基于CBR的鐵路隧道工程措施方案決策研究

吳文芊

【摘 要】?為了將以往工程案例的經驗充分利用以防止資源浪費，基于案例推理，文章使用最近鄰算法構建了鐵路隧道工程措施方案決策模型。從鐵路隧道自然特征屬性和工程決策屬性出發，選取10個特征屬性作為工程措施案例的量化指標。通過以連環比率法和熵值法結合的綜合賦權法確定各指標權重值，并采用負指數函數計算相似度。以天平鐵路六盤山隧道作為目標案例對模型進行了有效性驗證。結果表明模型推薦的方案具有合理性，可以作為鐵路隧道工程的前期方案設計輔助決策工具。

【關鍵詞】鐵路隧道; 案例推理; 最近鄰算法; 綜合賦權法; 負指數函數

隨著國家鐵路建設的快速發展、鐵路技術標準的不斷提高，隧道工程在山嶺或重丘地區所占的比重日益增加[1]。其中西南山區由于其復雜的地質構造，鐵路線路橋隧占比大，以川藏鐵路為例，雅安至林芝段正線全長1 008.45 km，橋隧總長965.74 km，橋隧比95.8 %，其中隧道851.48 km，占線路長度的84.43 %[2]。

在鐵路隧道施工過程中，有的地區工程資料有限或設計、施工人員自身知識局限性等，都會影響方案的適用性和準確性，從而易發工程事故。近年來我國艱險山區鐵路、公路大量修建，積累了多種類型的隧道工程案例。將此類案例整合，利用案例推理能夠快速地通過對以往相似案例的檢索，進行案例匹配，快速、準確地得到參考解決方案，為決策者提供幫助。案例推理技術充分利用了以往案例的經驗知識來解決當前問題，提升了資源的利用。因此本研究對隧道工程施工方案的初步決策具有積極意義與價值。

1 基于案例推理檢索模型

1.1 案例推理基本理論

案例推理（Case-based reasoning，CBR）是人工智能領域中一種重要的推理技術，它把過去的案例作為經驗，通過重用或者修改以往解決過相似問題的相似方案來實現現有問題的解決[3]。CBR技術的優勢在于，它給遭遇瓶頸的問題以新的視野，它可以隨著往后案例的增加不斷地更新數據庫，即在解決問題的同時也增大了系統的“知識面”。同時隧道工程的施工過程中具有許多不確定因素，這些因素時常變化，利用CBR可以及時對變化的因素做出修正進而重新進入案例庫進行檢索，以得到最佳的案例作為參考對象。案例推理檢索模型具有動態和增量式學習的優點[4]。

對于如何利用CBR來實現解決新問題的流程可見圖1。

1.2 檢索方法

目前CBR中主要是屬性優化和案例檢索方法應用廣泛，研究較多。本文采用案例檢索方法，其中知識引導法、神經網絡法、歸納索引法和最近鄰法是案例檢索中應用較廣。最近鄰法檢索首先對整個案例庫檢索，然后逐個匹配，計算案例相似度，通過最大值原則以得到相似案例[5]。

案例集中采用最鄰近算法進行檢索，搜索與目標案例最相似的案例[6-7]。首先構建案例特征屬性集，最鄰近算法的數學模型如公式（1）所示。

1.3 案例特征屬性量化

本文是針對鐵路隧道工程措施方案研究，因此要考慮的重點在與施工措施相關性最大的特征屬性，但不能過多選取，否則會造成檢索過程冗雜。通過分析大量山區隧道工程技術經濟資料結合專家建議及已有工程案例，按照指標選擇的目的性、可比性、敏感性原則[8]，總結出10個特征屬性作為描述鐵路隧道工程的特征屬性，如表1所示。

為消除量綱帶來的影響，將特征屬性原始值進行規范化處理。本文參考相關資料及規范[9-11]，從隧道自然特征和工程決策的角度結合理論分析，用特征值1～5來表示各特征屬性。隧道工程特征屬性量化標準如表2所示。

將歷史案例的特征屬性量化值代入模型進行特征屬性權重的計算。經過MATLAB軟件計算，特征屬性權重向量為ω=[0.006 0.008 0.045 0.101 0.178 0.059 ?0.224 0.079 0.213 0.087]。

2.2 目標案例特征屬性

六盤山隧道是天平鐵路第一特長單線隧道，地處甘肅省平涼市華亭縣六盤山，全長16.725 km。隧道地區處于關山褶皺帶、六盤山區域，受到結構影響其巖體節理發育，圍巖級別高且地下水循環強烈。本文將其作為目標案例，具體特征屬性值及量化值見表4。

2.3 案例匹配

將天平鐵路六盤山隧道10項特征屬性量化值代入模型，利用最大值原則，篩選出相似度最大的案例，即該目標案例與案例集中的圓梁山隧道最為相似，相似度達0.887。

渝懷鐵路圓梁山隧道地處重慶市酉陽縣境內，為川東褶皺山地與貴州高原、鄂西山地的交界處一帶，地形起伏一般。因隧道滲水量大、圍巖級別高、節理強發育，其施工方法主要是 “排堵結合”，即排水降壓，小導管超前支護，人工開挖，徑向注漿加固，基底鋼管注漿加固處理。

這與天平鐵路六盤山隧道的及時支護，采取以堵為主、疏排結合的措施基本一致。即通過此模型推理出的推薦方案是合理適用的。

3 結論

（1）本文在案例推理模型中選取出鐵路隧道的10項特征屬性作為鐵路隧道工程措施的相似案例檢索指標，并采用了主觀和客觀結合的綜合賦權法，避免了主觀賦權和客觀賦權各自帶來的弊端，得到更合理的權值。

（2）對于鐵路隧道施工的措施方案，通過建立案例庫采用案例推理，可以實現快速得出初步方案，大大提高了工程效率，減小了施工設計難度，具有參考意義。并通過實例驗證，本模型可以用于鐵路隧道工程措施方案前期設計的輔助決策中。

參考文獻

[1] 薛正. 鐵路隧道施工廢水處理現狀調研及問題研究[D].蘭州：蘭州交通大學，2019：4-5.

[2] 馬輝，高明忠.基于系統工程方法論的川藏鐵路隧道工程建設管理探討[J].現代隧道技術，2020，57（3）：1-8.

[3] 房文娟，李紹穩，袁媛，等.基于案例推理技術的研究與應用[J].農業網絡信息，2005（1）：13-17.

[4] 楊瑾，尤建新，蔡依平.基于案例推理的供應商選擇決策支持系統研究[J].計算機工程與應用，2006（6）：19-23.

[5] 谷淑娟，高學東，孫冉.一種改進的CBR案例檢索相似性度量模型[J].中國管理信息化，2011，14（9）：50-55.

[6] 呂宗平，胡欣，楊宏宇.基于案例推理的機場應急預案管理[J].中國民航大學學報，2010，28（2）：1-5.

[7] 周先虎.基于CBR的鐵路突發事件應急決策研究[D].成都：西南交通大學，2018：33-34.

[8] 潘杰義，劉西林.設計統計指標體系的原則探討[J].西北工業大學學報： 社會科學版，2003（2）：65-66.

[9] TB 10003-2016 鐵路隧道設計規范[S].

[10] TB 10068-2010 鐵路隧道運營通風設計規范[S].

[11] 周俊磊.隧道圍巖穩定性分析和評價指標的確定[J].交通科技，2018（6）：110-113.

[12] 郭昱.權重確定方法綜述[J].農村經濟與科技，2018，29（8）：252-253.

[13] 王國華，梁樑.決策理論與方法[M].中國科學技術大學出版社，2014：40-42.

[14] 陳正偉.綜合評價技術及應用[M].成都：西南財經大學出版社，2013：45-46.

[15] 李永海，樊治平著.復雜決策問題的解決方法與應用研究[M].北京：社會科學文獻出版社，2017：82-83.

[16] 李遠富，樊敏.基于CBR的高海拔大高差復雜艱險山區鐵路防災減災設計理論與工程應用研究報告[R].成都：西南交通大學，2019.

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