【博士】基于GIS的鐵路選線系統(tǒng)智能環(huán)境建模方法研究【2008】

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　　學科專業(yè)：道路與鐵道工程　　授予學位：博士　　學位授予單位：西南交通大學　　學位年度： 2008年　　鐵路選線設計是整個鐵路設計中事關全局的總體性工作，是集創(chuàng)造性、知識性與實踐性于一體的多目標決策過程。其基本流程是：從社會經(jīng)濟需求出發(fā)，結合項目所處自然、生態(tài)環(huán)境，大面積著手，逐步細化，確定建設項目的技術標準、空間位置，協(xié)調布設各種建筑物。該決策過程受地形、水文、地質、土地利用等因數(shù)約束，需滿足各種技術規(guī)范和運輸要求，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，加之評價指標不一致，使得該決策過程異常復雜，難以建立統(tǒng)一的數(shù)學模型。以圖形交互為主要特征的計算機輔助設計的普及以及鐵路勘測勘測設計一體化的推進，選線設計工作的速度、質量都有很大提高，但未能從根本上解決選線設計中方案有限、決策周期長、評價指標單一、設計勞動強度大以及采用方案難以有效論證等問題。鐵路選線設計任務的復雜性、創(chuàng)造性、重要性決定對設計方法進行深入研究是必要的，而常規(guī)軟件方法未能有效解決問題，需要探索智能化方法。因此鐵路選線設計的智能化研究對變革鐵路選線方法具有重要意義?！　〗梃b國內(nèi)外人工智能在鐵路、公路選線設計中的應用經(jīng)驗，結合鐵路選線設計的特點，鐵路選線設計智能化的實現(xiàn)應該：1)有效識別和利用空間地理信息；2)協(xié)同人和計算機在智能選線中的智能職能；3)聯(lián)合使用數(shù)值和符號的方法；4)從較高抽象層次和領域應用角度統(tǒng)一規(guī)劃選線設計知識。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，即基于知識工程和GIS技術，構建具備專家級問題求解能力，追求知識綜合運用，集輔助性、創(chuàng)造性、教育性于一體，具有沉浸感的人機協(xié)同設計復雜智能信息系統(tǒng)。　　論文主要進行了以下幾個方面的工作：　　1)提出了GBRLIE的本體建模方法并建立了鐵路選線設計領域本體。借鑒知識系統(tǒng)開發(fā)經(jīng)驗，根據(jù)鐵路選線對知識模型的共享、交互以及互操作等要求，提出使用本體建立鐵路選線知識模型，并分析了本體在GBRLIE的地位和作用；結合GBRLIE特點，提出使用改進迭代法、UML語言和微軟的ViSio構建本體；提出并詳細描述了采用面向對象技術和UML輕量級擴展的領域本體形式化表示方式；最后構建了鐵路選線設計的領域本體，包括線路本體、選線地理環(huán)境本體和線路評價本體?！　?)智能環(huán)境中人機協(xié)同的知識表示、獲取與利用技術。a)將選線系統(tǒng)知識分為面向領域人員和面向計算機知識，基于本體構建面向計算機知識模型和概念關系詞典，基于概念關系詞典建立面向領域人員的知識模型，面向計算機和面向領域人員的知識通過概念關系詞典映射。b)面向領域人員知識概念上用語義網(wǎng)絡表示，實現(xiàn)時采用面向對象和流文檔技術表示為帶元知識的知識森林。c)用面向對象技術表示面向計算機知識：一般知識類表示事實知識，規(guī)則采用層次模型和雙層形式化模型，把問題求解知識表示為推理機控制知識，實現(xiàn)推理機與控制策略的分離。d)提出并實現(xiàn)了提案一目標驗證通用嵌入式推理，即通過提出可能方案，經(jīng)過一系列推理，然后再驗證其是否滿足目標條件的方式解決問題。e)提出了GBRLIE中符號推理和數(shù)值計算的集成方法。　　通過采用統(tǒng)一的知識模型，利用面向對象技術表示知識對象，并把這些知識內(nèi)部表示為町執(zhí)行形式，實現(xiàn)符號推理時直接使用數(shù)值方法中的對象；以及推理機按組件形式開發(fā)，在常規(guī)軟件系統(tǒng)中直接調用推理機?！　?)提出了鐵路選線系統(tǒng)智能環(huán)境中地理信息相關知識與信息的獲取方法。首先討論GBRLIE中地理信息獲取與利用的任務層次，結合人機不同的信息利用方式提出了人機協(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)庫的方法。接著介紹GBRLIE中地形分析與可視化技術以及基于地理信息的線路評價知識獲取方法。最后提出了基于知識與柵格路徑分析的線路初始平面生成方法：通過采用16單元的騎士鄰域單元模式，在費用模型上考慮橋梁、隧道、線路長度相關費用以及線路坡度、速度目標值，改進了Dijkstra算法，在多個控制點間生成柵格最優(yōu)路徑；利用平面設計相關知識和提案一目標驗證推理機，實現(xiàn)自動曲線配置；最后通過二分漸進和自動曲線配置，依據(jù)最優(yōu)路徑生成線路初始平面?！　?)構建了基于地理信息系統(tǒng)的鐵路選線智能平臺。通過統(tǒng)一規(guī)劃鐵路選線設計知識，采用人機協(xié)同設計理念，基于地理信息系統(tǒng)，利用人機協(xié)同的知識模型，聯(lián)合軟件工程與知識工程的知識建模方法，借助提案一一目標驗證通用推理，建立了基于地理信息系統(tǒng)的鐵路選線智能平臺?！　?)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域無關的問題求解方法，并用UML冪IJ面向對象技術描述方法本體；根據(jù)鐵路選線設計任務需要，提出并描述了多目標決策問題求解的多目標決策方法本體，提出并描述了采用“生成一篩選一改進”方法解決的，追求在多個目標值上全局最優(yōu)或最滿意的創(chuàng)造性多目標(IMO)設計方法本體。b)通過改造方法本體適應領域本體和應用的方法，把多目標決策和IMO設計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設計問題。c)利用局部方案自動設計方法，借助GBRLIE的地形可視化技術和人機協(xié)同地理信息利用模型，基于IMO設計的“生成一篩選一改進”思想，提出了既能發(fā)揮傳統(tǒng)技術標準選擇和技術標準綜合優(yōu)化方法優(yōu)點，避免各自缺點，又能實現(xiàn)技術標準多目標比選的人機協(xié)同技術標準比選方法?！　?)實現(xiàn)了新線鐵路快速方案比選原型系統(tǒng)。為驗證所提方法的科學性以及可行性，提出并實現(xiàn)了新線鐵路快速方案比選原型系統(tǒng)，描述了其體系結構、實現(xiàn)方法和主要功能，并給出了實驗驗證結果。結果表明論文理論正確，方法切實可行?！　≌撐牡难芯拷Y果可為鐵路選線自動化或智能化的實現(xiàn)提供理論依據(jù)和可操作方法。研究是針對新建鐵路設計的，研究成果經(jīng)改進可用于增建二線及既有線改建設計，也可用于公路路線設計系統(tǒng)開發(fā)。研究成果還可供其他研究具有鐵路選線設計類似特征的空間決策問題或土木工程設計問題的人員參考?！　?

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