學(xué)科專業(yè)：道路與鐵道工程
授予學(xué)位：博士
學(xué)位授予單位：xx交通大學(xué)
學(xué)位年度： 2008年
鐵路選線設(shè)計(jì)是整個(gè)鐵路設(shè)計(jì)中事關(guān)全局的總體性工作，是集創(chuàng)造性、知識(shí)性與實(shí)踐性于一體的多目標(biāo)決策過(guò)程。其基本流程是：從社會(huì)經(jīng)濟(jì)需求出發(fā)，結(jié)合項(xiàng)目所處自然、生態(tài)環(huán)境，大面積著手，逐步細(xì)化，確定建設(shè)項(xiàng)目的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、空間位置，協(xié)調(diào)布設(shè)各種建筑物。該決策過(guò)程受地形、水文、地質(zhì)、土地利用等因數(shù)約束，需滿足各種技術(shù)規(guī)范和運(yùn)輸要求，處理各種字符、數(shù)值、圖形、圖像資料，要考慮各種定性、定量、確定性和不確定的信息，加之評(píng)價(jià)指標(biāo)不一致，使得該決策過(guò)程異常復(fù)雜，難以建立統(tǒng)一的數(shù)學(xué)模型。以圖形交互為主要特征的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的普及以及鐵路勘測(cè)勘測(cè)設(shè)計(jì)一體化的推進(jìn)，選線設(shè)計(jì)工作的速度、質(zhì)量都有很大提高，但未能從根本上解決選線設(shè)計(jì)中方案有限、決策周期長(zhǎng)、評(píng)價(jià)指標(biāo)單一、設(shè)計(jì)勞動(dòng)強(qiáng)度大以及采用方案難以有效論證等問(wèn)題。鐵路選線設(shè)計(jì)任務(wù)的復(fù)雜性、創(chuàng)造性、重要性決定對(duì)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行深入研究是必要的，而常規(guī)軟件方法未能有效解決問(wèn)題，需要探索智能化方法。因此鐵路選線設(shè)計(jì)的智能化研究對(duì)變革鐵路選線方法具有重要意義。
借鑒國(guó)內(nèi)外人工智能在鐵路、公路選線設(shè)計(jì)中的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合鐵路選線設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，鐵路選線設(shè)計(jì)智能化的實(shí)現(xiàn)應(yīng)該：1)有效識(shí)別和利用空間地理信息；2)協(xié)同人和計(jì)算機(jī)在智能選線中的智能職能；3)聯(lián)合使用數(shù)值和符號(hào)的方法；4)從較高抽象層次和領(lǐng)域應(yīng)用角度統(tǒng)一規(guī)劃選線設(shè)計(jì)知識(shí)。為此論文提出了基于GIS鐵路選線系統(tǒng)智能環(huán)境(GBGBRLIE)的綜合解決方案，即基于知識(shí)工程和GIS技術(shù)，構(gòu)建具備專家級(jí)問(wèn)題求解能力，追求知識(shí)綜合運(yùn)用，集輔助性、創(chuàng)造性、教育性于一體，具有沉浸感的人機(jī)協(xié)同設(shè)計(jì)復(fù)雜智能信息系統(tǒng)。
論文主要進(jìn)行了以下幾個(gè)方面的工作：
1)提出了GBRLIE的本體建模方法并建立了鐵路選線設(shè)計(jì)領(lǐng)域本體。借鑒知識(shí)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)鐵路選線對(duì)知識(shí)模型的共享、交互以及互操作等要求，提出使用本體建立鐵路選線知識(shí)模型，并分析了本體在GBRLIE的地位和作用；結(jié)合GBRLIE特點(diǎn)，提出使用改進(jìn)迭代法、UML語(yǔ)言和微軟的ViSio構(gòu)建本體；提出并詳細(xì)描述了采用面向?qū)ο蠹夹g(shù)和UML輕量級(jí)擴(kuò)展的領(lǐng)域本體形式化表示方式；最后構(gòu)建了鐵路選線設(shè)計(jì)的領(lǐng)域本體，包括線路本體、選線地理環(huán)境本體和線路評(píng)價(jià)本體。
2)智能環(huán)境中人機(jī)協(xié)同的知識(shí)表示、獲取與利用技術(shù)。a)將選線系統(tǒng)知識(shí)分為面向領(lǐng)域人員和面向計(jì)算機(jī)知識(shí)，基于本體構(gòu)建面向計(jì)算機(jī)知識(shí)模型和概念關(guān)系詞典，基于概念關(guān)系詞典建立面向領(lǐng)域人員的知識(shí)模型，面向計(jì)算機(jī)和面向領(lǐng)域人員的知識(shí)通過(guò)概念關(guān)系詞典映射。b)面向領(lǐng)域人員知識(shí)概念上用語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)表示，實(shí)現(xiàn)時(shí)采用面向?qū)ο蠛土魑臋n技術(shù)表示為帶元知識(shí)的知識(shí)森林。c)用面向?qū)ο蠹夹g(shù)表示面向計(jì)算機(jī)知識(shí)：一般知識(shí)類表示事實(shí)知識(shí)，規(guī)則采用層次模型和雙層形式化模型，把問(wèn)題求解知識(shí)表示為推理機(jī)控制知識(shí)，實(shí)現(xiàn)推理機(jī)與控制策略的分離。d)提出并實(shí)現(xiàn)了提案一目標(biāo)驗(yàn)證通用嵌入式推理，即通過(guò)提出可能方案，經(jīng)過(guò)一系列推理，然后再驗(yàn)證其是否滿足目標(biāo)條件的方式解決問(wèn)題。e)提出了GBRLIE中符號(hào)推理和數(shù)值計(jì)算的集成方法。
通過(guò)采用統(tǒng)一的知識(shí)模型，利用面向?qū)ο蠹夹g(shù)表示知識(shí)對(duì)象，并把這些知識(shí)內(nèi)部表示為町執(zhí)行形式，實(shí)現(xiàn)符號(hào)推理時(shí)直接使用數(shù)值方法中的對(duì)象；以及推理機(jī)按組件形式開(kāi)發(fā)，在常規(guī)軟件系統(tǒng)中直接調(diào)用推理機(jī)。
3)提出了鐵路選線系統(tǒng)智能環(huán)境中地理信息相關(guān)知識(shí)與信息的獲取方法。首先討論GBRLIE中地理信息獲取與利用的任務(wù)層次，結(jié)合人機(jī)不同的信息利用方式提出了人機(jī)協(xié)同的地理信息利用模型。然后闡述基于本體以及遙感圖像建立鐵路選線地理信息數(shù)據(jù)庫(kù)的方法。接著介紹GBRLIE中地形分析與可視化技術(shù)以及基于地理信息的線路評(píng)價(jià)知識(shí)獲取方法。最后提出了基于知識(shí)與柵格路徑分析的線路初始平面生成方法：通過(guò)采用16單元的騎士鄰域單元模式，在費(fèi)用模型上考慮橋梁、隧道、線路長(zhǎng)度相關(guān)費(fèi)用以及線路坡度、速度目標(biāo)值，改進(jìn)了Dijkstra算法，在多個(gè)控制點(diǎn)間生成柵格最優(yōu)路徑；利用平面設(shè)計(jì)相關(guān)知識(shí)和提案一目標(biāo)驗(yàn)證推理機(jī)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)曲線配置；最后通過(guò)二分漸進(jìn)和自動(dòng)曲線配置，依據(jù)最優(yōu)路徑生成線路初始平面。
4)構(gòu)建了基于地理信息系統(tǒng)的鐵路選線智能平臺(tái)。通過(guò)統(tǒng)一規(guī)劃鐵路選線設(shè)計(jì)知識(shí)，采用人機(jī)協(xié)同設(shè)計(jì)理念，基于地理信息系統(tǒng)，利用人機(jī)協(xié)同的知識(shí)模型，聯(lián)合軟件工程與知識(shí)工程的知識(shí)建模方法，借助提案一一目標(biāo)驗(yàn)證通用推理，建立了基于地理信息系統(tǒng)的鐵路選線智能平臺(tái)。
5)提出了鐵路選線系統(tǒng)智能環(huán)境的選線方法。a)采用方法本體表示與領(lǐng)域無(wú)關(guān)的問(wèn)題求解方法，并用UML冪IJ面向?qū)ο蠹夹g(shù)描述方法本體；根據(jù)鐵路選線設(shè)計(jì)任務(wù)需要，提出并描述了多目標(biāo)決策問(wèn)題求解的多目標(biāo)決策方法本體，提出并描述了采用“生成一篩選一改進(jìn)”方法解決的，追求在多個(gè)目標(biāo)值上全局最優(yōu)或最滿意的創(chuàng)造性多目標(biāo)(IMO)設(shè)計(jì)方法本體。b)通過(guò)改造方法本體適應(yīng)領(lǐng)域本體和應(yīng)用的方法，把多目標(biāo)決策和IMO設(shè)計(jì)方法本體用于解決新建單線鐵路局部方案和局部方案縱斷面的自動(dòng)設(shè)計(jì)問(wèn)題。c)利用局部方案自動(dòng)設(shè)計(jì)方法，借助GBRLIE的地形可視化技術(shù)和人機(jī)協(xié)同地理信息利用模型，基于IMO設(shè)計(jì)的“生成一篩選一改進(jìn)”思想，提出了既能發(fā)揮傳統(tǒng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)選擇和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)綜合優(yōu)化方法優(yōu)點(diǎn)，避免各自缺點(diǎn)，又能實(shí)現(xiàn)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)多目標(biāo)比選的人機(jī)協(xié)同技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)比選方法。
6)實(shí)現(xiàn)了新線鐵路快速方案比選原型系統(tǒng)。為驗(yàn)證所提方法的科學(xué)性以及可行性，提出并實(shí)現(xiàn)了新線鐵路快速方案比選原型系統(tǒng)，描述了其體系結(jié)構(gòu)、實(shí)現(xiàn)方法和主要功能，并給出了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果。結(jié)果表明論文理論正確，方法切實(shí)可行。
論文的研究結(jié)果可為鐵路選線自動(dòng)化或智能化的實(shí)現(xiàn)提供理論依據(jù)和可操作方法。研究是針對(duì)新建鐵路設(shè)計(jì)的，研究成果經(jīng)改進(jìn)可用于增建二線及既有線改建設(shè)計(jì)，也可用于公路路線設(shè)計(jì)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)。研究成果還可供其他研究具有鐵路選線設(shè)計(jì)類似特征的空間決策問(wèn)題或土木工程設(shè)計(jì)問(wèn)題的人員參考。