（地质工程专业论文）基于关系数据库的专家系统在深基坑支护选型中的应用研究.pdf

坝e 殳坫j 二关系啦 i c 竹的0 家系统nr 深 坑土护选型巾的腑用究 基于关系数据库的专家系统在深基坑 支护选型中的应用研究 摘要：高层建筑和地下空m 的丌发利j r i 促进了基坑工程的发展，基坑工程通常 位于城市中的繁华地区，基坑丌挖卸荷带来土体的位移会对周围环境造成很大影 响。基坑事故，轻者引起边坡破坏，重者危及人民的生命财产。因此，基坑支挡 结构的设计问题一直是岩士工程界的一个重要研究内容。 传统上，基坑支挡结构的设计烛 l j 争家运用自己的专业知识完成的即人工 的，j 法。1 ：像深堆坑j l ：挖史护这一类“捆i 目题，足一门经验。盹较强的学科， 随着工程胤模扩人，遇到的n u 题将愈j j i l 复杂，单凭个弩家足难以做：【j 最优决策 的，需将不同的专家知识有机结合起来，进行分析推理，而专家系统在这方面具 有得天独厚的条件。 2 0 世纪后期岩土工程的一个重要进展是随着i _ 卜算机和计算技术的发展，岩 土工程的理论研究和工程实践都上了一个新台阶。在国内，专家系统应用于岩土 t 程领域已有很多研究，这主要是因为岩土工程的对象是天然材料，较人工材料 复杂，带有更多的随机性和多变性。而且计算参数的不确定性非常突出，初始条 件和边界条件常常并不确切，最终计算结果往往需要专家根据经验判断和修正。 木文通过评价长沙地区的：i ：程地质条件，介绍了在深基坑支挡结构设计过程 c 1 常丌】的技术和分析方法；讨论了在深丛坑支挡结构选型过程t | 引入专家系统的 合理性和必然性；这样做，不仪可以提高选型的质量和效率，亦可以通过计算机 对该领域的专家知识进行收集整理：深基坑支挡结构的选型是山号家完成的，但 争家的知识非常复杂，文r f l 分析了号家知识的特点，并捉m 了些在汁算机数据 库l j 对号家知识进行表达的厅：专家知u 是进行推理分析的基础，文中研究了专 家知识的组织方法，并提出了儿种可行的基于关系数据库的推理方法。 最后，通过前面的研究，本文进行了实验研究，并提出了结论和建议。 关键词：深基坑专家系统数据库 碗i 。论文皋r 关系数据库的专家系统订深桀坑立扩选型中的应用研究 a b s t r a c t t h i sd i s s e r t a t i o nh a si n t r o d u c e dl h eu s u a l t e c h n 0 1 0 9 ya n d a n a 】y l i c a 】m e a n si nd c s i g n in gr e l a in i n gs t r u c t u r e ，a n dl h ee v a l u a t i n go n e n g i n e e r i n gg e o l o g i c a lc o n d i t i o ni nc h a n gs h a a tl h es a m et i m e ， i th a s d i s c u s s e dt h er a t i o n a l i t ya n di n e v i t a b i l i t yo ft h et e c h n 0 1 0 9 yu s i n g e x p e r ls y s t e mm e a n s 0 n eo ft h ea i misi m p r o v i n gt h eq u a l i t ya n de f f i c i e n c y o fs t r u c tt y p es e l e c t i o ni nd e e pe x c a v a t i o n t h eo t h e risc o l l e c t i n gt h e e x p e r t s k n o w l e d g ei nt h isf i e l da n dt h e no r g a n i z i n gt h e mi nc o m p u t e r sl r u c tt y p es e l e c t j o ni nd e e pe x c a v a t i o ni sb a s e do nl h ek n o w l e d g e o ft h ee x p e r t s b u tt h ek n o w le d g ei sv e r yc o m p li c a l e d t h e r e f o r et h ep a p e r h a sa n a l y z e d ita n df o u n ds o m eg o o dw a yt oe x p r e s si t i nd a t a b a s ei n c o m d u t e r s in c ea l lk i n d so r 1 es e l e c t i o nk n o w l e d g eist h cf o u n d a t i o no f a n a l y z i n g ， t h i sd i s s e r t a t i o nh a sd i s c u s s e dt h ew a y so fd a t a o r g a n j z i n g a n dt h et y p e s e l e c t i n g 珊e t h o d s ，i ta l s oh a sp u tf o r w a r ds e v e r a lr e a l i s t i c m e t h o d st od e d u c eb a s e do nd a t a b a s et e c h n o l o g y t1 a s t ， a c c o r d i n gt ot h ef o r m e r m e a n sa n dd e s i g n s ，t h i s d is s e r t a t i o nh a sa n a ly z e dt h ee x p e r i m e n td a t a f u r t h e r m o r e ， i th a s e n u m e r a t e dt h ec o n c l u s i o na n dp r o s p e c ti nl h es 口e c i a lf i e l d ， k | e yw o r d s ： d e e pe x c a v a l i o ne x p e ns y s t e m d a l a b a s e 坝i “论文基于j 关系数措库的专家系统和椿龋坑点护选型中的m 用研究 第一章绪论 1 1弓l 言 经济的飞速发展，人口的膨胀，使得当今城市生活空间变得拥挤不堪， 如何更好地利用城市空间是每一个城市发展都要面临的实际问题。而无限 度面积扩张是不实际的，故客观上促成了商层建筑的发展。近十年来，高 崖建筑和地下空问的开发利用促进了熬土亢工程的发展。基坑工程通常位于 城市房屋秘生命线工程的密集地区，蕊坑开挖卸萄带来体的位移会对周 溷环境、狡筑物、遥路、管线及建下设撩产争影响，强瑟基坑一程设计 # 常萋要。聪超毫基建筑瑟言其重要堂芰爨楚不言孬睃，它怼整个建筑魏瓣安 全及建成后的正常使用育重要影嗡，+ 丝鏊坑出现丈变形、坑底突涌等事 故，不但建筑裙基础本身受到严重影响，还会引起周边地面丌裂，建筑物 倾斜等重大事故，后果十分严重。据统计，由于基坑工程设计失误和水处 理不当两项引起的事故约占5 5 4 。因此在深基坑工程中，合理地选择支护 形式，以保证建筑物的安全性及经济性怒极其重要的。此外，基坑工程的 造价和工期都有着举足轻重的影响。 从另角度来讲，经济的发展，城市建设的步伐和规模都以前所未有 的速度展玎，大量的建设项目使城市巾的深基坑支护工程在深度和广度上 柩达到了相当豹翘模，这些支护工稷成袋楚卡分宝贵妨信息资源，它们不 仅对遥去载城市建设超到重要 乍臻，蠢基巽肖缀高翡重复剥爱份毽。因此， 科学造营瑾秘综合翻雳这资源蹙努癸魏。诗算褪技零鲸应蠲键遗f 涤蕊 坑支护胰思想到技术手段抟变革，它馒褥手1 ：劳动自动化、智能化。但计 算机在深基坑支护工程设计中的成阁大部分限于数值计算和图形处理。而 基坑工程设计中遇到的问题是不良结构问题，不是纯数学方法可以处理的。 信息产业的发展，对国民经济的重多领域产生了深远的影响，专家系统( e s ) 是人工智能( a j ) 学科领域的一个熏臻分支，它是基于启发式思维并结合 刿断，直接利用专业知识对不同的问蹶提供有见地建议的交互式计算机程 序，而这些问题通常是由那些在该领域内经过长期实践而得到大量专业知 识熊专家们解决的。基于知识的专家系统( k b e s ) 提供了一个用计算机处 毽漯墓坑支护选型这类不良结构闽题的方法。 2 9 鳌纪嚣麓岩土翻匿戆一个耋蘩送髓蹩夔着诗算疆蟊诗算技术烫发 麟，卷主工程懿瑾论醑究程工程实黢鄱上了个瑟艴台阶。信怠攘术热强 了岩土工程数据采集、整理、处理秘艘嗣。在国内，专家系统应用予岩土 砸上论文基于关系数据库的睾家系统在深基坑支护选型中的应用研究 工程领域已有很多研究，这主要是因为岩土工程的研究对象是天然材料， 较人工材料复杂，带有更多的随机性和多变性：与结构专业相比。岩土工 程分析计算的数学模型不够成熟，计算参数的不确定性非常突出，初始条 件和边界条件常常并不确切，最终计算结果往往需要丁程师根据经验判断 和修正。这也正是专家系统引入岩土工程领域最基本的条件 1 2深基坑支护选型相关技术简述5 ，6 8 1 1 ，1 3 ，1 4 1 深基坑支护设计、施工、监测技术是近十多年来在我国逐步涉及的技 术难题。深基坑的护壁，不仅要保证基坑内能正常作业安全，而且要防止 基底及坑外土体移动，保证基坑附近建筑物、道路管线的正常运行。这些 难题在具体工程实践中表现方法有所不同。近年来长沙市进行了大量深基 坑的成功支护，通过工程实践与科研，都有了一些行之有效的技术方法， 使深基坑支护工程技术水平得到了迅速提高，取得了可喜的成绩。 支护体系选型：包括围护墙体和支撑( 或锚杆) 结构两个体系所用材 料和型式的选择及粕置方式。应根据工程规模、主体工程特点、场地条件、 环境保护要求、岩土工程勘察资料、土方开挖方法以及地区工程经验等因 素，经综合分析比较，在确保安全可靠的前提下，选择切实可行、经济合 理的方案。围护墙体和支撑结构的布置应遵循以下原则： 1 基坑支护结构的构件( 包括围护墙、隔水帷幕和锚杆) 在一般情况下 不应超过工程用地范围； 2 基坑支护结构构件不能影响主体工程结构构件的正常运用： 3 有条件时基坑平面尽可能采用受力性能较好的圆形、正多边形和矫 形。 1 2 1 深基坑支护的特点| 4 1 5 6 ，8 “ 基坑开挖是一个古老的、综合的岩土工程难题，包含了土力学中典型 的强度、稳定、变形和土体与结构的共同作用等问题现将基坑工程特点 总结如下： ( 1 ) 与自然地质及环境条件密切相关； ( 2 ) 主体与地下室的施工密切相关； ( 3 ) 技术综合性强。 坝1 论文罐十关系数据席的专家系统扎洙犟坑支护选型中的m 用研究 * # ) ti p * $ * 1 日h 口i 1 1 1r r ! ! ! ! t i t m m m t & 4 * 苗篙嚣 i y 。l。 * m 】k i 图l l 基坑设计与旅工工作程序 暑一 蒸 一生五j 坝l 。论文年十关系数掘库的专家系统往深摹坑立护选型中的心用研究 从事基坑工程的设计人员需要具备及综合应用：岩土工程知识和经验、建 筑结构和力学知识、施工经验、工程所在地的施工条件和经验。由此可见， 基坑工程设计是很复杂的，它涉及的因素很多，而这些设计主要依赖基坑 工程师的经验和判断，而不是通过简单的计算就可以实现的。在计算机科 学中，这种不能用纯数学方法解决的问题称为不良结构问题，基坑工程设 计就属不良结构问题。 基坑设计与施工工作程序如图1 1 所示。 1 2 2 深基坑支挡结构的选择方法【1 2 1 3 1 4 ，1 5 第一种是人工的方法，基坑支护方案的发i f 实际上就是根据已知条件 和一些约束条件，按照以往经验、计算法则等，借助书籍、规范，经过计 算、分析、比较、筛选、得出一个在技术上先进、经济上最优的实施方案。 可见，如果己知条件改变，则计算、分析、比较、筛选的过程从头开始。 这样人工做起来就很困难、很麻烦因为其整个求解过程本身就很复杂， 而且得出的结果也会因人而异。 另。种则是近年刚刚兴起的采用计算机技术对之进行处理。前面已经 说过，基坑工程中，开挖、支挡和围护方案正确选取不仅直接影响工程的 安全，对于经济效益和施工工期也有重要作用。但是，这些方案的选取往 往取决于t 程技术人员的经验，因而，存在着很大的人为影响、不确定性 和胍险性。如果可以犷集岩土工程领域专家的经验，构造出摹于产生式规 则推理的汁算机辅助设计方法，由此，。生的支挡结构设计专家系统可以较 好地进行方案选择和比较，利用电子计算机强大的计算和绘图能力，依据 设计规范和各种较成熟的设计计算方法，可以较迅速地得到支挡结构合理 参数，并绘制出施工图。这种以人工智能减轻甚至取代人工设计的方法不 仅具有迅速、准确的优点，而且，对于复杂的基坑工程设计问题也是一个 大胆的尝试。这样，既可以减轻工程技术人员的劳动负担，又能提高设计 方案的可靠性，使设计方案在技术上、经济上达到最佳。 1 3 专家系统技术引入该领域的必然性 硕1 论文 基于关系数据库的专家系统在深基坑支护选犁中的应用研究 1 3 1 专家系统的概念m j ，4 1 m 专家系统是人工智能( a i ) 学科领域的一个重要分支，它是基于启发 式思维并结合判断、直觉和专业知识对不同的问题提供有见地的建议的交 互式计算机程序，而这些问题通常是由那些在该领域内经过长期实践而得 到大量专业知识的专家解决的。专家系统利用领域知识解决领域内的问题， 所以又叫基于知识的专家系统。专家系统通过知识和推理来解决问题。六 卜年代以来，专家系统技术得到研究、开发和利用，并取得重大进展。随 着计算机的广泛应用，专家系统技术已经在许多领域内得到应用，为求解 各种知识信息处理问题开辟了新的途径。专家系统和工程设计相结合产生 了工程设计专家系统。它集人工智能、工程设计方法学和计算机图形学于 一体，是一门理论性和实用性很强的交叉学科。 专家系统可以处理非结构化决策问题，可进行知识表达运用启发式搜 索和推理处理某些专家水平的困难问题，同时具有知识获取和解释功能， 但缺乏有效地搜索和利用大型知识库的能力，知识库管理能力比较差，工 作效率较低，这些问题阻碍了专家系统的发展和应用。目前试图从根本l 解决传统方法所存在的问题的两个主要方向是“集成分布式智能系统”和 “神经网络专家系统”，但尚处于研究阶段，在短期内难以取得突破和进展， 而且这两种理论与方法并不能简单地代替现有的方法，其相互之间也不是 完全分离的。而目前应用晟广泛的数据库管理系统用于解决结构化决策问 题，在数据共享、并发控制、数据存取与查询方面功能很强，且具有低冗 余的特点，但缺乏数据抽象能力，不能处理知识，没有推理演绎能力，缺 乏自然语言理解能力。由专家系统与数据库系统两者的特点可知，在现有 的人r 智能( a i ) 系统中引入数据库管理技术有两大优点： ( 1 ) 有利于知识库的管理和利用，有利于知识库的设计与，f 发； ( 2 ) 有利于a i 系统充分利用目前存在的大量、高质量、实用的数据库 系统。 而在数据库管理系统中引入专家系统的方法，使得数据库管理系统由 处理数据上升到处理知识的高层次，具有一定的智能性。专家系统与数据 库技术的结合近年来已成为当前计算机发展的一个重要领域，这种结合将 从根本上改变目前基于非结构化决策支持的专家系统与基于结构化决策支 持的数据库技术分离的局面，可以使得人机交汇从数据上升为知识。 基于规则的产生式系统是目前知识库系统工程中使用最为普遍的一 种，它具有知识结构式接近人类思维和会话形式，易于理解；规则表示形 式一致，易r 控制和操作：能有效地表达表层知识；具有高度的模块化等 坝仑义 早十关系数据库的擎隶系统n 一深坫坑上护选型巾的心用研究 特点。因而得到广泛应用，尤其对于人类专家知识已经基本成熟，形式化 较好的、因果关系实践证明为可靠的学科领域，使用产生式的知识表示方 法是专家系统的一个简便而有效的方法，许多成功的人工智能系统就是产 生式系统。产生式的知识表示与关系数据库结构来表示产生式的规则和事 实应当是方便和有效的。 1 3 2 深基坑支挡结构选型过程中专家系统技术的应用 5 4 l ，4 3 5 0 5 l ，5 2 ，5 4 5 8 1 3 2 1 引入专家系统的适应性分析 受计算机及信息技术的影响，岩土工程专业处理问题的手段也，“生了 变革，计算机已被广泛应用，专家系统和数据库技术作为分析、计算和数 据管理的前沿技术，应用于深基坑设计计算乃至支护选型等方面的工作已 经展开，考虑到深基坑支护选型方法的特殊要求，运用计算机和信息技术 必须解决如下问题： ( 1 ) 对专家知识的收集、数据化和管理： ( 2 ) 降低主观性，提高设计方案的可靠性： ( 3 ) 集经验、知识于体，并产生新知识： ( 4 ) 不良结构问题的处理： ( 5 ) 模仿专家解决问题的方法进行分析、比较等推理； ( 6 ) 迅速、准确解决问题。 从前面的分析可以得出结论，解决这些问题的最佳方法是e s 技术的引 进，尤其是基于关系数据库的专家系统的引入，亦是它们的优势所在，虽 然有些技术不成熟，但从解决深基坑支护选型技术问题出发，是可行的并 具有先进性。 1 3 2 2 专家系统的应用分析 基坑支挡结构的设计主要包括围护和支挡方案的选型以及支挡结构的 设计等两个方面。合理的支挡结构必须能确保基坑及基坑周围环境的安全， 并满足经济上合理，技术上可行的基本要求。在支挡结构的选型中，为了 便于计算机推理和提高工作效率，根据长沙地区常用基坑支挡体系，着重 硕 。论文基于关系数据库的专家系统在深基坑支护选型中的麻用研究 对以下几类支挡方案进行了分类研究，即放坡开挖、砖墙护壁、悬臂桩支 护、锚喷支护、高压喷射墙、桩锚支护体系、综合支护措施等。支挡结构 方案的确定一般由三步完成。整个过程由回答用户界面的问题开始，这些 问题如拟定基坑深度，开挖方法，土体与地下水条件、丁期以及环境要求 等。显然，对于支挡结构的选型而言，基坑深度是个十分重要的参数。首 先根据基坑深度、开挖方法、土体与地下水条件和工期要求等，系统经过 推理给出1 3 种可能的支挡结构类型，再进一步考虑材料、设备并进行经 济比较给出一种最佳的形式，最后考虑施工经验和环境保护要求等选定最 终支挡结构类型。 总之，在长期的工程实践中，设计和工程技术人员通过运用和改进传 统的深基坑丌挖支护的设计、施工方法，取得了大量的工程成功经验，并 涌现出了具有坚实理论基础和丰富实践经验的专家。利用专家系统获取这 些经验，在计算机卜实现推理过程，使一般工程技术人员能像专家那样进 行工程决策，无疑具有重人意义；另一方面，山于像深基坑丌挖支护这一 类岩土工程问题，是一门经验性较强的学科，随着工程规模扩大，遇到的 问题将越来越复杂，单凭一个专家是难以决策的，需将不同的专家知识有 机地结合起来，进行分析推理，而专家系统在这方面具有得天独厚的条件。 1 4 研究现状3 3 3 4 3 5 3 8 5 5 5 7 ，6 1 1 专家系统技术应用于岩土工程领域已有大量研究，目前，国内外岩土 工程问题已经研制丌发了独立基础、桩基础的设计专家系统，以及隧道开 挖评价系统、斜坡稳定施工方法选择系统、基岩分类系统、砂桩加固地摹 施 ，自动化系统和地基液化判定系统等智能系统。冈此，f 确整理已有理 论成果，搜集和归纳总结本地区的实践经验和实测数据，综合本地区领域 专家的知识和经验，依托现代人工智能和计算机技术构造一个适合于长沙 地区的基坑工程的支挡结构选型专家系统，是一项十分有意义的工作。限 制这一技术在岩土工程领域进一步发展的主要问题除计算机应用水平外， 主要是如何将成熟的d b m s 技术和人工智能特别是e s 技术有机地结合起来。 利用成熟的数据库技术和先进的专家系统技术，使我们的知识数据化，管 理的数据智能化，使数据库技术既能进行数据处理，又能进行定性分析。 国内已有相关问题应用专家系统的研究，但从其系统构成、知识管理等方 面尚存不足。 纯正意义上的用于基坑工程领域的专家系统技术探讨也已展开，一些 试验性系统正在开发中。随着城市的发展，深基坑支护问题显得越发重要 硕士论文基于关系数据库的专家系统在深基坑支护选型中的应用研究 并得到重视，大量的投入和研究必将推动专家系统技术在这一领域的推广 应用，使岩土专业专家系统开发进入一个新的阶段。 在国内，将专家系统应用于深基坑工程支护选型刚刚开始，大部分的 研究都仅限于知识库的建立。一些试验性系统正在开发之中。不同的地域 有不同的地质条件据有关资料，长沙地区在这方面的研究和应用基本还 是一片空白。随着城市的发展，尤其是工程规模的扩大，遇到的问题将越 来越复杂，相信专家系统在深基坑工程支护选型等方面的应用将进入一个 新的阶段。 1 5本文研究的内容 联系到专家系统与深基坑领域的技术特点及长沙市深基坑研究的现 状在充分利用已有资料的前提下，从分析长沙地区的工程地质条件对支 护选择的影响及常用的支护形式入手，对专家知识进行分析、处理，对推 理机的推理模型机制进行分析，直至建立专家系统，以期代替或辅助工程 技术人员对实际工程作一个安全、经济、合理的支护形式。拟研究的重点 包括： ( 1 1 通过分析现行专家系统的基本结构及其运行的基本原理，研究关系 数据库技术在深基坑支护选型专家系统中的引入，并对其适应性进行分析： ( 2 ) 通过分析与长沙地区工程地质和水文地质条件相适应的支护形式 及影响支护方案选择的因素，研究如何选取合理的支护形式及专家知识的 表达方法： ( 3 ) 由知识表达的关系模型，提出选型树知识模型和与或树知识模型 并对可信度的适应性进行分析； ( 4 ) 可行的深基坑支护选型专家系统推理机制研究； ( 5 ) 深基坑支护选型专家系统其它部分的功能及其设计； ( 6 ) 通过工程实例的试验研究，对专家系统的功能进行验证； ( 7 ) 结论及建议。 坝 沦卫皋j 一关系数据库的专家系统d 深皋坑支护选型中的麻用研究 第二章数据库技术的引入及其 适应性分析 数据库是数据管理的最新技术，是计算机科学的重要分支。今天，信 息资源己成为各个部门的重要财富和资源。建立一个满足各级部门信息处 理要求的行之有效的信息系统也成为一个企业或组织生存和发展的重要条 件。冈此，作为信息系统核心和基础的数据库技术得到越来越广泛的应用， 从小型单项事务处理系统到大型信息系统，从联机事务处理到联机分析处 理，从。般企业管理计算机辅助设计与制造( c a d c a m ) 、计算机集成制 造系统( c i m s ) 、办公信息系统( o i s ) 、地理信息系统( g i s ) 等，越来越 多的新的应用领域采用数据库存储处理他们的信息资源。对于一个国家来 说，数据库的建设规模、数据库信息量的大小和使用频度已成为衡量这个 国家信息化程度的重要标志。与人工管理和文件系统相比，数据库系统的 特点主要有以下几个方面： 一、数据结构化 数据结构化是数据库与文件系统的根本区别。 二、数据的共享性高，冗余度低，易扩充 数据库系统从整体角度看待和描述数据，数据不再面向某个应用而是 面向整个系统，因此数据可以被多个用户、多个应用共享使用。数据共享 可以大大减少数据冗余，节约存储空问。数据共享还能够避免数据之问的 不相容性与不一致性。 三、数据独立性高 数据独立性是数据库领域中一个常用术语，包括数据的物理独立性和 数据的逻辑独立性。 四、数据由d b m s 统一管理和控制 为此，d b m s 必须提供以下几方面的数据控制功能： ( 1 ) 数据的安全性保护： ( 2 ) 数据的完整性检查： ( 3 ) 并发控制： ( 4 ) 数据库恢复。 关系数据库应用数学方法来处理数据库中的数据。笑系数据库同时也 是支持关系模型的数据库系统。关系模型是目前最重要的一种数据模型， 由关系数据结构、关系操作集合和关系完整性约束三部分组成。关系模型 帧l 论丘= 苯于关系数据库的争家系统扫深摹坑支护选型中的应用研究 具有卜列优点： ( 1 ) 关系模型与非关系模型不同，它是建立在严格的数学概念的基础 上的； ( 2 ) 关系模型的概念单一。无论实体还是实体之间的联系都用关系表 示。对数据的检索结果也是关系( 即表) 。所以其数据结构简单、清晰，用 户易懂易用； ( 3 ) 关系模型存取路径对用户透明，从而具有更高的数据独立性、更 好的安全保密性，也简化了程序员的工作和数据库开发建立的工作。 所以，关系数据模型诞生以后发展迅速，深受用户的喜爱。 当然，关系数据模型也有缺点，其中主要的缺点是，由于存取路径对 用户透明，奄询效率往往不如非关系数据模型。因此为了提高性能，必须 对用户的查询请求进行优化，增加了开发数据库管理系统的难度。 本章将就专家系统与数据库尤其是与关系数据库的结合问题做一些研 究。 2 1 专家系统的发展及其基本原理 2 1 1 专家系统技术的发展3 7 ，4 0 4 5 专家系统的研究，可以上溯到上个世纪5 0 年代，当时的英国科学家 t u r i n g 首先提出所i 胃“智力机”的想法，并着手探索。人们将这一i ：作看 作现代人工智能( a n i f i c i a li n t e l l i g e n c e ) 研究的开端。早期的人工智能研究 者认为，人的智能行为总是遵循某种思维的“普遍定律”的，因此，研究 的重点也偏重于对这种“普遍定律”的探索。后来的事实证明，虽然依照 这条途径研究也取得了一些进展，但终究未取得实质性突破。专家系统的 出现，在某种意义上说，也可看作人工智能在实用化研究中最引人注目的 成果。从本质上讲，专家系统反映了在该领域中对获取知识、表示知识以 及用计算机处理知识的能力的需求。于是，出现了“知识工程( k n o w l e d g e e n g i n e e 血g ) ”的概念。 知识工程是一门以知识为研究对象的新兴学科，它将具体智能系统中 那些共同的基本问题抽出来，作为知识工程的核心内容，使之成为指导研 制各类具体的智能系统的一般方法和基本工具，成为一门具有方法论意义 的科学。有人认为知识工程是研究知识信息处理的科学，提供丌发智能系 碗l 论文基于关系数据库的专家系统在深摹坑支护选型中的心用研究 统的技术，是人工智能、数据库技术、数理逻辑、认知科学、心理学等学 科交叉发展的结果。除了专家系统之外，知识工程的研究范围还可以包括 决策支持系统、自然语言理解、智能机器人、智能计算机的声像t 别等等， 但是，专家系统毕竞是对人工智能研究方法的个最明显的突破，也可看 作人工智能在实用化研究中最引人注目的成果。 专家系统技术的研究在我国由来己久，特别值得指出的是，2 0 世纪 8 0 年代中期以后，在建筑行业的某些领域中取得了一些可喜的成果。比如 “城镇规划智能辅助决策系统”、“城镇及重要工程建设的环境影响评价及 对策系统”、“地震危险性评估与防御对策专家系统”，以及“铁道工程建设 中的专家系统”等等。工程勘察和岩土工程专业的工作对象、工作过程和 工作成果的评价方式有其自身的特殊性，针对岩土工程的研究对象是天然 材料，较人工材料复杂，带有更多的随机性、多变性、不均匀性、各向异 性和非线性，工作过程和工作方式的特殊性，以及工程评价的不确定性和 对经验的依赖性等，正是对研制岩土工程专家系统必要性的强有力的要求 和吏持。 2 1 2专家系统的基本原理1 2 j 7 3 9 6 0 专家系统是一种计算机程序，它可以以人类专家的水平完成专门的、 一般是困难的专业任务。研制专家系统的目的，是要在特定的领域中起该 领域人类专家的作用。因此，设计专家系统的基本思想是使计算机的工作 过程竭尽全力地来模拟人类专家如何运用他的知识与经验来解决所要解决 的问题的方法与步骤。 专家系统的基本结构大致包括以下五个部分： 其，知识库这是专家知识、经验与书本知识、常识的存贮器。由 于知识库中存放着专家求解问题的规则、事实与常用数据，而不同的知讨 表示方法所构成的知识库的形式是不同的，在对知识库进行检索、修改、 删除操作时，需要保持知识库的一致性和运行的高效性。 其二，总体数据库它用于存储领域内的初始数据和推理过程中得到 的各种中间信息，包括运行中所生成的假设和决策。系统内任何两个组成 部分不能直接相互作用，每个部分只能在总体数据库中“写”出信息或从 总体数据库“读”信息来进行联系，因而总体数据库实际上是一个通讯连 接设备，它的功能与网络传输系统中的邮箱十分相似。规则的实际执行就 是对总体数据库的不断修改。例如，在深基坑支护选型专家系统中，数据 坝 论文 犟十关系数据库的专家系统n 一渫基坑支护选型中的j ，用 i 3 究 库存放的是当前深基坑的地质条件、周边环境、丌挖深度等与基坑设计有 关的信息及初步选择的结果等等。总之，数据库中存放的是该系统当前要 处理对象的一些事实。 其三，推理机它是一组程序。由它控制、协调整个系统，并根据当 前输入的数据( 即数据库中的信息) ，利用知识库中的知识，按一定的推理 策略，去解决当前的问题。根据系统的要求，推理机选择合适的控制策略 并从知识库中选择合适的规则来进行推理，通过事实与规则前件的匹配与 否，从而对规则的条件进行验证，以决定是否启动该规则，然后按规则的 要求对总体数据库作相应的修改，即用规m 0 的动作部分代替出现在总体数 掘库中的事实信息， l _ 这早可以看出，规则连续不断执行实际上就是不断 地用当自u 执行的规则的动作对总体数据库巾的信息进行修改。 如果系统在运行中，有两条规则同时满足当前的匹配事实，这就需要 解决规则的冲突问题，即系统要决定首先使用哪条规则。例如，系统的知 识库中有如下两条规则： r l ：i fa a n d b t h e ne r 2 ：i f a a n dba i l d ia n d jt h e n f ， 观察事实为：a ，b ，c ，i ，i 。此时规则r 1 和r 2 与观察事实都匹配，到底 执行哪一条规则? 目前，人丁智能研究者和知识工程师提出多种规则冲突 的消解策略。例如“多条件原则”就是一个较好的策略，用此原则对上述 冲突进行判断，可以看出应先执行规则r 2 ，因为它的条件比r 1 的条件要 多。 其四，解释部分它是一组程序，负责对推理给出必要的解释，为用 户了解推理过程、向系统学习和维护系统提供方便，使用户易j 二理解与接 受。通过这一设备用户可跟踪系统所使用的知识和推理过程，并使用户知 道为什么系统需要提供某一信息，以及中间和最后结果是怎样获得的，从 而使系统具有透明性，这一性能的好坏将直接关系到系统是否能推广，是 否能受到用户的理解和欢迎。一个没有解释设备的专家系统( 或者解释功 能很差的专家系统) 是很难为用户所接受的，由于用户对系统的行为一无 所知，从而大大降低了用户对系统推导的结论的信任程度。 其血，知识获取部分它为修改、扩充知识库的知识提供手段。一般 的专家系统的知识获取部分，当然至少有上述_ 个功能。除此之外一般 还可以具有根据系统在实际中运用的信息，自动地总结归纳新的知讨 以加 进知识库，或自动地发现不合适的知识，而从知识库中删除它们。实际上， 专家系统的知识获取功能，是今后重点研究项目之一。专家系统的组成结 构如图2 一l 示： 顺1 论文基于关系数据库的专家系统在深摹坑立护选型中的应用研究 圆 总体数据库 总体数据库接口 图2 一l 专家系统的组成结构 从上所述可知，研制专家系统的基本步骤是：从人类专家那里获取知 识与经验，编码及运用这些知识与经验来解决问题。具体地说是计算机工 作者编码获取的知识与经验，存入计算机中以形成知识库；为了运用这些 知识与经验以解决实际问题，应用以某种计算机语言编码能运用这些知识 与经验的程序，存入计算机中以形成推理机；为了推理时有所根据，就得 将当前的信息，用计算机语言进行编码，存入计算机以形成数据库中之内 容；为了能解释系统的推理等内容，便于人们理解与接受，就得用计算机 编码人机对话的解释程序，存入计算机以形成解释部分；为了使整个系统 具有呵扩充性和町修改性能，就得将所设计的知识库与推理机分离，形成 相互独立的模块，使易于扩充与修改，并用计算机语言编码一些程序，使 其扩充知识与修改知识等自动化或半自动化等，存入这些程序到计算机中， 以形成知识获取部分。 2 2 传统专家系统的特点1 5 8 ，6 4 ，6 5 l 众所周知，诞生于7 0 年代的专家系统是人工智能领域最为活跃的分支， 尤其在8 0 年代在世界范围内更是得到了迅速发展和广泛应用。但在其发展 过程叶1 也存在一些问题阻碍其发展，其中问题之就是开发语言+ 专一且不 坝十论文基于关系数据库的专家系统在深基坑支护选型中的成用研究 易与其他程序设计语言嵌套，使以专家系统为子系统的应用系统( 如d s s ) 开发受到严重影响。尤其近年来，数据仓库及相关技术的发展使从历史数 据中发现知识变成现实，但如何将管理这些知识，利用这些知识的专家系 统溶于整个决策支持系统中成为摆在开发人员面前的又一难题。 此外，传统专家系统缺乏有效地搜索和利用大型知识库的能力，知识 库管理能力极差，工作效率极低，这些问题严重地阻碍了专家系统的发展 和应用。目前试图从根本上解决传统方法所存在的问题的两个主要方向是 “集成分布式智能化系统”和“神经网络专家系统”，但目前仍处于研究阶 段，在短期内难以取得突破和进展，而且这两种理论与方法并不能简单地 代替现有的方法，其相互之间也不是完全分离的。 扫于大多数d s s 的数据处理均依靠数据库技术实现，且目前的数据仓 库也主要依靠数据库技术实现，这就使研究采用数据库技术构建专家系统 以解决上述问题成为一种趋势。 2 3 在深基坑支护选型专家系统中引入关 系数据库技术的可行性分析4 5 6 1 目前应用最广泛的数据库管理系统用于解决结构化决策问题，在数据 共享、并发控制、数据存取与查询方面功能很强，且具有解决冗余的特点， 但缺乏数据抽象能力，不能处理知识，没有推理演绎能力，缺乏自然语言 理解能力。 由专家系统与数据库系统两者的特点可知，在现有的人工智能( a i ) 系统中引入数据库管理技术有两大优点： ( 1 ) 有利于知识库的管理和利用，有利于知识库系统的设计与开发： ( 2 ) 有利于a i 系统充分利用目前存在的大量、高质量、实用的数据 库系统。 而在数据库中引入专家系统的方法，使得数据库管理系统由处理数据 上升到处理知识的高层次，具有一定的智能性。专家系统与数据库技术的 结合近年来已成为当前计算机发展的一个重要领域。这种结合将从根本上 改变目前基于非结构化决策支持的专家系统与基于结构化决策支持的数据 库技术分离的局面，可以使得人机交汇从数据上升为知识。 坝1 论空皋十关系数据库的专家系统扯深皋坑支护选型中的心用研究 2 4 专家系统与数据库结合的方式6 1 ，6 3 删 专家系统与数据库结合的方式，主要有以下三种： ( 1 ) 系统扩充。数据库系统与专家系统相互吸取对方的一些部件来扩 充自己，提高性能。 ( 2 ) 系统耦合。在数据库系统和专家系统之间建立一个接口模块，协 调两方面的工作。 ( 3 ) 系统集成。将专家系统与数据库系统融合在一起进行统管理， 即不利用现有技术，完全重新构造一个系统。显然这是一种比较高级、比 较完善的结合，但实现难度大。 其中系统耦合可以分为三种： 弱耦合基本功能是把一个标准文件( s d f ) 转化成某种数据库文件 格式，能够把数据按此数据库文件格式写入数据库中。同时，读取数据库 中数据，并转化成专家系统所要求的标准数据库文件格式。 松散耦合松散耦合和弱耦合的区别在于它允许专家系统与数据库 直接通信，而不用通过中间媒体标准数据文件。松散耦合通常提供专家 系统与数据库存取的一些特定命令，允许专家系统在推理之前从数据库中抽 取数据。由于大多数专家系统知识库管理功能和数据库管理系统都要驻留内 存，因此只有比较小的数据库管理系统刊。有可能被装入专家系统中，从而建 立专家系统与数据库管理系统的直接通道。 紧耦合松散耦合是具有一定限制的直接通信方式。紧耦合的设计 目标是使专家系统在推理过程中的任一点都可以与数据库直接交且。即专 家系统在任一时刻，任一位置上都可以从数据库读取数据或把标准数据写 入数据库中。紧耦合方式把知识库系统和数据库管理系统集成起来，以数 据库管理系统为主体，数据库管理系统不仅要管理数据库，而且要管理知 识库，把知识库也放到数据库管理系统中，交由数据库管理系统处理。 弱耦合的实现比较简单，只要为现有的专家系统开发工具增加一个数 据格式转换工具，该工具应具有数据库文件向标准数据文件格式的转换功 能。缺点是数据格式转换过程中必须在推理之前完成。工作时系统通常要 转换工作现场，即此时在专家系统工具中彼时又在数据库管理系统中，知 识库和数据库需要在内存中来回切换，既影响效率又给用户以不连续感， 冈此使用时会受到很大限制。紧耦合是以数据库管理系统为中心，知识库 和数据库均由它控制，始终在一种环境下运行，工作现场一经建立就一直 倾l 论立 摹于关系数据库的专家系统在深摹坑支护选型中的应用研究 支持系统运行是一种普遍适用的结合结构。这种构造模式的优点在于程序 和数据彻底分离，提高了各功能模块的逻辑独立性。将控制策略进行量化 比较困难，尤其是一些比较复杂的控制方法的量化，同时需要为数据库管 理系统增加推理功能等。松散耦合是介于弱耦合与紧耦合之问的一种结合 方式，目前很多专家系统工具，如o p s 5 ，k e e ，n p e x p e r t 等均具有与 d b a s e ，f o x b a s e 等数据库管理系统的接口。 倾i ：论文 基于关系数据库的专家系统在深基坑支护选型中的戍用耐f 究 第三章常用深基坑支护形式及 专家知识分析 由于地区问的工程地质和水文地质条件的差异较大，故拟以长沙地 区为例，分析工程地质条件和水文地质条件对深基坑选型的影响及深基 坑支护领域专家知识并寻求种合理的表达方式。 3 1长沙地区的工程地质和水文地质特点1 5 9 矧 长沙大地貌属湘中丘陵区，以湘江为界，西为低山丘陵，东为河流冲 积阶地上、冲沟、残丘错综复杂，暗塘、暗沟比比皆是，中部突出部位形 成浏阳河与湘江的分水岭，自第四纪以来，k 沙市共经历了五次冰川活动 和构造运动，每一次构造运动都使得湘江东岸一部分地块上升，形成一缴 阶地，而在一次构造运动以后，在两次冰期之问沉积形成卜。级阶地，这 样便形成了湘江五级阶地。根据有关资料，长沙市工程地质分为1 1 个区， 由此可见，长沙市工程地质的差异性形成的复杂情况对旌工有较大的影响。 此外，长沙雨季较长，对基坑稳定性影响很大。长沙市的主要地层有： ( 1 ) 地面卜的人工杂填土：厚度差异很大，成分复杂，多有上层滞水， 有的渗透性很大，并和地表水体有水力联系。 ( 2 ) 粉质粘土和粉土层：此层物理力学性质好状态佳，自身稳定性较好， 渗透系数较小。 ( 3 ) 粉细砂，砂或砂卵石层：此层为含水层，呈稍密一中密状态。此层 中，粉细砂层特别是白砂井类砂石混土层在施工中易形成流砂，稳定性 极差。 ( 4 ) 粉质粘土或粘土残积层：此层物理力学性质好。 ( 5 ) 基岩：多为泥质砂岩。 在以上地层中，( 1 ) ，( 2 ) 层或( 1 ) ，( 2 ) ，( 3 ) 层构成一般基坑的围岩，从基 坑支护角度分析：填土和淤泥的勘测评价难度较大，指标不易取得，对基 坑支护的设计难度较大；一般情况下，粉质粘土和粉土层稳定性较好，物 理力学性质较好，如基坑底板位于此层中，则支护工程量和造价均较低： 坝1 论文 犟卜笑系数据库的专家系统订：椿犟坑支护选型中的j * 用研究 当采用锚杆加强支护桩时，在砂层中施i 困难，且抗拔力指标难以控制。 3 2长沙地区常用支护形式及其适应性分析阳”l 1 5 l 现以长沙地区为例，对深基坑支护型式的选择及其适应性作个简要 的分析。近年来，长沙市高层建筑愈来愈多，大多数高层建筑的基础埋置 深度较大达5 1 6 m ，因而，基坑支护成为比较突出的问题，在有关建设单 位、设计单位和施工单位的努力下，已积累了不少有益的经验，有许多成 功的实例。但相对其他省市来说，长沙市的深基坑工程起步较晚，基坑支 护设计、施工还很不成熟。例如，2 0 0 1 年9 月长沙地区才首次使用内支撑 的支护形式。 3 2 1 常用支护形式 1 1 放坡开挖、砖墙护壁 般来说，当土质条件较好，基坑深度不大，环境条件允许时，放坡 开挖确是应当优先选用的方法。长沙地区雨季较长，为防止雨水对坡面的 破坏，常在放坡开挖后，砌砖墙护壁，达到了安全可靠、降低造价的目的。 长沙市有些t 程虽有放坡开挖的条件，但在实际操作过程中，埘坡面排水， 坡面暴露时间以及超载等影响考虑不周，而造成了不应有的损失。 1 2 悬臂桩支护 悬臂桩支护完全依靠足够的入土深度来保持支护结构的稳定，因而易 于产生较大变形，对高度、载荷和土质的变化特别敏感，一般只用于深度 较小的临时性工程。这类支护方式在长沙采用得较早主要为大截面人工挖 孔灌注桩。为加强桩身抗倾覆能力和桩排的整体性，一般都在桩顶设置锁 口圈梁。为防水抗渗和桩问土的维护，常在桩问以砼抹面或砖砌成拱形 确保安全。这类支护体系成功的不少，但失败的概率也比较高，特别是在 基坑较深的情况下更是如此。这类支护发牛事故多表现为支护体系内倾、 支护桩折断、推倒、坑壁塌陷、基坑被淹等灾难性后果。如某大厦，采用 人工挖孔灌注桩悬臂支护，在基坑丌挖尚未达到设计深度时，就发生了支 护桩严重倾斜和断桩塌坑，并导致临近的主要公路人行道和地下管线被破 礤 论立基于关系数据库的专家系统在潍蕊坑立护选型中的应用研究 繇酌严重事教。 1 3 镭喷支护 注浆锚杆在砂浆凝固后，在锚杼鞋 辫边坡的部位预先送行挂网，然j 弄 喷浆使整个边坡的非稳定体与喷砂的锚杆连成一片，并牢固地锚固在稳 定区内，不仅防止了边坡失稳，而且逐能防止局部土体剥落、崩塌、掉块，