尤志嘉，付厚利，時(shí) 健，尤春安

(山東科技大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院，山東 青島 266590)

基于特征樹類比法的軟巖巷道支護(hù)設(shè)計(jì)原理與應(yīng)用

尤志嘉，付厚利，時(shí) 健，尤春安

(山東科技大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院，山東 青島 266590)

根據(jù)從定性到定量綜合集成法原理，提出了適用于復(fù)雜巨系統(tǒng)間相似性與差異性分析的特征樹類比法及相關(guān)理論，并給出了特征樹模型結(jié)構(gòu)及定量計(jì)算相似性指數(shù)的計(jì)算機(jī)算法，以此為基礎(chǔ)構(gòu)建人機(jī)交互的類比分析體系。將特征樹類比法原理應(yīng)用到軟巖巷道支護(hù)設(shè)計(jì)中，有效地解決了不同巷道斷面之間的可類比性無(wú)法定量分析的問(wèn)題。針對(duì)龍口礦區(qū)軟巖巷道支護(hù)決策系統(tǒng)研究課題，基于特征樹類比法原理開發(fā)了巷道支護(hù)設(shè)計(jì)決策支持系統(tǒng)，通過(guò)挖掘分析以往巷道的支護(hù)案例實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)方案的類比遷移。工程實(shí)踐表明該系統(tǒng)能夠有效地實(shí)現(xiàn)類比對(duì)象檢索、類比分析及設(shè)計(jì)方案咨詢功能，驗(yàn)證了特征樹類比法對(duì)于軟巖巷道支護(hù)設(shè)計(jì)的適用性與可靠性。

特征樹；類比法；巷道支護(hù)設(shè)計(jì)；決策支持系統(tǒng)；數(shù)據(jù)挖掘

軟巖巷道支護(hù)問(wèn)題一直是困擾煤礦安全生產(chǎn)的主要問(wèn)題之一[1]。從20世紀(jì)60年代我國(guó)就開始針對(duì)具體的軟巖工程特性開展支護(hù)技術(shù)及優(yōu)化設(shè)計(jì)研究，由于軟巖巷道自身的復(fù)雜性，目前的軟巖支護(hù)設(shè)計(jì)主要還是采用工程類比法，國(guó)內(nèi)各大礦區(qū)在軟巖支護(hù)技術(shù)上都積累了許多成功的經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)資料[2-4]。隨著“大數(shù)據(jù)時(shí)代”的來(lái)臨，人們?cè)絹?lái)越重視這些歷史數(shù)據(jù)背后所蘊(yùn)藏的價(jià)值，如何根據(jù)不同的工程地質(zhì)條件，充分利用以往成功的經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)資料是目前軟巖巷道支護(hù)設(shè)計(jì)的重要研究課題[5]。

傳統(tǒng)的工程類比法依靠專家經(jīng)驗(yàn)作出工程間的相似性判斷，或者通過(guò)工程巖體分級(jí)的方式歸納概括巖體特征[6]，以此為基礎(chǔ)完成設(shè)計(jì)方案的類比遷移。眾所周知，人類的類比思維能將形象思維與抽象思維有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，善于對(duì)事物進(jìn)行整體性判斷，但其也有明顯的局限性，容易受到主觀因素的影響以及自身知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)的限制，并且只能給出定性的判斷。此外經(jīng)驗(yàn)豐富的專家數(shù)量有限，也不可能普遍地進(jìn)行指導(dǎo)與咨詢。為了突破傳統(tǒng)工程類比法的瓶頸，一些學(xué)者嘗試建立專家系統(tǒng)[7-9]，利用計(jì)算機(jī)與人類思維互補(bǔ)的優(yōu)勢(shì)輔助類比分析與決策。然而由于缺乏對(duì)類比推理機(jī)制的深入認(rèn)知，加之使用的推理模型復(fù)雜且計(jì)算效率較低，目前鮮有專家系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用到巷道支護(hù)設(shè)計(jì)中。

薛守義在文獻(xiàn)[10]中認(rèn)為實(shí)現(xiàn)巖土工程類比設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問(wèn)題在于快速檢索類比目標(biāo)、相似性判斷和差異性分析3個(gè)方面，并指出如何整合工程的眾多影響因素并作出相似性的定量判斷是一個(gè)有待解決的難題。事實(shí)上國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于工程相似性的定量化分析曾做過(guò)一些研究，例如楊志法[11]提出了“可比度”的概念，作為一個(gè)半定量的經(jīng)驗(yàn)性指標(biāo)描述不同工程間的可比性；周海清[12]應(yīng)用模糊數(shù)學(xué)方法計(jì)算單個(gè)影響因素對(duì)滑坡治理工程可類比性的影響等。然而目前的定量類比方法還存在以下幾個(gè)主要的問(wèn)題：① 沒(méi)有考慮工程諸多影響因素之間的層次結(jié)構(gòu)，無(wú)法體現(xiàn)不同層次影響因素之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系；② 不能根據(jù)具體設(shè)計(jì)目標(biāo)靈活地調(diào)整類比程式；③ 計(jì)算過(guò)程的各環(huán)節(jié)需要人為反復(fù)干預(yù)，難以通過(guò)計(jì)算機(jī)編程及數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)實(shí)現(xiàn)。

本文提出了適用于復(fù)雜巨系統(tǒng)間[13]相似性與差異性定量分析的特征樹類比法及相關(guān)理論，并將該理論應(yīng)用到軟巖巷道支護(hù)設(shè)計(jì)中，用于構(gòu)建巷道支護(hù)設(shè)計(jì)決策支持系統(tǒng)，形成人機(jī)交互的工程類比分析體系，有效地解決了無(wú)法定量分析不同軟巖特征及巷道斷面相似性的難題。

1 特征樹類比法

定義：特征樹類比法是以根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)所構(gòu)建的特征樹模型為基礎(chǔ)，通過(guò)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)不同客體之間相似性與差異性分析的一套類比方法體系。

本質(zhì)上講特征樹類比法屬于從定性到定量綜合集成法[14]，由專家體系(領(lǐng)域?qū)＜?、知識(shí)表示體系(以特征樹模型為載體)和工具體系(基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及計(jì)算機(jī)推理程序)組成，根據(jù)專家的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)將客體宏觀的整體概念自上而下分解為微觀的特征，通過(guò)計(jì)算機(jī)程序完成特征值間的對(duì)比映射，并自下而上定量地計(jì)算客體間的可類比程度，然后再將計(jì)算結(jié)果反饋給專家做出綜合判斷，從而構(gòu)成一套智能化的人機(jī)交互類比分析體系。

1.1 基本理論與假設(shè)

特征樹類比法認(rèn)為任何客體都具有數(shù)量眾多的屬性，這些屬性構(gòu)成了客體的屬性集合，而能夠體現(xiàn)客體與其他客體之間相似性與差異性的屬性子集稱為特征。在特征樹類比法中將特征分為具體特征和抽象特征兩類，任何客體的概念都可以通過(guò)其不同特征按照一定的層次結(jié)構(gòu)所表征。

(1)具體特征

具體特征有具體的特征值，可用于描述抽象概念，而其本身不能再被其他特征所描述。具體特征又分為定性特征(Qualitative Characteristic)和定量特征(Quantitative Characteristic)兩種類型(為了方便表述，在公式推導(dǎo)中分別以簡(jiǎn)化符號(hào)“QL”和“QN”表示)。定性特征的特征值集是一個(gè)有限集。例如將“巖體結(jié)構(gòu)類別”作為一個(gè)定性特征，則根據(jù)中科院地質(zhì)研究所的分類其特征值集為“塊狀結(jié)構(gòu)”、“鑲嵌結(jié)構(gòu)”、“碎裂結(jié)構(gòu)”、“層狀結(jié)構(gòu)”、“層狀碎裂結(jié)構(gòu)”及“散體結(jié)構(gòu)”6個(gè)。定量特征的特征值可被定量地度量，例如“單軸抗壓強(qiáng)度”、“巷道埋深”等都可以用一個(gè)數(shù)值作為其特征值，不同客體的特征值差異可以通過(guò)數(shù)學(xué)方法量化評(píng)價(jià)。

(2)抽象特征

抽象特征是一個(gè)抽象的概念，沒(méi)有具體的特征值，它可以被若干其他抽象特征或者具體特征所描述，這些描述它的特征稱為該抽象特征的子特征。例如“巖體完整性”[15]作為一個(gè)抽象特征，可以通過(guò)具體特征“彈性波波速”和抽象特征“結(jié)構(gòu)面特征”描述，而“結(jié)構(gòu)面特征”又可以通過(guò)“節(jié)理組數(shù)”、“節(jié)理間距”、“節(jié)理體積裂隙率”等具體特征描述。

1.2 應(yīng)用特征樹類比法的前提條件

應(yīng)用特征樹類比法的前提條件是實(shí)現(xiàn)客體及其屬性的信息化管理，即要求客體的屬性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)中，并且數(shù)據(jù)關(guān)系至少要滿足數(shù)據(jù)庫(kù)第二范式[16]的要求。

1.3 特征樹模型

將客體的每個(gè)特征作為一個(gè)節(jié)點(diǎn)，按照相互關(guān)聯(lián)與影響的層次關(guān)系構(gòu)成一個(gè)樹形的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，稱為特征樹模型。其中抽象特征位于非葉子節(jié)點(diǎn)上，而具體特征只能位于葉子節(jié)點(diǎn)上。根節(jié)點(diǎn)(Root)是一個(gè)特殊的抽象特征，它位于特征樹的根部，表示客體的整體性概念。

為了定量地計(jì)算類比評(píng)價(jià)指標(biāo)，引入特征權(quán)重(weight)的概念，表示子特征對(duì)其父特征的影響程度。規(guī)定根節(jié)點(diǎn)的權(quán)重為1；對(duì)于抽象特征節(jié)點(diǎn)(Abstract Characteristic Node，簡(jiǎn)寫為ANode)假設(shè)其有n個(gè)子特征節(jié)點(diǎn)分別為ANode(i),i∈[1,n]，則

采用系統(tǒng)工程學(xué)中的優(yōu)序圖法為子特征分配權(quán)重，見(jiàn)表1，根據(jù)專家的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)將子特征的重要程度進(jìn)行兩兩對(duì)比，對(duì)于i,j∈[1,n],若子特征ANode(i)比ANode(j)重要，則Wij=1；若兩者同等重要，則Wij=0.5；若子特征ANode(j)比ANode(i)重要，則Wij=0。

表1 子特征優(yōu)序

Table 1 Precedence graph of sub characteristics

抽象特征節(jié)點(diǎn)ANode(1)ANode(2)…ANode(n)ANode(1)W11W21…W1nANode(2)W12W22…W2n????ANode(n)Wn1Wn2…Wnn

將對(duì)比結(jié)果填寫到優(yōu)序圖內(nèi)，則子特征ANode(i)的優(yōu)序值為

而ANode(i)的權(quán)重即為其優(yōu)序值與優(yōu)序圖內(nèi)所有子特征優(yōu)序值之和的比值：

一個(gè)簡(jiǎn)單的特征樹模型示意如圖1所示。

圖1 特征樹結(jié)構(gòu)示意

1.4 類比量化評(píng)價(jià)指標(biāo)：相似性指數(shù)(SI)

相似性指數(shù)(Similarity Index，縮寫為SI)表示兩個(gè)不同客體之間的相似程度。SI的值域在0～1之間，其值越大則表示相似程度越高，SI=1表示兩者完全相同，而SI=0則表示兩者完全不同。

為了計(jì)算相似性指數(shù)，首先引入特征貢獻(xiàn)指數(shù)(Characteristic Contribution Index，縮寫為CCI)的概念。特征貢獻(xiàn)指數(shù)表示在進(jìn)行類比時(shí)某個(gè)子特征的相似程度對(duì)其父特征相似性的貢獻(xiàn)程度，它由特征值和特征權(quán)重共同決定：

(1)對(duì)于定性特征節(jié)點(diǎn)QL，若其特征值相同則QL.CCI=QL.weight，否則QL.CCI=0。

(2)對(duì)于定量特征節(jié)點(diǎn)QN，通過(guò)隸屬函數(shù)量化兩個(gè)特征值間的相似程度，CCI等于特征權(quán)重乘以隸屬度(以正態(tài)分布隸屬函數(shù)為例)：

QN.CCI=QN.weight exp[-(r-1)2]

其中，r為兩個(gè)定量特征值中較大者與較小者的比值，即r≥1。

(3)對(duì)于抽象特征節(jié)點(diǎn)ANode，假設(shè)其有n個(gè)子節(jié)點(diǎn)分別為ANode(i),i∈[1,n]，則

綜上所述，定義兩個(gè)類比客體之間的相似性指數(shù)(SI)為根節(jié)點(diǎn)Root所有子節(jié)點(diǎn)Root(i),i∈[1,n]的特征貢獻(xiàn)指數(shù)之和，即

1.5 特征樹類比法的基本原則

(1)特征樹模型是專家知識(shí)經(jīng)驗(yàn)的載體，類比分析的效果很大程度上取決于特征樹模型的結(jié)構(gòu)與權(quán)重的分配是否科學(xué)合理。

(2)采用群體決策的方式充分發(fā)揮專家知識(shí)經(jīng)驗(yàn)的作用，并盡量消除專家差異化判斷的影響。例如在確定特征樹結(jié)構(gòu)和權(quán)重分配時(shí)采用“德?tīng)柗品ā保哉{(diào)查表的方式分別向?qū)＜医M成員進(jìn)行征詢，而專家組成員又以匿名的方式提交反饋意見(jiàn)，經(jīng)過(guò)幾輪反復(fù)征詢和反饋后最終使專家意見(jiàn)趨向于集中。

(3)盡量選用定量特征代替特征值為“大、小、高、低”之類的定性特征來(lái)描述客體的概念。

(4)同一抽象特征的每個(gè)子特征都應(yīng)該獨(dú)立于其他子特征，即不存在相互依賴的關(guān)系。

(5)特征樹的層次設(shè)置應(yīng)兼顧計(jì)算復(fù)雜程度，一般情況下分層不宜過(guò)多。

1.6 特征樹類比法與層次分析法的對(duì)比

特征樹類比法與層次分析法相比，都是按照一定的層次結(jié)構(gòu)對(duì)所研究對(duì)象進(jìn)行分解并分配權(quán)重，然后根據(jù)權(quán)重進(jìn)行匯總計(jì)算，兩者在形式上有一定的相似性。但是這兩種方法之間存在著明顯的差異：

(1)首先研究的目的和方法不同：層次分析法的目的是在一定的目標(biāo)下針對(duì)多個(gè)待選方案進(jìn)行分析，根據(jù)分析計(jì)算結(jié)果選擇最優(yōu)方案；而特征樹類比法是將源客體與多個(gè)目標(biāo)客體分別進(jìn)行兩兩對(duì)比并計(jì)算兩者的相似性，然后根據(jù)相似性進(jìn)行排序從而優(yōu)選出最具可類比性的目標(biāo)客體。

(2)其次層次結(jié)構(gòu)的劃分不同：層次分析法的“分層遞階結(jié)構(gòu)模型”由目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和方案層組成，目標(biāo)層與準(zhǔn)則層之間、準(zhǔn)則層與方案層之間是“多對(duì)多”的關(guān)系，其實(shí)質(zhì)上屬于“圖形結(jié)構(gòu)”。而特征樹模型是將所研究客體的整體特征逐層分解到最末端的具體特征，每一個(gè)父特征與其子特征之間都是“一對(duì)多”的關(guān)系，屬于典型的“樹形結(jié)構(gòu)”。從數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的角度來(lái)講，特征樹模型要比分層遞階結(jié)構(gòu)模型簡(jiǎn)單的多，這種差異將在后文所述的算法復(fù)雜度分析中體現(xiàn)出來(lái)。

2 基于特征樹類比分析的核心算法

2.1 特征樹模型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的定義

為直觀且簡(jiǎn)潔地表述核心算法原理，本文中數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義及算法設(shè)計(jì)均以C++語(yǔ)言的偽碼形式描述。

(1)定義特征類

根據(jù)面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)理論[17]將特征抽象為一個(gè)“特征類”，則每個(gè)特征都是特征類的一個(gè)實(shí)例。特征類的定義如下：

classCNode

{

public:

stringtype; //特征類型

stringname; //特征名稱

stringvalue; //特征值

floatweight; //特征權(quán)重

floatthreshold; //特征閾值

StackTypeStack; //存放子節(jié)點(diǎn)地址的棧

};

(2)定義特征樹類

classCharacteristicTree

{

private:

CNodeRoot； //定義根節(jié)點(diǎn)

QueueTypeQueue; //差異特征隊(duì)列

floatSI= 0; //相似性指數(shù)

floatCCI= 0; //特征貢獻(xiàn)指數(shù)

floatAnalogyMethod(CNode*Pa,CNode*Pb);

//兩個(gè)特征樹實(shí)例進(jìn)行類比映射

floatMembership(floatAvalue,floatBvalue);

//隸屬函數(shù)

};

2.2 類比分析核心算法

根據(jù)特征樹模型分別構(gòu)建源客體和目標(biāo)客體的特征樹實(shí)例，通過(guò)映射比較兩個(gè)特征樹實(shí)例計(jì)算它們的相似性指數(shù)，并記錄存在差異的特征列表。本算法屬于多叉樹深度優(yōu)先遍歷的遞歸算法[18]，具體描述如下：

floatAnalogyMethod(CNode*Pa,CNode*Pb)

{

CNode*P; //記錄當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的指針

SNode*Pc,*Pd; //指向子節(jié)點(diǎn)棧的指針

floatthisWeight; //當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的特征權(quán)重

P=Pa;

if(P.Type==’abstract’) //抽象特征

{

CCI= 0; //將CCI清零

while!P.Stack.IsEmpty()

{ //遞歸映射抽象特征的所有子樹

*Pc=Pa.Stack.PopStack;

*Pd=Pb.Stack.PopStack;

Pa=Pc.address;

Pb=Pd.address;

CCI=CCI+AnalogyMethod(Pa,Pb);

}

}

elseif(P.type==’qualitative’) //定性特征

{

if(Pa.value==Pb.value)

CCI= 1;

else

{

CCI= 0;

Queue.Inqueue(P.name,Pa.value,Pb.value);

}

}

elseif(P.type==’quantitative’) //定量特征

{

CCI=this.MemberShip(Pa.value,Pb.value);

If(CCI

Queue.Inqueue(P.name,Pa.value,Pb.value);

//若CCI低于特征閾值則插入差異特征隊(duì)列

}

thisWeight=P.weight;

SI=CCI*thisWeight; //返回前計(jì)算SI

returnSI;

};

在實(shí)際的決策支持系統(tǒng)開發(fā)中可以采用不同的隸屬函數(shù)重載Membership方法，形成隸屬函數(shù)庫(kù)，創(chuàng)建特征節(jié)點(diǎn)時(shí)只需指定其對(duì)應(yīng)于哪個(gè)隸屬函數(shù)即可。Queue為類比程序運(yùn)行過(guò)程中臨時(shí)記錄差異特征的隊(duì)列，其每個(gè)節(jié)點(diǎn)存放一個(gè)差異特征，程序運(yùn)行結(jié)束后將隊(duì)列元素輸出到用戶界面或保存至數(shù)據(jù)庫(kù)文件。

對(duì)于程序設(shè)計(jì)過(guò)程中的基礎(chǔ)算法，例如特征樹的初始化，子節(jié)點(diǎn)地址棧和差異特征隊(duì)列的創(chuàng)建與操作，以及數(shù)據(jù)庫(kù)存取技術(shù)等都屬于計(jì)算機(jī)學(xué)科范疇且有成熟的程序案例可供參考，本文限于篇幅不再詳細(xì)敘述。

2.3 算法時(shí)間復(fù)雜度分析

下面分析該算法的計(jì)算時(shí)間復(fù)雜度：由于算法計(jì)算時(shí)間復(fù)雜度T為其所遍歷節(jié)點(diǎn)次數(shù)x的函數(shù)，即：

T=T(x)

假設(shè)特征樹模型中有n個(gè)特征節(jié)點(diǎn)，而在數(shù)據(jù)庫(kù)中搜索到m個(gè)需要進(jìn)行類比分析的目標(biāo)客體，由于該算法是將源客體與目標(biāo)客體分別進(jìn)行兩兩類比，那么程序總的時(shí)間復(fù)雜度為

T′=mT(n)=O(n2)

可見(jiàn)該算法總的時(shí)間復(fù)雜度為常數(shù)平方級(jí)。

而如果使用層次分析法，分別將m個(gè)目標(biāo)客體作為待選擇方案建立分層遞階結(jié)構(gòu)模型，假設(shè)該模型目標(biāo)層和準(zhǔn)則層中共有n個(gè)節(jié)點(diǎn)分別與之相關(guān)聯(lián)(多對(duì)多的關(guān)系)，那么程序總的時(shí)間復(fù)雜度為

T′=mT[n(n-1)/2]=O(n3)

可見(jiàn)后者的算法時(shí)間復(fù)雜度為常數(shù)3次方級(jí)，在實(shí)際工程應(yīng)用中當(dāng)m或n取值越大時(shí)這種計(jì)算效率的差異越明顯，后者甚至有可能導(dǎo)致計(jì)算資源不堪重負(fù)。

3 軟巖巷道支護(hù)設(shè)計(jì)應(yīng)用實(shí)例

課題名稱：龍口軟巖巷道支護(hù)決策系統(tǒng)研究

課題概況：山東能源集團(tuán)龍口礦區(qū)為國(guó)內(nèi)典型的軟巖礦區(qū)，其巖體結(jié)構(gòu)軟弱、松散、破碎，巖體力學(xué)性質(zhì)表現(xiàn)為強(qiáng)度低、易風(fēng)化、易膨脹、易流變等特點(diǎn)，巷道壓力顯現(xiàn)強(qiáng)烈、來(lái)壓快、變形量大，圍巖穩(wěn)定性難以控制，上述工程特點(diǎn)一直制約著該礦區(qū)的安全生產(chǎn)。本課題通過(guò)整理龍口礦區(qū)自建礦以來(lái)積累的大量生產(chǎn)資料，研究該礦區(qū)出現(xiàn)或長(zhǎng)期存在的典型地質(zhì)特征、開采地質(zhì)條件、巷道破壞形式及常用支護(hù)手段，建立了巷道支護(hù)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)[19](目前已存儲(chǔ)500余個(gè)巷道斷面及其支護(hù)設(shè)計(jì)方案資料)，在此基礎(chǔ)上根據(jù)特征樹類比法建立“巷道支護(hù)設(shè)計(jì)決策支持系統(tǒng)”，充分挖掘分析以往成功的軟巖巷道支護(hù)案例，為新建軟巖巷道提供可靠的支護(hù)設(shè)計(jì)方案。

該系統(tǒng)開發(fā)工具使用微軟公司集成可視化開發(fā)環(huán)境Microsoft Visual Studio，數(shù)據(jù)庫(kù)管理軟件使用MicroSoft SQL Server，系統(tǒng)功能模塊如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)功能模塊

在“基礎(chǔ)數(shù)據(jù)”模塊中實(shí)現(xiàn)巷道斷面屬性數(shù)據(jù)的新增、修改、刪除、查詢等功能，待設(shè)計(jì)的巷道斷面屬性信息可通過(guò)此模塊錄取系統(tǒng)，也可以通過(guò)后臺(tái)批量導(dǎo)入到基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)。

為保證類比分析的可靠性，組織了6位經(jīng)驗(yàn)豐富的軟巖巷道支護(hù)設(shè)計(jì)專家，針對(duì)龍口礦區(qū)軟巖的工程特性構(gòu)建特征樹模型。選取“巷道基本特征”、“圍巖力學(xué)特征”、“巷道變形特征”3個(gè)影響軟巖巷道支護(hù)設(shè)計(jì)的主要因素作為第1層抽象特征，并逐層向下分解為與基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)中的屬性列相對(duì)應(yīng)的具體特征。采用1.3節(jié)中所述的方法計(jì)算每個(gè)抽象特征對(duì)應(yīng)子特征的權(quán)重，例如對(duì)于抽象特征“工程地質(zhì)條件”來(lái)說(shuō)，其6個(gè)子特征分別為：頂板圍巖類別、底板圍巖類別、兩幫圍巖類別、巖層傾角、地下水條件和巷道埋深，子特征權(quán)重的計(jì)算見(jiàn)表2。

同理可以計(jì)算其他抽象特征的子特征權(quán)重。

在“知識(shí)庫(kù)”模塊中創(chuàng)建和維護(hù)特征樹模型及特征節(jié)點(diǎn)信息。圖3所示構(gòu)建根節(jié)點(diǎn)為“巷道特征點(diǎn)”的特征樹模型。

將每個(gè)特征節(jié)點(diǎn)綁定基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)中對(duì)應(yīng)的屬性字段名稱，則系統(tǒng)可以在選定巷道斷面時(shí)讀取基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)并自動(dòng)生成其特征樹實(shí)例。

表2 工程地質(zhì)條件子特征權(quán)重計(jì)算

Table 2 Sub characteristics weight calculation of engineering geological condition

子特征頂板底板兩幫傾角地下水埋深優(yōu)序值特征權(quán)重頂板0.5111115.50.31底板00.501113.50.19兩幫010.51114.50.25傾角0000.5000.50.03地下水00010.512.50.14埋深000100.51.50.08

圖3 創(chuàng)建特征樹模型

以龍口礦區(qū)北皂煤礦某回采巷道(編號(hào)為W6XJY(1-1)，巷道基本參數(shù)已通過(guò)“基礎(chǔ)數(shù)據(jù)”模塊錄入到系統(tǒng))為例。該巷道位于煤層中，埋深473 m，頂板為厚度12.55 m含油泥巖及粉巖，有一定的膨脹性，自穩(wěn)性差，底板為泥巖與泥質(zhì)砂巖互層，持續(xù)底臌。設(shè)計(jì)巷道凈寬3 200 mm，墻高2 000 mm。

打開“類比分析”窗體如圖4所示，點(diǎn)擊“選擇”按鈕，選擇需要類比設(shè)計(jì)的“原巷道斷面”，系統(tǒng)讀取數(shù)據(jù)庫(kù)中該斷面的特征數(shù)據(jù)并自動(dòng)生成特征樹實(shí)例，將“巷道類別”、“巷道用途”等關(guān)鍵特征顯示在界面上，作為檢索目標(biāo)巷道斷面的過(guò)濾條件。用戶點(diǎn)擊“檢索類似斷面”按鈕，系統(tǒng)在數(shù)據(jù)庫(kù)中檢索符合過(guò)濾條件的目標(biāo)巷道斷面，逐個(gè)建立特征樹模型實(shí)例與原巷道斷面進(jìn)行類比映射并計(jì)算相似性指數(shù)，然后根據(jù)相似性指數(shù)的計(jì)算結(jié)果排序，將相似性最高的若干條(圖4“顯示條數(shù)”可人為設(shè)置)目標(biāo)巷道斷面信息顯示到界面列表中。

圖4 類比分析界面

在圖4中選中某一條目標(biāo)巷道斷面(如巷道W11008C(1-1))信息，點(diǎn)擊右側(cè)的“差異特征列表”選項(xiàng)卡，系統(tǒng)顯示原巷道斷面與該目標(biāo)巷道斷面的差異特征及特征值對(duì)比，如圖5所示。

圖5 差異特征列表

圖4中的計(jì)算結(jié)果顯示編號(hào)為W6XJC(2-2)的巷道與原巷道相似性指數(shù)為0.812，進(jìn)一步分析表明此兩條巷道之間在巷道尺寸、圍巖力學(xué)特征、工程地質(zhì)條件等方面的相似性程度很高，因此選擇該巷道的支護(hù)設(shè)計(jì)方案作為原巷道參考方案[20]。如圖4所示選中該目標(biāo)巷道斷面，點(diǎn)擊“支護(hù)設(shè)計(jì)方案”按鈕，系統(tǒng)彈出“支護(hù)設(shè)計(jì)”窗體并自動(dòng)定位到對(duì)應(yīng)支護(hù)形式的選項(xiàng)卡，顯示目標(biāo)巷道W6XJC(2-2)的支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)，如圖6所示。

圖6 設(shè)計(jì)方案界面

用戶分析目標(biāo)巷道斷面的支護(hù)設(shè)計(jì)方案，點(diǎn)擊“方案優(yōu)化”按鈕，設(shè)計(jì)參數(shù)數(shù)據(jù)呈可編輯狀態(tài)，根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，核對(duì)無(wú)誤后點(diǎn)擊“生成支護(hù)設(shè)計(jì)方案”按鈕，系統(tǒng)自動(dòng)生成原巷道斷面(W6XJY(1-1))的支護(hù)設(shè)計(jì)方案。根據(jù)支護(hù)設(shè)計(jì)方案繪制巷道斷面支護(hù)設(shè)計(jì)如圖7所示。

圖7 巷道斷面支護(hù)設(shè)計(jì)

按照系統(tǒng)提供的支護(hù)設(shè)計(jì)方案對(duì)該巷道進(jìn)行施工，施工后巷道保持長(zhǎng)期穩(wěn)定，擺脫了返修的困擾，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。通過(guò)實(shí)踐驗(yàn)證后，將巷道W6XJY(1-1)的支護(hù)方案更新至巷道支護(hù)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)。

該系統(tǒng)基于特征樹原理建立類比推理機(jī)制，通過(guò)挖掘分析以往巷道斷面的支護(hù)案例實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)方案的類比遷移，輔助龍口礦區(qū)進(jìn)行軟巖巷道支護(hù)設(shè)計(jì)，取得了良好的應(yīng)用效果。由于巷道支護(hù)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)本身具有開放性，當(dāng)新的巷道設(shè)計(jì)完成并通過(guò)實(shí)踐驗(yàn)證，尤其是當(dāng)采用新的支護(hù)技術(shù)和支護(hù)方法并獲得成功后，可由系統(tǒng)管理員更新至數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)知識(shí)經(jīng)驗(yàn)的不斷積累和更新。

4 結(jié) 論

(1)提出了特征樹類比法的概念和原理：將客體宏觀的整體概念自上而下分解為微觀的特征，再通過(guò)特征值間的對(duì)比映射并自下而上定量地計(jì)算客體間的相似性程度，在這個(gè)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)了專家經(jīng)驗(yàn)、知識(shí)體系與計(jì)算機(jī)技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，形成了一套由定性到定量綜合集成的類比方法體系。

(2)特征樹類比法實(shí)現(xiàn)了人類思維與計(jì)算機(jī)的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，并將兩者有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，在當(dāng)前的技術(shù)條件下可以作為一種通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬人類類比思維的方法。

(3)將特征樹類比法應(yīng)用到軟巖巷道支護(hù)設(shè)計(jì)中，解決了巷道斷面間的相似性程度無(wú)法定量分析的難題，為巷道支護(hù)設(shè)計(jì)決策支持系統(tǒng)的構(gòu)建提供了理論依據(jù)及核心算法框架。

(4)基于特征樹類比原理開發(fā)了“巷道支護(hù)設(shè)計(jì)決策支持系統(tǒng)”，通過(guò)對(duì)以往的大量工程案例(隨著新技術(shù)的成功應(yīng)用而不斷更新)進(jìn)行類比分析，為山東能源集團(tuán)龍口礦區(qū)提供軟巖巷道支護(hù)設(shè)計(jì)方案咨詢功能，驗(yàn)證了該原理的適用性與可靠性。

(5)所提及的巷道支護(hù)設(shè)計(jì)只是特征樹類比法的一個(gè)應(yīng)用特例，由于該方法具有獨(dú)特的開放性與可擴(kuò)展性，可以作為一種通用的類比分析法推廣到土木工程其他領(lǐng)域，如邊坡與基坑支護(hù)工程設(shè)計(jì)。關(guān)于特征樹類比法自身的優(yōu)化、行業(yè)應(yīng)用拓展以及在大數(shù)據(jù)環(huán)境下的深層次應(yīng)用等值得進(jìn)一步研究與探討。

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Principle and application of soft rock roadway support design based on characteristic tree analogy

YOU Zhi-jia，F(xiàn)U Hou-li，SHI Jian，YOU Chun-an

(CollegeofCivilEngineeringandArchitecture,ShandongUniversityofScienceandTechnology,Qingdao266590,China)

Based on the principle of meta-synthesis,this paper proposed the characteristic tree analogy and relevant theories for the analysis of similarity and difference among complex giant systems,while the authors derived the characteristic tree model structure and algorithm of calculating the similarity index quantitatively.Hereby an analogy analysis system of human-computer interaction was established.The principle of characteristic tree analogy was applied to soft rock roadway support design,which effectively solved the problem that cannot analyze the comparability between different projects quantitatively.Taking the research of Liangjia coal mine soft rock roadway support decision system as an example,the decision support system of roadway support design was developed based on the principle of characteristic tree analogy and the analogical transfer was achieved by excavating and analyzing the existing roadway support cases.Engineering practice shows that the decision support system can effectively achieve the functions of analogical objects retrieval,analogy analysis and support design consultation,which verifies the applicability and reliability of the characteristic tree analogy for soft rock roadway support design.

characteristic tree;analogy method;roadway support design;decision support system;data mining

10.13225/j.cnki.jccs.2016.0613

2016-05-16

2016-08-10責(zé)任編輯:許書閣

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51274131)

尤志嘉(1984—)，男，福建泉州人，博士研究生。E-mail:61974837@ qq.com

TD353

A

0253-9993(2017)01-0219-08

尤志嘉，付厚利，時(shí)健，等.基于特征樹類比法的軟巖巷道支護(hù)設(shè)計(jì)原理與應(yīng)用[J].煤炭學(xué)報(bào),2017,42(1):219-226.

You Zhijia，F(xiàn)u Houli，Shi Jian，et al.Principle and application of soft rock roadway support design based on characteristic tree analogy[J].Journal of China Coal Society,2017,42(1):219-226.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2016.0613