基于磚混結構廢墟救援安全評估專家系統研究

王東明 劉歡 李永佳

摘要：基于磚混結構廢墟救援特點，對其安全評估專家系統的功能、系統架構、系統界面進行了設計，并以實際震災救援案例對所建立的系統進行了驗證和測試。結果表明，該磚混結構廢墟救援安全評估專家系統應用方便，可很好地協助地震應急救援工作。

關鍵詞：地震救援；結構廢墟；安全評估；專家系統

中圖分類號：P315-39 文獻標識碼：A 文章編號：1000-0666（2016）04-0656-08

0 引言

人工智能作為一門多學科交叉的、新興的學科，是當今世界上三大尖端技術之一。而專家系統則是人工智能應用領域誕生最早、應用最廣泛、研究最活躍的研究方向（蘇鍵等，2006）。所謂專家系統，是指基于特定專業領域內一位或多位專家的工作經驗和專門知識建立知識庫、數據庫或數學模型，并通過人工智能中的邏輯推理技術編譯智能計算機程序，以達到不受時空限制地模擬和求解通常只有專家才能解決的各種復雜問題的目的（席錚，2005）。單個專家因為經驗和專業知識儲備量的差異，在處理問題過程中會出現處理方案片面、隨意和存在技術偏見等諸多問題。專家系統則可以克服專家工作中面臨的上述問題，既可以不受時間、空間和環境條件的限制而正常工作，又可以通過系統化、條理化和綜合決策功能來提高解答和模擬結果的客觀性、科學性和穩定性。一般來說，對于某些特定的問題，專家系統解答和模擬實際問題的能力、效率和水平會優于單個專家。

1965年費根鮑姆等研制出首個專家系統。隨后，國內外許多學科領域開展了相關專家系統的研究與開發。20世紀70至80年代該系統開始在地震工程領域被廣泛地推廣和應用。1979年，美國普度大學姚治平、付京生等開始研發震后房屋破損評估專家系統SPERIL。1985年，斯坦福大學Blume地震工程研究中心開展了場地地震危險度評估專家系統的相關研究，并于1988年針對加州的場地地震危險度評估工作完成了場地地震危險度評估專家系統SHES。劉西拉和薛慶（1987）基于目標驅動控制策略研發了鋼筋混凝土結構破損狀態評估專家系統。劉恢先（1987）負責開展了國家自然科學基金“七五”重大項目“工程建設中的智能輔助決策系統的應用研究”，并于1996年發布了智能輔助地震區劃系統IASHES。隨后，專家系統在我國地震工程領域得到了長足的發展。1989年，楊玉成等發布了以知識為基礎的多層砌體房屋震害預測專家系統，并于1992年發布了城市現有房屋震害預測智能輔助決策系統PDSMESMB-1，該系統曾獲國家科技進步二等獎（楊玉成等，1992）。石兆吉等（1997）研究并發布了地震液化判別與評價的專家系統。孫柏濤和王東明（2003）研究出我國第一個應用于地震應急現場的建筑物安全鑒定智能輔助系統。郭紅梅等（2008）基于GIS和空間決策技術設計并開發了城市地震現場搜救指揮輔助決策系統，該系統整合并集成了震害預測、地震災情快速評估、不同結構類型廢墟搜救行動方案、現場搜救指揮部署決策模型、壓埋人員情況分析等專業知識，綜合建立了地震現場搜救指揮專家系統，但所建立的專家系統基礎資料數據庫匱乏、某些模塊的專業模型尚不完善，專家系統評估結果距離具有專家水平還有很大差距等。盡管經過多年的發展，我國在地震工程領域擁有了許多專家系統，但目前專門針對不同結構類型的建筑結構廢墟救援安全評估專家系統研究尚處于空白階段。

我國是地震多發國家，歷次強烈地震發生后都會導致大面積建筑的損壞或倒塌。尤其是當前，我國存在量大面廣的磚混結構房屋，遭受強烈的地震作用后該類結構房屋倒塌數量十分龐大。震害表明，由于地震造成的磚混結構房屋的倒塌不僅會引起災區人員的巨大傷亡，而且還會造成巨大的財產損失。為最大限度地降低地震災害所造成的損失，震后我國政府、社會組織、企業和個人都會在第一時間投入大量人力、物力進行應急救援工作。然而，針對建筑結構廢墟的應急救援工作，救援隊面臨的首要問題是如何保障救援人員和被困人員的“雙安全”（陳運泰等，2013），即在最大限度地挽救被困人員的前提下不產生額外的人員傷亡。因此，每次救援活動開展之前應首先進行建筑結構廢墟救援安全評估工作。為解決我國磚混結構廢墟救援安全評估工作存在的問題，本文在已建成的磚混結構廢墟救援安全評估模型的基礎上，設計并探討了磚混結構廢墟救援安全評估專家系統。

1 系統需求分析

我國現階段地震現場建筑結構廢墟安全評估，通常由經驗豐富的結構工程專家完成。一般流程如下：首先，由結構工程專家初步確定安全評估的對象和范圍。合理的對象和范圍的確定，既可以節省搜救時間、提高搜救效率，又可以有的放矢地針對需要搜救的廢墟進行科學合理的搜救，使得整個搜救評估工作不出現偏差。其次是評估區域信息收集。全面細致的地震廢墟信息收集，可以對搜救工作起到事半功倍的作用。信息收集主要包括廢墟場地信息，相鄰建筑結構是否對搜救廢墟存在潛在危險，被搜救建筑物的設計、施工、構件的破壞程度和連接情況等。再次，確定地震廢墟的安全評估結果。通過對評估區域進行信息收集，結構工程專家結合專業知識，并綜合以往的工作經驗和搜救案例給出安全評估結果。為現場地震救援工作進行指導。最后，提出應對方案。充分利用信息采集中收集到的信息，對可能會給救援隊員帶來傷害的潛在因素給出應對措施，協助救援隊制定救援方案，最大限度地保證救援過程中所有人員的生命安全。這種工作流程雖然在我國歷次大震中的現場救援工作中帶來不錯的效果，但是也存在一些弊端：第一，由于建筑結構廢墟救援工作具有“時間要求緊、技術含量高、工作強度大”的顯著特點，所以實際工作中必須對專家的經驗、知識儲備以及身體素質條件提出嚴格的要求；第二，我國具有豐富地震現場應急救援經驗的結構工程專家數量非常有限，難以滿足現有方法對地震應急救援專家需求的數量；第三，結構工程救援專家分布在全國各地，且震區道路橋梁也會發生不同程度的震損，這將成為結構工程救援專家及時到達地震現場實施救援指導的制約因素。

而利用專家系統可以很好地解決我國現階段建筑結構廢墟安全評估工作所遇到的上述問題。其原因主要有以下兩方面：第一，專家系統建立過程中融合了行業內各方面的專業理論知識和許多知名專家的經驗及技術，其水平和能力一般會優于單個專家，因此使用專家系統評估建筑結構廢墟救援安全等級時評估過程具有系統化、條理化、綜合化的特征，且專家系統的評估結果也具有客觀性、穩定性和科學性的顯著優點；第二，由于專家系統是人工智能系統的一種，其本質是具有專家評估能力的計算機程序，因此使用專家系統進行建筑結構廢墟救援安全等級評估時可以不受時間、地點、環境以及工作強度的影響，在沒有結構工程專家在場的情況下，只需救援指揮人員熟悉系統的操作流程和具有能夠初步判斷評估結果離散性的能力，即可保證廢墟救援指揮工作的正常運作。雖然目前在土木工程領域乃至地震工程領域有許多專家系統存在，但還未開發出一套行之有效的、專門應用于磚混結構廢墟救援安全評估工作的專家系統。因此，有必要基于現有的磚混結構廢墟救援案例和資料建立一套完整的、實用的、有效的磚混結構廢墟救援安全評估專家系統。

考慮到磚混結構廢墟安全評估工作的特殊性，所以所開發的專家系統應滿足以下3方面的需求：（1）實用性。所要開發的專家系統是在缺少結構專家現場指導的前提下，在地震發生后為救援指揮人員提供磚混結構廢墟安全評估的依據，因此該系統必須操作簡單且界面友好。（2）功能完備性。本專家系統主要服務于地震救援，除了能夠對磚混結構廢墟進行評價外，還應該有協助制定救援方案的功能，因此在給出評估結果的同時也會給出相似案例與相應的參考文獻，還增加了估算器的功能，能夠對地震現場各種結構構件的重量進行估算，幫助救援隊合理地選用救援設備和設置救援方案。（3）開放性。該專家系統還應該有案例搜集的過程，將實際救援過程中產生的案例添加到數據庫中，使其他救援人員在使用這個系統的時候可以借鑒參考這些案例，這些案例也可以作為專家系統的樣本供這個專家系統學習，從而達到完善專家系統的目的。

2 系統功能設計及實現過程

2.1 功能設計

基于以上需求分析，磚混結構廢墟救援安全評估專家系統應具有以下3方面的主要功能：（1）對磚混結構廢墟進行救援安全等級的評估；（2）建立救援案例庫，以便于用戶根據救援條件進行搜索調用；（3）協助制定救援方案的相關功能。

其中在地震救援現場協助救援隊員對磚混結構廢墟進行安全評估是專家系統的核心功能，即地震應急救援隊可在地震應急工作現場通過簡單的操作快速有效地評定出磚混結構廢墟救援安全等級。而在進行建筑廢墟安全評估工作之前，應首先對地震要素信息進行采集，所采集的地震要素信息主要包括地震名稱、發震時間、震級、震中距等，同時在有條件的情況下還可以上傳烈度圖。輸入地震要素信息完成之后，需要將待救援磚混結構基本信息輸入系統中，這些基本信息主要包括建筑名稱、總層數、地理位置、地震現場基本描述等。輸入待救援磚混結構基本信息的主要作用有2點：第一，完成磚混結構廢墟救援案例的采集工作，為未來能夠進行科學的案例分析和經驗總結提供詳實的基礎資料；第二，所輸入的建筑結構基本信息包括了所有的結構廢墟救援安全等級影響因素，而這些影響因素是進行安全評估工作的必要信息。

在對磚混廢墟結構進行安全評估之后，為充分應對救援過程中所要進行的破拆、頂升、移除構件等工作，需對各類材料或構件的重量進行計算，因此專家系統還應附帶重量估算器的功能，即能夠對建筑材料量、鋼材等不同材料、構件進行重量計算，并給出結果以輔助指導救援隊制定合理的救援方案和選取合適的救援設備。綜上所述，專家系統所有功能包括的基本內容以及不同功能間的相互關系如圖1所示。

2.2 架構設計

本文所建立的磚混結構廢墟救援安全評估專家系統由用戶界面層（User Interface Layer）、業務邏輯層（Business Logic Layer）、數據訪問層（Data Access Layer）3部分組成。用戶界面層即表示層，直觀地表現在瀏覽器所呈現出的界面，通過用戶界面層，用戶可以將信息和數據傳遞給業務邏輯層，其返回的結果也最終呈現在用戶界面中，在用戶界面用戶可以和本專家系統進行直觀的交流。業務邏輯層是系統的核心部分，在該層中封裝了安全評估、數據計算等相關業務的操作，在本層中進行業務處理并實現系統的相關功能。在數據訪問層中可以進行數據的操作，可以實現數據的存儲、調用、維護等功能。本專家系統采用的是基于ASP.NET技術的B/S（Browser/Server）架構。B/S架構的服務器端集成了專家系統的核心功能，即將系統的業務邏輯層和數據訪問層中的核心功能全部集中在服務器端，這種處理方式的最大好處就是系統升級、改進或升級時只需更新服務器端的數據即可，降低了成本。而B/S架構的客戶端是瀏覽器，用戶可以通過瀏覽器經互聯網訪問系統服務器端。整個系統采用與ASP.NET平臺有很好兼容性的C#編程語言，選用SQL Server 2008后臺數據庫存儲專家系統中的文獻資料以及救援案例等各種數據。

磚混結構廢墟救援的安全評估是本專家系統的核心工作。磚混結構廢墟救援安全評估功能是基于磚混結構廢墟救援安全評估BP神經網絡模型而實現的。磚混結構廢墟救援安全評估BP神經網絡模型是指根據若干地震現場磚混結構廢墟應急救援案例以及筆者在地震現場應急處置工作經驗，采用BP神經網絡的方法建立的磚混結構廢墟救援安全評估模型。該評估模型以場地與地基情況、基礎破壞情況、結構構件以及非結構構件破壞情況、建筑材料與施工質量、建筑環境條件以及生存空間大小等14個影響因素作為基本條件，首先劃分并確定出不同影響因素的判別標準和影響因子以及磚混結構廢墟安全等級判定原則，然后基于實際救援案例采用BP神經網絡按照一定的誤差精度進行了學習訓練，最后對訓練完成的模型進 行了回判和檢驗。回判和檢驗結果表明，所建立的評估模型具有較高的準確度（王東明等，2016）。確定磚混結構廢墟救援安全評估BP神經網絡模型之后，采用C#編程語言將模型接入專家系統，且配置在專家系統的服務器端。應用過程中，用戶不需知道磚混結構廢墟救援安全評估模型工作原理，只需在客戶端所呈現的用戶界面進行操作即可通過互聯網向服務器發出請求并進行數據處理和交換，并獲得評估結果以及其他的相關信息。磚混結構廢墟救援安全評估專家系統的工作流程見圖2。

2.3 界面設計

基于系統功能設計結果和系統工作流程，參考一些優秀設計范例（孫路強等，2013），設計并確定了專家系統界面。為了使該系統網頁的頁面風格得到統一，在編程過程中采用了母版頁技術，通過母版頁的創建，專家系統中的每一個頁面均可使用母版頁的頁面布局，這就減輕了開發過程中開發人員保持頁面協調制作一致外觀的工作量。系統主要由地震信息錄入、建筑廢墟信息錄入、建筑物廢墟安全評估、相似案例與相關文獻、估算器5個界面組成。

2.3.1 地震信息錄入

圖3為地震信息錄入界面。當一次地震發生后，分別在此界面中輸入地震名稱、發生時間、震級和震中距，還可以上傳初步預估的地震烈度圖（李東平等，2013），點擊提交后，系統會自動生成一次地震事件，其后的所有評估結果都會被自動記錄到此次地震事件中，并便于日后的查詢與調用。

2.3.2 建筑廢墟信息錄入

圖4為建筑廢墟信息錄入界面。用戶在進行建筑廢墟安全評估時，需要首先錄入將要進行評估的建筑廢墟基本信息，其中包括建筑名稱、總層數、地點或位置、殘留層數或高度、倒塌位置、居住人數和現場描述，同時要選擇建筑物的用途，包括學校、醫院、住宅、辦公樓、超市、體育館、廠房、生命線用房和其他9類，并且在結構類型中選擇磚混結構，信息錄入和選擇完畢后，點擊提交按鈕。

2.3.3 建筑物廢墟安全評估

圖5為建筑廢墟信息錄入界面。用戶需要根據建筑廢墟的具體情況錄入14項影響因素。完成以上14項影響因素的選擇后，點擊提交，系統會自動給出對于此建筑廢墟的安全評估結果。

2.3.4 相似案例與相關文獻

在完成建筑廢墟安全評估后，系統能夠自動給出與此救援案例相關的相似案例和相關文獻，為救援人員提供輔助決策參考。圖6為相似案例與相關文獻界面。

2.3.5 估算器

系統還具備估算器功能模塊，可以分別對建筑重量、鋼材重量和建筑屋頂重量進行估算，還可以查詢常用建筑材料密度值和常用屋頂材料的重量。圖7為建筑重量查詢與估算界面。

3 系統應用

磚混結構廢墟救援安全評估專家系統主要服務于地震救援行業，針對的用戶具備一定的建筑結構專業知識，但不懂如何對結構廢墟進行安全評估的地震救援行業從業人員，這些從業人員只要會使用瀏覽器即可操作該套專家系統。該系統的主要應用范圍僅限于磚混結構廢墟搜索與營救，在缺少具備救援經驗與結構專業背景專家的時候，協助救援隊員對磚混結構廢墟的安全性做出評估，并對救援現場的結構構件以及覆蓋物的重量進行簡單的估算，以供救援隊員參考。該系統的使用方法非常簡單，只需要在瀏覽器中通過點擊和輸入即可完成所有操作。其界面操作與用戶之間有很強的交互性。首先在有互聯網的情況下打開瀏覽器，輸入網址www.dzjy.org.cn進入到CERRSAMS系統，然后登錄，輸入賬號、密碼、驗證碼后進入到這個系統，點擊專家系統模塊即可使用磚混結構廢墟救援安全評估專家系統。將地震救援現場采集到的信息根據系統的要求提交到專家系統中，點擊確認和提交，系統會輸出相應的結果。系統的運算速度比較快，在根據要求輸入數據之后很快就能得出評估結果。圖8為專家系統操作流程。

為了驗證本專家系統的可靠性，本文以汶川地震中都江堰市新建小學建筑廢墟安全評估為例，進行系統操作實例驗證。

首先登陸到系統后臺，選擇專家系統模塊，錄入都江堰市新建小學有關信息，如表1所示。點擊提交后，進入到建筑物廢墟安全評估指標選擇界面，逐一選擇每一項評估指標，確認無誤后，選擇提交按鈕，系統后臺會自動完成分析與評估計算，給出評估結果。如圖9所示，此次建筑物廢墟安全評估的結果為“結構穩定但須排險措施。（廢墟結構物無倒塌危險，但有造成危險的潛在因素須排除）”，并且給出了相關的提示信息。此次安全評估結果被自動保存在系統后臺的數據庫中，并作為一次新的案例為后續的評估工作提供輔助參考。分別選擇相似案例和相關文獻可以查看到與此次建筑廢墟安全評估相近的參考資料，為救援隊員提供輔助決策參考。結果表明，系統評估結果與實際情況基本相符。

經鑒定結果評估結果：

結構穩定但須排險措施。（廢墟結構物無倒塌危險，但有造成危險的潛在因素須排除）

提示：

1、（1）墻體呈現X裂縫，注意防止墻體倒塌，對墻體采取支撐措施；

（2）柱破壞嚴重，對柱進行加固；

（3）對梁采取加固支撐，防止梁斷裂；

（4）對板進行加固支撐；

（5）對屋架進行加固支撐。

2、需清除毒害物質，后再進行救援。

通過操作實例可知，本系統具有以下特點：用戶界面設計友好，系統應用操作方便，評估結果準確，信息交換和讀取速度較快，可以很好地提高震災現場廢墟救援工作效率。

4 總結

本文采用ASP.NET平臺和SQL Server 2008技術，基于磚混結構廢墟救援安全評估BP神經網絡模型技術建立了磚混結構廢墟救援安全評估專家系統，并對系統的功能與界面進行了設計和實現。本專家系統依托中國地震救援廢墟安全評估綜合管理系統平臺，能夠在地震救援現場進行磚混結構廢墟的安全評估工作，并在一定程度上解決地震救援現場缺少有救援經驗結構專家的難題。雖然，本文給出的案例分析為整棟磚混結構安全評估，但是并不排斥救援點的安全評估。主要因本系統具有開放性的特點，可對新的案例不斷添加，隨著案例數據的增多，將會更好地為不同磚混結構廢墟的評估提供技術支持。

經過系統實例操作和測試可知，該系統具備如下特點：（1）能夠很好地協助地震救援。本專家系統不僅能夠對磚混結構廢墟安全性進行評估，而且根據評估結果由數據庫檢索出相應的參考文獻與案例。為救援方案的制定提供參考，進一步提高了救援工作的安全性和可靠性。同時，該專家系統還能夠做簡單的重量估算，給救援隊在制定救援方案時提供量化參考。（2）系統應用的方便性。該專家系統的用戶界面設計十分友好，用戶利用瀏覽器便可完成所有的操作。且其信息的交換和讀取速度是十分快捷，用戶只需要熟悉瀏覽器的使用方法即可，隨著移動終端的普及，用戶能夠很方便的使用這個系統。（3）系統的開放性。該專家系統提供了案例搜集功能，可以將實際救援過程中產生的案例添加到數據庫中，使該系統的案例數據庫更加系統和全面。不僅可以為救援人員提供更加可靠的參考案例，而且也為磚混結構廢墟應急救援培訓提供了豐富的素材。

參考文獻：

陳運泰，楊志嫻，張勇等.2013.從汶川地震到蘆山地震.中國科學：地球科學，43（6）：1064-1072.

郭紅梅，黃發，陳維鋒等.2008.城市地震現場搜救指揮輔助決策系統的設計與開發.地震研究，31（1）：83-88.

李東平，龔俊，沈曉健等.2013.快速烈度調查系統探索與實現.地震研究，36（2）：238-242.

劉恢先，杜瑞明，朱敏等.1996.智能輔助地震區劃系統IASHES.中國地震，12（1）：1-15.

劉西拉，薛慶.1987.評估鋼筋混凝土結構破損狀態的專家系統.土木工程學報，20（3）：1-8.

石兆吉，顧寶和，張榮祥.1997.地震液化判別與評價的專家系統.工程勘察，（5）：5-8.

蘇鍵，譚平，周福霖.2006.土木工程專家系統的應用和發展趨勢.建筑科學與工程學報，23（4）：6-14.

孫柏濤，王東明.2003.地震現場建筑物安全性鑒定智能輔助系統研究.地震工程與工程振動，23（5）：209-213.

孫路強，栗連弟，劉磊等.2013.天津測震臺網綜合管理系統的設計與實現.地震研究，36（2）：258-262.

王東明，劉歡，李永佳.2016.磚混結構廢墟救援安全評估BP模型研究.災害學，31（2）：10-14.

席錚.2005.橋梁評估專家系統.武漢：武漢理工大學.

楊玉成，王治山，楊雅玲等.1992.城市現有房屋震害預測智能輔助決策系統.地震工程與工程振動，12（1）：77-89.