塔式起重机安全评判专家系统的研制
【摘 要】 塔式起重机作为建筑施工的主要设备，在建筑等行业发挥着极其重要的作用，因而其安全问题受到各国有关部门的高度重视，但塔式起重机的事故率近年来仍未见下降，其安全问题仍然是建筑施工中的忧患之一。为此，笔者在建造了塔式起重机安全的依赖关系图的基础上，采用基于现代设计方法学的专家系统构造技术，使用VISUAL C++ 开发了塔式起重机安全评判专家系统TQES。该系统经全部测试通过，可对一般的塔式起重机进行安全评判。
【关键词】 塔式起重机 专家系统 安全评判
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
塔式起重机（简称塔机）的安全问题，一直是塔机及其应用行业的主要忧患之一，受到各国政府、制造厂商和使用单位以及科研部门的高度重视。现有的解决塔机安全问题的方法，一般立足于生产管理、使用管理和安全检查上。但是，由于人为管理的脆弱性，塔机安全问题依然严重。为此，笔者通过对塔机安全问题的调查以及对塔机的安全检查、评判的研究，开发了塔机安全评判专家系统，便于对塔机的安全状况进行经常性的安全评判，从而提高塔机的安全性。
2 基本理论
2.1 塔机安全的依赖关系图
在万物复杂变化的世界中，许多事物所处的状况或状态都是由一定的因素造成的，而这些事物的状态同时又是影响其他事物的状态的因素。这种相互依存、相互影响的关系就叫做依赖关系。这样的依赖关系在现实世界中随处可见。如：“他生病了”与“他感到不舒服”；“塔机超载”与“塔机不安全”等。
专家系统是一个基于推理、分析的系统，它的工作就是利用知识库的资源进行推理和分析，根据知识的相互依赖关系去寻求结论。因此，在建立专家系统前，整理知识并建立知识之间的依赖关系是基本的和必要的。
在相关知识领域中，由基本因素到复杂因素进行分析，从而形成了一种复杂的依赖关系，用图形表示就是依赖关系图。依赖关系图有助于对领域知识系统体系进行更加直观的整理，有助于系统结构设计和知识库的建立。
塔机安全的依赖关系图显示了塔机由于其自身因素和外界因素造成安全或不安全的依赖关系，在对塔机的事故和安全问题进行调查、分析、总结后，笔者给出了塔机的安全依赖关系图，如图1所示。
由于引起塔机不安全的因素的复杂性，塔机的安全依赖关系很复杂，这个依赖关系图只简单表明了塔机不安全的某些原因的某些主要发生点，具体的塔机的安全依赖关系将在专家系统知识库构造时全部装入系统。
2.2 基于现代设计方法学的专家系统构造技术
专家系统的构造技术可以认为是一门高度智能化的边缘学科，把当代的相关科学领域的新的设计方法应用到专家系统的构造中，就形成了专家系统的新的构造技术即基于现代设计方法学的专家系统构造技术。
现代设计方法学是一门新兴的学科，其研究对象不是某个领域，而是某个领域的研究方法。其研究的主要内容是对现有的方法进行分析和总结，进而去发掘和创造新的方法，并把新的方法应用于相应的科学领域。在许多行业领域都有其特殊的科研队伍，其中较强大的一支是进行方法和策略的研究，其实是从事现代设计方法学的具体应用。在商业界，此类队伍已造就了许多商业奇迹，众多有效的销售方法的推出均是这些策划人员的杰作。在计算机软件行业，这样的队伍也已非常庞大，针对网络的许多新理论、新技术，对互联网络以及局域网络的发展均起到了巨大的推动作用。在机械等其他工业行业也不例外，模糊机械分析设计方法学的提出，无疑让机械设计水平跃上了一个新的台阶［1］。
在专家系统的构造方面，其构造技术也在不停地发展，但较其他软件行业就显得缓慢，主要原因就是设计新方法的发展和应用不够。专家系统的构造也应该吸收当今的现代设计新方法、新理论、新工具，以提高其构造的速度和质量。基于现代设计方法学的专家系统构造技术强调：基于面向对象的模型构造、基于用户的功能设计和基于模糊技术、神经网络的知识处理以及基于现代设计工具的实现等。
2.3 可行性分析
塔机安全评判是解决塔机安全问题、提高塔机安全重要性的一种方法和手段。作为对塔机安全的评判，它具有一定的特点和作业流程。塔机安全评判人员，一般由一组塔机安全工程师和塔机专家组成，通过对塔机的状态的系统评定，根据专家的经验和有关规章制度进行评判，最后根据各个专家的评判结果进行综合，得到塔机的安全结论。检查塔机安全评判的流程，可大致描述为图2的形式。因此，塔机的安全评判具有以下特点：
1） 评判人员应为塔机安全工程师和塔机专家；
2） 评判应依据专家的经验和有关的规章制度实现；
3） 评判过程多是专家进行分析，具体的物理活动少；
4） 评判活动很难用传统的软件技术解决。
塔机安全问题的重要性在前面已有所叙述，而塔机专家是有限的，不可能对每一台塔机都配备专业的塔机专家进行实时监控，因此努力寻找新的方法来协助解决这一问题就十分必要。开发一个对应的塔机安全评判专家系统，能够对塔机随时进行安全评判，就是协助解决塔机安全问题的一种新方法的尝试。
塔机安全评判的专家系统的构造不仅是必要的而且是可行的，其理由有四：
1） 塔机安全评判适宜于开发专家系统，根据前面提到的塔机安全评判的领域特点，其活动多为专家的推理活动，而评判的依据为专家群体知识，正好符合专家系统的开发要求；
2） 塔机安全评判的知识存在并且可以获取，这些知识一部分来源于有关的规章制度，另外的来源于专家的经验，这两方面的知识获取都是可行的；
3） 构造专家系统的技术比较成熟，专家系统也易于构造；
4） 设计人员有开发专家系统的能力。
3 系统模型设计
考虑到塔机安全评判的专家系统是一个基于规则的评判类专家系统。因此，在建立系统之初，就考虑了系统的扩充性，即：建立的专家系统应该适用于塔机的安全评判，同时也可作为一个一般的专家系统工具来使用，在系统启动使用后，能够通过简单的重新构造系统的知识库再构造为其他的专家系统。根据这样的设计考虑，塔机安全评判的专家系统的知识库、知识库的建立、知识的获取应该是重要的，而且是用户可重新定义使用的部分。因此，该系统是一个基于规则的评判类专家系统和工具，为了方便和说明系统的功能，以后都把该系统简称为TQES系统。
根据前面对专家系统结构的理论介绍和要求，TQES系统总体上的结构采用基于规则的一般结构，包括以下几部分：基本数据库，初始证据库，规则库，知识获取，推理机，解释机制，人机接口，综合数据库，最终数据库。其相互关系如图3所示。下面介绍其组成部分和功能。
图3 TQES专家系统总体结构图
（1）库文件
TQES系统包括5个库文件，其实就是通常的知识库和综合数据库的具体形式体现。
规则库，即知识库，在基于规则的专家系统中，知识的表示是一组按照一定顺序排列的规则，这些规则一起组成规则库，规则库是知识的存放处。TQES的规则库包括了TQES专家系统用的所有知识。
基本数据库为系统的初始化数据文件，它为规则库的建立提供统一格式的数据。在TQES中，使用的最基本的推理单位为节点，节点包含有某种数据值、值的可靠度、数据的标识符等参数。基本数据库由节点构成。
中间数据库也叫综合数据库，该库是在推理中用的临时数据库，它也由节点组成。该库只有在TQES推理时存在，为动态库文件。
最终数据库是TQES推理结束并且成功后的数据库，该库存放推理的成功数据，它也由节点组成。该库只有在TQES推理成功后才产生，为动态库，但是可以进行存储和多种方式的输出。
推理机是TQES的主要的进行推理工作的模块，它根据用户的环境设定而进行推理。其主要功能实现如图4所示。
图4 TQES专家系统总体流程图
（2）推理机
（3）解释机制
对推理的结论和推理的过程进行解释，增加推理的透明性。
（4）人机接口
人机接口模块是TQES的特色部分，它负责处理操作人员和系统的信息交换。包括对用户的输入信息转化为系统的形式，把系统的输出信息转化为自然化语言，动态显示推理进程、阅览检查、打印各个库文件和数据的模糊化处理等。
（5）知识获取
负责获取知识，具体来讲就是构造基本数据库文件和知识库文件。TQES通过可视化环境获取数据，动态编辑、显示，自动格式化存储，并具有安全、不失真特性。
4 程序实现
按照TQES结构模型，利用基于现代设计方法学专家系统构造技术进行了程序设计。所有的程序都在VISUAL C++环境下设计并调试通过，符合C++规范。由于源程序较多（500多页，近20000行代码、40万字符），在此就不列出源代码。同时，由于TQES是一个真正Windows下的面向对象的程序，因此其功能部分和界面部分是综合的。下面列出主要源程序的作用。
Item.cpp 节点定义功能实现
ItemBase.cpp 节点库实现文件
ItemNameManager.cpp 建立基本节点库
ItemInit.cpp 初始化基本节点库
ItemBasePrint.cpp 打印节点库
ItemInitDate 获取初始化数据
MyTree.cpp 以树形显示节点库
MyList.cpp 以列表形式显示节点库
Rule.cpp 规则定义功能实现
RuleBase.cpp 规则库实现
RuleManager.cpp 建立和管理规则
RuleBasemanger.cpp 建立和管理规则库
RuleAddItem.cpp 为规则增加前提或结论
RuleDisplay.cpp 规则以自然语言显示在屏幕上
RuleEqualEdit.cpp 规则的前提和结论之间计算关系的公式编辑器
RuleList.cpp 规则库以列表显示
RulePreHeight.cpp 规则前提权重分配
Value.cpp 节点的值实现
Do.cpp 推理驱动
Doing.cpp 推理进行
DoSutuo.cpp 推理设置
ConclusionOut.cpp 显示推理结论
MainFrm.cpp 主窗口管理
Tqes.cpp 程序进程总启动
TqesView.cpp 程序视图管理
TqesDoc.cpp 程序文档管理
Tqes.cnt 程序帮助的索引
Tqes.rtf 程序帮助的源文件内容
5 结 论
TQES系统经过调试后全部达到功能指标，并对一些已经存在的塔机安全事故进行分析，结果正确、可靠，是一个值得信赖的塔机安全评判软件，可以对塔机的安全管理起到一定的协助作用。同时，考虑到软件开发的难度和塔机专业的局限性，在TQES开发之初就考虑到其功能和应用领域的不协调性。因此TQES在主文件不加修改的前提下，通过相应的库文件的重新构造或修改，就可应用到其他类似的评判类、推理类、故障诊断类专家系统中，TQES又是一个广义上的专家系统开发工具，它具有广阔的应用领域和光辉前景。
*国家自然科学基金、四川省跨世纪杰出青年学科带头人培养基金资助项目
作者简介：黄洪钟 1963年6月生，重庆市长寿县人。博士，教授。现任纽约科学院会员，日本机械工程师学会会员，中国现代设计法研究会可靠性学会理事，中国机械工程学会可靠性工程分会理事，中国机械工程学会机械设计分会理事。《机械设计》杂志编委， 国际著名杂志Reliability Engineering and System Safety, Fuzzy Sets and Systems, Microelectronics and Reliability等论文特约评阅人。主要从事可靠性与安全性工程、CAD、智能优化设计、神经网络、模糊技术的研究工作。主持或参加国家级和省部级科研项目14项，获国家级和省部级科技奖3项，获国家专利1项，出版学术著作4部，在国内外学术刊物上发表论文120余篇。
姚新胜 1969年12月出生，山西晋城人。1993年7月毕业于西南交通大学，获学士学位。1993年8月至1996年8月在山西长治北机务段工作。1999年6月毕业于西南交通大学，获硕士学位。现正在西南交通大学攻读博士学位，研究方向为安全工程、智能CAD与专家系统。主持并研究国家级和省部级项目3项，发表学术论文4篇。
作者单位：黄洪钟 姚新胜（西南交通大学机械工程学院）
陈小安 李润方 秦大同（重庆大学机械传动国家重点实验室）
作者地址：四川省成都市；西南交通大学机械工程学院；邮编：610031
参考文献
1 黄洪钟．机械设计模糊优化原理及应用．北京：科学出版社，1996.
2 陈新标．浅析塔机使用方面的危险因素及防范措施．建筑安全，1997，（10）：6～8.
3 程映雪等．社会主义市场经济条件下我国劳动安全卫生策略研究（5）．劳动保护科学技术，1995,15（5）：23～24.
4 史济建、俞瑞钊．专家系统实现技术．杭州：浙江大学出版社，1995.
5 胡 俭．精通Visual C++ for Windows95/NT．北京：电子工业出版社，1997.
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