計(jì)算機(jī)在土木工程中的應(yīng)用

土木工程概論第十二章計(jì)算機(jī)在土木工程中的應(yīng)用土木工程概論

12.1計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)12.2土木工程的計(jì)算機(jī)仿真12.3土木工程專家系統(tǒng)1土木工程概論第12章計(jì)算機(jī)在土木工程中的應(yīng)用12.1計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)12.1.1計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的概述，以及其起源和發(fā)展

計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（ComputerAidedDesign，簡(jiǎn)稱CAD）是一種利用計(jì)算機(jī)硬、軟件系統(tǒng)輔助人們對(duì)產(chǎn)品或工程進(jìn)行設(shè)計(jì)的方法和技術(shù)，是一門多學(xué)科綜合應(yīng)用的新科學(xué)。到目前為止計(jì)算機(jī)應(yīng)用已經(jīng)滲透到了機(jī)械、電子、建筑等領(lǐng)域當(dāng)中，利用計(jì)算機(jī)，人們可以進(jìn)行產(chǎn)品的計(jì)算機(jī)輔助制造(ComputerAidedMake，簡(jiǎn)稱CAM)、計(jì)算機(jī)輔助工程分析(ComputerAidedEngineering，簡(jiǎn)稱CAE)、計(jì)算機(jī)輔助工藝規(guī)劃(ComputerAidedProcessingPlanning，簡(jiǎn)稱CAPP)、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理(ProductDataManagement，簡(jiǎn)稱PDM)、企業(yè)資源計(jì)劃(EnterpriseResourcePlanning,簡(jiǎn)稱ERP)等等。CAD系統(tǒng)準(zhǔn)確地講是指計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng),其內(nèi)容涵蓋產(chǎn)品設(shè)計(jì)的各個(gè)方面。把計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和計(jì)算機(jī)輔助制造集成在一起,稱為CAD/CAM系統(tǒng)。習(xí)慣上工程界把CAD/CAM系統(tǒng)甚至CAD/CAM/CAE系統(tǒng)仍然叫做CAD系統(tǒng),這樣CAD系統(tǒng)的內(nèi)涵就在無形中被擴(kuò)大了2土木工程概論第12章計(jì)算機(jī)在土木工程中的應(yīng)用CAD的起源應(yīng)追溯到二十世紀(jì)50年代中期，由麻省理工大學(xué)林肯實(shí)驗(yàn)室為美國(guó)空軍研發(fā)的SAGE（SemiAutomaticGroundEnvironment）防空系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用CTR顯示器展現(xiàn)經(jīng)過計(jì)算機(jī)處理的雷達(dá)以及其他信息其后，CAD/CAM之父的PatrickJ.Hanratty在1957年開發(fā)了PRONTO，世界上第一個(gè)數(shù)控編程系統(tǒng)緊接著在1959年IvanSutherland在麻省理工大學(xué)林肯實(shí)驗(yàn)室使用TX-2計(jì)算機(jī)開發(fā)了SKETCHPAD系統(tǒng)，這套能夠通過使用光筆在屏幕上與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行人機(jī)交互作業(yè)的系統(tǒng)被人們認(rèn)為是CAD工業(yè)邁出的第一步進(jìn)入二十世紀(jì)70年代之后，計(jì)算機(jī)硬件性能和計(jì)算機(jī)圖形學(xué)都有了很大的發(fā)展，建筑設(shè)計(jì)人員開始與軟件設(shè)計(jì)人員密切配合，促使專業(yè)化的計(jì)算機(jī)輔助建筑設(shè)計(jì)（CAAD）軟件誕生二十世紀(jì)80年代到90年代，計(jì)算機(jī)性能的提高以及個(gè)人電腦的出現(xiàn)使CAD系統(tǒng)發(fā)展的格局有了不小的變化，從當(dāng)初針對(duì)大型機(jī)轉(zhuǎn)向?qū)C的開發(fā)二十世紀(jì)末二十一世紀(jì)初，國(guó)際CAD產(chǎn)業(yè)進(jìn)入了一個(gè)聯(lián)合、收購(gòu)、兼并頻繁的時(shí)期，迄今制造業(yè)的CAD產(chǎn)品已經(jīng)被兼并成四大譜系：IBM/Dassault、EDS/Unigraphics、PTC和Autodesk3土木工程概論第12章計(jì)算機(jī)在土木工程中的應(yīng)用PatrickJ.Hanratty因?qū)τ?jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造領(lǐng)域作出突破性貢獻(xiàn)而被公認(rèn)為CAD/CAM之父IvanSutherland1959年在麻省理工大學(xué)林肯實(shí)驗(yàn)室使用TX-2計(jì)算機(jī)開發(fā)了SKETCHPAD系統(tǒng)，這套能夠通過使用光筆在屏幕上與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行人機(jī)交互作業(yè)的系統(tǒng)被人們認(rèn)為是CAD工業(yè)邁出的第一步4土木工程概論第12章計(jì)算機(jī)在土木工程中的應(yīng)用在TX-2計(jì)算機(jī)上運(yùn)行的Sketchpad系統(tǒng)CATIAV55土木工程概論第12章計(jì)算機(jī)在土木工程中的應(yīng)用12.1.2CAD在我國(guó)建筑工程領(lǐng)域的應(yīng)用使用AutoCADR14作為平臺(tái)的理正建筑設(shè)計(jì)軟件圖從三維實(shí)體到二維投影的思維方式早期的AutoCAD針對(duì)的主要是二維圖形的繪制，但是從其R12版本開始從平面到立體的思維方式轉(zhuǎn)變成了從立體到平面。從前設(shè)計(jì)者們往往繪制的就是建筑物的三向投影圖，但今天設(shè)計(jì)者們可以首先將腦海中建筑物的形體直接在AutoCAD的繪圖空間中表達(dá)出來，然后再針對(duì)不同的平面獲取這個(gè)形體的投影圖或是軸測(cè)圖6土木工程概論第12章計(jì)算機(jī)在土木工程中的應(yīng)用對(duì)象捕捉、跟蹤，以及橡皮筋與拖拽使用AutoCAD進(jìn)行設(shè)計(jì)前首先要掌握的是其對(duì)象捕捉、對(duì)象跟蹤、圖層、控制點(diǎn)、坐標(biāo)系這些重要的概念，對(duì)象實(shí)際上是指在繪圖空間中的一切圖素，如一個(gè)圓、一條多義線甚至是一個(gè)實(shí)體，而對(duì)象捕捉則是指光標(biāo)在靠近對(duì)象的時(shí)候，由AutoCAD自動(dòng)的將焦點(diǎn)聚于對(duì)象上符合捕捉模式的控制點(diǎn)之上7土木工程概論第12章計(jì)算機(jī)在土木工程中的應(yīng)用四個(gè)同樣的矩形被放置在不同的圖層當(dāng)中圖層可以說是并行的繪圖空間，在這一點(diǎn)上有些像“四維時(shí)空”——分屬于不同時(shí)間的空間重疊起來，卻又互不關(guān)聯(lián)，同樣的在不同圖層中的對(duì)象也不會(huì)相互干擾，這樣就為管理繁雜的圖塊提供了便利。一般來說如果沒有特別指定的話，對(duì)象的顏色、線型等屬性都會(huì)由其所屬的圖層指定（ByLayer）8土木工程概論第12章計(jì)算機(jī)在土木工程中的應(yīng)用幾種不同的AutoCAD二次開發(fā)手段的比較作為一個(gè)開放的平臺(tái)，AutoCAD提供了幾種進(jìn)行二次開發(fā)的手段：AutoLISP、VBA、以及ObjectARX9土木工程概論第12章計(jì)算機(jī)在土木工程中的應(yīng)用由北京天正工程軟件有限公司開發(fā)的天正系列軟件是國(guó)內(nèi)最早開始對(duì)AutoCAD進(jìn)行二次開發(fā)的CAAD軟件之一，從1994年至今已經(jīng)發(fā)展出天正建筑、電氣、暖通、給排水、日照、結(jié)構(gòu)、裝修、市政等一系列建筑工程相關(guān)軟件。據(jù)稱其天正建筑TArch軟件已經(jīng)成為了國(guó)內(nèi)建筑設(shè)計(jì)CAD事實(shí)上的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)天正建筑Tarch對(duì)建筑物模型表面材質(zhì)進(jìn)行設(shè)置的情形10土木工程概論第12章計(jì)算機(jī)在土木工程中的應(yīng)用使用3D3S設(shè)計(jì)的體育館模型3D3S是由同濟(jì)大學(xué)開發(fā)，主要針對(duì)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的CAAD軟件。它可以對(duì)鋼結(jié)構(gòu)、空間張拉結(jié)構(gòu)、膜材結(jié)構(gòu)、幕墻結(jié)構(gòu)、網(wǎng)架網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)以及塔桅結(jié)構(gòu)等進(jìn)行分析計(jì)算，據(jù)稱目前3D3S已經(jīng)成為了國(guó)內(nèi)使用最廣的鋼結(jié)構(gòu)軟件11土木工程概論第12章計(jì)算機(jī)在土木工程中的應(yīng)用使用廣廈建筑結(jié)構(gòu)CAD進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)廣廈系列結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件是由廣東省建筑設(shè)計(jì)研究員和深圳市廣廈軟件有限公司自1996年開始進(jìn)行開發(fā)的CAAD軟件，主要由鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)CAD、鋼結(jié)構(gòu)CAD、打圖管理系統(tǒng)幾個(gè)部分組成。廣廈系列比較有特色的地方在于其提出了“軟件租用”的概念，在其網(wǎng)站中注冊(cè)成為會(huì)員以后便可以通過互聯(lián)網(wǎng)使用其軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，這可能是推廣軟件使用的一個(gè)有效的手段12土木工程概論第12章計(jì)算機(jī)在土木工程中的應(yīng)用使用PKPM生成施工圖13土木工程概論第12章計(jì)算機(jī)在土木工程中的應(yīng)用軟件名稱開發(fā)者PKPM系列中國(guó)建筑科學(xué)研究院建筑工程軟件研究所RSD中國(guó)建筑科學(xué)研究院地基基礎(chǔ)研究所ABD系列中國(guó)建筑科學(xué)研究院ABD系列軟件開發(fā)部TBSA系列中國(guó)建筑科學(xué)研究院高層部SACB中國(guó)建筑科學(xué)研究院抗震所ETABS美國(guó)計(jì)算機(jī)和結(jié)構(gòu)公司（CSI）UP中國(guó)建筑科學(xué)研究院結(jié)構(gòu)所STAADCHINA2004阿依艾工程軟件有限公司X-SteelStructures芬蘭Tekla公司SAP2000/StruCAD/SAFE/SECTIONBUILDER英國(guó)AceCAD公司SCIA德賽公司代理PS2000/SS2000中冶集團(tuán)建筑研究總院鋼結(jié)構(gòu)軟件開發(fā)部GFCAD中國(guó)建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)研究所開發(fā)PDSOFT系列中國(guó)科學(xué)院計(jì)算技術(shù)研究所CAD開放實(shí)驗(yàn)室3D3S/M&Tsteel/CCC/啟明星系列同濟(jì)大學(xué)廣廈系列深圳市廣廈軟件有限公司14土木工程概論第12章計(jì)算機(jī)在土木工程中的應(yīng)用MSTCAD浙江大學(xué)SSCAD上海交通大學(xué)TWCAD天津大學(xué)理正系列北京理正軟件設(shè)計(jì)研究所天正系列北京天正工程軟件有限公司大力神北京中地新創(chuàng)科技公司TUS2000清華大學(xué)建筑設(shè)計(jì)院TSSD北京探索者公司佳友CAD順德建筑設(shè)計(jì)院有限公司PRCS合肥工業(yè)大學(xué)FAP-3北京長(zhǎng)筑工程軟件有限公司中望CAD/建筑/景園中望龍騰科技發(fā)展有限公司15土木工程概論第12章計(jì)算機(jī)在土木工程中的應(yīng)用仿真類型全物理仿真（模擬仿真）半物理仿真（混合仿真）計(jì)算機(jī)仿真（數(shù)字仿真）模型類型物理模型物理－數(shù)學(xué)模型數(shù)學(xué)模型計(jì)算機(jī)類型模擬計(jì)算機(jī)混合計(jì)算機(jī)數(shù)字計(jì)算機(jī)應(yīng)用舉例振動(dòng)臺(tái)實(shí)驗(yàn)偽動(dòng)力實(shí)驗(yàn)計(jì)算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)國(guó)內(nèi)建筑結(jié)構(gòu)行業(yè)常用CAAD軟件仿真類型亞實(shí)時(shí)仿真實(shí)時(shí)仿真超實(shí)時(shí)仿真時(shí)間比例關(guān)系仿真時(shí)鐘<實(shí)時(shí)時(shí)鐘仿真時(shí)鐘=實(shí)時(shí)時(shí)鐘仿真時(shí)鐘>實(shí)時(shí)時(shí)鐘應(yīng)用舉例結(jié)構(gòu)生命全過程仿真振動(dòng)臺(tái)實(shí)驗(yàn)偽動(dòng)力實(shí)驗(yàn)國(guó)內(nèi)建筑結(jié)構(gòu)行業(yè)常用CAAD軟件12.2.1計(jì)算機(jī)仿真的概念，以及其起源和發(fā)展12.2土木工程的計(jì)算機(jī)仿真16土木工程概論第12章計(jì)算機(jī)在土木工程中的應(yīng)用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)把現(xiàn)代仿真技術(shù)與計(jì)算機(jī)發(fā)展結(jié)合起來，通過建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，以計(jì)算機(jī)為工具，以數(shù)值計(jì)算為手段，對(duì)存在的或設(shè)想中的系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。在我國(guó)，自從20世紀(jì)50年代中期以來，系統(tǒng)仿真技術(shù)就在航天、航空、軍事等尖端領(lǐng)域得到應(yīng)用，取得了重大的成果。自20世紀(jì)80年代初開始，隨著微機(jī)的廣泛應(yīng)用，數(shù)字仿真技術(shù)在土木工程、自動(dòng)控制、電氣傳動(dòng)、機(jī)械制造、造船、化工等工程技術(shù)領(lǐng)域也得到了廣泛應(yīng)用有限元分析（FiniteElementAnalyse，簡(jiǎn)稱FEA）作為計(jì)算機(jī)仿真的重要手段在土木工程有著極其廣泛的應(yīng)用，其實(shí)質(zhì)在于用大量離散的單元代表一個(gè)給定的域1941年Hrenikoff提出了所謂的網(wǎng)格法，它將平面彈性體看作是一批桿件和梁；1943年Courant提出了在一個(gè)子域上采用逐段連續(xù)函數(shù)來接近未知函數(shù)。Hrenikoff和Courant提出的無疑是有限元方法（FiniteElementMethod，簡(jiǎn)稱FEM）的關(guān)鍵特性，但正式的有限元法的文獻(xiàn)則應(yīng)歸功于Argyris、Kelsey、Turner、Clough、Martin和Topp，其中Clough于1960年第一次使用了“有限元”這個(gè)名詞，其后有限元的研究開始迅速發(fā)展，在結(jié)構(gòu)力學(xué)、流體力學(xué)、電學(xué)、熱力學(xué)，核物理等方面都有著極為重要的應(yīng)用17土木工程概論第12章計(jì)算機(jī)在土木工程中的應(yīng)用現(xiàn)代有限元?dú)v史背景正是因?yàn)橛邢拊治鲈诠こ填I(lǐng)域的重要應(yīng)用，很多軟件公司都開發(fā)了不同的有限元分析軟件。其中在國(guó)內(nèi)影響較大的有ANSYS、ABAQUS、DIANA、ADINA、IDARC、ALGOR等，如表12.4所示。這些有限元分析軟件往往已經(jīng)整合了CAD建模的部分，同時(shí)也會(huì)對(duì)第三方CAD模型提供支持18ABAQUSADINAAFEMSAirMechanicsALADDINAlgorANSYSAVwin(Avansse)BEASYBOSSInternationalCADRECADSCAEFEMCESAR-LCPCCAESARII-(pipestressanalysis)COSARCOSMOS/MCSA/GENSACSA/NASTRANCSA/VisualforAutoCADCSTRAADDIANADYNA3DELFENENERCALCESACompETABS(CSI)FE/PipeFEItFEMAPFEMGVFlexPDEGenesisGRAPEGBW16&GBW32GTSTRUDLHyperMesh(AltairComputing)I-DEASMasterSeriesIndusFEAINERTIALapFEALARSALUSASMARCME/NASTRAN土木工程概論第12章計(jì)算機(jī)在土木工程中的應(yīng)用常用有限元分析軟件19MicrostranforWindowsMotionView(AltairComputing)MSC/DYTRANMSC/FATIGUEMSC/MARCMSC/NASTRANMSC/NASTRAN(forWindows)MSC/PatranmTAB*STRESSMultiframeNE/NastranNISA/DISPLAYOptiStruct(AltairComputing)P-Frame(Softek)PDEToolboxPDEase2DPENTAGON2DPENTAGON3DPERMASProkonProPHLEXRISA-2DRISA-3DRobot97RSTABS-Frame(Softek)SAFE(CSI)SAFISAMCEFSAP2000(CSI)SoFiSTiKSTAADIIISTAAD/ProSTARDYNESTRAND6STRAPStressCheckTEDDSVISAGEZebulon常用有限元分析軟件土木工程概論第12章計(jì)算機(jī)在土木工程中的應(yīng)用20土木工程概論第12章計(jì)算機(jī)在土木工程中的應(yīng)用12.2.2仿真軟件在我國(guó)建筑工程領(lǐng)域中的應(yīng)用常見的通用有限元分析程序，如ANSYS、ABAQUS、DIANA、ADINA、IDARC、ALGOR等程序當(dāng)中對(duì)國(guó)內(nèi)影響比較大的是ANSYS國(guó)家大劇院計(jì)算模型結(jié)構(gòu)的整體變形21土木工程概論第12章計(jì)算機(jī)在土木工程中的應(yīng)用使用ANSYS建模并進(jìn)行力學(xué)分析在ANSYS中導(dǎo)入AutoCAD模型使用ANSYS進(jìn)行結(jié)構(gòu)有限元分析一般分前處理、求解和后處理三步。其中前處理當(dāng)中會(huì)包含著建模、設(shè)定分析類型、設(shè)定模型材料性質(zhì)參數(shù)、設(shè)定單元類型、劃分單元、施加約束和荷載幾步，是整個(gè)分析過程用時(shí)最多的部分。一個(gè)有限元分析是否合理，甚至于有限元分析是否能夠正常完成都取決于前處理工作完成的質(zhì)量22土木工程概論第12章計(jì)算機(jī)在土木工程中的應(yīng)用ANSYSWorkbench設(shè)計(jì)思路在ANSYSWorkbench中導(dǎo)入AutoCAD模型作為當(dāng)今大型通用程序?qū)I(yè)化的趨向，ANSYS也推出了供開發(fā)者針對(duì)特定分析需求，開發(fā)具自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)軟件的專用平臺(tái)ANSYSWorkbench。它提供了一個(gè)加載和管理各種API組件的基本框架，在這個(gè)框架中各種組件通過Jscript、Vbscript和HTML腳本組織成適合用戶使用的GUI，開發(fā)者自己的技術(shù)也可以向ANSYS的技術(shù)一樣編制成API融入到程序當(dāng)中23土木工程概論第12章計(jì)算機(jī)在土木工程中的應(yīng)用ANSYSWorkbench自動(dòng)進(jìn)行分析，定義接觸在ANSYSWorkbench環(huán)境中查看應(yīng)力云圖ANSYS功能雖然強(qiáng)大，但美中不足的是由于ANSYS對(duì)混凝土、地基等高度非線性問題的處理相當(dāng)困難，相較之下ABAQUS在這方面有著更有為優(yōu)越的表現(xiàn)24土木工程概論第12章計(jì)算機(jī)在土木工程中的應(yīng)用ABAQUS是美國(guó)ABAQUS公司于1978年推出的一套功能強(qiáng)大的有限元分析軟件，其解決問題的范圍從相對(duì)簡(jiǎn)單的線性分析到許多復(fù)雜的非線性問題。ABAQUS包括一個(gè)豐富的、可模擬任意幾何形狀的單元庫(kù)。并擁有各種類型的材料模型庫(kù)，可以模擬典型工程材料的性能，其中包括金屬、橡膠、高分子材料、復(fù)合材料、鋼筋混凝土、可壓縮超彈性泡沫材料以及土壤和巖石等地質(zhì)材料。作為通用的模擬工具，ABAQUS除了能解決大量結(jié)構(gòu)（應(yīng)力、位移）問題，還可以模擬其他工程領(lǐng)域的許多問題，例如熱傳導(dǎo)、質(zhì)量擴(kuò)散、熱電耦合分析、聲學(xué)分析、巖土力學(xué)分析（流體滲透、應(yīng)力耦合分析）及壓電介質(zhì)分析25土木工程概論第12章計(jì)算機(jī)在土木工程中的應(yīng)用12.3土木工程專家系統(tǒng)12.3.1人工智能不同科學(xué)或?qū)W科背景的學(xué)者對(duì)人工智能有不同的理解，提出不同的觀點(diǎn)，人們稱這些觀點(diǎn)為符號(hào)主義（Symbolism）、聯(lián)結(jié)主義（Connectionism）和行為主義（Actionism）等，或者叫做邏輯學(xué)派（Logicism）、仿生學(xué)派（Bionicsism）和生理學(xué)派（Physiologism），此外還有計(jì)算機(jī)學(xué)派、心理學(xué)派和語言學(xué)派等。但一般來說人們認(rèn)為人工智能是模仿和執(zhí)行人腦的某些智能功能，如判斷、推理、證明、識(shí)別、感知、理解、設(shè)計(jì)、思考、規(guī)劃、學(xué)習(xí)和問題求解等思維活動(dòng)26土木工程概論第12章計(jì)算機(jī)在土木工程中的應(yīng)用人工智能之父AlanTuring著名的英國(guó)科學(xué)家AlanTuring被稱為人工智能之父，AlanTuring不僅創(chuàng)造了一個(gè)簡(jiǎn)單的通用的非數(shù)字計(jì)算模型，而且直接證明了計(jì)算機(jī)可能以某種被理解為智能的方法工作。1950年，AlanTuring發(fā)表了題為《計(jì)算機(jī)能思考嗎？》的論文，對(duì)人工智能給出定義并且論證了人工智能的可能性27土木工程概論第12章計(jì)算機(jī)在土木工程中的應(yīng)用目前人工智能的主要學(xué)派主要有符號(hào)主義、聯(lián)結(jié)主義以及行為主義三家。這三種不同的學(xué)派中以聯(lián)結(jié)主義最為人們所關(guān)注。它源于仿生學(xué)中對(duì)人腦模型的研究，其代表成果是1943年生理學(xué)家McCulloch和數(shù)理邏輯學(xué)家Pitts創(chuàng)立的腦模型，即MP模型。60到70年代，聯(lián)結(jié)主義，尤其是對(duì)以感知機(jī)（Perceptron）為代表的腦模型的研究曾出現(xiàn)過熱潮，由于當(dāng)時(shí)的理論模型、生物原型和技術(shù)條件的限制，腦模型研究在70年代后期至80年代初期落入低潮。直到Hopfield在1982年和1984年發(fā)表兩篇重要論文，提出用硬件模擬神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)之后聯(lián)結(jié)主義又重新抬頭。1986年Rumelhart等人提出多層網(wǎng)絡(luò)中的反向傳播(BP)算法。此后，聯(lián)結(jié)主義勢(shì)頭大振，從模型到算法，從理論分析到工程實(shí)現(xiàn)，為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)走向市場(chǎng)打下基礎(chǔ)。28土木工程概論第12章計(jì)算機(jī)在土木工程中的應(yīng)用對(duì)于人工智能的技術(shù)發(fā)展也有幾種不同的爭(zhēng)論，如專用路線、通用路線、硬件路線以及軟件路線等，其研究領(lǐng)域包括語言處理、定理證明、數(shù)據(jù)檢索系統(tǒng)、視覺系統(tǒng)、問題求解、人工智能方法、程序語言設(shè)計(jì)、自動(dòng)程序設(shè)計(jì)以及專家系統(tǒng)等。但引用R.Shank的話“一臺(tái)計(jì)算機(jī)如果不能學(xué)習(xí)，它就不是智能的”，人工智能的學(xué)習(xí)才是最其重要的研究領(lǐng)域29土木工程概論第12章計(jì)算機(jī)在土木工程中的應(yīng)用12.3.2專家系統(tǒng)

專家系統(tǒng)是指能夠運(yùn)用特定領(lǐng)域的專門知識(shí)，通過推理來模擬通常由人類專家才能解決的各種復(fù)雜的、具體的問題，達(dá)到與專家具有同等解決問題能力的計(jì)算機(jī)智能程序系統(tǒng)。它能對(duì)決策的過程作出解釋，并有學(xué)習(xí)功能，即能自動(dòng)增長(zhǎng)解決問題所需的知識(shí)專家系統(tǒng)的三個(gè)特點(diǎn)：邏輯判斷、過程透明和自我學(xué)習(xí)

專家系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)是指專家系統(tǒng)各組成部分的構(gòu)造方法和組織形式。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)選擇恰當(dāng)與否，是與專家系統(tǒng)的適用性和有效性密切相關(guān)的。選擇什么結(jié)構(gòu)最為恰當(dāng)，要根據(jù)系統(tǒng)的應(yīng)用環(huán)境和所執(zhí)行任務(wù)的特點(diǎn)而定30土木工程概論第12章計(jì)算機(jī)在土木工程中的應(yīng)用由于每個(gè)專家系統(tǒng)所需要完成的任務(wù)和特點(diǎn)不同，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也不盡相同，一般只具有圖中部分模塊理想專家系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖31土木工程概論第12章計(jì)算機(jī)在土木工程中的應(yīng)用專家系統(tǒng)的主要組成部分知識(shí)庫(kù)(KnowledgeBase)：知識(shí)庫(kù)用于存儲(chǔ)某領(lǐng)域?qū)＜蚁到y(tǒng)的專門知識(shí)，包括事實(shí)、可行操作與規(guī)則等綜合數(shù)據(jù)庫(kù)(GlobalDatabase)：又稱全局?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)或總數(shù)據(jù)庫(kù)，它用于存儲(chǔ)領(lǐng)域或問題的初始數(shù)據(jù)和推理過程中得到的中間數(shù)據(jù)(信息)，即被處理對(duì)象的一些當(dāng)前事實(shí)推理機(jī)(ReasoningMachine)：用于記憶所采用的規(guī)則和控制策略的程序，使整個(gè)專家系統(tǒng)能夠以邏輯方式協(xié)調(diào)地工作

解釋器(Explanator)：能夠向用戶解釋專家系統(tǒng)的行為，包括解釋推理結(jié)論的正確性以及系統(tǒng)輸出其他候選解的原因接口(Interface)：又稱界面，它能夠使系統(tǒng)與用戶進(jìn)行對(duì)話，使用戶能夠輸入必要的數(shù)據(jù)、提出問題和了解推理過程及推理結(jié)果等

32土木工程概論第12章計(jì)算機(jī)在土木工程中的應(yīng)用專家系統(tǒng)的發(fā)展已經(jīng)歷了3個(gè)階段，正向第四代過渡和發(fā)展。第一代專家系統(tǒng)（DENDRAL、MACSYMA等）以高度專業(yè)化、求解專門問題的能力強(qiáng)為特點(diǎn)。但在體系結(jié)構(gòu)的完整性、可移植性等方面存在缺陷，求解問題的能力弱。第二代專家系統(tǒng)（MYCIN、CASNET、PROSPECTOR、HEARSAY等）屬單學(xué)科專業(yè)型、應(yīng)用型系統(tǒng)，其體系結(jié)構(gòu)較完整，移植性方面也有所改善，而且在系統(tǒng)的人機(jī)接口、解釋機(jī)制、知識(shí)獲取技術(shù)、不確定推理技術(shù)、增強(qiáng)專家系統(tǒng)的知識(shí)表示和推理方法的啟發(fā)