基于CBR的泥石流區(qū)域鐵路選線方案輔助決策模型研究

樊惠惠，李遠富，蔣 頻，楊昌睿，鄒 鑫

(1.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，成都 610031；2.高速鐵路線路工程教育部重點實驗室，成都 610031)

引言

泥石流是山區(qū)常見的一種地質(zhì)災(zāi)害，我國的西南地區(qū)山地眾多，地質(zhì)條件復(fù)雜，泥石流災(zāi)害頻發(fā)，其數(shù)量和規(guī)模居世界前列[1]。大部分泥石流災(zāi)害區(qū)域地段只能依靠重大工程結(jié)構(gòu)物如高墩橋梁、深埋長隧才能通過，往往工程費用極高，并且控制著整條線路的安全性。擬建川藏鐵路行經(jīng)區(qū)域是典型的高海拔、大高差復(fù)雜艱險山區(qū)，泥石流災(zāi)害頻繁發(fā)生，且現(xiàn)有技術(shù)條件難以在如此復(fù)雜的地形、地貌、地質(zhì)條件下全面完整地掌握線路情況。因此，在制定選線策略時，就需要借助歷史案例來支持和指導(dǎo)現(xiàn)在的方案決策。

案例推理是一種人工智能技術(shù)，它通過重用或者修改歷史相似問題的解決方案來實現(xiàn)解決現(xiàn)有的問題。案例推理技術(shù)給遭遇瓶頸的問題以新的視野，其次是具有動態(tài)和增量式學(xué)習(xí)的優(yōu)點，即在解決問題的同時也增大了系統(tǒng)的“知識面”，因此在諸多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[2-3]。

因此，針對擬建川藏鐵路泥石流區(qū)域地質(zhì)環(huán)境的復(fù)雜性和不可控性，重用已有泥石流實例的工程技術(shù)資料建立案例庫，將案例推理技術(shù)應(yīng)用在艱險山區(qū)泥石流區(qū)域鐵路選線輔助決策中，以便于在出現(xiàn)新的泥石流案例時，充分采用案例庫進行檢索，尋求更科學(xué)、可靠的解決方法。

1 模型分析

1.1 案例推理基本理論

在案例推理中，首先根據(jù)歷史案例資料建立案例庫，當(dāng)出現(xiàn)需要解決的問題，即目標案例時，根據(jù)案例的特征屬性在案例庫中進行檢索，得到相似歷史案例，并在相似案例的指導(dǎo)下，結(jié)合實際情況加以適當(dāng)修正，得到解決方案。最后，將新的案例歸納整理，加入原案例庫中，實現(xiàn)系統(tǒng)更新[4]。

1.2 特征屬性選定

在案例推理技術(shù)中，相似案例的檢索依據(jù)是特征屬性，因此應(yīng)選具有代表性的特性作為描述泥石流情況特征屬性。泥石流是由于降水(暴雨、冰川、積雪融化水)在溝谷或山坡上產(chǎn)生的一種攜帶大量泥沙、石塊和巨礫等固體物質(zhì)的特殊洪流，按照泥石流激發(fā)條件分為：降雨型泥石流、冰水混合型泥石流。

根據(jù)大海拔、大高差常見的泥石流形成機制和時空分布規(guī)律的總結(jié)分析，結(jié)合泥石流本身的發(fā)育特征并綜合兩類泥石流的特點[5-7]，重點選取降雨因素、冰川及冰湖發(fā)育程度、植被覆蓋率、松散物源條件、河溝縱坡和地層巖性6個主要屬性。見圖1。

圖1 泥石流特征屬性

1.3 特征值標準化

前文論述了與泥石流密切相關(guān)的特征屬性，接下來需要將這些特征屬性的指標進行量化和標準化，以便對已有的泥石流案例資料進行統(tǒng)籌管理，建立案例庫。由于目前泥石流的安全性與各屬性指標之間的量值關(guān)系等基礎(chǔ)研究數(shù)據(jù)不夠完善，量化處理泥石流與其影響因素之間的關(guān)系有一定難度，因此一般采用定性的方法進行描述，處理數(shù)據(jù)。

根據(jù)前人的研究以及已有的工程經(jīng)驗[8-11]，擬將泥石流安全性劃分為5個等級：安全性高(1)、安全性較高(2)、安全性較低(3)、安全性低(4)、安全性極低(5)，各特征屬性的量化范圍見表1。

表1 泥石流災(zāi)害特征屬性量化及賦值

1.4 權(quán)重的確定

泥石流案例的各個特征屬性對泥石流安全性的影響程度不同，因此需要對各特征屬性賦予不同的權(quán)值。實際情況中，由于工程數(shù)據(jù)資料的不完整，專家在實際評判時存在不確定性和模糊情況，一般的層次分析法難以解決這一問題。為了保證各特征屬性權(quán)值的科學(xué)性、全面性及準確性，使用梯形模糊層次分析法確定權(quán)重[12]。

(1)構(gòu)造判斷矩陣

在梯形模糊層次法中，運用兩兩比較的方法構(gòu)造判斷矩陣，判斷矩陣標度采用表2所示梯形模糊數(shù)表示。

表2 梯形模糊層次分析判斷矩陣標度

(2)綜合專家評估意見

假設(shè)泥石流災(zāi)害案例有n個，特征屬性指標m個，現(xiàn)有l(wèi)位專家進行打分評估，則根據(jù)第k位專家的打分，得到梯形模糊判斷矩陣如下

k=1，2，…，l

(1)

根據(jù)模糊數(shù)的計算規(guī)則，綜合各專家評估意見(假設(shè)各專家平等)得到模糊判斷矩陣rij為

(2)

(3)一致性檢驗

首先將梯形模糊數(shù)轉(zhuǎn)化為實數(shù)，其計算公式為

(3)

由式(3)可得實數(shù)映射矩陣，求得最大特征根為λmax，則一致性條件為

(4)

其中，CI為一致性指標；n為判斷矩陣階數(shù)。

若隨機一致性比率CR=CI/RI<0.10，則判斷矩陣通過一致性檢驗，否則需要修改判斷矩陣。式中，RI為隨機一致性條件，其取值如表3所示。

表3 1至9階矩陣對應(yīng)的RI值

(4)模糊權(quán)重的計算

將判斷矩陣R=(rij)m×n的每一列元素作歸一化處理

(5)

處理后的判斷矩陣按行相加

(6)

最后對向量Wi=(W1，W2，…，Wn)T歸一化處理

(7)

1.5 泥石流災(zāi)害案例庫的建立

查閱相關(guān)文獻[13-26]，搜集整理泥石流災(zāi)害案例涵蓋了成昆鐵路、南昆鐵路、東川鐵路、成蘭鐵路以及川藏公路5條線路，依據(jù)量化標準，最終建立的艱險山區(qū)泥石流災(zāi)害案例庫如表4所示。

表4 艱險山區(qū)泥石流災(zāi)害案例庫

1.6 基于灰色關(guān)聯(lián)分析的案例檢索

在運用案例推理方法時，案例檢索是關(guān)鍵環(huán)節(jié)，需要結(jié)合實際情況，建立一種快速且可靠的案例檢索機制?；疑P(guān)聯(lián)分析法對樣本的數(shù)量及其分布規(guī)律沒有嚴格的要求，可在系統(tǒng)信息不完整的條件下，得到系統(tǒng)各因素的關(guān)聯(lián)程度。因此，考慮到鐵路工程項目初期工程數(shù)據(jù)資料尚不明確和完善的情況，本文選擇灰色關(guān)聯(lián)分析法建立案例庫搜索機制[27]。

在進行關(guān)聯(lián)分析時，將目標案例的各特征屬性值構(gòu)成的向量作為參考數(shù)據(jù)列，記為r0(r0={r01，r02，…，r0m})，案例庫中的各案例記為rj(rj={rj1，rj2，…，rjm})。選取第K個特征屬性，用式(8)表示目標案例與案例庫案例的屬性差

(8)

其中，ρ(ρ∈(0，1))為分辨系數(shù)，其作用是減輕極值在計算過程中產(chǎn)生的負面影響，在實際取用時，一般選擇ρ=0.5比較合適[28]。

最后，根據(jù)下式計算可得目標案例與案例庫案例之間的關(guān)聯(lián)度

(9)

2 實例應(yīng)用

以西南某鐵路巴涅弄溝流域泥石流災(zāi)害工點作為目標案例[29]，利用前文提出的模型對目標案例的選線策略進行推理，然后與專家提出的建議方案進行對比，以驗證該模型的有效性。

2.1 巴涅弄溝流域泥石流概況

巴涅弄溝于四川省白玉縣縣城，為金沙江支流歐曲的一級支流，處于藏曲右岸(溝口坐標：N 31.217 2°，E 98.820 1°)，為川藏線康定—昌都段一泥石流災(zāi)害工點。

(1)降雨因子

白玉縣屬大陸季風(fēng)高原性氣候，氣候溫和，年降水量600 mm。24 h最大降雨量為90 mm。

(2)冰川及冰湖發(fā)育程度

受氣候與地形控制，流域內(nèi)海拔4 700 m以上分布季節(jié)性冰雪或冰川覆蓋，海拔4 300～4 700 m為寒凍風(fēng)化侵蝕區(qū)，侵蝕強烈。歷史記載發(fā)生的泥石流基本只與降水有關(guān)，冰川融水觸發(fā)泥石流險情幾率很小。

(3)植被覆蓋率

海拔4 300 m以下分布有高寒稀疏林地和灌草植被。覆蓋率超過50%。

(4)松散物源條件

溝道內(nèi)分布崩塌、滑坡和坡積物，可以為泥石流提供固體物源。

(5)溝谷縱坡坡度

巴涅弄溝溝口海拔約3 020 m，落差2 000 m，主溝比降約203‰。

(6)地層巖性

巴涅弄溝溝岸山坡多為軟硬相間地層，溝道內(nèi)分布崩塌、滑坡和坡積物，可以為泥石流提供固體物源。

按照前文特征值標準化的規(guī)則，可得巴涅弄溝泥石流區(qū)域特征屬性如表5所示。

表5 巴涅弄溝泥石流特征屬性

2.2 基于案例推理的選線策略推理過程

運用公式(1)、公式(2)、公式(5)、公式(6)、公式(7)對各特征屬性賦權(quán)，結(jié)果得各特征屬性權(quán)重為W=(w1，w2，…，w7)=(0.271 7，0.271 7，0.088 4，0.040 7，0.040 7，0.198 1，0.088 7)，并通過了一致性檢驗。

然后依權(quán)重按照公式(8)、公式(9)進行灰色關(guān)聯(lián)分析(本文分辨系數(shù)ρ取0.5)，結(jié)果如表6所示。

表6 相似度計算結(jié)果

從相似度計算結(jié)果來看，目標案例與中兆溝泥石流的相似度最高，高達0.979 6。相似案例與目標案例巴涅弄溝泥石流均屬于暴雨型泥石流溝谷，在植被覆蓋率、松散物源動儲量以及地層巖性3個特征屬性基本相同；雖然二者松散物源總儲量有較大差別，但該特征屬性所占權(quán)重較?。粡臏瞎瓤v坡坡度上來看，相似案例的297‰高于目標案例的203‰，但依據(jù)DZ/T 0220—2006《泥石流災(zāi)害防治工程勘查規(guī)范》，溝谷縱坡坡度高于213‰均為極易發(fā)生泥石流災(zāi)害的地區(qū)，目標案例很接近該閾值。因此，從整體上講把中兆溝泥石流作為相似案例是合理的。

查詢案例庫可知，中兆溝泥石流區(qū)域受地形限制，鐵路線路在泥石流溝南北兩側(cè)分別以隧道和橋梁形式穿越，用護坡等穩(wěn)住松散物質(zhì)、滑塌體及坡面殘積物等，在中下游設(shè)置攔渣壩，并在泥石流通過段采用排導(dǎo)槽，使泥石流從兩側(cè)橋隧處順暢下排。

根據(jù)該線路初期階段專家給出的建議[29]，該線路原推薦路線在白玉縣城路段以長隧通過，以橋梁方式跨越八涅弄溝下游溝道，并在溝口下游河段選擇寬谷段設(shè)白玉車站，設(shè)計隧道與橋梁距離白玉寺相近，今后工程施工與鐵路運營將涉及民族、宗教等問題，同時鐵路隧道位于縣城后山，增加了工程協(xié)調(diào)的難度?？紤]到巴涅弄溝鐵路沿線歐曲河干流段泥石流典型的活躍的泥石流溝谷，施工擾動可能加大災(zāi)害風(fēng)險，因此建議鐵路線盡可能避開。修改后的鐵路線路在考慮白玉車站站址及歐曲河谷地形條件的基礎(chǔ)上，改由縣城對面(歐曲左岸)隧道通過。

通過對比可知，相似案例與目標案例原有方案采取的橋隧結(jié)構(gòu)物通過泥石流地區(qū)的措施大致相似，因目標案例線路受地形限制，無法直接以橋梁跨過泥石流溝口或者隧道穿越，通過修改局部線路走向，得到調(diào)整后的方案同樣是以隧道穿越巴涅弄溝泥石流堆積區(qū)，可以認為基于相似案例的建議措施是合理的。

3 結(jié)語

本文提出了一種鐵路選線方案決策的新思路，結(jié)論如下。

(1)首先建立歷史泥石流工程案例庫。選取了降雨因素、冰川及冰湖發(fā)育程度、植被覆蓋率、松散物源條件、河溝縱坡和地層巖性6個因素，為表征泥石流特征屬性的因素。這些特征屬性的數(shù)據(jù)比較容易在項目前期獲取，且具有較高的可靠性和代表性，能夠保證在項目初期，盡可能準確地表征泥石流案例特性，同時便于案例庫的建立及后期的規(guī)范化處理。

(2)確定各特征屬性權(quán)重。充分考慮到專家分析泥石流安全性時的不確定性和模糊因素，在確定各特征屬性權(quán)重時，將梯形模糊數(shù)與傳統(tǒng)的層次分析法相結(jié)合，使得各特征屬性的權(quán)重盡可能全面和正確反映。

(3)在鐵路工程項目前期各種數(shù)據(jù)資料不夠詳細的情況下，通過案例推理得到相似的歷史泥石流案例，在相似案例的支持和指導(dǎo)下，結(jié)合實際工程情況進行分析，在初期得到較為合理的選線方案。該方法為山區(qū)鐵路初期的選線方案決策提供了新的思路，具有一定的參考性。

通過實例驗證，基于案例推理的艱險山區(qū)泥石流區(qū)域選線方案輔助決策模型能夠在各工程地質(zhì)要素尚不明確的條件下，得出較為合理的選線方案，可用于艱險山區(qū)鐵道工程項目前期預(yù)可研及可研階段的選線方案輔助決策。

重大鐵路工程項目的選線是一個復(fù)雜和綜合的系統(tǒng)工程，本文主要從泥石流災(zāi)害危險性的角度出發(fā)，為鐵路項目初期的選線方案決策提供基礎(chǔ)支撐，最終鐵路的規(guī)劃方案還需要結(jié)合其他因素綜合研究確定。