INFORMATICAZIJN EXPERTSYSTEMENMOGELIJK VOOR DE BOUW?ir.W.H.Verburg, Bouw- en woningtoezicht Rotterdam, afdeling Onderzoek BouwconstructiesDe ontwikkelingen op het gebied van kunstmatige intelligentie zijn zovergevorderd, dat de vraag omtrent de toepasbaarheid hiervan binnen debouwnijverheid relevant is. In het kader van een afstudeerwerk* is hiernaaronderzoek verricht, waarbij voor een bepaald kennisdomein, namelijk debehandeling van betonschade, een prototype van een expertsysteem is ontwikkeld.xpertsystemen, ook wel kennis-systemen genoemd, zijn compu-terprogramma's waarin de erva-ring en kennis van deskundigen op eenbepaald domein is opgeslagen en op eenbruikbare wijze kan worden geraad-pleegd.Onder bruikbaar wordt verstaan dat dieervaring en kennis ook door minderdeskundigen kan worden gebruikt endat wordt aangegeven welke feiten totde gegeven informatie hebben geleid.Deze laatste eigenschap heeft tot gevolgdat het voor het realiseren van een ex-pertsysteem noodzakelijk is de betref-fende materiekennis volledig te structu-reren. Door aan bepaalde feiten een be-trouwbaarheid toe te kennen is het ookmogelijk om met onvolledige of onze-kere gegevens te werken.TNO-Bouw verricht sinds 1986 onder-zoek naar de toepassingsmogelijkhedenvan expertsysteemtechnologie in debouwnijverheid. Dit onderzoek wordtgedeeltelijk uitgevoerd in de vorm vanpilot-projecten, waarbij wordt samen-gewerkt tussen de afdeling bouwinfor-matica en ??n of meer vakafdelingen,die de materiekennis leveren.Door de vakafdeling constructies is hetin dit artikel besproken onderzoek ge?-nitieerd. De vraag hierbij was: kunnen ermet expertsysteemtechnologie gereed-schappen voor bouwpathologie wordenontwikkeld?OpbouwEen expertsysteem is vrijwel altij d opge-bouwd uit een consultatiesysteem en* Het afstudeerwerk [1] is uitgevoerd aan deTU Delft, faculteit der Civiele Techniek, vak-groep Mechanica en Constructies, sectieBouwinformatica. Het onderzoek is uitge-voerd bij TNO-Bouw te Rijswijk en is begeleiddoor medewerkers van beide instituten.een knowledge base, in het vervolg ken-nisbank genoemd (fig. l).Het consultatiesysteem omvat de ge-bruikersinterface, uitlegfaciliteiten, tra-cefaciliteiten en de inference engine. Degebruikersinterface maakt communi-catie met het systeem mogelijk. Het af-leiden van informatie uit bepaalde fei-ten, het redeneren, heeft plaats in de in-ference engine. De tracefaciliteit stelt degebruiker in staat het redeneren te vol-gen. Indien hierbij voor de gebruikervragen rijzen kunnen deze door het ac-tiveren van de uitlegfaciliteit wordenbeantwoord.Het consultatiesysteem bevat dus geenkennis, deze is geheel ondergebracht inde kennisbank. Deze scheiding heeft eenaantal voordelen. De kennisbank kanstapsgewijs worden ontwikkeld en ge-test. Voorts kan de kennisbank wordenaangepast zonder dat er grote stukkenvan het programma behoeven te wor-den gewijzigd. Bovendien kan de infe-rence engine op deze wijze aan meer dan??n kennisbank worden gekoppeld. Deinference engine manipuleert de kennis.Het opslaan van kennis is niets bijzon-ders, want er wordt al eeuwen lang ken-nis in bijvoorbeeld boeken opgeslagen.Helaas kan de inference engine geenboek lezen, zodat er een andere metho-de van representatie van de kennis moetworden gebruikt.Representatie van kennisEr wordt een aantal methoden van ken-nisrepresentatie onderscheiden. Tweeervan zijn logica en produktieregels.Het logicasysteem komt overeen met dein de wiskunde gebruikte deductievetheorie.Het systeem van produktieregels is ge-baseerd op implicatie. De algemenevorm hiervan is:ALS aan een aantal condities is voldaan,DAN mogen bepaalde conclusies wor-den getrokken.De kennis die met het systeem moetworden gerepresenteerd wordt met ac-quisitie verworven. De kennisacquisitiekan onder meer worden uitgevoerddoor literatuurstudie, het interviewenvan experts, de experts in actie gade teslaan, het analyseren van casestudies als-mede door inductietechnieken.Het principe van inductie is het verwer-ken van ervaringsgegevens tot redene-ringen omtrent de werkelijkheid. Ditmaakt deze methode zeer geschikt voorhet opsporen van onbekende oorzaak-gevolg relaties. Een inductieve redene-ring is bijvoorbeeld: elke zwaan die ikooit heb gezien was wit, dus alle zwanenzij wit. Ter illustratie van een deductie-ve bewering het volgende: alle olifantenhebben een staart, de olifant in Blijdorpheeft dus een staart.Het resultaat van de acquisitie kan wor-den beschouwd als de ruwe vorm van dekennis. Door de kennis te analyseren ente modelleren wordt het zogenaamdekennismodel verkregen. Met dit ken-nismodel kan een schatting worden ge-maakt van de prestaties van het te reali-seren systeem. Indien er met het kennis-model alleen maar zeer algemene uit-56 Cement 1991 nr. 2Espraken kunnen worden gedaan, is debruikbaarheid gering en is het zinvol dekennisacquisitie opnieuw kritisch te be-kijken.De stap van kennismodel naar kennis-bank wordt gemaakt door het kennis-model met een bepaald formalisme tepresenteren.ShellsBij het ontwikkelen van een expertsys-teem is een duidelijk onderscheid aan-wezig tussen informatiekunde en infor-matica. Het informatiekunde-deelheeft betrekking op het realiseren vanhet kennismodel, de informatica op hetrepresenteren van die kennis met soft-ware. Met de realisering van de eersteexpertsystemen in dejaren zeventig, zijner ook gereedschappen voor de ontwik-keling van systemen ontwikkeld; dezeworden shells genoemd. Een shell kanworden beschouwd als een expertsys-teem met een lege kennisbank. Shellsbeschikken wel over hulpmiddellenvoor het vullen van een kennisbank.Door gebruik te maken van een shellwordt de benodigde informaticakennisgereduceerd en kan op een relatief een-voudige wijze een expertsysteem wor-den gerealiseerd.Ontwikkeling van het systeemHet domein waarbinnen het systeemwerd ontwikkeld is een deel van debouwpathologie. In de praktijk wordtbouwpathologie omschreven als de sys-tematische behandeling van bouwge-breken, hun oorzaken, hun gevolgen enhun herstel.De afdeling Constructies van TNO-Bouw heeft veel kennis en ervaring methet bepalen van de oorzaak en reparatievan bouwgebreken die zijn ontstaan alsgevolg van wapeningscorrosie. Dezekennis en ervaring is bij een aantal ex-perts van de afdeling aanwezig en is nietop een andere wijze beschikbaar. Beslo-ten is voor dit onderdeel van de bouw-pathologie een pilot-expertsysteem teontwikkelen.Hiermee waren twee doelen te realise-ren: het was mogelijk dat de kennis opeen gestructureerde wijze voor anderenbeschikbaar zou komen en de onderde-len acquisitie en modellering van dekennis werden een essentieel onderdeelvan het onderzoek. Indien deze onder-delen zouden worden genegeerd danzou het onderzoek aan waarde inboeten.Overeenkomstig de omschrijving vanbouwpathologie diende het gereed-schap betrekking te hebben op de oor-zaken, gevolgen en herstel van beton-schade. De meest voorkomende oorza-ken van wapeningscorrosie zijn carbo-natatie en/of chloriden. Het systeemzou zich op deze gebreken moeten rich-ten.Bij de ontwikkeling van het systeem zijnde volgende fasen doorlopen: functio-neel ontwerp, kennisacquisitie, model-lering en prototyping.Functioneel ontwerpHet functioneel ontwerp betreft het na-der omschrijven van de werkzaam-heden die, met behulp van het expert-systeem, verricht moeten kunnen wor-den. Dit resulteerde in een opzet van destructuur van het systeem. Voorts kon-den in dit onderdeel de randvoorwaar-den die vanuit de beoogde gebruikers-groep werden geuit, worden ingebracht.Bij het ontwerpen van de structuur vanhet Wapeningscorrosie Diagnose Ex-pertsysteem (WDES) is uitgegaan van dewerkwijze van een expert. Een expertbepaalt namelijk op een zeer gestructu-reerde wijze de oorzaak van de schade,de gewenstheid van een reparatie en dereparatiemethode. Een structuur be-staande uit vier modulen, in het systeemlagen genoemd, was het gevolg (fig. 2).In laag 1 wordt onderzocht of de schadedoor carbonatatie en/of chloride ver-oorzaakt kan zijn. Als dit waarschijnlijkhet geval is wordt dit als hypothese aan-genomen. In het vervolg van de diagnosewordt getracht deze hypothese te ver-werpen door de diagnose van de schadete verdiepen. Deze activiteit moet inlaag 2 worden uitgevoerd. In die geval-len waarin de hypothese niet kan wor-den verworpen wordt in laag 3 onder-zocht wat voor type reparatie er moetworden uitgevoerd. Hierbij wordt on-derscheid gemaakt tussen constructieveen duurzaamheidsreparaties. Bij eenconstructieve reparatie is de corrosie zover gevorderd dat er niet meer voldoen-de wapening aanwezig is voor het verze-keren van voldoende draagvermogen. Inandere gevallen kan met een duurzaam-heidsreparatie worden volstaan. Indiener geen constructieve reparatie noodza-kelij kis geeft het systeem in laag 4 ??n ofmeer reparatieadviezen, gebaseerd opde diagnose die in laag 2 van het systeemis geformuleerd.Er wordt bij dit advies geen rekening ge-houden met de omvang van de reparatieof met uitvoeringsaspecten. Deze be-perking werd ingegeven doordat derge-lijke kennis in hoge mate bedrijfsge-bonden is. Als het systeem voor een be-paald bedrijf zou worden ontwikkeld,zouden dergelijke overwegingen bij hetformuleren van een reparatieadvieskunnen worden meegenomen.Uitgegaan is van een gebruikersgroepmet mts-opleidingsniveau, die is be-trokken bij het onderhoud van bouw-constructies.KennisacquisitieVoor de kennisverwerving is een uitge-breide literatuurstudie betreffende hetdomein uitgevoerd, een aantal inter-views met de experts gehouden, met be-hulp van inductie naar onderliggendeverbanden gezocht en is actief aan eenonderzoek in de praktijk deelgenomen.haag 1Bij de kennisacquisitie voor laag 1 warentwee vragen van fundamenteel belang:welke overeenkomsten hebben de scha-degevallen in het domein en is er eenconstructie-onafhankelij ke benaderingmogelijk?Al snel bleek dat er inderdaad een aantalCement 1991 nr. 2 57INFORMATICAovereenkomsten waren bij de betref-fende schadegevallen. Het antwoord opde tweede vraag was minder eenvoudig.Hierbij werd op een probleem gestuitdat verband hield met de kennis van debeoogde gebruikersgroep. Experts ma-ken bij het vaststellen van de mogelijkeschadeoorzaak gebruik van hun kennisvan het constructief gedrag van gewa-pend-betonconstructies. Dit is een lo-gisch gevolg van hun veelal construc-tieve scholing op universitair niveau. Debeoogde gebruikersgroep beschikt ech-ter niet over deze achtergrond. De mo-gelijke schadeoorzaak moest dus op eenandere wijze worden vastgesteld. Deschadegevallen die betrekking haddenop carbonatatie en/of chloriden blekenechter bepaalde kenmerken te bezitten.E?n van deze kenmerken is de locatievan scheuren. Figuur 3 maakt dit duide-hjk. Het vaststellen van de mogelijkeschadeoorzaak met onder meer dezekenmerken bleek een werkbaar alterna-tief. De hypothesen die op deze wijzekonden worden geformuleerd, blekenvoldoende betrouwbaar om als uit-gangspunt voor nader onderzoek vanlaag 2 te dienen.Laag 2De kennis nodig voor het toetsen van dehypothesen door middel van het verdie-pen van de diagnose stond centraal bij dekennisverwerving voor laag 2. Het ver-diepen van de diagnose werd uitgevoerdmet behulp van gegevens betreffende deexpositie-omstandigheden en de soortcorrosie, hetgeen vervolgens werd ge-toetst met behulp van gegevens uit se-mi-destructief onderzoek. Als deze ge-gevens de hypothesen steunden werdendeze als diagnose van de schadeoorzaakaangenomen.Laag3De te nemen maatregelen waren onder-werp van laag 3. Bij deze laag bleken deexperts een voor hun eenvoudige vuist-regel te gebruiken. Bij het formaliserenbleek deze vuistregel minder eenvou-dig, want ook hierbij was constructiefinzicht gewenst en dit inzicht ontbrakbij de beoogde gebruikersgroep. Het na-der selecteren van de gewenste repara-tiemethode bleek toch mogelijk dooreen relatie aan te brengen tussen de geo-metrie van het betreffende constructie-onderdeel en de geconstateerde wape-ningscorrosie.Laag 4Het doel van de ontwikkeling, het gevenvan een reparatieadvies, was het onder-werp van de kennisverwerving voor laag4. Voor de in laag 2 geformuleerde diag-nose en het in laag 3 verkregen adviesbetreffend het type reparatie bleek hetmogelijk een reparatieadvies te geven.Analyseren en modellerenDe bij de acquisitie opgedane kennismoest vervolgens worden geanalyseerden gemodelleerd. Met de analyse is deverworven kennis per laag op bruik-baarheid getoetst. Zo worden bijvoor-beeld bepaalde details wel door de ex-pert gebruikt, maar deze zijn dan zosubtiel dat ze niet kunnen worden be-schreven.Voorts is per laag de invoer en de uitvoeromschreven. De uitvoer van de ene laagvormt gedeeltelijk de invoer van de an-dere laag. Vervolgens is per laag het ge-deelte tussen in- en uitvoer, de diagnose,gemodelleerd.Er is voor gekozen deze modellen geheelmet behulp van een schematechniek terealiseren. Door deze werkwijze konnamelijk een 'pensil and paper' expert-systeem worden gemaakt, wat een grotemate van overzichtelijkheid met zichmeebracht. Voorts kon de validatie opdeze wijze door de experts worden uit-gevoerd. De kennisverwerving had in-middels duidelijk gemaakt dat de diag-nose een absoluut karakter had. Deschade voldeed wel of niet aan een ken-merk. De diagnoses bleken dus met be-hulp van een boomvormige structuur tekunnen worden gerepresenteerd. Dithad tot gevolg dat er een eenvoudigeschematechniek toegepast kon worden,met behulp van het programma Ea-syflow. Figuur 4 geeft hiervan een over-zicht voor laag 1.Aanmaken van de kennisbankBij de prototyping is gebruik gemaaktvan een shell voor expertsystemen,waardoor het niet nodig was zelf te pro-grammeren. Gekozen is voor Crystal,een shell van het eerste uur.58 Cement 1991 nr. 2ONDERZOEK VOORSPANNINGNUMERIEKE ANALYSE BIJ HETINLEIDEN VANVOORSPANKRACHTENir.H.M.Schepers, ingenieursbureau Grabowsky & Poort BV, Den Haagdr.ir.C.van der Veen en ir.J.A.den Uijl, TU Delft, faculteit der Civiele Techniek, sectie BetonconstructiesGeconcentreerde lasten werken of van buitenaf op een betonconstructie, zoalsoplegreacties of van binnenuit, zoals ankerkrachten bij voorspanning. De hierdoorveroorzaakte drukspanningen verspreiden zich in de constructie en wekkenhoofdspanningen op met dwars op de werklijn werkende trek- endrukcomponenten. Na een zekere inleidingslengte wordt een lineairespanningsverdeling over de betondoorsnede bereikt. Voor de trekspanningenloodrecht op de werklijn is meestal wapening of dwarsvoorspanning nodig. Ditartikel belicht de hoofdzaken van een afstudeerwerk [1]; de nadruk ligt op hetinleiden van voorspankrachten bij nagerekt staal.erder onderzoek maakte vooralgebruik van lineaire rekenme-thoden. Bij betonconstructieshebben deze een beperkte geldigheid,omdat reeds vrij snel scheuren optredenof omdat reeds voor het belasten initi?lescheuren aanwezig zijn (krimpscheu-ren). Nagegaan is het effect van het niet-lineaire materiaalgedrag op de grootteen de verdeling van de trekspanningen.Dit is gedaan door met behulp van heteindige-elementenprogramma DIA-NA, rekening houdend met scheurvor-ming en plasticiteit, een aantal beton-nen schijven, belast door een geconcen-treerde last, te analyseren. Daarbij zijnde plaats van het aangrijpingspunt vande last en de hoeveelheid en verdelingvan de splijtwapening gevarieerd. De re-sultaten zijn vergeleken met elders uit-gevoerde proefnemingen.ProbleembeschrijvingBij voorspanning met nagerekt staal isde gehele voorspankracht via een anker-plaat op het eindvlak aanwezig. Dedrukspanningen mogen de betondruk-sterkte niet overschrijden en de trek-spanningen moeten door wapeningworden opgenomen. De hoogste druk-spanningen grijpen direct achter de an-kerplaat aan. Experimenten hebbenechter aangetoond dat het beton hierzelden bezwijkt, omdat de verhinderdedwarscontractie door de ankerplaat enhet omringende beton een drie-assigedrukspanningstoestand opwekt (op-sluiteffect). Hierdoor neemt de beton-druksterkte aanzienlijk toe.Bij het afbuigen van de drukspanningentreden splijtspanningen op, die in tweegebieden eveneens aanzienlijke waar-den kunnen bereiken (fig. l}.- loodrecht op de werklijn van de lasttreden op enige afstand achter de last-plaat de zogenaamde primaire splijt-spanningen op (bursting);Vervolg van blz. 58De diagnosemodellen zijn per laag ver-taald in regels met de Crystal syntax. Zozijn er vier kennisbanken ontstaan dietijdens een consultatie, indien nodig,automatisch worden gekoppeld.ConclusiesUit het onderzoek is gebleken dat ervoor een deel van het domein beton-schade expertsystemen bruikbaar zijnals bouwpathologisch gereedschap. Meteen dergelijk gereedschap kan een grootdeel van de kennis en ervaring van ex-perts betreffende de problematiek vanwapeningscorrosie, voor niet deskundi-gen toegankelijk worden gemaakt. Deproblemen bij het realiseren van het sys-teem hadden voornamelijk te makenmet het verwerven en analyseren van dekennis. De kennisverwerving wordtaanzienlijk vereenvoudigd indien dekennistechnoloog zich verdiept in deproblematiek. Het representeren van dekennis werd niet als een probleem erva-ren.Een groot voordeel van het werken metexpertsystemen voor betonschade is deondubbelzinnigheid in de wijze waaropde diagnose van de schadeoorzaak totstand komt.Hoewel dit onderzoek betrekking heeftop bouwpathologie kan er uit wordenafgeleid dat toepassing van expertsys-temen in de bouw zinvol kan zijn. Toe-passing van deze technologie is niet af-hankelijk van de voortgang van de in-formatica, maar wordt voornamelijkbepaald door het inzicht in de wijzewaarop beslissingen in het bouwprocesof een deel daarvan tot stand komen.Literatuur1. Verburg, W.H., Een elektronischebouwpatholoog. EBBC-TNO-rapportBI-89-127, Delft 1989.2. Lucas, P.J.F, en L.C. van der Gaag,Principes van expertsystemen. Acade-mie service, Schoonhoven 1988.3. Oey, K.H., Expertsystemen voor debouw. IBBC-TNO-rapportBI-88-040,Delft 1988.Cement 1991 nr. 2 59E