专家系统在建设工程施工中的应用

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1、专家系统在建设工程施工中的应用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月主要内容主要内容1.1.绪论绪论 2.2.专家系统的基本概念和原理专家系统的基本概念和原理 3.3.专家系统的建造方法专家系统的建造方法 4.4.专家系统的实施专家系统的实施 5.5.专家系统应用实例专家系统应用实例 1.绪论绪论 n国外专家系统在一些行业都有着广泛的应用,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、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医学、农业等,其他行业也有着不同程度的应用。用

2、。n在国内应用较多的行业主要是国防、农业和机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。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研究专家系统在工程施工中应用的作用和意义 n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在工程质量管理领域应用和推广稀缺的专家知识 ;n有助于提高工程质量管理人员运用专家知识解决实际工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程质量问题的能力 ;n切实将计算机领域已经取得的先进成果与工程的质量管切实将计算机领域已经取得的先

3、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理相结合,提高应用专家系统方面的管理效率和水平 ;n可以为在建筑工程质量管理领域内应用更新、更高的先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和原理 n专家系统主要指的是一个智能计算机程序系统,其内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利用人类专家的知识和解决问题的经验方法来处理

4、该领域的高水平难题。领域的高水平难题。 n“一种智能的计算机程序,它运用知识和推理来解决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只有专家才能解决的复杂问题”。也就是说,专家系。也就是说,专家系统是一种模拟(统是一种模拟(EmulateEmulate)人类专家决策能力的计算机人类专家决策能力的计算机程序系统。程序系统。 Edward Feigenbabum Edward Feigenbabum 2.12.1专家系统的概念专家系统的概念比较方面比较方面传统程序传统程序专家系统专家系统编程思想编程思想依据某一算法依据某一算法依据启发式方法依据启发式方法编程方法编程方法知

5、知识识使使用用和和知知识识本本身身混混合合在在一一起起知识和知识的使用相分离知识和知识的使用相分离处理对象处理对象数量值数量值符号量符号量执行过程执行过程顺序方式或批处理方式执行顺序方式或批处理方式执行人机交互方式执行人机交互方式执行可修改性可修改性难难修修改改,须须改改动动整整个个程程序序并并重重新编译新编译易修改,只须改动知识库易修改,只须改动知识库执行中解释执行中解释不能不能可能可能结论结论正确,不容许不确定性正确,不容许不确定性满意,允许不确定性满意,允许不确定性2.22.2专家系统与传统程序的差别专家系统与传统程序的差别 2.32.3专家系统的特点专家系统的特点 n透明性透明性 n

6、启发性启发性 n不确定性推理不确定性推理n符号操作符号操作n灵活性灵活性2.42.4专家系统的结构专家系统的结构 知识库知识库推理机推理机专家知识专家知识输入或提问输入或提问答案答案理想专家系统的结构理想专家系统的结构 2.52.5专家系统的主要组成部分专家系统的主要组成部分 (1)n知识库知识库(Knowledge base)知识库用于存储某领知识库用于存储某领域专家系统的专门知识,包括事实、可行的操作域专家系统的专门知识,包括事实、可行的操作与规则等;与规则等; n综合数据库综合数据库(Global database)综合数据库又称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全

7、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)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;,即被处理对象的一些当前事实; 专家系统的主要组成部分专家系统的主要组成部分 (2 2)n推理机推理机(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。 n解释器解释器(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。n接口接口(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

8、必要的数据、提出问题和了解推理过程及推理结果等。 2.62.6专家系统的类型(专家系统的类型(1 1) n解释专家系统(expert system for interpretation) n预测专家系统(expert system for prediction) n诊断专家系统(expert system for diagnosis) n设计专家系统(expert system for design) n规划专家系统(expert system for planning) 专家系统的类型(专家系统的类型(2 2)n监视专家系统监视专家系统(expert system for monitorin

9、gexpert system for monitoring)n控制专家系统控制专家系统(expert system for controlexpert system for control) n调试专家系统调试专家系统(expert system for debuggingexpert system for debugging)n教学专家系统教学专家系统(expert system for instructionexpert system for instruction) n修理专家系统修理专家系统(expert system for repairexpert system for repai

10、r)3.3. 专家系统的建造方法专家系统的建造方法 专家系统作为计算机软件专家系统作为计算机软件, ,其建造方法可以分成以下三其建造方法可以分成以下三种种: :利用计算机高级语言编写建造专家系统利用计算机程序设计环境编写建造专家系统利用计算机程序设计工具建造专家系统 3.13.1利用计算机高级语言编写建造专家系统利用计算机高级语言编写建造专家系统 n编写建造专家系统的计算机高级语言主要包括编写建造专家系统的计算机高级语言主要包括LISPLISP语语言和言和PROLOG PROLOG 语言语言 n除了除了LISPLISP语言和语言和PR0LOGPR0LOG语言以外语言以外, ,一些高级语言一些高

11、级语言, ,如如BASICBASIC语言语言, ,FORTRANFORTRAN言言, ,PASCALPASCAL语言语言, ,FORTHFORTH语言和语言和C C语语言等也被一些专家系统所采纳言等也被一些专家系统所采纳, ,用于编写专家系统运用于编写专家系统运算程序和专家系统接口程序等。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利用计算机高级语言编写建造专家系统的若干步骤: : n确立专家系统题目和运行可行性分析确立专家系统题目和运行可行性分析n专家系统总体设计专家系统总体设计n知识获取知识获取n专家系统逻辑设计专家系统逻辑设计n专家系统实现专家系统实现n专家

12、系统测试与评价专家系统测试与评价n专家系统使用与维护专家系统使用与维护3.23.2利用计算机程序设计环境编写建造专家系统利用计算机程序设计环境编写建造专家系统 计算机程序设计环境的子程序或者模块通常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由计算机高级语言编写,用于解决特殊范围或层次的用于解决特殊范围或层次的问题问题,软件系统开发者可以利用这些子程序或者模块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。开发出相应专业领域的计算机软件系统。 计算机程序设计环境是由若干计算机子程序或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

13、系统。者模块组成的计算机程序设计软件系统。编写和建造专家系统的计算机程序设计环境编写和建造专家系统的计算机程序设计环境 nLISPLISP程序设计环境程序设计环境 nPROLOGPROLOG程序设计环境程序设计环境 nOPSOPS程序设计环境程序设计环境 nSmlltalkSmlltalk程序设计环境程序设计环境 nC+ +C+ +程序设计环境程序设计环境 nEiffelEiffel程序设计环境程序设计环境 n其他其他( (如天马专家系统开发环境如天马专家系统开发环境 3.33.3利用计算机程序设计工具建造专家系统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

14、建造专家系统的计算机程序设计工具称作专家系统工具工具( (ES Tool)ES Tool)或者专家系统外壳或者专家系统外壳( (ES Shell),ES Shell),专家系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, ,只要建立了知识库只要建立了知识库, ,就能够得到该知识库领域的专家系就能够得到该知识库领域的专家系统。统。 所以所以, ,利用专家系统工具或者专家系统外壳建造专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家系统更适合于专业技术人员建造应用专家系统的需要要, ,成为专业技术人员开发专

15、家系统的首选方法。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和专家系统外壳 专家系统工具专家系统工具/ /外壳按照它们的功能可以划分成外壳按照它们的功能可以划分成两种类型两种类型: :骨架型骨架型 通用型通用型 典型的专家系统工具典型的专家系统工具/ /外壳外壳外壳名称外壳名称 开发者开发者 开发工具开发工具 应用举例应用举例 KEE KEE 美国美国IntelliCorpIntelliCorp公公司司 LISPLISP施工安全管理施工安全管理专家系统专家系统 施工安全管理专家施工安全管理专家系统系统Howsafe Howsafe ESEESE美国美国IBM

16、IBM公司公司PascalPascal桥梁构造设计专家桥梁构造设计专家系统系统BTEXPERTBTEXPERTThe Deciding The Deciding FactorFactor美国美国Power UPPower UP软件软件公司,公司,A.N.A.N.不详不详施工安全管理专家施工安全管理专家系统系统Campbell, Campbell, S.S.FitzgerrellFitzgerrellINSIGHT2+INSIGHT2+美国美国LEVEL Five LEVEL Five ResearchResearch公司公司PASCALPASCAL屋架设计专家系统屋架设计专家系统RTEXPER

17、TRTEXPERT煤矿操作分析专家煤矿操作分析专家系统系统Dustpro Dustpro 选择专家系统工具选择专家系统工具/ /外壳时考虑因素外壳时考虑因素专家系统工具专家系统工具/ /外壳的适用范围外壳的适用范围专家系统工具专家系统工具/ /外壳的支撑环境外壳的支撑环境( (硬件硬件( (微机微机/ /计算机系计算机系统统/ /AIAI机机) )和操作系统和操作系统) )专家系统工具专家系统工具/ /外壳的允许最多规则数目外壳的允许最多规则数目/ /知识库容量知识库容量专家系统工具专家系统工具/ /外壳解决外壳解决/ /回签问题的反应时间回签问题的反应时间专家系统工具专家系统工具/ /外壳控

18、制策略和推理机制外壳控制策略和推理机制专家系统工具专家系统工具/ /外壳的用户界面外壳的用户界面( (如图形如图形, ,自然语方言进自然语方言进程等程等) )专家系统工具专家系统工具/ /外壳处理复杂数学过程的能力外壳处理复杂数学过程的能力专家系统工具专家系统工具/ /外壳与外部程序外壳与外部程序( (相同相同/ /不同语言编写的不同语言编写的) )接口能力接口能力 ) )专家系统工具专家系统工具/ /外壳辅助能力外壳辅助能力( (编辑编辑, ,调试调试, ,帮助工具等帮助工具等) ) 专家系统工具专家系统工具/ /外壳的可移值性外壳的可移值性3.43.4建立专家系统的原则建立专家系统的原则

19、n遵循质量管理的基本概念和原理遵循质量管理的基本概念和原理 n考虑与投资和进度的相互关系考虑与投资和进度的相互关系 n可集成性、可扩展性、兼容性和开放性可集成性、可扩展性、兼容性和开放性 n针对性,即专门选择那些要求专家参与度高的地方以针对性,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及具有可操作性的领域 n建立统一的公共数据库建立统一的公共数据库 4.14.1专家系统应用的范围专家系统应用的范围 n贯穿工程质量管理的各个过程的应用贯穿工程质量管理的各个过程的应用 n涉及影响工程质量的各个因素的应用涉及影响工程质量的各个因素的应用 n涉及质量管理的各个主体的应用涉及质量管理的各

20、个主体的应用 n工程质量管理中所使用的各种管理方法的应用工程质量管理中所使用的各种管理方法的应用 4.4. 专家系统的实施专家系统的实施4.24.2专家系统应用的类型专家系统应用的类型 n诊断专家系统诊断专家系统 n设计专家系统设计专家系统 n规划专家系统规划专家系统 n监视专家系统监视专家系统 n控制专家系统控制专家系统 n调试专家系统调试专家系统 4.34.3专家系统实施的困难专家系统实施的困难 n缺乏有效获取领域专家知识的手段缺乏有效获取领域专家知识的手段 n专家知识又存在主观性,不确定性(部分正确)等问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

21、困难题,为工程质量管理专家系统的建立带来了困难 n受建设工程领域技术经济条件的限制受建设工程领域技术经济条件的限制 n专家系统本身的技术还不够成熟专家系统本身的技术还不够成熟 4.44.4专家系统实施的总体结构专家系统实施的总体结构 5.5. 专家系统的应用专家系统的应用 _现浇钢筋混凝土现浇钢筋混凝土裂缝诊断专家系统裂缝诊断专家系统 5.1现浇钢筋混凝土裂缝诊断专家系统概念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家系统是目前建筑工程施工管理的先进技术,

22、 ,建筑工程施工中的许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。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现浇钢筋混凝土结构由于具有较好的结构整体性,所所以被广泛采用以被广泛采用,然而然而,现浇钢筋混凝土极易出现裂缝现浇钢筋混凝土极易出现裂缝,这不这不但影响混凝土结构的观瞻但影响混凝土结构的观瞻,而且还可能影响混凝土结构的而且还可能影响混凝土结构的质量。质量。 用户用户知识库系统知识库系统现浇钢筋混凝土裂缝诊断知识库现浇钢筋混凝土裂缝诊断知识库图5.1 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

23、诊断专家系统概念构成n 向向用用户户提提问问有有关关混混凝凝土土裂裂缝缝有有关关的的事事实实,包包括括一一般般的的事实和程序发现的其他需要补充的信息。事实和程序发现的其他需要补充的信息。n运运用用用用户户提提供供的的事事实实进进行行推推理理,给给出出混混凝凝土土裂裂缝缝形形成成的原因。的原因。n对混凝土裂缝形成的原因能够作出具体的解释。对混凝土裂缝形成的原因能够作出具体的解释。n对用户已经使用过的成功例子进行总结,放入程序自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。己的事实数据库中,使其不断扩充和更新。 5.25.2现浇钢筋混凝土现浇钢筋混凝土裂缝诊断

24、专家系统基本裂缝诊断专家系统基本功能功能 5.35.3裂缝诊断专家系统的功能模型裂缝诊断专家系统的功能模型 n诊诊断断子子系系统统:通通过过用用户户直直接接提提供供的的信信息息和和补补充充信信息息给给出构件裂缝形成的原因。出构件裂缝形成的原因。n知识库子系统:对知识进行编辑、存储、检索、编排、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。添加、删除以及检索等。 裂缝专家裂缝专家 1 1 裂缝专家裂缝专家 2 2 裂缝专家裂缝专家 n n 知知识识工工程程师师 混凝土裂缝混凝土裂缝知识获取知识获取 知知识识库库管管理理系系统统 混凝土裂混凝土裂缝知识库缝知识库混凝土裂混凝土裂缝事实规则缝事实规则 推理推理机构机构 正、反向推理正、反向推理 用户用户 用用 户户 接接 口口 混凝土裂缝诊断结果报告生成混凝土裂缝诊断结果报告生成混凝土裂缝形成原因推理说明混凝土裂缝形成原因推理说明 查询查询推理说明推理说明 5.4 5.4 裂缝诊断专家系统的结构裂缝诊断专家系统的结构 裂缝诊断的具体原因裂缝诊断的具体原因 其其他他原原因因 施施工工有有关关的的原原因因 材材料料相相关关的的原原因因 使使用用环环境境和和使使用用条条件件关关的的原原因因 结结构构外外力力有有关关原原因因 裂缝诊断的原因裂缝诊断的原因裂缝诊断的原因裂缝诊断的原因

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