桥梁监测系统中智能决策专家系统的设计与实现

廖 创，李富年，余兴胜，闫俊锋，林俊平

（1.武汉科技大学 信息科学与工程学院，湖北 武汉 430081；2.中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北 武汉 430063；3.华中科技大学 土木与水利工程学院，湖北 武汉 430074）

0 引 言

桥梁在建成后，长期受到雨雪天气、化学腐蚀氧化和来往车辆的重压等影响，使桥梁发生结构性的损伤，最终导致桥梁坍塌事故的发生，造成重大人员伤亡和财产损失，因此桥梁后期的管理与养护成为了桥梁问题的重中之重。传统的桥梁管养是通过巡检人员对桥梁时时刻刻的监督，当桥梁发生病害时，巡检人员向管养人员报告桥梁病害情况，桥梁管养人员针对桥梁出现的病害进行分析，然后提出最优的维修治理措施。这种方式会消耗大量的人力物力，而且有些发生的病害一般的管养人员水平有限还不知如何治理，此时就必须向有丰富经验的桥梁管养专家咨询请教，这将增加额外的管养成本，而且治理的最佳时间将会被耽搁，这种传统的桥梁管养方法费时费力而且效果也不是很好。因此，设计一种具有智能决策桥梁病害功能的专家系统非常有必要。专家系统也被称为基于某领域知识的智能计算机系统，能够将该领域专家积累多年的经验和相应的专业知识结合起来，从而求解一般只有该领域专家才能解决的问题。

本系统采用的桥梁管养专家系统会依据相关桥梁管养规范和桥梁管养专家的有关经验编写桥梁病害管养措施，然后根据这些桥梁病害的管养措施建立专家系统知识库，从而形成具有智能管养决策的专家系统。之后当桥梁再发生各种病害时，管养人员只需将桥梁发生病害的情况进行描述输入专家系统，专家系统会根据输入的病害描述自发地进行推理，最终提出最优的桥梁病害养护、维修和治理措施。

1 赣江特大桥监测管养系统

赣江特大桥全长超过2 km，位于赣江支流章江、贡江两江汇合口下游，主桥结构为塔梁分离形式，半漂浮系统。在桥梁建成后为了保证赣江桥的健康安全运行，本系统装配了较为完整的监测系统对赣江桥进行实时监测和分析，为后期的桥梁管理与养护提供可靠支撑。赣江特大桥监测主要包括大桥南昌侧结构、赣州侧结构、大桥桥面和大桥附属结构四部分，其中共计400多个各种各样的传感器，包含风速风向、温湿度、GPS、应变、挠度、加速度、索力、支座位移、轨道监测等多种传感器，其结构如图1所示。

图1 监测系统结构图

从监测系统的结构图中可以清楚地了解到每个传感器在桥梁上所处的位置，当传感器的数据发生异常时，通过监测系统能第一时间发现是桥梁上哪个位置的传感器出现了问题，然后通过传感器的异常数据，管养系统能自动化的给出管养建议和策略。这样就确保了桥梁维护治理的实时性，为桥梁的健康安全提供高效的管理养护支撑。

2 基于Jess的专家系统

2.1 专家系统介绍

专家系统也是一种计算机系统，但是它与普通计算机系统的区别在于，它是一类具有某个领域专门知识和实践经验的计算机程序系统。当遇到问题时，系统会自发地查阅知识库中的相关问题描述，对问题进行有效的推理，最终解决一般只有领域专家才能解决的复杂问题。专家系统结构如图2所示。

图2 专家系统结构图

2.2 Jess专家系统外壳原理

Jess是一种基于Java的专家系统外壳，它是由美国Sandia国家实验室在1995年以Java为核心技术开发出来的一个经过扩充的Clips版本。Jess除了继承Clips移植性好、开发工具和硬件成本低等优点外，还具有许多自己独特的特征，例如Jess支持正向推理和逆向推理，能直接调用Java类库，Jess中还有为实现与Java间的数据交互而开发的接口来完成Java对Jess的集成调用。Jess的这些优点和特征使专家系统与Java相结合，使其能够非常方便地运用在不同系统中。Jess核心由事实库、规则库和推理机三部分组成，其中规则库与事实库共同构成知识库，如图3所示。

图3 Jess结构图

2.3 Jess中的Rete匹配算法

Jess高效的前向和逆向推理是通过Rete算法实现的，Rete匹配算法是一个解决复杂多对多问题的有效求解机制，该算法是由卡内基梅隆大学的Charles L.Forgy在1974年提出的。常见的专家系统都有结构相似性和时间冗余性的特点，Rete匹配算法有着高效推理能力的原因就是采用Rete算法的专家系统在进行事实断言时利用了这两个特点来减少匹配的操作次数，以达到高效的推理目的。即当事实集合中的数据发生变化时，系统会对其进行有效匹配，经过匹配后的状态结果都被保存在节点中，在事实集合下一次再发生数据变化时，由于绝大多数的状态结果都没有变化，变化的只有小部分，这时Rete算法通过在节点中保存之前操作匹配过程中的状态而避免了大量的重复计算，以达到高效的推理匹配。但是由于保存操作匹配过程中的状态结果需要占用大量的内存，所以这种匹配算法是以牺牲内存空间换取执行时间的算法，它将消耗更多的内存，故开发时应当考虑性能与内存的取舍问题。

3 管养专家系统的建立

3.1 事实库的建立

本系统的事实库即为桥梁病害类别、桥梁病害位置和桥梁病害描述等一条条事实的集合。建立管养专家系统的事实库也就是建立一个存储器，用来存放工作人员在桥梁现场巡检记录下来的桥梁出现的桥梁病害类别、桥梁病害发生位置和桥梁病害描述。又因不同类型的桥梁病害对应的桥梁病害描述情况也不同，每一种病害的描述都有其不同的参数个数。例如，在桥梁出现渗漏水病害时，病害描述有渗漏发生位置、出现的渗漏现象和渗漏的范围3个参数；当桥梁出现裂缝病害时，病害描述有裂缝发生位置、裂缝长度、裂缝宽度、裂缝深度、裂缝发展方向和裂缝开裂状态6个参数；当桥梁出现劣化剥落病害时，病害描述有劣化现象、露筋情况、劣化半径、劣化深度和强度降低比5个参数。本系统为了满足适配每一种病害类型对应不同个数参数的病害描述情况，建立了如图4所示的工作存储器。分别为单字符串型属性槽、单字符串型属性槽和多字符串型属性槽。

图4 工作存储器图

桥梁巡检人员记录的桥梁病害类别和桥梁病害发生位置存储在图4中的前两个单字符串型属性槽中，而对于病害的多个描述类参数则存储在多字符串型属性槽中。这样图4所示的工作存储器适配所有桥梁出现的病害情况。

3.2 规则库的建立

管养专家系统规则库的建立，需要参考当前的桥梁管养标准规范并向有丰富经验的桥梁管养专家进行咨询，将桥梁可能出现的病害以及每条病害应采取的管理养护治理措施归纳整理，然后使用Jess专家系统开发语言，将其转换为桥梁病害情况对应桥梁维修治理措施的clp文件。本文建立的桥梁管养规则库参考了如表1所示的桥梁管养规范标准。

表1 桥梁管养规范标准

管养专家系统的规则库就是由许多个clp文件共同组成的。本系统中将这些clp文件存储在MySQL数据库中，当专家系统根据桥梁病害进行推理时，系统会通过jdbc连接到数据库，然后从数据库中取出相应的clp文件进行桥梁管养推理。为了提高系统的推理效率，系统将规则库中的桥梁病害情况描述与桥梁病害管养措施分别存在两个不同的表中，并且用具有唯一标识符的主键ID表示规则库中的桥梁病害管养措施，当系统根据规则库中的桥梁治理规则推理出桥梁病害管养措施的ID编码后，系统将根据ID找到相对应的桥梁管养措施，从而完成桥梁病害管养的推理。以下代码为桥梁桥面上发生渗漏水病害时的clp文件规则模板代码。

（defrule example

（template（type?tp&：（eq?tp″water leakage″））

//病害类别为渗漏水

（template（location?loc&：（eq?loc″deck″））//病害位置为桥面

（template（num_des?nd&：（and（menber&>/

（menber&>/

））））

=>

（add（new result”...”））） //管养措施

4 桥梁巡检功能

4.1 巡检计划的制定

为保证桥梁的安全运行单靠视频监测远远不够，本系统采取视频监控与实地考察相结合的方式为桥梁的安全运行保驾护航。桥梁管养工作人员会根据桥梁的实际情况定期制定桥梁的现场巡检计划，巡检计划中包括参与现场巡检的人员、巡检时间以及巡检的类型等。桥梁巡检计划如图5所示。

图5 桥梁巡检计划图

例如，当通过传感器数据发现桥梁可能出现异常情况时，工作人员会立即制定桥梁的现场巡检计划，然后安排工作人员进行现场巡检，将桥梁现场的情况进行记录保存，以保证桥梁管养的及时性。

4.2 巡检结果的录入

当巡检人员对桥梁进行现场巡检后，会根据桥梁的实际巡检情况进行巡检结果录入，巡检结果录入中包括进行现场巡检的人员、巡检时间、巡检项和巡检出现的病害等。巡检结果录入如图6所示。

图6 桥梁巡检结果图

针对桥梁出现的病害，对病害类别进行初步的判断，然后进入桥梁管养功能模块界面，根据病害描述进行有效的推理，提出最优的桥梁管理养护建议。

5 智能管养专家系统功能

在桥梁发生病害后，智能管养专家系统功能模块会根据系统监测到的桥梁数据和巡检人员进行现场巡检得到的桥梁病害结果进行推理匹配，然后给出最优的桥梁管养建议。桥梁管养功能界面分为四部分，分别为桥梁病害类别区、桥梁病害位置区、桥梁病害描述区和桥梁病害维修措施区。当桥梁出现病害时，用户首先在病害类别区选择桥梁发生病害的类别，然后在病害位置区选择该病害发生的位置，接着在病害描述区对病害描述进行选择，最后点击最右侧的诊断按钮，此时专家系统会根据用户输入的桥梁病害类别、病害发生位置和病害情况描述进行推理匹配，推理得到的结果会在病害维修措施区中显示出来，如图7所示。

图7 管养功能界面图

桥梁管养人员根据管养专家系统推理得到的结果对桥梁进行管理与养护，以到达消除桥梁病害的目的。

6 结 语

在桥梁建成后，为了保证桥梁的安全与长期的稳定，本文设计了一种智能计算机系统即专家系统，通过参考桥梁管养手册以及咨询经验丰富的桥梁管养专家，将桥梁可能发生的各种病害情况以及解决措施编写成一条条规则存入数据库，当桥梁发生病害时，用户只需根据桥梁出现的病害对病害类别、病害发生位置和病害情况进行分析判断，然后输入计算机系统，系统会自动根据用户输入的信息进行推理，最终给出最优的桥梁病害解决措施。本系统的桥梁管养决策专家系统模块已投入实际运用，运行效果良好，能在桥梁发生病害时及时提出合理的桥梁维修治理措施，为桥梁结构的长期稳定运行提供了有效的支撑。