吴文芊

【摘 要】 为了将以往工程案例的经验充分利用以防止资源浪费，基于案例推理，文章使用最近邻算法构建了铁路隧道工程措施方案决策模型。从铁路隧道自然特征属性和工程决策属性出发，选取10个特征属性作为工程措施案例的量化指标。通过以连环比率法和熵值法结合的综合赋权法确定各指标权重值，并采用负指数函数计算相似度。以天平铁路六盘山隧道作为目标案例对模型进行了有效性验证。结果表明模型推荐的方案具有合理性，可以作为铁路隧道工程的前期方案设计辅助决策工具。

【关键词】铁路隧道; 案例推理; 最近邻算法; 综合赋权法; 负指数函数

随着国家铁路建设的快速发展、铁路技术标准的不断提高，隧道工程在山岭或重丘地区所占的比重日益增加[1]。其中西南山区由于其复杂的地质构造，铁路线路桥隧占比大，以川藏铁路为例，雅安至林芝段正线全长1 008.45 km，桥隧总长965.74 km，桥隧比95.8 %，其中隧道851.48 km，占线路长度的84.43 %[2]。

在铁路隧道施工过程中，有的地区工程资料有限或设计、施工人员自身知识局限性等，都会影响方案的适用性和准确性，从而易发工程事故。近年来我国艰险山区铁路、公路大量修建，积累了多种类型的隧道工程案例。将此类案例整合，利用案例推理能够快速地通过对以往相似案例的检索，进行案例匹配，快速、准确地得到参考解决方案，为决策者提供帮助。案例推理技术充分利用了以往案例的经验知识来解决当前问题，提升了资源的利用。因此本研究对隧道工程施工方案的初步决策具有积极意义与价值。

1 基于案例推理检索模型

1.1 案例推理基本理论

案例推理（Case-based reasoning，CBR）是人工智能领域中一种重要的推理技术，它把过去的案例作为经验，通过重用或者修改以往解决过相似问题的相似方案来实现现有问题的解决[3]。CBR技术的优势在于，它给遭遇瓶颈的问题以新的视野，它可以随着往后案例的增加不断地更新数据库，即在解决问题的同时也增大了系统的“知识面”。同时隧道工程的施工过程中具有许多不确定因素，这些因素时常变化，利用CBR可以及时对变化的因素做出修正进而重新进入案例库进行检索，以得到最佳的案例作为参考对象。案例推理检索模型具有动态和增量式学习的优点[4]。

对于如何利用CBR来实现解决新问题的流程可见图1。

1.2 检索方法

目前CBR中主要是属性优化和案例检索方法应用广泛，研究较多。本文采用案例检索方法，其中知识引导法、神经网络法、归纳索引法和最近邻法是案例检索中应用较广。最近邻法检索首先对整个案例库检索，然后逐个匹配，计算案例相似度，通过最大值原则以得到相似案例[5]。

案例集中采用最邻近算法进行检索，搜索与目标案例最相似的案例[6-7]。首先构建案例特征属性集，最邻近算法的数学模型如公式（1）所示。

1.3 案例特征属性量化

本文是针对铁路隧道工程措施方案研究，因此要考虑的重点在与施工措施相关性最大的特征属性，但不能过多選取，否则会造成检索过程冗杂。通过分析大量山区隧道工程技术经济资料结合专家建议及已有工程案例，按照指标选择的目的性、可比性、敏感性原则[8]，总结出10个特征属性作为描述铁路隧道工程的特征属性，如表1所示。

为消除量纲带来的影响，将特征属性原始值进行规范化处理。本文参考相关资料及规范[9-11]，从隧道自然特征和工程决策的角度结合理论分析，用特征值1～5来表示各特征属性。隧道工程特征属性量化标准如表2所示。

将历史案例的特征属性量化值代入模型进行特征属性权重的计算。经过MATLAB软件计算，特征属性权重向量为ω=[0.006 0.008 0.045 0.101 0.178 0.059  0.224 0.079 0.213 0.087]。

2.2 目标案例特征属性

六盘山隧道是天平铁路第一特长单线隧道，地处甘肃省平凉市华亭县六盘山，全长16.725 km。隧道地区处于关山褶皱带、六盘山区域，受到结构影响其岩体节理发育，围岩级别高且地下水循环强烈。本文将其作为目标案例，具体特征属性值及量化值见表4。

2.3 案例匹配

将天平铁路六盘山隧道10项特征属性量化值代入模型，利用最大值原则，筛选出相似度最大的案例，即该目标案例与案例集中的圆梁山隧道最为相似，相似度达0.887。

渝怀铁路圆梁山隧道地处重庆市酉阳县境内，为川东褶皱山地与贵州高原、鄂西山地的交界处一带，地形起伏一般。因隧道渗水量大、围岩级别高、节理强发育，其施工方法主要是 “排堵结合”，即排水降压，小导管超前支护，人工开挖，径向注浆加固，基底钢管注浆加固处理。

这与天平铁路六盘山隧道的及时支护，采取以堵为主、疏排结合的措施基本一致。即通过此模型推理出的推荐方案是合理适用的。

3 结论

（1）本文在案例推理模型中选取出铁路隧道的10项特征属性作为铁路隧道工程措施的相似案例检索指标，并采用了主观和客观结合的综合赋权法，避免了主观赋权和客观赋权各自带来的弊端，得到更合理的权值。

（2）对于铁路隧道施工的措施方案，通过建立案例库采用案例推理，可以实现快速得出初步方案，大大提高了工程效率，减小了施工设计难度，具有参考意义。并通过实例验证，本模型可以用于铁路隧道工程措施方案前期設计的辅助决策中。

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