塔式起重機(jī)安全評(píng)判專家系統(tǒng)的研制

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【摘要】塔式起重機(jī)作為建筑施工的主要設(shè)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(wèn)題受到各國(guó)有關(guān)部門的高度重視，但塔式起重機(jī)的事故率近年來(lái)仍未見(jiàn)下降，其安全問(wèn)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(jī)安全的依賴關(guān)系圖的基礎(chǔ)上，采用基于現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法學(xué)的專家系統(tǒng)構(gòu)造技術(shù)，使用VISUALC++開(kāi)發(fā)了塔式起重機(jī)安全評(píng)判專家系統(tǒng)TQES。該系統(tǒng)經(jīng)全部測(cè)試通過(guò)，可對(duì)一般的塔式起重機(jī)進(jìn)行安全評(píng)判。

【關(guān)鍵詞】塔式起重機(jī)專家系統(tǒng)安全評(píng)判 DevelopmentofExpertSystemforSafety

AssessmentofTowerCrane

HuangHongzhongYaoXinsheng

(SchoolofMechanicalEngineering,SouthwestJiaotongUniversity)

ChenXiaoanLiRunfangQinDatong

(StateKeyLab.ofMechanicalTransmission,ChongqingUniversity)

AbstractAsanimportantfacility,thetowercraneplaysanimportantroleinconstructionindustry.Thoughitssafetyproblemhasbeenconcernedworldwidely,theaccidentfrequencyhasbeenhigh.Itssafetyisstillapuzzleinthisindustry.AfterbuildingaDependRelationFigure(DRF),anexpertsystemforsafetyassessmentoftowercrane(TQES)isdevelopedinVisualC++environment,usingtheexpertsystemframetechnologybasedonmoderndesignmethodology.TheTQEShasbeenverifiedsuccessfully,andcouldbeusedtoassessthesafetyofgeneraltowercrane.

Keywords：TowercraneExpertsystemSafetyassessment

1引言

塔式起重機(jī)（簡(jiǎn)稱塔機(jī)）的安全問(wèn)題，一直是塔機(jī)及其應(yīng)用行業(yè)的主要憂患之一，受到各國(guó)政府、制造廠商和使用單位以及科研部門的高度重視。現(xiàn)有的解決塔機(jī)安全問(wèn)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(jī)安全問(wèn)題依然嚴(yán)重。為此，筆者通過(guò)對(duì)塔機(jī)安全問(wèn)題的調(diào)查以及對(duì)塔機(jī)的安全檢查、評(píng)判的研究，開(kāi)發(fā)了塔機(jī)安全評(píng)判專家系統(tǒng)，便于對(duì)塔機(jī)的安全狀況進(jìn)行經(jīng)常性的安全評(píng)判，從而提高塔機(jī)的安全性。

2基本理論

2.1塔機(jī)安全的依賴關(guān)系圖

在萬(wàn)物復(fù)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(shí)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(guān)系就叫做依賴關(guān)系。這樣的依賴關(guān)系在現(xiàn)實(shí)世界中隨處可見(jiàn)。如：“他生病了”與“他感到不舒服”；“塔機(jī)超載”與“塔機(jī)不安全”等。

專家系統(tǒng)是一個(gè)基于推理、分析的系統(tǒng)，它的工作就是利用知識(shí)庫(kù)的資源進(jìn)行推理和分析，根據(jù)知識(shí)的相互依賴關(guān)系去尋求結(jié)論。因此，在建立專家系統(tǒng)前，整理知識(shí)并建立知識(shí)之間的依賴關(guān)系是基本的和必要的。

在相關(guān)知識(shí)領(lǐng)域中，由基本因素到復(fù)雜因素進(jìn)行分析，從而形成了一種復(fù)雜的依賴關(guān)系，用圖形表示就是依賴關(guān)系圖。依賴關(guān)系圖有助于對(duì)領(lǐng)域知識(shí)系統(tǒng)體系進(jìn)行更加直觀的整理，有助于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和知識(shí)庫(kù)的建立。

塔機(jī)安全的依賴關(guān)系圖顯示了塔機(jī)由于其自身因素和外界因素造成安全或不安全的依賴關(guān)系，在對(duì)塔機(jī)的事故和安全問(wèn)題進(jìn)行調(diào)查、分析、總結(jié)后，筆者給出了塔機(jī)的安全依賴關(guān)系圖，如圖1所示。

由于引起塔機(jī)不安全的因素的復(fù)雜性，塔機(jī)的安全依賴關(guān)系很復(fù)雜，這個(gè)依賴關(guān)系圖只簡(jiǎn)單表明了塔機(jī)不安全的某些原因的某些主要發(fā)生點(diǎn)，具體的塔機(jī)的安全依賴關(guān)系將在專家系統(tǒng)知識(shí)庫(kù)構(gòu)造時(shí)全部裝入系統(tǒng)。

2.2基于現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法學(xué)的專家系統(tǒng)構(gòu)造技術(shù)

專家系統(tǒng)的構(gòu)造技術(shù)可以認(rèn)為是一門高度智能化的邊緣學(xué)科，把當(dāng)代的相關(guān)科學(xué)領(lǐng)域的新的設(shè)計(jì)方法應(yīng)用到專家系統(tǒng)的構(gòu)造中，就形成了專家系統(tǒng)的新的構(gòu)造技術(shù)即基于現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法學(xué)的專家系統(tǒng)構(gòu)造技術(shù)。

現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法學(xué)是一門新興的學(xué)科，其研究對(duì)象不是某個(gè)領(lǐng)域，而是某個(gè)領(lǐng)域的研究方法。其研究的主要內(nèi)容是對(duì)現(xiàn)有的方法進(jìn)行分析和總結(jié)，進(jìn)而去發(fā)掘和創(chuàng)造新的方法，并把新的方法應(yīng)用于相應(yīng)的科學(xué)領(lǐng)域。在許多行業(yè)領(lǐng)域都有其特殊的科研隊(duì)伍，其中較強(qiáng)大的一支是進(jìn)行方法和策略的研究，其實(shí)是從事現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法學(xué)的具體應(yīng)用。在商業(yè)界，此類隊(duì)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(jì)算機(jī)軟件行業(yè)，這樣的隊(duì)伍也已非常龐大，針對(duì)網(wǎng)絡(luò)的許多新理論、新技術(shù)，對(duì)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)以及局域網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展均起到了巨大的推動(dòng)作用。在機(jī)械等其他工業(yè)行業(yè)也不例外，模糊機(jī)械分析設(shè)計(jì)方法學(xué)的提出，無(wú)疑讓機(jī)械設(shè)計(jì)水平躍上了一個(gè)新的臺(tái)階［1］。

在專家系統(tǒng)的構(gòu)造方面，其構(gòu)造技術(shù)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(shè)計(jì)新方法的發(fā)展和應(yīng)用不夠。專家系統(tǒng)的構(gòu)造也應(yīng)該吸收當(dāng)今的現(xiàn)代設(shè)計(jì)新方法、新理論、新工具，以提高其構(gòu)造的速度和質(zhì)量。基于現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法學(xué)的專家系統(tǒng)構(gòu)造技術(shù)強(qiáng)調(diào)：基于面向?qū)ο蟮哪Ｐ蜆?gòu)造、基于用戶的功能設(shè)計(jì)和基于模糊技術(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的知識(shí)處理以及基于現(xiàn)代設(shè)計(jì)工具的實(shí)現(xiàn)等。

2.3可行性分析

塔機(jī)安全評(píng)判是解決塔機(jī)安全問(wèn)題、提高塔機(jī)安全重要性的一種方法和手段。作為對(duì)塔機(jī)安全的評(píng)判，它具有一定的特點(diǎn)和作業(yè)流程。塔機(jī)安全評(píng)判人員，一般由一組塔機(jī)安全工程師和塔機(jī)專家組成，通過(guò)對(duì)塔機(jī)的狀態(tài)的系統(tǒng)評(píng)定，根據(jù)專家的經(jīng)驗(yàn)和有關(guān)規(guī)章制度進(jìn)行評(píng)判，最后根據(jù)各個(gè)專家的評(píng)判結(jié)果進(jìn)行綜合，得到塔機(jī)的安全結(jié)論。檢查塔機(jī)安全評(píng)判的流程，可大致描述為圖2的形式。因此，塔機(jī)的安全評(píng)判具有以下特點(diǎn)：

1）評(píng)判人員應(yīng)為塔機(jī)安全工程師和塔機(jī)專家；

2）評(píng)判應(yīng)依據(jù)專家的經(jīng)驗(yàn)和有關(guān)的規(guī)章制度實(shí)現(xiàn)；

3）評(píng)判過(guò)程多是專家進(jìn)行分析，具體的物理活動(dòng)少；

4）評(píng)判活動(dòng)很難用傳統(tǒng)的軟件技術(shù)解決。

塔機(jī)安全問(wèn)題的重要性在前面已有所敘述，而塔機(jī)專家是有限的，不可能對(duì)每一臺(tái)塔機(jī)都配備專業(yè)的塔機(jī)專家進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，因此努力尋找新的方法來(lái)協(xié)助解決這一問(wèn)題就十分必要。開(kāi)發(fā)一個(gè)對(duì)應(yīng)的塔機(jī)安全評(píng)判專家系統(tǒng)，能夠?qū)λC(jī)隨時(shí)進(jìn)行安全評(píng)判，就是協(xié)助解決塔機(jī)安全問(wèn)題的一種新方法的嘗試。

塔機(jī)安全評(píng)判的專家系統(tǒng)的構(gòu)造不僅是必要的而且是可行的，其理由有四：

1）塔機(jī)安全評(píng)判適宜于開(kāi)發(fā)專家系統(tǒng)，根據(jù)前面提到的塔機(jī)安全評(píng)判的領(lǐng)域特點(diǎn)，其活動(dòng)多為專家的推理活動(dòng)，而評(píng)判的依據(jù)為專家群體知識(shí)，正好符合專家系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)要求；

2）塔機(jī)安全評(píng)判的知識(shí)存在并且可以獲取，這些知識(shí)一部分來(lái)源于有關(guān)的規(guī)章制度，另外的來(lái)源于專家的經(jīng)驗(yàn)，這兩方面的知識(shí)獲取都是可行的；

3）構(gòu)造專家系統(tǒng)的技術(shù)比較成熟，專家系統(tǒng)也易于構(gòu)造；

4）設(shè)計(jì)人員有開(kāi)發(fā)專家系統(tǒng)的能力。

3系統(tǒng)模型設(shè)計(jì)

考慮到塔機(jī)安全評(píng)判的專家系統(tǒng)是一個(gè)基于規(guī)則的評(píng)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(kuò)充性，即：建立的專家系統(tǒng)應(yīng)該適用于塔機(jī)的安全評(píng)判，同時(shí)也可作為一個(gè)一般的專家系統(tǒng)工具來(lái)使用，在系統(tǒng)啟動(dòng)使用后，能夠通過(guò)簡(jiǎn)單的重新構(gòu)造系統(tǒng)的知識(shí)庫(kù)再構(gòu)造為其他的專家系統(tǒng)。根據(jù)這樣的設(shè)計(jì)考慮，塔機(jī)安全評(píng)判的專家系統(tǒng)的知識(shí)庫(kù)、知識(shí)庫(kù)的建立、知識(shí)的獲取應(yīng)該是重要的，而且是用戶可重新定義使用的部分。因此，該系統(tǒng)是一個(gè)基于規(guī)則的評(píng)判類專家系統(tǒng)和工具，為了方便和說(shuō)明系統(tǒng)的功能，以后都把該系統(tǒng)簡(jiǎn)稱為TQES系統(tǒng)。

根據(jù)前面對(duì)專家系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的理論介紹和要求，TQES系統(tǒng)總體上的結(jié)構(gòu)采用基于規(guī)則的一般結(jié)構(gòu)，包括以下幾部分：基本數(shù)據(jù)庫(kù)，初始證據(jù)庫(kù)，規(guī)則庫(kù)，知識(shí)獲取，推理機(jī)，解釋機(jī)制，人機(jī)接口，綜合數(shù)據(jù)庫(kù)，最終數(shù)據(jù)庫(kù)。其相互關(guān)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(jié)構(gòu)圖

（1）庫(kù)文件

TQES系統(tǒng)包括5個(gè)庫(kù)文件，其實(shí)就是通常的知識(shí)庫(kù)和綜合數(shù)據(jù)庫(kù)的具體形式體現(xiàn)。

規(guī)則庫(kù)，即知識(shí)庫(kù)，在基于規(guī)則的專家系統(tǒng)中，知識(shí)的表示是一組按照一定順序排列的規(guī)則，這些規(guī)則一起組成規(guī)則庫(kù)，規(guī)則庫(kù)是知識(shí)的存放處。TQES的規(guī)則庫(kù)包括了TQES專家系統(tǒng)用的所有知識(shí)。

基本數(shù)據(jù)庫(kù)為系統(tǒng)的初始化數(shù)據(jù)文件，它為規(guī)則庫(kù)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(diǎn)，節(jié)點(diǎn)包含有某種數(shù)據(jù)值、值的可靠度、數(shù)據(jù)的標(biāo)識(shí)符等參數(shù)。基本數(shù)據(jù)庫(kù)由節(jié)點(diǎn)構(gòu)成。

中間數(shù)據(jù)庫(kù)也叫綜合數(shù)據(jù)庫(kù)，該庫(kù)是在推理中用的臨時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)，它也由節(jié)點(diǎn)組成。該庫(kù)只有在TQES推理時(shí)存在，為動(dòng)態(tài)庫(kù)文件。

最終數(shù)據(jù)庫(kù)是TQES推理結(jié)束并且成功后的數(shù)據(jù)庫(kù)，該庫(kù)存放推理的成功數(shù)據(jù)，它也由節(jié)點(diǎn)組成。該庫(kù)只有在TQES推理成功后才產(chǎn)生，為動(dòng)態(tài)庫(kù)，但是可以進(jìn)行存儲(chǔ)和多種方式的輸出。

推理機(jī)是TQES的主要的進(jìn)行推理工作的模塊，它根據(jù)用戶的環(huán)境設(shè)定而進(jìn)行推理。其主要功能實(shí)現(xiàn)如圖4所示。

圖4TQES專家系統(tǒng)總體流程圖

（2）推理機(jī)

（3）解釋機(jī)制

對(duì)推理的結(jié)論和推理的過(guò)程進(jìn)行解釋，增加推理的透明性。

（4）人機(jī)接口

人機(jī)接口模塊是TQES的特色部分，它負(fù)責(zé)處理操作人員和系統(tǒng)的信息交換。包括對(duì)用戶的輸入信息轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)的形式，把系統(tǒng)的輸出信息轉(zhuǎn)化為自然化語(yǔ)言，動(dòng)態(tài)顯示推理進(jìn)程、閱覽檢查、打印各個(gè)庫(kù)文件和數(shù)據(jù)的模糊化處理等。

（5）知識(shí)獲取

負(fù)責(zé)獲取知識(shí)，具體來(lái)講就是構(gòu)造基本數(shù)據(jù)庫(kù)文件和知識(shí)庫(kù)文件。TQES通過(guò)可視化環(huán)境獲取數(shù)據(jù)，動(dòng)態(tài)編輯、顯示，自動(dòng)格式化存儲(chǔ)，并具有安全、不失真特性。

4程序?qū)崿F(xiàn)

按照TQES結(jié)構(gòu)模型，利用基于現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法學(xué)專家系統(tǒng)構(gòu)造技術(shù)進(jìn)行了程序設(shè)計(jì)。所有的程序都在VISUALC++環(huán)境下設(shè)計(jì)并調(diào)試通過(guò)，符合C++規(guī)范。由于源程序較多（500多頁(yè)，近20000行代碼、40萬(wàn)字符），在此就不列出源代碼。同時(shí)，由于TQES是一個(gè)真正Windows下的面向?qū)ο蟮某绦颍虼似涔δ懿糠趾徒缑娌糠质蔷C合的。下面列出主要源程序的作用。

Item.cpp節(jié)點(diǎn)定義功能實(shí)現(xiàn)

ItemBase.cpp節(jié)點(diǎn)庫(kù)實(shí)現(xiàn)文件

ItemNameManager.cpp建立基本節(jié)點(diǎn)庫(kù)

ItemInit.cpp初始化基本節(jié)點(diǎn)庫(kù)

ItemBasePrint.cpp打印節(jié)點(diǎn)庫(kù)

ItemInitDate獲取初始化數(shù)據(jù)

MyTree.cpp以樹(shù)形顯示節(jié)點(diǎn)庫(kù)

MyList.cpp以列表形式顯示節(jié)點(diǎn)庫(kù)

Rule.cpp規(guī)則定義功能實(shí)現(xiàn)

RuleBase.cpp規(guī)則庫(kù)實(shí)現(xiàn)

RuleManager.cpp建立和管理規(guī)則

RuleBasemanger.cpp建立和管理規(guī)則庫(kù)

RuleAddItem.cpp為規(guī)則增加前提或結(jié)論

RuleDisplay.cpp規(guī)則以自然語(yǔ)言顯示在屏幕上

RuleEqualEdit.cpp規(guī)則的前提和結(jié)論之間計(jì)算關(guān)系的公式編輯器

RuleList.cpp規(guī)則庫(kù)以列表顯示

RulePreHeight.cpp規(guī)則前提權(quán)重分配

Value.cpp節(jié)點(diǎn)的值實(shí)現(xiàn)

Do.cpp推理驅(qū)動(dòng)

Doing.cpp推理進(jìn)行

DoSutuo.cpp推理設(shè)置

ConclusionOut.cpp顯示推理結(jié)論

MainFrm.cpp主窗口管理

Tqes.cpp程序進(jìn)程總啟動(dòng)

TqesView.cpp程序視圖管理

TqesDoc.cpp程序文檔管理

t程序幫助的索引

Tqes.rtf程序幫助的源文件內(nèi)容

5結(jié)論

TQES系統(tǒng)經(jīng)過(guò)調(diào)試后全部達(dá)到功能指標(biāo)，并對(duì)一些已經(jīng)存在的塔機(jī)安全事故進(jìn)行分析，結(jié)果正確、可靠，是一個(gè)值得信賴的塔機(jī)安全評(píng)判軟件，可以對(duì)塔機(jī)的安全管理起到一定的協(xié)助作用。同時(shí)，考慮到軟件開(kāi)發(fā)的難度和塔機(jī)專業(yè)的局限性，在TQES開(kāi)發(fā)之初就考慮到其功能和應(yīng)用領(lǐng)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(guò)相應(yīng)的庫(kù)文件的重新構(gòu)造或修改，就可應(yīng)用到其他類似的評(píng)判類、推理類、故障診斷類專家系統(tǒng)中，TQES又是一個(gè)廣義上的專家系統(tǒng)開(kāi)發(fā)工具，它具有廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域和光輝前景。

*國(guó)家自然科學(xué)基金、四川省跨世紀(jì)杰出青年學(xué)科帶頭人培養(yǎng)基金資助項(xiàng)目

作者簡(jiǎn)介：黃洪鐘1963年6月生，重慶市長(zhǎng)壽縣人。博士，教授。現(xiàn)任紐約科學(xué)院會(huì)員，日本機(jī)械工程師學(xué)會(huì)會(huì)員，中國(guó)現(xiàn)代設(shè)計(jì)法研究會(huì)可靠性學(xué)會(huì)理事，中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)可靠性工程分會(huì)理事，中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)機(jī)械設(shè)計(jì)分會(huì)理事。《機(jī)械設(shè)計(jì)》雜志編委，國(guó)際著名雜志ReliabilityEngineeringandSystemSafety,FuzzySetsandSystems,MicroelectronicsandReliability等論文特約評(píng)閱人。主要從事可靠性與安全性工程、CAD、智能優(yōu)化設(shè)計(jì)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊技術(shù)的研究工作。主持或參加國(guó)家級(jí)和省部級(jí)科研項(xiàng)目14項(xiàng)，獲國(guó)家級(jí)和省部級(jí)科技獎(jiǎng)3項(xiàng)，獲國(guó)家專利1項(xiàng)，出版學(xué)術(shù)著作4部，在國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)刊物上120余篇。

姚新勝1969年12月出生，山西晉城人。1993年7月畢業(yè)于西南交通大學(xué)，獲學(xué)士學(xué)位。1993年8月至1996年8月在山西長(zhǎng)治北機(jī)務(wù)段工作。1999年6月畢業(yè)于西南交通大學(xué)，獲碩士學(xué)位。現(xiàn)正在西南交通大學(xué)攻讀博士學(xué)位，研究方向?yàn)榘踩こ獭⒅悄蹸AD與專家系統(tǒng)。主持并研究國(guó)家級(jí)和省部級(jí)項(xiàng)目3項(xiàng)，發(fā)表學(xué)術(shù)論文4篇。

作者單位：黃洪鐘姚新勝（西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院）

陳小安李潤(rùn)方秦大同（重慶大學(xué)機(jī)械傳動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

作者地址：四川省成都市；西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院；郵編：610031

參考文獻(xiàn)“公務(wù)員之家”版權(quán)所有

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