基于OWA－BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的公路隧道施工風(fēng)險評估

平自要，李玉梅

（1．河南省收費還貸高速公路管理中心，河南 鄭州 450016；2．河南省交通科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，河南 鄭州 450005；3．河南省道路材料與結(jié)構(gòu)工程技術(shù)研究中心，河南 鄭州 450001）

0 引 言

隧道施工因其技術(shù)的復(fù)雜性和實施的不確定性等，成為公路工程建設(shè)過程中的高風(fēng)險環(huán)節(jié)，因此隧道施工的風(fēng)險評估問題顯就得尤為迫切。

在隧道及地下工程風(fēng)險研究領(lǐng)域，美國學(xué)者Einstenin作為代表人物較早地界定了地下工程風(fēng)險研究所遵循的理念及風(fēng)險分析的特點［1－2］。Struk等人經(jīng)過深入研究，提出了隧道及地下工程風(fēng)險控制的理論框架及方法體系［3－4］。

國內(nèi)針對地下工程及隧道的風(fēng)險研究起步相對較晚，但隨著公路隧道、地鐵等地下工程的建設(shè)，除了逐步引進國外的風(fēng)險管理理論與方法［5－6］之外，近年來國內(nèi)諸多專家學(xué)者針對公路工程的風(fēng)險管理問題也進行了一系列的研究，如李凡［7］從項目管理的角度對公路工程項目管理過程中的多個目標風(fēng)險進行系統(tǒng)分析，并結(jié)合同三高速等實際工程案例進行了風(fēng)險控制研究；俞素平［8］在風(fēng)險分解結(jié)構(gòu)RBS的基礎(chǔ)上對公路隧道施工風(fēng)險進行了系統(tǒng)識別，構(gòu)建了風(fēng)險評估的網(wǎng)絡(luò)分析方法；周樹影［9］就公路工程中的高架工程風(fēng)險管理問題進行了探討，提出了風(fēng)險模糊評估方法并得出對應(yīng)的風(fēng)險應(yīng)對策略；程遠等［10］運用模糊理論，從風(fēng)險發(fā)生概率與風(fēng)險損失相結(jié)合的角度對大跨淺埋隧道施工風(fēng)險進行了評估；曹成勇等［11］針對淺埋大跨度下高速公路隧道施工風(fēng)險評估問題，構(gòu)建了功能系數(shù)評估方法并進行了運算。

綜合上述分析可知，現(xiàn)有的隧道及地下工程風(fēng)險管理已經(jīng)形成了相對系統(tǒng)的框架體系，但針對公路隧道風(fēng)險評估的方法研究相對較少，且上述學(xué)者所采用的研究方法在很大程度上依賴于專家主觀經(jīng)驗來確定相應(yīng)指標的權(quán)重與風(fēng)險程度，在具體風(fēng)險評估實踐中容易失真［12－14］。因此為了提高公路隧道施工風(fēng)險評估的可靠性與準確性，需要結(jié)合公路隧道施工的系統(tǒng)特征提出科學(xué)的風(fēng)險評估新方法。本文以此為出發(fā)點，對一種基于有序加權(quán)（OWA）算子和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的風(fēng)險評估方法進行了研究，以期為公路隧道施工風(fēng)險評估提供方法支持。

1 公路隧道工程施工風(fēng)險評估體系

1．1 指標體系的構(gòu)建原則

對公路隧道施工風(fēng)險進行綜合評估，需要以科學(xué)合理的綜合評估體系作為依托。綜合評估指標體系是風(fēng)險評估的載體，是連接風(fēng)險因素與評估方法模型的橋梁。由于公路隧道施工風(fēng)險的影響因素繁雜且呈非線性的特點，不同類型的風(fēng)險很難納入到相同層面實施分類，應(yīng)以“4M1E”原理為理論依據(jù)，將公路隧道施工風(fēng)險的影響指標按人員、設(shè)備、技術(shù)、材料及環(huán)境5個方面進行分類，從而涵蓋公路隧道施工現(xiàn)場風(fēng)險管理的各個方面。同時，應(yīng)深入研究《建筑施工安全風(fēng)險檢查標準》（JTJ 59—2011）及相關(guān)規(guī)范和法規(guī)，結(jié)合公路隧道施工的具體工序，遵循系統(tǒng)性、目標性、可操作性的原則實施體系構(gòu)建。

1．2 指標體系的構(gòu)建

對公路隧道施工風(fēng)險指標進行歸納，建立層次結(jié)構(gòu)，構(gòu)建涵蓋人員、機械、技術(shù)、材料、環(huán)境5個一級指標以及21個二級指標在內(nèi)的風(fēng)險綜合評估指標體系，如圖1所示。

圖1 公路隧道工程施工風(fēng)險綜合評估指標體系

2 基于OWA－BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的公路隧道施工風(fēng)險評估模型

2．1 評估模型的理論基礎(chǔ)與適用性分析

在完成指標體系構(gòu)建的基礎(chǔ)上首先要對體系內(nèi)各級指標進行權(quán)重的確定。由于公路隧道施工影響因素多且存在相互作用，使得在具體評估過程中得到的是大樣本的評估數(shù)據(jù)，在這種情況下進行權(quán)重確定就要考慮數(shù)據(jù)極端值對計算結(jié)果的影響。為了保證有限數(shù)據(jù)情況下權(quán)重確定的準確性，本文嘗試運用有序加權(quán)（OWA）算子進行賦權(quán)。OWA算子是美國學(xué)者Yager教授提出的一種客觀賦權(quán)方法。該方法通過按照一定的順序?qū)υ紨?shù)據(jù)序列重新排序、集成并根據(jù)位置先行加權(quán)處理，從而對數(shù)據(jù)實行區(qū)別對待，弱化極值的負面作用［15－16］。

公路隧道施工風(fēng)險分析是一個復(fù)雜非線性關(guān)系的動態(tài)系統(tǒng)過程，通常需要根據(jù)多次數(shù)據(jù)變動實施反復(fù)動態(tài)評估。傳統(tǒng)評價方法（如模糊評估法、灰色關(guān)聯(lián)法等）難以滿足這種延展性評估的要求，當數(shù)據(jù)變動時需要重新計算分析，降低了評價的效率。為提高公路隧道施工風(fēng)險評估的效率和延展性，本文嘗試運用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建一種能根據(jù)數(shù)據(jù)變化及時做出調(diào)整，從而實現(xiàn)快速科學(xué)評估的綜合評估模型。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法在模擬非線性關(guān)系、處理復(fù)雜系統(tǒng)多指標評價問題時，具有較好的優(yōu)異性和延展性。

2．2 風(fēng)險評估等級的確定

風(fēng)險評估等級是實施風(fēng)險評估的基礎(chǔ)，是風(fēng)險評估分析的參照。在評估者實施評估之前，出現(xiàn)任何評估結(jié)果的可能性均是未知的，即出現(xiàn)任一風(fēng)險評估結(jié)果均為等可能事件。鑒于此，在風(fēng)險評估等級確定時，采用一種等分區(qū)間的測度方法。按照風(fēng)險程度越高得分越低的原則界定公路隧道施工風(fēng)險測度等級，測度取值區(qū)間為（0，1］，具體測度劃分如表1所示。

表1 公路隧道施工風(fēng)險等級測度

2．3 OWA算子賦權(quán)

運用OWA算子進行各級指標權(quán)重的確定，具體步驟如下。

（1）設(shè)指標Vi的初始數(shù)據(jù)為（a1，a2，…，an），對初始數(shù)據(jù)按照降序的規(guī)則并從0開始重新排列，即初始數(shù)列轉(zhuǎn)化成新數(shù)列（b0，b1，…，bn），其中b0＞b1＞b2＞…＞bn。

（2）利用組合數(shù)對數(shù)據(jù)bj賦權(quán)，求得賦權(quán)向量值

其中：Cjn－1為在n－1個數(shù)據(jù)中選擇j個數(shù)據(jù)后的組合數(shù)。

（3）利用賦權(quán)向量對決策數(shù)據(jù)加權(quán)，計算出指標Vi的絕對權(quán)重值。

（4）求解指標Vi的相對權(quán)重值wi。

根據(jù)上述步驟，可確定指標體系內(nèi)各級指標的權(quán)重。

2．4 基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的風(fēng)險評估

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通常由輸入層、隱含層、輸出層三部分構(gòu)成，輸出層節(jié)點數(shù)由評估對象的實際情況確定?？紤]到本文為量化研究，最終的風(fēng)險評估結(jié)果為確定的數(shù)值，因此確定輸出層節(jié)點數(shù)為1，輸出值的大小表示風(fēng)險等級。關(guān)于中間隱含層節(jié)點數(shù)的確定，目前尚未有明確的科學(xué)方法，故借鑒多數(shù)學(xué)者所采用的經(jīng)驗公式來進行確定。即l＞log2m；l＝示隱含層、輸入層、輸出層節(jié)點數(shù)，最終構(gòu)建的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練圖

在OWA算子確定各級指標權(quán)重的基礎(chǔ)上，構(gòu)建下級指標層到上級指標層的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型，設(shè)置相關(guān)訓(xùn)練參數(shù)進行測試以達到網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)成熟。將收集的訓(xùn)練樣本信息導(dǎo)入訓(xùn)練成熟的網(wǎng)絡(luò)中，得到二級指標評價值，以此與指標權(quán)重進行加權(quán)計算，確定評估目標風(fēng)險等級。

需要注意的是，在將數(shù)據(jù)輸入網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)之前，要先對其進行歸一化處理，使數(shù)據(jù)滿足統(tǒng)一的量綱。當同時出現(xiàn)正向型指標與反向型指標時，分別按公式（5）、（6）實施歸一化處理。

正向指標

反向指標

式中：Xi表示第i個輸入層的輸入值；Oi表示綜合得分值。

3 算例分析

結(jié)合三淅高速公路西坪至寺灣段某隧道施工實踐情況，運用本文構(gòu)建的模型通過權(quán)重計算與評估計算實施綜合風(fēng)險評估。

3．1 權(quán)重計算

6名公路隧道施工管理領(lǐng)域相關(guān)專家組成決策小組，對指標體系內(nèi)各級指標進行重要性打分?？紤]到數(shù)據(jù)處理的有效與快捷，設(shè)置打分區(qū)間為［0，10］，要求打分數(shù)據(jù)為0．5的整數(shù)倍?，F(xiàn)以一級指標V4為例進行權(quán)重計算，打分結(jié)果見表2。

首先對指標V41的得分進行降序處理，得到新序列（8．5，8．0，8．0，8．0，7．5，7．0），根據(jù)專家組情況可知n＝6，由式（1）得出加權(quán)向量wj＝（0．031，0．156，0．313，0．313，0．156，0，031），則V41的絕對權(quán)重＝7．91。

表2權(quán)重打分數(shù)據(jù)

同理可得其余指標的絕對權(quán)重：＝6．91，權(quán)重向量為

同理，各級指標權(quán)重向量為

同理可得出剩余4個一級指標的絕對權(quán)重值。

3．2 評估計算

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評估由Matlab自帶的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱實施計算?？紤]到有一級指標5個、二級指標21個，網(wǎng)絡(luò)結(jié)果相對復(fù)雜，輸入節(jié)點較多，應(yīng)組織人數(shù)較多的綜合評估小組，按照給定的風(fēng)險測度等級對各個指標進行打分評估，并采集指標相關(guān)評估數(shù)據(jù)，選擇訓(xùn)練樣本40組、學(xué)習(xí)樣本3組，實施訓(xùn)練直至滿意。從多次模擬的結(jié)果可知，當訓(xùn)練次數(shù)滿足500次，最小訓(xùn)練速率為0．8，最大允許誤差為0．001，而迭代次數(shù)為800時，模擬效果最好。模擬訓(xùn)練結(jié)果如表3所示。

表3 基于Matlab神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱的訓(xùn)練結(jié)果

由表3分析可知：4個樣本的期望輸出值與實際輸出值均為同一風(fēng)險等級，即“一般”等級；最大誤差的絕對值為0．005 5，說明該評估模型滿足訓(xùn)練精度要求。測試樣本輸出結(jié)果為0．730 9，即本項目的風(fēng)險評估等級為一般，施工管理者暫時無需采取針對性的措施，應(yīng)保持對施工過程的實時監(jiān)測，并持續(xù)進行風(fēng)險評估。隨著施工的開展，對現(xiàn)場評估數(shù)據(jù)實施動態(tài)監(jiān)測與收集，將變動的輸入樣本導(dǎo)入到訓(xùn)練成熟的網(wǎng)絡(luò)中，可實現(xiàn)快速科學(xué)的動態(tài)持續(xù)評估，這是該模型延展性的體現(xiàn)，也符合施工過程動態(tài)控制的目標。

4 結(jié) 語

（1）以“4M1E”理論為依據(jù)構(gòu)建的公路隧道施工風(fēng)險評估指標體系可以較為科學(xué)地反映遂道施工過程的風(fēng)險指標及層次結(jié)構(gòu)。

（2）運用OWA算子結(jié)合BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的綜合評估模型，可以在有限數(shù)據(jù)條件下有效確定各指標的權(quán)重，滿足公路隧道施工風(fēng)險評估復(fù)雜性與延展性等方面的要求。

（3）運用本研究設(shè)計的評估模型對三淅公路西坪至寺灣段某隧道施工實踐進行風(fēng)險評估，結(jié)果顯示該隧道施工的風(fēng)險等級為“一般”，運用本模型可以對該項目進行跟蹤風(fēng)險評估。

［1］ EINSTEIN H H．Risk and Risk Analysis in Rock Engineering［J］．Tunnelling and Underground Space Technology，1996，11（2）：141－155．

［2］ EINSTEIN H H，XU S，GRASSO P，et al．Decision Aids in Tunneling［J］．World Tunneling，1998（4）：157－159．

［3］ STURK R，OLSSON L，JOHANSSON J．Risk and Decision Analysis for Large Underground Projects as Applied to the StockholmRing Road Tunneling［J］．Tunneling and Underground Space Technology，1996，11（2）：157－164．

［4］ CLARK G T，BORST A．Addressing Risk in Seattle`s Underground［J］．PB Network，2002（1）：34－37．

［5］ ESKESEN S D，TENGBORG P R，KAMPMANN J，et al．Guidelines for Tunnelling Risk Management：International Tunneling Association，Working Group No．2［J］．Tunnelling and Underground Space Technology，2008，27（4）：649－655．

［6］ 錢七虎，戎曉力．中國地下工程安全風(fēng)險管理的現(xiàn)狀、問題及相關(guān)建議［J］．巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2013，9（1）：216－222．

［7］ 李 凡．高速公路施工風(fēng)險管理研究［D］．北京：北京交通大學(xué)，2013．

［8］ 俞素平．公路工程施工安全風(fēng)險評估的網(wǎng)絡(luò)分析法研究［J］．地下空間與工程學(xué)報，2013，9（1）：216－222．

［9］ 周樹影．A高速公路高架工程施工風(fēng)險評估與對策研究［D］．天津：天津大學(xué)，2015．

［10］ 程 遠，朱和華．基于模糊理論大跨淺埋公路隧道施工風(fēng)險評估［J］．地下空間與工程學(xué)報，2016，12（6）：1616－1622．

［11］ 曹成勇，施成華．淺埋大跨下穿高速公路隧道施工風(fēng)險評估及控制措施研究［J］．鐵道科學(xué)與工程學(xué)報，2016，13（7）：1440－1446．

［12］ 代春泉，王 磊．城市隧道施工風(fēng)險指數(shù)法評估［J］．北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2012，38（2）：251－256．

［13］ 陳結(jié)金，張永杰．下穿既有橋梁隧道施工風(fēng)險定量評估方法［J］．中南大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2015，46（5）：1862－1868．

［14］ AN Y L，PENG L M，WU B，et al．Comprehensive Extension Assessment on Tunnel Collapse Risk［J］．Journal of Central South University：Science and Technology，2011，42（2）：514－520．

［15］ YAGER R R．Families of OWA Operators［J］．FuzzySets and System，1993，59（2）：125－148．

［16］ 程 波，賈國柱．改進AHP－BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法研究—以建筑企業(yè)循環(huán)經(jīng)濟評價為例［J］．管理評論，2015，27（1）：35－47．