自從電腦科技快速發展及廣泛普及後，電腦已經成為工程設計中最重要的工具，在結構工程的領域中亦不例外。其中程序性程式（如ETABS、SAP90、STDS等等）早已被運用在結構設計上，其優點是速度快、可靠及有能力處理大量的數值資料，適宜作精確的計算與詳細的分析；但其缺點是複雜的資料輸入與缺乏良好的溝通介面，使用者即使是土木工程界的專業人員，也必需花費很多的時間與精力去學習如何輸入與讀取資料。 　

　　另一方面，近年來人工智慧與專家系統已被發展用來解決不同類型的土木工程問題，與結構工程有關的也不在少數[1－10]，因此在設計時如能使用專家系統來協助工程師解決結構工程上的問題，便能提昇電腦輔助設計之功效。就算是沒有實務經驗的學習人員，也能在專家系統的協助下快速有效地完成設計任務。 　

　　一般在設計的過程中，工程師使用各種不同類別的知識。專家系統可萃取工程師從事設計時所大量運用的經驗知識，如直覺、判斷、法則等；而程序性分析程式使用領域內的知識，如規範、力學公式、資料庫等。這兩種解題方式對於結構設計都是很重要的，而且在各個不同的設計階段都很有幫助。但是兩者（專家系統與程序性程式）本質上的差異（例如：設計理論、資料結構、以及執行語法等的不同）常使它們發展成為兩種截然不同的系統，而且這兩種獨立系統在彼此資料的傳達上也不是很理想。 　

　　過去的法則式專家系統，偏重於使用專家解決問題的經驗法則，而無法與工程計算分析之基本程序做良好的結合。即使有些專家系統能利用其他程式，但系統間之交流模式仍為缺乏彈性之特例式從屬關係。另外，在土木工程結構設計上，仍偏重於分析（如有限元素法之運用）與細部設計方面（如設計規範之查驗）。在此方面傳統的程序性程式已發展得非常完善，大部份既有之程式軟體都是由程序性程式語言所編寫。如果能利用現有的資源與專家系統做有效的結合，當能有事半功倍之效果。 　

　　因此，本研究便基於此項需求，進一步了解結構設計的電腦使用模式，結合專家系統與程序性程式的優點，以實際軟體系統規劃與編寫之經驗，發展出一個可普遍運用於一般結構工程之整合型、全功能專家系統架構。為求在設計上能保有設計知識的多樣性、一般性以及其協力式的機會式解題模式，本研究便捨取法則式專家系統，而嘗試使用黑板式專家系統架構來整合專家系統與程序性的設計、分析程式。 　

1.2　研究內容與方法

　　 一般結構設計問題的流程可以圖1-1表示[11]。設計過程以瞭解結構功能上的需求為起始點，經由初步設計來定義結構的規格；設計必須要能滿足設計的要求；而結構分析都是在初步設計之後才運作，分析過的結構經評估後將其結果與規範要求作一比較，如果不符合規範，就必須進行重新設計的動作，修正後的設計又須回到重複分析、評估的步驟，一直到合乎規範後便可完成設計的工作。電腦輔助設計工具已能有效地利用在設計流程的兩個步驟當中：分析（分析及評估）與組合（設計及重新設計）。

就目前而言，程序性程式已經廣泛地運用在結構設計中。但是在最初的設計上或在設計中途不合乎規範時，則必須要重新設計，此時傳統程式的數值運算就不是一個好的解題方式。因為在設計過程中，程式設計師認為該考慮什麼情況，是根據正式的數學程式能作什麼而來作決定。此時如果有什麼新的情況出現，那麼在設計過程中就無法考慮，傳統程式在這方面的限制就很明顯，如果能利用專家系統的優點做設計決策，不失為另一種選擇。

本論文把程序性程式（可能以不同的語言寫成）植入前述黑板設計架構當中，並且增加軟體的運用技巧，使得傳統程序性程式與專家的經驗結合成一種解題方式。而且目前結構工程已有很多發展成功的商業軟體與自行發展的程序性程式，因此如能將傳統的FORTRAN或C等程式加入專家系統中，把結構分析與設計整合環境建築於一共同架構之上，具有多方位、一貫性與普遍性之特色，便可擴大其應用範圍及功能。

因本研究所要探討的是經驗啟發式與程序性程式的整合環境，所以要從設計的背景理論、整體系統環境、知識表示法著手研究。以下就本研究進行的方法與步驟加以說明[12]：

1.相關文獻與知識整理：相關文獻整理有下列三步驟：

收集：收集相關之論文、報告、專書、專家知識作為本系統之參考資料。例如本論文便收集有關黑板系統與外部程式撰寫的專書以及有關箱型樑設計的資料。

研判：初步研判可用的資料、研究之可行性。

整理：將收集、研判後之資料加以歸納整理。

2. 結構分析與黑板系統基本架構之設計：為達到整合專家性經驗法則與程序性計算功能之目的，本研究採用黑板式專家系統，因為黑板式專家系統提供一個綜合多重知識來源以解決共同問題的自然解題架構。包括了將基本設計理論與系統解題邏輯相互結合、框架式知識表示法、機會式推理思維方法的設計、不同知識源間以物件導向式的資料項表達資料。

3. 黑板整合系統之實際撰寫：本研究利用一大型之專家系統構建工具KEE（knowledge engineering environment）[13]為基礎來編寫程式。本研究所需之黑板架構運用KEE之物件導向設施，及人工智慧語言Common Lisp[14，15]來完成，所以整個系統建築於KEE之上。此法比全程自行發展節省時間，同時又不會像直接使用現成黑板系統般失去彈性。

4. 外部程式之實際撰寫：首先分析懸臂式箱型樑的設計步驟，並利用工程應用最為廣泛的程序性語言FORTRAN及C撰寫分析程式。

5. 示範系統之發展：本研究選定的範例問題為懸臂式節塊施工橋樑上部結構之初步設計，以測試本協力式設計的系統架構。

橋樑為交通工程路網之主要幹道，其目的在於克服地形障礙、縮短空間距離，以提供交通功能。所以好的橋樑設計和施工方法便顯得特別重要。傳統橋樑分析程式設計過程中，大部份的設計者都使用程序性程式語言去設計程式，用以處理繁雜資料的數值運算。但如能增加利用專家系統強大的推論與解釋功能，必能在橋樑設計上或土木工程領域中提供更快速及更精確的高品質解答。