试论桥梁结构设计中的知识复用技术

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【摘要】桥梁不仅是一个国家文化的象征，也是生产发展和科学进步的写照。桥梁设计是一个复杂、系统的工程，需要丰富的理论知识。但在桥梁设计过程中，仍然有许多重大的理论问题需要解决。本文在对桥梁数据进行分析后，建立了面向对象的桥梁结构数据组织方式，进一步建立了复用桥梁设计企业资料的系统架构，提出了基于最近邻方法的桥梁构件、结构体系以及项目3 个层次的相似性来定义获取相似案例方法。

【关键词】桥梁结构；知识复用；方法

在我国基础建设与快速发展和行业竞争激烈的今天，充分利用企业历史设计资料对提高设效率及竞争力显得尤为重要。然而现行的软件已经无法良好支持后续方案设计所用的数据，阻碍了设计单位对其进行有效的复用。桥梁设计资料复用是一个复杂的过程，要综合考虑桥梁的功能、结构、造型以及材料待信息。

设计复用是加快设计进程和降低成本一个有效方法，但设计工程师同时还必须要注意设计复用的易用性、可配置性以及第三方所能提供的技术支持和相关技术配套，如设计文档、验证和测试工具等。

随着计算机辅助设计技术的普及，几乎每个设计院都留下了大量电子设计图纸和文档，其中有设计图纸以及相应的计算书。知识经济时代的到来，使历史设计资料已经成为设计院核心竞争力的重要组成部分，充分利用这些历史设计资料显得犹为重要。复用技术已经成为目前软件开发等领域的热点问题。为了以后在桥梁结构设计过程中有效地利用已有资料，需要在已形成的企业文档和可供复用的设计案例之间建立联系，从而形成利用已有设计案例的有效机制，在提高设计效率的同时也使企业竞争力加强。

1 系统框架

为了充分挖掘设计院留存的设计案例，需要将已有的设计文档，按照组织方式进行分类形成设计资料库并进行结构化存储。基础数据库包括知识库和系统数据库，用来存放企业知识；基础数据库由预处理模块对企业设计文档进行处理后获得，形成可供重用的案例库，并通过结构设计的结果进一步充实。

但是桥梁结构的可靠性也是我们要研究的重点，结构设计要解决的根本问题是：在安全适用与经济合理之间选择一种合理的平衡，力求以最经济的途径，使建造的结构满足下列各项预定功能要求：1）正常施工和使用时，结构能承受可能出现的各种作用，在设计规定的偶然事件发生时和发生后，结构能够保持必需的整体稳性；2）在正常使用时，结构具有良好的工作性能，不会产生过大的裂缝和变形；3）在正常维护下，结构具有足够的耐久性能，不会过早地发生破坏。只有这样留存下来的数据，才能更好的为以后的设计复用提供有效的帮助。

2 面向对象的层次型桥梁数据组织

面向对象的框架表示方法，将复杂对象逐步分解为各个相互关联简单的子对象，这样比较符合桥梁结构设计人员的分析思路。系统中按功能及常规的设计步骤来决定分层原则，同时也考虑了设计对象与案例分层原则的一致性。设计人员所用的层次型桥梁结构设计数据模型，面向对象的案例数据组织桥梁结构设计案例中包括项目的案例、结构体系案例和构件类案例,在这种多类案例的集合中，不同类别的案例，由于其问题求解描述不同，其属性集中的元素往往不同；而同一类别的案例，其属性集相同，仅由于属性的取值不同就构成了不一样的案例。为将图形属性和一般属性区别开来，首先建立如下定义: 较大的实例序列，基于此形成可供进一步修改的相似案例，从而得到基本满足功能需求的实例构件描述性属性，该属性和构件的图形和材料属性无关，是描述性属性，如构件名、构件类型等。构件案例属性,包括图形属性和材料属性，如在某案例中T 梁翼缘高、混凝土等级等。通过划分描述性属性和案例属性，将构件的描述性属性和构件的几何绘图属性以及材料属性分隔开来，从而在降低计算量和算法复杂度等方面为案例的分类和获取提供了方便，为后期构件的相似性定义提供了数据基础。

3 桥梁结构设计案例相似性定义

采用基于案例推理( case2based reason ing CBR )。CBR 的主要思想是将抽象的功能需求转化为具体的结构设计方案；推理的过程是将知识库中的实例和实际的功能需求进行比较，找出相似度比。

4 基于相似案例的智能修改技术

最简单的案例修改方法是不进行任何改动而采用检索到的案例；但在桥梁结构设计中，由于设计条件千差万别，完全一致的设计案例相对较少，大部分设计案例需要在以往的相似案例上进行一系列修改以达到新的设计要求。一般的CBR系统将案例修改工作留给设计人员，这是CBR 系统弱点之一。本研究采用多元线性回归对构件参数进行修正，以下论述具体的修改步骤。

1) 获得输入参数,根据相似性计算确定最接近的案例；2) 将已经得到的相似案例和数据库中的案例比较，获得相似案例的同一类案例组。

5 设计结果图形自动化排列

在结构设计出图过程中，结果输出时往往需要人工对输出图块进行定位，而在图纸输出过程中往往一次生成大量图块，这就需要繁琐的人工操作鉴于，此系统中集成了图形输出的智能排列模块，通过制定一系列规则，完成图形排列的自动化。同时，为方便用户调整，还为其开发了图形快速排列工具，允许用户通过简单选取与拖动，调整图形排列布局。

现在，在工程设计资料复用方面有了一些初步研究，美国斯坦福大学学者通过对建筑类产品模型相关研究，发现支持设计复用的有效信息，并开发了CoMem系统，该系统可以支持设计知识的复用，使设计者能够对已有设计案例进行数据获取。

本文构建了桥梁结构设计复用系统的架构，通过对桥梁数据分析和面向对象的桥梁结构数据组织，提出了适合桥梁结构设计，基于最近邻方法的桥梁构件、结构体系以及项目3个层次的相似性定义，系统地建立了获取相似案例的方法。采用多元回归和人工神经元网络挖掘以往设计案例中包含的知识，以实现对相似案例的修改生成符合新的设计要求的桥梁设计案例，并实现了输出修改案例后图形自动排列，辅助用户快速排列系统生成的图形。本文尝试建立包括结构设计、出图、图形排列全过程的桥梁结构设计计算机辅助体系的基本架构，为复用以往桥梁结构设计方案提供了新的方法和手段。

参考文献：

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