（道路与铁道工程专业论文）山区铁路工务防洪决策技术研究.pdf

西南交通大学博士研究生学位论文第1 页 摘要 西部大开发，要求西部地区的铁路能够提供更加连续、安全和高效的服务。 而在我国西部广大的山区，婉蜒伸展的铁路往往是建在被认为是“铁路禁区” 地带，经常受到滑坡、崩塌、泥石流、山洪等自然灾害的侵袭，铁路的连续安 全运营受到严重威胁。铁路部门经过多年的研究，对铁路沿线水害的特征和规 律有了较为深刻的认识，发展了诸如工程防治、生物防治等灾害防治技术，开 展了水害监测、预警和预报技术研究。但山区铁路沿线自然条件复杂多变，沿 线生态条件总体趋于恶化，灾害事件发生的频度和规模有加大的趋势，灾害的 突发性、群发性强。这些散状分布、集中爆发的山地灾害往往使得铁路部门疲 于应付，防不胜防。日趋严峻的防洪形势以及日益提高的安全要求对铁路防洪 工作提出了更高的要求，工务部门作为铁路防洪的主要职能部门之一，是这种 更高要求的直接体现者。工务防洪的核心任务有两个：一是要防止线路受到各 类水害的侵袭，确保线路安全：二是要及时发现水害，有效阻止线路受损后导 致的二次灾害事件。因此，围绕着工务防洪的核心任务，在前人研究工作的基 础上，针对山区铁路水害发生发展规律和山区铁路自身特点，研究适合于工务 防洪的决策技术，对于提高工务部门行车安全保障能力，确保铁路运营安全， 有着重大的科学与实践意义。 本文研究内容围绕着铁路工务防洪的需要而展开，为工务部门提供了两大类 防洪决策技术：其一是关于汛期行车安全保障技术，其二是关于水害防治规划 的设计与优化技术。主要包括以下几个方面内容：结合成都铁路局多年的汛期 雨量警戒的实践，比较系统地分析了雨量警戒制度的基本构成和运行模式，提 出了雨量警戒制度警戒标准的指标体系，建立起警戒标准的制定方法与工作程 式：运用可靠性理论与方法，构造了可靠性分析模型，对雨量警戒制度进行可 靠性评估，从而在理论上证明该项安全保障制度是科学合理且高度可靠的；论 文引入了一种全新的决策方法：可拓决策方法，结合铁路部门多年防灾实践积 累的丰富经验和成熟技术，发展一种面向物元的泥石流灾害防治方案的设计、 比选和优化的可拓模式和方法；论文将可拓工程方法与空间数据挖掘技术相结 合，以期能够形成对有关泥石流灾害信息的空间数据库进行深度挖掘和知识再 发现、再表达能力，论文以美国e s r i 公司的a r c v i e w 为技术平台，建设了一个 西南交通大学博士研究生学位论文篇l l 页 霞警焉户毒系统交流、胃视纯表瑗缭采戆霹据空蠲数据挖摇王其，圭要用专：区 域泥石流的危险度区划。本文的研究工作，将基础理论与工程技术相结合，强 调成采的w 操俸往和技术的离可靠憔，餮在为由嚣铁路工务部门提供其有一定 科学依据、可操作性强、可靠性高的相关决策技术，从整体上提高工务部门的 行擎安全保障能力。论文的创新点童要表现在以下几个方面： ( 一) 理论上熬刨瓣 可拓举是我豳学者蔡文教授创建的具有原创憔的一门新学科。本文将可拓学 基本理论与铁路泥石流防治璎论耜绥合，建立起铁路混蠢滚灾害貔嚣模型，澎 成铁路泥石流灾害各种防治技术的可拓语义表述，提出了面向物元系统的铁路 泥丽流灾害防治方案酶设计慈悲，并就方案盼眈逡和优纯方法作了一定的探讨。 该硪究为铁路泥石流防治的计算机翅能决娥研究做了开拓性工作。 ( 二) 技术上的创新 本文在技零上数剖耩关予淑翅爨萃安全保薅技术：聚量警戒刳度黪剁定与l 孚 估，表现在：1 ) 结合成都铁路局的实践，全面分析了现行雨爨警戒制度基本构 成奄运行模式，多薅蔡关键技零：警戒标猴静锈谨终了详维豹讨论，形成了一 套制订“雨量警戒制度”完黢的工作方法与工作程式。研究成果对予铁路部门 制定汛期安全彳亍车安全对策其有普逶意义。2 ) 运用可靠往理论与方法对雨鬣警 戒剁度进行可靠性评储。论文明确了霭量螫戏制度的可靠性磷究县橼，全瑷分 析其可靠性研究特点，确定了可靠性度量方法，构造了可靠憔分析模型，以成 琵( 笼段) 铁路资料梵竣入条传，计算出在嚣惫由区复杂多变豹环境条馋下， 其行车事故率仅有o 0 9 件百万走行公里，从而在理论上论证了该项安全保障制 度怒科学含理盈高度可靠的。 ( 三) 方法上的创新 数据挖掘技术( d a t am i n i n g ) 鼹目前函际上数据瘁领域和决策支持研究领 域的最前沿方囱之一。作者嚣次将霹搔工程方法与空阉数据挖掘技术期结会， 是对空间数据挖掘方法的丰寓，所构建的可拓空间分类器，初步形成了对泥石 流信塞系统空蔑数据鬻进孬深度挖攘窝翔谈霉发现、褥表达戆力。该分类方法 用乎泥石流危险度区划，也怒对泥石流危险度区划方法的创新。该成果作为研 究谦题：j t 京由区泥前流防治及对策的一部分，通过了北京市东利简组织辩研 成榘鉴定，其中对本文所涉及到的内容评逡为：“用可于羲空间数据挖掘技术进行 泥石流危险度分区与谶行泥霜流预测预报方面取得创新性成果。” 美缝溺：由医铁路工务黪洪决策技术 西南交通大学博士研究生学位论文第1 ii 页 a b s t r a c t t h ed e v e l o p m e n to ft h ew e s to fc h i n ar e q u i r e st h er a i l w a y si nt h ew e s ta r e a s u p p o r tm o r ee f f e c t i v e ，m o r ec o n t i n u o u sa n ds a f e rs e r v i c e b u tt h er a i l w a y si nt h e w e s to fc h i n a , w h i c hw e r ea l w a y sb u i l ti nt h es oc a l l e d r a i l w a yf o r b i d d e n r e g i o n ， a r eo f t e na t t a c k e db yd e b r i sf l o w , l a n d s l i d e ，m o u n t a i nt o r r e n t sa n ds oo n ，t h er a i l w a y s a r et h r e a t e nb yt h e s en a t u r ed i s a s t e r sd e e p l y w i t ht h el o n gt i m er e s e a r c h ，t h er a i l w a y m a n a g e m e n th a sm a s t e r e ds o m ec h a r a c t e r s a n dr u l e sa b o u tt h ed i s a s t e r s s o m e t e c h n i q u e s ，s u c ha se n g i n e e r i n ga n db i o l o g i c a lp r e v e n t i o na n dm i t i g a t i o nm e a s u r e s ， h a v eb e e np u ti n t op r a c t i c e ，s o m et e c h n i q u e s ，s u c ha st h es u p e r v i s et e c h n i q u e ，t h e p r e w a r n i n gt e c h n i q u ea n dt h ef o r e c a s tt e c h n i q u ea r ei nt h ep r o c e s so fr e s e a r c h i n g a l lt h e s et e c h n i q u e sh a v eg o tg r e a ts u c c e s st op r e v e n tt h er a i l w a yf r o n it h ed i s a s t e r s ， b u tt h e s ea r en o te n o u g h n o w , t h ed i s a s t e r s 、i t l lt h eh i g h e rf r e q u e n c ya n dt h e b i g g e rs i z e ，b e c a u s e o ft h e c o m p l e xe n v i r o n m e n t a n dd e t e r i o r a t i v e e c o l o g i c a l c o n d i t i o n s ，o c c u ra l o n gt h er a i l w a y ss o m e t i m e s t h er a i l w a ya d m i n i s t r a t o rh a sb e e n d i s t u r b e db yt h e s el i n ed i s t r i b u t e d ，o c c u r r e da l m o s ta tt h es a m et i m ed i s a s t e r sd e e p l y i th a st w om a i nt a s k s ：o n ei st op r e v e n tr a i l w a yf r o md i s a s t e r s ，a n o t h e ri st of i n dt h e n a t u r ed i s a s t e r sa l o n gt h er a i l w a yt oa v o i dt h et r a n s p o r ta c c i d e n t s ，s ot h ed e c i s i o n t e c h n i q u e ，a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r so fd i s a s t e r sa n dt h er a i l w a y , i sa l s on e e d e d t h ed e c i s i o nt e c h n i q u e ，a s s o c i a t e d 、v i 也t h o s ee x i s t i n gt e c h n i q u e sn o t e db e f o r e ，w i l l h e l p t h ea d m i n i s t r a t o r m a n a g ed i s a s t e r i n f o r m a t i o nw e l la n da v o i dl o t so ft h e t r a n s p o r t d i s a s t e r s s ot h er e s e a r c ho ft h ed e c i s i o n t e c h n i q u e f o rt h e r a i l w a y a d m i n i s t r a t o ri sat o p i cw i t hg r e a ts c i e n t i f i ca n d p r a c t i c a l s c e n e a c c o r d i n gt o i t sm a i nt a s k s ，t h e r ea r et w ok i n d so fd e c i s i o nt e c h n i q u ea r e d i s c u s s e di nt h i sa r t i c l e ：o n ei sa b o u ts a f e t ye n s u r et e c h n i q u ed u r i n gt h ef l o o ds e a s o n ， a n o t h e ri sa b o u td i s a s t e r sp r e v e n t i o na n dc u r et e c h n i q u e t h ec o n t e n t si n c l u d i n g t h r e e p a r t s i nt h ef i r s tp a r t ，t h es t r u c t u r ea n dt h er u nm o d eo ft h er a i n f a l la l a r ms y s t e m ，t h e i n d e x s y s t e m a n dt h e w a yo fs e r i n gu p t h ea l a r ms t a n d a r da r ed i s c u s s e d s y s t e m a t i c a l l y ac a s es t u d yo nt h ec h e n - k u nr a i l w a yi sp u ti n t o t oi l l u s t r a t et h e a p p l i c a t i o n ar e l i a b i l i t ye v a l u a t i o nm o d e l w h i c hb a s e do nt h er e l i a b i l i t yt h e o r ya n d 两南交通大学博士研究生学位论文第1 v 页 m e t h o di sa l s ob r i n gf o r w a r d 鼍op r o v et h a tt h er a i n f a l la l a r ms y 呔e mi sak i n do f h i g h r e l i a b l ea l a r m s y s t e m i n t h es e c o n d p a r t , a n e wk i n do f d e c i s i o n t e c h n i q u e ：e x t e n s i o n d e c i s i o nt e c h n i q u ei sa p p l i e dt ot h ed e c i s i o nf o rt h ed e b r i sf l o wd i s a s t e rm i t i g a t i o n p l a n n i n g a k i n do fm a t t e r - o r i e n t e dm e t h o d ，w h i c hi sc a l l e de x t e n i cm o d e ，i ss e tu p i nt h i sp a p e rt od e s i g n ，c o m p a r ea n do p t i m i z et h ed i s a s t e rm i t i g a t i o np l a n n i n g t h e t h i r d p a r ti sa b o u t t h es p a t i a ld a t am i n i n g t e c h n i q u e 。m a n yi n f o r m a t i o ns y s t e m s h a v e g o te n o u g hs p a t i a ld a t aa b o u t t h ed e b r i sf l o w , b u th o wt ou s et h ei n f o r m a t i o ni nd e e p d e g r e e i sab i gp r o b l e m 。i nt h i sp a r t ，t h ea u t h o rd e v e l o p san e wk i n do f s p a t i a ld a t a m i n i n gt e c h n i q u e ：e x t e n i cs p a t i a l d a t am i n i n gt e c h n i q u e ae x t e n i c s p a t i a l d a t a m i n i n g t o o l ，i sa l s od e v e l o p e d ，u s i n gt h ea r c v i e w , ag i ss o f t w a r ew h i c h i ss u p p o r t e d b y t h ee s r i ，f o rt h ep u r p o s eo f t h er e a l - t i m ed e b r i sf l o wd a n g e rd e g r e ez o n i n go f t h e d e b r i sf l o wd a n g e rd e g r e e u s e rc a ni n t e r a c tw i t ht h es y s t e mt h r o u g ht h i st 0 0 1 a n d t h er e s u l tc a l la l s oh ev i s u a l i z e d 。 t h e o r i g i n a l i t yi n n o v a t i o n s o f t h i sp a p e ra r ea sf o l l o w i n g ： 1 t h eo r i g i n a l i t yi n n o v a t i o no nt h et h e o r y ： e x t e n s i o nt h e o r yi sak i n do fn e wt h e o r yt h a ti sp u tf o r w a r db yp r o f e s s o rc a i w e n t h i st h e o r yi sa p p l i e dt ot h ed e c i s i o nf o rt h ed e b r i sf l o wd i s a s t e rm i t i g a t i o n p l a n n i n gi nt h i sp a p e r ak i n do f m a t t e r - o r i e n t e dm e t h o d ，w h i c hi sc a l l e de x t e n i c m o d e ，i ss e tu pi nt h i sp a p e rt od e s i g n ，c o m p a r ea n do p t i m i z et h ed i s a s t e rm i t i g a t i o n p l a n n i n g 2 t h eo r i g i n a l i t yi n n o v a t i o no nt h et e c h n i q u e ： ( i ) ak i n do f r a i n f a l la l a r ms y s t e mi se s t a b l i s h e di nt h i sp a p e r i ta n a l y s i st h e s t r u c t u r ea n dt h er u nm o d eo ft h es y s t e ma tf i r s t ，a n dt h e nd i s c u s st h ew a yo f s e t t i n gu p t h ea l a r ms t a n d a r d ，w h i c hi so n eo f t h ek e yt e c h n i q u e t h em e t h o d a n dt h ep r o c e s so ft h es e t t i n gt h er a i n f a l la l a r ms y s t e ma r eh a v et h eg e n e r a l m e a n st ot h eo t h e rr a i l w a ya d m i n i s t r a t o r q ) ar e l i a b i l i t y e v a l u a t i o nm o d e lw h i c hb a s e do nt h er e l i a b i l i t yt h e o r ya n d m e t h o di sa l s ob r i n gf o r w a r dt op r o v et h a tt l l er a i n f a l la l a r ms y s t e mi sak i n d o fh i g hr e l i a b l ea l a r ms y s t e m ac a s es t u d yi sc a r r i e do nt h ec h e n k u n r a i l w a y , t h e r e s u l to f t h ee v a l u a t i o ni so n l yo 0 9t i m e s 1 0 0 0 0 0 0k m 3 t h eo r i g i n a l i t yi n n o v a t i o no n t h em e t h o d ： t od e s c r i b ea n d a n a l y s i st h eg e o l o g yd i s a s t e r , w en e e dm u c hs p a t i a li n f o r m a t i o n 西南交通大学博士研究生学位论文第v 页 a b o u ti t ，m a n yi n f o r m a t i o ns y s t e m sa b o u tt h ed e b r i sf l o wh a v eg o te n o u g hs p a t i a l d a t a , b u th o w t ou s et h ei n f o r m a t i o ni nd e e pd e g r e ei sab i gp r o b l e m ak i n do f s p a t i a ld a t ar a i n i n gt e c h n i q u e ，b a s e do i lt h ee x t e n i c st h e o r y , i sd e v e l o p e d ，t h i sn e w t e c h n i q u e i sc a l l e de x t e n i cs p a t i a ld a t a m i n i n g ( e s d m ) t h e a u t h o rt r i e st ou s et h i s t e c h n i q u e t og i v ean e w d i g i t a ld e s c r i b et ot h ed e b r i sf l o wd i s a s t e r t h et a r g e to f t h i s r e s e a r c hi st of i n dt h ea s s o c i a t i o nr u l e t h ee l a s s i f i c a t i o nr u l ea n d s oo no ft h es p a t i a l i n f o r m a t i o na b o u tt h ed e b r i sf l o w ae x t e n i c s p a t i a l d a t a m i n i n gt o o l ，i s a l s o d e v e l o p e d ，u s i n gt h ea r c v i e w , ag i ss o f t w a r ew h i c h i ss u p p o r t e db yt h ee s r i ，f o r t h ep u r p o s ed a n g e rd e g r e ez o n i n go f t h ed e b r i sf l o w k e y w o r d s ：m o u n t a i n r a i l w a y , d e c i s i o nt e c h n i q u e ，f l o o dp r o t e c t i o n o ft h e d e p a r t m e n t o f t h er a i l w a y m a n a g e m e n t 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了鳃学校有关僳爨、使惩学攮论文鳇规 定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印馋和嗽 子版，允许论文被查阅和借阅。本入授权西南交通大学可以将本学 位论文的全部域部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属予： 1 保密，在年解密后通用授权书 2 不保密，适瘸本授权书 ( 请在以上方框沟打“”) 学馒敞储躲；名绨 日舭醪上月参日 攒导教烬签名：凉蓼矗篙 日舻咱z 尽 西南交通大学 学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他 个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的人和集 体，均已在文中作了明确说明。 本人完全意识到本声明的法律后果有本人承担。 论文的创新点主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 理论上的创新体现在该文将可拓学基本理论与铁路泥石流防治理论 相结合，建立起铁路泥石流灾害物元模型，形成铁路泥石流灾害各种防治技 术的可拓语义表述，提出了面向物元系统的铁路泥石流灾害防治方案的设计 思想，并就方案的比选和优化方法作了一定的探讨。该研究为铁路泥石流防 治的计算机智能决策研究做了开拓性工作。 ( 2 ) 技术上的创新是关于汛期行车安全保障技术：雨量警戒制度的制定 与评估，表现在：形成了一套制订“雨量警戒制度”完整的工作方法与工作 程式。研究成果对于铁路部门制定汛期安全行车安全对策具有普适意义；运 用可靠性理论与方法对雨量警戒制度进行可靠性评估。 ( 3 ) 方法上的创新数据挖掘技术( d a t a m i n i n g ) 体现在作者首次将可拓 工程方法与空间数据挖掘技术相结合，是对空间数据挖掘方法的丰富，也是 对泥石流危险度区划方法的创新。 蓄簧鬻虢日期：肄6 月0 c i ，矧乞 日 西南交通大学博士研究生学位论文第1 页 1 1 问题的提出 第1 章绪论 在我国广大的山区，婉蜒伸展的铁路往往是建在被认为是“铁路禁区”地带， 经常受到山洪、泥石流、滑坡、崩塌等自然灾害的侵袭，铁路的连续安全运营 受到严重威胁。 铁路水害主要指由降水而诱发的山洪、泥石流、水漫道床、倒树、滑塌、溜 塌等形式的灾害。山洪是山区铁路第一大水害，对于洪水灾害，铁路部门有着 较为完善的防洪标准，本文不再讨论。 我国山区铁路水害呈现出以下几个特点： 其一，水害的影响面广，影响程度深。铁路泥石流是仅次于山洪的第二大水 害。我国是世界上泥石流分布较为广泛的国家，铁路是受泥石流危害最大的部 f 3 2 _ 一。据不完全统计，目前铁路沿线已查明的泥石流沟1 5 9 3 条，分布在3 2 条铁路线路之上。受泥石流威胁的铁路累计长度3 0 0 0 k m 左右，受危害的桥涵 长度为2 0 0 k m 左右，存在泥石流危险区间3 7 4 个以上。铁路泥石流给铁路部门 和人民的生命财产带来了巨大的影响和破坏，更甚者，会给铁路带来车毁人亡 的惨剧，1 9 8 1 年成昆铁路利子依达沟爆发泥石流冲卷客运列车，死伤数百人的 惨难至今使人心有余悸【l 】。 其二，铁路水害的发生在时间和空间上都呈现出一定的统计规律。我国大部 分地区6 - 9 月分进入汛期，这也是铁路水害高发时期；在空间上，水害主要集 中在成都、郑州、哈尔滨和沈阳等铁路局，约占总量的8 0 以上，其中有半数 以上发生在成都、郑州两局【2 】o 其三，从成因上看，山区铁路水害主要是由于降水诱发线路两旁的的地质灾 害而产生。成都局地处话南山区，水害发生的次数不为最多而水害断道时间最 多，平均强度列全国各铁路局之首，造成线路断道的主要灾害就是降水所诱发 的泥石流、滑坡、落石和倒树等难以处理的地质灾害【2 1 。 其四，近年来由于铁路沿线人类活动不断加剧，生态条件趋于恶化，水害事 件发生的频度和规模有加大的趋势。以成昆铁路泥石流灾害为例，沿线泥石流 西南交通大学博士研究生学位论文第2 页 沟由刚运营时的1 8 0 多条发展到现在的3 0 8 条，共爆发了2 2 6 次大小规模不等 的泥石流【3 】。 这些在铁路沿线散状分布、集中爆发且日趋严重的山地灾害往往使得铁路部 门疲于应付，防不胜防，成为铁路安全的重要威胁。因此，防止水害侵袭，确 保铁路的行车安全，是铁路防洪工作的中心任务。围绕着该任务，铁路部门开 展了大量卓有成效的工作。例如经过多年的研究与探索，对铁路沿线的泥石流 特征和规律有了较为深刻的认识，提出了在泥石流地区盼进行铁路勘测设计的 基本理论与方法，先后发展了诸如工程防治、生物防治等灾害防治技术；开展 了水害的监测、预警和预报技术研究等d q o 。这些工作在实践中取得了较好的效 果，但是，日趋严峻的防洪形势以及日益提高的安全要求对铁路防洪工作提出 了更高的要求，工务部门作为铁路防洪的主要职能部门之一，是这种更高要求 的直接体现者。 工务防洪的核心任务有两个：一是要防止线路受到各类水害的侵袭，确保线 路安全：二是要及时发现水害，有效阻止线路受损后导致的二次灾害事件。因 此，围绕着工务防洪的核心任务，在前人研究工作的基础上，针对山区铁路水 害发生发展规律和山区铁路自身特点，研究适合于工务防洪的决策技术，对于 提高工务部门行车安全保障能力，确保铁路运营安全，有着重大的科学与实践 意义。 1 2 国内外研究现状 与工务防洪任务相关的研究主要集中在两个方面：水害的防治技术和水害的 预测预报技术。 1 2 1 关于水害防治技术与可拓决策方法研究 与水害防治技术相关的研究有两类，一是所谓“硬防治技术”，即有关工程 防治措施与生物防治措施的研究与应用，这类研究已取得较多的研究成果，技 术也比较成熟，已经在铁路及其它国民经济系统中得到广泛的应用。代表性的 著作有陈光曦等人的泥石流防治、蒋忠信等人的中国山区道路灾害防治 以及周必凡等人的泥石流防治指南、中科院成都山地所主编的中国山地灾 西南交通大学博士研究生学位论文第3 页 害防治工程等；另一类是所谓的“软防治技术”，即用于指导泥石流防治的各 类决策技术，目前，这类研究正处于一个探索阶段，也取得了一些成果，例如， 蒋忠信等将超熵、分形理论、模糊理论与方法应用于铁路泥石流沟识别、流域 稳定性的判别及泥石流趋势预测；艾南山等将分形、自组织理论等非线性理论 用于泥石流沟谷演化、泥石流的发育及泥石流的预测预报研究当中；姚令侃提 出基于风险分析和可靠性分析的泥石流防治工程优化与设计等l 。 本文关于泥石流防治技术方面的研究亦是“软防治技术”的研究。研究内容 立足于工务防洪决策的需要，引入可拓学理论与方法，结合铁路部门经过多年 防灾实践积累的丰富经验和成熟技术，将铁路部门进行泥石流防治决策的思维 过程用形式化的可拓语言表达出来，以便于其在决策过程中，能按照一定的规 律合理地思维去寻找和生成关键策略，使其防灾减灾的决策过程更加快捷、科 学和规范。 可拓学是我国学者蔡文教授创立的一门新学科，1 9 8 3 年发表了论文“可拓 集合和不相容问题”，标志着新学科“可拓学”( 原称“物元分析”) 的诞生。1 9 8 7 年出版了第一本学术专著物元分析。1 9 9 0 年，钱伟长教授主编的中国应用 数学与力学进展把“可拓集合和不相容问题”一文的英文稿列入第一篇介绍 给世界。软科学手册和叶雅阁教授主编的决策科学手册把物元分析作为 新学科作了全面介绍，并指出它是一门介于数学、系统科学和思维科学的交叉 学科。中国工程院院刊中国工程科学发表评论文章指出：“可拓学是以蔡文 研究员为首的我国学者创立的新学科，在理论和方法上都取得了创新性、突破 性的研究成果。”i l 副 可拓学的研究对象是客观世界中各类矛盾问题，包括主观与客观矛盾问题、 主观与主观矛盾问题、客观与客观矛盾问题；其有两个支柱，一个是研究物元 及其变换的物元理论，一个是作为定量化工具的可拓集合论。它们构成了可拓 论的硬核。这两个支柱与其它领域的理论相结合，产生了相应的新知识，形成 了可拓论的软体。以可拓论为基础，发展了一批特有的可拓方法，如物元可拓 方法、物元变换方法和优度评价方法等，这些方法与其它领域的方法相结合， 产生了相应的可拓工程方法。可拓论与管理科学、控制论、信息论和计算机科 学相结合。使可拓工程方法开始应用于经济、管理、决策和过程控制中，开始 进入人工智能以及与人工智能相关的学科中 t 3 1 8 1 。 将可拓工程方法应用于决策中，称之为可拓决策方法。在决策过程中，人们 会遇到各种各样的矛盾问题。可拓决策方法利用物元理论，对目的物元和条件 西南交通大学博士研究生学位论文 第4 页 物元进行变换，以生成各种策略，利用可拓集合和关联函数进行综合评价，通 过反馈和调整，得到优度最大的决策方案【l 。 在铁路水害防治中，也会遇到大量的矛盾问题。例如，山区的铁路线路工程， 不可避免要遇到跨越泥石流沟问题，线路工程与泥石流沟在空间位置上的重叠， 使得二者构成一对尖锐的空间对立系统，如何化解二者在空间上的矛盾，有效 地将这一对立系统转换为相容系统，是工务部门面临的诸多矛盾问题之一。可 拓决策技术为解决这些矛盾问题提供了很好的技术平台，本文中有关铁路泥石 流防治的工务可拓决策方法即是一个有益的尝试。 1 2 2 关于水害的预报预测技术研究 在目前基于各类水害形成机理的预测预报模式尚处于理论探讨阶段的情况 下，基于降水统计的水害预报模式是目前水害预报的主要方法，国内外关于水 害预测预报的研究也是围绕着该方法而展开的。 山洪泥石流等灾害的发生与区域环境背景和降水条件密切有关，降雨是灾害 发生的充要条件之一，它存在一个触发灾害的最小降雨条件，即存在降雨的临 界雨量。临界雨量是指降雨量低于这个数值时，水害事件发生的可能性极小； 当降雨量超过这个数值时，水害事件发生的可能性较大。一般认为，临界雨量 由前期降水和即时雨强构成。前期降水会直接影响到土壤的含水量，从而影响 水害发生的临界雨量大小，即时雨强是水害事件的激发因素。日本京都大学武 居有恒2 ”是较早提出这一概念的学者之一，国内外许多单位和学者涉及这一 领域的研究6 “j 。 水害发生临界性成为山洪泥石流等水害实时预报预警的理论依据之一，临界 雨量和降雨分析法成为山洪泥石流实时预报预警基本方法之一。所谓i 临暴雨量 和降雨分析法，就是根据沟道历史泥石流发生的降雨情况分析，结合形成条件， 通过回归、统计、灰色预测、神经网络、智能模型等方法，确定临界雨量，通 过天气预报和降水实时情况，以临界雨量为依据，或根据预报模型，确定山洪 泥石流发生的可能性。 日本比较早地建立了当日降雨量和泥石流发生前的1 小时降雨强度预报模 型，以确定临界雨量线和避难报警线，制定预报图。其中最具代表性的有直线 回归形式的y = ax + b 和指数形式的y = a 。两种形式f 2 2 2 卦。在泥石流预警方面也 处于国际领先地位，其采用的仪器除了龙头高度泥位检知线、接触式泥位检知 西南交通大学博士研究生学位论文第5 页 器和震动传感器等外，还有微机雨量警报器( 传感器) 和雨量遥测装置，对上游 形成区的降雨资料进行分析，自动发出报警信号口”。 国内临界雨量和降雨分析法的研究文献也较多，在建立雨强与有效雨量组合 判别模式上，国内大多数都采用线性回归建立直线方程，但在选取雨强、有效 雨量参数上有所不同，陈景武在7 0 年代就开始采用泥石流暴发前1 日雨量和当 日雨量作为有效雨量，选用1 0 分钟雨强建立了雨强和有效雨量直线方程【39 1 ；谭 万沛等人通过选取我国泥石流发生的最大1 0 分钟雨强( 或l 小时雨强) 与有效日 雨量建立组合判别模式，并提出利用区域日暴雨量等值线的边界雨量值与中心 日最大雨量值组合判别区域泥石流发生数目的方法1 3 “。王礼先等人通过对北京 山区暴雨泥石流的研究建立了泥石流发生日前3 、5 或1 5 天雨量与当日激发雨 量的回归模型，并运用非线性神经网络模型对泥石流发生结果进行了初步研究 【3 9 】。 中科院成都山地所通过对蒋家沟实测降雨资料分析，得出泥石流形成的临界 降雨判别式和泥石流暴发临界降雨判别式，制成预报图进行临近预报。东川泥 石流站通过计算机存取收集整理数据，编成年鉴，建立泥石流预报模式，利用 遥测雨量装置或遥测地声警报器建立了预报预警系统【”】。 铁道系统在山区铁路沿线暴雨泥石流的预报预警研究中做了大量的工作。铁 道科学院西南分院在成昆线甘洛、陇海线等实验区的资料基础上完成了确定触 发泥石流发生的“临界雨量值”和“灾害临界线”及相关软件编制工作，通过 地面环境和降水条件的综合分析，确定了泥石流发生的判别函数，在实验区建 设一个包括地面信息采集系统、降水信息采集系统和泥石流预报中心处理系统 的泥石流预报系统，通过实验区的验证，预报预警效果较好【7 j 。 从各类已有的研究成果看，各种模式实用化推广程度还较差，采用的技术 手段有待加强，与实际应用特别是与铁路防洪要求还有较大的距离。鉴于此， 成都铁路局在其局管范围内实行了一种在汛期通过监测铁路沿线的降水量来指 导汛期行车安全保障制度雨量警戒制度。多年实践证明。该项警戒制度大 大提高了工务部门在汛期警戒中的行车保障能力，有效阻止了二次灾害事件的 发生，为山区铁路汛期行车安全提供了强有力的保障【4 “4 ”。 西南交通大学博士研究生学位论文第6 页 1 3 本文研究的内容及方法 1 3 1 论文的研究内容 本文在铁道部科技开发项目“铁路地质灾害信息系统及减灾决策技术 ( 9 9 g 5 0 ) ”支持下得以顺利进行，该课题将基础理论与实用工程技术相结合， 强调成果的可操作性和技术的高可靠性。研究工作以典型山区铁路成昆铁 路为蓝本，研究内容围绕着铁路工务防洪的需要而展开，为工务部门提供了两 大类防洪决策技术：其一是关于汛期行车安全保障技术，其二是关于水害防治 规划的设计与优化技术。 ( 1 ) 关于汛期行车安全保障技术 铁路安全行车是个复杂的人机环境系统，铁路沿线复杂多变的自然环境 是影响铁路行车安全的重要因素。在我国西部广大的山区，沿线自然环境恶劣， 汛期铁路经常受到滑坡、崩塌、泥石流、山洪等自然灾害的侵袭，铁路的连续 安全运营受到了严重威胁。因此，如何针对山区铁路水害事件的时间特征和空 间特征，采取积极稳妥的汛期行车安全对策，有效阻止运输灾害事件的发生， 确保铁路汛期运营安全，一直是铁路管理部门积极探索的重点。 本文在前人关于水害预测预报理论与技术的基础上，结合成都铁路局的实 践，全面分析了现行雨量警戒制度基本构成与运行模式，并对其关键技术：警 戒标准的制订作了详细的讨论，形成了一套制订“雨量警戒制度”完整的工作 方法与工作程式。文章还运用可靠性理论与方法，对该项警戒制度进行了可靠 性评估，并以成昆( 北段) 铁路资料为输入条件，计算出在西南山区复杂多变 的环境条件下，其行车事故率仅有0 0 9 件百万走行公里，从而在理论上证明该 项安全保障制度是科学合理且高度可靠的。这部分的研究内容明确回答了在汛 期防洪中工务部门应当怎样做以及这样做的效果等重要问题，具有较强的实践 意义。 西南交通大学博士研究生学位论文第7 页 ( 2 ) 关于水害的防治技术的可拓决策方法研究 研究客观世界中各类矛盾问题的解决方法是可拓学的特色之一。工务部门在 铁路水害防治的决策中，会遇到大量的矛盾问题，可拓决策技术为解决这些矛 盾问题提供了很好的技术平台。 铁路泥石流灾害的根本矛盾是空间对立矛盾，解决这种空间对立矛盾是解决 铁路泥石流灾害的基本出发点。本文运用可拓学基本理论，建立铁路泥石流灾 害物元模型，形成各类铁路泥石流灾害防治技术的可拓语义表述，提出了一种 面向物元系统的铁路泥石流灾害防治方案的设计思想。 在解决铁路与泥石流沟的空间对立问题时，对于所设计的各类防治方案，技 术因素往往较易于实现，更多的制约因素来源于如时间、经济、地形等等各类 非技术因素，可拓决策技术为化解这些矛盾，实现方案的优选、优化提供了较 好的方法，本文对此类问题亦有所讨论，并以一个案例为例，建立了一种对防 治方案实现比选和优化的可拓模式和方法。 对铁路泥石流这样的地质灾害进行分析和描述，需要有大量相关的空间信 息，而目前在各类地质灾害信息系统的建设中，大多数已建立起较为完备的灾 害信息的空间数据库，但在灾害形成和损失评估的各类数学物理模型开发上力 度不够。论文将可拓学基本理论与方法与空间数据挖掘技术相结合，利用g i s 系统多种数据源融合能力，对泥石流灾害进行全新的数字刻画和描述，初步形 成了对泥石流信息系统空间数据库进行深度挖掘和知识再发现、再表达能力。 文章中所构建的可拓空间分类器，主要用于泥石流的危险度区划，对于铁路泥 石流防灾减灾规划的科学决策具有重要意义。 1 3 2 论文的研究方法 论文采取了现场调查与理论分析相结合的技术路线，通过现场调查，取得大 量的第一手资料，充分利用已有的技术与理论，运用了包括数理统计、可靠性 工程、可拓学理论与方法、空间数据挖掘理论与方法、地理信息系统技术、计 算机仿真技术等现代理论与技术，取得了较好的研究成果，达到预期目的，并 有部分研究成果已反馈到生产部门，经受住实践的考验。上述理论与技术的运 用，充分保障了课题研究水平的先进性和技术的可行性。 第2 章雨量警戒制度 汛期是灾害事件的多发期。成融铁路的灾害攀件主要是由降雨诱发线路两 旁豹遮凄灾害i 孬产生鑫孽，8 0 发生在6 8 嚣阗懿嘏鬟。溺_ l 琏：紧紧蚕绕麓“降窳” 而展开汛期警戒是铁路灾害防御体系的重鼹环节。成昆铁路管