【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(mén)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VISUAL C++ 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

Development of Expert System for Safety
Assessment of Tower Crane

Huang Hongzhong 　Yao Xinsheng
(School of Mechanical Engineering, Southwest Jiaotong University)
Chen Xiaoan　Li Runfang　Qin Datong
(State Key Lab. of Mechanical Transmission, Chongqing University)

　　Abstract　　As an important facility,the tower crane plays an important role in construction industry.Though its safety problem has been concerned worldwidely,the accident frequency has been high.Its safety is still a puzzle in this industry.After building a Depend Relation Figure(DRF),an expert system for safety assessment of tower crane(TQES) is developed in Visual C++ environment,using the expert system frame technology based on modern design methodology.The TQES has been verified successfully,and could be used to assess the safety of general tower crane.
　　Key words：　Tower crane　Expert system　Safety assessment

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(mén)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(mén)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(mén)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�機(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T(mén)QES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3　TQES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4　TQES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VISUAL C++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�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(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
Tqes.cnt 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Reliability Engineering and System Safety, Fuzzy Sets and Systems, Microelectronics and Reliability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�工程、智能CAD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

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