极端气候灾害条件下路网失效性评估方法研究

摘要

近年来，随着气候变化的加剧，极端气候灾害频发，给人类的生命和财产带来巨大的威胁。伴随着城市化的高速发展，人口和经济聚集程度的加深，交通路网作为城市“生命线工程”已经成为国家发展、人民生活质量以及社会安全的保障。然而，交通路网常常暴露在自然条件下，极易受到极端气候灾害如暴雪、暴雨的影响而导致大面积中断或整体失效现象。在极端气候灾害条件下因获取信息的不确定性如模糊性、不完整性，人类认知能力的缺失性以及评估模型与方法的局限性等限制，使得决策者往往对极端气候灾害条件下的交通路网失效性估计不足，应急响应不充分，从而造成巨大的经济损失和社会影响。现有研究表明极端气候灾害条件下，交通路网失效性风险的量化评估对整体交通路网的管控起着重要的作用。因此，本研究在分析交通路网在极端气候灾害条件下暴露特征的基础上，探寻路网失效性量化评估的模型和方法，从而提高交通管控的有效性，辅助应急决策。 本研究在对国内外相关研究成果进行综述的基础上，以灾害系统工程理论、故障树分析法、情景理论、知识元理论、证据理论等做为理论基础展开研究。从深入分析极端气候灾害、交通路网影响因素、情景、知识元等重要概念入手，采用信息学、不确定性处理方法、定量与定性相结合等多种研究方法，构建了极端气候灾害条件下的交通路网失效性评估框架。深入研究了交通路网的抽象化表示模型、考虑不确定性的知识表达模型、基于信度规则的知识推理模型以及基于逻辑关系语义分解的知识推理方法等关键模型与方法。 为对交通路网进行失效性评估，本研究首先对交通路网进行抽象化表示。针对宏观路网交通流，本研究在识别交通路网失效性宏观影响因素的基础上，采用故障树模型描述路网失效性宏观影响因素间的逻辑关系，以便从宏观层面对路网进行抽象化表示，并进一步分析了极端气候灾害对交通路网的影响，研究发现极端气候灾害对交通路网的影响主要体现在极端气候灾害使得路网中的相关要素属性状态发生剧烈的抖动，甚至超出路网所能承受的范围，导致在对路网失效性进行评估时存在不确定性，如信息模糊性、知识不完整性，以及精确数理模型和历史经验无法参考等问题。 针对上述评估局限性，本研究在证据理论框架下，结合信度结构与情景对评估信息进行不确定性表达，进而结合信度规则与知识元，提出一种基于改进信度规则库的评估知识获取方法。在此基础上，针对路网抽象化树形结构的特点，首先基于改进的OWA算子计算路网失效故障树中的语义分解权重;其次，把权重参数带入路网失效性评估算法中，提出一种基于改进证据推理算法的路网失效性知识推理方法，即根据基础知识的获取，经迭代计算得到的路网失效性的一种算法。实例验证表明，该方法可有效处理路网失效性评估时存在的不确定性问题，并能够兼顾路网失效性评估时影响因素间逻辑关系的“补偿”和“抑制”作用，较好地符合人类的推理方式。

目录

声明

摘要

图目录

表目录

主要符号表

1 绪论

1．1 问题的提出

1．2 研究目的与研究意义

1．2．1 研究目的

1．2．2 研究意义

1．3 国内外相关研究现状及评述

1．3．1 气候灾害风险及气候灾害对交通路网的影响研究

1．3．2 交通路网失效性影响因素识别及信息的不确定性表达

1．3．3 交通路网失效性评估方法及模型

1．3．4 存在的问题

1．4 主要研究内容

1．5 论文结构与技术路线

1．5．1 论文结构

1．5．2 技术路线

2 路网失效性影响因素识别及数据来源

2．1 交通路网失效性影响因素

2．2．1 路网拓扑结构因素

2．2．2 路网运行性能因素

2．2 路网失效评估信息不确定性描述

2．3 信息及数据来源

2．3．1 知识库的构建

2．3．2 规则库的构建

2．3．3 知识属性状态信息源

2．4 本章小结

3 基于故障树的路网失效性影响因素逻辑关系建模

3．1 故障树分析法及其逻辑符号描述

3．1．1 故障树分析法简介

3．1．2 故障树逻辑符号描述及相关概念

3．2 交通路网失效影响因素逻辑关系建模

3．3 极端气候灾害界定及其对路网的影响分析

3．4 本章小结

4 极端气候灾害条件下路网失效性评估信息表示与知识获取方法

4．1 极端气候灾害条件下路网失效性度量问题分析

4．2 路网失效故障树中事件及其属性状态的不确定性表示

4．2．1 路网失效故障树中事件的不确定性表达

4．2．2 各类信息的信度结构化

4．2．3 事件属性状态的不确定性表达

4．3 路网失效故障树底事件的知识获取

4．3．1 问题描述与模型假设

4．3．2 基于改进信度规则库的故障树底事件知识获取方法

4．4 算例分析

4．4．1 算例描述与计算

4．4．2 与现有方法比较

4．5 本章小结

5 极端气候灾害条件下基于知识推理的路网失效性评估方法

5．1 基于改进OWA算子的故障树事件语义分解权重确定

5．2 基于改进证据推理算法的路网失效性评估方法

5．3 交通路网失效性评估实例

5．3．2 实例分析

5．3．2 与现有方法比较

5．4 本章小结

6 结论与展望

6．1 研究结论

6．2 本文创新点

6．3 研究展望

参考文献

攻读博士学位期间科研成果及科研项目

致谢

作者简介