基于模糊集與改進(jìn)證據(jù)理論的綜合管廊施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

蔡孟龍,胡慶國(guó),何忠明

(長(zhǎng)沙理工大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院,湖南 長(zhǎng)沙 410114)

綜合管廊在規(guī)劃市政管線建設(shè)與增強(qiáng)城市綜合承載能力方面具有顯著優(yōu)勢(shì),能解決地下基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中路面重復(fù)開(kāi)挖、架空線網(wǎng)過(guò)密及管線安全事故頻發(fā)等問(wèn)題,還能最大化節(jié)約土地資源與最優(yōu)化利用有限的地下空間資源實(shí)現(xiàn)城鎮(zhèn)化。但其實(shí)施過(guò)程中易對(duì)周遭環(huán)境產(chǎn)生不良影響,并伴隨著安全事故的發(fā)生,對(duì)其施工安全及鄰近重要建構(gòu)筑物安全性影響風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)已成為城市地下綜合管廊建設(shè)中十分必要的環(huán)節(jié)。杜修力等采用證據(jù)理論對(duì)長(zhǎng)春輕軌三期的某地下站深基坑工程施工風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了評(píng)價(jià)；何忠明等通過(guò)分析高邊坡爆破施工的失穩(wěn)因素,建立集對(duì)可拓模型對(duì)廣西某高速公路擴(kuò)建段高邊坡爆破施工安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了評(píng)價(jià)；劉艷宇等建立基于層次分析法的模糊評(píng)價(jià)模型,對(duì)某綜合管廊PPP項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)管理進(jìn)行了研究；張勝昔等構(gòu)建G－FAHP評(píng)價(jià)模型,對(duì)青島某深基坑施工風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià),并對(duì)關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)要素進(jìn)行了排序。目前針對(duì)城市地下綜合管廊項(xiàng)目的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)大多以PPP項(xiàng)目全生命周期為出發(fā)點(diǎn),且在大多數(shù)定量評(píng)價(jià)中會(huì)涉及專家打分,會(huì)受到專家主觀意見(jiàn)和自身經(jīng)驗(yàn)等不確定因素的影響。該文將模糊集與改進(jìn)D－S證據(jù)理論相融合,建立綜合管廊施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型,對(duì)城市地下綜合管廊施工安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行全面評(píng)價(jià)。

1 理論簡(jiǎn)介

1.1 模糊集理論

模糊集理論采用隸屬函數(shù)表示不確定概念外延中對(duì)象屬于概念的程度。采用高斯隸屬函數(shù)反映正態(tài)分布特征,即：

式中：μ為函數(shù)的中心；σ為寬度,其值與專家意見(jiàn)的確信度成反比。

1.2 D-S證據(jù)理論

Dempster教授提出利用多值映射思想來(lái)界定不確定概率的上、下界。由合成法則可知,n個(gè)獨(dú)立證據(jù)m1,m2,…,mn的融合結(jié)果為：

2 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

2.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的建立

由于綜合管廊是在地下建設(shè),其基坑工程和主體工程具有復(fù)雜性、綜合性且易受周邊環(huán)境的影響。參考GB 50838－2015《城市綜合管廊工程技術(shù)規(guī)范》、GB 51354－2019《城市地下綜合管廊運(yùn)維級(jí)安全技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》等,結(jié)合問(wèn)卷調(diào)查法,充分考慮其纜線、干線、支線及干支混合等4種設(shè)計(jì)類型,選取5個(gè)主要影響因素構(gòu)建綜合管廊施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系(見(jiàn)表1)。

2.2 綜合管廊施工安全風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分

在查閱大量建筑、公路、市政工程等評(píng)價(jià)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上,結(jié)合綜合管廊項(xiàng)目的特點(diǎn),按照李克特量表的形式,將綜合管廊施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)的等級(jí)評(píng)語(yǔ)按照高低分為VL、L、M、H、VH 5個(gè)等級(jí),其值分別為θ1、θ2、θ3、θ4、θ5,構(gòu)成評(píng)語(yǔ)集合 Θ＝{θ1,θ2,θ3,θ4,θ5}。風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分見(jiàn)表2。

表2 綜合管廊施工安全風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)

3 綜合管廊施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型

3.1 權(quán)重的確定

引入連續(xù)有序加權(quán)平均算子COWA確定權(quán)重,運(yùn)算步驟如下：

(1)指標(biāo)A i決策數(shù)據(jù)集結(jié)為(a i1,a i2,…,a in),根據(jù)其數(shù)值大小對(duì)數(shù)據(jù)重新進(jìn)行遞減排序,并將新集結(jié)數(shù)列重新編號(hào)為(b i1,b i2,…,b in)。

(2)利用組合數(shù)計(jì)算b i的權(quán)重,求加權(quán)向量：

(3)按下式計(jì)算A i的絕對(duì)權(quán)重

(4)按下式計(jì)算指標(biāo)A i的相對(duì)權(quán)重ωi：

式(4)所得即為指標(biāo)的COWA權(quán)重值。

3.2 隸屬度矩陣的建立

由隸屬度求出各指標(biāo)隸屬于不同風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的程度。定義中心點(diǎn)μ＝(0,0.25,0.5,0.75,1),則隸屬度函數(shù)如下：

按式(5),結(jié)合各評(píng)價(jià)指標(biāo)構(gòu)造隸屬度矩陣如下：

3.3 證據(jù)融合

依據(jù)傳統(tǒng)D－S證據(jù)理論中的Dempster合成法則可對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合,但證據(jù)之間的沖突程度越大,其算法缺陷逐漸突出,特別是當(dāng)沖突較高時(shí),融合結(jié)果可能不太符合實(shí)際。根據(jù)文獻(xiàn)[10],證據(jù)間的互相沖突對(duì)決策評(píng)價(jià)而言并非全都是無(wú)用的。綜合管廊施工安全風(fēng)險(xiǎn)分為5個(gè)等級(jí),融合n位專家意見(jiàn)時(shí)所需的計(jì)算量隨著專家人數(shù)呈指數(shù)增長(zhǎng)。為提高高沖突下證據(jù)融合的合理性與真實(shí)性,引入基于權(quán)值分配與矩陣分析的算法,具體運(yùn)算過(guò)程參考文獻(xiàn)[11]～[12]。基于權(quán)值分配與矩陣分析的D-S合成算法流程見(jiàn)圖1。

圖1 基于權(quán)值分配與矩陣分析的D-S合成算法流程

3.4 mass函數(shù)合成

對(duì)所有指標(biāo)函數(shù)按下式進(jìn)行數(shù)據(jù)融合：

式中：m(Aij)為指標(biāo)Aij對(duì)A的支持度,通過(guò)轉(zhuǎn)化專家意見(jiàn)后得到；ni為指標(biāo)Ai所含子指標(biāo)的個(gè)數(shù)。

3.5 風(fēng)險(xiǎn)綜合評(píng)價(jià)

根據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)與概率學(xué)原理,風(fēng)險(xiǎn)評(píng)定的每一等級(jí)的概率大小在理論上是相等的,為使評(píng)價(jià)結(jié)果一目了然,將綜合管廊施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)等級(jí)的取值范圍定為[0,1],并以此劃分5個(gè)等級(jí)(見(jiàn)表3)。

表3 綜合管廊施工安全風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分

將合成后的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)概率分配矩陣P與表2中的評(píng)價(jià)量化值U相乘,并進(jìn)行單值化,得到風(fēng)險(xiǎn)綜合評(píng)價(jià)結(jié)果。

4 實(shí)例分析

4.1 工程概況

重慶市開(kāi)州區(qū)地下綜合管廊建設(shè)一期項(xiàng)目起于濱湖北路豐太段K0＋000,止于濱湖北路大丘段K6＋091,全長(zhǎng)6 091 m。其中：K0＋000—K4＋180段管廊基坑長(zhǎng)度4 180 m,自然放坡,坡比1∶1.5,基坑深度8～13 m,采用分層明挖施工；K5＋180—K6＋091段管廊基坑長(zhǎng)度911 m,樁板擋墻支護(hù),基坑深度8 m,采用分層明挖施工；K4＋180—K5＋180段管廊基坑長(zhǎng)度1 000 m,錨噴支護(hù),基坑深度4.8 m,采用分層明挖施工。綜合管廊采用矩形箱涵結(jié)構(gòu)形式,分為兩艙和三艙,斷面凈空尺寸分別為(1.6＋4.2)m×2.8 m、(2.1＋1.6＋2.6)m×2.8 m～(2.1＋1.6＋4.2)m×2.8 m,設(shè)置監(jiān)控中心一座(見(jiàn)圖2)。

4.2 指標(biāo)權(quán)重的確定

通過(guò)調(diào)查問(wèn)卷請(qǐng)6位從業(yè)人員對(duì)指標(biāo)A1～A5的重要度進(jìn)行打分,運(yùn)用COWA算子確定各指標(biāo)的權(quán)重。以A1為例,按式(2)求得加權(quán)向量,根據(jù)式(3)計(jì)算絕對(duì)權(quán)重,得：

圖2 重慶市開(kāi)州區(qū)地下綜合管廊平面布置

4.3 風(fēng)險(xiǎn)綜合評(píng)價(jià)

為確保評(píng)價(jià)結(jié)果真實(shí)有效,邀請(qǐng)3位具有豐富經(jīng)驗(yàn)和高級(jí)職稱的評(píng)委(2位為某地綜合管廊項(xiàng)目的項(xiàng)目經(jīng)理,1位為當(dāng)?shù)馗咝５慕淌?對(duì)該項(xiàng)目的施工安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià),并將其評(píng)價(jià)意見(jiàn)帶入隸屬度矩陣進(jìn)引計(jì)算,歸一化后得表4～6。

表4 專家1基本概率分配

表5 專家2基本概率分配

表6 專家3基本概率分配

采用圖1所示D－S證據(jù)合成算法融合上述3位專家的基本評(píng)價(jià)概率,結(jié)果見(jiàn)表7。

表7 基于改進(jìn)D-S證據(jù)理論的數(shù)據(jù)融合結(jié)果

根據(jù)式(3)和COWA算子所得各層指標(biāo)權(quán)重,將表8所示指標(biāo)數(shù)據(jù)輸入MATLAB軟件進(jìn)行逐層合成,結(jié)果見(jiàn)表8。

表8 各層指標(biāo)Mass函數(shù)合成

綜合評(píng)價(jià)值R＝P×U＝0.496 2。由表3可知：開(kāi)州城市地下綜合管廊施工安全風(fēng)險(xiǎn)為中等。為分析各指標(biāo)對(duì)綜合管廊施工安全風(fēng)險(xiǎn)的影響大小,將指標(biāo)A1～A5進(jìn)行單值化處理,得指標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)值如下：R1＝0.544 1,R2＝0.541 2,R3＝0.528 2,R4＝0.382 8,R5＝0.454 4。將上述指標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)值按照大小進(jìn)行排序,R1＞R2＞R3＞R5＞R4,說(shuō)明在綜合管廊施工安全風(fēng)險(xiǎn)中,人為因素與設(shè)計(jì)因素是較主要、影響較大的兩個(gè)因素。該綜合管廊項(xiàng)目各施工人員具有相應(yīng)的資質(zhì),負(fù)責(zé)安全管理的專職人員能及時(shí)指出危險(xiǎn)操作并要求防范；艙數(shù)、斷面尺寸、分區(qū)投料口設(shè)置合理；在進(jìn)行深基坑分層明挖施工時(shí),根據(jù)各標(biāo)段的邊坡土質(zhì)特性,分別采用樁板擋墻與噴錨等支護(hù)方法,可有效避免險(xiǎn)情發(fā)生,安全風(fēng)險(xiǎn)為中等風(fēng)險(xiǎn)。

5 結(jié)論

(1)針對(duì)施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)中專家意見(jiàn)不集中等問(wèn)題,建立基于模糊集與改進(jìn)D－S證據(jù)理論的城市地下綜合管廊施工安全風(fēng)險(xiǎn)綜合評(píng)價(jià)模型,通過(guò)將模糊集與證據(jù)理論相結(jié)合,真實(shí)可靠地反映綜合管廊施工中的不確定性,提高風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確度,且該評(píng)價(jià)模型邏輯清晰、計(jì)算簡(jiǎn)單、易于推廣。

(2)基于COWA算子的權(quán)重計(jì)算與傳統(tǒng)層次分析法、德?tīng)柗品ㄏ啾雀鼑?yán)謹(jǐn)、客觀,可降低專家評(píng)價(jià)主觀因素的影響。采用以高斯函數(shù)為隸屬度函數(shù)構(gòu)造Mass矩陣,并與權(quán)值分配和矩陣分析算法相結(jié)合,所得結(jié)果比傳統(tǒng)證據(jù)理論更準(zhǔn)確。

(3)重慶開(kāi)州區(qū)地下綜合管廊建設(shè)一期項(xiàng)目的施工安全風(fēng)險(xiǎn)為中等,與工程實(shí)際吻合度較高,驗(yàn)證了該量化模型的正確性與可實(shí)踐性,可為項(xiàng)目的順利進(jìn)行提供有力保障。