斜拉橋智能施工控制專家系統(tǒng)推理機(jī)設(shè)計(jì)*

滕 陽(yáng)，袁帥華

(湖南科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，湘潭 411201)

斜拉橋智能施工控制專家系統(tǒng)推理機(jī)設(shè)計(jì)*

滕 陽(yáng)，袁帥華

(湖南科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，湘潭 411201)

斜拉橋施工控制是斜拉橋施工過程中的關(guān)鍵技術(shù)問題.本文在以往橋梁施工控制專家系統(tǒng)研究的基礎(chǔ)之上，討論了斜拉橋智能施工控制專家系統(tǒng)的推理方式、控制策略、推理規(guī)則群；對(duì)斜拉橋智能施工控制專家系統(tǒng)中的推理機(jī)制進(jìn)行了設(shè)計(jì)，具體包括推理性知識(shí)的預(yù)處理、推理預(yù)處理、正向推理方法、沖突消解策略方法.結(jié)果表明，設(shè)計(jì)達(dá)到了推理靈活、高效以及推理結(jié)果可靠的效果，可以基于它來構(gòu)建智能斜拉橋施工控制專家系統(tǒng). 關(guān)鍵詞：斜拉橋施工控制；推理機(jī)；推理方式；控制策略；系統(tǒng)

斜拉橋結(jié)構(gòu)受力體系復(fù)雜，結(jié)構(gòu)狀態(tài)影響因子眾多，而且隨著懸臂長(zhǎng)度的增加，結(jié)構(gòu)狀態(tài)越來越敏感，一個(gè)微小的因素都能造成較大的不利影響[1].為解決斜拉橋復(fù)雜的施工控制問題，目前應(yīng)用于橋梁施工控制的專家系統(tǒng)得到了應(yīng)用，但是實(shí)踐證明，系統(tǒng)如今還存在著幾大突出的問題：第一，推理過程的單調(diào)：專家系統(tǒng)缺乏常識(shí)的推理，推理方法固定、單調(diào)，這種運(yùn)用知識(shí)的推理方式及推理的控制策略并不符合人類的思維方式；第二，實(shí)時(shí)性差：對(duì)于復(fù)雜的推理，推理中間步驟多，導(dǎo)致搜索空間大，系統(tǒng)推理漫無目的，推理速度慢，效率低，實(shí)時(shí)診斷的要求難以實(shí)現(xiàn)[2].

推理機(jī)是智能專家系統(tǒng)的智庫(kù)，在回答用戶問題的推理過程中合理的選擇知識(shí)以及充分利用知識(shí)是推理機(jī)制的主要工作，它是整個(gè)專家系統(tǒng)運(yùn)行的核心部分.鑒此，本文對(duì)推理機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)，旨在提高系統(tǒng)的推理靈活性、效率以及推理結(jié)果的可靠性，使專家系統(tǒng)能夠勝任斜拉橋的智能施工控制.

1 推理機(jī)制

1.1 模塊配合

圖1 系統(tǒng)推理機(jī)與其它模塊配合工作過程

1.2 推理方式選擇

如何恰當(dāng)?shù)倪x擇知識(shí)和充分的利用知識(shí)是推理機(jī)所要解決的問題，推理知識(shí)的運(yùn)用模式叫做推理方式.

(1)演繹推理：三段式演繹推理中的大前提是包含具體的事物和事物本身具有的規(guī)律，小前提是事物的屬性或者類別，結(jié)論就是大前提中事物的具體規(guī)律，由于個(gè)體包含于普遍，只要同類事物共有的屬性，然則普通中每一個(gè)個(gè)體事物一定擁有相同的屬性[3].

例如：斜拉橋施工過程中要進(jìn)行索力和標(biāo)高雙控(大前提)，如皋長(zhǎng)江大橋是斜拉橋(小前提)，所以如皋長(zhǎng)江大橋施工控制過程中要進(jìn)行索力和標(biāo)高雙控(結(jié)論).

(2)歸納推理：和演繹推理恰恰相反，歸納推理是個(gè)別到一般的思維過程，從樣本范圍足夠大的事物中歸納推理出一般性結(jié)論.其推理的一般形式可以表示如下[4]：

S1具有屬性P；S2具有屬性P；……；Sn具有屬性P.Sn是S的全部對(duì)象；所以，所有S具有屬性P.這里S1……Sn是個(gè)體的代稱，P表示的是事物屬性的謂詞.

例如：論證“斜拉橋梁段混凝土實(shí)際彈性模量大于理論彈性模量”：

01#塊砼實(shí)測(cè)彈性模量大于理論彈性模量

02#塊砼實(shí)測(cè)彈性模量大于理論彈性模量

03#塊砼實(shí)測(cè)彈性模量大于理論彈性模量 ……論據(jù)(前提)

01#、02#、03#都是斜拉橋主梁懸臂施工時(shí)的幾個(gè)梁段

所以說斜拉橋主梁砼實(shí)際彈性模量大于理論彈性模量 ……論點(diǎn)(結(jié)論)

(3)默認(rèn)推理：也叫缺省推理，默認(rèn)推理其實(shí)也可以歸納為不確定性推理，它是在某些條件已經(jīng)成立的條件下，假設(shè)推理所需的另一些條件也成立，而推導(dǎo)得出某一結(jié)論，推理過程的特點(diǎn)是知識(shí)不完備，但推理出的結(jié)論比較可靠[3].

例如：有這樣一個(gè)事實(shí)，某斜拉橋主梁澆筑的混凝土采用的是C55號(hào)混凝土，那么“主梁混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度值為35.5 MPa”.這個(gè)結(jié)論是對(duì)的—當(dāng)這么認(rèn)為時(shí)，其實(shí)沒有考慮混凝土在不同齡期的強(qiáng)度是不同的，比如7天齡期的C55混凝土軸心抗壓強(qiáng)度為標(biāo)準(zhǔn)值的80%～90%，之所以認(rèn)為這一結(jié)論是對(duì)的，這是因?yàn)檫@個(gè)結(jié)論省略了一些東西，比如補(bǔ)充完整后“28天齡期的C55混凝土軸心抗壓強(qiáng)值為35.5 MPa”，其中28天齡期就是這一結(jié)論的缺省成分，這一成分對(duì)這一結(jié)論起到了決定性的作用，但是幾乎沒有注意到它.類似這樣的缺省值參與的、構(gòu)成高級(jí)認(rèn)知過程的推理，就叫默認(rèn)推理.

1.3 推理控制策略選擇

專家系統(tǒng)推理的控制策略指的是，在被求解問題確定了適用的推理方法情況下，實(shí)現(xiàn)該推理方法的一種“手段”或者叫“步驟”，控制策略的選擇體現(xiàn)了推理的思路和過程[5].

(1)正向推理：也叫做數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)控制策略，其思想是從用戶提供的已經(jīng)發(fā)生的事實(shí)出發(fā)，在知識(shí)庫(kù)中搜索匹配能夠利用的知識(shí)，查找到知識(shí)后放在用于存放知識(shí)的數(shù)據(jù)庫(kù)中，構(gòu)成使用知識(shí)集，最后按某種沖突消解策略規(guī)則從中挑選一條知識(shí)推理，同時(shí)將推理得到的間接新事實(shí)存入到動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)中供下一步的推理使用，直至退出最終的結(jié)論.

(2)沖突消解策略：推理機(jī)必然要在知識(shí)庫(kù)和數(shù)據(jù)庫(kù)中檢索需要的知識(shí)或者證據(jù)，通常匹配的知識(shí)或證據(jù)存在著很多條，因此專家系統(tǒng)必須要從中選出一條最合適的進(jìn)行推理.沖突消解的任務(wù)是解決沖突，提高專家系統(tǒng)的工作效率[6].最簡(jiǎn)單的沖突消解辦法就是將知識(shí)根據(jù)具體事物的特點(diǎn)從不同的角度出發(fā)進(jìn)行優(yōu)先級(jí)排序，主要從知識(shí)準(zhǔn)確性排序、次序排序、規(guī)模排序、就近排序、頻率排序、隨機(jī)排序、內(nèi)容排序等7方面進(jìn)行優(yōu)先級(jí)排序.

1.4 推理規(guī)則群

斜拉橋智能施工控制專家系統(tǒng)規(guī)則群主要分為四大類：一類是誤差分析規(guī)則群，按照規(guī)則群內(nèi)的規(guī)則將理論值與實(shí)測(cè)值進(jìn)行比較和判斷，再進(jìn)行計(jì)算和分析，最終推導(dǎo)得出結(jié)論；第二類是參數(shù)識(shí)別規(guī)則群，在理論分析計(jì)算的基礎(chǔ)上，結(jié)合領(lǐng)域?qū)＜邑S富的經(jīng)驗(yàn)建立起來的，在施工過程中實(shí)現(xiàn)參數(shù)的自動(dòng)識(shí)別與調(diào)整，用戶能夠進(jìn)行參數(shù)的調(diào)整，實(shí)現(xiàn)參數(shù)的自適應(yīng)控制過程；第三類是施工過程調(diào)整規(guī)則群，系統(tǒng)按照領(lǐng)域?qū)＜以O(shè)定好的誤差控制范圍，做出是否對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)參數(shù)、主梁標(biāo)高(含立模標(biāo)高)和張拉索力的大小進(jìn)行調(diào)整的判斷；第四類是智能預(yù)警規(guī)則群，事實(shí)準(zhǔn)確地跟蹤測(cè)點(diǎn)觀測(cè)值的變化，進(jìn)行綜合分析判斷，及時(shí)反饋橋梁施工狀態(tài)的最新安全狀態(tài).

2 推理機(jī)設(shè)計(jì)

2.1 實(shí)現(xiàn)技術(shù)

以Microsoft Visual Studio2010作為開發(fā)平臺(tái)，開發(fā)框架如圖2所示；Visual C++作為開發(fā)語言；數(shù)據(jù)庫(kù)訪問采用Microsoft ADO.NET技術(shù)，數(shù)據(jù)庫(kù)訪問構(gòu)架如圖3所示[7].

2.2 知識(shí)預(yù)處理

斜拉橋智能施工控制系統(tǒng)采用集成表示法.集成表示的方法由對(duì)象—規(guī)則—過程(機(jī)器代碼或者文本知識(shí))組成的類框架[8].即知識(shí)問題由一個(gè)框架表示，其中基本性質(zhì)由對(duì)象描述，性質(zhì)之間的相互聯(lián)系由規(guī)則表示，求解性質(zhì)過程中需要調(diào)用的函數(shù)或者文本知識(shí)由過程表示，其具體預(yù)處理方法見表4和表5.

圖2 VS2010開發(fā)框架圖

圖3 數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)架圖

2.3 推理預(yù)處理

在斜拉橋施工控制專家系統(tǒng)中，推理機(jī)的設(shè)計(jì)主要涉及推理預(yù)處理下面以索力預(yù)警規(guī)則推理預(yù)處理過程為例進(jìn)行介紹.表1表示索力預(yù)警規(guī)則(Δ表示索力誤差百分比).

表1 索力預(yù)警規(guī)則預(yù)處理前

上述規(guī)則表達(dá)式如果用程序代碼編寫時(shí)相當(dāng)繁瑣，且在任意匹配成功后3個(gè)規(guī)則時(shí)，都要執(zhí)行“預(yù)警標(biāo)識(shí)”.為此，在設(shè)計(jì)系統(tǒng)知識(shí)庫(kù)中的規(guī)則時(shí)，通過一些符號(hào)將前提條件中的表達(dá)式及其結(jié)論中的表達(dá)式匯總簡(jiǎn)化，如對(duì)上例可用表2方法進(jìn)行預(yù)處理，符號(hào)的含義存放在CWMODEL.KBF中.

表2 索力預(yù)警規(guī)則預(yù)處理

系統(tǒng)在推理過程中，首要步驟是依據(jù)基本事實(shí)對(duì)這些證據(jù)符號(hào)求值，當(dāng)系統(tǒng)檢索匹配規(guī)則前提時(shí)，自動(dòng)從證據(jù)表中獲取所需的知識(shí)，因此避免了重復(fù)計(jì)算步驟，效率得到提高[9].

表3 索力預(yù)警規(guī)則預(yù)處理后

2.4 正向推理算法

下面以Cable Force Early WarningLevel(索力預(yù)警等級(jí))求解目標(biāo)為例，說明正向推理的具體過程.

假設(shè)有基本事實(shí)：Cable Force=TURE()；CFEWL=TURE；KBFNAME.KBF中含有知識(shí)庫(kù)文件LS.KBF和WL.KBF；求解目標(biāo)：Cable Force Early Warning Level(CFEWL)；其中，知識(shí)庫(kù)文件LS.KBF和WL.KBF的具體內(nèi)容如下：

表4 知識(shí)庫(kù)LS.KBF內(nèi)容

假如經(jīng)過上述推理預(yù)處理后，有如下事實(shí)，Cable Force=TURE()；KK02=TURE()；CFEWL=TURE()；PP02=TURE().則正向推理的具體求解過程如表6所示：

2.5 沖突消解策略方法

在斜拉橋智能施工控制專家系統(tǒng)中，在框架【一般屬性】中添加了【規(guī)則驅(qū)動(dòng)槽】，所有規(guī)則與規(guī)則編號(hào)建立起相互的聯(lián)系，在相應(yīng)的規(guī)則中添加了一個(gè)規(guī)則優(yōu)先級(jí)，領(lǐng)域?qū)＜铱梢愿鶕?jù)自身的施工控制經(jīng)驗(yàn)對(duì)這些規(guī)則優(yōu)先級(jí)進(jìn)行賦值，本文優(yōu)先級(jí)采用(0,100]的數(shù)值來進(jìn)行級(jí)別高低的劃分，優(yōu)先級(jí)數(shù)值越大表示優(yōu)先級(jí)越高，反之越低.在推理過程中，如果系統(tǒng)匹配了【規(guī)則驅(qū)動(dòng)要求】的規(guī)則前提后，系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)用優(yōu)先級(jí)較高的規(guī)則，進(jìn)行問題的求解，按照優(yōu)先級(jí)順序高低依次調(diào)用，直至問題求解成功.這樣一來，系統(tǒng)的推理效率就得到了提高.

例如：在斜拉橋索力預(yù)警中，通常在施工過程中索力誤差值率都控制在5%以內(nèi)，即使索力出現(xiàn)了預(yù)警，一般情況下也是較小的偏差，誤差率在5%～10%.因此根據(jù)以上的施工控制經(jīng)驗(yàn)，在進(jìn)行索力預(yù)警等級(jí)規(guī)則進(jìn)行優(yōu)先級(jí)劃分時(shí)，規(guī)則RULE001/規(guī)則優(yōu)先級(jí)：100；規(guī)則RULE002/規(guī)則優(yōu)先級(jí)：90；規(guī)則RULE002/規(guī)則優(yōu)先級(jí)：70；規(guī)則RULE004/規(guī)則優(yōu)先級(jí)：50.

表5 知識(shí)庫(kù)WL.KBF內(nèi)容

另外，系統(tǒng)在規(guī)則中擴(kuò)展了“規(guī)則前提相關(guān)”與“規(guī)則結(jié)論相關(guān)”兩個(gè)規(guī)則項(xiàng)槽，同樣可以縮小知識(shí)檢索的范圍，系統(tǒng)的推理效率進(jìn)一步得到了提高.

表6 正向推理過程

3 結(jié)論

本文在以往橋梁施工控制專家系統(tǒng)研究的基礎(chǔ)之上，對(duì)斜拉橋施工控制專家系統(tǒng)推理機(jī)制進(jìn)行了設(shè)計(jì)，提高了系統(tǒng)的推理效率與推理靈活性，推理結(jié)果也穩(wěn)定可靠，能夠滿足智能化施工控制的需要，為開發(fā)斜拉橋智能施工控制專家系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ).

[1] 徐郁峰.大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋施工控制理論與核心技術(shù)研究及軟件開發(fā)[D].華南理工大學(xué)博士學(xué)位論文，2004.

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The Reasoning Mechanism Design of Intelligent Construction Control Expert System of Cable-stayed Bridges

TENG Yang，YUAN Shuai-hua

(School of Civil Engineering, Hunan University of Science and Technology, Xiangtan 411201, China)

The cable-stayed bridge construction control is key technology in the process of project. This paper discusses the reasoning, control strategy and reasoning rule group of intelligent cable-stayed bridge construction control expert system(ICBCCES) based on the expert’s previous researches on systematic bridge construction. It designs the inference mechanisms in the ICBCCES, including reasoning knowledge pretreatment, reasoning pretreatment, forward reasoning method and conflict resolution method. The results show that the design is flexible, efficient, and reliable. It can be used to construct ICBCCES.

construction controlof cable-stayed bridge; inference engine; reasoning; control strategy; system

2016-05-09

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51078197)，湖南省高校創(chuàng)新平臺(tái)開放基金資助項(xiàng)目(09K083).

滕 陽(yáng)(1991-)，男，碩士研究生，研究方向：橋梁工程.

U445.7+2

通迅作者：袁帥華(1974-)，博士，男，副教授，研究方向：大跨度橋梁施工控制.