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双侧挂墙板墙梁设计专家系统研究

2011-03-24 8页 pdf 278KB 8阅读

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双侧挂墙板墙梁设计专家系统研究 文章编号: 1000�2618( 2002) 03� 0073� 08 收稿日期: 2002� 07�05作者简介: 刘惠敏 (1978�) , 女 (汉族) , 安徽省砀山县人, 深圳大学在读硕士研究生. E�mail: lhm0121@ 163� com 双侧挂墙板墙梁设计专家系统研究 刘惠敏, 张中权 (深圳大学建筑与土木工程学院, 深圳 518060) 摘 � 要: 分析专家系统与传统程序两者所采用的程序设计方法的区别, 且把黑板结构应 用于双侧挂墙板墙梁设计专家系统中. 其计算结果与墙梁构件选用表比较说明,...
双侧挂墙板墙梁设计专家系统研究
文章编号: 1000�2618( 2002) 03� 0073� 08 收稿日期: 2002� 07�05作者简介: 刘惠敏 (1978�) , 女 (汉族) , 安徽省砀山县人, 深圳大学在读硕士研究生. E�mail: lhm0121@ 163� com 双侧挂墙板墙梁设计专家系统研究 刘惠敏, 张中权 (深圳大学建筑与土木学院, 深圳 518060) 摘 � 要: 专家系统与传统程序两者所采用的程序设计的区别, 且把黑板结构应 用于双侧挂墙板墙梁设计专家系统中. 其计算结果与墙梁构件选用表比较说明, 本专家系统 已具有优选截面的功能. 关键词: 专家系统; 黑板结构; 墙梁设计 中图分类号: TU 392�1 � � � � 文献标识码: A 引 � 言 近年来, 在工业与民用建筑的维护结构中, 轻质墙的应用已日趋广泛. 轻质墙通常采用 压型钢板、夹芯板、石棉瓦和玻璃纤维增强塑料瓦等轻质作为墙板, 墙板单侧或双侧挂 在墙梁上, 并通过墙梁将墙体自重及水平荷载传至承重柱 (或墙架柱) 和基础. 挂板墙梁通 常采用冷弯薄壁槽钢、卷边槽钢、卷边Z 形钢和斜卷边 Z形钢制作, 在门、窗、洞口处, 多 采用方钢管, 壁厚一般为 2~ 4 mm. 专家系统是人工智能的一个分支, 从 1968年 DENDRAL 专家系统研制成功到 20世纪 70 年代中期, 其应用逐渐渗透到医疗、自然语言处理、数学及地质等多个领域. 相对而言, 钢 结构方面的专家系统发展较慢, 目前国内钢结构方面的专家系统有: 平板钢网架初步设计的 专家系统 [1] , 该专家系统是基于黑板结构的设计型专家系统; ESOSSD钢结构设计专家系统 的自动尺寸标注[ 2]等. 本文主要研究双侧挂墙板墙梁的设计专家系统, 采用 Visual basic 6�0作为开发工具. 墙 梁两侧均挂有墙板, 墙板与墙梁牢固连接, 墙梁受荷后不会发生扭转. 1 � 专家系统 1�1 � 专家系统定义 专家系统是一种智能型的计算机程序, 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专家决策能力的计算机系统. 1�2 � 专家系统要素 典型专家系统的要素如图 1所示. 2002 年 9 月 深圳大学学报(理工版) Sep� 2002 第 19 卷,第 3 期 JOURNAL OF SHENZHEN UNIVERSITY ( SCIENCE & ENGINEERING) Vol�19, No�3 图 1 � 专家系统的结构 Fig�1� Structure of the expert system � � 专家系统由下列几部分组成: 用户界 面 � � � 用户和专家系统之间的通信机制; 解释机 � � � 回答用户的提问, 用于设计的 求解过程和对最终结果进行解释; 全局数 据库 � � � 保存工作过程中的数据; 推理机 � � � 决定哪些规则满足事实或目标, 并授 予规则优先级, 然后执行最高优先级规则 进行推理; 议程 � � � 由推理机创建的一个 规则优先级表, 这些规则匹配工作内存中 的事实或目标; 知识获取机 � � � 为用户建 立的一个知识自动输入方法. 1�3 � 知识的表示 专家系统中的知识可以是专门知识或 是从书籍、杂志和领域专家中获得的知识, 它可划分为陈述性知识和过程性知识, 其中, 陈 述性知识是指知道某事是对还是错的知识, 它常用陈述语句的形式表达. 陈述性知识的表示 方法包括产生式规则、语义网、框架和脚本等. 其主要优点是灵活简洁, 演绎过程完整确 定, 且系统模块性较好; 主要缺点是工作效率低, 推理过程不透明, 且不易理解. 过程性知 识主要是指知道如何做某事的知识, 过程性知识表示的优点是推理过程直接、清晰, 有利于 模块化, 且便于用特殊领域的启发式信息来避免推理思路的不相关, 因此工作效率较高; 主 要缺点是灵活性差, 对知识维护不便. 目前发展的趋势是探讨陈述性与过程性相结合的知识 表示方法, 以便在可维护性、可理解性及运行效率方面寻找一种较合理的解决方法. 1�4 � 双侧挂墙板墙梁的设计专家系统 从功能上看, 建筑方面的专家系统已从最初的诊断型发展为诊断解释、预测监视、设计 规划以及施工等多种类型的专家系统. 本专家系统是属于设计型专家系统. 设计型专家系统 始于不定选择的初步设计, 继至回溯求精的计算分析阶段, 终达搜索优化的细部结构设计. 设计型专家系统需要使用多种知识表示方法, 推理性知识用规则来表示, 并放在结构化 的知识源模块中; 控制性知识可用一个过程 (一个程序段) 来表示, 并将其放在规则集中, 即规则集内有过程. 这种规则与过程的相互渗透更加真实地反映了专家的设计过程. 双侧挂墙板墙梁的设计专家系统的流程图如图 2所示. 第 1步: 通过用户界面, 输入已知数据. 已知数据包括墙梁的跨度、间距、水平风荷载 的大小、钢材牌号以及墙面材料等. 用户界面如图 3所示. 第 2步: 调用由产生式规则组成的知识库. 这些产生式规则在程序中表现为若干个 if� then语句. 第 3步: 进行产生式规则匹配. 若输入数据与 if后的语句匹配, 则执行 then后面的语 句, 此时相应的型钢表被调入到动态数据库中. 若输入数据没有找到相匹配的语句, 则系统 会自动提示没有找到合适型钢. 出现不匹配的原因是知识库中不存在给定墙梁的截面形式. 用户可以通过机器学习的方式向知识库中添加这种截面形式的有关信息. 第 4步: 初选截面并进行验算. 型钢表中的记录是按型钢每米长质量由小到大的顺序排 列. 程序首先调用型钢表中的第 1个记录, 获取初选截面的截面特性, 然后对初选截面进行 74��� 深圳大学学报 (理工版) 第 19卷 图 2� 墙梁设计专家系统 � � � � Fig� 2� Beam designing expert system 图 3� 用户界面 � � � � Fig�3 � User interface 第 3 期 刘惠敏, 张中权: 双侧挂墙板墙梁设计专家系统研究 75��� 强度和挠度进行验算. 该系统中, 型钢表是按型钢的截面形式进行分类, 任何记录都对应于 某一型钢表中的一种截面规格, 并包括它的截面特性. 第 5步: 进行规则匹配, 判断是否通过验算. 若验算通过, 此截面就是最优截面, 退出 程序; 若验算未通过, 则返回到第 4步, 调用型钢表中的下一个记录, 即第 N 个记录. 在 执行第 4步之前要进行判断, 也就是要与相应规则进行匹配, 此规则是当 N 型钢表的记 录数时, 重复执行第 4步和第 5步, 否则, 提示用户未找到合适型钢, 结束计算. 第 6步: 进行机器学习, 增加知识库中的知识. 2 � 专家系统与传统程序所采用的程序设计方法的区别 2�1 � 系统结构 在传统程序方法中, 对于待解决的任务, 首先要根据其内在规律性, 建立一个数学和物 理模型, 然后以算法的形式安排在计算机中, 使机器按预定的步骤完成数据的处理和计算, 程序明确地告诉机器每一步应该怎么干. 在专家系统中, 如同上述, 解决问题所需的知识同使用知识的方法是彼此独立的. 机器 求解问题不是按预先确定的步骤进行, 而是根据环境条件及要达到的目标, 在控制策略 (如 何使用目标知识的知识) 指导下, 通过搜索来寻找问题的解答. 人工智能程序没有明确告诉 机器每一步怎么干, 而是隐含在机器的知识库和控制策略中. 2�2 � 知识表示方法 传统程序中解题的知识隐含在程序中. 专家系统中的领域知识表示在机器的知识库中. 2�3 � 适用范围 专家系统中采用的人工智能方法是所谓弱方法, 探索的方法. 它对给定信息的要求比较 低, 可以是不完全的、含糊的, 甚至是错误的. 知识本身可能是不严格的、经验的、人类尚 未完全掌握的, 所以它的结果也可能是不确定的. 传统程序原则上只能解决那些已经形成科学体系, 具有严格规律的问题. 而人工智能技 术能解决传统程序所不能解决的问题. 2�4 � 系统功能 专家系统具有灵活性、对话能力和学习能力. 3 � 双侧挂墙板墙梁设计专家系统 3�1 � 黑板结构的定义 黑板结构模型是从一组专家站在一块黑板前求解问题想象出来的. 在黑板中列出问题的 任务, 求解层次, 以及它们之间的关系 (即上下文) . 根据黑板上最近状态, 调动某一专家 去求解当前任务, 这种调动是动态相应的. 求得的解记录在黑板上, 这样可逐步求得各子问 题的解, 最后达到求解整个问题的目的. 在求解过程中, 每个专家是在 !沉默∀ 中进行工作 的, 彼此只是通过黑板进行交流. 黑板结构模型是一个问题求解的模式. 它的基本方法是将问题划分为松散连接的子问 题, 子问题的解都记录在黑板上, 并把所有的解组成一个层次结构, 黑板上的信息是全局可 76��� 深圳大学学报 (理工版) 第 19卷 用的, 这使得黑板成为各知识源相互交流的媒介. 调用一特定的知识源决策是根据黑板上的 数据结构的最近信息 (当前解状态) 而动态作出的. 3�2 � 黑板结构模型的组成 黑板结构模型由知识源、黑板数据结构和控制机构 3部分组成. 3�2�1 � 知识源 知识源存贮解决某一特定子问题的知识. 它由黑板上取得一组所需的信息, 经过推理, 再将得出的结果 (解) 记录到黑板上去, 各知识源相对独立、互不干扰, 每个知识源都有各 自的推理策略. 知识源可表示为规则集或过程, 以适应逻辑推理与数值运算的需要. 3�2�2 � 黑板数据结构 黑板上的实体被分解到各层中去, 构成解空间. 黑板将问题求解任务构造成一个有组织 的层次结构, 同时还给出了各个实体之间的关系, 以便使不同层次实体间信息可以继承. 黑板保存求解状态的数据 (原始输入数据、中间解与最终解) , 为知识源求解提供信息, 使知识源可用黑板上的数据进行间接交流. 所以, 黑板是一个全局数据库, 不仅把数据有条 理地组织在一起, 而且可表示数据结构间的继承关系, 因而是一个良好的关系数据库. 3�2�3 � 控制机构 控制机构能根据黑板上的状态, 决定下一步任务及为完成任务需要激活哪些知识源. 知 识源调用序列是动态的, 而不是事先规定的. 调用知识源求解时, 在求解的每一阶段能够决 定使用哪种推理方法 (正向推理、反向推理及混合推理) . 3�3 � 基于黑板结构的双侧挂墙板墙梁的设计专家系统 双侧挂墙板墙梁的设计专家系统的结构如图 4所示, 该系统以型钢重量为控制目标, 优 图 4� 双侧挂墙板墙梁设计专家系统框图 Fig� 4� Diagram of expert system in beam designing for wall sheets hung on both sides 选出重量最轻的型钢. 它的工作过程可描述如下: 用户通过输入界面向系统提供关于问题的 描述, 包括墙梁跨度、间距、水平风荷载、钢材牌号、墙面材料和墙梁截面形式等, 这些信 第 3 期 刘惠敏, 张中权: 双侧挂墙板墙梁设计专家系统研究 77��� 息被作为事实存放在动态数据库中, 推理机根据用户提供的信息, 决定调用知识库中的哪些 知识, 以及调用的顺序, 并把中间数据与最终结果返回到动态数据库. 动态数据库再通过输 出界面把计算结果显示给用户. 该专家系统的知识库中有 4个相互独立的知识源, 它们对应于解决特定的子问题: 知识 源 1的任务是计算某一型钢表中的截面尺寸的个数即记录数; 知识源 2的任务是把型钢表中 的记录按每米长质量由小到大的顺序读入一动态数组中; 知识源 3的任务是对选定的墙梁截 面进行强度验算、水平方向和竖直方向的挠度验算. 因为墙梁两侧均挂有墙板, 且墙板与墙 梁牢固连接, 故不需进行稳定性验算; 知识源 4的任务是把计算结果返回给用户. 4 � 算例及比较 将该专家系统的计算结果与墙梁构件选用表[ 6]进行对比, 如表 1所示. 其中, 截面代号 ! C∀ 代表卷边槽钢, 适用截面规格取自墙梁构件选用表, 计算截面规格为本专家系统的计 算结果. 设计条件: 压型钢板墙面, 钢材 Q235, 强度设计值 f = 205 GPa, 跨中设一道拉条, 墙板为自承重墙, 即墙重直接传递给基础. 表 1 � 墙梁截面及钢材用量比较表 Table 1 � Comparison of beam section and steel quantity 水平风荷 载值 跨度 �m 梁距 �m 适用截面规格 线质量 �( kg#m- 1 ) 计算截面规格 线质量 �( kg#m- 1) 钢材节省 率�% 0�5 kPa 4� 5 1� 2 C100∃ 50∃ 15 ∃ 2�5 4�11 C100∃ 50∃ 15∃ 2�5 4�11 0�00 1� 5 C140∃ 50∃ 20 ∃ 2�0 4�14 C100∃ 50∃ 15∃ 2�5 4�11 0�72 1� 8 C140∃ 50∃ 20 ∃ 2�0 4�14 C100∃ 50∃ 15∃ 2�5 4�11 0�72 2� 1 C140∃ 50∃ 20 ∃ 2�2 4�52 C140∃ 50∃ 20∃ 2�0 4�14 8�41 2� 4 C160∃ 60∃ 20 ∃ 2�0 4�76 C140∃ 50∃ 20∃ 2�0 4�14 13�03 2� 7 C160∃ 60∃ 20 ∃ 2�0 4�76 C140∃ 50∃ 20∃ 2�2 4�52 5�04 3� 0 C160∃ 60∃ 20 ∃ 2�5 5�87 C160∃ 60∃ 20∃ 2�0 4�76 18�91 6� 0 1� 2 C140∃ 50 ∃ 20 ∃ 2� 2 4�52 C140 ∃ 50∃ 20∃ 2�0 4�14 8�41 1� 5 C160∃ 60 ∃ 20 ∃ 2� 0 4�76 C160 ∃ 60∃ 20∃ 2�0 4�76 0�00 1� 8 C180∃ 70 ∃ 20 ∃ 2� 0 5�39 C160 ∃ 60∃ 20∃ 2�2 5�21 3�34 2� 1 C180∃ 70 ∃ 20 ∃ 2� 2 5�90 C200 ∃ 70∃ 20∃ 2�0 5�71 3�22 2� 4 C200∃ 70 ∃ 20 ∃ 2� 2 6�25 C220 ∃ 75∃ 20∃ 2�0 6�18 1�12 2� 7 C200∃ 70 ∃ 20 ∃ 2� 5 7�05 C180 ∃ 70∃ 20∃ 2�5 6�66 5�53 3� 0 C220∃ 75 ∃ 20 ∃ 2� 5 7�64 C220 ∃ 75∃ 20∃ 2�2 6�77 11�39 78��� 深圳大学学报 (理工版) 第 19卷 续表 1 0�7 kPa 4�5 1�2 C140∃ 50 ∃ 20 ∃ 2� 0 4�14 C100 ∃ 50 ∃ 15∃ 2�5 4�11 0�72 1�5 C140∃ 50 ∃ 20 ∃ 2� 2 4�52 C140 ∃ 50 ∃ 20∃ 2�0 4�14 8�41 1�8 C160∃ 60 ∃ 20 ∃ 2� 0 4�76 C140 ∃ 50 ∃ 20∃ 2�2 4�52 5�04 2�1 C160∃ 60 ∃ 20 ∃ 2� 2 5�21 C160 ∃ 60 ∃ 20∃ 2�0 4�76 8�64 2�4 C180∃ 70 ∃ 20 ∃ 2� 0 5�39 C160 ∃ 60 ∃ 20∃ 2�2 5�21 3�34 2�7 C180∃ 70 ∃ 20 ∃ 2� 2 5�90 C200 ∃ 70 ∃ 20∃ 2�0 5�71 3�22 3�0 C200∃ 70 ∃ 20 ∃ 2� 2 6�25 C220 ∃ 75 ∃ 20∃ 2�0 6�18 1�12 6�0 1�2 C160∃ 60 ∃ 20 ∃ 2� 5 5�87 C140 ∃ 50 ∃ 20∃ 2�5 5�09 13�29 1�5 C180∃ 70 ∃ 20 ∃ 2� 2 5�90 C200 ∃ 70 ∃ 20∃ 2�0 5�71 3�22 1�8 C220∃ 75 ∃ 20 ∃ 2� 0 6�18 C220 ∃ 75 ∃ 20∃ 2�0 6�18 0�00 2�1 C220∃ 75 ∃ 20 ∃ 2� 5 7�64 C220 ∃ 75 ∃ 20∃ 2�2 6�77 11�39 从对比结果来看, 本专家系统所选截面用钢量一般略省. 传统的手算设计计算量大, 不易选出最优截面. 而本专家系统在计算时, 从质量最小的 截面开始, 按质量由小到大的顺序试算, 直到遇到第一个合适的截面才停止运行, 这样可以 保证获得最优截面. 另外, 在型钢截面类型不受限制的情况下, 系统会自动对所有类型截面 进行试算, 并对计算结果进行比较, 给出质量最小的最优截面. 结 � 语 本设计专家系统以 %冷弯薄壁型钢结构技术规范& GB 50018�2002为计算依据, 知识库 中的型钢表取自本规范的附录 B, 采用了面向对象语言 Visual basic 6�0. 用户可以通过输入 界面中的有关命令按钮向型钢表填加记录, 增加知识库中的知识, 使本专家系统具有了学习 的功能. 经计算对比, 本专家系统已具有优选墙梁截面的功能. 参考文献: [ 1] 于 � 江, 董其震. 基于黑板结构的设计型专家系统在平板钢网架初步设计中的实现 [ J] . 空间结构, 1995, 1( 8) : 23�27. 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Key words: expert system; blackboard structure; wall beam designing References: [ 1] YU Jiang, DONG Qi�zhen. Architecture design expert system based on blackboard structure has come true in the pre� liminary design of steel of space truss [ J] . Space Structure, 1995, 1( 8) : 23�27. ( in Chinese) . [ 2] WANG Hui, LI Chuang�di. Automatic dimension mark in expert system of steel structure design [ J] . Journal of Guangxi Institute of Technology, 1996, 7( 12) : 32�34. ( in Chinese) . [ 3] LI Gui�qing, XIE Wei�ping. CAD and expert system for architecture and civil engineering: the state�of art [ J] . Journal of Guangxi Institute of Technology, 1994, 6( 9) : 19�25. ( in Chinese) . [ 4] Joseph Giarratano, Gary Riley. Expert Systems Principles and Programming [ M] . YIN Jian, LIU Xing�cheng, TANG Yong translated. Beijing: China Machine Press, 2000. ( in Chinese) . [ 5] ! Cold formed steel structure designing handbook∀ compiler team. Cold Formed Steel Structure Designing Handbook [ Z] . 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