基于结构化存储的道桥设计成果知识管理系统构建

设计院在作大量设计项目的过程中，会形成丰厚的设计成果。这些设计成果代表着设计人员特别是老一辈设计工作者的知识经验，如何将这些知识进行有效管理并为新入职或设计经验不足的设计人员起到参考或指导作用，对于勘察设计企业来说，具有重要的意义。目前，大多数设计院的设计成果都以CAD图纸或PDF格式进行存储，采用非结构化的文件存储方式，不利于设计成果的管理、查询、共享和应用。本文以道路和桥梁工程为例，研究公路工程设计成果的结构化，在此基础上对存储结构化设计成果的数据库进行设计，分析知识管理平台的系统架构和主要功能，通过平台实现道桥设计成果的管理和应用。

公路工程设计成果结构化

所谓结构化，是指将逐渐积累起来的知识加以归纳和整理，使之条理化、纲领化。公路工程设计成果结构化是将公路工程的设计成果按照其工程实体的组成及各组成之间的下上层级关系进行组织，并明确每个组成的设计信息。

设计成果的结构化是设计成果管理和应用的基础，本文以道路工程和桥梁工程两大专业为研究对象，参照《公路工程信息模型分类和编码规则》[1]，对工程构件组成进行了分类和编码，对公路工程属性作出规定，并在此基础上进行适当的精简、补充和拓展[2]。

道路工程设计成果结构化

设计成果的结构化主要体现在工程构件组成及相互间关系的梳理、构件编码的统一标准化制定以及设计属性的定义上。道路工程构件组成及上下层级关系如图1所示。

设计成果的结构化存在一个很重要的过程和输出——构件编码。构件编码可以认为是构件的ID，是按照一定的编码规则制定的，代表着该构件的唯一标识，可用于构建工程构件组成之间的层级关系以及将构件的设计属性信息和构件实体进行关联。本文所用的构件编码根据《公路工程信息模型分类和编码规则》[1]制定，如表1所示。设计属性（部分）如表2所示。

表1 道路工程构件编码表（部分）

表2 道路工程设计属性表（部分）

图1 道路工程构件组成及层级关系图

图2 桥梁工程构件组成及层级关系图

桥梁工程设计成果结构化

桥梁工程与道路工程设计成果的结构化类似，其构件组成及上下层级关系如图2所示。构件编码（部分）如表3所示，设计属性（部分）如表4所示。

表3 桥梁工程构件编码表（部分）

表4 桥梁工程设计属性表（部分）

设计成果结构化存储

为了把历史的设计成果进行统一管理并使其发挥作用，将其存储到数据库是最佳的方案。设计成果的结构化存储是将结构化的设计成果按照一定的数据结构存储到数据库中，将设计数据存储到数据库，一方面便于设计数据的管理，实现设计数据的共享；另一方面能够与应用开发平台进行交互，使设计数据发挥更大的应用价值。

基于以上道路和桥梁工程设计成果的结构化，对存储设计成果的数据库（以下简称“设计数据库”）进行设计。设计数据库主要包括两类数据表：构件关联表和项目设计属性表。本文主要使用mysql数据库软件对设计数据库进行设计和存储。

构件关联表

构件关联表用于存储每个构件的构件编码和相应的构件名称，根据构件编码以及编码规则可以建立起所有构件之间的层级关系，用于在平台上构建构件层级结构树以及实现层级之间的级联查询。除此之外，存储构件编码和构件名称的对应关系能够根据构件的构件编码查询到相应的项目设计属性表，并将该构件的设计属性信息在平台上进行展示。以桥梁工程为例，构件关联表如图3、图4所示。

项目设计属性表

项目设计属性表用来存储所有入库的历史设计项目的设计属性信息，每个构件对应一个设计属性表，每条记录对应一个设计项目，表中每个字段代表该构件的一个设计属性，属性字段的定义除了该属性的名称、类型之外，还需要其他信息，如数值型和字符型的长度、枚举型的枚举值等。以桥梁工程为例，项目设计属性表如图5、图6所示。

图3 桥梁工程构件关联表设计

图4 桥梁工程构件关联表存储（部分）

图5 桥梁工程项目设计属性表设计

图6 桥梁工程项目设计属性表存储（部分）

基于设计成果结构化存储的知识管理平台

知识管理的核心在于利用已有知识产生新知识，根据本文的主题，则是利用已有的设计成果指导或辅助设计工作，使其发挥价值。

在以上对道路和桥梁工程设计成果的结构化及存储的基础上，开发道桥知识管理平台实现道桥历史设计数据入库、在线CRUD（增加、查询、修改、删除），以及基于已有的历史设计项目与当前设计项目的相似性推荐设计参数，从而达到辅助设计的目的。

平台系统架构

平台的系统架构主要分为四层：第一层为数据层，主要分为基础数据和道桥历史设计经验数据；第二层为服务层，将每个基础的功能封装成服务方式，可在不同的模块间共用，如数据的查询、数据的验证等；第三层为应用层，针对于不同的业务功能需求，设计不同的模块；最后一层为表现层，即以整体平台的方式对外提供。平台整体的系统架构如图7所示。

平台功能实现

道桥知识管理平台的功能主要分为两大模块：设计数据的入库管理和设计参数的智能推荐。

图7 道桥辅助设计平台架构图

图8 设计数据入库管理模块界面

图9 设计条件筛选排序

图10 设计参数查询推荐

设计数据入库管理

设计数据入库管理模块主要是将已有的道桥设计项目的设计数据入库，以实现在线CRUD操作。设计数据可通过数据表上传或在线录入的方式入库，数据表按照结构化存储中项目设计属性表的设计形成模板，保证数据表表头与设计属性字段的一致性，入库的设计项目数据在平台上以项目列表的方式进行展示。

根据数据库中的构件关联表，将工程构件的层级关系在平台上恢复和构建，形成结构树，结构树中的每个节点都对应到相应的构件。点击结构树中的每个构件节点，右侧属性表会展示相应的设计属性信息。对于不同的设计项目，每个构件节点的设计属性信息也是不同的。以桥梁工程为例，设计数据入库管理模块界面如图8所示。

设计参数智能推荐

设计参数智能推荐模块主要是基于设计条件对入库的设计项目数据进行筛选和排序，以及对于每个构件的设计参数进行查询推荐。选取的设计条件是对设计项目能够起一定决定性作用的重要设计参数，根据设计条件的设定，对数据库中已有的设计项目进行筛选并基于相似性的大小进行排序。

对于设计条件下每个构件的设计参数，同样是根据构件关联表存储的构件层级关系，通过级联查询定位到相应的构件节点，推送相应的设计参数，以达到辅助设计的作用。以桥梁工程为例，设计条件筛选排序以及设计参数查询推荐分别如图9、图10所示。

结语

目前，公路工程设计成果的结构化及存储、基于设计成果结构化存储的道桥知识管理平台已在工程实践中得到应用，并体现出重要价值，但在实际使用中还存在一些约束条件以及需要进一步研究和优化的技术点。要真正实现基于已有的设计项目经验数据能够推荐设计参数起到辅助设计的作用，首先需要大体量的设计项目数据，然而按照本文设计数据入库的方式，手工的工作量是巨大的，少量的数据对于辅助设计的意义是受限的。所以，需要平台进一步优化，能够对接现有的主流设计软件或者开发与其他设计项目管理平台的交互接口，使大量的历史设计数据能够自动化的传输到数据库中。

本文采用的相似性排序和智能推荐的算法较为简单，有待进一步研究和优化，在大体量历史设计项目数据的基础上，相似性排序和智能推荐的算法在很大程度上会影响推荐的设计参数的准确度。