物元分析在格庫鐵路風(fēng)沙不良地質(zhì)分類中的應(yīng)用

【摘要】本文通過選取格庫鐵路烏圖美仁至花土溝段10處典型風(fēng)沙不良地質(zhì)災(zāi)害，通過改進(jìn)的層次分析法確定影響因子的權(quán)重，構(gòu)建風(fēng)沙危害程度的物元分析模型，對其危害程度進(jìn)行分級預(yù)測，并將預(yù)測結(jié)果與實(shí)際調(diào)查結(jié)果進(jìn)行對比分析。

【關(guān)鍵詞】格庫鐵路；物元分析；層次分析法；風(fēng)沙

格庫鐵路，青藏線格爾木站至南疆線庫爾勒站，新建正線長度1214.583km。本文以新建格庫鐵路風(fēng)沙不良地質(zhì)災(zāi)害的危害程度評價(jià)為研究對象，在現(xiàn)有研究成果基礎(chǔ)上，采用計(jì)算數(shù)據(jù)分析、改進(jìn)的AHP確定評價(jià)因子的權(quán)重、物元分析評價(jià)等創(chuàng)新技術(shù)手段，利用多指標(biāo)物元分析評價(jià)，全面分析了風(fēng)沙危害程度評價(jià)的影響因素，根據(jù)野外實(shí)際調(diào)查結(jié)果，考慮各種不確定因素建立了格庫鐵路風(fēng)沙危害程度評價(jià)的物元分析模型，通過計(jì)算其關(guān)聯(lián)度，給出定量的數(shù)值評定結(jié)果，評判得出風(fēng)沙的危害程度等級來直觀全面地衡量地質(zhì)病害危害程度，從而為決策者提供了客觀、公正、準(zhǔn)確、合理的決策依據(jù)。

1、可拓學(xué)基本理論

由于地質(zhì)條件的復(fù)雜性和不易確定性，常存在各單項(xiàng)指標(biāo)的關(guān)系較為離散的問題。基于可拓學(xué)的物元分析法正是研究多個(gè)不相容的單項(xiàng)指標(biāo)轉(zhuǎn)化規(guī)律的方法，因此物元分析法能夠較為客觀地反映泥石流的危險(xiǎn)程度。

1.1 物元

物元是描述事物的基本單元，常以有序的三元組來表達(dá)。

式中：N表示事物；C表示特征的名稱；V=（ai，bi）表示N關(guān)于C所取的量值。物元概念準(zhǔn)確地反映了事物質(zhì)和量的關(guān)系。每一類量值范圍和總的取值范圍構(gòu)成物元的經(jīng)典域和節(jié)域。

1.2 可拓集合

集合是對客觀事物進(jìn)行分類和識別的數(shù)學(xué)方法。在可拓學(xué)中，物元集合和關(guān)聯(lián)函數(shù)是其中的兩大核心，定義如下：設(shè)論域?yàn)閁，若對U中任一元素u（u∈U），都有實(shí)數(shù)K（u）∈（-∞，+∞）與之對應(yīng)，則稱A={（u，y）|u∈U，y=K（u）∈（-∞，+∞）}為論域U上的一個(gè)可拓集合，其中y=K（u）為A的關(guān)聯(lián)函數(shù)，K（u）為u關(guān)于A的關(guān)聯(lián)度。同時(shí)，可拓學(xué)理論把實(shí)變函數(shù)中的距離拓廣為距的概念，作為把定性描述擴(kuò)大為定量描述的基礎(chǔ)，規(guī)定實(shí)軸上點(diǎn)x0與區(qū)間X0=（a，b）之距為：

在可拓集合中，建立關(guān)聯(lián)函數(shù)的概念，可以定量地描述論域中元素所具有的性質(zhì)的程度及變化，也可由關(guān)聯(lián)函數(shù)值的大小分出不同的層次，通過值的變化定量地描述元素與集合間關(guān)系的變化。

1.3 物元模型危險(xiǎn)性評價(jià)過程

（1）確定經(jīng)典域和節(jié)域

Roj= （Noj，c，Voji），Rp= （Np，c，Vp） ，

式中 Roj為經(jīng)典域物元； Rp為節(jié)域物元。

（2）確定待評對象各指標(biāo)參數(shù)不同等級的關(guān)聯(lián)度

式中 Vij為Nj關(guān)于評價(jià)指標(biāo)Ci所確定的量值范圍。

（3）計(jì)算待評物元p關(guān)于等級t的關(guān)聯(lián)度

式中 αi為各評價(jià)指標(biāo)i的權(quán)重系數(shù)（下述），且 。

（4）等級結(jié)果評定

若

則可定性判定待評價(jià)體P屬于t0類。

2格庫鐵路某段風(fēng)沙危害程度評價(jià)

2.1建立評判指標(biāo)體系，利用改進(jìn)的層次分析法確定各評價(jià)因子的權(quán)重

（1）根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查，結(jié)合鐵一院風(fēng)沙區(qū)地質(zhì)工作綜合分析已有風(fēng)沙危害程度分級所選因素，確定格庫鐵路風(fēng)沙危害程度評價(jià)主要的影響因素有共8個(gè)：

風(fēng)沙危害程度影響因素（A）：

—沙丘年向前移動(dòng)值；

—沙源豐富程度；

—植被覆蓋度；

—剖面分化程度；

—風(fēng)力大?。?/p>

—單位長度年輸沙量；

—主導(dǎo)風(fēng)向與線路夾角大小。

根據(jù)研究區(qū)275㎞不同風(fēng)沙類型的發(fā)育特點(diǎn)，為將研究成果與現(xiàn)有規(guī)范對接，且方便應(yīng)用于實(shí)際勘察，把危害程度劃分為3個(gè)等級：輕微、中等、嚴(yán)重三個(gè)級別，詳述如下：

1）輕微：不易起沙，即使爆發(fā)，也不會對鐵路線造成影響；

2）中等：較易起沙，一旦爆發(fā)，會對鐵路線造成一定的影響；

3）嚴(yán)重：容易起沙，一旦爆發(fā)，會對鐵路線造成嚴(yán)重的影響。

（2）基于改進(jìn)的層次分析法確定評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重

①在本次對格庫鐵路烏圖美仁至花土溝段風(fēng)沙危害程度評價(jià)中，根據(jù)對各風(fēng)沙段落野外詳細(xì)調(diào)查及征求專家的意見，確定應(yīng)用基于改進(jìn)的AHP的兩層次結(jié)構(gòu)模型方法。

準(zhǔn)則層包含地形地貌和其它因子，其權(quán)重為1，即權(quán)重矩陣為A=（1）。

子準(zhǔn)則層包括7個(gè)相關(guān)因子，具體如圖2-1[1] [2]。

圖2-1 改進(jìn)的AHP—物元分析模型

②根據(jù)改進(jìn)的層次分析法構(gòu)建格庫鐵路烏圖美仁至花土溝段風(fēng)沙危害程度判斷矩陣及層次單排序[3] [4]。

a. 影響因子判斷矩陣及層次單排序x

2.2研究區(qū)風(fēng)沙段落危害程度評價(jià)指標(biāo)原始數(shù)據(jù)和定性指標(biāo)量化

通過對格庫鐵路DK178-DK450段10個(gè)典型風(fēng)沙不良地質(zhì)段落的野外調(diào)查和內(nèi)業(yè)資料判譯，獲得該段風(fēng)沙不良地質(zhì)危害程度評價(jià)指標(biāo)體系中8個(gè)評價(jià)因子的原始數(shù)據(jù)和定性指標(biāo)量化見表2-1。

2.3確定經(jīng)典域、節(jié)域和物元

（1）劃分各評判因子的經(jīng)典域

經(jīng)典域即指單因素評價(jià)中，對應(yīng)于某類別時(shí)各單因素參量的取值變化范圍見表2-2。

注：對于評價(jià)體系中的定量指標(biāo)我們根據(jù)野外現(xiàn)場調(diào)查和室內(nèi)資料判譯，直接取其具體數(shù)據(jù)；對評價(jià)體系中的定性指標(biāo)，我們通過打分法進(jìn)行量化和歸一化處理[5] [6]。

（2）節(jié)域的劃分標(biāo)準(zhǔn)

節(jié)域即指單因素評價(jià)中，單因素參量總的取值變化范圍見表2-3。

表2-3 研究區(qū)風(fēng)沙危害程度分級物元分析模型節(jié)域劃分標(biāo)準(zhǔn)

影響因素（A）： 節(jié)域

—沙丘年向前移動(dòng)值

（0，100）

—沙源豐富程度

（0，1）

—植被覆蓋度

（0，1）

—剖面分化程度

（0，1）

—風(fēng)力大小

（0，50）

—單位長度年輸沙量

（1，50）

—主導(dǎo)風(fēng)向與線路夾角大小

（0，90）

（3）確定待評物元，計(jì)算待評物元的關(guān)聯(lián)函數(shù)值，求得關(guān)聯(lián)矩陣，根據(jù)層次分析法確定的權(quán)重計(jì)算待評物元與危害程度分級的關(guān)聯(lián)度。根據(jù)最大關(guān)聯(lián)度原則確定風(fēng)沙危害程度分級。

2.4 改進(jìn)的AHP—物元分析法對研究區(qū)風(fēng)沙危害程度分級預(yù)測結(jié)果

將改進(jìn)的AHP—物元分析模型，對研究區(qū)10處典型風(fēng)沙不良地質(zhì)的危害程度分級結(jié)果見表2-4。

結(jié)論：

從計(jì)算結(jié)果可以看出，預(yù)測準(zhǔn)確率達(dá)90%，可為我們進(jìn)一步科學(xué)合理規(guī)劃方案提供依據(jù)，在一定程度可以避免人為因素干擾帶來的誤差。

改進(jìn)的AHP—物元分析模型在引入“距”的概念并將其延伸后，可以精確的用定量的方法表示點(diǎn)與區(qū)間的位置關(guān)系，還可以描述點(diǎn)在區(qū)間內(nèi)的位置，即區(qū)間內(nèi)的點(diǎn)在“區(qū)間內(nèi)的程度”。我們進(jìn)行風(fēng)沙的危害程度分類，就是將其歸類，這與物元分析理論不謀而合。因此，我們應(yīng)用改進(jìn)的AHP—物元分析模型評價(jià)得到的結(jié)果，不僅可以將該風(fēng)沙危害程度歸入我們之前設(shè)定好的危害程度類別，更重要的是可以反映該結(jié)果與其他類別之間的遠(yuǎn)近關(guān)系。

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姓名：孫先鋒；性別：男；出生年：1986；籍貫：陜西西安；學(xué)歷：碩士；職稱：助理工程師；研究方向： 工程地質(zhì)