（道路与铁道工程专业论文）新建铁路基本走向方案比选决策支持系统的研究.pdf

! ! 塑奎望奎兰婴主堂堡笙兰一一塑里 新建铁路基本走向方案比选 决策支持系统的研究 摘要 新建铁路的合理选线是保证铁路输送能力和更好地为地方经济发展和城 乡居民服务的重要技术措施，同时，由于其投资巨大，并受到自然条件和其 它主要技术标准的制约，更使得铁路选线问题尤其重要。随着铁路选线设计 智能化和自动化的研究的深入，选择合理的新建铁路基本走向方案比选方法 的必要性、重要性日益突出。本文正是围绕着新建铁路基本走向方案比选辅 助决策系统的建立，开展了理论与应用研究工作。 本文运用系统工程的多目标决策的理论与方法，在综合考虑到比选方法 选取的实用性与合理性的基础上，综合采用了消去与选择转换法和线性分配 法，在新建铁路的基本走向初选出几个方案的基础上进行方案综合比选。在 比选的过程中，评价指标的权重的确定采用了改进的层次分析法。实现了基 于上述内容的新建铁路基本走向方案比选决策支持系统，使得方案比选工作 尽可能接近客观实际，计算尽可能快捷、科学。对铁路工程设计的科学化和 自动化作了初步探讨，做到了将系统工程理论与工程实际相结合。 关键讯震瓮墨嚣毳筹二冀嘉亲麓g 影麓 承赖层次分析法；一致性指标：滞去与选撞， 。 ? 畦塑薅；弛j 1 ，0 ；西皂缎g l ! ! 查窒望查兰堡圭兰堡堡苎 一j ! 兰 s t u d y 0 i it h et e c h n i q u e so fd e c i s i o ns u p p o r ts y s t e m f o rt h ea l t e r n a t i v e sc o m p a r i n ga n ds e l e c t i n g a l t e r n a t i v e so nn e w r a i l w a y a b s t r a c t t h ef u n d a m e n t a lt r e n do fn e wr a i l w a yi so n eo ft h ep r i n c i p a ld e s i g n i n g s t a g e s o fr a i l w a y s i ti sa n i m p o r t a n t t e c h n i c a lm e a s u r et os e r v ef o rl o c a l t r a n s p o r t a t i o na n di n h a b i t a n t sa l o n gr a i l w a y m e a n w h i l e ，i ti sa l s or e s t r i c t e db y c o n s t r u c t i o nc o s t s ，n a t u r a lc o n d i t i o n sa n do t h e rp r i n c i p a lt e c h n i c a ls t a n d a r d so f r a i l w a y a sd e e p e n i n gt h es t u d y o n r a i l w a y l o c a t i o ni n t e l l e c t u a l i z a t i o na n d a u t o m a t i o n ，i ti sm o r ea n dm o r en e c e s s a r ya n di m p o r t a n tt oe s t a b l i s ht h et h e o r i e s ， m e t h o d sa n ds y s t e m so fc o m p u t e ra i d e dd e c i s i o n - m a k i n go fc o m p a r i n ga n d s e l e c t i n gt h ei o c a t i o no fr a i l w a y t h i st h e s i sh a sd e v e l o p e da ni n t e l l i g e n ta i d e d d e c i s i o ns u p p o r ts y s t e mo np e r s o n a lc o m p u t e rf o rt h el o c a t i o no fn e wr a i l w a y t h et h e s i sd e v e l o p st h et h e o r y ，m e t h o d o l o g ya n da p p l i c a t i o ns t u d i e sf o c u s e do n c o m p a r i n g a n ds e l e c t i n gl h el o c a t i o no fl i n t yr a i l w a y i nt h i st h e s i s ，t h et e c h n i q u e so fm u l t i o b j e c t i v e sd e c i s i o nm a k i n ga n dt h e m e t h o d so fs y s t e me n g i n e e r i n ga r e a p p l i e dt o m a k eo p t i m a ld e c i s i o no ft h e l o c a t i o na l t e r n a t i v e s ah i e r a r c h ys y s t e mo ft h ea s s e s s m e n tc r i t e r i af o rl o c a t i o n a l t e r n a t i v e sd e c i s i o ni se s t a b l i s h e da n dt i l ee f f e c t i v em e t h o d so fe v a l u a t i n ga n d n o r m a l i z i n gt h ev a l u e so ft h ec r i t e r i aa r ea d v a n c e d 。t h ea h p m e t h o di sa p p l i e d t od e t e r m i n et h ew e i g h t so ft h ec r i t e r i at h ee l e c t r em e t h o df o rr a n k i n gt h e n e wr a i l w a yl o c a t i o na l t e r n a t i v e s c o m p l e t e l y i s i m p r o v e da n de x p a n d e d a c o m p u t e r a i d e dd e c i s i o n s y s t e m f o rt h ed e c i s i o n m a k i n g o ft h el o c a t i o n a l t e r n a t i v e si sd e v e l o p e dd e p e n d e n to na b o v em e t h o d sa n dm o d e l s t h es t u d yh a s r e f e r a b l ev a l u ea n da c a d e m i cs i g n i f i c a n c ef o rr e s e a r c ho ns y s t e me n g i n e e r i n g t h e o r ya n dm u t i o b j e c t i v ed e c i s i o nn m k i n gt e c h n i q u e k e y w o r d s ：f u n d a m e n t a l t r e n d ；a l t e r n a t i v e sd e c i s i o n s ；d e c i s i o ns u p p o r t s y s t e m s ( d s s ) ；m u l t i o b j e e t i v e s d e c i s i o n m a k i n g ；a n a l y t i ch i e r a r c h y p r o e e s s ( a h p ) ；c o n s i s t e n c yi n d e x ；e l i m i n a t i o e tc h o i c et r a n s l a t i o n r e a l i t y ( e l e c t r e ) 2 北方交通大学硕士学位论文 第一章绪论 第章绪论 1 1 论文选题的背景 新建铁路基本走向方案综合比选，是在铁路建设前期需要解决的重要问 题，其基本走向方案选择的是否合理，直接影响到该铁路建成后能否满足国家 经济建设需要，影响到线路设计的质量，工程造价和运营条件的好坏并最终决 定一条铁路的经济效益。尤其在我国铁路运输承担着国家客货运的主要运输任 务，对国家的政治、经济、国防以及铁路沿线所经区域的政治、经济、文化的 发展都有着重要作用，因此作为铁路建设宏观决策的新建铁路基本走向方案比 选工作具有举足轻重的作用。同时，新建铁路基本走向方案的比选问题又是一 个相当复杂的综合选优问题： 确定铁路的基本走向方案比选工作涉及的相关因素多，影响范围广，而且 线路走向的优劣，往往没有一个明确的界限，很难单纯地给出一个肯定或 否定意见。 有些影响因素如：政治经济影响，路网意义以及生态环境，目前还很难用 数学方法进行模拟或通过数学计算公式得出明确的结论，难以进行量化， 给方案比选工作带来困难。 影响方案比选的各种因素常常是互相联系，互相作用的，即经常是减轻某 一方面的不利因素的影响，同时又导致其它不利因素的增长。 各个线路基本走向方案各有各的特点，又没有统一的约束条件来衡量，各 方案之间互相比较有一定的困难。 综上所述，新建铁路基本走向方案综合比选是一项不但意义重大而且相当 复杂宏观的一项决策工作。因此，我们有必要研究出切实可行的决策评估方法， 来应用于铁路建设基本走向方案比选中，从中选出总体效果最优的且可行的方 1 北方交通大学硕士学位论文 第一章绪论 案加以实施。 1 2 论文选题的意义 新建铁路基本走向方案的比睦方法的研究不仅是在铁路建设领域内有极其 重要的作用，而且在其它多目标规划问题上也有举足轻重的作用，因为宏观决 策的好与坏直接影响着整个建设工程的是否合理，尤其在投资巨大的工程领域 更是如此。目前我国建设资金较为贫乏，对于大型的建设工程需要研究出较为 科学的宏观决策方法来确定其基本走向方案，从而加强资金的合理利用，使有 限的资金得到最大程度的利用。 1 3 国内外硼贫j 况 新建铁路基本走向方案比选的理论与方法，主要是应用系统工程与运筹学 方面的理论。目前，运用智能系统技术和理论来建立辅助决策支持系统是当今 国内外的重要发展方向，这技术的研究已广泛应用于军事、农业、城市规划、 交通运输以及工程设计、施工管理等领域中。在铁路工程界，自八十年代以来 专家系统的研制己得到蓬勃发展并已应用到桥梁，隧道等专业中的有关预测、 规划、决策，甚至是初步设计等阶段中。在新建铁路基本走向综合方案比选这 一领域中，自改革开放以来已经有了突飞猛进的发展，尤其以计算机在工程领 域的应用的推广为代表，已经能够运用计算机作为辅助手段对方案的选择做出 决策与评估。但是，评价的理论与方法上仍存在着一些不足，例如，在方案比 选过程中，各评价指标权重的确定大多仍采用传统的专家打分法，其主观因素 较多，同时缺乏检验指标对其优劣进行评价；在方案比选模型的建立上也缺乏 较完善的模型对各方案进行合理的评估，最后比选的结果通常主观因素影响很 大，有时会出现这样或那样的失误，不仅造成资金上的浪费，同时仍可能无法 满足国家的运输要求。因此，为使方案选择的更合理更可行，我们仍需要在新 建铁路基本走向方案的综合比选的理论与方法上进行深入的研究与探讨，克服 北方交通大学硕士学位论文 第一章绪论 l 她有方法的不足，避免使得国家本来就有限的资金得不到充分的利用，加快我 国铁路基本走向方案决策的科学化和手段现代化的历程。 1 4 本文研究的主要内容和目标 本论文的主要目的是针对新建铁路基本走向方案的比选方法进行理论研 究，对目前常用的几种多目标规划方法进行比较，选择并综合几种较为合适的 方法，应用到新建铁路基本走向方案的选优，以充分发挥各种方法的优点。 第一章介绍了本文研究的背景、意义、国内外现状，从理论上说明了本课 题的必要性与重要性。 第二章简要介绍本问题的研究方法。 第三章对整个程序系统进行了介绍，包括选用合适的编程语言，以及各子 系统的功能简介。 第四章对线路基本走向的方案比选方法与实现上作了详细介绍。 第五章对本论文做简要的总结。 本论文研究拟订达到的目标： 分析有关方案综合比选方法的构成因素，制定出计算机辅助决策的内容和 标准要求。 研究计算机实现方案综合比选过程的方法，研究并制定知识表示形 式，系统推理式等。 研究方案综合比选的理论与方法，据此建立多方案i 粉的数学模型建 立评价指标体系。 对铁路规划设计和管理部门的有关专家进行咨询调研，在总结现有资 料及专家经验的基础上，研究建立相关的专家知识库，开发系统推理 机制，研制并完成方案决策子系统。 北方交通大学硕士学位论文第一章绪论 在以上成果的基础上，确定界面方式，划分功能模块，确定系统结构 并进行系统总体设计。 4 北方交通大学硕士学位论文 第二章研究方法简介 2 1 问题的分析 本论文研究的是新建铁路基本走向方案综合比选的理论与方法，其前提是 要求对线路的基本走向已经确定，即初选方案已经确定下来，比选所需的基础 数据已经通过初选得到。所以本论文所做的工作是在原有初选结果基础上，具 备部分比选数据的条件下进行的，但是由于原有资料在定性的评价指标上不够 完善，所以本程序加进了一些定性的评价指标与相关数据，然后进行方案的综 合比选。整个过程具体来讲，主要包括下面几个步骤： 通过人机交互进行线路基本走向的确定，进行初选，得到方案比选所需要 的基本数据。 确定方案综合比选的评价指标。 确定各评价指标的权重。 根据各评价指标读取各初选基本走向方案的基础数据。 对各方案进行比选，将结果通过最佳方案的查询输出。 2 2 新建铁路基本走向方案比逸方法 方案最终选取的优劣，需要由诸如线路的运输能力、工程投资、线路总长、 沿线地形、地质等自然条件，在路网中的意义如何，对沿线经济发展、生态环 境的影响等等多个定量和定性的指标来加以评价，线路基本走向的方案选择的 任务，就是要在多个方案、多个指标的隋况下选择决策者认为最好的方案。因 此，线路的基本走向的方案比选是一个多目标规划问题。 传统的线路方案论证与择优都是在方案比较表上进行的，其中各定量因素 的值大都以货币指标来衡量，即以货币作为多个方案进行比较的统一尺度，最 北方交通大学硕士学位论文 第二章研究方法简介 后以换算工程运营费的大小，并结合一些重要的定性因素，根据决策人员的主 观价值判断，决定方案的取舍。这种方法为我国建国四十多年来的铁路设计中 各种方案的比选做出了巨大贡献。但是，这种方法本身存在着些不能忽视的 缺陷。首先，以货币指标来衡量某些定量因素，不能完全反映这些因素的本身 的真正价值。例如，铁路占地这个因素可以用购地费来衡量，虽然可以在购地 费中反映被占地在今后一段较长时期内的产值，但却无法反映良田被占用后对 本地区今后的农业发展、经济开发所产生的刁讲螺；响；再如地质条件的好坏可 以用处理不良地质条件所需的投资来度量，但却不能反映不良地质条件对线路 安全造成的威胁。其次，传统方法没有定量考虑各因素之间的相对重要陛，这 有时会使决策人员在决策时感到棘手。第三，以货币度量的定量因素与定性因 素之间没有一个共同的度量尺度，较难做出科学的判断和选择。因此，传统的 比选方法将难以满足现代科学技术水平和工程设计质量的要求。多目标决策方 法能够克服上述缺点，为线路基本走向方案的综合比选提供了有利的决策工 具。 多目标决策方法就是对具有多个目标的问题进行决策的一种方法，二十多 年来，它在工业计划和控制、设旌布局、运输与公共事物、财务计划、资金预 算、教学计划、人力计划、自然资源管理、土地利用、水利资源开发等领域中 得到广泛的应用，近年来也逐渐在铁路工程与规划中得到应用。多目标决策问 题可分为两大类，即离散型多目标决策问题和连续型多目标决策问题。我们所 遇到的问题属于前者的范畴，即决策者必须在有限数目的被择方案中进行选 择，这些被择方案是用一组共同的、无公共测度单位的多个副示来评价的。这 类问题的多目标决策过程的基本步骤可描述为： 提出与研究的隋形相联系的一般目的描述： 导出或确定出供选择的方案： 北方交通大学硕士学位论文 第二章研究方法简介 规定用于评估目的的一组共同的有关指标及其相对重要性： 确定每个被择方案的指标值； 选择适当的多目标决策方法进行择优。 作为本论文主要研究内容，线路基本走向方案的多目标决策分析在第四章 中详细叙述。 由于线路基本走向的确定，是一个多目标决策问题，因此在整个决策过程 中，需要大量的、重复使用的数据和信息，例如沿线的地形、地质、经济等基 础资料以及不同地形、地质、线路主要技术标准下的工程投资等指标等，使用 传统的文件来处理这些具有数据量大、重复数据多、需要集中存贮管理以提供 共享的数据，是难以令人满意的，而数据库技术却具有巨大的优势。 数据库是在传统的文件系统的基础上发展起来的。它是以一定的组织方式 存贮在一起的相互有关的数据的集合。数据库能以最佳的方式、最少的重复为 多种应用( 用户或应用程序) 服务；数据的存贮方式独立f 使用它们的应用程 序；在增加新的数据或更新和检索数据库中现有数据时，使用了一个通用的控 制方法，即数据库管理方法。这些存贮在一起的相关数据的集合以及数据库管 理方法和数据库管理员构成了完整的数据库管理系统。 数据库技术就是研究数据系统的一门技术，也是一种新的数据管理技术， 由于它具有上述重要的优越性，所以近年来己发展成为计算机科学应用的一个 重要领域。数据库技术已经在企业管理、工业控制、设计规划以及决策分析中 得到了广泛的应用，也在铁路投资估算中得到了广泛的应用。 2 3 智能辅助决策系统技术 随着计算机技术和信息技术的日益推广和应用，决策支持系统( d s s ， d e c i s i o ns u p p o r ts y s t e m s ) 、执行信息系统( e i s ，e x e c u t i v ei n f o r m a t i o ns y s t e m s ) 、 智能决策支持系统( d s s i n t e l l i g e n td s s ) 这些面向管理决策人员的信息系统 7 北方交通大学硕士学位论文 第二章研究方法简介 越来越受到人们的重视，并成为国内外计算机应用领域内的热门研究课题。特 别是近年来，国内的研究已经从理论阶段走向应用实践。决策支持系统，以及 将人工智能技术与其结合起来而形成的智能决策支持系统，它们改变着各种组 织机构的管理方法，影响着决策的效能和效率。决策支持系统( d s s ) 是以管 理科学、运筹学控制论和行为为基础，以计算机技术仿真技术为手段面对复杂 的决策问题辅助中高层决策者决策活动的、具有一定智能行为的人机交互系 统。它能为决策者提供决策所需的数据、信息和背景材料，帮助明确决策目标 和进行问题识别，并对各种方案进行分析、比较判断，为最终能够提供尽可能 接近客观实际的方案提供有益的帮助。 使用决策支持系统的必要性( 特点) ： 辅助求解复杂问题的能力。能够解决一般不能由其它计算机化方法解决的 复杂问题，或者虽然能解谢旦速度很慢的问题； 对导致条件变化的不可预料的情况能迅速做出反映。能在很短的时间内做 出完整的定量分析、甚至能对事物的不断变化做出客观的评估和分析； 在不同情况下迅速客观地采取不同策略的能力； 洞察和学习问题的能力； 便利交流。由于用户积极地参与了数据收集和模型建造过程，因而大大加 强了管理者之间的交流： 改善了管理控帛n 和行为； 节省资金，决策支持系统的日常应用可以减少费用的支出，能减少甚至消 除错误决策带来的费用消耗； 客观地进行决策，依据决策系统比例用直觉和判断进行决策更具有一致 性，更加客观。同时，决策依赖于较全面的分析，并且受决策影响的大多 北方交通大学硕士学位论文 第二章研究方法简介 数人参与了决策过程，因此具有很高的质量，成功实现的机会较大； 改善了决策的效能，上述的所有功能部能改善管理的效率和提高个人的效 率，因为，它允许管理者以较短的时间或较少的努力去完成任务。决策系 统为管理者提供了高质量的时间进行分析、计划、和实施方案； 能够为个人或群体提供支持。决策系统既能用来支持管理者个体，又可用 来支持管理者群体。 决策支持系统( d s s ) 是能对计划、管理、调度、作战指挥和方案择优等 应用问题进行辅助决策的计算机程序系统，已在各种领域得到广泛的应用。决 策支持系统的任务在于对于各种具体决策问题的辅助决策。把专家系统技术加 入到决策支持系统中就形成了智能型的决策支持系统( i d s s ) 或智能辅助决策 系统( i a d s ) 。决策辅助( 支持) 系统是辅助决策者进行决策的支持工具，而 不是代替做决策，它主要应用于对半结构化和非结构化的问题进行辅助决策。 目前，决策辅助( 支持) 系统也已在铁路工程设计方案中得到应用。 对于本文的复杂的线路基本走向的方案比选问题，为完成上述五个不同 阶段的工作，采用了包括专家系统技术、多目标决策方法、数据库技术等多种 技术与方法，这就需要使用决策支持系统技术把前述各种技术与方法融为一 体，为线路的基本走向决策在以下方面提供辅助决策，支持决策者： 描述与表示决策阀题； 形成候选的决策方案： 建立评价候选决策方案的原则、标准和方法； 评价和判断各种候选方案，并从中选择满意的结果： 旦判定不能获得满意的结果时，提出下一步如何修改候选方案，以便进 行下一轮的选择和评判。 本文所建立的新建铁路基本走向综合方案比选智自e 辅助决策系统就是基于 北方交通大学硕士学位论文第二章研究方法简介 上述思想的，它能为线路基本走向问题中的各个不同阶段提供上述各方面的支 持。 本论文第三章将是程序系统简介。 1 0 北方交通大学硕士学位论文 第三章程序系统简介 本章将论述基于前述分析而建立的铁路基本走向智能辅助决策系统的程序 设计要求、程序设计语言的选择以及系统的基本结构与主要功能。 3 1 本系统的设计要求 从前两章的分析与论述可知，本系统的设计必须满足以下几方面： 第一必须能为新建铁路基本走向问题中的线路技术标准的确定、概略走向、 线路的各择方案以及最终通过线路方案的优选，得到最佳方案等各个不同阶段 为决策者提供： 决策问题的表示与描述； 备择决策方案的产生； 决策方案的评价原则、标准和方法的建立； 备择方案的评价及优选，在不能获得满意结果时能提出下一步应如何修改 方案等各方面的支持。 第二由于线路基本走向的特殊眭与复杂性，所以，本系统必须能够熔包括专 家系统技术、多目标决策方法以及数据库技术等多种技术与方法于一体，既具 有逻辑推理功能又具备对大量数据进行处理、计算和管理的能力，而且还要具 备在数据间进行转换的能力，以达到全面支持决策者的目的。 l 如前所述，由于线路基本走向方案比选是一个非常复杂的半结构化的决策 问题，它的许多子问题无法明确描述或不能用算法解决，这就决定了本系 统的工作方式不可能是全自动的，而应该是人机交互的，因此要求系统具 有友善的人机交互界面，使系统能更好地支持决策。 2 由于本系统将是一个庞大而复杂的系统，因此为了能更好地进行编程、调 北方交通大学硕士学位论文 第三章程序系统简介 试、维护，以及为将来扩展做准备，要求以模块化的方式进行系统设计。 e 述对本系统的设计要求，实际上也就是本系统的设计思想。 3 2 程序设计语言的选择 建造辅助决策系统的方法根据其开发工具的不同，主要有两类： 程序设计语言方法 即选择一种( 或套) 适合于具体问题特点的程序设计语言进行辅助决策 系统的开发。在开发时，开发者要自行设计总体结构，确定组成部分，并用这 种( 些) 语言具体编写系统的各个组成部分。因此，这类方法既有较高的难度 又有相当大的工作量。 系统外壳方法 即根据具体决策问题的特点，选择一个现成的辅助决策系统的空壳子( 或 框架) ，根据使用说明填写“具体内容”( 包括数据、模型与方法等) ，就可形 成一个可运行的决策支持系统。这种方法避免了一切从头开始的缺点，从而能 够大大减轻建造的工作量。 从前述的对本系统的设计要求来看，当前尚没有适合于新建铁路 基本走向方案的综合比选问题的、可以利用的系统开发工具( 外壳) ，因此， 本系统的开发只能采用第类方法，即选择一套能满足本系统设计要求的程序 设计语言，来进行系统的开发。 根据该问题的特点和本系统的设计要求，适合于开发该系统的语言必须具 备以下功能： 必须是一讲人工智能语言，具有逻辑推理能力； 必须具备齐全的计算功能： 能够构造出友善的人机交互界面； 具有模块化程序设计的特点，且适合在计算机上使用。 1 2 北方交通大学硕士学位i 仑文 第三章程序系统简介 o o p ( o b j c c t o d e a t e d p 彤匝f n j n g ，面向对象的程序设；卜) 是当前计算机软件 领域最重要的程序设计概念，结构化程序设计语言p a s c a l ，c ，f o r t r a n 等语言 是七十年代和八一卜年代经常出现的名词，随着各软件的发展专业程序员逐渐感 到，结构化计算机语言在处理高度复杂的程j t - 时已经力不从心，为了弥补结构 化计算机语言的缺点，面向对象程序设计的观点应运而生，提供了种简捷可 靠的方式，供程序员设计程序和以后方便的维护程序。 o o p 是一种试图模仿现实世界的程序设计方法。为了应付现实生活的复 杂性，我们已逐步形成了很好的概括分类和抽象的能力。在我们的日常词汇中 几乎每一个名词都表示一类对象，具有一组属性或一类特征在c 十+ 中，o o p 的发展利用了我们对事物分类和抽象这样一种自然倾向。 下列主要性质刻画了o o p 语言的倾向； 封装：把一个数据的结构同操作数据的函数( 行为或方法) 组合在起，这 是借助种新的结构和数据类型机制类来达到的。 继承：指建立一个新的派生类，它从一个或多个预先定义的基类中继承函 数和数据，而且，可能重新定义或加进新的数据和行为，这样就建立了类 的等级。 多态；给行为取一个名字或符号，它从上到下共享一个类等级，这个等级 中的每个类都以适合自己的方式实现这科，行为。 a 斗提供了面向对象程序设计的完整功能： 对程序结构和模块的更多可控性： 建立一个有自己的特殊操作的新数据类型的能力 提供了帮助用户建立可重用代码的工具。 北方交通大学硕士学位论文 第三章程序系统简介 与非面向对象的语言相比，所有这些特征都可用来编写出更加结构化可扩 充和易维护的程序。为了获得这些重要益处，用户也需改变多年来一直认为是 标准程序设计的思维方法。一旦作到了这一点，那么，就变成了种简单直观 高级的解决传统软件设计中许多难题的工具。总之，v i s u a lc + + 是m i c r o s o f t 迄今为止最全面、最完善的程序开发工具，为了适应各种编程风格，该软件提 供了各种各样的辅助工具，在发挥编程能力和提高灵活性方面达到了很高的水 平。 根据上述分析，本系统的研制决定采用较为通用的程序设计语言( v i s u a l c + + ) 来进行系统开发。因为，虽然l i s p 语言、p r o l o g 语言两种语言方式 在构造专家系统时具有一定优势，其缺点也是显而易见的：首先，不够灵活， 在实现如涉及到多项定量基础数据的数学运算时，不如通用程序设计语言容易 实现；其次，它们对硬件的操作功能不强，系统的通用性及界面设计的自由度 都不高，而v i s u a lc + + 语言通过合理的程序设计同样能使系统实现专家决 策的功能，而且在方案比选过程中需要进行的大量数据处理，数学运算，由 v i s u a lc + + 语言实现更方便，同时，要使系统成为一个使用方便、可以适用 于各种类型机器不需做很多修改的辅助决策应用软件，v i s u a lc + + 可以提供 良好的界面和用户服务功能，因而能很好的完成方案比选的决策任务。 3 3 本系统的结构、功能及环境 基于前述本系统的设计思想，应用软件工程方法确定了系统的基本结构， 以v i s u a lc + + 为编程语言，以模块化程序设计方法进行了系统的设计。系统 由个子系统组成，即： i 信息输入及管理子系统 该系统作为本辅助决策系统的基础数据模块，它的功能主要是通过计算机 自动获取的方式，收集整理进行线路基本走向选择所需要的数据及各种信息资 北方交通大学硕士学位论文第三章程序系统简介 料，为构造知识推理系统提供前提条件；另一方面，通过建立数据库管理子系 统，实现数据库的查询、检索、维护和修改等功能。 该子系统输入的主要信息为运量、地形条件、沿线城镇有关信息、矿产资 源、贫困地区、少数民族地区、既有路网信息及生态环境等。该子系统的结构 如图3 一l 所示： 图3 一l 信息输入及管理子系统结构图 2 资料查询子系统 该子系统结构如图3 - 2 所示： 图3 - 2 资料查询子系统结构示意图 本子系统提供资料查询功能，包括基础数据查询，有方案初选、方案比 选两部分结果查询等等。 3 帮助文件子系统 它主要为用户提供使用本辅助决策系统的各种帮助信息，如系统使用方 法、系统行为的解释及各子系统功能简介等。其模块构成如图3 - 3 所示： 用户通过使用帮助文件，不仅可以很快对系统的结构有个全局的 北方交通大学硕士学位论文 第三章程序系统简介 了解，并能很快使用它进行操作，而且，对系统每一步操作行为给出解释，提 高系统的透明度和清晰度。 3 - 3 帮助文件子系统结构示意图 4 打印功能子系统 为满足本系统用户对输出结果不同格式的要求，还设计了结果打印子模 块。它包括基础数据的打印、方案初选结果打印、比选结果打印和机器储存信 息的打印等多种服务功能。其基本结构如图3 4 所示： 图3 4 打印功能子系统结构示意图 北方交通大学硕士学位论文 第三章程序系统简介 5 方案初选子系统 ( l ) 目的： 构造方案初选子系统的目的是根据基础数据库提供的数据资料，初步拟订 基本走向与线路实际隋况相匹配的一系列可行方案。 线路初选方案产生的一般过程是： 首先，根据该线吸引范围内的运量预测，取得该线在近期、远期内能够分 配的运量；研匍临近线路在现有装备条件下，可能达到的能力，包括线路、站 场及相关设备配套的能力。 其次，根据该线的具体情况，研究满足能力需要的各种可能的新建方案， 并去掉明显不合理的方案，保存初选结果，为决策者和使用者提供辅助决策的 功能，同时，为方案比选提供数据。 ( 2 ) 系统原理及方法： 本予系统应用专家系统知识表示和推理机制的理论，用产生式规则表示法 和过程式规则表示法，把大量专家知识用机器语言表示出来，形成知识库，通 过函数调用实现其推理过程，即把由“信息输入及管理子系统”提供的数据 资料作为函数的参数代入函数，运用专家知识进行逻辑推理或计算，以得到一 组能够满足需要而且经济合理的可行方案。如图3 - 5 所示： 6 方案比选子系统 该子系统是本论文主要内容，它是在线路走向初步确定的搜索过 程完成以后，系统生成了若干线路走向方案，然后对各方案进行综合b 匕睦，从 各走向方案中选取一个综合评价指标最佳方案作为最终的推荐方案。“方案比 选子系统”就是从上述目的出发来进行开发的。 线路基本走向确定的比选工作在新建铁路线路设计中占十分重要的地位， 新建铁路线路基本走向确定的好与坏直接影响到该条铁路建成后能否满足国家 1 7 北方交通大学硕士学位论文 第三章程序系统简介 3 - 5 方案初选子系统结构示意图 经济建设的要求，影响到线路设计的质量、工程造价和运营条件的好与坏，并 最终决定一条铁路的综合经济效益。 新建铁路线路基本走向方案的比选工作极其重要，同时又是一个相当复杂 的综合优选问题。本子系统是对线路基本走向方案进行综合比较的具体方法的 研究和探索，在研究中运用了多目标规划的理论，确定出了本系统所使用的比 选方法一消去与选择转换法。 该系统的理论与方法将作为本论文的重点内容在第四章做详细介绍。 3 4 程序的实现 本辅助决策系统进行面向对象分析主要考虑两方面的内容：系统的问题领 域和用户对系统功能的需求。 首先，分析问题领域，明确问题领域的范围及其与外界环境的关系，建立 问题领域的对象模型。把问题领域和外部环境分别作为一个整体对象，分析它 北方交通大学硕士学位论文 第三章程序系统简介 们的属性及组成对象，把对象的可数属性作为刘象。然后，标识此层中各对象 问的关系及对各对象可提供的对自身状态改变的操作。再分析此层对缘的属性 和组成，如此下去，直到都为不能再分解的属性为止。 接着，分析系统的用户需求。首先，明确软件系统的用户类型，然后逐个 分析各类用户要求系统完成的功能，将功能块逐步分解为独立的功能对象。按 功能将对象分为界面对象、实体对象和控制对象三类。界面对象实现系统与用 户间的信息交换；实体对象封装系统中较稳定的信息和功能，这些对象多为嵌 套对象中一定抽象层次上的对象；控制对象实现一些由单一界面对象或实体对 象不能完成的功能，这些功能往往为多个实体间的相互作用。按用户的需求功 能块组脚吝些对象，根据需求标识一些约束条件对象，在对功能对象进行抽象 时，注意充分利用问题领域中已分析过的对象。另外，用户的不同功能块有时 处理的是同一对象的不同方面，此时可进彳亍对象的再抽象，即标识它们的父类 对象来实现它们的共同操作。 最后，综合以上分析的对象建立类库管理系统，用来存放和管理对象及 其关系。类库管理系统是对象表、服务表、屙陛表和参数表的组合。类库管理 系统的建立使得分析中的对象保持一致性和无冗余性，对象间的关系进一步明 确。 3 4 1 总体结构 面向对象设计的软件系统结构建立在一系列类上，每个类都是一些数据和 方法的封装。面向对象软件设计的关键是通过寻找共同性把软件系统分为类， 建立子类来处理具体个陛，这样一步步构造出一个具有合适的类和子类的层次 结构的软件系统。 因此，定义一个面向对象软件系统结构的结构框架和构成一个完整的系统 设计的结果表现为一系列类( 子类) 、它们的定义和对象，用方法接c i 描述每 北方交通大学硕士学位论文 第三章程序系统简介 个类的行为特征，而这些类中定义和方法的接e l 又与具体实现细节的定义分 开。 本面向对象的辅助决策系统是各种类的有机合成系统，各个类相对独立， 同时，又可通过类对象问的消息传递而相互作用。其总体结构如图3 - 6 所示 类库管理系统 用， 一黔艇艨类 自 。一 jt 尹删一h 问号 图3 咱面向对象辅助决策系统总体结构示意图 3 4 2 面向对象的应用 线路基本走向选择辅助决策系统是一个影响范围广、涉及因素众多的复杂 系统。每个设计阶段无论从功能、工作原理来看都各有特点，而且，它们之间 又有着不可分割的关系，从总体来说，分析设计过程包括以下几个方面：如图 3 7 所示： 图3 _ 7 线路走向辅助决策系统的分析设计过程示意图 对于其中的线路初选与比选阶段，主要包括建模、分析、计算、设计等环 节，仔细研究以下这两个阶段的设计过程，我们就可以发现这两个过程从楚体 上看较为相似。只是在具体实现方法上不同。它完全可以利用面向对象的方法 进行分析设计。 面向对象设计是在考虑软件实现环境下，为实现用户的功能需求，完成分 析过程中对象的格式化、模块化( 即对象类的设计) ，确定系统中各对象类间 北方交通大学硕士学位论文第三章程序系统简介 相互作用的方式途径。其步骤可描述为：确定构成本系统的对象、对象分类并 给出类定义、数据封装、引入继承和派生概念、多态性的运用等。( 这些具体 概念的定义已在第一、二章中解释) 3 4 3 面向对象的知识表示方法 对线路走向方案进行综合评价，其影响因素是多方面的，而各因素又是互 相关联、互相影响的，而且，不同的影响因素对线路走向方案的最终确定的影 响程度也是不一样的。 本子系统采用面向对象知识库，知识类型包括事实、规则和过程三种。每 个对象包括这几种类型。 1 事实知识表示： 由于我们对己知事物的了解或对新事物的判别常常表现在对事物各方面属 性的综合掌握或判断，用反映事物特性的属性值表示事物，也就理所当然。面 向对象表示法认为所有的实体都是用对象来描述的，每个对象具有一组操作和 内部状态( 即属性) 。对象属性类，是类的具体实例。在面向对象的知识库中， 事实知识可以有数据抽象和实例两种不同的方式。面向对象表示法能在不同层 次表达知识。在高层次，对象能封装复杂的行为，而具体细节对该层知识又是 透明的；还可构造相关信息并把它们保持在一起，灵活性又好，所以，用面向 对象表示法处理知识表达，其优越性是明显的。例如，类提供的封装特性和对 象的局部存储机制，而基于规则的程序设计语言缺乏这种高级的结构化概念。 使用面向对象的知识表示，概念化的对象可表示某个特定领域的知识，它 们间保持同样的层次关系。相对具体的概念可由个或多个相对抽象的概念所 蕴涵。一个子类可以有多个父类，其特性可由多个父类的特陛组合而成。在子 类对象中之前只需表达其特有的属性并处理知识，从而减少知识表示中的重 复。 2 1 北方交通大学硕士学位论文 第三章程序系统简介 针对进行确定线路走向所需的有待形式化的知识、叙述性知识、有关专家 经验、特殊的计算方法、有关数据方面的知汉与联系、结构示意图等，系统均 可以采用以对象来描述，如这些对象本身的状态可用类变量和实例变量来描 述；对象之间的二元关系通过定义这类变量的类型来实现：多个对象之间的关 系即可通过传递消息来实现也可作显式表示( 关系表达式) ；对象与外部方法 库的联系可定义成外部方法；与数据库之间的联系可在对象状态部分作显式描 述等。在具体的实现细节上，有关专家经验和特殊的计算方法，本系统仍将采 用产生式规则和过程式规则表示法，并将它们融于各对象的成员函数中的推理 过程中。( 有关产生式规则和过程式规则表示法将在下面介绍) 下面介绍有关 类的描述的几个概念： 类变量：该类对象的共同属性，由该类对象所共享。 实例变量：为该类的对象所有，每个实例对象可以有不同的值，这些变量 可分为数据库数据和非数据库数据两类。 内部方法：定义在对象内部的过程。 外部方法：定义在外部方法库中的知识。 应用面向对象的方法，所有的知识表示都实现在程序的各子“类” 里。类主要处理问题的描述，其中包括对问题( 即事物) 的各属性的描述( 成 员变量) 和对属性的操作( 成员函数) 。这些函数的构成主要是规则表示的过 程和数学运算的过程。问题的完整描述由若干类组成。问题求解过程是通过信 息的传递来完成的。发送信息是一种请求，请求某对象完成它的操作，操作的 执彳亍导致另外一些消息的传递。数学运算是指在线路基本走向确定的过程中， 不仅要用到大量的以自然语言为原始体现方式的专家知识和规范性知识，还需 要进行些数学运算，例如，线路总长、工程造价等等都需以计算为依据。这 些计算过程都编制在了相应的计算机程序作为函数的一部分，与规则表示、数 北方交通大学硕士学位论文 第三章程序系统简介 据处理一起构成了系统的数据库。 2 规则知识表示 对于大量的专家知识、专家经验以及书本知识( 包括铁路设计标准 和规范) 的表示，本系统采用的方法类似于产生式系统，用产生式规则表示。 所谓产生式规则，是指人工智能领域中，以计算机符号语言来表示人类知识、 体现人类认知能力的种方法。一个独立的产生式规则是由规则的前提条件、 规则的内部形式以及规则的结论三部分构成的。如一个最简单的产生式规则形 式为： 规贝j r u l e ：t f a ， t 1 1 e n ：b 上面的规则名为剐l e ，其前提条件为a ，结论为b ，由a 得到b 的过程称为规 则眦的内部形式即规则的逻辑推理过程。 具体对于线路走向确定来说，能使其确定的各个影响因素构成规则 的前提条件：线路基本走向根据各个影响因素确定的过程形成规则的内部形式 即逻辑推理过程：经过内部推理所得到的结果即具体线路走向成为规则的结 论。 知识表示过程中规则的形式是模仿铁路专家进行线路基本走向选 择的思维决策过程的。铁路专家在初步拟订线路基本走向时的主要思维过程 为：首先确定线路的基本走向的影响因素，即由哪些条件确定的；然后确定现 有数据资料是否足以确定线路走向；最后根据影响因素与结论的因果关系进行 逻辑推理和数学运算，从而最终得出结论。 本系统的最终结论是选出个最佳线路走向，但具体到某一个规 则，其经过内部形式所得到的规则结论往往仅是为推理机制调用其它规则提供 与规则前提条件相匹配的数据。因而，一个线路走向的确定，往往是在匹配大 北方交通大学硕士学位论文 第三章程序系统简介 量规则和进行大量的数学运算后得出的，而不是说仅由一条规则就可以确定一 个线路走向的。针对上述特点，系统在开发知识库的过程中采用模块化程序设 计，对于大量专家知识、专家经验以及书本知识，用程序语言表示成规则后尽 可能集中在同一工程模块中，以方便推理过程的调用；同时，对于共用性较大 的规则，则作为一个独立模块，即用一个函数表示，这样在系统工作过程中就 可以通过不同参数对函数的调用来实现，从而使程序更为精练，减少重复工作。 在程序设计方法上，根据专家知识以及书本知识大都是以自然语言 的形式表达的这特点，系统采用了接近自然语言的规则表示法，即产生式规 则的复合表式法，如下所示： i f ( 前提矧牛1 ) f i f( 前提条件n ) 结论1 ； ) e l s e1 f( 前提条件1 ) i f ( 前提条件n ) f 结论2 ； 北方交通大学硕士学位论文 第三章程序系统简介 j e l s e