一种基于本体的桥梁自动化设计和优化决策方法

摘要

本发明公开了一种基于本体的桥梁自动化设计和优化决策方法，基于本体构建引入桥梁规范、材料的隐含碳能源、成本、优化、流程定义等多领域的知识库，通过基于语义网规则的知识推理实现了满足桥梁考虑安全、能源消耗和成本多目标的自动化设计，通过优化决策模型和语义查询帮助桥梁工程师找到满足需求的精准设计方案，从而实现了桥梁多目标自动化设计和优化决策的全过程。

说明书

技术领域

本发明涉及桥梁设计技术领域，尤其涉及一种基于本体的桥梁自动化设计和优化决策方法。

背景技术

近年来，人们越来越重视绿色建筑，建筑零排放等问题，许多研究人员致力于减少能源消耗，以提高建筑行业的可持续性。建筑设计对环境影响和成本性能的影响非常大。建筑领域的学者研究证明了在设计阶段可以通过规范建筑材料来降低结构的隐含碳能源，但传统的设计方法主要存在以下几个方面问题：首先，每种材料的选择对整个桥梁结构的安全、环境和成本的影响很难计算；其次，精细量化环境影响和结构成本难以做到；三是由于桥梁结构的复杂性和荷载的多样性，改变其中一种材料参数就要重新计算整个的结构安全性。

目前，基于本体的方法在实现建筑结构的多目标设计中非常有效，但是，目前基于本体的结构设计仍存在以下缺陷：一是，结构安全约束比较简单，没有设计规范作为基础，因此推理结果无法在实践中使用。二是，获得的结构设计方案数量太多，难以择优选取最合适的方案。三是，桥梁设计师对采用本体的方法对桥梁进行设计存在操作困难。

发明内容

本发明提供一种基于本体的桥梁自动化设计和优化决策方法，以克服上述技术问题。

本发明提供一种基于本体的桥梁自动化设计和优化决策方法，包括：

根据桥梁设计需求的多领域知识构建本体知识库；所述桥梁设计需求的多领域知识，包括：桥梁工程知识、桥梁设计规范、隐含碳能源和可持续发展领域知识、桥梁建筑材料成本知识以及优化决策知识；

根据所述桥梁设计需求的多领域知识定义所述本体知识库中的多个类、多个类的层次及多个类的属性，并创建所述多个类的实例；

基于所述本体知识库建立桥梁设计语义网规则；所述桥梁设计语义网规则，包括：桥梁安全性设计计算规则、桥梁隐含碳能源计算规则及材料成本计算规则；

建立优化决策语义网规则及语义查询规则对所述桥梁设计语义网规则的计算结果进行优化；

输入桥梁设计要求，运行所述桥梁设计语义网规则获得桥梁设计参数；运行优化决策语义网规则及语义查询规则，获得桥梁设计优化决策参数。

进一步地，所述根据桥梁设计需求的多领域知识构建本体知识库，还包括：根据所述桥梁设计需求的多领域知识列举桥梁工程领域术语；所述桥梁工程领域术语，包括：桥梁设计术语、隐含碳能源术语、桥梁建筑材料成本术语、优化决策术语以及中国桥梁规范中的术语。

进一步地，所述多个类，包括：桥梁知识相关的类和优化决策相关的类；桥梁知识相关的类，包括：桥梁类型类、桥梁结构部件类、桥梁作用类及桥梁材料类；优化决策相关的类，包括：优化方法类、优化问题类、优化函数类。

进一步地，所述桥梁设计语义网规则和优化决策语义网规则均为SWRL规则；所述语义查询规则为SQWRL规则。

进一步地，所述桥梁安全性设计计算规则，包括：永久作用集度、最大弯矩、可变作用效应引起最大弯矩、总弯矩、裂缝计算及挠度计算规则。

进一步地，所述桥梁隐含碳能源计算规则，包括：根据中国商用混凝土配合比，通过ICE数据库隐含碳能源计算得到不同的混凝土隐含碳能源数量；

按照式(1)计算桥梁混凝土隐含碳能源数量：

式中，V

进一步地，所述混凝土成本计算规则，包括：

按照式(2)计算桥梁混凝土成本

式中，W

进一步地，建立优化决策语义网规则及语义查询规则对所述桥梁设计语义网规则的计算结果进行优化，包括：按照式(3)的优化目标函数计算所述桥梁设计语义网规则的计算结果，其中，所述优化目标函数的约束为跨中裂缝和挠度，优化目标为桥梁的安全性、碳排放和成本；

F(x

式中，变量x

进一步地，所述建立优化决策语义网规则及语义查询规则之后，还包括：通过PELLET推理器来验证所述本体知识库中知识之间逻辑关系的正确性，通过SWRL Tab插件来验证所述桥梁设计语义网规则、优化决策语义网规则及语义查询规则的正确性。

进一步地，还包括：在所述本体知识库中引入流程定义知识，采用BPMN定义流程模型，通过本体映射将所述流程模型转化为流程定义类及属性；通过OntoGraf Tab可视化插件将所述流程定义类及属性可视化。

本发明基于本体构建引入桥梁规范、材料的隐含碳能源及成本、优化、流程定义等多领域的知识，通过基于语义网规则的知识推理实现了满足桥梁考虑安全、能源消耗和成本多目标的自动化设计，通过优化决策模型和语义查询帮助桥梁工程师找到满足需求的精准设计方案，从而实现了桥梁多目标自动化设计和优化决策的全过程。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的方法流程图；

图2为本发明的本体系统框架图；

图3a为本发明的类及属性创建示例图；

图3b为本发明的类的实例创建示例图；

图4为本发明的规范引入系统示意图；

图5为本发明的优化决策开发过程示意图；

图6为本发明的Pellet插件进行语义一致性检查日志图；

图7为本发明的运行SWRL选项卡插件以进行规则检查的日志图；

图8为本发明的案例设计简支梁示意图；

图9a为本发明的案例的设计结果图；

图9b为本发明的案例的优化决策结果图；

图9c为本发明的案例的设计结果—裂缝直方图；

图9d为本发明的案例的设计结果—挠度直方图；

图9e为本发明的案例的设计结果—成本和隐含碳能源直方图；

图9f为本发明的案例的优化决策结果直方图；

图10a为本发明的拓展的SWRL规则图；

图10b为采用本发明进行连续梁推理的结果图；

图11a为本发明中通过本体映射进行流程定义的示意图；

图11b为本发明中流程定义的示意图；

图11c为本发明中流程定义可视化图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1、图2所示，本实施例提供了一种基于本体的桥梁自动化设计和优化决策方法，包括：

101、根据桥梁设计需求的多领域知识构建本体知识库；所述桥梁设计需求的多领域知识，包括：桥梁工程知识、桥梁设计规范、隐含碳能源和可持续发展领域知识、桥梁建筑材料成本知识以及优化决策知识；

102、根据所述桥梁设计需求的多领域知识定义所述本体知识库中的多个类、多个类的层次及多个类的属性，并创建所述多个类的实例；

具体而言，步骤101和102是构建本体知识库的过程，具体为：

第一：确定本体的领域和范围。所述知识库涵盖的区域和领域主要分为六个方面的知识，第一个方面是桥梁工程中的基础知识，包括桥梁的分类，桥梁的组成等；第二个方面是桥梁规范，包括安全性设计要求、计算方法及相关参数的规定；第三个方面是关于隐含碳能源和可持续发展领域的知识；四个方面是材料的成本；第五个方面是优化知识；第六个方面是流程定义的经验知识。

第二：列举本体中重要的术语。在列举术语的过程中，生成与桥梁设计、成本、隐含碳能源和优化相关的术语至关重要。除了捕捉桥梁工程中的重要术语如桥梁长度、桥墩高度等，还有参考了中国桥梁规范中明确列出的上百种术语，如作用、作用设计值等。

第三：定义类和类层次结构。如图3a所示将收集的术语按照自上而下的方式建立类别，将知识关系构建好是系统框架形成的重要一步。

本体知识库的类至少包括有关桥梁知识的类、优化类、流程定义类。桥梁知识类具体包括桥梁类型类、桥梁结构部件类、桥梁作用类、桥梁材料类。桥梁类型类包括梁桥类、板桥子类、斜拉桥子类等；桥梁组件类包括梁子类、墩子类、附属结构子类等；桥梁作用类包括永久作用子类和可变作用子类；桥梁材料类包括混凝土子类、钢筋子类、钢子类等

优化类包括优化方法类、优化问题类、优化函数类，优化函数类包括优化约束子类、优化目标子类、优化变量子类。

流程定义类包括活动子类、任务子类、网关子类。

第四：定义类的属性。如图3a所示本体中定义类的属性包括关系属性和数据属性，关系属性代表不同类别之间的关系，数据属性定义数值的大小。表1为本体知识库中部分类及其层次、属性。

表1

第五：创建实例。如图3b所示，这一步将会把不同的桥梁截面、混凝土种类和钢筋的种类以实例的形式创建在本体中，以钢筋混凝土材料为例，创建实例的过程中需要选择混凝土的种类和钢筋的种类，以及要手动输入它的弹性模量、密度、抗压强度、隐含碳能源和成本的数据属性。

103、基于本体知识库建立桥梁设计语义网规则；桥梁设计语义网规则，包括：桥梁安全性设计计算规则、桥梁隐含碳能源计算规则及材料成本计算规则；

具体而言，桥梁安全性设计计算规则中引入桥梁设计规范，主要包括三个方面，分别为材料特性的规范、参数选取的规范和安全性要求规范。桥梁规范通过在知识库中添加如图4所示的注释和编写规则实现。

具体实现为通过SWRL Tab编写SWRL规则，所述SWRL规则的形式为：

B

其中，逗号表示合取，A

表2为安全性计算的SWRL规则。

表2

在完成安全性设计基础上，该发明有加入了考虑混凝土隐含碳能源的设计目标。其中，混凝土隐含碳能源的计算规则描述如下：

选用9种不同强度的中国商用混凝土，每种混凝土都给出详细的配合比，采用的大多数值均取自巴斯大学的Hammond和Jones开发的ICE碳与能源清单数据库来计算这九种混凝土的隐含碳能源。在线工具最多可以对3种不同的混凝土混合物进行建模，并比较其具体的碳足迹。在线工具允许用户输入混凝土的成分，通常可从混凝土供应商提供的混凝土设计证书中获得。

关系到隐含碳能源的数量的因素有混凝土的配合比、预制或者现场制作、钢筋的体积及运输距离。其中混凝土的配合比可以从《中国商用混凝土配合此速查手册》中选择，水泥种类为普通硅酸盐水泥，钢筋的体积根据桥梁配筋量决定，混凝土制作方式为预制，距离均为500KM，得到计算结果如表3所示：

表3

混凝土隐含碳能源按照式(2)计算：

式中，V

具体实现为通过SWRL Tab编写SWRL规则，表4为隐含碳能源数量计算的SWRL规则。

表4

混凝土成本计算过程描述如下：

混凝土成本的计算过程中主要关注材料的成本差。由于中国不同地区不同时间的混凝土价格有所不同，因此本次计算按照北京地区2020年10月10日的八大混凝土供应商的平均价格作为参考，其中，九种混凝土价格如表5所示：

表5

混凝土成本按照式(3)计算：

式中，W

具体实现为通过SWRL Tab编写SWRL规则，表6为成本计算的SWRL规则。

表6

104、建立优化决策语义网规则及语义查询规则对所述桥梁设计语义网规则的计算结果进行优化；

具体而言，优化决策的流程如图5所示，首先查询出103中产生的多种设计方案的设计结果，然后对三个设计目标结果进行归一化处理，并通过优化方程进行计算，具体实现为通过SWRL Tab编写SWRL规则，表7为优化决策计算的SWRL规则。

表7

建立语义网查询语言，对桥梁设计结构和优化决策结果进行提取。具体实现为通过SQWRL Tab编写SQWRL语言,SQWRL规则如表8所示。

表8

按照式(4)的优化目标函数计算所述桥梁设计语义网规则的计算结果，其中，所述优化目标函数的约束为跨中裂缝和挠度，优化目标为桥梁的安全性、碳排放和成本；

F(x

式中，变量x

检查语义和规则正确性，具体操作为运行Pellet推理器和SWRL规则插件。图6和图7分别为检查完成日志图。

105、输入桥梁设计要求，运行桥梁设计语义网规则获得多种桥梁设计方案设计结果参数；运行优化决策语义网规则及语义查询规则，获得桥梁设计优化决策参数；运行查询语言提取设计结果和优化决策结果。

具体而言，以如图8所示的简支梁设计为例，具体设计要求如表9所示，进行设计计算验证该方法的可行性。图9a和图9b为设计结果图和优化决策结果图，为使结果更客观清楚的表示，采用图9c～图9f的直方图形式进行说明。

表9

本实施例中，该验证方法具有可拓展性，为了避免给设计工程师在使用该系统设计其它桥型时，如连续梁桥，产生新的困难，该系统建立了较为完善的桥梁基础知识库，在进行其他桥梁计算时，只需要通过SWRL Tab添加规则即可。为验证该系统便捷的扩展性，对连续梁桥设计进行了拓展，详情如下表10所示，图10a为拓展的SWRL规则，其中SSB表示简支梁SWRL规则，CBB表示连续梁SWRL规则，图10b为连续梁推理结果图。

表10

本实施例中，流程定义和流程可视化开发。为了使桥梁设计人员更好的使用该方法进行桥梁设计，本发明增加了流程定义模块。具体实现形式式通过本体的映射的方法，将BPMN流程元素映射到本体中，然后通过OntoGraf Tab实现流程可视化。本体和BPMN元素映射如图11a所示，流程定义和流程可视化如图11b、图11c所示。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。