劉欣，姜韶華，李忠富

(大連理工大學(xué)建設(shè)管理系，遼寧大連 116024)

基于本體的建筑工程質(zhì)量通病診斷方法

劉欣，姜韶華，李忠富

(大連理工大學(xué)建設(shè)管理系，遼寧大連 116024)

針對目前建筑領(lǐng)域質(zhì)量問題診斷效率低下，信息共享和重用難等問題，在對《建筑工程質(zhì)量通病防治手冊》進(jìn)行深入分析的基礎(chǔ)上，文章提出了基于本體的建筑工程質(zhì)量通病診斷模型，可以快速有效地對建筑工程質(zhì)量通病進(jìn)行診斷。該模型以建筑工程質(zhì)量通病為研究對象，首先利用protégé建立建筑工程質(zhì)量通病診斷的領(lǐng)域本體模型;其次通過定義類之間的關(guān)系，構(gòu)建SWRL推理規(guī)則;最后利用JESS推理引擎針對質(zhì)量通病進(jìn)行推理，實現(xiàn)了利用本體對建筑質(zhì)量通病防治的過程。該方法可快速有效地基于本體模型對質(zhì)量通病進(jìn)行推理，從而支持建筑工程質(zhì)量通病中多領(lǐng)域和多源信息的有效表示，通過不斷增加新的案例對知識庫進(jìn)行補(bǔ)充，可以解決質(zhì)量通病知識表示，以及信息共享和重用等問題。

本體;推理;質(zhì)量通病;檢測

現(xiàn)有的質(zhì)量控制方法不能有效地對建筑工程質(zhì)量通病(后文簡稱為質(zhì)量通病)進(jìn)行識別，因此某些質(zhì)量問題可能到施工結(jié)束或者運營維護(hù)階段才被發(fā)現(xiàn)，影響了項目的實施效果。在以往的質(zhì)量通病診斷中，簡單的質(zhì)量問題一般是建筑領(lǐng)域?qū)＜彝ㄟ^經(jīng)驗和知識進(jìn)行處理。一旦遇到復(fù)雜的質(zhì)量問題或者是以前沒有遇到的問題，就需要領(lǐng)域?qū)＜彝ㄟ^質(zhì)量通病的特點進(jìn)行問題診斷，其過程復(fù)雜、耗時較長，而且其診斷結(jié)果準(zhǔn)確率低。

建筑工程質(zhì)量通病指的是建筑工程中經(jīng)常發(fā)生的，并普遍存在的工程質(zhì)量問題，其存在量大、面廣，對建筑本身的工程質(zhì)量危害很大［1］，作為長期實踐經(jīng)驗知識的總結(jié)，《建筑工程質(zhì)量通病防治手冊》(后文簡稱為手冊)是診斷、預(yù)防、治療工程質(zhì)量通病的手冊，本文選用該手冊作為質(zhì)量通病診斷的數(shù)據(jù)源。由于手冊中信息是分項進(jìn)行描述的，其保存格式不利于知識的共享與重用，因此需要新的知識表示方法來實現(xiàn)質(zhì)量通病防治知識的表達(dá)和應(yīng)用。

本體［2］作為一種結(jié)構(gòu)化的知識表示方法，可以對概念層次進(jìn)行清晰和準(zhǔn)確的描述，其本身也支持知識的推理。同時本體能夠提供一種全新的知識獲取手段，能夠提高知識系統(tǒng)的重用和可靠性。近年來，有關(guān)本體的研究主要集中在本體構(gòu)建、本體表示語言，規(guī)則語言(SWRL)［3］以及規(guī)則推理引擎等方面。因此，本體模型適用于質(zhì)量通病診斷，并能提供較好的表達(dá)語言，及時捕捉領(lǐng)域知識的語義，使其能夠更好地進(jìn)行知識的共享與重用。本文將本體概念引入到工程質(zhì)量管理中，并利用本體在描述領(lǐng)域或系統(tǒng)概念方面和問題診斷方面的優(yōu)勢，構(gòu)建領(lǐng)域本體，同時利用邏輯推理結(jié)構(gòu)進(jìn)行推理。采用本體來支持質(zhì)量通病問題的解決可以大大減輕項目參與人員的工作量，同時也為建筑領(lǐng)域工程質(zhì)量問題提供了一個更為簡潔的解決途徑。

1 研究背景

1.1 《建筑工程質(zhì)量通病防治手冊》

《建筑工程質(zhì)量通病防治手冊》是有助于診斷、預(yù)防、治療建筑工程質(zhì)量通病的實用手冊。手冊中介紹了通病現(xiàn)象，并分析了其產(chǎn)生的原因，提供了預(yù)防措施和治理方法。通過手冊中對建筑施工中常見病、多發(fā)病的介紹可以有效地預(yù)防和減少質(zhì)量問題的發(fā)生。

手冊中共收錄質(zhì)量通病項目1040項，可以應(yīng)用到建筑工程的各個領(lǐng)域，本文利用該手冊作為知識源進(jìn)行本體構(gòu)建，可以快速、有效地找到質(zhì)量通病發(fā)生的原因及解決措施等，其本體框架的構(gòu)建也實現(xiàn)了質(zhì)量通病信息的共享與重用。

1.2 建筑工程質(zhì)量通病特點分析

每一個建筑質(zhì)量通病主要的特點可總結(jié)如下。

(1)質(zhì)量問題診斷知識多源異構(gòu)性。例如施工中的建筑材料可能來自不同的廠家，有的施工過程可能會利用其中的一些材料，有的施工過程卻利用其它的材料等。因此，需要將這些異構(gòu)的數(shù)據(jù)組織起來，把各個系統(tǒng)之間的相關(guān)信息聯(lián)合起來，使知識建模成為一種可能。

(2)質(zhì)量通病進(jìn)化快，在施工過程中各種質(zhì)量通病隨著施工進(jìn)程的加快，會逐漸涌現(xiàn)，其問題層出不窮，需要隨時進(jìn)行數(shù)據(jù)輸入和數(shù)據(jù)處理，增強(qiáng)信息的重用和共享。

(3)各質(zhì)量問題知識層次關(guān)系復(fù)雜，相關(guān)性強(qiáng)。如何利用知識之間的層次關(guān)系，也是研究的難點。

通過上述分析可見本體作為知識共享的工具可以較好地解決質(zhì)量通病中的知識共享與重用問題。

2 建筑工程質(zhì)量通病表示與推理

2.1 本體結(jié)構(gòu)定義

關(guān)于質(zhì)量通病本體模型的基本結(jié)構(gòu)，一般是由質(zhì)量通病現(xiàn)象、產(chǎn)生原因、預(yù)防措施、治理方法四部分組成。建筑質(zhì)量問題的診斷過程是雙向的，是通過施工過程中出現(xiàn)的質(zhì)量通病現(xiàn)象，尋找產(chǎn)生原因，提供預(yù)防措施和治理方法，同時在尋找質(zhì)量通病產(chǎn)生原因的同時，完成對質(zhì)量通病的定位。本文研究主要針對質(zhì)量通病本體模型的構(gòu)建，該模型主要是對質(zhì)量通病診斷系統(tǒng)進(jìn)行推理研究，不涉及質(zhì)量通病定位的研究。

建筑工程質(zhì)量通病診斷是通過一定的邏輯定義，對通病現(xiàn)象進(jìn)行分析，找出通病產(chǎn)生原因，提出預(yù)防措施和治理方法。因此文章借助于本體概念及其關(guān)系對上述流程進(jìn)行描述，通過對質(zhì)量通病診斷模型概念和關(guān)系定義后，構(gòu)建基本的系統(tǒng)框架。本文所構(gòu)建的本體考慮到后續(xù)研究中軟件兼容問題的需要，整個本體構(gòu)建以英文為主。該本體在后文中統(tǒng)稱為診斷本體(Detection ontology)。

本體涉及到的關(guān)系及其推理可簡單通過圖1［4］表示。

圖1 建筑工程質(zhì)量通病診斷關(guān)系示意

2.2 本體表示模型

2.2.1 本體構(gòu)建

在建筑工程質(zhì)量通病診斷模型本體中首先應(yīng)當(dāng)明確構(gòu)建本體的意義及作用并構(gòu)建一個診斷模型。該模型包含有關(guān)質(zhì)量通病術(shù)語的層次結(jié)構(gòu)及關(guān)系，可以為使用者提供有用的信息;其次模型構(gòu)建需要對質(zhì)量通病本身有較為深刻的理解，本體事實庫中的知識也應(yīng)足夠詳盡，需要盡可能收錄施工過程中所產(chǎn)生的通病。因此，通過對質(zhì)量通病進(jìn)行詳細(xì)分析后所構(gòu)建的質(zhì)量通病診斷系統(tǒng)的本體模型如圖2所示。模型主要分為兩部分，分別是施工項目(Construction item)和診斷本體(Detection ontology)。

圖2 利用Protégé構(gòu)建的建筑工程質(zhì)量通病診斷本體

施工項目主要指在施工過程中建筑質(zhì)量通病產(chǎn)生所涉及的各個階段及各個建筑部件等，例如:普通鋼筋混凝土預(yù)制樁方面出現(xiàn)的問題等。

診斷本體是建筑質(zhì)量通病診斷模型的核心部分，可對收集到的質(zhì)量通病進(jìn)行原因分析，并可推理出治理方法和預(yù)防措施。

本文利用免費的開源平臺Protégé構(gòu)建基于本體的領(lǐng)域模型［5，6］。有關(guān)本體建模的研究有很多，但每一個構(gòu)建方法的應(yīng)用都是針對特定的研究領(lǐng)域，不具有通用性。因此，本文根據(jù)建筑質(zhì)量通病的特點，構(gòu)建了基本的質(zhì)量通病診斷本體。

通過對手冊的知識提取確定本文診斷本體的主類，包括質(zhì)量問題(Quality fault)，現(xiàn)象(Phenomenon)，原因(Reason)，預(yù)防措施(Precaution)和治理方法(Improvementmeasure)。

2.2.2 關(guān)系定義

對概念之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系進(jìn)行定義時，應(yīng)當(dāng)對關(guān)聯(lián)關(guān)系賦予豐富的語義，使其更加便于理解相關(guān)概念的關(guān)系［7］。語義關(guān)系是用來描述本體中各概念之間關(guān)系的，關(guān)系可分為層次關(guān)系(Hierarchical)和非層次關(guān)系(Non-hierarchical)［8］。Joonhee［9］提出利用RNA方法對通用關(guān)系進(jìn)行分類，認(rèn)為類與類之間的關(guān)系可分為內(nèi)部關(guān)系(Internal)和外部關(guān)系(External)。本文將語義關(guān)系分為上下位關(guān)系(Hyponymy)和關(guān)聯(lián)關(guān)系(Associations)兩種，關(guān)系的定義有助于更好地對相關(guān)概念進(jìn)行描述。

上下位關(guān)系在上文中已經(jīng)初步進(jìn)行了定義。這里主要討論關(guān)聯(lián)關(guān)系，關(guān)聯(lián)關(guān)系主要可劃分為統(tǒng)一關(guān)系(Synonymy relationship)，反義關(guān)系(Antonymy relationships)，以及整體－局部關(guān)系(Meronymy relationships)，下面是對這幾種關(guān)系的簡要說明。

Synonymy relationships(equivalent(x，y)):利用is_the_same_as，is_like或者is similar_to對同義關(guān)系進(jìn)行描述。例如混凝土和砼在中文環(huán)境中表達(dá)的是同一層含義，可以利用上述關(guān)系進(jìn)行描述。

Antonymy relationships(disjoint(x，y)):反義關(guān)系可以利用對立(Opposites)表示，也就是概念1與概念2是Opposites的意思，例如樁基工程和砌筑工程就是兩個對立工程。

Meronymy relationships(whole-part(x，y)):描述的是兩個概念之間的整體—局部關(guān)系，也就是說一個概念是另一個概念的局部。

該診斷本體涉及質(zhì)量通病、現(xiàn)象、原因、預(yù)防措施和治理方法等模塊，各模塊之間的推理關(guān)系可通過圖1定義，其中涉及的屬性關(guān)系如表1所示。

表1 質(zhì)量通病本體框架的屬性關(guān)系表

2.3 質(zhì)量通病診斷推理

推理機(jī)制是用來對構(gòu)建的本體模型進(jìn)行推理。本體及實例數(shù)據(jù)處理完善后，需要利用應(yīng)用程序?qū)?gòu)建的本體進(jìn)行解析和應(yīng)用。在對本體進(jìn)行數(shù)據(jù)推理及檢索時，采用SWRL(Semantic Web Rule Language)對推理規(guī)則進(jìn)行描述，并利用JESS［10］(Java Expert System Shell)規(guī)則引擎進(jìn)行推理。

2.3.1 規(guī)則建立

由于OWL為用戶提供的表達(dá)形式有限，因此需要支持規(guī)則的加入，進(jìn)而拓展RDF/OWL數(shù)據(jù)的表達(dá)能力，建立的規(guī)則通過SWRL實現(xiàn)。通過對語義的分析，可以利用SWRL建立的規(guī)則對質(zhì)量通病診斷本體的類和類屬性進(jìn)行定義。通過建筑工程質(zhì)量通病診斷本體中類和關(guān)系的定義，確定相應(yīng)的SWRL規(guī)則［11］，由于時間和精力所限，本文主要對該手冊第八章基礎(chǔ)施工的內(nèi)容做具體說明。例如，如果已知質(zhì)量通病的前提下，其規(guī)則描述如下式:

利用上述運算規(guī)則，項目的相關(guān)成員可以根據(jù)推理規(guī)則進(jìn)行推理，進(jìn)而通過質(zhì)量通病現(xiàn)象得到質(zhì)量通病產(chǎn)生的原因。其中qualityfault?x如果發(fā)生時true，有現(xiàn)象是?y，可推理出qualityfault?x的phenomenon?y是由reason?z所導(dǎo)致的。上述推理規(guī)則表達(dá)式是基于僅發(fā)生一種質(zhì)量問題，其他情況正常的前提下所定的簡單推理規(guī)則。

SWRL規(guī)則利用RDF具體語言進(jìn)行書寫，該格式可以很好地嵌入到OWL中，并被計算機(jī)所識別。因此，基于SWRL規(guī)則，只要已知建筑質(zhì)量通病的特征，就可以利用JESS推理機(jī)進(jìn)行推理，找出適當(dāng)?shù)念A(yù)防措施及治理方法。

2.3.2 推理

利用規(guī)則對上述構(gòu)建的模型進(jìn)行推理，需要以下幾個實施步驟:

Step1:對施工項目和診斷本體來說，在推理層中需要結(jié)合兩者之間的信息源，即需要利用XSTL［12］將其集成為XML數(shù)據(jù)，方便以后進(jìn)行查詢檢索研究;

Step2:需要將本體和所定義的推理規(guī)則轉(zhuǎn)換成在JESS推理引擎中可以推理的規(guī)則語言;

Step3:推理知識及不同數(shù)據(jù)源整合的信息需要放置到知識庫中，以便進(jìn)行知識的共享和重用。

推理規(guī)則建立后，需要利用JESS進(jìn)行推理。JESS推理是基于一系列已知事實和一系列規(guī)則，通過知識庫中的知識匹配實現(xiàn)推理［13］。JESS推理機(jī)只能解析JESS編碼格式，因此在本體推理過程中需要將RDF和OWL格式轉(zhuǎn)換為JESS代碼。圖3為該系統(tǒng)所涉及的質(zhì)量通病推理的框架轉(zhuǎn)換流程。

圖3 建筑工程質(zhì)量通病推理框架轉(zhuǎn)換流程

2.4 建筑工程質(zhì)量通病診斷本體系統(tǒng)

在建筑工程質(zhì)量通病診斷過程中，需要將施工中出現(xiàn)的通病輸入到系統(tǒng)中，通過對通病現(xiàn)象的描述，自動推理出通病的原因，同時提供相應(yīng)的通病預(yù)防措施和治理方法。通過上述對系統(tǒng)功能的總結(jié)，繪制了建筑工程質(zhì)量通病診斷的系統(tǒng)流程，如圖4所示。

圖4 建筑工程質(zhì)量通病診斷系統(tǒng)流程

3 建筑工程質(zhì)量通病診斷本體的實施

根據(jù)上文所提出的質(zhì)量通病診斷模型系統(tǒng)，通過知識庫的支持，可以利用推理規(guī)則的邏輯描述對質(zhì)量通病問題進(jìn)行判斷。一般情況下，建筑工程質(zhì)量通病是通過在施工過程中的問題所表示出的現(xiàn)象，通常發(fā)生在較為明顯的組件或者施工流程中，需要根據(jù)該現(xiàn)象推理出更加詳細(xì)的施工信息，以便更好地進(jìn)行施工控制。

由于篇幅所限，一些與質(zhì)量通病診斷本體的無關(guān)項都進(jìn)行了忽略。本文以《建設(shè)工程質(zhì)量通病防治手冊》第八章的基礎(chǔ)施工部分內(nèi)容為例，利用Protégé軟件將本體的類、實例、屬性及SWRL規(guī)則逐一定義，并構(gòu)建本體模型。其Protégé界面如圖5所示。

圖5 Protégé軟件界面

從手冊中提取相應(yīng)的質(zhì)量通病相關(guān)問題，并分析其相互關(guān)系，進(jìn)行SWRL規(guī)則編寫，形成建筑質(zhì)量通病診斷規(guī)則庫，同時利用相應(yīng)的轉(zhuǎn)換器將OWL+SWRL轉(zhuǎn)換為JESS規(guī)則，構(gòu)建事實庫與規(guī)則庫，運行JESS規(guī)則引擎后，將JESS編碼格式轉(zhuǎn)換為OWL格式，即可輸出結(jié)果，同時將其存儲為新的事實?；谑謨?.3節(jié)基礎(chǔ)施工，根據(jù)基礎(chǔ)位置偏離的問題，通過已知的通病現(xiàn)象以及預(yù)防(治理)該現(xiàn)象的方法，可以推理該質(zhì)量問題的預(yù)防措施(處理方法)，具體規(guī)則見圖5中的rule2以及rule4，推理結(jié)果如圖6顯示，該問題可通過設(shè)置中心樁(set the center pile)進(jìn)行預(yù)防或者通過協(xié)商(consultation)處理。

圖6 基礎(chǔ)位置的建筑工程質(zhì)量通病診斷推理結(jié)果顯示

4 結(jié)語

本文提出了一種新的質(zhì)量通病控制方法，使得質(zhì)量通病診斷過程更加準(zhǔn)確和清楚。該方法包括的本體框架，主要由本體表示模型和推理兩部分組成。在本體表示模型中，其知識提取主要來源于《建筑工程質(zhì)量通病防治手冊》，并利用對象屬性和數(shù)據(jù)屬性進(jìn)行質(zhì)量通病診斷表示模型構(gòu)建。然后利用OWL和SWRL將知識轉(zhuǎn)換成JESS中的事實庫(fact base)和規(guī)則庫(rule base)。在JESS推理機(jī)輔助下，可以推理出質(zhì)量通病的原因、預(yù)防措施、治理方法等。本文提出的質(zhì)量通病診斷本體系統(tǒng)很好地解決了建筑過程中質(zhì)量通病的共享和重用問題。

通過從施工經(jīng)驗豐富的工作人員得到的反饋來看，該系統(tǒng)取得了良好的效果。首先，該框架系統(tǒng)對于質(zhì)量通病知識的使用和檢索更加容易，且在質(zhì)量通病檢測中費時較少。其次，框架具有良好的可擴(kuò)展性。該方法可以將實際施工過程中新出現(xiàn)的質(zhì)量問題輸入到系統(tǒng)中并建立相應(yīng)的推理規(guī)則，從而幫助解決以后遇到類似的質(zhì)量問題。

然而，本文所提出的方法也存在一定的限制，需要進(jìn)行進(jìn)一步研究。首先，本文所構(gòu)建的框架不包括定位研究，即目前所構(gòu)建的本體只能通過問題、現(xiàn)象、預(yù)防措施等進(jìn)行推理，并不能對質(zhì)量通病產(chǎn)生的位置或者是某一過程進(jìn)行定位，如何將構(gòu)建的本體模型與BIM模型進(jìn)行較好的結(jié)合，需要我們在今后的工作中進(jìn)行研究。其次，本文所構(gòu)建的本體模型相對簡單，其類的數(shù)量和類之間的屬性關(guān)系等不能全面地反映質(zhì)量通病診斷過程的復(fù)雜性，本體模型的豐富需要進(jìn)一步完善。第三，該模型展示的只是研究的初步內(nèi)容，需要收集足夠的信息進(jìn)行內(nèi)容豐富。以上這些問題都需要我們今后進(jìn)行研究解決。

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Common Construction Quality Fault Detection Based on Ontology

LIU Xin，JIANG Shao-hua，LIZhong-fu
(Departmentof Construction Management，Dalian University of Technology，Dalian 116024，China)

Aimed at solving the problems of inefficient detection，difficult information sharing and reuse about construction quality fault an ontology-based quality common fault detection model is put forward to distinguish problems of quality faultbased on deep analysis of common construction quality fault controlmanual.Firstly，a domain ontologymodel of common construction quality fault detection is built by protégé.Secondly，the detection rules are constructed by means of SWRL through the definition of relations between classes.Finally，the detection result can be attained by JESS rule engine.The proposed method can detect common construction quality faultbased on ontology quickly and effectively，thereby can support effective representation of multi-domain and multi-source information.By adding new cases in the knowledge base of quality fault model，this method can provide new ideas for the representation，sharing and reuse of quality fault knowledge.

ontology;reasoning;quality fault;detection

TU17

A

2095-0985(2015)02-0078-06

2015-02-17

2015-04-17

劉欣(1984-)，女，黑龍江鶴崗人，博士研究生，研究方向為建筑信息管理和3S技術(shù)(siyanxiaoxin@126.com)

國家自然科學(xué)基金(51178084)