基于模糊集與改進證據(jù)理論的綜合管廊施工安全風險評價

蔡孟龍,胡慶國,何忠明

(長沙理工大學 交通運輸工程學院,湖南 長沙 410114)

綜合管廊在規(guī)劃市政管線建設(shè)與增強城市綜合承載能力方面具有顯著優(yōu)勢,能解決地下基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中路面重復開挖、架空線網(wǎng)過密及管線安全事故頻發(fā)等問題,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現(xiàn)城鎮(zhèn)化。但其實施過程中易對周遭環(huán)境產(chǎn)生不良影響,并伴隨著安全事故的發(fā)生,對其施工安全及鄰近重要建構(gòu)筑物安全性影響風險評價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)理論對長春輕軌三期的某地下站深基坑工程施工風險進行了評價；何忠明等通過分析高邊坡爆破施工的失穩(wěn)因素,建立集對可拓模型對廣西某高速公路擴建段高邊坡爆破施工安全風險進行了評價；劉艷宇等建立基于層次分析法的模糊評價模型,對某綜合管廊PPP項目風險管理進行了研究；張勝昔等構(gòu)建G－FAHP評價模型,對青島某深基坑施工風險進行了綜合評價,并對關(guān)鍵風險要素進行了排序。目前針對城市地下綜合管廊項目的風險評價大多以PPP項目全生命周期為出發(fā)點,且在大多數(shù)定量評價中會涉及專家打分,會受到專家主觀意見和自身經(jīng)驗等不確定因素的影響。該文將模糊集與改進D－S證據(jù)理論相融合,建立綜合管廊施工安全風險評價模型,對城市地下綜合管廊施工安全風險進行全面評價。

1 理論簡介

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界定不確定概率的上、下界。由合成法則可知,n個獨立證據(jù)m1,m2,…,mn的融合結(jié)果為：

2 風險評價指標體系

2.1 評價指標體系的建立

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維級安全技術(shù)標準》等,結(jié)合問卷調(diào)查法,充分考慮其纜線、干線、支線及干支混合等4種設(shè)計類型,選取5個主要影響因素構(gòu)建綜合管廊施工安全風險評價指標體系(見表1)。

2.2 綜合管廊施工安全風險等級劃分

在查閱大量建筑、公路、市政工程等評價文獻的基礎(chǔ)上,結(jié)合綜合管廊項目的特點,按照李克特量表的形式,將綜合管廊施工安全風險評價指標的等級評語按照高低分為VL、L、M、H、VH 5個等級,其值分別為θ1、θ2、θ3、θ4、θ5,構(gòu)成評語集合 Θ＝{θ1,θ2,θ3,θ4,θ5}。風險等級劃分見表2。

表2 綜合管廊施工安全風險等級

3 綜合管廊施工安全風險評價模型

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,運算步驟如下：

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

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

(3)按下式計算A i的絕對權(quán)重

(4)按下式計算指標A i的相對權(quán)重ωi：

式(4)所得即為指標的COWA權(quán)重值。

3.2 隸屬度矩陣的建立

由隸屬度求出各指標隸屬于不同風險等級的程度。定義中心點μ＝(0,0.25,0.5,0.75,1),則隸屬度函數(shù)如下：

按式(5),結(jié)合各評價指標構(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合成法則可對數(shù)據(jù)進行融合,但證據(jù)之間的沖突程度越大,其算法缺陷逐漸突出,特別是當沖突較高時,融合結(jié)果可能不太符合實際。根據(jù)文獻[10],證據(jù)間的互相沖突對決策評價而言并非全都是無用的。綜合管廊施工安全風險分為5個等級,融合n位專家意見時所需的計算量隨著專家人數(shù)呈指數(shù)增長。為提高高沖突下證據(jù)融合的合理性與真實性,引入基于權(quán)值分配與矩陣分析的算法,具體運算過程參考文獻[11]～[12]。基于權(quán)值分配與矩陣分析的D-S合成算法流程見圖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

對所有指標函數(shù)按下式進行數(shù)據(jù)融合：

式中：m(Aij)為指標Aij對A的支持度,通過轉(zhuǎn)化專家意見后得到；ni為指標Ai所含子指標的個數(shù)。

3.5 風險綜合評價

根據(jù)統(tǒng)計學與概率學原理,風險評定的每一等級的概率大小在理論上是相等的,為使評價結(jié)果一目了然,將綜合管廊施工風險評價等級的取值范圍定為[0,1],并以此劃分5個等級(見表3)。

表3 綜合管廊施工安全風險等級劃分

將合成后的風險等級概率分配矩陣P與表2中的評價量化值U相乘,并進行單值化,得到風險綜合評價結(jié)果。

4 實例分析

4.1 工程概況

重慶市開州區(qū)地下綜合管廊建設(shè)一期項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6 091 m。其中：K0＋000—K4＋180段管廊基坑長度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段管廊基坑長度911 m,樁板擋墻支護,基坑深度8 m,采用分層明挖施工；K4＋180—K5＋180段管廊基坑長度1 000 m,錨噴支護,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(見圖2)。

4.2 指標權(quán)重的確定

通過調(diào)查問卷請6位從業(yè)人員對指標A1～A5的重要度進行打分,運用COWA算子確定各指標的權(quán)重。以A1為例,按式(2)求得加權(quán)向量,根據(jù)式(3)計算絕對權(quán)重,得：

圖2 重慶市開州區(qū)地下綜合管廊平面布置

4.3 風險綜合評價

為確保評價結(jié)果真實有效,邀請3位具有豐富經(jīng)驗和高級職稱的評委(2位為某地綜合管廊項目的項目經(jīng)理,1位為當?shù)馗咝５慕淌?對該項目的施工安全風險進行評價,并將其評價意見帶入隸屬度矩陣進引計算,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位專家的基本評價概率,結(jié)果見表7。

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

根據(jù)式(3)和COWA算子所得各層指標權(quán)重,將表8所示指標數(shù)據(jù)輸入MATLAB軟件進行逐層合成,結(jié)果見表8。

表8 各層指標Mass函數(shù)合成

綜合評價值R＝P×U＝0.496 2。由表3可知：開州城市地下綜合管廊施工安全風險為中等。為分析各指標對綜合管廊施工安全風險的影響大小,將指標A1～A5進行單值化處理,得指標風險值如下：R1＝0.544 1,R2＝0.541 2,R3＝0.528 2,R4＝0.382 8,R5＝0.454 4。將上述指標風險值按照大小進行排序,R1＞R2＞R3＞R5＞R4,說明在綜合管廊施工安全風險中,人為因素與設(shè)計因素是較主要、影響較大的兩個因素。該綜合管廊項目各施工人員具有相應的資質(zhì),負責安全管理的專職人員能及時指出危險操作并要求防范；艙數(shù)、斷面尺寸、分區(qū)投料口設(shè)置合理；在進行深基坑分層明挖施工時,根據(jù)各標段的邊坡土質(zhì)特性,分別采用樁板擋墻與噴錨等支護方法,可有效避免險情發(fā)生,安全風險為中等風險。

5 結(jié)論

(1)針對施工安全風險評價中專家意見不集中等問題,建立基于模糊集與改進D－S證據(jù)理論的城市地下綜合管廊施工安全風險綜合評價模型,通過將模糊集與證據(jù)理論相結(jié)合,真實可靠地反映綜合管廊施工中的不確定性,提高風險評價的準確度,且該評價模型邏輯清晰、計算簡單、易于推廣。

(2)基于COWA算子的權(quán)重計算與傳統(tǒng)層次分析法、德爾菲法相比更嚴謹、客觀,可降低專家評價主觀因素的影響。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)理論更準確。

(3)重慶開州區(qū)地下綜合管廊建設(shè)一期項目的施工安全風險為中等,與工程實際吻合度較高,驗證了該量化模型的正確性與可實踐性,可為項目的順利進行提供有力保障。