建筑施工高風(fēng)險(xiǎn)行為高靈敏度自適應(yīng)監(jiān)測技術(shù)

徐建中，陳潛心

(哈爾濱工程大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，黑龍江哈爾濱150001)

自2009年以來，我國建筑業(yè)增加值占國內(nèi)生產(chǎn)總值比例始終保持在6.5%以上，是國民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)，并占主體地位，到2016年，建筑行業(yè)全年國內(nèi)生產(chǎn)總值已經(jīng)達(dá)到744 127億元，比上年增長6.70%[1]。在此背景下，2016年底，建筑業(yè)從業(yè)人數(shù)達(dá)到5 185.24萬，占全社會(huì)就業(yè)人員總數(shù)的6.68%，比上年提高0.10%，占比創(chuàng)新高；然而，建筑行業(yè)作為一種高危行業(yè)，其安全生產(chǎn)低主動(dòng)性行為始終存在隱患。我國建筑施工不斷向深基礎(chǔ)、高樓層、復(fù)雜工程發(fā)展，加上周期長、勞動(dòng)強(qiáng)度高等特點(diǎn)，各類建筑安全事故接連不斷，每年都有成千上萬人在建筑施工過程中受傷或者死亡，造成直接經(jīng)濟(jì)損失超過百億，因此安全生產(chǎn)低主動(dòng)性行為造成了建筑施工的高風(fēng)險(xiǎn)性，也嚴(yán)重制約了我國建筑行業(yè)的持續(xù)健康發(fā)展[2]。

在上述背景下，監(jiān)測建筑施工存在的風(fēng)險(xiǎn)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。當(dāng)前建筑施工風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測主要有3種方法，即基于支持向量機(jī)的風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測、基于模糊綜合評價(jià)的風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測以及基于灰度關(guān)聯(lián)的風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測。雖然這3種風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測方法較常見，但是，隨著建筑施工風(fēng)險(xiǎn)不可控因素的增多，監(jiān)測方法的自適應(yīng)性逐漸衰減，導(dǎo)致監(jiān)測方法的靈敏度和匹配度下降，從而無法準(zhǔn)確預(yù)判建筑施工行為可能存在的風(fēng)險(xiǎn)[3]。

針對上述問題，本文中提出一種基于結(jié)構(gòu)方程的建筑施工高風(fēng)險(xiǎn)行為自適應(yīng)監(jiān)測方法，構(gòu)建風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測結(jié)構(gòu)方程模型與校驗(yàn)?zāi)Ｐ?，將模型轉(zhuǎn)換為結(jié)構(gòu)方程[4]，以改善建筑施工高風(fēng)險(xiǎn)行為自適應(yīng)監(jiān)測方法的有效性和自適應(yīng)性。

1 施工風(fēng)險(xiǎn)自適應(yīng)監(jiān)測技術(shù)

自適應(yīng)監(jiān)測以結(jié)構(gòu)模型為基礎(chǔ)，監(jiān)測建筑施工高風(fēng)險(xiǎn)行為，自適應(yīng)監(jiān)測過程如下。

1)模型構(gòu)建。主要工作為收集相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)數(shù)據(jù)，篩選收集到的數(shù)據(jù)，縮減其規(guī)模，并制定風(fēng)險(xiǎn)清單，以此構(gòu)建初級結(jié)構(gòu)模型[5]。

2)校驗(yàn)構(gòu)建的初級結(jié)構(gòu)模型。①模型識(shí)別：識(shí)別模型身份，保證系統(tǒng)各個(gè)自由參數(shù)具有唯一的估算值。②模型擬合：模型求解，判斷各擬合指數(shù)是否通過。③模型修正：修正沒有擬合的模型，提高模型風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別自適應(yīng)性[6]。

3)將修正好的結(jié)構(gòu)模型轉(zhuǎn)換為結(jié)構(gòu)方程，實(shí)現(xiàn)基于結(jié)構(gòu)方程的高風(fēng)險(xiǎn)行為自適應(yīng)監(jiān)測。

1.1 風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測結(jié)構(gòu)方程模型構(gòu)建

將建筑施工過程的預(yù)應(yīng)力作為監(jiān)測建筑施工高風(fēng)險(xiǎn)行為的評價(jià)指標(biāo)，即監(jiān)測建筑的預(yù)應(yīng)力。利用高風(fēng)險(xiǎn)行為結(jié)構(gòu)因子j的反饋輸入權(quán)矩陣，建立建筑結(jié)構(gòu)方程的數(shù)學(xué)模型。利用模型因子i的密度結(jié)構(gòu)和標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算高風(fēng)險(xiǎn)行為的適應(yīng)度函數(shù)。為了使風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測模型最佳化，進(jìn)一步完善適應(yīng)度函數(shù)，進(jìn)行規(guī)范化處理，構(gòu)建基于預(yù)應(yīng)力的結(jié)構(gòu)方程模型[7]，即

(1)

根據(jù)式(1)中的參數(shù)影響結(jié)構(gòu)方程，對施工行為監(jiān)測進(jìn)行處理，迭代次數(shù)決定了結(jié)構(gòu)方程的計(jì)算量，也影響高風(fēng)險(xiǎn)行為后模型的質(zhì)量[8]。將預(yù)應(yīng)力高風(fēng)險(xiǎn)行為的誤差作為適應(yīng)度函數(shù)J，即

J=1+2(P0lgδ0+P0lgδB)-2(P0lgP0+PBlgPB)，

(2)

式中：B為模型共性因子；PB、P0分別為模型因子的施工風(fēng)險(xiǎn)、密度因子；δ0、δB分別為建筑高風(fēng)險(xiǎn)、模型因子的標(biāo)準(zhǔn)差。

(3)

(4)

(5)

式中：Pu為風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測模型的頻率因變量；u為像素個(gè)數(shù)；N′為構(gòu)建行為監(jiān)測閾值；u0、uB為高風(fēng)險(xiǎn)行為和模型因子的因變量。

由于預(yù)應(yīng)力高危行為的適應(yīng)度函數(shù)值是不確定的，因此需判斷其正負(fù)。如果適應(yīng)度函數(shù)是非負(fù)數(shù)，則需要改變函數(shù)公式，即

(6)

式中：K′為修改后的高危行為的適應(yīng)度函數(shù)；C為常數(shù)，C>|J|。利用因變量對預(yù)應(yīng)力高風(fēng)險(xiǎn)性數(shù)學(xué)模型歸一化處理，即

(7)

通過計(jì)算高風(fēng)險(xiǎn)行為預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)因子的權(quán)重矩陣和高風(fēng)險(xiǎn)行為的適應(yīng)度函數(shù)，得出建筑的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)估函數(shù)

Y=Wij+J′+K′。

(8)

根據(jù)上述得到的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)估函數(shù)，構(gòu)建初始結(jié)構(gòu)方程模型，即

(9)

(10)

(11)

式中：y0為建筑施工材料壽命預(yù)測系數(shù)；v-、v+為潛變量區(qū)間內(nèi)的峰值、谷值失效調(diào)節(jié)系數(shù)。圖1[9]所示為描述結(jié)構(gòu)方程最簡單和最直觀的方式。

1.2 結(jié)構(gòu)方程模型校驗(yàn)

結(jié)構(gòu)方程模型構(gòu)建完成后，為了確保模型中各變量之間的關(guān)系，需要對其擬合驗(yàn)證，主要包括3個(gè)步驟，即模型識(shí)別、模型擬合以及模型修正。

1)模型識(shí)別。模型識(shí)別的目的是保證被估計(jì)參數(shù)(風(fēng)險(xiǎn))能夠通過選出的觀測數(shù)據(jù)估計(jì)出來[10]。

圖1 初始結(jié)構(gòu)方程模型[9]

模型識(shí)別采用t規(guī)則識(shí)別方法，原理為

t≤p(p+g+1)/2，

(12)

式中：t為需要被估計(jì)的參數(shù)個(gè)數(shù)；p為內(nèi)生顯變量數(shù)；g為外生顯變量數(shù)。

2)模型擬合。模型擬合的主要工作是參數(shù)估計(jì)，方法主要有最大似然法、兩階段最小二乘法、廣義最小二乘法等[11]。本文中選擇第1種模型擬合。最大似然法是用來估計(jì)概率模型參數(shù)的一種方法，模型擬合結(jié)果如表1[12]所示。由表可知，擬合指標(biāo)的適配度并未都達(dá)到規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)，因此該模型的擬合優(yōu)度不達(dá)標(biāo)。由此證明，根據(jù)表1選出的指標(biāo)因素并不能與構(gòu)建的初始結(jié)構(gòu)模型達(dá)成良好的適配，因此需要修正[8]。

表1 結(jié)構(gòu)模型擬合優(yōu)度評價(jià)指標(biāo)[12]

1.3 結(jié)構(gòu)方程模型修正

模型修正是指通過調(diào)整模型，使結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行多模型擬合[13]。圖2所示為修正后得到的最終結(jié)構(gòu)模型。

e1—e15—誤差項(xiàng)； A1—A4、B1—B3、C1—C3、D1、D2、E1、E2、F1—適配路徑，下標(biāo)1—15為各項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)的排列序號(hào)，例如A1為第1個(gè)誤差項(xiàng)e1的一級適配路徑；A、B、C、D、E、F—最終擬合路徑。圖2 修正后的最終結(jié)構(gòu)模型

再次擬合修正后的結(jié)構(gòu)模型路徑圖，得到的擬合優(yōu)度評價(jià)指標(biāo)如表2所示。由表可知，擬合指標(biāo)的適配度均達(dá)到規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)，因此該模型的擬合優(yōu)度達(dá)標(biāo)，結(jié)構(gòu)模型修正結(jié)束。

表2 修正后的結(jié)構(gòu)模型擬合優(yōu)度評價(jià)指標(biāo)

將上述構(gòu)建好的結(jié)構(gòu)模型轉(zhuǎn)換為結(jié)構(gòu)方程。結(jié)構(gòu)方程是一種分析變量之間關(guān)系的工具，實(shí)際上是一般線性模型的拓展，其優(yōu)點(diǎn)是不需要知道所有的解釋變量，只需要知道顯變量即可，因此比其他模型具有更大彈性[14]。

在結(jié)構(gòu)模型中，主要由2個(gè)部分聯(lián)立組成，即測量模型和結(jié)構(gòu)模型。其中，測量模型包括觀測變量和潛在變量2個(gè)因素，反映了二者之間的關(guān)系，即

x=aA1+b,

(13)

y=cA2+d,

(14)

式中：x為內(nèi)生指標(biāo)組成的向量；y為外生指標(biāo)組成的向量；A1為外生觀測變量在外生潛變量上的因子負(fù)荷矩陣；A2為內(nèi)生觀測變量在內(nèi)生潛變量上的因子負(fù)荷矩陣；a為外生潛變量；b為外生指標(biāo)y的誤差項(xiàng)；c為內(nèi)生潛變量；d為內(nèi)生指標(biāo)x的誤差項(xiàng)。

結(jié)構(gòu)模型僅包括潛變量，反映的是內(nèi)生潛變量后的和外生潛變量之間同一等級的關(guān)系，即

c=Ec+Fa+G，

(15)

式中：E為內(nèi)生潛變量之間的關(guān)系；F為外生潛變量對內(nèi)生潛變量的影響；G為殘差項(xiàng)，反映了在方程中沒有被解釋的部分。根據(jù)式(15)，得到建筑施工高風(fēng)險(xiǎn)行為自適應(yīng)監(jiān)測的結(jié)構(gòu)方程。

2 仿真實(shí)例測試

為了明確本文中所提風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測方法的自適應(yīng)性是否達(dá)到要求，設(shè)計(jì)仿真實(shí)例測試。在3dmax軟件中模擬建筑施工過程，設(shè)置建筑施工存在的高風(fēng)險(xiǎn)行為指標(biāo)，如表3所示。

表3 建筑施工高風(fēng)險(xiǎn)行為

采用Visual CPP運(yùn)行庫構(gòu)建結(jié)構(gòu)方程模型，測試所設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)方程模型對建筑施工高風(fēng)險(xiǎn)行為監(jiān)測的自適應(yīng)匹配度，并采用基于支持向量機(jī)、基于模糊綜合評價(jià)2種傳統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測方法作為實(shí)驗(yàn)的對比方法，連接建筑施工臨時(shí)設(shè)施三維數(shù)據(jù)可視端口，自適應(yīng)監(jiān)測某建筑施工項(xiàng)目的高風(fēng)險(xiǎn)行為，得到3種方法的自適應(yīng)匹配度如圖3所示。從圖中可以看出，3種方法的自適應(yīng)監(jiān)測都沒有超出監(jiān)測門限，說明3種方法都有一定的可行性，本文中所提方法的風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測數(shù)據(jù)與監(jiān)測門限的擬合度為98.75%，基于模糊綜合評價(jià)方法次之，擬合度為64.83%，基于支持向量機(jī)方法與監(jiān)測門限的擬合度為43.26%。由此可見，相較于2種傳統(tǒng)方法，本文中所提方法有較高的自適應(yīng)匹配度。

圖3 自適應(yīng)監(jiān)測匹配度輸出結(jié)果

在驗(yàn)證所提方法的自適應(yīng)匹配度的基礎(chǔ)上，測試所提方法的靈敏度。設(shè)置施工工期為30 d，測試3種方法對表3中的建筑施工高風(fēng)險(xiǎn)行為指標(biāo)的監(jiān)測靈敏度，結(jié)果如圖4所示。從圖中可以看出，所提方法自適應(yīng)監(jiān)測靈敏度峰值達(dá)到99%，基于支持向量機(jī)方法自適應(yīng)監(jiān)測靈敏度峰值為78%，基于模糊綜合評價(jià)方法自適應(yīng)監(jiān)測靈敏度峰值為83%，可見本文中所提方法的自適應(yīng)監(jiān)測靈敏度最高。

3種方法的自適應(yīng)監(jiān)測匹配度輸出結(jié)果與自適應(yīng)監(jiān)測靈敏度輸出結(jié)果如表4所示。從表中可以看出，利用本文中所提方法進(jìn)行建筑施工高風(fēng)險(xiǎn)行為自適應(yīng)監(jiān)測，監(jiān)測靈敏度為99%，監(jiān)測自適應(yīng)匹配度為98.75%，該結(jié)果遠(yuǎn)好于基于支持向量機(jī)、基于模糊綜合評價(jià)2種傳統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測方法的結(jié)果，由此說明，本文中所提方法性能更好。

3 結(jié)論

為了降低建筑施工事故發(fā)生的概率，基于結(jié)構(gòu)方程，研究一種新的建筑施工高風(fēng)險(xiǎn)行為自適應(yīng)監(jiān)測方法。通過實(shí)驗(yàn)得出以下主要結(jié)論：

(a)基于支持向量機(jī)

(b)基于模糊綜合評價(jià)

(c)本文中所提方法ic—建筑工程人員的安全素質(zhì)； is—建筑相關(guān)物品的安全狀態(tài)； im—相關(guān)企業(yè)的管理水平； ie—周圍環(huán)境的安全狀態(tài)； it—建筑施工技術(shù)水平。圖4 高風(fēng)險(xiǎn)行為自適應(yīng)監(jiān)測靈敏度

表4 3種方法的自適應(yīng)監(jiān)測匹配度輸出結(jié)果與自適應(yīng)監(jiān)測靈敏度輸出結(jié)果

1)與傳統(tǒng)方法相比，該方法的監(jiān)測靈敏度和匹配度均有極大的改善，說明其自適應(yīng)性能更好，在一定程度上提高了建筑施工的安全性。

2)由于受到實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和實(shí)驗(yàn)樣本采集環(huán)境的限制，性能測試不全面，因此在未來的研究中，需要克服客觀環(huán)境的限制，爭取得出與實(shí)際值最為擬合的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。