关于桥梁监测系统中智能系统的设计与实现

关于桥梁监测系统中智能系统的设计与实现

吴承远

柳州市桥厦科技发展有限公司 广西柳 州 545100

摘要：在桥梁建成后，桥梁的安全、稳定运行离不开日常的管理与养护，传统的人工管养方式费时费力且效果不佳，以知识库和推理机为基础的智能系统，可大幅度地提高桥梁管养的有效性和高效性。针对实时监测和人工巡检数据，设计和开发基于Jess的桥梁智能决策管养系统。该系统可根据现行的桥梁管养规范和桥梁管养专家的经验建立专家系统的事实库与规则库，系统根据输入的桥梁病害描述进行推理，并自动化输出相应的桥梁病害养护、维修和治理措施。实践表明，该管养系统能自动化给出最优的桥梁管养策略，提升了桥梁的管养效率，为桥梁的管理与养护提供了可靠的保障。

关键词：桥梁监测；智能系统；桥梁管养；维修措施

0引言

桥梁在建成后，长期受到雨雪天气、化学腐蚀氧化刻刻的监督，当桥梁发生病害时，巡检人员向管养人员报损失，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和来往车辆的重压等影响，使桥梁发生结构性的损伤，最告桥梁病害情况，桥梁管养人员针对桥梁出现的病害进终导致桥梁坍塌事故的发生，造成重大人员伤亡和财产行分析，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。

1基于Jess的专家系统

1.1 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。

1.2 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CharlesL.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。

2管养专家系统的设计

2.1事实库的建立

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。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。

2.2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。管养专家系统的规则库就是由许多个clp文件共同组成的。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。

3桥梁巡检功能

3.1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。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。

3.2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。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。

4智能管养专家系统功能

在桥梁发生病害后，智能管养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。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。

5结语

在桥梁建成后，为了保证桥梁的安全与长期的稳定，可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规则存入数据库，当桥梁发生病害时，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。桥梁管养决策系统实际运用效果良好，能在桥梁发生病害时及时提供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参考。

参考文献：

1. 李成林.智能桥梁安全监测系统[J].中国科技投资,2018(33):41.

2. 陈宏希.Jess反向链推理机理及诊断专家系统开发模式研究[J].兰州石化职业技术学院学报,2015,15(1):32-34.