陣地工程施工環境評價模型研究*

劉漢增，陳桂明，胡春宇

（火箭軍工程大學，西安 710025）

0 引言

陣地工程是戰略導彈部隊為積極防御，執行核、常反擊作戰任務，隱蔽、貯存和發射核、常導彈而構筑的各種工程保障設施［1］。近年來，為了滿足武器裝備更新換代的戰略需要，陣地工程建設的任務愈發密集，規模大、系統多、技術復雜的施工特點愈發凸顯。陣地工程，特別是大型和特大型的工程，其建設規?？蛇_到十幾萬甚至幾十萬平方米，工程周期長、施工軸線長、作業斷面大，空氣、照明、噪聲、溫度等施工環境惡劣，成為誘發安全事故的重要因素，給部隊的安全管理帶來了嚴峻挑戰。

目前，學者們在對陣地工程施工管理方面的研究中，對安全風險因素分析、安全管理重難點及管理方法等的研究比較多，如張俊海等［2］分析施工中人員技能、施工監管及地質環境等不利因素對坑道安全的影響；鮮麒麟等［3］提出了陣地工程施工安全管理的8 個難點問題和加強風險管理的重要環節和組織形式；張玉良［4］在緩解工程部隊安全壓力方面，提出抓思想認識、抓科學施工、抓組織建設和抓保障服務等具體措施，但是涉及到施工環境方面的研究較少，施工環境評價更是沒有形成體系化的研究成果。當前，陣地工程施工環境評價常采用單因素、單指標的評價方法，如常用空氣質量、噪聲、新風送入量、粉塵濃度等來單獨評價陣地內部的施工環境。該方法雖然簡單方便、易于操作，但對陣地工程而言，單一指標所反映的信息量少，無法準確地表達整個施工環境真實情況。

針對多因素綜合評價的問題，使用較多的方法有層次分析法、模糊綜合評價法、神經網絡法和綜合指數法。上述方法中，層次分析法的主觀性太強，模糊綜合評價法的計算過程復雜，神經網絡法的評價過程屬于黑箱操作，綜合指數法對指標數據的要求高。同時，影響環境質量的因素既有定性的，又有定量的；有的是通過儀器測定獲得的定量數據，有的則是專家給出模糊的、定性的經驗表達，底層指標的種類多樣，而且評價信息存在不確定性。鑒于此，本文提出了一種基于證據推理算法的置信規則庫推理方法（belief rule base inference methodology using evidential reasoning，RIMER）。該方法的優勢主要有［5］：1）引入置信度結構來表達輸入數據的不確定性，用置信規則庫（belief rule base，BRB）的框架樣式將評價準則、專家經驗和環境質量等級進行統一表達；2）以簡單證據推理的形式，能夠很好地解決不同類型的底層指標融合計算的問題，避免了權重計算與一致性分析；3）整個評估過程透明，能夠很好地進行因果解釋分析。

1 陣地工程施工環境評價指標體系

1.1 確定施工環境評價指標

確定施工環境評價指標是開展評價研究最基礎的環節，其重點工作是分析、篩選和確定影響施工環境質量的關鍵因素。陣地工程中既有土建項目，又有安裝項目，分部、分項工程更是類別眾多，而且施工周期較長，施工環境復雜多變，鑒于此，本文采用過程分析與問卷調查相結合的方式，把陣地工程施工分為若干個分部工程或分項工程，通過現場觀察、施工流程和工藝過程分析，識別出施工環境質量的影響因素［6］；在此基礎上，編制出《陣地工程施工環境質量影響因素調查問卷》，邀請火箭軍工程大學相關領域的專家以及一線部隊機關業務人員、基層分隊主官和施工班組長共40 人，對陣地工程施工環境質量的影響因素再次進行識別和篩選。通過對調查問卷的整理，把陣地工程施工環境評價作為目標層，把各類環境影響（空氣質量、物理環境、廢棄物處理等）作為準則層，把各種環境質量因素（粉塵、照明、固體垃圾處理等）作為指標層，建立陣地工程施工環境評價指標體系，如圖1 所示。

圖1 陣地工程施工環境評價指標體系

1.2 評價指標的含義及參考標準

影響施工環境的空氣質量因素主要有：1）氧氣含量。在狹小密閉空間和長大工程的末端，自然通風和機械通風效果不佳，潔凈空氣難以及時補充，從而導致空氣中的氧氣濃度低于正常值，易造成人員頭暈、四肢無力等；2）CO 濃度。爆破煙霧、機械廢氣、車輛尾氣中含有大量的CO，CO 濃度過高，可導致機體出現視覺和聽覺障礙，甚至出現中毒癥狀；3）粉塵濃度。放炮、掘進、車輛運輸等過程中，會產生大量的粉塵，輕則干擾人員視線，重則造成肺部疾病。影響施工環境的物理因素主要有：1）環境噪聲。施工機械、車輛以及臨時通風設備的運行都會產生大量噪聲，直接影響人員間有效的溝通交流，還會對人的聽覺系統和心血管系統產生危害；2）照明。照明條件的質量直接影響人員對外界空間的感知，陣地工程施工照明主要依靠人造光，不良的照明易分散人員注意力，降低對安全事故的敏感性和反應速度；3）溫度。人體在適宜的溫度下，能夠充分發揮機體工作效能，過高或過低的溫度都會降低身體的機能和勞動效率，增大施工風險。影響施工環境的廢棄物環境主要有：1）固體垃圾處理。在施工過程中會產生大量固體垃圾和生活垃圾，如碎石、土方、廢料、剩飯以及人體排泄物等，處理不當會影響施工現場秩序，增加事故發生概率；2）廢水處理。施工中產生的廢水主要包含山體滲水、施工廢水和生活污水等，在陣地密閉、有限的環境中，若處理不當，既干擾正常施工，又易滋生大量細菌。

為了進一步利用指標，就有必要確定指標參考標準。由于目前軍隊尚未制定陣地施工環境相關的標準，參照《公路隧道施工技術規范》［7］和《國防工程管理學》［8］等相關內容，確定了陣地工程施工環境評價指標的參考標準，如表1 所示。

表1 施工環境質量評價指標參考標準

2 基于RIMER 的評價模型

RIMER 方法是基于D-S 證據理論，建立在單集和全集的辨識證據框架理論基礎上的一種專家系統分析方法［9-10］。圖2 為基于RIMER 的評價模型構建流程。

圖2 基于RIMER 的評價模型構建流程

2.1 構造置信規則庫

在環境評價之前，首先要構建環境評價的BRB。構建BRB 的整個過程實際上就是將所有的評價準則、專家經驗、環境質量置信等級的結構用統一的數據庫框架顯示和表達的過程。BRB 用式（1）表示［11］：

式中，E={E1，E2，…，EJ}表示評價體系中所有指標的集合，P={P1，P2，…，PI}表示BRB 中與指標對應的取值集合，Pi={Pi1，Pi2，…，Pi|Pi|}，|Pi| 表示集合Pi中元素個數。R={R1，R2，…，RL}表示所有結論的集合。F 是規則輸入和輸出之間的映射函數。

一條基本的置信規則是既考慮前提屬性權重和規則權重，又用置信度等級結構來表達規則結論的“if-then”框架樣式，第k 條規則表示為［12］：

BRB 的實質是構建了輸入信息與輸出結果之間的映射關系，是一種更容易理解的數學表達形式。如在空氣質量評價的BRB 中，規則為：當氧氣含量（E11）為20%，CO 濃度（E12）為30 mg/m3，粉塵濃度（E13）為4 mg/m3時，空氣質量（E1）的等級為（良，0.7）（中，0.3）。假設該條規則中各前提屬性的權重均為1，規則的相對權重也為1，則用式（2）表達為：

2.2 計算規則激活權重

2.2.1 輸入數據的轉換

有兩點需要特別說明：一是當規則庫中指標屬性取值為某個單點P*時，

式中，［p，q］為輸入值xi的實際取值范圍。相似函數φ 在理論上可以保證：當xi=Pi*時，φ 取值剛好為1；xi距離P*越遠，φ 取值越小，越能夠準確刻畫輸入值xi與P*的相似性。二是當輸入值為專家經驗主觀判斷時，此時直接用經驗值當作輸入值，無需轉換。如物理環境中的照明因素，在規則庫中的取值包括（良，中，差），實際輸入值{（良，0.5）（中，0.5）（差，0）}，則φ良=0.5，φ中=0.5，φ差=0。

2.2.2 激活權重的計算

2.3 證據推理算法集成

Wang 和Yang 等進一步提出了證據推理的解析算法，完成了對BRB 中所有規則的證據組合［15］，其計算公式如下：

本文采用加權平均值法，將置信度評價結果單值化來確定環境質量等級評估等級：給3 個等級依次賦予間距相等的數值c1，c2，c3，文中分別取100/80/60 來表示，計算式（9）所示。

式中，k 為待定系數，目的是控制較大的發揮βj作用，通常取k=1 或k=2。對照環境質量分級標準，如表2 所示，可得到環境質量等級。

表2 環境質量分級標準

3 實例分析

3.1 工程施工環境評價計算

某工程位于某縣境內，地處某河中下游，屬山原峽谷型地貌。該工程施工軸線總長約12 000 m，建設總面積約320 000 m2。該工程劃分為A、B、C 3區，環境質量評價指標體系如下頁圖3～圖5 所示。假設規則庫中的規則權重均為1，規則的前提條件的相對權重均相等，構建的置信規則庫如表3 所示。通過現場調研和測量，A、B、C 3 區的指標輸入數據如表4 所示。

表3 施工環境評價置信規則庫

表4 A、B、C 3 區的指標輸入數據

下面以A 區為例，進行計算過程分析。

同理，可計算出A 區的物理環境E2A、固體廢物環境E3A和施工環境EA的評價結果，如圖3 所示。按照以上步驟，可計算出B 區和C 區施工環境評價結果，如圖4、圖5 所示。

圖3 A 區施工環境評價結果

圖4 B 區施工環境評價結果

圖5 C 區施工環境評價結果

根據式（9）將E、E1、E2和E3進行單值化處理，得到A、B、C 3 區施工環境質量評價結果，如圖6所示。

圖6 施工環境評價單值化結果

3.2 評價結果分析

從整體施工環境質量來看，A 區為II 級偏下，B區為II 級偏上，C 區為III 級偏下。B 區的施工環境質量整體最好，特別是該區的空氣質量達到I 級，但該區的物理環境和廢棄物環境低于整體環境質量，溫度調控和固體垃圾處理工作有待加強；A 區的物理環境為III 級偏下，嚴重制約了整體的施工環境質量，特別是噪聲和照明兩個環境指標有待改善；C 區位于陣地末端，通風條件和交通狀況較差，雖在物理環境調控方面有所側重，但是整體施工環境質量仍較差，需要持續加強機械通風和廢棄物處理工作。

4 結論

針對陣地工程施工環境評價指標類型的多樣性和評價信息的不確定性問題，在融合測量數據和專家經驗的基礎上，建立了一種基于置信規則庫的證據推理的評估模型，將傳統的單一因素環境評價上升為體系化的綜合環境評價。結合工程施工實際，運用模型對A、B、C 區施工環境進行分析計算，其中B 區最佳，A 區次之，C 區最差，符合某工程施工的實際情況。同時，根據評價結果，掌握各區域內的氧氣含量、溫度、廢棄物處理等8 項指標對整體施工環境的影響，為科學地制定改善施工環境措施提供了理論依據。