基于SVM的城市地下工程施工安全風(fēng)險預(yù)測研究

趙秋華

(北京希達工程管理咨詢有限公司，北京 100840)

0 引言

國內(nèi)外諸多學(xué)者針對城市地下工程施工安全進行了大量研究，主要涉及風(fēng)險識別、風(fēng)險評價以及風(fēng)險應(yīng)對措施等方面。在風(fēng)險評價研究中，大多運用層次分析法、模糊綜合評價法以及事故樹分析法等，此類方法過于依靠評價人員的主觀經(jīng)驗判斷，并不能準(zhǔn)確地反映工程項目真實的施工安全風(fēng)險情況。因此，本文擬在建立契合地下工程施工安全實際風(fēng)險評價指標(biāo)體系的基礎(chǔ)上，構(gòu)建基于支持向量機(support vector machine, SVM)的風(fēng)險預(yù)測模型，以準(zhǔn)確預(yù)測城市地下工程施工安全風(fēng)險水平，為其安全管理提供科學(xué)理論支持。

1 模型理論基礎(chǔ)

支持向量機(SVM)是監(jiān)督學(xué)習(xí)算法的一種，主要用于解決模式識別中的數(shù)據(jù)分類問題，其本質(zhì)即利用空間映射找到距離分類樣本點間隔最大的分類超平面。完成訓(xùn)練的SVM模型的復(fù)雜度是由支持向量的個數(shù)決定的，而不是維度。因此，SVM模型在訓(xùn)練和預(yù)測過程中保持良好的一致性，并且不容易出現(xiàn)過度擬合的情況。SVM算法對于非線性、高維度的小樣本問題有較強的泛化能力，適用于城市地下工程施工安全風(fēng)險水平預(yù)測研究。SVM算法詳細計算原理以及參數(shù)的選取可參考文獻[9]，一般可利用Matlab中l(wèi)ibsvm工具包進行求解。

表1 地下工程施工安全評價指標(biāo)體系以及指標(biāo)參數(shù)確定準(zhǔn)則

2 地下工程施工安全影響因素

為了科學(xué)準(zhǔn)確地選取地下工程施工安全影響因素，本文通過CNKI檢索主題“地下工程”“地下空間”以及“施工安全”，得到近5年相關(guān)中文文獻470篇，利用Citespace主題和關(guān)鍵詞聚類對其進行統(tǒng)計分析，并篩選出地下工程施工安全影響因素作為參考。按照4M1E(人-機-物-法-環(huán))事故要素理論，結(jié)合城市地下工程施工安全特點以及專家意見，對影響因素進行進一步的篩選和修正，最終確定地下工程施工安全評價指標(biāo)體系以及指標(biāo)參數(shù)確定準(zhǔn)則，如表1所示。在指標(biāo)參數(shù)確定的過程中，根據(jù)項目實際情況，采用對照打分法，為避免量綱影響，各指標(biāo)的參數(shù)范圍均在0～5內(nèi)，未說明的情況均以0分計。

3 實例分析

選擇武漢、北京、廣州等地區(qū)范圍內(nèi)的25個城市地下工程施工項目進行實例驗證，主要包括地下房屋、地下過街通道以及地鐵施工項目。通過項目訪談和調(diào)查問卷等方式，根據(jù)表1中指標(biāo)參數(shù)確定準(zhǔn)則對各指標(biāo)進行打分，其中A1，B1，C4和C5的值根據(jù)實際統(tǒng)計情況求均值得到；A3，E1，E2的值通過問卷調(diào)查結(jié)果求均值得到；其他指標(biāo)均按項目實際情況直接評判。最后根據(jù)項目負責(zé)人以及專家意見對各項目進行施工安全風(fēng)險評價，將風(fēng)險等級劃分為微度風(fēng)險、低度風(fēng)險、中度風(fēng)險、高度風(fēng)險以及極度風(fēng)險，各風(fēng)險等級的含義如表2所示。各項目樣本統(tǒng)計數(shù)據(jù)如表3所示，由于篇幅限制，文中僅列出部分項目數(shù)據(jù)。

表2 城市地下工程施工安全風(fēng)險等級含義

表3 各項目樣本統(tǒng)計數(shù)據(jù)

將25個項目樣本統(tǒng)計數(shù)據(jù)導(dǎo)入Matlab環(huán)境中，利用Mapminmax函數(shù)對其進行進一步的歸一化處理，并將項目1～20作為模型訓(xùn)練集，項目21～25作為模型測試集。選取RBF核參數(shù)構(gòu)建SVM模型，利用K折交叉驗證法確定SVM模型中參數(shù)，懲罰因子c為12，核參數(shù)方差g為0.6，利用Libsvm工具包中Svmtrain和Svmpredict函數(shù)對樣本進行訓(xùn)練和預(yù)測，訓(xùn)練集回代檢驗和測試集預(yù)測結(jié)果如圖1所示。

圖1 訓(xùn)練集回代檢驗和測試集預(yù)測結(jié)果

從圖1可以看出，訓(xùn)練集回代檢驗和測試集預(yù)測結(jié)果均與實際情況完全一致。因此，SVM模型可以作為城市地下工程施工安全風(fēng)險水平預(yù)測的有效方法。此外，隨著模型的不斷應(yīng)用，樣本數(shù)據(jù)的不斷增加和修正，模型預(yù)測結(jié)果將越來越可靠。與傳統(tǒng)的較主觀的評價方法相比，SVM模型中僅有少量指標(biāo)需要人為主觀確定，大大增加了預(yù)測結(jié)果的客觀性，同時也減少了預(yù)測工作量，提了工作效率。

4 結(jié)語

1)在文獻分析、“4M1E”事故理論基礎(chǔ)、地下工程特點以及專家意見的基礎(chǔ)上，建立了契合地下工程施工安全實際的風(fēng)險評價指標(biāo)體系，為地下工程施工安全風(fēng)險水平預(yù)測提供依據(jù)。

2)構(gòu)建了地下工程施工安全風(fēng)險水平預(yù)測SVM模型，實例分析驗證了模型的可行性，為地下工程施工安全風(fēng)險水平提供了一種科學(xué)有效的預(yù)測方法，具有良好的實踐指導(dǎo)意義。