基于ICUOWGA-RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的裝配式建筑施工安全評價

閆帥平，張 杰

(濟(jì)源職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑工程系，河南 濟(jì)源 459000)

裝配式建筑在提高工程質(zhì)量、節(jié)約資源、保護(hù)環(huán)境等方面相對于傳統(tǒng)建筑更具有優(yōu)勢[1]。但是，目前的施工技術(shù)和人員素質(zhì)難以滿足裝配式建筑多維作業(yè)空間并行施工的安全要求，極易發(fā)生安全事故[2]。2016年國務(wù)院辦公廳在《關(guān)于大力發(fā)展裝配式建筑的指導(dǎo)意見》中指出：“力爭用十年左右的時間，使裝配式建筑占新建建筑面積的比例達(dá)到30%”[3]。該政策的實施將我國裝配式建筑產(chǎn)業(yè)推向高潮，使得裝配式建筑施工的安全管理面臨重要的挑戰(zhàn)。

目前，國內(nèi)外學(xué)者對裝配式建筑施工安全評價方法進(jìn)行了大量的研究。在國外，Li等[4]借助系統(tǒng)動力學(xué)和Vensim 軟件確定了裝配式建筑施工安全評價指標(biāo);Chang等[5]建立了基于層次分析法的裝配式建筑施工安全評價模型，但評價結(jié)果存在較大的主觀性。在國內(nèi)，傳統(tǒng)建筑施工安全評價方法已取得了豐碩的成果[6]，但由于裝配式建筑施工與傳統(tǒng)建筑施工存在較大的差異，導(dǎo)致傳統(tǒng)建筑施工安全評價方法無法直接運用于裝配式建筑施工的安全評價中。裝配式建筑在最近幾年才得到快速發(fā)展，目前針對其安全管理的研究較少，現(xiàn)有的裝配式建筑施工安全評價方法主要有事故樹分析法[7]、系統(tǒng)動力學(xué)法[8]、層次分析法和熵權(quán)法[9]、可拓學(xué)理論[10]、G1-物元分析法[11]、系統(tǒng)動力學(xué)[12]。但這些評價方法多是借助決策者主觀設(shè)定數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，未同時考慮評價指標(biāo)的不確定性、隨機(jī)性和指標(biāo)間非線性關(guān)系且計算過程繁瑣，難以滿足裝配式建筑施工安全評價的要求。鑒于此，本文提出了基于ICUOWGA-RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的裝配式建筑施工安全評價方法。該方法先參考安全事故致因理論構(gòu)建裝配式建筑施工安全評價指標(biāo)體系；然后引入模糊語義算子對CUOWGA算子進(jìn)行改進(jìn)得到評價指標(biāo)的權(quán)重；最后運用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理指標(biāo)的隨機(jī)性和指標(biāo)間的非線性關(guān)系，輸出裝配式建筑施工的安全等級。

1 裝配式建筑施工安全評價指標(biāo)體系的構(gòu)建

裝配式建筑施工可劃分為構(gòu)件生產(chǎn)、構(gòu)件運輸、現(xiàn)場吊裝、構(gòu)件安裝4個主要過程。與傳統(tǒng)建筑工程相比，裝配式建筑工程具有高空作業(yè)多、吊裝難度大、機(jī)械化要求高等特點，導(dǎo)致施工不安全因素具有隨機(jī)性，且現(xiàn)場存在較大的安全隱患。徐峰等[13]研究認(rèn)為高處墜落、物體打擊、坍塌、起重機(jī)械傷害是傳統(tǒng)建筑施工主要的安全風(fēng)險因素；文敏等[14]通過對裝配式建筑項目進(jìn)行實地調(diào)研，認(rèn)為高空臨邊作業(yè)、構(gòu)件吊裝及安裝、觸電、高空墜落、構(gòu)件裝運卸載是裝配式建筑施工的主要安全風(fēng)險。本文在傳統(tǒng)建筑施工安全風(fēng)險因素研究的基礎(chǔ)上，從裝配式建筑施工安全事故成因的角度出發(fā)，反推、歸納出“人員-物-管理-技術(shù)-環(huán)境”5個二級評價指標(biāo)、27個三級評價指標(biāo)，構(gòu)建了裝配式建筑施工安全評價指標(biāo)體系，具體見表1。

表1 裝配式建筑施工安全評價指標(biāo)體系

2 基于ICUOWGA-RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的裝配式建筑施工安全評價方法

2.1 評價方法的適用性分析

2.1.1 ICUOWGA算子賦權(quán)

常規(guī)賦權(quán)方法諸如層次分析法、專家調(diào)查法、德爾菲法等均是借助專家對指標(biāo)的認(rèn)知進(jìn)行賦值，其結(jié)果存在較大的主觀不確定性。CUOWGA算子在一定程度上規(guī)避了專家決策過程中的主觀臆斷性，但卻存在主觀條件已定的缺陷，降低了評價結(jié)果的科學(xué)性[15]。本文在傳統(tǒng)CUOWGA算子的基礎(chǔ)上，引入模糊語義量化算子得到ICUOWGA算子，通過模糊區(qū)間數(shù)確定專家決策數(shù)據(jù)，構(gòu)建規(guī)范化矩陣，進(jìn)而得到評價指標(biāo)的權(quán)重，這在一定程度上規(guī)避了專家決策的臆斷性。

2.1.2 RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練

裝配式建筑施工安全評價指標(biāo)間的關(guān)系復(fù)雜，并非嚴(yán)格意義的線性關(guān)系。傳統(tǒng)的模糊數(shù)學(xué)、灰色理論等方法基本上從線性的角度來解決指標(biāo)間相互作用對目標(biāo)的影響。RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相對于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在逼近能力、學(xué)習(xí)和收斂速度方面更勝一籌，可以更好地處理系統(tǒng)內(nèi)部復(fù)雜的規(guī)律，被廣泛應(yīng)用于風(fēng)險預(yù)測、信息處理等領(lǐng)域[16]。因此，本文利用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練樣本數(shù)據(jù)，以規(guī)避模擬過程陷入局部最小值的缺陷。

2.1.3 基于ICUOWGA-RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的裝配式建筑施工安全評價

裝配式建筑施工安全評價是一個動態(tài)的變化過程，施工過程需及時根據(jù)實際情況做相應(yīng)調(diào)整，若每次評價均需根據(jù)ICUOWGA算子求得的指標(biāo)權(quán)重重新計算，將會導(dǎo)致評價過程繁瑣且容易出錯，也使該方法失去了可擴(kuò)展性。故本文通過ICUOWGA算子與RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合，利用訓(xùn)練成熟的網(wǎng)絡(luò)充分存儲專家知識和經(jīng)驗，當(dāng)進(jìn)行新的評價時，無需重新訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)結(jié)果，只需調(diào)整輸入?yún)?shù)，即可得到目標(biāo)評價值，提高了評價結(jié)果的延展性。

2.2 利用ICUOWGA算子計算評價指標(biāo)的權(quán)重

本文引入模糊語義量化算子，通過構(gòu)建規(guī)范化決策矩陣對傳統(tǒng)CUOWGA算子進(jìn)行改進(jìn)，進(jìn)一步消除運算過程的主觀性，具體步驟如下：

(1) 引入模糊語義量化算子：設(shè)評價指標(biāo)權(quán)重矩陣w=(w1,w2,…,wk,…,wn),wk=Q(k/n)-Q[(k-1)/n]

(1)

其中Q為模糊語義量化算子，則有：

(2)

式中：模糊語義算子Q(r)為(a,b)=(0.3,0.8)、(a，b)=(0，0.5)、(a，b)=(0.5,1)，分別表示為“大多數(shù)”、“至少半數(shù)”、“盡可能多”，a,b,r∈[0,1]。

對于成本型指標(biāo)為

(3)

對于效益指標(biāo)為

(4)

(3) 構(gòu)建可能度矩陣P=(pij)m×n：設(shè)a=[aL,aU]、b=[bL,bU]，令la=aU-aL、lb=bU-bL，區(qū)間數(shù)a≤b的可能度定義為

(5)

對規(guī)范化矩陣R=(rij)m×n中數(shù)據(jù)作兩兩比較，得到可能度矩陣P=(pij)m×n。

(4) 構(gòu)建排序向量：利用下式計算互補(bǔ)判斷矩陣：

(6)

得到排序向量v=(v1,v2,…,vn)T。

(5) 計算評價指標(biāo)的權(quán)重：按照從大到小的順序?qū)ο蛄縱i中的aij進(jìn)行重新排序，得到新的一組數(shù)據(jù)bj，再運用模糊語義量化評價指標(biāo)權(quán)重矩陣w對數(shù)據(jù)bj進(jìn)行加權(quán)運算，得到ICUOWGA算子：

(7)

通過利用ICUOWA算子對指標(biāo)進(jìn)行歸范化處理得到評價指標(biāo)的權(quán)重。

2.3 RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的樣本訓(xùn)練

RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為一種前向反饋型網(wǎng)絡(luò)，由輸入層、隱含層、輸出層三部分組成，見圖1。在整個RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練過程中需經(jīng)歷非線性和線性兩

圖1 RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練圖Fig.1 RBF neural network training diagram

個階段，其中從輸入層到隱含層為非線性映射，從隱含層到輸出層為線性映射，極好地解決了裝配式建筑施工安全評價指標(biāo)間復(fù)雜的非線性和線性關(guān)系。RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論上可逼近任意函數(shù)，通過初始神經(jīng)逐漸向上迭代，每迭代一次相應(yīng)增加一個神經(jīng)元，并尋求最佳權(quán)向量，求得目標(biāo)向量和學(xué)習(xí)向量的誤差平方和，直到滿足設(shè)定誤差時停止訓(xùn)練，輸出目標(biāo)評價值。RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的映射關(guān)系式為

(8)

(9)

上式中：x為網(wǎng)絡(luò)的輸入樣本數(shù)據(jù)，x=[x1,x2,…,xn];cj為隱含層j節(jié)點奇函數(shù)的中心參數(shù)，cj=[cj1,cj2,…,cjn]；φj為隱含層神經(jīng)元j的輸出；b為網(wǎng)絡(luò)的寬度向量，b=[b1,b2,…,bm];w為評價指標(biāo)的權(quán)重，w=[w1,w2,…,wm];y為網(wǎng)絡(luò)的輸出，y=[y1,y2,…,yn]。

3 案例分析

本文以鄭州某裝配式建筑工程施工項目為例，利用上述建立的基于ICUOWGA-RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的裝配式建筑施工安全評價方法對該項目進(jìn)行安全評價。

該項目位于鄭州市鴻鵠路與新老107連接線的東北部,規(guī)劃用地面積為206 504.7 m2，建筑面積為726 986.6 m2，綠化率為30.20%，容積率為2.7。本文對裝配式建筑施工的安全等級均等劃分，即任何安全等級出現(xiàn)的概率是相同的。借鑒建筑業(yè)安全綜合評定等級標(biāo)準(zhǔn)，并結(jié)合RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出結(jié)果，將裝配式建筑施工安全等級劃分為5個級別，分別為高、較高、一般、較低、低，具體詳見表2。

表2 裝配式建筑施工安全等級的劃分

3.1 利用ICUOWGA算子計算評價指標(biāo)的權(quán)重

本文以二級評價指標(biāo)環(huán)境因素A5下5個三級評價指標(biāo)為例,計算各評價指標(biāo)的權(quán)重，具體計算過程如下：

首先，邀請5位專家參考裝配式建筑施工安全等級劃分范圍對各評價指標(biāo)進(jìn)行打分，為了便于計算，所有打分采用5的倍數(shù)形式體現(xiàn)，得到專家的初始決策數(shù)據(jù)，見表3。

表3 初始決策數(shù)據(jù)

然后，利用ICUOWGA算子集結(jié)處理該初始決策數(shù)據(jù)，其步驟如下：

(1) 為提升安全等級，默認(rèn)模糊語義為“盡可能多”，即(a,b)=(0.5，1),參考公式(1)和(2)得到加權(quán)向量w=(0.4,0.3,0.2,0.5,0.6)。

(2) 利用公式(3)和(4)對表3初始決策數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)范化處理，得到組合決策數(shù)據(jù)，見表4。

表4 組合決策數(shù)據(jù)

(3) 根據(jù)公式(5)對表4中組合決策數(shù)據(jù)進(jìn)行兩兩比較，構(gòu)建可能度矩陣p(i):

(4) 根據(jù)公式(6)求得關(guān)于矩陣p的排序向量：

v(1)=(0.447,0.202,0.422,0.427,0.248);

v(2)=(0.175,0.275,0.454,0.277,0.203);

v(3)=(0.374,0.402,0.274,0.237,0.776);

v(4)=(0.472,0.374,0.147,0.278,0.272);

v(5)=(0.447,0.270,0.486,0.236,0.247).

(5) 根據(jù)公式(7)求得ICUOWGA51=[3.67,4.25]。為了提升結(jié)果的直觀性，取中間數(shù)作為評價值，即U51=3.96。同理,求得其他4個三級評價指標(biāo)ICUOWGA算子的中間數(shù),即U52=3.27，U53=4.16，U54=2.45，U55=2.72。經(jīng)歸一化后求得5個三級評價指標(biāo)的權(quán)重為：η51=0.239，η52=0.197，η53=0.252，η54=0.148，η55=0.164。

同理，可計算得到其他評價指標(biāo)的權(quán)重為：η11=0.125，η12=0.136，η13=0.201，η14=0.185，η15=0.194，η16=0.159；η21=0.138，η22=0.216，η23=0.197，η24=0.205，η25=0.117，η26=0.127；η31=0.126，η32=0.114，η33=0.233，η34=0.217，η35=0.310；η41=0.173，η42=162，η43=0.236，η44=0.245，η45=0.184；η1=0.348，η2=0.234，η3=0.148，η4=0.137，η5=0.133。

3.2 RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的樣本訓(xùn)練

3.2.1 RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練樣本收集

為提高RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練和模擬的能力，參考BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對樣本劃分的原則，本文將RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)樣本數(shù)量按照3∶1∶1的原則分為訓(xùn)練集、測試集和驗證集三個部分,且所有樣本隨機(jī)選擇，以確保輸出結(jié)果的科學(xué)性。本次訓(xùn)練共選擇樣本100組，其中訓(xùn)練樣本60組，測試樣本20組，驗證樣本20組。100組樣本來自河南省10組、浙江省30組、江蘇省20組、深圳市10組、北京市20組、上海市10組，所有數(shù)據(jù)均來源于當(dāng)?shù)卣b配式研究協(xié)會和裝配式建筑網(wǎng)。

3.2.2 RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練和測試

本文借助Matlab 2014神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具包將27個三級評價指標(biāo)輸入RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，輸出裝配式建筑施工的安全等級。經(jīng)過多次訓(xùn)練發(fā)現(xiàn)如下規(guī)律：訓(xùn)練次數(shù)達(dá)到700次，最小訓(xùn)練速度為0.7，最大允許誤差為0.006，迭代次數(shù)為750次，訓(xùn)練效果最佳，其訓(xùn)練結(jié)果見表5。

由表5可知，學(xué)習(xí)樣本、驗證樣本的期望輸出值與實際輸出值非常接近，最大絕對誤差值為0.000 5，小于最大允許誤差0.006，表明該模型已達(dá)到最佳狀態(tài)，可滿足訓(xùn)練精度的要求，輸出結(jié)果可供參考；樣本100的實際輸出值為7.942，參照表2判定該裝配式建筑工程施工項目的安全等級為較高。另外，結(jié)合ICUOWGA算子求得的評價指標(biāo)權(quán)重可知，該裝配式建筑工程項目施工過程中應(yīng)注重對工人專業(yè)操作水平、設(shè)備定期安全檢驗、構(gòu)件吊裝安全措施、構(gòu)件連接節(jié)點技術(shù)、現(xiàn)場道路情況5個三級指標(biāo)的安全管理，該結(jié)論可為現(xiàn)場的安全管理提供參考。

4 結(jié) 論

本文提出了基于ICUOWGA-RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的裝配式建筑施工安全評價方法。該方法通過引入模糊語義量化算子實現(xiàn)了對傳統(tǒng)CUOWGA算子的改進(jìn)，更加客觀地求得了各評價指標(biāo)的權(quán)重，提高了賦權(quán)的科學(xué)性；同時利用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理小樣本的優(yōu)勢和同時處理指標(biāo)間線性和非線性關(guān)系的能力，根據(jù)訓(xùn)練成熟的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，當(dāng)訓(xùn)練指標(biāo)變化時可快速重新得到新的評價結(jié)果，提高了評價結(jié)果的延展性。實例應(yīng)用表明：該方法可準(zhǔn)確輸出裝配式建筑施工的安全等級，可為裝配式建筑施工日常的安全管理提供重要的參考。