全國中小學(xué)科學(xué)展覽-國立二林工商

1、中華民國第50屆中小學(xué)科學(xué)展覽會作品說明書科別： 土木科組別： 高職組作品名稱： 結(jié)合AI技術(shù)在建築空間規(guī)劃之研究關(guān) 鍵 詞： 人工智慧、專家系統(tǒng)、空間規(guī)劃編 號：摘要人工智慧技術(shù)（簡稱AI）時至今日以趨於成熟，使用範(fàn)圍包含醫(yī)學(xué)、生物、工業(yè)管理等多種項目；但在土木建築裡，AI技術(shù)卻未被廣為做使用，造成建築空間配置無法符合其客戶需要，進(jìn)而延伸服務(wù)效率不佳之問題。本研究以人工智慧技術(shù)結(jié)合專家系統(tǒng)軟體系統(tǒng)CLIPS，應(yīng)用於建築空間配置；並由空間資料分析及收集，將資料做系統(tǒng)化之整理；進(jìn)而利用專家系統(tǒng)前向推理之機(jī)制，建立出適合客戶易懂之選擇介面及易於客戶了解之對話框；提供建築設(shè)計業(yè)者在住宅設(shè)計前可依據(jù)客

2、戶需求做量身訂做，客戶也能獲得較符合自己需求的住宅空間，以創(chuàng)造業(yè)者與客戶之雙贏局面。壹、 研究動機(jī)人工智慧與專家系統(tǒng)的研究乃在用電腦模擬人的智慧，故而有關(guān)人智慧的探討、人智慧的運(yùn)作、與設(shè)計智慧型系統(tǒng)的研究，均包含在人工智慧的域中。因此與人工智慧相關(guān)的研究域甚廣，除資訊科學(xué)外，尚包含：心學(xué)、語言學(xué)、神經(jīng)學(xué)、輯學(xué)、哲學(xué)、認(rèn)知科學(xué)、生物學(xué)等等。在現(xiàn)代的電腦中，處處可以看到人工智慧的應(yīng)用，讓電腦有智慧，如智慧型大內(nèi)的種種設(shè)備；而本研究也將進(jìn)一步將人工智慧的研究應(yīng)用於空間配置設(shè)計與選擇，以其幫助從事空間設(shè)計之業(yè)者做有系統(tǒng)之分析。人工智慧的研究起源甚早，1943 McCulloch 和Pitts 即開始從

3、事神經(jīng)系統(tǒng)之研究而嘗試建構(gòu)神經(jīng)運(yùn)作之模型。人工智慧（Artificial Intelligence，簡稱AI）一詞係於1956 由McCarthy 教授所提出；自此，人工智慧的研究即蓬勃發(fā)展Negnevitsky2002。國內(nèi)人工智慧的前輩孫家教授曾指出：intelligence 乃是由丁文legere 演變而，本意是蒐集和組合，並從事選擇、進(jìn)而能瞭解和感受。人能製造出一種能夠蒐集、組合、進(jìn)而選擇、瞭解、和感受的機(jī)器，我們就有人工智慧。 孫家1985人工智慧的研究域涵蓋甚廣，其著稱者包含：電腦遊戲（computer game）、專家系統(tǒng)（expert systems）、自然語言處（natura

4、l language processing）、模式別（pattern recognition）、電腦視覺（computer vision）、機(jī)械學(xué)習(xí)（machine learning）、模糊（fuzzy theory）、基因演算法（genetic algorithms）、神經(jīng)網(wǎng)（artificialneural networks）、資採掘（data mining）、智慧型代人（intelligent agents）、機(jī)器人（robotics）等。本研究的主要目的是藉由空間規(guī)劃配置設(shè)計的問題，引導(dǎo)本篇瞭解人工智慧是如何解決空間配置設(shè)計選擇之重要問題，進(jìn)而應(yīng)用程式語言建立建築空間配置系統(tǒng)之模型。專

5、家系統(tǒng)可算是在1970 代人工智慧研究中，最為成功、也是應(yīng)用最為廣泛的域。如圖一所示，一個專家系統(tǒng)基本上包含有知庫（knowledge base）。與推機(jī)制（inference engine）等個部分。知庫內(nèi)儲存著某一知範(fàn)疇內(nèi)的專家知（expertise），並以某種知表達(dá)法（knowledge representation）表示。當(dāng)使用者輸入一些已知的事實（facts）後，推機(jī)制就以知庫內(nèi)的專家知和所輸入的事實，依據(jù)學(xué)輯推導(dǎo)出結(jié)，並告知使用者。圖一 專家系統(tǒng)基本概早期著名的專家系統(tǒng)有疾病診斷的MYCIN 系統(tǒng)，由光譜分析化學(xué)成分的DENDRAL 系統(tǒng)，分析地質(zhì)資以探勘石油的DIPMETER 系

6、統(tǒng)、以及探勘礦藏的PROSPECTOR 系統(tǒng)，和電腦系統(tǒng)組合的XCON/R1 系統(tǒng)。其中以MYCIN 系統(tǒng)最為著名且最重要，其原因有三：(1) 它證實人工智慧可以被用解決真實世界中實際的問題；(2) 它提供一個測試平臺以測試一些新的觀，如：解釋、自動擷取知、和智慧型教學(xué)等功能；(3) 它展示專家系統(tǒng)骨架（shell）的實用性，可簡地建構(gòu)一個專家系統(tǒng) Giarratano2004知表達(dá)法最常用到的、也是最簡單的方式為規(guī)則（rules），其形式如下：If 前提1 前提2 前提nThen 結(jié)1 結(jié)2 結(jié)m其中，n 和m 均大於0。規(guī)則也可以用圖形方式表示，如圖二所示。其中，前提（antecedent

7、s）部分包含規(guī)則成的條件，它可為已知的事實或是其它規(guī)則的結(jié)（consequents）。對於以規(guī)則方式表達(dá)的知而言，其推方式可分為種：一種是前向結(jié)（forward chaining），另一種是後向結(jié)（backward chaining）。前向結(jié)是依據(jù)已知的事實與先前所推導(dǎo)出的結(jié)，檢視是否符合某規(guī)則的前提部分，符合則可推得結(jié)；一般用於從觀察到的事實中推導(dǎo)出可能的結(jié)。至於後向結(jié)則是由結(jié)開始反推回去，透過規(guī)則得知需要哪些前提，才能推得結(jié)；一般用於查詢（queries）時使用。圖二 規(guī)則的圖形表示法舉，假設(shè)我們有下規(guī)則If ?x 是肉食性動物?x 是黃色?x 有黑色條紋Then ?x 是虎其中，?x 為

8、一變，可以代入任何值。此規(guī)則意為：有一動物，滿足三項條件：肉食性動物，黃色，且有黑色條紋，則可推得知出：牠是虎。假我們已知有一隻動物名叫阿，牠滿足上三項條件，根據(jù)前向結(jié)，我們可以推得：阿是一隻虎。假我們要問：阿是否為一隻虎？根據(jù)後向結(jié)，我們必須要進(jìn)一步檢視看看，目前已知的事實與所推導(dǎo)出的結(jié)，是否滿足前提部分的三項條件。貳、 研究目的一、購屋資訊種類繁多，但易隨建商平面資訊引導(dǎo)或樣品屋的包裝下，機(jī)能被動配合空間，而非量身化。二、用戶並非能精確敘述自身想要的空間機(jī)能而有遺憾。三、建築配置問題：設(shè)計無絕對好壞，唯有契合使用者需求才為成功的作品。四、機(jī)能決策 建立一友善化的住宅平面決策評估專家系統(tǒng)，於

9、購屋前，由用戶評估家庭人口、個性及使用上需求，來選擇最適的空間計畫；如圖三說明。建築成品(多樣化)本系統(tǒng)使用者機(jī)能圖三 本系統(tǒng)與空間規(guī)劃關(guān)係圖參、 研究設(shè)備與器材一、 電腦主機(jī)需求，如表一及圖四中央處理器主機(jī)板記憶體硬碟顯示卡燒錄機(jī)機(jī)殼電源供應(yīng)器  AM3 X4-925/2.8G 四核  華碩 M4A77TD-D3  2G/DDR3/1333  500G/SATA2  華碩 ENGT240-DI/1G/D3  華碩 24X DVD燒錄機(jī)  七盟 T100 銀黑/紅黑  鐵甲武

10、士 500W 14cm 表一 主機(jī)需求表 圖四 主機(jī)規(guī)格二、 電腦銀幕需求，如表二及圖五電源供應(yīng)器解析度介面卡SADP-65KB 240V32位元NVDIA GO 7300 表二 螢?zāi)恍枨蟊?圖五 螢?zāi)灰?guī)格三、 軟體需求（一）專家系統(tǒng)軟體CLIPS，如圖六所示：圖六 專家系統(tǒng)CLIPS軟體視窗（二）使用.txt檔撰寫程式，如圖七所示：圖七 txt.軟體使用介面 （三）再利用微軟Office系統(tǒng)中Excel做資料庫檔案之建立，如圖八。圖八 Excel資料庫使用介面肆、 研究過程與方法一、 方法論CLIPS是一種專家系統(tǒng)骨架(shell)。其推理規(guī)則及知識庫必須由知識工程來完成。專家系統(tǒng)由推理機(jī)(

11、reasoning engine)、規(guī)則庫(rule base)、資料(事實)庫(data base)組成。一般而言，剛購入(由資訊工程師開發(fā)完成)的專家系統(tǒng)，僅有推理機(jī)及人機(jī)介面，至於規(guī)則庫及資料庫，均只有語法格式之規(guī)定，而無內(nèi)容。稱之為專家系統(tǒng)骨架(shell，亦有譯為架構(gòu)、外殼者)。規(guī)則和資料之建立，必須透過知識工程師(knowledge engineer)向該領(lǐng)域?qū)＜以L談，轉(zhuǎn)譯成邏輯語句，置入規(guī)則庫和資料庫。這些是較長久性、一般性的知識。此時，該特殊領(lǐng)域之專家系統(tǒng)可以說是完成了。使用者(詢問者、設(shè)計者)可以透過界面，輸入個案之條件。系統(tǒng)即可推理出結(jié)果，並且提供查詢者推理之過程，或者得出

12、該結(jié)論之理由。故專家系統(tǒng)亦稱規(guī)則式推理系統(tǒng)(rule based systems) 知識推理系統(tǒng)(knowledge based systems, KBS)。二、 問題類型 （一）屬設(shè)計規(guī)劃問題 （二）使用Clips軟體建構(gòu)推理引擎（三）專家系統(tǒng)前向式推理 （四）資料收集-構(gòu)面分類-需求驅(qū)動-邏輯建構(gòu) -目標(biāo)三、 建構(gòu)工具（一）推理引擎Clips （二）網(wǎng)頁整合平臺Dreamweaver & Photoshop (美工) （三）資料頁Excel四、 問題描述根據(jù)訪談業(yè)界裡針對集合住宅銷售業(yè)者，將客戶購屋決策之問題，分成三大部份，分別為建築群、鄰棟住宅空間與住宅單元平面。在其建築群又細(xì)分

13、其道路型態(tài)、停車方面等；在鄰棟住宅間細(xì)分成為矩形併排、崁入型、前後鏈接等；在住宅單元平面中細(xì)分為使用者人數(shù)、食住空間規(guī)劃及需求面積等；由這些項目之選擇，客戶將能依自己的需求做選擇；如圖九之說明。圖九 購屋決策分析圖五、 問題描述-建群層級，如圖十所示：（一）在建築群部份之道路型態(tài)分為：格子狀道路、環(huán)線狀道路及袋裝道路等。（二）在停車方式分為：各戶停車、集中停車、地下停車等。（三）在庭院使用方式分為：無共用庭（僅有專用庭）與有共用庭等。圖十 建群層級說明圖六、 問題描述-鄰棟層級，如圖十一所示：如下圖說明之；圖十一 鄰棟層級關(guān)係圖七、 問題描述-單元層級，如圖十二說明：根據(jù)下圖所示之2DK為兩個

14、室與廚房一間，3DK為2DK加一室，依此類推4、5DK；LDK型為三個室加一廚房為一單位，故3LDK為三個室加1LDK為一單位，依此類推之。圖十二空間單元配置選擇八、 程式撰寫說明（一）開啟空白.txt檔，如圖十三圖十三 開啟空白記事本檔（二）輸入系統(tǒng)基本資料，如圖十四輸入系統(tǒng)建立之基本資料定義各決策條件：（1）街頭型式（2）停車方式（3）庭院型式（4）鄰屋接攘方式（5）使用人數(shù)（6）食住類型平面（7）住宅需求面積圖十四 系統(tǒng)基本資料輸入介面（三）建立問答及問題推理介面，如圖十五輸入詢問條件 圖十五 輸入使用者詢問介面（四）前向式推理結(jié)果資料庫建立，如圖十六空間配置選擇結(jié)果選擇結(jié)果之條件圖十六

15、 前向推理資料庫答案顯示介面九、 將系統(tǒng)寫入Dreamweaver程式顯示，如圖十七圖十七、結(jié)合網(wǎng)頁輸入介面十、 使用者選擇畫面，如圖十八進(jìn)入CLIPS系統(tǒng)資料庫圖十八 使用者選擇介面十一、 選擇結(jié)果畫面顯示，如圖十九、圖二十圖十九 選擇結(jié)果畫面顯示圖二十 選擇結(jié)果畫面顯示伍、 研究結(jié)果經(jīng)三十個案例分析整理:如下圖(擷取部份)圖二十一 案例分析結(jié)果圖經(jīng)由本次研究結(jié)果，可提供建築及營造業(yè)界所面對之設(shè)計方案與客戶的需求之平衡，及在設(shè)計者能與客戶有相同之溝通平臺，可達(dá)到生產(chǎn)者與消費(fèi)者雙贏之局面。陸、 討論此系統(tǒng)之建立還在雛型階段，尚有大部份之案例未納入其資料庫當(dāng)中，在目前以針對臺灣地區(qū)之建築常見之類

16、型來建立此系統(tǒng)；另外若能將電腦輔助繪圖軟體Auto Cad結(jié)合CLIPS之功能，就可將建築空間做自動化的繪製；可有效提高建築空間繪製之效率。柒、 結(jié)論一、未來必須把資料庫資料及規(guī)則再做更新，若能繼續(xù)加入更多之設(shè)計資料，使此空間配置之專家系統(tǒng)能更為強(qiáng)大，支援業(yè)界做規(guī)劃設(shè)計前參考之用。二、以下為未來研究發(fā)展之重點： （一）收集更多之空間設(shè)計之配置資料。 （二）建立更多選項，讓客戶更了解自己的需求。 （三）建立CAD圖形與專家系統(tǒng)做連結(jié)，讓使用者方便使用。 （四）使用FUZZY理論，強(qiáng)化模型適用性。捌、 參考資料及其他一、 中文部份【學(xué)位論文】1、牛正邦，1985，選課輔導(dǎo)專家系統(tǒng)之建立，大同工學(xué)院

17、資訊科學(xué)研究所碩士論文，臺北。2、李曜旭，1990，自動化系統(tǒng)模擬程式的專家系統(tǒng)，國立交通大學(xué)資訊管理研究所碩士論文，新竹。3、李秋田，1996，專家系統(tǒng)在鋼構(gòu)建築吊車評選之應(yīng)用，國立中央大學(xué)土木研究所碩士論文，桃園4、周志忠，2002，建置網(wǎng)路專家?guī)熘醪窖芯?，國立中央大學(xué)土木工程學(xué)系碩士論文，桃園。5、王滄榮，2003，營建工程價工研析績效評估模式建立，國立雲(yún)林科技大學(xué)，碩士論文，雲(yún)林。6、林鴻奇，2006，我國建築師服務(wù)品質(zhì)評估之研究-以建築師觀點為例，國立成功大學(xué)，碩士論文，臺南?！酒诳恼隆?、朱政德,李宗翰,菊地信吉,櫻井康宏 (2007), “臺北市大規(guī)模積層集合住宅住戶平面構(gòu)成

18、臺北市大規(guī)模積層集合住宅関研究3”, 日本建築學(xué)會計畫系論文集, No.616 ,pp.15-19?！緯?、葉怡成,郭耀煌，1991，專家系統(tǒng)方法應(yīng)用與實作，全欣資訊圖書公司。2、莊修田，2002，室內(nèi)設(shè)計專業(yè)定位與管理，五南圖書。3、曾憲雄等，2002專家系統(tǒng)導(dǎo)論、工具與應(yīng)用人工智慧與知識管理，全欣資訊圖書公司。 二、英文部份 【期刊文章】1、Suzanne C. Scott,ph.D.,（1993）.Visual Attributes Related to Preference in Interior Environments.Interior Design Educators Council,Journal of Interior Design Education and Research, 18,7-16.2、Liebow