塔式起重機安全評判專家系統(tǒng)的研制(一)

1、塔式起重機安全評判專家系統(tǒng)的研制(一)    【摘要】塔式起重機作為建筑施工的主要設備，在建筑等行業(yè)發(fā)揮著極其重要的作用，因而其安全問題受到各國有關部門的高度重視，但塔式起重機的事故率近年來仍未見下降，其安全問題仍然是建筑施工中的憂患之一。為此，筆者在建造了塔式起重機安全的依賴關系圖的基礎上，采用基于現(xiàn)代設計方法學的專家系統(tǒng)構造技術，使用VISUAL C+ 開發(fā)了塔式起重機安全評判專家系統(tǒng)TQES。該系統(tǒng)經(jīng)全部測試通過，可對一般的塔式起重機進行安全評判。1引言塔式起重機（簡稱塔機）的安全問題，一直是塔機及其應用行業(yè)的主要憂患之一，受到各國政府、制造廠商和

2、使用單位以及科研部門的高度重視。現(xiàn)有的解決塔機安全問題的方法，一般立足于生產(chǎn)管理、使用管理和安全檢查上。但是，由于人為管理的脆弱性，塔機安全問題依然嚴重。為此，筆者通過對塔機安全問題的調(diào)查以及對塔機的安全檢查、評判的研究，開發(fā)了塔機安全評判專家系統(tǒng)，便于對塔機的安全狀況進行經(jīng)常性的安全評判，從而提高塔機的安全性。2基本理論2.1塔機安全的依賴關系圖在萬物復雜變化的世界中，許多事物所處的狀況或狀態(tài)都是由一定的因素造成的，而這些事物的狀態(tài)同時又是影響其他事物的狀態(tài)的因素。這種相互依存、相互影響的關系就叫做依賴關系。這樣的依賴關系在現(xiàn)實世界中隨處可見。如：“他生病了”與“他感到不舒服”；“塔機超載”

3、與“塔機不安全”等。專家系統(tǒng)是一個基于推理、分析的系統(tǒng)，它的工作就是利用知識庫的資源進行推理和分析，根據(jù)知識的相互依賴關系去尋求結論。因此，在建立專家系統(tǒng)前，整理知識并建立知識之間的依賴關系是基本的和必要的。在相關知識領域中，由基本因素到復雜因素進行分析，從而形成了一種復雜的依賴關系，用圖形表示就是依賴關系圖。依賴關系圖有助于對領域知識系統(tǒng)體系進行更加直觀的整理，有助于系統(tǒng)結構設計和知識庫的建立。塔機安全的依賴關系圖顯示了塔機由于其自身因素和外界因素造成安全或不安全的依賴關系，在對塔機的事故和安全問題進行調(diào)查、分析、總結后，筆者給出了塔機的安全依賴關系圖，如圖1所示。由于引起塔機不安全的因素的

4、復雜性，塔機的安全依賴關系很復雜，這個依賴關系圖只簡單表明了塔機不安全的某些原因的某些主要發(fā)生點，具體的塔機的安全依賴關系將在專家系統(tǒng)知識庫構造時全部裝入系統(tǒng)。2.2基于現(xiàn)代設計方法學的專家系統(tǒng)構造技術專家系統(tǒng)的構造技術可以認為是一門高度智能化的邊緣學科，把當代的相關科學領域的新的設計方法應用到專家系統(tǒng)的構造中，就形成了專家系統(tǒng)的新的構造技術即基于現(xiàn)代設計方法學的專家系統(tǒng)構造技術?，F(xiàn)代設計方法學是一門新興的學科，其研究對象不是某個領域，而是某個領域的研究方法。其研究的主要內(nèi)容是對現(xiàn)有的方法進行分析和總結，進而去發(fā)掘和創(chuàng)造新的方法，并把新的方法應用于相應的科學領域。在許多行業(yè)領域都有其特殊的科研

5、隊伍，其中較強大的一支是進行方法和策略的研究，其實是從事現(xiàn)代設計方法學的具體應用。在商業(yè)界，此類隊伍已造就了許多商業(yè)奇跡，眾多有效的銷售方法的推出均是這些策劃人員的杰作。在計算機軟件行業(yè)，這樣的隊伍也已非常龐大，針對網(wǎng)絡的許多新理論、新技術，對互聯(lián)網(wǎng)絡以及局域網(wǎng)絡的發(fā)展均起到了巨大的推動作用。在機械等其他工業(yè)行業(yè)也不例外，模糊機械分析設計方法學的提出，無疑讓機械設計水平躍上了一個新的臺階1。 在專家系統(tǒng)的構造方面，其構造技術也在不停地發(fā)展，但較其他軟件行業(yè)就顯得緩慢，主要原因就是設計新方法的發(fā)展和應用不夠。專家系統(tǒng)的構造也應該吸收當今的現(xiàn)代設計新方法、新理論、新工具，以提高其構造的速度和質(zhì)量。

6、基于現(xiàn)代設計方法學的專家系統(tǒng)構造技術強調(diào)：基于面向對象的模型構造、基于用戶的功能設計和基于模糊技術、神經(jīng)網(wǎng)絡的知識處理以及基于現(xiàn)代設計工具的實現(xiàn)等。2.3 可行性分析塔機安全評判是解決塔機安全問題、提高塔機安全重要性的一種方法和手段。作為對塔機安全的評判，它具有一定的特點和作業(yè)流程。塔機安全評判人員，一般由一組塔機安全工程師和塔機專家組成，通過對塔機的狀態(tài)的系統(tǒng)評定，根據(jù)專家的經(jīng)驗和有關規(guī)章制度進行評判，最后根據(jù)各個專家的評判結果進行綜合，得到塔機的安全結論。檢查塔機安全評判的流程，可大致描述為圖2的形式。因此，塔機的安全評判具有以下特點：1）評判人員應為塔機安全工程師和塔機專家；2）評判應依

7、據(jù)專家的經(jīng)驗和有關的規(guī)章制度實現(xiàn)；3）評判過程多是專家進行分析，具體的物理活動少；4）評判活動很難用傳統(tǒng)的軟件技術解決。塔機安全問題的重要性在前面已有所敘述，而塔機專家是有限的，不可能對每一臺塔機都配備專業(yè)的塔機專家進行實時監(jiān)控，因此努力尋找新的方法來協(xié)助解決這一問題就十分必要。開發(fā)一個對應的塔機安全評判專家系統(tǒng)，能夠對塔機隨時進行安全評判，就是協(xié)助解決塔機安全問題的一種新方法的嘗試。塔機安全評判的專家系統(tǒng)的構造不僅是必要的而且是可行的，其理由有四：1）塔機安全評判適宜于開發(fā)專家系統(tǒng)，根據(jù)前面提到的塔機安全評判的領域特點，其活動多為專家的推理活動，而評判的依據(jù)為專家群體知識，正好符合專家系統(tǒng)的

8、開發(fā)要求；2）塔機安全評判的知識存在并且可以獲取，這些知識一部分來源于有關的規(guī)章制度，另外的來源于專家的經(jīng)驗，這兩方面的知識獲取都是可行的；3）構造專家系統(tǒng)的技術比較成熟，專家系統(tǒng)也易于構造；4）設計人員有開發(fā)專家系統(tǒng)的能力。3系統(tǒng)模型設計考慮到塔機安全評判的專家系統(tǒng)是一個基于規(guī)則的評判類專家系統(tǒng)。因此，在建立系統(tǒng)之初，就考慮了系統(tǒng)的擴充性，即：建立的專家系統(tǒng)應該適用于塔機的安全評判，同時也可作為一個一般的專家系統(tǒng)工具來使用，在系統(tǒng)啟動使用后，能夠通過簡單的重新構造系統(tǒng)的知識庫再構造為其他的專家系統(tǒng)。根據(jù)這樣的設計考慮，塔機安全評判的專家系統(tǒng)的知識庫、知識庫的建立、知識的獲取應該是重要的，而且

9、是用戶可重新定義使用的部分。因此，該系統(tǒng)是一個基于規(guī)則的評判類專家系統(tǒng)和工具，為了方便和說明系統(tǒng)的功能，以后都把該系統(tǒng)簡稱為TQES系統(tǒng)。根據(jù)前面對專家系統(tǒng)結構的理論介紹和要求，TQES系統(tǒng)總體上的結構采用基于規(guī)則的一般結構，包括以下幾部分：基本數(shù)據(jù)庫，初始證據(jù)庫，規(guī)則庫，知識獲取，推理機，解釋機制，人機接口，綜合數(shù)據(jù)庫，最終數(shù)據(jù)庫。其相互關系如圖3所示。下面介紹其組成部分和功能。圖3TQES專家系統(tǒng)總體結構圖（1）庫文件TQES系統(tǒng)包括5個庫文件，其實就是通常的知識庫和綜合數(shù)據(jù)庫的具體形式體現(xiàn)。規(guī)則庫，即知識庫，在基于規(guī)則的專家系統(tǒng)中，知識的表示是一組按照一定順序排列的規(guī)則，這些規(guī)則一起組成

10、規(guī)則庫，規(guī)則庫是知識的存放處。TQES的規(guī)則庫包括了TQES專家系統(tǒng)用的所有知識?；緮?shù)據(jù)庫為系統(tǒng)的初始化數(shù)據(jù)文件，它為規(guī)則庫的建立提供統(tǒng)一格式的數(shù)據(jù)。在TQES中，使用的最基本的推理單位為節(jié)點，節(jié)點包含有某種數(shù)據(jù)值、值的可靠度、數(shù)據(jù)的標識符等參數(shù)?；緮?shù)據(jù)庫由節(jié)點構成。中間數(shù)據(jù)庫也叫綜合數(shù)據(jù)庫，該庫是在推理中用的臨時數(shù)據(jù)庫，它也由節(jié)點組成。該庫只有在TQES推理時存在，為動態(tài)庫文件。最終數(shù)據(jù)庫是TQES推理結束并且成功后的數(shù)據(jù)庫，該庫存放推理的成功數(shù)據(jù)，它也由節(jié)點組成。該庫只有在TQES推理成功后才產(chǎn)生，為動態(tài)庫，但是可以進行存儲和多種方式的輸出。推理機是TQES的主要的進行推理工作的模塊，

11、它根據(jù)用戶的環(huán)境設定而進行推理。其主要功能實現(xiàn)如圖4所示。圖4TQES專家系統(tǒng)總體流程圖（2）推理機（3）解釋機制對推理的結論和推理的過程進行解釋，增加推理的透明性。（4）人機接口人機接口模塊是TQES的特色部分，它負責處理操作人員和系統(tǒng)的信息交換。包括對用戶的輸入信息轉化為系統(tǒng)的形式，把系統(tǒng)的輸出信息轉化為自然化語言，動態(tài)顯示推理進程、閱覽檢查、打印各個庫文件和數(shù)據(jù)的模糊化處理等。（5）知識獲取負責獲取知識，具體來講就是構造基本數(shù)據(jù)庫文件和知識庫文件。TQES通過可視化環(huán)境獲取數(shù)據(jù)，動態(tài)編輯、顯示，自動格式化存儲，并具有安全、不失真特性。4程序實現(xiàn)按照TQES結構模型，利用基于現(xiàn)代設計方法學

12、專家系統(tǒng)構造技術進行了程序設計。所有的程序都在VISUAL C+環(huán)境下設計并調(diào)試通過，符合C+規(guī)范。由于源程序較多（500多頁，近20000行代碼、40萬字符），在此就不列出源代碼。同時，由于TQES是一個真正Windows下的面向對象的程序，因此其功能部分和界面部分是綜合的。下面列出主要源程序的作用。Item.cpp 節(jié)點定義功能實現(xiàn) ItemBase.cpp5結論TQES系統(tǒng)經(jīng)過調(diào)試后全部達到功能指標，并對一些已經(jīng)存在的塔機安全事故進行分析，結果正確、可靠，是一個值得信賴的塔機安全評判軟件，可以對塔機的安全管理起到一定的協(xié)助作用。同時，考慮到軟件開發(fā)的難度和塔機專業(yè)的局限性，在TQES開發(fā)

13、之初就考慮到其功能和應用領域的不協(xié)調(diào)性。因此TQES在主文件不加修改的前提下，通過相應的庫文件的重新構造或修改，就可應用到其他類似的評判類、推理類、故障診斷類專家系統(tǒng)中，TQES又是一個廣義上的專家系統(tǒng)開發(fā)工具，它具有廣闊的應用領域和光輝前景。*國家自然科學基金、四川省跨世紀杰出青年學科帶頭人培養(yǎng)基金資助項目作者簡介：黃洪鐘1963年6月生，重慶市長壽縣人。博士，教授?，F(xiàn)任紐約科學院會員，日本機械工程師學會會員，中國現(xiàn)代設計法研究會可靠性學會理事，中國機械工程學會可靠性工程分會理事，中國機械工程學會機械設計分會理事。機械設計雜志編委， 國際著名雜志Reliability Engineering and System Safety, Fuzzy Sets and Systems, Microelectronics and Reliability等論文特約評閱人。主要從事可靠性與安全性工程、CAD、智能優(yōu)化設計、神經(jīng)網(wǎng)絡、模糊技術的研究工作。主持或參加國家級和省部級科研項目14項，獲國家級和省部級科技獎3項，獲國家專利1項，出版學術著作4部，在國內(nèi)外學術刊物上發(fā)表論文120余篇。姚新勝1969年12月出生，山西晉城人。1993年7