質(zhì)量管理規(guī)范是質(zhì)量管理的重要參考依據(jù)，在確保工程質(zhì)量中起著重要的作用。目前，建筑規(guī)范的組織編排主要是面向標(biāo)準(zhǔn)管理機構(gòu)，按照標(biāo)準(zhǔn)體系分類結(jié)構(gòu)進(jìn)行。對同一對象的相關(guān)要求規(guī)定分布在不同標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范條文中，這給規(guī)范條文在質(zhì)量管理中的應(yīng)用帶來了困難?，F(xiàn)場質(zhì)量管理人員需要依據(jù)經(jīng)驗，翻閱相關(guān)質(zhì)量管理手冊和規(guī)范。存在查閱工作量大，費時、易錯的問題。

已有建筑標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范管理信息系統(tǒng)(如我國的“工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)全文信息檢索系統(tǒng)”)提供基于分類體系的標(biāo)準(zhǔn)索引和導(dǎo)航服務(wù)，實現(xiàn)基于關(guān)鍵詞的檢索功能。但是基于關(guān)鍵詞的檢索機制常常難以有效表達(dá)監(jiān)控人員的檢索意圖。

本文在對規(guī)范條文蘊含的知識點進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，建立規(guī)范條文的本體，通過本體概念對規(guī)范條文進(jìn)行語義標(biāo)注，在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)基于本體的規(guī)范條文知識語義建模與檢索，并開發(fā)原型系統(tǒng)。

1 基于本體的規(guī)范條文知識建模

1.1 建筑工程質(zhì)量管理規(guī)范的知識建模分析

建筑工程質(zhì)量管理規(guī)范是對建筑實體在特定施工方法和資源下的建造過程以及最終實體質(zhì)量的規(guī)定。規(guī)范條文以章節(jié)目的層次結(jié)構(gòu)進(jìn)行組織，如圖1，《建筑地基基礎(chǔ)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范(GB 50202-2002)》-5.1.4[1]的條文內(nèi)容，最底層的條文通常由文字描述、圖表等組合而成，是對管理對象的約束和要求。規(guī)范條文知識可以分為兩部分內(nèi)容：情境信息、規(guī)范約束[2]。前者描述規(guī)范條文的情境信息，用來表達(dá)條文的適用條件；后者表達(dá)具體約束，包括幾何約束、材料性能、實體形態(tài)、力學(xué)參數(shù)等等。這些約束規(guī)定與工程實體(監(jiān)控對象)采用的資源、施工工藝方法等密切相關(guān)，所采用的施工方法、材料等資源不同，規(guī)范條文的規(guī)定和約束也不同。如在國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑地基基礎(chǔ)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范(GB 50202-2002)》中，存在關(guān)于各類樁的質(zhì)量驗收定量規(guī)范條文，這些驗收條文依據(jù)樁的類型，施工方法，材料等的不同而大有差別。

圖1 建筑地基基礎(chǔ)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范組織

目前，對相關(guān)規(guī)范條文的知識建模研究多針對條文的約束部分進(jìn)行。文獻(xiàn)[3，4]利用產(chǎn)生式規(guī)則表示質(zhì)量驗收規(guī)范條文。文獻(xiàn)[5]采用基于對象的模型方法來表達(dá)建筑設(shè)計和建筑規(guī)范。文獻(xiàn)[6]構(gòu)建XML語法的一階謂詞邏輯來表達(dá)規(guī)范文檔中的約束條文，并構(gòu)建語義標(biāo)簽用于邏輯關(guān)系表達(dá)和邏輯關(guān)系的流轉(zhuǎn)控制。但是，這些研究缺乏對規(guī)范條文間相互關(guān)聯(lián)關(guān)系的刻畫，對規(guī)范中情境信息的建模不夠，導(dǎo)致規(guī)范條文檢索中對情景信息的利用不充分。

1.2 基于本體的規(guī)范條文知識建模

本體(ontology)作為共享的形式化概念模型，清晰定義概念之間的關(guān)系，使得被刻畫的知識富含語義，具有良好的概念層次結(jié)構(gòu)和對邏輯推理的支持[7]，從而能夠克服上述規(guī)范條文知識建模的不足。國內(nèi)外研究者已經(jīng)在建筑工程知識管理、工程信息檢索、交換與集成等方面引入本體思想[8～10]。

情境信息的本體建模能夠推理情境信息間蘊含的隱性知識，使得隱性知識明晰化[11]。Zhu等(2007)指出通過構(gòu)建情境元數(shù)據(jù)模型來標(biāo)引信息，改善信息檢索效果[12]。文獻(xiàn)[13]針對建筑工程質(zhì)量監(jiān)控所基于的情境特征，采用基于情境的對象建模方法來表達(dá)質(zhì)量監(jiān)控規(guī)范。文獻(xiàn)[14]采用本體和語義技術(shù)來建模質(zhì)量監(jiān)控規(guī)范約束條文。文獻(xiàn)[15，16]利用本體建模情景信息以便對情景敏感的工程信息的管理。

本文借鑒上述方法，采用利用本體的方法來描述規(guī)范的情境信息，分別構(gòu)建質(zhì)量監(jiān)控對象、施工方法等本體，并以本體包含的具體概念、屬性、概念間的關(guān)系等為依據(jù)，對標(biāo)準(zhǔn)條文進(jìn)行語義標(biāo)注，使得被標(biāo)注的條文得以語義化的表達(dá)，形成規(guī)范條文語義標(biāo)注庫。同時，為了便于規(guī)范條文的多維度分類管理，縮小規(guī)范查找的搜索空間，建立諸如規(guī)范類型(地方、國家、行業(yè)、強制、推薦、技術(shù)、管理等)等本體用于條文的標(biāo)注。一方面，實現(xiàn)對規(guī)范條文的多維度分類組織；另一方面，標(biāo)注信息基于本體概念間的語義關(guān)系形成關(guān)聯(lián)，構(gòu)成對規(guī)范條文語義關(guān)聯(lián)檢索的基礎(chǔ)。

圖2 基于本體的規(guī)范條文語義建模示意

如圖2所示的規(guī)范條文語義建模框架，在對條文蘊含的知識點分析基礎(chǔ)上，從中抽取出諸如監(jiān)控對象，施工工藝等情境信息，并利用本體中的概念和關(guān)系，對這些信息進(jìn)行標(biāo)注。譬如，基于管理對象本體對“混凝土灌注樁質(zhì)量檢測規(guī)定”條文的語義標(biāo)注(以建筑地基基礎(chǔ)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范(GB 50202-2002)中條款5.1.4為例)。其標(biāo)注信息的取值分別是來自本體中的概念，這些取值可以看作是這些本體中概念的實例，通過標(biāo)注取值，將條文文本與本體進(jìn)行語義關(guān)聯(lián)，條文的語義標(biāo)注信息以本體實例的形式存儲為RDF文件。

2 本體的構(gòu)建與形式化表達(dá)

本體的建立是本框架中的一項重要內(nèi)容。面向建筑工程質(zhì)量管理領(lǐng)域，參照文獻(xiàn)[17]的方法，從相關(guān)的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范手冊中抽取相關(guān)的概念和術(shù)語，并在工程質(zhì)量管理領(lǐng)域?qū)＜业闹С窒?，?jīng)過不斷地精簡、提煉、補充、修改，形成基本的概念術(shù)語集，建立建筑工程質(zhì)量管理領(lǐng)域本體。進(jìn)一步，采用形式化的方法描述領(lǐng)域中概念的屬性，概念及概念之間的關(guān)系，以及對象的約束和實例等，任何實際的工程質(zhì)量管理信息都是這些質(zhì)量管理領(lǐng)域本體的實例。

以建筑地基基礎(chǔ)工程施工中的管理對象本體的構(gòu)建為例：

(1)確定建筑地基基礎(chǔ)工程這一領(lǐng)域后，參照已有的術(shù)語分類研究成果，如IFC[18]、OmniClass-IFD[19]等，從建筑地基基礎(chǔ)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范(GB 50202-2002)等工程質(zhì)量管理規(guī)范文檔中將重要術(shù)語概念羅列出來，作為本體建模中的關(guān)鍵概念。

(2)定義類和類層次及類之間的關(guān)系。類是本體的核心，是用于描述領(lǐng)域中關(guān)鍵概念的主要手段，而類之間的層次關(guān)系是類與類之間關(guān)系中的一種主要關(guān)系。根據(jù)對關(guān)鍵概念的分類進(jìn)行類的層次定義，如下圖3所示，對工程質(zhì)量管理對象本體的建立，參照IFC、OmniClass-IFD等術(shù)語分類，采取自上而下的方法，逐層向下建立子類。

(3)關(guān)系定義，屬性設(shè)置。概念間除了存在父類子類關(guān)系外，還存在各類關(guān)聯(lián)關(guān)系，包括排他關(guān)系disjoint(x，y)，同關(guān)系equivalent(x，y)等。這些關(guān)聯(lián)關(guān)系有明確的語義定義，如排他關(guān)系disjoint(x，y)，表示類x和另一個類y完全不相同，即x，y兩個類之間沒有共同的個體。在此基礎(chǔ)上，對類的屬性及屬性值和類的關(guān)系及關(guān)系值進(jìn)行約束。如下圖4所示，為利用本體編輯工具protégé3.4.6[20]構(gòu)建的施工方法本體分類片段。

圖3 管理對象本體類層次結(jié)構(gòu)示意

圖4 施工工藝本體分類片段

(4)本體的形式化表示。定義了類、類的層次關(guān)系及類的屬性后，要想在實際系統(tǒng)中運用本體，還必須將構(gòu)建的本體模型轉(zhuǎn)換成本體語言。OWL是W3C推薦的語義互聯(lián)網(wǎng)中本體描述語言的標(biāo)準(zhǔn)[21]，具有豐富的語義定義機制、語義和邏輯關(guān)系表達(dá)能力。選用邏輯推理能力強的OWL子語言O(shè)WL DL(description logics， 描述邏輯)形式化表示這些本體，并將這些本體分別存儲為.OWL文件。如下關(guān)于基樁的本體片段，包含父類子類、排他、同義等語義關(guān)系，OWL中使用owl:disjointWith屬性來描述這種排他關(guān)系。

3 規(guī)范條文語義檢索原型系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)在Windows XP環(huán)境下， 采用J2EE框架，在Eclipse平臺下開發(fā)，調(diào)用jena API進(jìn)行本體推理和語義查詢。原型系統(tǒng)采用三層體系結(jié)構(gòu)，如圖5。

圖5 檢索原型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

應(yīng)用層是jsp動態(tài)服務(wù)界面，用于接收查詢輸入和提供查詢詞的本體引導(dǎo)和推薦、呈現(xiàn)檢索結(jié)果、對規(guī)范條文的語義標(biāo)注和存儲以及對本體和拓展規(guī)則的維護(hù)等等；中間服務(wù)層(servlet、jena、推理機)承擔(dān)數(shù)據(jù)訪問、語義推理等工作。其中，jena插件主要負(fù)責(zé)對本體的OWL文件以及拓展規(guī)則文件的訪問和推理；數(shù)據(jù)庫服務(wù)層包含規(guī)范條文標(biāo)注庫、規(guī)則庫、本體庫等。

3.2 系統(tǒng)的實現(xiàn)

3.2.1本體的導(dǎo)入

采用Protege 3.4.6進(jìn)行質(zhì)量管理對象本體、施工工藝本體、施工材料本體等本體的構(gòu)建，并分別導(dǎo)出“.OWL”的本體文件。在檢索系統(tǒng)中以本體文件上傳的方式導(dǎo)入“.OWL”本體文件(如圖6)，從而構(gòu)成本體庫。這一方式便于利用專門的本體編輯工具管理本體，方便本體的更新維護(hù)。

圖6 本體文件的導(dǎo)入

3.2.2規(guī)范條文的本體標(biāo)注

條文標(biāo)注維護(hù)界面中提供系統(tǒng)中存在的本體概念詞匯以及關(guān)系，以供標(biāo)注人員在對相應(yīng)規(guī)范條文分析處理的基礎(chǔ)上，把規(guī)范條文知識和所建本體聯(lián)系起來。標(biāo)注條文以RDF文件信息存儲，分別構(gòu)成標(biāo)注庫和系統(tǒng)的規(guī)范條文庫。

系統(tǒng)提供條文標(biāo)注點的動態(tài)設(shè)置功能，條文標(biāo)注人員通過各標(biāo)注點的設(shè)置，對規(guī)范條文進(jìn)行多維度信息標(biāo)注。在條文標(biāo)注時，系統(tǒng)自動為各標(biāo)注點提供本體詞匯導(dǎo)航，支持以選中復(fù)選框的形式添加標(biāo)注信息。圖7所示為對質(zhì)量驗收條文的添加，在標(biāo)注條文的管理對象信息時，系統(tǒng)會自動根據(jù)所輸入的信息，提供本體中存在的管理對象相關(guān)本體概念詞匯以及關(guān)系以供選擇。條文標(biāo)注信息添加完畢后，系統(tǒng)將添加進(jìn)的標(biāo)注條文自動加入條文庫中。

圖7 質(zhì)量管理規(guī)范的條文標(biāo)注界面

3.2.3語義拓展規(guī)則的建立

為了實現(xiàn)規(guī)范條文的語義關(guān)聯(lián)檢索，系統(tǒng)定義語義查詢拓展規(guī)則，存儲在“語義查詢拓展規(guī)則.rules”文件中，形成語義查詢拓展規(guī)則庫。同時，系統(tǒng)支持對拓展規(guī)則的更新，在檢索系統(tǒng)中以規(guī)則文件上傳的方式導(dǎo)入“.rules”文件，從而構(gòu)成規(guī)則庫。與本體文件上傳的方式類似，選擇推理規(guī)則作為維護(hù)對象，在點擊瀏覽按鈕彈出的對話框中，選中目標(biāo)規(guī)則文件進(jìn)行上傳。系統(tǒng)所用語義查詢拓展規(guī)則及其含義如下圖8。

圖8 語義查詢拓展規(guī)則及其含義

3.2.4語義檢索

在進(jìn)行規(guī)范條文檢索時，輸入檢索語句，系統(tǒng)基于本體概念進(jìn)行自然語言切詞，并調(diào)用規(guī)則庫中的拓展規(guī)則，進(jìn)行語義查詢拓展，將拓展后的結(jié)果與標(biāo)注庫中的標(biāo)注信息進(jìn)行匹配。同時，基于本體中概念間的語義關(guān)系，將與檢索語句相關(guān)聯(lián)的概念以樹形目錄的形式反饋，從而實現(xiàn)基于本體的檢索導(dǎo)航。

用戶依據(jù)本體中語義關(guān)系的引導(dǎo)，泛化檢索條件，或者細(xì)化檢索條件，進(jìn)行檢索詞的調(diào)整，系統(tǒng)根據(jù)用戶調(diào)整后的檢索輸入，從標(biāo)注庫中將相應(yīng)的條文知識返回，同時將條文知識項的參照條文提交給用戶。如果在本體庫中找不到與檢索詞匹配的概念，則返回并提示用戶調(diào)整檢索策略。

以現(xiàn)澆混凝土樁施工現(xiàn)場對相關(guān)規(guī)范條文檢索為例，規(guī)范條文庫中存在與預(yù)制混凝土樁相關(guān)的條文，同時還存在“混凝土灌注樁基施工質(zhì)量驗收”、“沉管成孔灌注樁基施工技術(shù)規(guī)范”等條文。

基于關(guān)鍵詞進(jìn)行檢索時，輸入關(guān)鍵詞“混凝土樁”，則兩種不同的施工工藝的樁的條文都將被檢索出來。如果采用“現(xiàn)澆”和“混凝土”復(fù)合關(guān)鍵詞，則三條條文都將檢索不到?；谏鲜稣Z義拓展規(guī)則的語義檢索能夠克服上述關(guān)鍵詞檢索的弊端。系統(tǒng)在輸入自然語言檢索語句“關(guān)于現(xiàn)澆混凝土的規(guī)范條文”后，依據(jù)本體中的語義關(guān)系(現(xiàn)澆等同于灌注，但與預(yù)制互斥，而且灌注包含沉管成孔這一施工方法)，調(diào)用語義拓展規(guī)則，自動為用戶提供檢索導(dǎo)航，如圖9。根據(jù)語義拓展規(guī)則自動排除與預(yù)制混凝土樁相關(guān)條款，檢索出“混凝土灌注樁基施工質(zhì)量驗收條文”、“沉管成孔注樁基施工技術(shù)規(guī)范”兩個目標(biāo)條文，檢索結(jié)果如圖10所示。

圖9 檢索導(dǎo)航界面

圖10 “關(guān)于現(xiàn)澆混凝土的規(guī)范條文”檢索結(jié)果

4 結(jié) 語

在建筑工程質(zhì)量管理的過程中涉及大量管理規(guī)范條文，本文研究規(guī)范條文的語義建模與檢索技術(shù)，所提出的方法在一定程度上解決了傳統(tǒng)規(guī)范建模中存在的無法表達(dá)規(guī)范語義關(guān)聯(lián)的問題，并且基于本體的條文檢索還可以幫助質(zhì)量管理人員更加準(zhǔn)確的查找分散在規(guī)范文本中的相關(guān)條文。

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