工程信息科学方法论探讨：半经验半理论

工程信息科学方法论探讨：半经验半理论——基于典型信息法在信息科学交叉研究实践李世辉（总参工程兵第四设计研究院）本文试图从隧道围岩稳定性分析预测的角度，初步总结20世纪70年代以来，中国岩石力学与信息科学交叉研究的基本经验，从中探讨工程信息科学方法论问题。一、深层次的信息处理与岩石力学当前水平1.1深层次的信息处理面临的难题大体上说，浅层的信息处理（如类比、匹配、识别等）基本上属于对信息的形式化关系所作的变换或处理，仅仅利用了语法信息的因素，如申农的通信理论。深层的信息处理（特别是优化、决策、认知等）则不仅利用语法信息因素，而且必须综合利用语法、语义和语用信息因素，即全信息因素。信息处理的层次越深，越要充分利用全信息的因素[1]。然而，语义信息和语用信息本质上都是无法形式化的东西，简单地仿照申农的做法行不通。看来，这里也应采用定性与定量、形式化与非形式化相结合的方法论原则去处理，要从现代系统理论及其他学科中吸取新的思想和方法[2]。语法信息指表示信息的符号形式和语法结构，是信息层次结构中最基本的信息层次。语义信息是指信息所表征的内容的含义与逻辑上的真实性和准确性。语义信息比语法信息层次高，既有客观的一面（事物运动状态的实际意义是客观的），又有主观的一面（对于同一含义，观察者可能有不同的理解）。加之，由于语义信息本身具有多义性，而输送和接受信息的人又往往有不同的了解，因而这类信息具有很大的相对性和多义性。语用信息是信息所表征的内容的价值和效用的信息。在信息的层次结构中，语用信息层次最高，较之语义信息更带有明显的主观色彩。语用信息不仅与事物运动状态的结构方式和意义有关，而且与结构方式和意义对用户的价值效用有关。对于事物的同一运动状态，不同的观察者和/或接受者可能具有很不相同甚至彼此对立的利害关系和价值观念，因此其语用信息不同。[3]1.2岩石力学在地下工程应用的现实水平在地球外壳岩石圈内开挖地下空间与支护，构成地下工程，如隧道工程。相应的学科是地质学与力学交叉的岩石力学，属于力学的一个分支学科。（1）理想介质岩石力学理论分析[6]根据弹性力学原理，隧道工程围岩稳定分析属于平面应变问题。现假设该围岩属于理想的均质、连续、线性弹性介质，相应弹性模量为E、泊松比为μ。设无限弹性平面上有半径为R的园洞，当外边界力为均匀应力场PO、洞周边界力为Pi时，园洞周边的径向位移U以下式表达：U=（（1+μ）/E）（P0-Pi）R（1）（1）式的符号形式和语法结构清楚，语法信息明确，占用计算机内存的“比特”数即其语法信息量；当介质力学参数E、μ与边界力PO、Pi均由试验室测得时，由于法定的《试验规程》明确，其各参数的含义、逻辑上的真实性和准确性都是明确的，试验结果没有主观性，（1）式的语义信息明确；由于（1）式的计算结果U，与实验室实测洞周位移UO之间的误差，通常不大于5%（即其效用度不小于95%），其价值效用（语用）符合有关标准规范，不为任何人的价值观念所左右。这一实例表明：对于确定性的简单系统，其理论分析公式的语法、语义、语用都是明确的，具有普适性。但是，由于隧道工程围岩稳定分析属于复杂系统，实验室内小块试件的试验结果与岩体力学与工程实际相差悬殊，理想介质的理论分析并无实用价值。（2）地下工程围岩地质、施工因素的复杂性，及其与施工因素的耦合地下工程周围的岩石（围岩）是多次地质构造运动的产物，通常具有非均质性、不连续性、各向异性、非线性和流（时）变性，属于极其复杂的地球介质。在人为的开挖爆破与支护等施工因素的触发下，岩体固有的难以定量的大量复杂因素，与未知的地应力、地下水等环境因素动态相互作用，围岩整体上力学性态突发剧烈变化，一般有稳定或失稳两种可能性。这种多因素间耦合作用过程的定量研究开始不久，远未取得工程实用性成果。（3）岩石力学分析预测可信度低几十年来，岩石力学理论分析预测往往与实际情况相差很远。如小浪底地下厂房设计，清华大学与河海大学分析预测结果相反，而且均不符实际[4]。20世纪70-80年代，中国曾大规模推广应用隧道工程奥地利新方法（NewAustrianTunnellingMethod，简称新奥法），提高了地下工程的安全性和经济性。但新奥法只能有效用于已经开挖并量测围岩变形的给定洞室，预设计与其它工程均不能应用。几十年来，世界各国的地下工程技术规范，均以经验性的工程类比法为首要方法；岩石力学理论分析置于末位。现代科学在此处境尴尬。钱学森指出：凡现在不能用还原论方法处理的或不宜用还原论方法处理的问题，而要用或宜用新的科学方法处理的问题，都是复杂性问题[5]。围岩稳定性分析预测属于复杂性问题应无疑义。二、岩石力学与信息科学交叉研究三阶段简述由于问题的复杂性，本文从社会实践的角度，结合应用国内外同行公认的经验方法，对岩石力学分析加以半经验半理论的处理，并采用以下假定：①用社会实践检验的可信度，概略定量地表达语义信息的接近实际的程度（真实性与准确性）；②以分析预测值与工程实测值之比，表达语用信息的价值效用的概略定量判断，本文称为“效用度”。2.1阶段1：线弹分析加专家个人经验修正[6]对于具有某种不确定性的复杂系统来说，通常采用半经验半理论的分析预测公式。设某隧道工程专家根据个人经验使用（1）式，对其含义加以改变，作为对某类围岩中某隧道周边位移的大小作经验判断的工具。设该隧道简化为圆形，半径为R；依专家经验将（1）式的弹性模量E改用该隧道围岩类别的变形模量，其范围值为E1-E2；泊松比依经验取定值μ；地应力PO取均匀应力场，依统计资料取岩体容重与隧道埋置深度之积；洞周边界力Pi取新奥法计算值。将上述数值代入（1）式，可得隧道洞周位移范围值为U1–U2。在这种情况下，（1）式的符号形式和语法结构并未发生变化，其语法信息仍然明确；但应用与实际围岩时，其语义已经变化，完全由专家个人经验给定，具有主观性，对于公众来说语义信息是模糊的，难以掌握的；（1）式的价值效用（语用）则随该专家个人经验水平而定，是不明确的。假如该专家多次应用经个人经验修正的（1）式，统计结果，在十次计算与预测中有6次比较接近实际，可以认为其效用度约为60%。这一语用信息仅限该专家在此特定情况下为真，并没有普适性。2.2阶段2：大试件岩体力学参数原位测试连续介质的概念来自数学。实数是一个连续集，任意两个实数之间都有无穷多个实数。如果将连续的功能推广到物质，由于物质的细微结构是基本粒子，只有当我们考虑的物质的尺寸约为粒子直径的100倍，就可以将这种物质近似当作连续介质来处理。按照这种思路，人们在工程施工现场，试图选取足够大的岩体试件，进行原位岩体力学试验。在系统科学中，这是岩体宏观力学特征的内部参量，是一种“序参量”。但是，受到技术条件的限制，目前在原位一般只能切割长、宽、高各0.3米-1米的一块岩体，进行试验。人们希望该试件最好包括100–200个不连续体（即岩块），但当岩体比较坚硬完整时，岩块数可能在10以下。由于原位测试过于价昂费时，绝大多数隧道工程无力进行，因此，一般认为，只要做了一点原位测试，即可认为得出了代表性的岩体力学参数，如弹性模量为E、泊松比为μ。将上述E、μ值代入（1）式，可得比较接近工程实际的隧道洞周位移值U。等效弹性模量E值由原位测试得出，在一定程度上反映了围岩的客观实际，不因人而异。（1）式的语义信息比较接近工程实际；同时，（1）式的语用信息也有本质性提高，国内外隧道工程界公认与实验室内的小试件相比，可以认为比较接近本工程实际，但其语义、语用信息对于其它工程只供参考，没有普适性。2.3阶段3：位移反分析法[6]在隧道施工中量测洞周位移的变化，用以观察和控制围岩稳定性。这项先进技术就是新奥法围岩变形量测。应用围岩变形量测成果（即周边的径向位移Uo）作为已知参数，反演未知的等效弹性模量E和（或）初始地应力Po的方法，就是位移反分析法。本法的主要问题是中国的大多数隧道工程没有做过围岩变形量测，也无从应用位移反分析法。位移反分析的理论工具，现仍假定沿用前述圆形断面静水压力场的简化条件下的二维线弹分析。隧道周边的径向位移U已经测得，为已知值；R、μ、PO、Pi取值同2.2所述，则待定参数只有一个，即等效弹性模量E值。一个方程一个未知数，有确定解，见（2）式。E=（（1+μ）/R）（P0-Pi）R（2）（2）式的语法信息明确；经过位移反分析得出E值后，（2）式的语义信息、语用信息有本质性提高，国内外隧道工程界公认整体上比较接近本工程实际。但是，（2）式的语义、语用信息对于其它工程只供参考，没有普适性。三、岩石力学与信息科学交叉研究在中国的一个新发展：典型信息法（阶段4）20世纪80年代初，笔者在信息科学与岩石力学交叉研究中，把人文、社会科学的典型方法与现代西方信息科学技术相结合，提出典型信息法的第一个形式：典型类比分析法。3.1半经验半理论方法一种高级形式——典型类比分析法及其数学模型[6]在前述圆形断面、静水压力场等简化条件下，在位移等效假定条件下，典型类比分析法的数学模型以（3）式表达[7]：UR=（（1+μi）/Ei）（P0-KCiPi）R（3）式中：UR第i类围岩隧道洞周径向位移；Kci第i类围岩的综合修正系数；Ei、μI第i类围岩的等效弹性模量、泊松比；PO、Pi、R意义同前。Kci在（3）式中代表第i类围岩的经验分析模型，并与该类围岩的岩体力学参数Ei、μi等组成第i类围岩隧道工程分析预测的专用通道。Kci的物理意义是从围岩变形值的角度，综合反映目前还不能分别定量描述的多种不确定性因素。在这种情况下，（3）式与（1）式相比，在符号形式和语法结构上只增加了第i类围岩的综合修正系数Kci，而Kci作为围岩类别经验分析模型，其物理意义比较明确，因此，（3）式的语法信息比较明确，（3）式占用计算机内存的比特数即其语法信息量。（3）式应用于第i类实际围岩时，因为Kci由典型工程实测资料反演分析得出，源于系统运动状态的客观信息，不具有主观随意性；岩体力学参数输入值Ei、μ依据典型工程实测值与工程统计值等类比应用，其语义信息的明确程度有较大提高，但仍有一定的模糊性。模糊性来源于经验性。显然，（3）式的语义信息是用社会实践的经验方法，而不是理论方法处理的。（3）式的语用信息（价值效用）虽然不能用严谨的科学方式加以证明，但可用大量隧道工程设计施工实际应用验证的统计结果，对其确实性加以检测。十余年来，经数以百计的工程应用验证，典型类比分析法的可信度一般在90%-70%以上（指分析值与实测值之比在1/3–3之间的可信度。90%适用于中、小跨度的单洞，70%适用于大跨度多洞室的平行洞群）。这一结论得到总参谋部兵种部组织的两次技术鉴定委员会的一致确认。1998经总参谋部、总后勤部批准，典型信息法的两种应用形式列入规范，在全军施行。在经验性统计值的意义上，典型类比分析法的语用信息（价值效用）公认是比较明确的。3.2典型信息法工程应用实例⑴二滩水电站导流隧洞施工中设计复核该隧洞是当时世界最大的导流隧洞。施工中软岩坍塌与硬岩岩爆同时存在，地质条件复杂。1991年9月27日德国承包商提出，该导流洞软弱围岩区段的原设计，初期支护围岩不稳定，建议增设预应力锚索，限11月1日执行。设计院收到通知只有四周时间，常规方法已不能完成设计复核，当时估计增加造价数以千万元计。该院工程师童建文使用典型类比分析法BMP84A程序，迅速将有关分析计算复核完毕。结果表明：德商的经验性岩体力学参数不符合二滩实际，支持原设计的合理性。据此，二滩水电开发公司否定了承包商的建议。导流隧洞按原设计施工，于1993年12月建成通水，至今运行正常[4]。⑵猫山隧道险情预报正反两方面的验证广东省西部沿海高速公路猫山隧道地质复杂，跨度大。施工中两次出现险情，围岩即将失稳，施工单位应用典型信息法的第二个应用形式：变形速率比值判别法提出预报，及时加固处理，均已化险为夷；但是2#洞7+210断面施工中，应用变形速率比值判据提出险情预报后，因设计、监理、业主三方不同意，被迫中止应用。1999年7月9日20时该断面发生高17-