鐘雪妍 沈羅昕 潘杏 向然 郝蕊 鐘波濤

（1 華中科技大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院, 湖北 武漢 430074 2 中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司電子計(jì)算技術(shù)研究所 北京 100081）

引言

建筑工程質(zhì)量驗(yàn)收程序在質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范中有明確條文規(guī)定，如《建筑工程施工質(zhì)量驗(yàn)收統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》等建筑工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范為確保工程項(xiàng)目質(zhì)量提供了基本遵循[1]。項(xiàng)目人員在監(jiān)督現(xiàn)場(chǎng)施工質(zhì)量時(shí)，主要是通過將建筑工程質(zhì)量隱患整改單內(nèi)容和建筑工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范條文進(jìn)行核對(duì)，來確定項(xiàng)目工程施工質(zhì)量是否達(dá)標(biāo)，這種依靠人工的審查方法不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，并且可能出現(xiàn)審查錯(cuò)誤等問題[2,3]。因此，對(duì)建筑工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范和建筑工程質(zhì)量問題信息進(jìn)行本體知識(shí)建模，使質(zhì)量隱患整改單審查過程自動(dòng)化，從而提高工程文本知識(shí)管理效率、增強(qiáng)已有知識(shí)的利用。

隨著知識(shí)表示在人工智能領(lǐng)域不斷發(fā)展，專家開發(fā)了邏輯表示法、產(chǎn)生式表示法、框架表示法、語義網(wǎng)表示法和本體表示法等多種知識(shí)表示方法，旨在把人類能理解的相關(guān)知識(shí)表示為計(jì)算機(jī)同樣能理解的結(jié)構(gòu)化知識(shí)[4]。喬曉利等[5]運(yùn)用邏輯表示法研究飛機(jī)線束工裝圖版設(shè)計(jì)各階段的謂詞邏輯方法，提高了飛機(jī)線束工裝圖版設(shè)計(jì)的效率。Guo S 等[6]運(yùn)用產(chǎn)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(shí)來促進(jìn)句子建模，實(shí)驗(yàn)表明在機(jī)器閱讀理解上優(yōu)于其它先進(jìn)的方法。Chondrogiannis E 等[7]使用區(qū)塊鏈和語義網(wǎng)技術(shù)，建立了一個(gè)分布式應(yīng)用程序，其語義網(wǎng)用于表示被保險(xiǎn)人的數(shù)據(jù)和合同條款，實(shí)現(xiàn)了區(qū)塊鏈和智能合約的功能。以上幾種知識(shí)表示方法在建筑工程的應(yīng)用中主要聚焦于知識(shí)推理和知識(shí)儲(chǔ)存，而本體表示法不僅可以進(jìn)行知識(shí)推理和知識(shí)儲(chǔ)存，還能明確有關(guān)概念并對(duì)概念之間的關(guān)系進(jìn)行語義表達(dá)，擁有更強(qiáng)的知識(shí)表示能力，因此本體表示法主要應(yīng)用于建筑工程質(zhì)量的合規(guī)性審查[8,9]。

本文基于本體，針對(duì)行業(yè)已有的建筑工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范和建筑工程質(zhì)量問題信息進(jìn)行知識(shí)建模，具體操作步驟如圖1 所示。由于建筑工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范和質(zhì)量隱患整改單由自然語言編寫，為非結(jié)構(gòu)化工程文本，其中信息未經(jīng)合理分類且大多零散，計(jì)算機(jī)處理能力低。基于本體表示法對(duì)工程文本進(jìn)行知識(shí)建模與結(jié)構(gòu)化表示，能夠讓計(jì)算機(jī)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(zhì)量隱患問題[10,11]。此外，本文還將構(gòu)建的本體知識(shí)模型用于實(shí)際工程中的質(zhì)量隱患整改單質(zhì)量問題信息的審查驗(yàn)證，使已構(gòu)建的本體知識(shí)模型在實(shí)際工程的質(zhì)量信息審查中得到知識(shí)重用。

圖1 建筑工程施工質(zhì)量問題信息知識(shí)建模流程圖

1 建筑工程施工質(zhì)量問題信息的知識(shí)建模

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

1.1 建筑工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范分析

本文研究收集分析建筑工程領(lǐng)域內(nèi)與工程施工質(zhì)量監(jiān)控審查相關(guān)的現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范（如《建筑工程施工質(zhì)量驗(yàn)收統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》（GB50300-2013）、《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》(GB50205-2020）、《建筑地面工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》（GB50209-2010）等），質(zhì)量管控過程中對(duì)建筑工程質(zhì)量的檢查是按照建筑工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范檢查程序?qū)Ξa(chǎn)品質(zhì)量屬性、建筑工序和材料選擇等約束進(jìn)行的核查，從知識(shí)表式的詞義元素方面對(duì)建筑工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范條文進(jìn)行剖析，可總結(jié)為如表1 所示包含的詞義元素。

表1 建筑工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范的詞義元素

1.2 建筑工程施工質(zhì)量問題信息本體模型

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

（1）明確本體的領(lǐng)域、范圍和構(gòu)建原則。構(gòu)建的施工質(zhì)量信息審查本體模型，屬于建筑工程領(lǐng)域，旨在實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)對(duì)質(zhì)量隱患整改單這一常見工程文本中的質(zhì)量問題信息進(jìn)行語義理解與自動(dòng)審查，采用層次本體模型[15]進(jìn)行構(gòu)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(shí)比較，選擇有關(guān)學(xué)者專家已經(jīng)研究的質(zhì)量規(guī)范相關(guān)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(zhì)量檢測(cè)和質(zhì)量評(píng)價(jià)，提供了建筑工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范本體知識(shí)結(jié)構(gòu)，定義了施工質(zhì)量合規(guī)性審查相關(guān)的一般術(shù)語與關(guān)系，適用于建筑質(zhì)量驗(yàn)收與評(píng)估；

（3）依據(jù)有關(guān)建筑工程施工質(zhì)量相驗(yàn)收規(guī)范、《房屋建筑工程常見質(zhì)量問題防治手冊(cè)》、《建筑工程質(zhì)量通病防治手冊(cè)》等工程規(guī)范和工程手冊(cè)將相關(guān)術(shù)語和概念羅列出來，參照工業(yè)基礎(chǔ)類（Industry Foundation Classes，IFC）、《建筑信息模型分類和編碼標(biāo)準(zhǔn)》、Omniclass-IFD 等術(shù)語和概念分類通過自上而下的方法確定類的層次結(jié)構(gòu)；

（4）構(gòu)建質(zhì)量問題信息-質(zhì)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(guī)范本體、構(gòu)件/資源本體、屬性本體、狀態(tài)本體和工序本體，該本體層繼承和重用了CQIEOntology 元本體的有關(guān)概念，繼而能夠更加清晰表明本體的語義關(guān)系，QII-QHDRFOntology 的構(gòu)建為理清質(zhì)量隱患整改單質(zhì)量問題信息內(nèi)容，確定其中的重要概念術(shù)語和語義關(guān)系具有重要作用。QII-QHDRFOntology 的實(shí)例層是實(shí)際工程中的質(zhì)量隱患整改單質(zhì)量問題信息，一個(gè)質(zhì)量問題信息由屬于不同本體層有關(guān)概念組成，如圖3所示，實(shí)例層中的“立柱”為本體層概念“構(gòu)件→混凝土構(gòu)件→柱”的一個(gè)實(shí)例。當(dāng)質(zhì)量隱患整改單質(zhì)量問題信息缺少“屬性值”或“屬性”和“屬性值”都缺少時(shí)，以“監(jiān)控對(duì)象”-wasIn-“狀態(tài)”的形式更便于進(jìn)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(zhì)量問題信息-質(zhì)量隱患整改單本體模型（QIIQHDRFOntology）

2 質(zhì)量隱患整改單質(zhì)量問題信息的詞義信息和知識(shí)模板

質(zhì)量隱患整改單作為監(jiān)理和建設(shè)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(zhì)量隱患和工程質(zhì)量管理中起到重要作用。

從本體的視角來看，實(shí)際工程的質(zhì)量隱患整改單質(zhì)量問題信息可以看作QII-QHDRFOntology 本體層的有關(guān)概念相對(duì)應(yīng)的實(shí)例按照一定語義要求有機(jī)的排列組合?？偨Y(jié)有關(guān)語義模式如圖4 所示，一條質(zhì)量隱患整改單質(zhì)量問題信息通常包含本體層有關(guān)概念的多個(gè)內(nèi)容，所描述的單個(gè)內(nèi)容在質(zhì)量隱患整改單質(zhì)量問題信息可能不止出現(xiàn)一次，“監(jiān)控對(duì)象”作為重要概念，包括本體層的“構(gòu)件”、“資源”和“工序”，是質(zhì)量隱患整改單質(zhì)量問題信息中必然包含的重要內(nèi)容，質(zhì)量隱患整改單質(zhì)量問題信息的復(fù)雜程度也與“監(jiān)控對(duì)象”的多少相關(guān)聯(lián)。

圖4 本體視角下質(zhì)量隱患整改單質(zhì)量問題信息語義模式

在分析建筑工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范中詞義元素和語義表達(dá)的基礎(chǔ)上，實(shí)際工程中的質(zhì)量隱患整改單質(zhì)量問題信息能夠表示為一個(gè)或多個(gè)重要的詞義元素和語義關(guān)系的組合，其中的詞義元素及語義關(guān)系與本體層的概念及關(guān)系相對(duì)應(yīng)。

本文將重要詞語比較詞和重要詞語屬性值組合成為“狀態(tài)”概念，一方面考慮的是在實(shí)際工程中質(zhì)量隱患整改單質(zhì)量問題信息描述中，比較詞和屬性值通常同步出現(xiàn)，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(xiàn)；第二方面考慮的是“深度不足250mm”是對(duì)監(jiān)控對(duì)象所處狀態(tài)的宏觀屬性描述，并沒有屬性詞【深度】的實(shí)際屬性值，從這個(gè)意義上說這種屬性描述本身就是一種概念“狀態(tài)”形式表述。除了比較詞與屬性值表概念“狀態(tài)”外，概念“狀態(tài)”還包含有時(shí)間順序詞、數(shù)量詞、情態(tài)詞和描述狀態(tài)詞，這些共同組成了質(zhì)量隱患整改單質(zhì)量問題信息詞義信息的概念“狀態(tài)”描述。對(duì)于“構(gòu)件”和“資源”概念，“構(gòu)件”本身是由相關(guān)建筑材料“資源”構(gòu)成，在質(zhì)量隱患整改單質(zhì)量問題信息表述中，“構(gòu)件”和“資源”概念也不容易區(qū)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(hù)”，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(gòu)件。因此在實(shí)際處理過程中將“構(gòu)件”和“資源”概念統(tǒng)稱為“構(gòu)件/資源”。對(duì)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(shí)際工程中質(zhì)量問題的自然語言描述往往復(fù)雜多變，同一個(gè)質(zhì)量問題描述方式多種多樣。在構(gòu)建的本體中，質(zhì)量問題信息可以表示為本體概念相對(duì)應(yīng)的詞義信息的組合，相較于人為書寫得更為清晰。表3 總結(jié)了實(shí)際工程中質(zhì)量隱患整改單質(zhì)量問題信息共11 種知識(shí)模板，各知識(shí)模板由各個(gè)詞義信息出現(xiàn)的順序依次排列組成。如表3 所示，每一知識(shí)模板包含多種詞義信息，一種詞義信息可以出現(xiàn)一次以上，其中【構(gòu)件/資源】和【狀態(tài)】詞義信息是質(zhì)量隱患整改單質(zhì)量問題信息知識(shí)模板必然包含的詞義信息，表明在質(zhì)量隱患整改單質(zhì)量問題信息中必須明確具體的監(jiān)控對(duì)象和其所處的狀態(tài)，這與實(shí)際工程問題描述是一致的。知識(shí)模板的構(gòu)建能夠?yàn)橘|(zhì)量隱患整改單質(zhì)量問題信息知識(shí)抽取和分類提供依據(jù)，從而提高工程信息處理效率。

表3 質(zhì)量隱患整改單質(zhì)量問題信息知識(shí)模板

將知識(shí)模板與本體視角下質(zhì)量隱患整改單質(zhì)量問題信息的語義模式相聯(lián)系，生成與知識(shí)模板相對(duì)應(yīng)的語義信息圖，圖樣例如表4 所示。

表4 知識(shí)模板對(duì)應(yīng)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(guān)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(guān)系。依據(jù)各知識(shí)模板所構(gòu)建的語義信息圖，對(duì)實(shí)際工程的質(zhì)量隱患整改單質(zhì)量問題信息內(nèi)容解釋如下：

（1）質(zhì)量隱患整改單質(zhì)量問題信息由多個(gè)詞義信息組成，詞義信息是質(zhì)量隱患整改單質(zhì)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(yù)埋件埋設(shè)平整度差”分別對(duì)應(yīng)構(gòu)件、工序、屬性和狀態(tài)四種概念，就具體語境，結(jié)合 QIIQHDRFOntology 來看，其語義內(nèi)容可以理解為，【埋設(shè)】工序的監(jiān)控對(duì)象為【預(yù)埋件】，監(jiān)控對(duì)象【預(yù)埋件】的屬性為【平整度】，而該屬性【平整度】的狀態(tài)為【差】；

（2）在實(shí)際工程質(zhì)量隱患整改單質(zhì)量問題信息記錄書寫過程中為了簡(jiǎn)潔描述工程質(zhì)量問題的主要內(nèi)容，質(zhì)量問題信息經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)省略現(xiàn)象，如實(shí)際記錄過程中很多沒有記錄“屬性”或“屬性值”，例如“預(yù)埋件埋設(shè)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(tài)”差的語義關(guān)系；

（3）除了本體視角下質(zhì)量隱患整改單質(zhì)量問題信息語義模式定義的關(guān)系外，還存在參照約束關(guān)系類型（Ref_constrain），例如“基坑基礎(chǔ)層填方/含水量/大于/最優(yōu)含水量/的/2%”，“資源”基坑基礎(chǔ)層填方有兩個(gè)“屬性”，“屬性 0”實(shí)際含水量和“屬性 1”最優(yōu)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(zhì)量問題。

3 本體模型案例分析

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

3.1 規(guī)范條文的結(jié)構(gòu)化處理

建筑工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范由自然語言編寫，其中的質(zhì)量審查規(guī)則為非結(jié)構(gòu)化或半結(jié)構(gòu)化信息。為實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)自動(dòng)審查，本案例依據(jù)本體知識(shí)表達(dá)形式，對(duì)建筑工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范條文進(jìn)行結(jié)構(gòu)化處理，構(gòu)建SPARQL 審查規(guī)則[17]，示例如表5 所示。

表5 SPARQL 審查規(guī)則示例

3.2 質(zhì)量隱患整改單的信息知識(shí)表示

本案例從武漢中建八局在建工程施工項(xiàng)目中隨機(jī)選取具有代表性的11 條表述方式不一致的質(zhì)量隱患整改單質(zhì)量問題信息，運(yùn)用本文提出的QIIQHDRFOntology 模型對(duì)質(zhì)量問題信息內(nèi)容進(jìn)行結(jié)構(gòu)化知識(shí)表式，并以此來檢驗(yàn)該本體模型對(duì)信息的知識(shí)表式能力，具體內(nèi)容如表6 所示。同時(shí)，基于Protégé 平臺(tái)為結(jié)構(gòu)化知識(shí)表式建立質(zhì)量信息審查知識(shí)模型，如圖5 所示。

表6 質(zhì)量隱患整改單質(zhì)量問題信息與本體知識(shí)表示對(duì)照表

圖5 基于Protégé 平臺(tái)建立質(zhì)量信息審查知識(shí)模型

3.3 審查結(jié)果生成

建立質(zhì)量信息審查知識(shí)模型后，通過Protégé 平臺(tái)內(nèi)置的HermiT 推理機(jī)[18]對(duì)模型中實(shí)例間的隱性關(guān)系進(jìn)行一致性推理如圖6 所示，使知識(shí)模型能夠完整正確地表達(dá)質(zhì)量問題信息。

圖6 基于HermiT 推理機(jī)的一致性推理

再應(yīng)用基于建筑工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范條文構(gòu)建的SPARQL 審查規(guī)則對(duì)質(zhì)量問題信息進(jìn)行逐一審查，并輸出審查結(jié)果。對(duì)現(xiàn)澆混凝土柱外觀質(zhì)量缺陷的審查結(jié)果符合實(shí)際工程質(zhì)量隱患整改單中的兩處不合規(guī)施工質(zhì)量問題，如圖7 所示。

圖7 建筑工程質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范本體實(shí)例查詢結(jié)果

4 結(jié)論

建筑產(chǎn)品全生命周期建造過程中，建造質(zhì)量的控制受各種法律、法規(guī)和行業(yè)規(guī)范等規(guī)范性約束，這些要求既包括合同要求也包含項(xiàng)目指定的要求，依據(jù)約束規(guī)范條文對(duì)工程質(zhì)量進(jìn)行管理和檢查是一個(gè)費(fèi)時(shí)耗力的過程，同樣也非常浪費(fèi)資源[19,20]。

本文為解決建筑工程施工質(zhì)量驗(yàn)收效率低下的問題，提出了建立建筑工程施工質(zhì)量隱患整改單信息審查知識(shí)模型的方案，依據(jù)方案建立了知識(shí)模型并在實(shí)際案例中對(duì)模型進(jìn)行了驗(yàn)證與分析，將本體知識(shí)建模技術(shù)應(yīng)用于建筑工程施工質(zhì)量驗(yàn)收過程，使建筑工程質(zhì)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(zhì)量隱患問題。此外，本文提出的本體模型構(gòu)建方法同樣適用于其它工程文本，對(duì)解決建筑施工現(xiàn)場(chǎng)管理問題具有應(yīng)用價(jià)值，對(duì)提高建筑工程管理信息化和智能化水平具有重要意義。