基于多維關(guān)聯(lián)規(guī)則和RFID 的地鐵施工實時動態(tài)監(jiān)控研究＊

陳偉珂龍昭琴 李金玲

（天津大學管理學院1） 天津 300072） （天津理工大學管理學院3） 天津 300384） （中鐵四院集團南京勘察設(shè)計有限公司3） 南寧 530003） （天津房友工程咨詢有限公司4） 天津 300450）

地鐵地下施工具有技術(shù)交叉性、復雜性，風險隱蔽性、不確定性和施工環(huán)境特殊性、惡劣性、動態(tài)性、無序性的特點，其大規(guī)模、高速度的建設(shè)必然涉及地鐵施工高風險的存在［1］.據(jù)初步統(tǒng)計：從2001～2010 年，我國共發(fā)生126 起地鐵事故，其中地鐵施工事故占80%以上［2］.同時，地鐵施工又受到災害后果遲滯性和極易產(chǎn)生次生災害等因素的影響.因此，有效地進行地鐵施工實時動態(tài)監(jiān)控是預防或減少地鐵施工災害發(fā)生的關(guān)鍵.本文擬將多維關(guān)聯(lián)規(guī)則引入地鐵施工災害關(guān)鍵警兆指標的甄選研究中，通過EPC編碼方式，RFID 技術(shù)實現(xiàn)風險源關(guān)鍵警兆指標信息的標識和監(jiān)控，以達到地鐵施工現(xiàn)場各類分散風險信息的準確采集、實時監(jiān)測和動態(tài)跟蹤，為建立地鐵施工災害預警監(jiān)控系統(tǒng)奠定基礎(chǔ).

1 基于多維關(guān)聯(lián)規(guī)則的地鐵施工災害關(guān)鍵警兆指標的甄選

1.1 關(guān)聯(lián)規(guī)則

Agrawal在1993年提出了挖掘顧客交易數(shù)據(jù)庫中項集的關(guān)聯(lián)規(guī)則問題［3］.關(guān)聯(lián)規(guī)則技術(shù)是能推導出“A?B”的模式.例如：可以將A 事件定義為“支護結(jié)構(gòu)損壞”，而B 定義為“塌方”.那么A?B 可理解為“當?shù)罔F施工過程中支護結(jié)構(gòu)發(fā)生損壞的情況下可能會出現(xiàn)塌方事故”.

設(shè)有事務數(shù)據(jù)庫D＝｛T1，T2，…，Tn｝，Tj（j＝1，2，…，n）稱為事務T；構(gòu)成T 的元素ik（k＝1，2，…，p）被稱為項；設(shè)D 中所有項的集合為I＝｛i1，i2，…，in｝，顯然T?I.

A 和B 都是D 的項集，且A∩B＝? 關(guān)聯(lián)規(guī)則A?B 由2個參數(shù)來約束，支持度（support）與可信度（confidence）.支持度是同時包含項集A和項集B 事務在D 中的所有事務中所占的百分比，它表示規(guī)則出現(xiàn)的頻度；可信度就是同時包含項集A 和項集B 事務在所有包含項集 的事務中所占的百分比，它表示規(guī)則的強度.

如果A 的支持度滿足最小支持度滿足最小支持度閾值min－support，即support（A）≥minsupport，則A 稱為D 中的頻繁項集.

如果存在關(guān)聯(lián)規(guī)則A?B，其支持度和可信度分別滿足預設(shè)的最小支持度閾值（min－support）和最小可信度閾值（min－confidence），稱其為強關(guān)聯(lián)規(guī)則.

1.2 地鐵施工災害預警關(guān)鍵警兆指標挖掘

關(guān)聯(lián)規(guī)則可分為單維和多維的.單維的關(guān)聯(lián)規(guī)則是處理單個屬性中的關(guān)系；多維關(guān)聯(lián)規(guī)則是處理各個屬性之間的某些關(guān)系.本文涉及到的多維關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘就是從“人－機－環(huán)境－管理”4個不同角度來考慮地鐵施工事故發(fā)生的原因.

關(guān)聯(lián)規(guī)則按處理變量的類型，分為布爾型和數(shù)值型.布爾型關(guān)聯(lián)規(guī)則處理的值多是離散的、種類化的，顯示了變量之間的關(guān)系；對數(shù)值型字段進行處理，將其進行動態(tài)的分割，或者直接對原始的數(shù)據(jù)處理.

多維關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘過程可以概括為以下2個階段：（1）從事務數(shù)據(jù)庫中找出所有的頻繁謂詞集；（2）由頻繁謂詞集產(chǎn)生強關(guān)聯(lián)規(guī)則，即滿足最小支持度與最小可信度.從無窮多的關(guān)聯(lián)規(guī)則中發(fā)現(xiàn)有意義的強關(guān)聯(lián)規(guī)則，為后續(xù)實時動態(tài)監(jiān)控項設(shè)置提供依據(jù).

1.3 地鐵施工災害預警關(guān)鍵警兆指標甄選

地鐵施工事故數(shù)據(jù)［4－5］（不能按照地鐵施工相關(guān)標準而造成的日常安全事故不作為地鐵施工事故數(shù)據(jù)），見表1.

按照上述，從人－機－環(huán)境－管理4個維度，對地鐵施工風險維度進行了劃分，見圖1.

利用Excel軟件，根據(jù)文獻［6］算法來尋找頻繁謂詞集，其中假設(shè)最小的支持計數(shù)為2.根據(jù)已有數(shù)據(jù)尋找頻繁謂詞集，由頻繁項詞集產(chǎn)生地鐵事故的關(guān)聯(lián)規(guī)則，并對強關(guān)聯(lián)規(guī)則進行評價，其結(jié)果見表2～表7.

表1 地鐵施工事故樣本數(shù)據(jù)表

圖1 地鐵施工風險維度圖

表2 含有4個謂詞的地鐵施工事故頻繁項集

表3 含有人－機－管理3個謂詞的地鐵施工事故頻繁項集

表4 含有人－機－環(huán)境3個謂詞的地鐵施工事故頻繁項集

表5 含有人－環(huán)境－管理3個謂詞的地鐵施工事故頻繁項集

表6 含有機－環(huán)境－管理3個謂詞的地鐵施工事故頻繁項集

當上述34個風險源組合中有一個風險事故發(fā)生時，應即時監(jiān)測其他的風險源，以免因一個風險源監(jiān)測不力而多個風險源并發(fā)引起地鐵施工事故，以提前做好防范措施.

表7 含有2個謂詞的地鐵施工事故頻繁項集

2 基于EPC 編碼方式的關(guān)鍵警兆指標風險源標識

2.1 EPC編碼

美國麻省理工的Auto－ID Center在1999年首先提出EPC（electronic product code）產(chǎn)品電子碼的概念和應用方案.這個想法的核心思想就是，給每一個商品惟一的號碼——電子產(chǎn)品代碼（EPC）.EPC 標簽即是這個編號的載體，當EPC標簽貼在物品上或內(nèi)嵌在物品中的時候，即將該物品與EPC標簽中的產(chǎn)品電子碼建立起了一對一的對應關(guān)系［7］.

2.2 關(guān)鍵警兆指標風險源標識

由于地鐵施工現(xiàn)場人－機－環(huán)境－管理各風險因素復雜、無序且具有動態(tài)性，要想準確監(jiān)控每一個關(guān)鍵警兆指標，就必須給每個風險源賦予惟一的編碼標簽.本文擬建立的編碼體系不僅能惟一識別單一風險源，而且能從編碼中直接讀取風險源的位置信息和監(jiān)控記錄信息，進而實現(xiàn)地鐵施工風險源關(guān)鍵警兆指標的標識.

編碼標簽以惟一性、可擴展性、可操作性和簡單性為原則進行編制［8］，見圖2.

圖2 編碼標簽格式圖

1）A，B，C，D 位于編碼標簽第1至第4位，字符為二進制編碼.表示地鐵施工項目代碼名稱，以區(qū)分不同的、相互獨立的項目.

2）E，F(xiàn) 位于編碼第4至第5位，字符為二進制編碼.表示地鐵施工監(jiān)控指標風險源種類，00－人，01－機，10－環(huán)境，11－管理.

3）G，H，I，J 位于編碼標簽第6至第9位，字符為二進制編碼.表示地鐵施工監(jiān)控關(guān)鍵警兆指標風險源位置.

4）K，L，M，N 位于編碼標簽第9到12位，字符為二進制編碼.表示監(jiān)控關(guān)鍵警兆指標具體數(shù)值，如施工器具損壞程度值等.

5）O，P 位于編碼標簽第13到14位，字符為二進制編碼.表示監(jiān)控指標的歷史信息，歷史信息應包括風險源發(fā)生隱患時間、地點、事故情況、防控結(jié)果等歷史數(shù)據(jù)信息.

6）Q，R 位于編碼標簽第14到15位，字符為二進制編碼.設(shè)為擴充區(qū)，防止新增加信息加入編碼.

地鐵施工實時動態(tài)監(jiān)控編碼體系的結(jié)構(gòu)在不同的項目中是可以優(yōu)化和完善的.即使是在同一個系統(tǒng)中也會自身不斷的優(yōu)化，以適應后續(xù)數(shù)據(jù)采集的實現(xiàn).只有這樣，才能夠確保編碼體系的可操作性.編碼標簽是施工現(xiàn)場風險源和關(guān)鍵警兆指標的惟一標識，也是后續(xù)進行實時動態(tài)監(jiān)控的依據(jù).

3 基于RFID 技術(shù)的地鐵施工實時動態(tài)監(jiān)控

3.1 RFID 技 術(shù)

射頻識別技術(shù)（radio frequency identification，RFID）又稱電子標簽，是一項利用射頻信號通過空間耦合（交變磁場或電磁場）實現(xiàn)無接觸信息傳遞并通過所傳遞的信息達到識別目的的技術(shù).它具有其優(yōu)于傳統(tǒng)條碼的特性：（1）無需“可視”讀取，實現(xiàn)遠距離自動識別，避免了人工干預，特別是在惡劣環(huán)境條件下；（2）能識別靜止、運動的物品；（3）能夠同時識別多個標簽，提高識別效率.射頻識別技術(shù)發(fā)展非常迅速，被廣泛應用于交通運輸控制管理、高速公路自動收費系統(tǒng)、停車場管理系統(tǒng)、物品管理、流水線生產(chǎn)自動化、安全出入檢查、倉儲管理、動物管理、車輛防盜等眾多領(lǐng)域［9］.本文將RFID 技術(shù)引入地鐵施工實時動態(tài)監(jiān)控的研究中，以期實現(xiàn)多維關(guān)聯(lián)規(guī)則甄選、標識出的關(guān)鍵警兆指標的自動識別和遠程監(jiān)控，為建立地鐵施工災害預警監(jiān)控系統(tǒng)奠定基礎(chǔ).

3.2 實時動態(tài)監(jiān)控

從人－機－環(huán)境－管理4個維度對風險源進行多維關(guān)聯(lián)規(guī)則分析，全面識別地鐵施工過程中存在的風險因素，找出所有的頻繁項集，通過算法計算得出施工過程中風險指標之間的強關(guān)聯(lián)規(guī)則，確定關(guān)鍵警兆指標.利用EPC編碼方式對關(guān)鍵警兆指標進行編碼標識，編制了針對人－機－環(huán)境－管理的實時動態(tài)監(jiān)控編碼標簽卡和風險監(jiān)控看板，利用RFID 射頻識別技術(shù)和人機接合的方法進行分散風險信息的準確采集、實時監(jiān)測和遠程動態(tài)跟蹤，實現(xiàn)了地鐵施工災害關(guān)鍵警兆指標的實時動態(tài)監(jiān)控如圖3所示.

4 結(jié)束語

由于地鐵地下施工具有技術(shù)交叉性、復雜性，風險隱蔽性、不確定性和施工環(huán)境特殊性、惡劣性、動態(tài)性、無序性的特點，決定了對其風險源實施動態(tài)、實時監(jiān)控的重要性和艱難性.本文利用多維關(guān)聯(lián)規(guī)則理論對地鐵施工災害關(guān)鍵警兆指標進行了挖掘，并對關(guān)鍵警兆指標從傳統(tǒng)的定性分析向定量分析進行了轉(zhuǎn)換，得出風險源與地鐵施工災害關(guān)鍵警兆指標之間的強關(guān)聯(lián)規(guī)則，從而確定所需監(jiān)控的關(guān)鍵警兆指標；利用EPC 編碼方式從人－機－環(huán)境－管理4個方面對各風險源制定編碼標簽和監(jiān)控看板，基于RFID技術(shù)對各風險源進行運程自動識別和實時動態(tài)監(jiān)控，從而解決監(jiān)控數(shù)據(jù)采集缺乏針對性、數(shù)據(jù)有效性和可靠性較低等問題，完善地鐵施工風險監(jiān)測指標體系，優(yōu)化監(jiān)測方案，為建立地鐵施工災害預警監(jiān)控系統(tǒng)奠定基礎(chǔ).由于篇幅有限，本文并未對地鐵施工災害預警警情診斷系統(tǒng)的構(gòu)建、運行等方面給予詳細說明，將在以后的研究中深入論述.

圖3 地鐵施工實時動態(tài)監(jiān)控圖

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