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系統識別號 U0002-1708201111531200
中文論文名稱 以氣動力資料庫為基礎之建築設計風載重專家系統的架構探討與發展
英文論文名稱 The Framework Study and Development of a Design Wind Load Expert System for Buildings based on Aerodynamic Database
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 土木工程學系碩士班
系所名稱(英) Department of Civil Engineering
學年度 99
學期 2
出版年 100
研究生中文姓名 陳佑禎
研究生英文姓名 Yu-Chen Chen
學號 698380556
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2011-07-04
論文頁數 104頁
口試委員 指導教授-王人牧
委員-方富民
委員-陳振華
委員-鄭啟明
委員-張正興
委員-王人牧
中文關鍵字 類神經網路  專家系統  風工程  設計風載重  MATLAB Server Pages 
英文關鍵字 Artificial Neural Network (ANN)  Expert System  Wind Engineering  Design Wind Load  MATLAB Server Pages 
學科別分類 學科別應用科學土木工程及建築
中文摘要 在風工程的領域中有相當多的研究項目,例如:環境風場、建物顫振、橋梁抗風…等,而建築設計風載重也是淡江大學風工程研究中心研究的項目之一,目前針對建築設計風載重專家系統以及類神經網路在建築設計風載重的應用上已有初步的研究分析與成果,然而卻沒有將這些研究內容完全整合起來,建置成一個功能完整的建築設計風載重專家系統。
本研究希望整合目前研究完成的類神經網路風力頻譜、風力係數以及氣動力資料庫,建構一個完整的建築設計風載重專家系統。藉由此系統可以讓使用者在輸入目標建物的各項資訊後,可經由氣動力資料庫搜尋風洞實驗室做過的相似案例資料,再利用輻狀基底函數神經網路預測其目標建物之風力係數及風力頻譜,並將案例資訊及預測資訊同時輸出供使用者比較,比較完成後還可根據預測出來的風力係數推導出適合之設計風載重供使用者參考。
本研究並嘗試以資料探勘的方式取代舊有的案例式推理。過去案例式推理是根據少數的實驗數據,再依照系統建造者所設定的參數評估出較相似的案例,雖然較簡潔易理解但主觀意識較高。因此本次採用資料探勘便是期望使用者可以有更多系統功能可選擇,藉以獲得更符合使用者所需要的資訊。
過去專家系統往往附加許多的程式來強化其效能,在數值計算以及圖形輸出上也都為各自獨立的程式,但這麼一來難免增加系統管理上的複雜度。如果有程式未開啟還會影響系統造成錯誤,因此本系統為了減少程式的使用量,本研究之系統使用MATLAB 來整合數值計算以及圖形輸出的功能,資料庫也只採用MS SQL Server,並以MATLAB Server Pages 取代MATLAB Web Server 來做為執行輻狀基底函數神經網路後之模擬頻譜展示網頁。
藉著MATLAB Server Pages 可以直接將風力頻譜及設計風載重的曲線直接在網
頁上模擬出來讓使用者可以更清楚明瞭,此外MATLAB Server Pages 撰寫網頁本身是由JSP 與Java 語言為主,因此對於網頁平台的開發可以統一使用JSP 語言來進行,對於系統的開發與管理來講更加便捷。
英文摘要 In wind engineering, there are a considerable number of research topics, for example: environmental wind field, structure fluttering, wind resistant design of bridges, etc., and building design wind load is also a research topic in the Wind Engineering Research Center at Tamkang University(WERC-TKU). Some research results with respect to wind load expert system and artificial neural network wind spectra prediction have been accumulated, but these studies have not been fully integrated into the building design wind load expert system of WERC.
This study is intended to integrate artificial neural network (ANN) and aerodynamic database to construct a design wind load expert system for buildings. The system allows
the user to input the target building’s information and searches through the aerodynamic database for similar cases, then, uses ANN to predict the target building’s wind
coefficients and wind spectra. The case information and forecasts can be output for comparison, and more complete wind load projections can be made based on the predicted wind coefficients and wind spectra.
The reported research tries to use data mining to replace case-based reasoning. Case-based reasoning is based on a small number of experimental data and preset parameters to select similar cases. Although relatively simple and easy to understand, it is very subjective. Therefore, data mining is used to provide more selections of functions and to gain more user desired information.
Previous expert systems often employed a number of additional programs to enhance their performance in numerical calculation and graphical output. However, this inevitably increases the complexity of system management. If the supporting programs are not properly running on the server, the expert system produces errors in the middle of a run. In order to reduce the use of additional programs, this research used MATLAB to provide both numerical and graphical capabilities. Also, the aerodynamic database was solely
implemented with MS SQL Server, and MATLAB Server Page was used instead of MATLAB Web Server to execute ANN simulation functions and to draw wind spectra and loading curves. In addition, MATLAB Server Page is written by JSP and Java. Therefore, web platform development can be uniformly performed using JSP, which is convenient for system development and management.
論文目次 目錄
目錄 I
圖目錄 V
表目錄 IX
程式目錄 XI
第一章 緒論 1
1.1 研究背景及動機 1
1.2 研究目的 2
1.3 研究方法 3
1.4 研究內容 4
第二章 文獻回顧 6
2.1 建築設計風載重專家系統相關研究 6
2.1.1 案例式推理高層建築設計風載重案專家系統之簡介 6
2.1.2 類神經網路高層建築風頻譜案例式專家系統之簡介 8
2.2 氣動力資料庫 12
2.3 平均風力係數的修正公式 15
2.3.1 不同地況下的平均風力係數修正公式 15
2.3.2 不同建物斷面形式的平均風力係數修正公式 16
2.4 類神經網路簡介 18
2.4.1 神經網路架構流程 18
2.4.2 輻狀基底函數類神經網路 20
2.4.3 MATLAB 內建的類神經網路 24
2.5 MSP 簡介 27
2.5.1 MSP 之架構 27
2.5.2 MSP 之技術 28
2.5.3 MATLAB Tags 30
第三章 系統分析探討 32
3.1 現有系統分析 32
3.1.1 系統平台分析 32
3.1.2 系統功能分析 34
3.2 類神經網路之應用 36
3.2.1 風力係數 36
3.2.2 風力頻譜 37
3.3 設計風載重 38
第四章 系統架構 43
4.1 系統分析 43
4.1.1 建築設計風載重資料項目之擬定 43
4.1.2 系統需求分析 50
4.1.3 系統架構設計 52
4.2 系統平台規劃 53
4.2.1 輸入功能模組 56
4.2.2 查詢功能模組 59
4.2.3 類神經網路模組 60
4.2.4 計算功能模組 61
4.2.5 輸出功能模組 63
4.3 系統軟硬體架構 64
4.3.1 軟硬體設備 64
4.3.2 伺服器平台 65
第五章 系統建置與測試 66
5.1 系統應用之目的 66
5.2 系統功能開發 66
5.2.1 MATLAB Server Pages 平台 67
5.2.2 目標建物數值 68
5.2.3 相似案例查詢 69
5.2.4 MATLAB 數值輸出 71
5.3 系統實例運作 74
5.3.1 系統實例一 74
5.3.2 系統實例二 87
第六章 結論與展望 99
6.1 結論 99
6.2 未來展望 101
參考文獻 103

圖目錄
圖 1- 1 研究流程 3
圖 2- 1 目標建物資訊相似案例顯示介面 7
圖 2- 2 目標建物資訊相似案例顯示介面 7
圖 2- 3 風力頻譜與設計風載重輸出介面 8
圖 2- 4 MATLAB WEB SERVER 運作流程圖 9
圖 2- 5 目標建物資訊輸入介面 11
圖 2- 6 目標建物資訊相似案例顯示介面 11
圖 2- 7 風力頻譜輸出介面 12
圖 2- 8 氣動力資料庫模型(1) 13
圖 2- 9 氣動力資料庫模型(2) 13
圖 2- 10 製作類神經網路流程圖 19
圖 2- 11 幅狀基底類神經網路架構 20
圖 2- 12 MSP 概觀 27
圖 2- 13 MSP 之架構 28
圖 4- 1 風工程研究中心的建物模型 45
圖 4- 2 圖形化介面輸出示意圖 47
圖 4- 3 風力規範專家系統介面 48
圖 4- 4 建築設計風載重專家系統流程圖 49
圖 4- 5 專家系統平台架構圖 52
圖 4- 6 建築設計風載重專家系統三層式架構 54
圖 4- 7 系統功能應用圖 55
圖 4- 8 建築設計風載重專家系統使用案例圖 56
圖 4- 9 細部系統使用案例圖 (輸入功能模組) 56
圖 4- 10 MATLAB 圖形化介面 63
圖 5- 1 MATLAB 軟體版本設定 67
圖 5- 2 JAVA 軟體版本設定 68
圖 5- 3 MICROSOFT SQL SERVER 2005 建置氣動力資料庫 68
圖 5- 4 SESSION 暫存數值 69
圖 5- 5 SQL 語法查詢 69
圖 5- 6 MATLAB ENGINE 71
圖 5- 7 MATLAB SESSION 73
圖 5- 8 建物資料輸入 75
圖 5- 9 建物斷面資料輸入 76
圖 5- 10 建物特性輸入 77
圖 5- 11 資料轉換 78
圖 5- 12 案例搜尋 79
圖 5- 13 案例詳細資訊 81
圖 5- 14 順風向風力頻譜 81
圖 5- 15 橫風向風力頻譜 82
圖 5- 16 扭轉向風力頻譜 82
圖 5- 17 風力係數 83
圖 5- 18 靜態風載重及各樓層的背景反應 83
圖 5- 19 各樓層的共振反應 84
圖 5- 20 各樓層的動態風載重 84
圖 5- 21 各樓層的設計風載重 85
圖 5- 22 順風向設計風載重 85
圖 5- 23 橫風向設計風載重 86
圖 5- 24 扭轉向設計風載重 86
圖 5- 25 基本資料輸入 87
圖 5- 26 建物斷面資料輸入 89
圖 5- 27 建物特性輸入 89
圖 5- 28 資料轉換 90
圖 5- 29 案例搜尋 91
圖 5- 30 案例詳細資訊 91
圖 5- 31 順風向風力頻譜 92
圖 5- 32 橫風向風力頻譜 92
圖 5- 33 扭轉向風力頻譜 93
圖 5- 34 風力係數 93
圖 5- 35 重新案例搜尋1 94
圖 5- 36 重新案例搜尋2 95
圖 5- 37 案例詳細資訊 96
圖 5- 38 順風向風力頻譜 96
圖 5- 39 橫風向風力頻譜 97
圖 5- 40 扭轉向風力頻譜 97
圖 5- 41 風力係數 98


表目錄
表1- 1 研究目的 2
表2- 1 核心資料庫與輔助資料庫 14
表2- 2 不同地況下的平均風力係數修正公式 16
表2- 3 單一斷面形式之順風向平均風力係數修正模式 17
表2- 4 幅狀基底函數型式 23
表2- 5 基本RBF 的幅狀基底函數 25
表2- 6 MSP 的技術與應用 29
表2- 7 MSP 內建之MATLAB TAGS 30
表3- 1 系統平台比較表 32
表3- 2 舊有系統功能列表 34
表3- 3 預測風力係數之類神經網路架構 36
表3- 4 風力係數神經網路之係數預測範圍 37
表3- 5 預測風力頻譜之類神經網路架構 37
表3- 6 預測風力頻譜範圍之網路分類 38
表4- 1 目標建物資訊建置輸入輸出項目 44
表4- 2 資訊轉換輸入輸出項目 45
表4- 3 查詢相似案例輸入輸出項目 46
表4- 4 類神經網路預測輸入輸出項目 46
表4- 5 圖形化介面輸出之輸入輸出項目 47
表4- 6 計算設計風載重輸入輸出項目 48
表4- 7 建物資料輸入案例說明 58
表4- 8 建物斷面資料輸入(矩形斷面)案例說明 58
表4- 9 建物特性輸入案例說明 58
表4- 10 資料轉換(矩形斷面)案例說明 58
表4- 11 相似案例查詢案例說明 59
表4- 12 複數案例查詢案例說明 60
表4- 13 預測風力頻譜案例說明 61
表4- 14 預測風力係數案例說明 61
表4- 15 建築設計風載重輸入資料 62
表4- 16 計算設計風載重案例說明 62
表4- 17 伺服器軟硬體規格 64

程式目錄
程式 2- 1 倒傳遞類神經網路 24
程式 2- 2 基本幅狀基底類神經網路 25
程式 2- 3 廣義回歸類神經網路 26
程式 5- 1 SQL 語法案例區間 70
程式 5- 2 SQL 語法除錯 70
程式 5- 3 輸入值語法 72
程式 5- 4 執行檔案語法 72
程式 5- 5 輸出結果語法 72
程式 5- 6 JPG 參數 72
程式 5- 7 ENGINE 語法 73
程式 5- 8 SESSION 語法 74
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27. 蔡國強,2006,「Dreamweaver CS3 資料庫網站設計for JSP & MySQL 實戰演練」,知城圖書。
28. 施威銘研究室,2002,「SQL Server 2000 設計實務」,旗標出版股份有限公司。
論文使用權限
  • 同意紙本無償授權給館內讀者為學術之目的重製使用,於2011-08-24公開。
  • 同意授權瀏覽/列印電子全文服務,於2011-08-24起公開。


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