基于本體的建筑工程質量隱患信息知識建模

鐘雪妍 沈羅昕 潘杏 向然 郝蕊 鐘波濤

（1 華中科技大學 土木與水利工程學院, 湖北 武漢 430074 2 中國鐵道科學研究院集團有限公司電子計算技術研究所 北京 100081）

引言

建筑工程質量驗收程序在質量驗收規范中有明確條文規定，如《建筑工程施工質量驗收統一標準》等建筑工程施工質量驗收規范為確保工程項目質量提供了基本遵循[1]。項目人員在監督現場施工質量時，主要是通過將建筑工程質量隱患整改單內容和建筑工程施工質量驗收規范條文進行核對，來確定項目工程施工質量是否達標，這種依靠人工的審查方法不僅費時費力，并且可能出現審查錯誤等問題[2,3]。因此，對建筑工程施工質量驗收規范和建筑工程質量問題信息進行本體知識建模，使質量隱患整改單審查過程自動化，從而提高工程文本知識管理效率、增強已有知識的利用。

隨著知識表示在人工智能領域不斷發展，專家開發了邏輯表示法、產生式表示法、框架表示法、語義網表示法和本體表示法等多種知識表示方法，旨在把人類能理解的相關知識表示為計算機同樣能理解的結構化知識[4]。喬曉利等[5]運用邏輯表示法研究飛機線束工裝圖版設計各階段的謂詞邏輯方法，提高了飛機線束工裝圖版設計的效率。Guo S 等[6]運用產生式表示法和框架表示法提出了一種基于框架的句子表示方法，該方法利用框架語義知識來促進句子建模，實驗表明在機器閱讀理解上優于其它先進的方法。Chondrogiannis E 等[7]使用區塊鏈和語義網技術，建立了一個分布式應用程序，其語義網用于表示被保險人的數據和合同條款，實現了區塊鏈和智能合約的功能。以上幾種知識表示方法在建筑工程的應用中主要聚焦于知識推理和知識儲存，而本體表示法不僅可以進行知識推理和知識儲存，還能明確有關概念并對概念之間的關系進行語義表達，擁有更強的知識表示能力，因此本體表示法主要應用于建筑工程質量的合規性審查[8,9]。

本文基于本體，針對行業已有的建筑工程施工質量驗收規范和建筑工程質量問題信息進行知識建模，具體操作步驟如圖1 所示。由于建筑工程施工質量驗收規范和質量隱患整改單由自然語言編寫，為非結構化工程文本，其中信息未經合理分類且大多零散，計算機處理能力低?；诒倔w表示法對工程文本進行知識建模與結構化表示，能夠讓計算機理解其中的詞義信息和語義信息，讓工程人員更有效地審查施工質量隱患問題[10,11]。此外，本文還將構建的本體知識模型用于實際工程中的質量隱患整改單質量問題信息的審查驗證，使已構建的本體知識模型在實際工程的質量信息審查中得到知識重用。

圖1 建筑工程施工質量問題信息知識建模流程圖

1 建筑工程施工質量問題信息的知識建模

知識建?？蓪⒎墙Y構化的文本進行結構化知識表示，將自然語言以符號化、形式化和模型化等結構化信息來表示，讓計算機能夠理解并處理文本中的詞義信息和語義信息[12]。知識表示是對知識的一種結構化描述或約定，探尋知識表示方式是自然語言處理領域和人工智能領域的重要研究方向，也是對自然文本表示的非結構化知識進行分析的關鍵一環。針對施工質量驗收規范條文及質量問題信息的特點，本體知識表示方式相較于其它知識表示方式更能表達其中的具體概念、概念之間的關系和屬性等特有知識。本體知識表示可將信息概念進行共享及明確，并且它不同于硬編碼方式只適用于特定領域，本體知識表示方式具有繼承性和重用性的突出優勢，只需選用合適的可重用本體就可以大大減少重新構建領域本體所需要的人力物力[13]。本章就施工質量隱患整改單這一常見工程文本，結合建筑工程施工質量驗收規范中的詞義元素和語義表達，利用本體知識表示方式對施工質量問題信息進行了知識建模，從而實現對建筑工程施工質量驗收規范的知識重用和質量問題信息審查。

1.1 建筑工程施工質量驗收規范分析

本文研究收集分析建筑工程領域內與工程施工質量監控審查相關的現行標準和規范（如《建筑工程施工質量驗收統一標準》（GB50300-2013）、《鋼結構工程施工質量驗收規范》(GB50205-2020）、《建筑地面工程施工質量驗收規范》（GB50209-2010）等），質量管控過程中對建筑工程質量的檢查是按照建筑工程施工質量驗收規范檢查程序對產品質量屬性、建筑工序和材料選擇等約束進行的核查，從知識表式的詞義元素方面對建筑工程施工質量驗收規范條文進行剖析，可總結為如表1 所示包含的詞義元素。

表1 建筑工程施工質量驗收規范的詞義元素

1.2 建筑工程施工質量問題信息本體模型

本文的本體構建方法參考斯坦福大學Natalya F.Noy 等[14]的七步法，結合實際情況，確定建筑工程施工質量問題信息本體模型構建方法共分為四步：

（1）明確本體的領域、范圍和構建原則。構建的施工質量信息審查本體模型，屬于建筑工程領域，旨在實現計算機對質量隱患整改單這一常見工程文本中的質量問題信息進行語義理解與自動審查，采用層次本體模型[15]進行構建，層次本體模型如圖2 所示；

圖2 層次本體模型示意圖

（2）通過本體知識比較，選擇有關學者專家已經研究的質量規范相關本體模型。本文繼承和重用胡云忠[16]所提出的CQIEOntology 元本體模型，該元本體模型可用于建筑施工全過程質量檢測和質量評價，提供了建筑工程施工質量驗收規范本體知識結構，定義了施工質量合規性審查相關的一般術語與關系，適用于建筑質量驗收與評估；

（3）依據有關建筑工程施工質量相驗收規范、《房屋建筑工程常見質量問題防治手冊》、《建筑工程質量通病防治手冊》等工程規范和工程手冊將相關術語和概念羅列出來，參照工業基礎類（Industry Foundation Classes，IFC）、《建筑信息模型分類和編碼標準》、Omniclass-IFD 等術語和概念分類通過自上而下的方法確定類的層次結構；

（4）構建質量問題信息-質量隱患整改單本體模型（Quality Issue Information-Quality Hidden Danger Rectification Form Ontology，QII-QHDRFOntology），如圖3 所示。在QII-QHDRFOntology 的本體層，包含有規范本體、構件/資源本體、屬性本體、狀態本體和工序本體，該本體層繼承和重用了CQIEOntology 元本體的有關概念，繼而能夠更加清晰表明本體的語義關系，QII-QHDRFOntology 的構建為理清質量隱患整改單質量問題信息內容，確定其中的重要概念術語和語義關系具有重要作用。QII-QHDRFOntology 的實例層是實際工程中的質量隱患整改單質量問題信息，一個質量問題信息由屬于不同本體層有關概念組成，如圖3所示，實例層中的“立柱”為本體層概念“構件→混凝土構件→柱”的一個實例。當質量隱患整改單質量問題信息缺少“屬性值”或“屬性”和“屬性值”都缺少時，以“監控對象”-wasIn-“狀態”的形式更便于進行整體描述，如“柱表面露筋”可以表述為“柱表面-wasIn-露筋”。

圖3 質量問題信息-質量隱患整改單本體模型（QIIQHDRFOntology）

2 質量隱患整改單質量問題信息的詞義信息和知識模板

質量隱患整改單作為監理和建設單位信息交換的主要形式，記錄了施工過程中存在的隱患問題，在排除施工質量隱患和工程質量管理中起到重要作用。

從本體的視角來看，實際工程的質量隱患整改單質量問題信息可以看作QII-QHDRFOntology 本體層的有關概念相對應的實例按照一定語義要求有機的排列組合?？偨Y有關語義模式如圖4 所示，一條質量隱患整改單質量問題信息通常包含本體層有關概念的多個內容，所描述的單個內容在質量隱患整改單質量問題信息可能不止出現一次，“監控對象”作為重要概念，包括本體層的“構件”、“資源”和“工序”，是質量隱患整改單質量問題信息中必然包含的重要內容，質量隱患整改單質量問題信息的復雜程度也與“監控對象”的多少相關聯。

圖4 本體視角下質量隱患整改單質量問題信息語義模式

在分析建筑工程施工質量驗收規范中詞義元素和語義表達的基礎上，實際工程中的質量隱患整改單質量問題信息能夠表示為一個或多個重要的詞義元素和語義關系的組合，其中的詞義元素及語義關系與本體層的概念及關系相對應。

本文將重要詞語比較詞和重要詞語屬性值組合成為“狀態”概念，一方面考慮的是在實際工程中質量隱患整改單質量問題信息描述中，比較詞和屬性值通常同步出現，如“門窗過梁入墻深度不足250mm”中比較詞【不足】與屬性值【250mm】同步出現；第二方面考慮的是“深度不足250mm”是對監控對象所處狀態的宏觀屬性描述，并沒有屬性詞【深度】的實際屬性值，從這個意義上說這種屬性描述本身就是一種概念“狀態”形式表述。除了比較詞與屬性值表概念“狀態”外，概念“狀態”還包含有時間順序詞、數量詞、情態詞和描述狀態詞，這些共同組成了質量隱患整改單質量問題信息詞義信息的概念“狀態”描述。對于“構件”和“資源”概念，“構件”本身是由相關建筑材料“資源”構成，在質量隱患整改單質量問題信息表述中，“構件”和“資源”概念也不容易區分且通常具有一致的詞義信息，例如“后澆帶鋼筋刷水泥漿保護”，鋼筋本身作為一種材料資源在該描述中也可以被理解為后澆帶的構件。因此在實際處理過程中將“構件”和“資源”概念統稱為“構件/資源”。對于其它概念，如“工序”和“屬性”具體詞義信息及其概念如表2 所示。

表2 詞義信息及其示例

由于實際工程中質量問題的自然語言描述往往復雜多變，同一個質量問題描述方式多種多樣。在構建的本體中，質量問題信息可以表示為本體概念相對應的詞義信息的組合，相較于人為書寫得更為清晰。表3 總結了實際工程中質量隱患整改單質量問題信息共11 種知識模板，各知識模板由各個詞義信息出現的順序依次排列組成。如表3 所示，每一知識模板包含多種詞義信息，一種詞義信息可以出現一次以上，其中【構件/資源】和【狀態】詞義信息是質量隱患整改單質量問題信息知識模板必然包含的詞義信息，表明在質量隱患整改單質量問題信息中必須明確具體的監控對象和其所處的狀態，這與實際工程問題描述是一致的。知識模板的構建能夠為質量隱患整改單質量問題信息知識抽取和分類提供依據，從而提高工程信息處理效率。

表3 質量隱患整改單質量問題信息知識模板

將知識模板與本體視角下質量隱患整改單質量問題信息的語義模式相聯系，生成與知識模板相對應的語義信息圖，圖樣例如表4 所示。

表4 知識模板對應的語義信息圖（樣例）

語義信息圖由詞義信息和詞義間的語義關系組成，灰色框 W-mean_*代表各種詞義信息，灰色框之間的有向連線代表各詞義信息的語義關系。依據各知識模板所構建的語義信息圖，對實際工程的質量隱患整改單質量問題信息內容解釋如下：

（1）質量隱患整改單質量問題信息由多個詞義信息組成，詞義信息是質量隱患整改單質量問題信息最基本的組成成分，脫離語境來看詞義信息有明確的概念，例如“預埋件埋設平整度差”分別對應構件、工序、屬性和狀態四種概念，就具體語境，結合 QIIQHDRFOntology 來看，其語義內容可以理解為，【埋設】工序的監控對象為【預埋件】，監控對象【預埋件】的屬性為【平整度】，而該屬性【平整度】的狀態為【差】；

（2）在實際工程質量隱患整改單質量問題信息記錄書寫過程中為了簡潔描述工程質量問題的主要內容，質量問題信息經常會出現省略現象，如實際記錄過程中很多沒有記錄“屬性”或“屬性值”，例如“預埋件埋設平整度差”，省略了平整度的“屬性值”，從而直接以“wasIn”表示“屬性”平整度與“狀態”差的語義關系；

（3）除了本體視角下質量隱患整改單質量問題信息語義模式定義的關系外，還存在參照約束關系類型（Ref_constrain），例如“基坑基礎層填方/含水量/大于/最優含水量/的/2%”，“資源”基坑基礎層填方有兩個“屬性”，“屬性 0”實際含水量和“屬性 1”最優含水量，通過判斷“屬性 0”是否超過“屬性 1”的 2%來確定是否存在質量問題。

3 本體模型案例分析

為驗證上述本體知識模型及質量信息審查方案的可行性和有效性，本文利用實際工程中的質量隱患整改單質量問題信息，進行基于本體的建筑工程施工質量信息自動審查。本文選取了武漢中建八局在建工程施工中的質量隱患整改記錄作為案例進行驗證。

3.1 規范條文的結構化處理

建筑工程施工質量驗收規范由自然語言編寫，其中的質量審查規則為非結構化或半結構化信息。為實現計算機自動審查，本案例依據本體知識表達形式，對建筑工程施工質量驗收規范條文進行結構化處理，構建SPARQL 審查規則[17]，示例如表5 所示。

表5 SPARQL 審查規則示例

3.2 質量隱患整改單的信息知識表示

本案例從武漢中建八局在建工程施工項目中隨機選取具有代表性的11 條表述方式不一致的質量隱患整改單質量問題信息，運用本文提出的QIIQHDRFOntology 模型對質量問題信息內容進行結構化知識表式，并以此來檢驗該本體模型對信息的知識表式能力，具體內容如表6 所示。同時，基于Protégé 平臺為結構化知識表式建立質量信息審查知識模型，如圖5 所示。

表6 質量隱患整改單質量問題信息與本體知識表示對照表

圖5 基于Protégé 平臺建立質量信息審查知識模型

3.3 審查結果生成

建立質量信息審查知識模型后，通過Protégé 平臺內置的HermiT 推理機[18]對模型中實例間的隱性關系進行一致性推理如圖6 所示，使知識模型能夠完整正確地表達質量問題信息。

圖6 基于HermiT 推理機的一致性推理

再應用基于建筑工程施工質量驗收規范條文構建的SPARQL 審查規則對質量問題信息進行逐一審查，并輸出審查結果。對現澆混凝土柱外觀質量缺陷的審查結果符合實際工程質量隱患整改單中的兩處不合規施工質量問題，如圖7 所示。

圖7 建筑工程質量驗收規范本體實例查詢結果

4 結論

建筑產品全生命周期建造過程中，建造質量的控制受各種法律、法規和行業規范等規范性約束，這些要求既包括合同要求也包含項目指定的要求，依據約束規范條文對工程質量進行管理和檢查是一個費時耗力的過程，同樣也非常浪費資源[19,20]。

本文為解決建筑工程施工質量驗收效率低下的問題，提出了建立建筑工程施工質量隱患整改單信息審查知識模型的方案，依據方案建立了知識模型并在實際案例中對模型進行了驗證與分析，將本體知識建模技術應用于建筑工程施工質量驗收過程，使建筑工程質量管理效率得到有效提升，讓工程人員更有效地審查施工質量隱患問題。此外，本文提出的本體模型構建方法同樣適用于其它工程文本，對解決建筑施工現場管理問題具有應用價值，對提高建筑工程管理信息化和智能化水平具有重要意義。