工程信息科学方法论探讨：半经验半理论.doc

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+）/E）（P0-Pi）R （1）O 、 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（New Austrian Tunnelling Method， 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