基于模糊數(shù)學(xué)與BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在施工安全評(píng)價(jià)中應(yīng)用研究

王 磊（天津路橋建設(shè)工程有限公司，天津 300381）

隨著工程等相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展，高層、中高層等多種形式的建筑在市場(chǎng)內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用。但由于其本身的施工特性，導(dǎo)致建筑施工存在著許多潛在安全隱患，此種隱患極易引發(fā)危險(xiǎn)事故，從而對(duì)社會(huì)、建筑單位的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生極大損害，并對(duì)人民的生命和財(cái)產(chǎn)安全也產(chǎn)生負(fù)面影響。因此，加強(qiáng)施工單位在高層建筑施工中的安全管理，并對(duì)其進(jìn)行有效、合理的安全控制是非常必要的。

對(duì)施工單位進(jìn)行科學(xué)、合理的安全評(píng)估，能有效提高工程建設(shè)的安全水平。運(yùn)用安全評(píng)估理論、科學(xué)的數(shù)學(xué)方法，對(duì)高層建筑工程施工中遇到的問(wèn)題進(jìn)行有效評(píng)估，能使施工單位最大限度減少安全事故和企業(yè)損失。

1 工程概況

以某新城小區(qū)住宅項(xiàng)目為例，設(shè)計(jì)建筑施工安全評(píng)價(jià)方法，該工程基本概況如下：

（1）項(xiàng)目所在地：某城市開(kāi)發(fā)新區(qū)；

（2）項(xiàng)目有效占地面積：149659.52m2；

（3）項(xiàng)目等級(jí)：二級(jí)；

（4）層數(shù)：28層；

（5）高度：89.65m；

（6）設(shè)計(jì)年限：70年；

（7）建筑施工等級(jí)：二級(jí)；

（8）屋頂防水設(shè)計(jì)等級(jí)：二級(jí)；

（9）小區(qū)容積率：3.56；

（10）項(xiàng)目施工涵蓋內(nèi)容：1#建筑～5#建筑共5 個(gè)獨(dú)棟民居建筑，建筑所在小區(qū)的綠化施工等。

該工程項(xiàng)目的施工配置概況見(jiàn)表1。

表1 新城小區(qū)住宅項(xiàng)目主要施工設(shè)施配置概況

2 基于模糊數(shù)學(xué)與BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在建筑施工安全評(píng)價(jià)中應(yīng)用

2.1 建立建筑施工安全評(píng)價(jià)體系

在建立建筑施工安全評(píng)價(jià)體系時(shí)，先確定體系中各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的原則，包括：整體性原則、簡(jiǎn)明性原則、獨(dú)立性原則和實(shí)際性原則[1]。在選取評(píng)估指標(biāo)時(shí)，要從全局的觀點(diǎn)，綜合考慮各種因素和特點(diǎn)對(duì)工程安全的影響，以保證評(píng)估的全面。在指標(biāo)的選擇上，要做到科學(xué)、簡(jiǎn)練[2]。若指數(shù)過(guò)低，則整體指標(biāo)過(guò)于粗糙、過(guò)于籠統(tǒng)，難以滿足評(píng)價(jià)的需要。但是，當(dāng)體系規(guī)模過(guò)大，指標(biāo)過(guò)多時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致工作量增大，忽視了影響因素。因此，在構(gòu)建指標(biāo)體系的時(shí)候要盡量簡(jiǎn)潔。指標(biāo)體系是一組獨(dú)立而又密切聯(lián)系的指標(biāo)，這些指標(biāo)之間不存在重疊或內(nèi)在關(guān)聯(lián)[3]。如果兩者屬性一致，不僅會(huì)增加工作量，而且會(huì)干擾評(píng)價(jià)工作，影響評(píng)價(jià)的科學(xué)性和實(shí)效性。在遵循上述原則后，結(jié)合建筑施工的實(shí)際情況，確定建筑施工安全評(píng)價(jià)體系，見(jiàn)表2。

表2 建筑施工安全評(píng)價(jià)體系

2.2 基于模糊數(shù)學(xué)的建筑施工安全評(píng)價(jià)模型構(gòu)建

確定評(píng)價(jià)指標(biāo)以及完成對(duì)評(píng)價(jià)體系的構(gòu)建后，依據(jù)具體內(nèi)容對(duì)各個(gè)指標(biāo)進(jìn)行權(quán)重確定。根據(jù)不同因素對(duì)施工安全的影響程度，按照評(píng)判依據(jù)進(jìn)行量化。在具體操作中，借助專(zhuān)業(yè)打分實(shí)現(xiàn)[4]。專(zhuān)家在打分過(guò)程中，需要將表3 中的標(biāo)度作為依據(jù)，根據(jù)實(shí)際情況對(duì)評(píng)價(jià)體系中的指標(biāo)進(jìn)行兩兩比較。

表3 指標(biāo)重要性打分標(biāo)度表

在專(zhuān)家打分完畢后，對(duì)各個(gè)指標(biāo)的權(quán)重進(jìn)行分配，對(duì)指標(biāo)進(jìn)行歸一化處理，可得到具體權(quán)重向量，這一過(guò)程見(jiàn)式（1）。

式中Wi-某一安全評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重向量；

bij-某一評(píng)價(jià)指標(biāo)i 與評(píng)價(jià)指標(biāo)j 的專(zhuān)家打分對(duì)比結(jié)果。

通過(guò)一致性檢驗(yàn)的方式，對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重劃分結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)，見(jiàn)式（2）。

式中C.I.-一致性系數(shù)；

λmax-安全評(píng)價(jià)體系最大特征值；

n-判斷矩陣階數(shù)。

引入模糊數(shù)學(xué)理論，構(gòu)建建筑施工安全評(píng)價(jià)模型。假設(shè)影響建筑施工的因素共n個(gè)，則這n個(gè)因素構(gòu)成因素集，并且各個(gè)因素相互之間都存在一定模糊關(guān)系。結(jié)合權(quán)重的具體含義，確定各因素影響程度大小，并進(jìn)行量化[5]。用a表示模糊集中某一因素的權(quán)重，同時(shí)，該權(quán)重應(yīng)滿足下述歸一化要求，見(jiàn)式（3）。

確定評(píng)價(jià)模型中的評(píng)價(jià)集，假設(shè)存在m 種評(píng)價(jià)結(jié)果，評(píng)價(jià)集為V，用vi表示各個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)的具體結(jié)果。通過(guò)對(duì)各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)因素進(jìn)行分析，對(duì)被評(píng)價(jià)的施工項(xiàng)目隸屬關(guān)系確定，并得到評(píng)價(jià)模型Y的表達(dá)式，見(jiàn)式（4）。

式中W-影響建筑施工安全因素的權(quán)重集合；

R-因素集與評(píng)價(jià)集之間的模糊關(guān)系。

在對(duì)建筑施工安全判斷時(shí)，遵循最大隸屬度原則，合理得出評(píng)價(jià)結(jié)果，為后續(xù)改進(jìn)提供方向[6]。

2.3 基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的評(píng)價(jià)模型優(yōu)化

為進(jìn)一步提高模型評(píng)價(jià)精度，利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)模型進(jìn)行學(xué)習(xí)訓(xùn)練。在將評(píng)價(jià)樣本帶入到上述建立的評(píng)價(jià)模型前，對(duì)樣本進(jìn)行統(tǒng)一處理，確保向BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中輸入的數(shù)據(jù)數(shù)值均在0～1 范圍內(nèi)[7]。圖1 為BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)基本結(jié)構(gòu)圖。

圖1 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)基本結(jié)構(gòu)圖

在學(xué)習(xí)訓(xùn)練過(guò)程中，對(duì)學(xué)習(xí)參數(shù)合理設(shè)置。同時(shí)，在BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中還需要完成對(duì)閾值和連接權(quán)值的初始化處理[8]。對(duì)訓(xùn)練樣本集合當(dāng)中的每一個(gè)訓(xùn)練樣本，都需要進(jìn)行后續(xù)步驟處理：對(duì)模型在該神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)輸出層得到的結(jié)果進(jìn)行計(jì)算；根據(jù)當(dāng)前訓(xùn)練樣本，逐層正向計(jì)算節(jié)點(diǎn)實(shí)際輸出[9]。輸出結(jié)果見(jiàn)式（5）。

式中H-輸出結(jié)果；

Wij-隱藏層i節(jié)點(diǎn)第j個(gè)輸出連接權(quán)重；

Xj-第j個(gè)輸出具體數(shù)值；

θj-隱藏層i節(jié)點(diǎn)閾值。

利用已知誤差進(jìn)行反向傳播，直到輸出結(jié)果與預(yù)期結(jié)果之間的差值在允許范圍內(nèi)，完成對(duì)評(píng)價(jià)模型的訓(xùn)練，實(shí)現(xiàn)對(duì)模型的優(yōu)化，從而提升模型評(píng)價(jià)結(jié)果的精度[10]。

3 實(shí)證分析

此次實(shí)證分析通過(guò)運(yùn)用AHP 方法，精確地確定各個(gè)指標(biāo)的權(quán)重，使評(píng)估體系中各個(gè)指標(biāo)的重要性得到合理量化。在分層評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)中，最高層為目標(biāo)層，中間層是標(biāo)準(zhǔn)層，最底層是各個(gè)指標(biāo)指數(shù)。根據(jù)建筑施工安全指標(biāo)選擇的原則，結(jié)合對(duì)高層建筑的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，設(shè)計(jì)針對(duì)此項(xiàng)目施工的安全性評(píng)價(jià)指標(biāo)。

采用專(zhuān)家評(píng)分法，用于衡量各指標(biāo)在評(píng)價(jià)中的相對(duì)重要性，在衡量指標(biāo)時(shí)，應(yīng)兼顧客觀性和精確性等原則，因此，邀請(qǐng)了15名專(zhuān)家進(jìn)行指標(biāo)評(píng)估。根據(jù)1～9標(biāo)度法，構(gòu)建指標(biāo)判斷矩陣，見(jiàn)表4。

表4 評(píng)價(jià)指標(biāo)判斷矩陣

根據(jù)構(gòu)造的評(píng)價(jià)指標(biāo)判斷矩陣，計(jì)算出不同評(píng)價(jià)指標(biāo)的具體權(quán)重值，見(jiàn)表5。

表5 不同評(píng)價(jià)指標(biāo)的具體權(quán)重值

使用MATLAB 軟件，對(duì)各個(gè)指標(biāo)的置信度進(jìn)行評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)步驟如下：

（1）建立用于評(píng)價(jià)二級(jí)指標(biāo)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，使用neff專(zhuān)用函數(shù)，建立層級(jí)指標(biāo)評(píng)價(jià)模型；

（2）在建立了網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)后，為了進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練，應(yīng)設(shè)定網(wǎng)絡(luò)權(quán)重和閾值。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)初始化功能和網(wǎng)絡(luò)參數(shù)值設(shè)定網(wǎng)絡(luò)權(quán)值，根據(jù)設(shè)定的權(quán)值，進(jìn)行權(quán)限的初始化處理；

（3）通過(guò)MATLAB軟件的仿真功能，對(duì)經(jīng)過(guò)訓(xùn)練的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行測(cè)試；

（4）根據(jù)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)的特性，在選擇學(xué)習(xí)樣本時(shí)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況，為訓(xùn)練過(guò)程提供一系列的樣本，以檢驗(yàn)設(shè)計(jì)指標(biāo)的有效性。

對(duì)指標(biāo)置信度的評(píng)估表達(dá)式進(jìn)行設(shè)計(jì)，見(jiàn)式（6）。

由式（6）可知，neff(C)代表指標(biāo)置信度，當(dāng)neff(C)取值為1 時(shí)，說(shuō)明該指標(biāo)為可用指標(biāo)，即該指標(biāo)滿足評(píng)價(jià)需求，當(dāng)neff(C)取值為0時(shí)，說(shuō)明該指標(biāo)為不可用指標(biāo)，即該指標(biāo)不滿足評(píng)價(jià)需求。對(duì)C1～C15進(jìn)行置信評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 C1～C15指標(biāo)置信度評(píng)價(jià)結(jié)果

根據(jù)表6 可以得出，設(shè)計(jì)的C1～C15 指標(biāo)符合建筑施工安全評(píng)價(jià)需求。

對(duì)指標(biāo)進(jìn)行訓(xùn)練學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)過(guò)程如圖2所示。

圖2 訓(xùn)練學(xué)習(xí)過(guò)程

對(duì)數(shù)值進(jìn)行訓(xùn)練，達(dá)到期望值且穩(wěn)定后，輸出此結(jié)果，按照訓(xùn)練結(jié)果，對(duì)建筑施工過(guò)程進(jìn)行評(píng)價(jià)。評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)表7。

表7 建筑施工安全評(píng)價(jià)

4 結(jié)語(yǔ)

此次研究從建筑的安全問(wèn)題入手，了解了建筑的基本概況后，設(shè)計(jì)了針對(duì)建筑工程施工的安全評(píng)價(jià)方法，通過(guò)此次研究，基本可以實(shí)現(xiàn)對(duì)施工引起的各種安全事故有了較為詳盡的了解，同時(shí)也對(duì)其所產(chǎn)生的嚴(yán)重后果有了新的理解。根據(jù)研究，認(rèn)知了在建筑施工過(guò)程中，對(duì)其進(jìn)行安全評(píng)價(jià)等相關(guān)工作的重要性，結(jié)合上述表格內(nèi)容，總結(jié)此次研究的成果，并得到下述幾個(gè)方面的結(jié)論：

（1）根據(jù)表6 中的內(nèi)容，所有指標(biāo)的置信度評(píng)價(jià)結(jié)果均為1，證明評(píng)價(jià)過(guò)程中，建立的指標(biāo)體系與選擇的評(píng)價(jià)指標(biāo)，符合建筑施工評(píng)價(jià)工作的具體需要。

（2）根據(jù)表7 中的內(nèi)容，在進(jìn)行建筑施工安全評(píng)價(jià)時(shí)，期望評(píng)價(jià)結(jié)果與該方法輸出評(píng)價(jià)結(jié)果，得到的數(shù)值存在偏差，但最終評(píng)價(jià)等級(jí)一致。證實(shí)該評(píng)價(jià)方法得到的評(píng)價(jià)結(jié)果具有可借鑒性。表7中，評(píng)價(jià)結(jié)果取值在0.9 以上，代表現(xiàn)場(chǎng)施工十分安全，取值在0.8～0.9 之間時(shí)，代表施工現(xiàn)場(chǎng)較安全。

（3）在未來(lái)階段性工作的實(shí)施中，還將繼續(xù)進(jìn)行安全評(píng)價(jià)方法的深化，填充并完善評(píng)價(jià)指標(biāo)，為建筑工程領(lǐng)域其他工程項(xiàng)目施工的安全評(píng)價(jià)提供借鑒。