基于模糊本體的市政工程非開挖施工風險評價系統研究

楊洪镅

（太原市市政公共設施管理處，太原030002）

非開挖技術是一種極為重要的城市鋪設管道的施工手段，因其在市政工程建設過程中可減少對市民的正常生活及交通、環境以及周邊建筑基礎等的破壞或不良影響，在國外已廣泛使用，國內也在逐步普及。雖然非開挖技術有諸多的優點，應用前景廣闊，但也伴隨著高風險，特別是在施工作業過程中地下情況復雜、地面施工空間受限、交通繁忙、人員流動性大時，施工風險更甚。為了減少非開挖施工風險，需要對這些風險進行分析管理，使得潛在損失最小。

目前風險評價在各領域的應用越來越廣泛，非開挖施工領域常用的風險管理措施就是對非開挖施工風險進行評價，并基于評價結果，提出相應的風險應急措施［1］，但采用的方法不能很好掌握非開挖過程的各類信息，其評價結果可參考性較低；另外部分方法并不完善，只能定量地從某一方面反映工程的情況，或者只是對某一工程日前的評價，而不能及時更新，完善非開挖施工風險評價體系。

非開挖施工過程中的風險是不確定的，不僅具有隨機性，而且還具有模糊性，可以采用模糊綜合評定法對非開挖施工風險進行評價［2］。基于此，筆者借鑒部分學者提出的模糊本體的概念與原理，把非開挖施工領域的相關知識進行系統化、形式化的整理，存入計算機，進而構建語義網環境下的非開挖施工風險評價模糊本體，從分散的信息源收集有效信息，本體間可相互聯系，亦可明確導入其他本體的信息，從而提高非開挖施工知識的可重用性和共享性。

1 模糊領域本體概述

將本體理論與模糊理論相結合，通過建立概念層，將形式概念與模糊邏輯整合后處理不確定信息，從而形成模糊本體［3］。模糊領域本體是針對某一特定領域的模糊本體，可以用一個六元組來表示［4］：

式中：OF表示模糊領域本體；Cx是一個模糊的概念，是對論域概念的描述，每個概念有一組屬性對其進行深入描述，屬性值可具有模糊性，也可不具有模糊性；Ct是模糊概念Cx的集合，其每個元素也可稱為類，均需進行規范化描述；PF是概念屬性的集合，任一個屬性p∈PF都是一個四元結構PF（Cp，Vp，U，μp），Cp是本體概念集，Vp是模糊屬性值，U 為模糊概念的取值范圍，μp為模糊語言變量的隸屬度；O表示模糊概念集的運算集，基本操作有交運算、補運算、并運算等，用于模糊本體概念的創建與合成；R是概念集Ct上的二元關系的集合，包括普通關系、模糊關系與直覺模糊關系等；AC是公理的集合，表示公認的事實或合理的推理規則，主要包括反應式規則和演繹規則，用于對知識的推理、演繹，用來處理知識庫內信息。

模糊領域本體的確立將概念屬性由純概念擴展到其與模糊概念的結合，而且引入模糊關系與直覺模糊關系，有利于描述各種模糊現象。通過相關的規則，以模糊方式對概念、公理等本體進一步處理，建立了自然語言和計算機語言的關聯，從而便于計算機計算處理。

2 基于模糊本體的市政工程非開挖施工風險評價系統的總體框架

隨著信息技術的發展，未來的非開挖技術將向著由計算機全遙控的可自動測量記錄、自動導向糾偏和全程可視監控的方向發展［5］。建立市政工程非開挖施工風險評價系統，既能滿足市政工程施工單位的實際需求，又能實現非開挖施工風險評價知識的共享。通過不斷的實踐，進一步完善非開挖施工風險評價模糊領域本體，從而全面提升市政工程非開挖施工風險管理的水平。

基于模糊本體的市政工程非開挖施工風險評價系統的基本設計思想是：

1）在市政工程非開挖施工領域專家的幫助下，建立相關的模糊領域本體。

2）在市政工程非開挖施工領域專家和風險管理專家的幫助下，建立相應的評價指標體系和評價模型，形成評價規則庫。

3）收集與市政工程非開挖施工有關的信息，并參照建立的模糊領域本體，把收集到的數據按設定的格式儲存在元數據庫（關系數據庫、知識庫等）中。

4）將元數據庫中的數據與評價知識庫相匹配，進行相應的規則推理，得出模糊綜合評價結果，并提供給用戶。

系統總體結構設計如圖1所示。

圖1 基于模糊本體的市政工程非開挖施工風險評價系統結構設計框圖

由圖1可知，基于模糊本體的市政工程非開挖施工風險評價系統的實現，關鍵在于四個方面：模糊領域本體的建立、模糊評價規則庫的形成、模糊本體推理規則的確立、知識庫的更新和完善。

3 基于模糊本體的市政工程非開挖施工風險評價系統的實現

3.1 模糊領域本體的生成

模糊領域本體是在相關領域專家的指導下，將本體論與模糊邏輯理論有機結合，通過定義概念、屬性、關系、實例以及相關隸屬度，為信息本身及信息之間的關系建立一個層次結構清晰的語義模型。模糊領域本體的生成如圖2所示。

圖2 市政工程非開挖施工模糊領域本體的生成過程

從圖2可以看出，非開挖施工模糊領域本體的建立，需要先在市政工程非開挖施工領域專家的指導下，先建立領域本體，再結合模糊邏輯理論的知識，依次經歷領域本體的建立、模糊形式概念分析、模糊概念聚類、模糊本體生成四個階段［6］。

1）領域本體的建立。必須滿足非開挖施工風險評價的要求，涵蓋非開挖施工的主要風險因素、施工中主要風險結果及造成的損失等方面的內容。具體風險因素包括工程地質地基條件、水文氣象條件、施工準備、孔內事故、技術規范、施工技術協調、合同簽訂和履行風險；施工中主要風險結果及造成的損失包括工期延誤損失、緊急開挖費用、開挖設備破壞費用、損失賠償費用、項目成本增加、安全事故。

2）模糊形式概念分析。充分考慮到施工實時信息與專家觀點、國家標準的相關性，從概念層次結構中來表達這種關聯性，先是對實時施工信息進行數據預處理，從中抽取關鍵詞或者關鍵短語，結合領域本體，明確這些關鍵詞的屬性、關系及隸屬度（如大、較大、一般、較小、小）。

3）模糊概念聚類。通過概念間的模糊相似性計算，建立對應的基礎概念模糊相似矩陣，采用數學方法定量地確定概念的親疏關系，對其他模糊概念聚類。例如若形式概念A屬于形式聚類U，概念a類似于A，則認為a也屬于U，這即為簡單的概念聚類；聚類中A與a相似與否，可以使用模糊集相似性的定義和相似度閥值計算兩者的相似度來確定。

4）模糊本體生成。模糊概念聚類后，遵循清晰一致、編碼程度最小、本體承諾最小、可擴展等原則，通過類映射、生成非類屬關系、生成類屬關系和產生實例等處理，就可以模糊本體。

3.2 模糊評價規則庫的建立

模糊評價規則庫中儲存各種收集到的規則，此規則庫中應包含本體或本體間模糊信息的傳遞規則，在相應規則基礎上進行模糊定制，具有高度的包容性和擴展性。首先，是根據已有的市政工程非開挖施工風險評價的相關成果，建立市政工程非開挖施工風險評價指標體系，采用層次分析法，計算出各指標的權重，形成評價指標規則庫；然后，以評價指標規則庫為基礎，建立市政工程非開挖施工風險模糊綜合評價模型。從理論上來說，只要有施工實時信息的輸入，對其進行預處理后，系統就能自動計算出非開挖施工風險的大小。

3.3 模糊本體推理規則的建立

本系統中的模糊推理工作過程為：實時施工信息輸入后，經過一定的數據預處理，得出該數據的綜合值；然后將元數據庫中儲存的數據與模糊評價規則庫中符合要求的規則進行匹配，從成功匹配的規則中計算隸屬度值；最后按照最大隸屬度原則，得出最終的評價結論，提供給用戶，以方便用戶據此采取相應的非開挖施工風險管理措施。

3.4 知識庫的更新和完善

最初的知識庫（包括模糊領域本體、模糊評價規則庫）來自非開挖工程領域業務、專業人員對經驗數據的整理，帶有一定主觀性和不確定性，因此需要對模糊本體知識庫不斷地進行開發與擴展。首先確定初步的本體框架，建立核心本體，然后以此為基礎，每進行一次施工風險評價，都調入最后更新的知識庫內容，經過風險策劃和跟蹤，結合模式匹配、概念聚類和關聯規則等處理技術，從實施的非開挖工程施工過程中不斷獲取新的概念、關系，系統亦不斷得到新的輸入數據和新的輸出數據，加上有經驗的工程管理技術人員的主觀評判數據，在不斷對比后，工程管理人員隨時調整預置參數，如風險值計算參數，風險的概率，風險等級識別，風險因素的重要性，預控措施，應急計劃等，及時更新或擴充知識庫，從而不斷擴充核心本體，自動識別更多的領域知識，完善非開挖施工風險模糊本體。

4 工程實例

采用以上方法，對某道路改造工程泥水平衡頂管施工風險進行了評價。

4.1 工程概況

擬建道排橋梁場地屬于平坦的洪沖積平原，微地貌屬于汾河西岸Ⅰ級階地。場地工程地質分區屬于太原盆地次穩定工程地質亞區。在勘探深度范圍內主要由第四系全新統早期沉積的低液限粉土、低液限粉質粘土與砂類土等構成。地下水類型為孔隙潛水，主要補給來源為汾河水的側向補給、各渠道流水補給及大氣降水。現階段為枯水期，豐水期可按提高1m考慮，貧水期水位可按提高0.5m考慮。根據該地區類似施工經驗及現場勘探，溝槽土為土質疏松、透水性較差的低液限粉質土、砂類土，極易產生流砂、邊坡失穩等現象。

工作井、接收井雙排水泥土攪拌樁支護及降水井布置見圖3。在頂管工作坑及接收井周圍距離井外壁1m處，設置雙排水泥土攪拌樁止水兼支護，根據實際情況，水泥土攪拌樁長為頂管工作坑或接收坑深度的兩倍，平均樁長為14m，樁徑500mm，壁狀加固，每側咬合7.5cm，單樁咬合15cm，有效間距350mm，水泥土攪拌樁要求打入持力層不小于0.5m，固化劑選用強度等級為32.5級及以上的普通硅酸鹽水泥，水泥用量60kg／m（水泥摻入量為加固土體質量的16.1%），水灰質量比為1：0.5，兩噴四攪工藝，外摻劑可選用具有早強、減水以及節省水泥等作用的材料。考慮雨水工作坑或接收井東側有動載交通，東側打設雙排水泥土攪拌樁后適當加鋼筋骨架或網片，或者雙排水泥土攪拌樁加型鋼支護（型鋼沉插入攪拌樁內，加強抗側壓力和機動車道動載壓力）。每樁機用電45kW。

圖3 工作井、接收井雙排水泥土攪拌樁支護及降水井布置平面示意圖

所采用的主要施工機械設備如表1所示。

4.2 施工工藝

本次頂管施工程序確定如下：施工準備→管節預制→機頭選型→工作井設置→頂管設備安裝→機頭出洞→頂進→測量→糾偏→壓漿→中繼間安裝→機頭進洞→中繼間管段澆筑鋼筋砼→檢查井施工→閉水試驗→井內檢查井砌筑→工作井回填→清退場。

表1 主要施工機械設備

4.3 風險評價系統的建立

采用以上介紹的基于模糊本體的市政工程非開挖施工風險評價系統的基本設計思想，建立如下評價系統：

1）在市政工程非開挖施工領域專家的幫助下，建立相關的模糊領域本體。本工程采用的本體為頂管施工過程。

2）在市政工程非開挖施工領域專家和風險管理專家的幫助下，建立的評價指標為設計風險、施工風險、材料及機械設備使用風險、天氣風險等一級評價指標，其下各設多個二級評價指標，形成的評價指標體系見圖4。

而后，建立如下模糊風險評價模型，該模型由3個層次構成，第1層為方案層A，第2層為準則層Bm（m＝1，2，3，4，5），第3層為指標層Cn（n＝1，2，…，22）表示。設λ為模糊隸屬度。如，某工程項目風險的隸屬度λ，λ＝（1／90% ，0.5／60% ，0.2／30% ，0／10%）表示風險率為90%者為高風險，風險率為60%者為高風險的程度僅為0.5等，依次類推。其運算也應為模糊運算。設有模糊矩陣R和S，定義R和S的并運算為兩中取大，R和S的交運算為兩中取小，模糊矩陣的乘積定義記為C＝R×S，且對于一個工程項目的風險評價問題，其風險因素集U＝｛ui｝；評價指標集；各評價指標的權重分別為w1，w2，…，wn。則工程項目的風險評價問題可用模糊乘積U·W 表示。

關于各評價指標的權重，我們通過構造判斷矩陣，采用列向量歸一化、求和得到特征向量而后列向量歸一化處理的方法得到最大特征值和特征向量，而后，特征根按下式近似求解：

一致性指標IC采用如下公式得到：

通過查找相應的平均隨機一致性指標IR并計算一致性比例RC：

然后對判斷矩陣的一致性進行檢驗，并得到權重矩陣W。

從而得到各因素的風險值：

至此，我們已建立了評價指標體系和評價模型，形成了評價規則庫，見圖4。

圖4 風險評價指標體系

3）收集類似工程施工有關的信息，把收集到的數據按設定的格式儲存在元數據庫（關系數據庫、知識庫等）中，形成對比信息。

4）將元數據庫中的數據與評價知識庫相匹配，得出模糊綜合評價結果。對于此例，得到的最大的5個風險因素依次是：設計存在缺陷和遺漏、未考慮現場的實際情況、施工安全措施不當、技術質量管理不到位、劣質材料。

用戶可根據提交的此結果，有重點地采取相應的措施，消除風險因素帶來的不利，保證工程的安全、質量和效率。同時，將此評價的過程及結果記入評價系統，更新知識庫，為今后類似工程的風險評估提供參考。

5 結束語

通過分析當前針對市政工程非開挖施工風險評價中存在的不足，提出引入模糊領域本體，建立模糊領域本體為基礎的市政工程非開挖施工風險評價系統，該系統提高了非開挖施工領域知識的復用性和共享性，施工管理單位可及時查詢、評價目前非開挖施工狀況，對后續施工狀況進行預測，并可運用合理的自動推理，發現隱形評價知識；在此基礎上，信息庫、知識庫不斷更新擴展，逐漸構建一個具有良好交互性的信息集成和復雜的評價系統，由此可實現市政工程非開挖施工風險的智能集成化管理，從而更好地為各方用戶服務。

［1］ 謝雄耀.非開挖施工中風險概率估價方法分析［J］.地下空間與工程學報，2006（1）：42-46.

［2］ 沈華.水平定向鉆穿越工程的項目風險評價［J］.探礦工程（巖土鉆掘工程），2010（3）：62-65.

［3］ Quan Thanh Tho，Hui Siu Cheung，Cao Tru Hoang.FOGA：A Fuzzy Ontology Generation Framework for Scholarly Semantic Web［C］∥Proc of KDO’04Pisa，Italy，2004.

［4］ 楊青，陳薇，聞彬.面向語義信息查詢的模糊本體模型［J］.計算機工程，2010（8）：188-200.

［5］ 孫超，禹華謙.非開挖技術在市政工程中的應用［J］.四川建筑，2006（1）：138-139.

［6］ 王霞，李功振.基于模糊本體的水環境評價系統的研究［J］.安徽農業科學，2010，38（35）：20306-20308.