基于粗糙集的盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

王仁敏

摘要：粗糙集是一種可以對(duì)多指標(biāo)數(shù)據(jù)在不依靠先驗(yàn)知識(shí)下進(jìn)行客觀分析的方法。本文通過(guò)對(duì)粗糙集方法對(duì)南京長(zhǎng)江隧道健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行約簡(jiǎn)刪除冗余數(shù)據(jù)、計(jì)算重要度及指標(biāo)權(quán)重，評(píng)價(jià)隧道結(jié)構(gòu)健康。分析結(jié)果表明：不同管片的指標(biāo)集約簡(jiǎn)后均為a1、a6、a11，表明在監(jiān)測(cè)指標(biāo)中溫度、土壓力、內(nèi)側(cè)環(huán)向鋼筋應(yīng)變?yōu)橹匾牟豢杉s簡(jiǎn)的指標(biāo)，重要度 a6>a1>a11，溫度影響監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及結(jié)構(gòu)變形，土壓力為隧道承受的主要應(yīng)力。隧道健康評(píng)價(jià)值主要集中在1.5，變化較小，表明隧道處于穩(wěn)定狀態(tài)，與實(shí)際情況相符，U4，U5出現(xiàn)小幅度變動(dòng)原因?yàn)閿?shù)據(jù)采集于長(zhǎng)江水位較高的7～9月。

Abstract： Rough set is a kind of method thatcan do objective analysis of multi-index data without prior knowledge. In thispaper， the data of Nanjing Yangtze River Tunnel health monitoring system arereduced by using rough set method to delete redundant data， and the importancedegree and weight of index are calculated to evaluate the health of tunnelstructure. The results show that the reduction of the indexes of differentsegments is a1， a6， a11， which shows that the temperature， earth pressure andthe inner hoop reinforcement strain are important non-reducible indexes in themonitoring indexes， the importance degree a6>a1>A11. Temperatureaffects the monitoring data and structural deformation， and earth pressure isthe main stress of the tunnel. The tunnel health assessment values are mainlyconcentrated at 1.5， with little change， indicating that the tunnel is in astable state， in line with the actual situation. U4， U5 show small changes becausethe data is collected in July to September， when the Yangtze River water levelis high.

關(guān)鍵詞：粗糙集；盾構(gòu)隧道；健康監(jiān)測(cè)；屬性權(quán)重

Key words： rough set；shield tunnel；health monitoring；attribute weight

中圖分類號(hào)：U455.43 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2017）06-0058-03

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)和城市現(xiàn)代化建設(shè)的快速發(fā)展，對(duì)交通工程提出了更高的要求，在交通設(shè)施的建設(shè)中地下交通設(shè)施以其明顯的優(yōu)越性在規(guī)模和數(shù)量上都得到了迅猛的發(fā)展。隨著隧道的運(yùn)營(yíng)，由于地質(zhì)條件的惡化，結(jié)構(gòu)損傷、退化和失穩(wěn)等因素，嚴(yán)重威脅著隧道的安全運(yùn)營(yíng)。為了保證隧道的安全建設(shè)及運(yùn)營(yíng)，建設(shè)完善的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)隧道進(jìn)行健康監(jiān)測(cè)、評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)已成為隧道工程發(fā)展的迫切要求。

盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)健康受到眾多因素的影響，在健康監(jiān)測(cè)過(guò)程中常出現(xiàn)多層次多指標(biāo)，定性信息與定量信息共存等問(wèn)題，為了克服健康評(píng)價(jià)的隨意性和不確定性，人們從數(shù)學(xué)建模和總結(jié)分析方面做出研究，并且獲得了較大進(jìn)展。粗糙集理論是一種能夠分析處理不精確、不一致、不完整信息與知識(shí)的數(shù)學(xué)工具，其顯著優(yōu)勢(shì)在于它無(wú)需提供問(wèn)題所需處理的數(shù)據(jù)集合之外的任何先驗(yàn)信息，充分體現(xiàn)了數(shù)據(jù)的客觀性。本文將粗糙集理論引入到盾構(gòu)隧道穩(wěn)定性評(píng)價(jià)中，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)約簡(jiǎn)刪除冗余信息，計(jì)算屬性重要度，在屬性重要度的基礎(chǔ)上得出屬性指標(biāo)權(quán)重，最后基于指標(biāo)權(quán)重建立評(píng)級(jí)模型。

1 粗糙集理論

粗糙集是波蘭理工大學(xué)Z.pawlak教授提出用來(lái)研究不完整數(shù)據(jù)，不精確知識(shí)的表達(dá)、學(xué)習(xí)，歸納等的一套理論[1]。

2 基于粗糙集的評(píng)價(jià)方法

基于粗糙集的評(píng)價(jià)步驟依次為指標(biāo)數(shù)據(jù)離散、指標(biāo)篩選、指標(biāo)權(quán)重計(jì)算、評(píng)價(jià)綜合值的計(jì)算。

2.1 指標(biāo)數(shù)據(jù)離散化

因?yàn)榇植诩碚撌墙⒃诩险撝系?，所以粗糙集理論只能處理離散型的數(shù)據(jù)，但是在實(shí)際應(yīng)用中，有的數(shù)據(jù)是連續(xù)型的，這時(shí)我們首先必須將連續(xù)型的數(shù)據(jù)離散化。離散化的任務(wù)就是將連續(xù)屬性的取值范圍或取值區(qū)間劃分為若干個(gè)數(shù)目不太多的小區(qū)間，其中每個(gè)區(qū)間對(duì)應(yīng)一個(gè)離散符號(hào)。我們通常使用的離散化方法有等距離散化法、等頻區(qū)間離散法、串分析離散法、基于屬性重要性的離散法基于數(shù)據(jù)分布特征的離散法等。

2.2 指標(biāo)集約簡(jiǎn)

在選取指標(biāo)數(shù)據(jù)時(shí)，為了全面的反映評(píng)價(jià)問(wèn)題的整體性，我們往往會(huì)盡可能多的選取數(shù)據(jù)，但在這些信息中往往會(huì)存在冗余信息，冗余信息的存在增加了問(wèn)題的復(fù)雜性和評(píng)價(jià)難度，還會(huì)影響評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性。這時(shí)我們可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行約簡(jiǎn)。根據(jù)粗糙集理論的屬性約簡(jiǎn)原理可以剔除評(píng)價(jià)指標(biāo)中的冗余信息[3]。

由評(píng)價(jià)結(jié)果可以看出管片健康程度在數(shù)據(jù)提取時(shí)段區(qū)間，隨時(shí)間變化而變化，但變化不大，總體上健康程度保持穩(wěn)定，這種結(jié)果與南京長(zhǎng)江隧道處于穩(wěn)定運(yùn)營(yíng)狀態(tài)相符合。評(píng)價(jià)值U4，U5出現(xiàn)變動(dòng)，U4的數(shù)據(jù)來(lái)自于8月初，U5數(shù)據(jù)采集于9月末，均處于長(zhǎng)江中下游水位較高的季節(jié)，推斷認(rèn)為大的水位變化導(dǎo)致隧道穩(wěn)定狀態(tài)出現(xiàn)變動(dòng)，隨之監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)生了不化，計(jì)算結(jié)果出現(xiàn)變化。

3.3 評(píng)價(jià)分析與討論

把上述方法分別應(yīng)用于JK6（左線LK6+332）的L1管片、JK1（右線RK4+425）的B1管片的健康監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)后，得出的不可約簡(jiǎn)的重要指標(biāo)依舊為內(nèi)側(cè)環(huán)向鋼筋應(yīng)力、溫度及土壓力，說(shuō)明計(jì)算中屬性約簡(jiǎn)計(jì)算是合理的。

對(duì)三組不同信息系統(tǒng)分別計(jì)算得到的指標(biāo)權(quán)重如表5。

從權(quán)重結(jié)果上來(lái)看，總體上是一致的，a6的權(quán)重大于a1的權(quán)重，a1大于a11。

在監(jiān)測(cè)指標(biāo)中，溫度指標(biāo)占有的權(quán)重比較大，因?yàn)槎軜?gòu)隧道所處環(huán)境的溫度對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和結(jié)構(gòu)健康都有很重要的意義：第一，某些監(jiān)測(cè)過(guò)程以及傳感器本身的測(cè)量精度會(huì)受到周圍氣溫的影響；第二，隧道結(jié)構(gòu)體溫度的影響結(jié)構(gòu)變形、內(nèi)力變化等[5]。所以溫度指標(biāo)的變動(dòng)對(duì)健康監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)有比較大的影響，體現(xiàn)在權(quán)重分配上是就出現(xiàn)了權(quán)重較大的情況。

土壓力在約簡(jiǎn)過(guò)程中不能被約簡(jiǎn)，說(shuō)明它對(duì)隧道的健康影響程度比較大。從地質(zhì)學(xué)的角度來(lái)考慮，隧道開(kāi)挖產(chǎn)生的附加應(yīng)力會(huì)對(duì)周圍土體產(chǎn)生擾動(dòng)，具體表現(xiàn)為土體的加載和卸載、松動(dòng)和擠壓、孔隙水壓力的上升與下降產(chǎn)生的土體變異、地表隆沉等。盾構(gòu)隧道埋藏在土體中，所受的外荷載都來(lái)自土水壓力，所以它對(duì)盾構(gòu)隧道的穩(wěn)定性有重要意義。

4 結(jié)論

①基于粗糙集理論的分析方法是可行的。通過(guò)工程實(shí)例分析，評(píng)價(jià)結(jié)果的對(duì)比、地質(zhì)方面的解釋，指標(biāo)權(quán)重計(jì)算和隧道健康評(píng)價(jià)是合理的，南京長(zhǎng)江隧道是健康的。

②隧道溫度、土壓力、環(huán)向鋼筋應(yīng)變對(duì)隧道健康監(jiān)測(cè)分析具有重要意義。三個(gè)斷面的約簡(jiǎn)結(jié)果具有一致性，均為a1（內(nèi)側(cè)環(huán)向鋼筋應(yīng)變）、a6（溫度）和a11（土壓力），且權(quán)重結(jié)果均為a6>a1>a11。

③健康評(píng)價(jià)值集中于1.5，7月至9月的U4，U5評(píng)價(jià)值出現(xiàn)波動(dòng)，推斷為7～9月為長(zhǎng)江洪水期。

參考文獻(xiàn)：

[1]Pawlak Z. Rough set[J]. International Journal of Computer and Information Sciences，1982.

[2]張?jiān)讫?，華勇.基于粗糙集理論的軟件質(zhì)量評(píng)價(jià)方法[A].2011高等職業(yè)教育電子信息類專業(yè)學(xué)術(shù)暨教學(xué)研討會(huì)論文集[C].2011.

[3]曹秀英，梁靜國(guó).基于粗集理論的屬性權(quán)重確定方法[J].中國(guó)管理科學(xué)，2002（05）.

[4]南京長(zhǎng)江隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)[Z].Nanjing Tunnel and Bridge Administration Company Ltd. 2009（10）.

[5]雷長(zhǎng)征，張巍，丁蓬萊.越江公路盾構(gòu)隧道淺埋段地溫場(chǎng)演化趨勢(shì)模擬分析[J].防災(zāi)減災(zāi)工程學(xué)報(bào)，2015（6）.