专家系统在建设工程施工中的应用.pdf

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专家系统在建设工程施工中的应用同济大学建设管理与房地产系曹吉鸣孙月飞2005年4月 主要内容1.绪论2.专家系统的基本概念和原理3.专家系统的建造方法4.专家系统的实施5.专家系统应用实例 1.绪论„国外专家系统在一些行业都有着广泛的应用，这些行业主要包括国防科技、机械制造、电子、医学、农业等，其他行业也有着不同程度的应用。„在国内应用较多的行业主要是国防、农业和机械制造业，而且正处于快速发展阶段，也有一部分半商品化的产品。 研究专家系统在工程施工中应用的作用和意义„有助于在工程质量管理领域应用和推广稀缺的专家知识；„有助于提高工程质量管理人员运用专家知识解决实际工程质量问题的能力；„切实将计算机领域已经取得的先进成果与工程的质量管理相结合，提高应用专家系统方面的管理效率和水平；„可以为在建筑工程质量管理领域内应用更新、更高的先进管理和应用技术奠定良好的基础。 2.专家系统的概念和原理专家系统的概念„专家系统主要指的是一个智能计算机程序系统，其内部含有大量的某个领域专家水平的知识与经验，能够利用人类专家的知识和解决问题的经验方法来处理该领域的高水平难题。„“一种智能的计算机程序，它运用知识和推理来解决只有专家才能解决的复杂问题”。也就是说，专家系统是一种模拟（Emulate）人类专家决策能力的计算机程序系统。——Edward Feigenbabum 专家系统与传统程序的差别比较方面传统程序专家系统编程思想依据某一算法依据启发式方法编程方法知识使用和知识本身混合在一知识和知识的使用相分离起处理对象数量值符号量执行过程顺序方式或批处理方式执行人机交互方式执行可修改性难修改，须改动整个程序并重易修改，只须改动知识库新编译执行中解释不能可能结论正确，不容许不确定性满意，允许不确定性 专家系统的结构专家知识知识库输入或提问答案推理机 理想专家系统的结构 专家系统的主要组成部分（1）„知识库（Knowledge base）知识库用于存储某领域专家系统的专门知识，包括事实、可行的操作与规则等；„综合数据库（Global database）综合数据库又称全局数据库或总数据库，它用于存储领域或问题的初始数据和推理过程中得到的中间数据（信息），即被处理对象的一些当前事实； 专家系统的主要组成部分（2）„推理机（Reasoning machine）推理机用于记忆所采用的规则和控制策略的程序，使整个专家系统能够以逻辑方式协调地工作。„解释器（Explicator）解释器能够向用户解释专家系统的行为，包括解释推理结论的正确性以及系统输出其它候选解的原因。„接口（Interface）接口又称界面，它能够使系统与用户进行对话，使用户能够输入必要的数据、提出问题和了解推理过程及推理结果等。 专家系统的类型（1）„解释专家系统（expert system for interpretation）„预测专家系统（expert system for prediction) „诊断专家系统（expert system for diagnosis）„设计专家系统（expert system for design）„规划专家系统（expert system for planning） 专家系统的类型（2）„监视专家系统（expert system for monitoring）„控制专家系统（expert system for control）„调试专家系统（expert system for debugging）„教学专家系统（expert system for instruction）„修理专家系统（expert system for repair） 3. 专家系统的建造方法专家系统作为计算机软件,其建造方法可以分成以下三种:ƒ利用计算机高级语言编写建造专家系统ƒ利用计算机程序设计环境编写建造专家系统ƒ利用计算机程序设计工具建造专家系统 利用计算机高级语言编写建造专家系统„编写建造专家系统的计算机高级语言主要包括LISP语言和PROLOG 语言„除了LISP语言和PR0LOG语言以外,一些高级语言,如BASIC语言,FORTRAN言,PASCAL语言,FORTH语言和C语言等也被一些专家系统所采纳,用于编写专家系统运算程序和专家系统接口程序等。 利用计算机高级语言编写建造专家系统的若干步骤:„确立专家系统题目和运行可行性分析„专家系统总体设计„知识获取„专家系统逻辑设计„专家系统实现„专家系统测试与评价„专家系统使用与维护 利用计算机程序设计环境编写建造专家系统ƒ计算机程序设计环境是由若干计算机子程序或者模块组成的计算机程序设计软件系统。ƒ计算机程序设计环境的子程序或者模块通常由计算机高级语言编写,用于解决特殊范围或层次的问题,软件系统开发者可以利用这些子程序或者模块开发出相应专业领域的计算机软件系统。 编写和建造专家系统的计算机程序设计环境„LISP程序设计环境„PROLOG程序设计环境„OPS程序设计环境„Smlltalk程序设计环境„C+ +程序设计环境„Eiffel程序设计环境„其他(如天马专家系统开发环境 利用计算机程序设计工具建造专家系统建造专家系统的计算机程序设计工具称作专家系统工具(ES Tool)或者专家系统外壳(ES Shell),专家系统工具和专家系统外壳实质上是一个知识库管理系统,只要建立了知识库,就能够得到该知识库领域的专家系统。所以,利用专家系统工具或者专家系统外壳建造专家系统更适合于专业技术人员建造应用专家系统的需要,成为专业技术人员开发专家系统的首选方法。 专家系统工具和专家系统外壳专家系统工具/外壳按照它们的功能可以划分成两种类型:ƒ骨架型ƒ通用型 典型的专家系统工具/外壳外壳名称开发者开发工具应用举例KEE 美国IntelliCorp公LISP施工安全管理施工安全管理专司专家系统家系统HowsafeESE美国IBM公司Pascal桥梁构造设计专家系统BTEXPERTThe Deciding 美国Power UP软件不详施工安全管理专家Factor公司，.系统Campbell, +美国LEVEL Five PASCAL屋架设计专家系统Research公司RTEXPERT煤矿操作分析专家系统Dustpro 选择专家系统工具/外壳时考虑因素ƒ专家系统工具/外壳的适用范围ƒ专家系统工具/外壳的支撑环境(硬件(微机/计算机系统/AI机)和操作系统)ƒ专家系统工具/外壳的允许最多规则数目/知识库容量ƒ专家系统工具/外壳解决/回签问题的反应时间ƒ专家系统工具/外壳控制策略和推理机制 ƒ专家系统工具/外壳的用户界面(如图形,自然语方言进程等)ƒ专家系统工具/外壳处理复杂数学过程的能力ƒ专家系统工具/外壳与外部程序(相同/不同语言编写的)接口能力)ƒ专家系统工具/外壳辅助能力(编辑,调试,帮助工具等) ƒ专家系统工具/外壳的可移值性 建立专家系统的原则„遵循质量管理的基本概念和原理„考虑与投资和进度的相互关系„可集成性、可扩展性、兼容性和开放性„针对性，即专门选择那些要求专家参与度高的地方以及具有可操作性的领域„建立统一的公共数据库 4. 专家系统的实施专家系统应用的范围„贯穿工程质量管理的各个过程的应用„涉及影响工程质量的各个因素的应用„涉及质量管理的各个主体的应用„工程质量管理中所使用的各种管理方法的应用 专家系统应用的类型„诊断专家系统„设计专家系统„规划专家系统„监视专家系统„控制专家系统„调试专家系统 专家系统实施的困难„缺乏有效获取领域专家知识的手段„专家知识又存在主观性，不确定性（部分正确）等问题，为工程质量管理专家系统的建立带来了困难„受建设工程领域技术经济条件的限制„专家系统本身的技术还不够成熟 专家系统实施的总体结构 5. 专家系统的应用___现浇钢筋混凝土裂缝诊断专家系统现浇钢筋混凝土裂缝诊断专家系统概念专家系统是人工智能方法最广泛的应用之一。建筑工程施工专家系统是目前建筑工程施工管理的先进技术,建筑工程施工中的许多施工方案的确定都够利用建筑工程施工专家系统得以解决。 现浇钢筋混凝土结构由于具有较好的结构整体性,所以被广泛采用,然而,现浇钢筋混凝土极易出现裂缝,这不但影响混凝土结构的观瞻,而且还可能影响混凝土结构的质量。用户知识库系统现浇钢筋混凝土裂缝诊断知识库图 现浇钢筋混凝土裂缝诊断专家系统概念构成 现浇钢筋混凝土裂缝诊断专家系统基本功能„向用户提问有关混凝土裂缝有关的事实，包括一般的事实和程序发现的其他需要补充的信息。„运用用户提供的事实进行推理，给出混凝土裂缝形成的原因。„对混凝土裂缝形成的原因能够作出具体的解释。„对用户已经使用过的成功例子进行总结，放入程序自己的事实数据库中，使其不断扩充和更新。 裂缝诊断专家系统的功能模型„诊断子系统：通过用户直接提供的信息和补充信息给出构件裂缝形成的原因。„知识库子系统：对知识进行编辑、存储、检索、编排、添加、删除以及检索等。 裂缝诊断专家系统的结构混凝土裂推理机构知识库管理系统知识工程师缝知识库裂缝专家1 混凝土裂缝裂缝专家2 混凝土裂知识获取缝事实规则正、反向推理裂缝专家n 用户接口查询用户混凝土裂缝诊断结果报告生成推理说明混凝土裂缝形成原因推理说明 裂缝诊断的具体原因裂缝诊断的原因结构外力有关原因材料相关的原施因工有关的原因使用环境和使用条件关的原因其他原因