余宏亮， 丁烈云， 余明暉

(華中科技大學(xué) a．土木工程與力學(xué)學(xué)院;b．系統(tǒng)工程研究所，湖北 武漢 430074)

地鐵工程是一項(xiàng)復(fù)雜的高風(fēng)險(xiǎn)性建設(shè)工程。我國地鐵工程建設(shè)規(guī)模逐年擴(kuò)大，但地鐵施工安全事故頻發(fā)。以深圳地鐵工程為例，僅2009年7月就發(fā)生傷亡事故4起，死亡5人［1］，2010年2月9日又發(fā)生一起塌方事故［2］。

目前，地鐵工程規(guī)模大、發(fā)展快，技術(shù)和管理力量難以保證［3］，對風(fēng)險(xiǎn)辨識不細(xì)致全面、風(fēng)險(xiǎn)控制措施不到位。在缺乏地鐵工程施工風(fēng)險(xiǎn)識別工程師的情況下，如何將專家經(jīng)驗(yàn)和規(guī)范中的風(fēng)險(xiǎn)識別知識結(jié)構(gòu)化，通過計(jì)算機(jī)自動識別風(fēng)險(xiǎn)，具有理論研究和工程實(shí)踐價(jià)值。實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)的前提之一是建設(shè)較完善的地鐵工程施工安全風(fēng)險(xiǎn)識別知識庫，而如何從文獻(xiàn)、技術(shù)文檔及專家經(jīng)驗(yàn)中將零散、重復(fù)、模糊的風(fēng)險(xiǎn)識別知識抽取出來，形成風(fēng)險(xiǎn)識別規(guī)則是知識庫建設(shè)的重難點(diǎn)。

國內(nèi)外學(xué)者在地鐵隧道、公路隧道風(fēng)險(xiǎn)評估方面作了大量的研究，國際組織ITA、ITIG分別發(fā)表相關(guān)的國際風(fēng)險(xiǎn)評估需求和指南［4，5］，對風(fēng)險(xiǎn)評估過程、評估方法給出了建議。Molag給出了隧道設(shè)計(jì)和運(yùn)營維護(hù)階段危害識別(Hazard Identification)的適用方法［6］。王振飛針對具體工程采用WBS分解、核查表、專家問卷相結(jié)合的方法識別工程風(fēng)險(xiǎn)［7］，周紅波等引入 WBS-RBS識別地鐵基坑工程風(fēng)險(xiǎn)因素或風(fēng)險(xiǎn)事件，并對風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行敏感性分析［8］，同濟(jì)大學(xué)黃宏偉基于風(fēng)險(xiǎn)數(shù)據(jù)庫開發(fā)了盾構(gòu)隧道施工風(fēng)險(xiǎn)管理軟件(TRMl．0)［9，10］，但該數(shù)據(jù)庫僅列出風(fēng)險(xiǎn)與致險(xiǎn)因子表，未建立風(fēng)險(xiǎn)識別規(guī)則。綜上所述，國內(nèi)外學(xué)者在風(fēng)險(xiǎn)識別、風(fēng)險(xiǎn)評估方面提出了若干有價(jià)值的工作流程和方法，但如何建立風(fēng)險(xiǎn)識別規(guī)則庫，實(shí)現(xiàn)地鐵工程施工安全風(fēng)險(xiǎn)識別則少有文獻(xiàn)涉及。

風(fēng)險(xiǎn)識別規(guī)則獲取的簡便性，規(guī)則描述的準(zhǔn)確性、完備性，直接影響風(fēng)險(xiǎn)自動識別系統(tǒng)推理的準(zhǔn)確性和高效性。因此，本文首先提出了地鐵工程施工安全風(fēng)險(xiǎn)識別規(guī)則的定義，然后詳細(xì)描述風(fēng)險(xiǎn)識別規(guī)則的獲取過程，并給出基于擴(kuò)展產(chǎn)生式表示風(fēng)險(xiǎn)識別規(guī)則和風(fēng)險(xiǎn)識別規(guī)則的結(jié)構(gòu)化存儲方法，最后給出風(fēng)險(xiǎn)識別規(guī)則的應(yīng)用案例。

1 施工風(fēng)險(xiǎn)及風(fēng)險(xiǎn)識別規(guī)則

1．1 地鐵工程施工風(fēng)險(xiǎn)及風(fēng)險(xiǎn)識別規(guī)則的定義

地鐵工程施工風(fēng)險(xiǎn)是指在地鐵工程施工過程中，發(fā)生經(jīng)濟(jì)損失、人員傷亡、環(huán)境影響、工期延誤或耐久性降低等情況的不確定性。本文著重研究地鐵工程施工階段與安全管理直接相關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)，并將之分為技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)、地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)和環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)《地鐵及地下工程建設(shè)風(fēng)險(xiǎn)管理指南》［11］闡述的風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生機(jī)理，其風(fēng)險(xiǎn)作用鏈如圖1所示。

圖1 風(fēng)險(xiǎn)作用鏈

工程技術(shù)參數(shù)的具體取值決定存在哪些致險(xiǎn)因素，致險(xiǎn)因素的不同組合決定風(fēng)險(xiǎn)事件發(fā)生的可能性，風(fēng)險(xiǎn)事件的發(fā)生成為導(dǎo)致?lián)p失的直接原因，損失的發(fā)生說明實(shí)際結(jié)果與預(yù)期結(jié)果存在差異，于是風(fēng)險(xiǎn)事件的可能性及其損失的組合［12］——風(fēng)險(xiǎn)就產(chǎn)生了。以基坑底流砂風(fēng)險(xiǎn)為例:技術(shù)參數(shù)“基坑底地層”、“基坑內(nèi)外水頭差”的取值分別為“粉細(xì)砂”、“基坑內(nèi)外水頭差為4．5 m”等，說明存在“基坑底軟弱非粘性土”、“基坑內(nèi)外水頭差大”等致險(xiǎn)因素，若干致險(xiǎn)因素綜合作用，引發(fā)“流砂”風(fēng)險(xiǎn)事件，引起基坑底土層破壞，延誤工期，搶險(xiǎn)造成經(jīng)濟(jì)損失，導(dǎo)致工程實(shí)際狀況與預(yù)期結(jié)果差異，產(chǎn)生了“基坑底流砂風(fēng)險(xiǎn)”。

本文將獲取技術(shù)參數(shù)、識別致險(xiǎn)因素和風(fēng)險(xiǎn)事件的過程定義為風(fēng)險(xiǎn)識別。風(fēng)險(xiǎn)識別規(guī)則就是描述致險(xiǎn)因素的不同組合導(dǎo)致風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的可能性。用自然語言一般描述為:如果(存在……條件)那么(可能產(chǎn)生……風(fēng)險(xiǎn))。例如:如果(地鐵車站基坑外側(cè)開挖范圍內(nèi)存在淤泥層)那么(可能會發(fā)生基坑側(cè)壁滲漏風(fēng)險(xiǎn))。

1．2 風(fēng)險(xiǎn)識別規(guī)則的獲取與表示

地鐵工程施工安全風(fēng)險(xiǎn)識別規(guī)則一般從三類風(fēng)險(xiǎn)辨識知識中獲取:一是設(shè)計(jì)施工規(guī)范及手冊中總結(jié)的確認(rèn)性知識;二是從論文中的統(tǒng)計(jì)模型獲取的經(jīng)驗(yàn)性知識;三是專家的隱性知識。風(fēng)險(xiǎn)識別規(guī)則采用擴(kuò)展的產(chǎn)生式表示為:IfeThenh(CF(h，e)，λ)，其中前提條件e為可能發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)的致險(xiǎn)因素的組合，表示為e1(ω1)∧e2(ω2)∧e3(ω3)…形式，每個(gè)致險(xiǎn)因素ei均具有權(quán)重(ωi)和取值可信度CF(ei);CF(h，e)為規(guī)則的可信度;h為結(jié)論，即風(fēng)險(xiǎn)事件。

1．2．1 風(fēng)險(xiǎn)識別規(guī)則的獲取方法

風(fēng)險(xiǎn)識別規(guī)則的結(jié)論h，即風(fēng)險(xiǎn)事件，可通過查閱地鐵工程設(shè)計(jì)施工規(guī)范和技術(shù)手冊，檢索科技文獻(xiàn)進(jìn)行歸納總結(jié);風(fēng)險(xiǎn)識別規(guī)則前提條件e，即致險(xiǎn)因素組合的確定是難點(diǎn)，需解決3個(gè)技術(shù)問題:(1)確定規(guī)則前提中包含的致險(xiǎn)因素;(2)確定致險(xiǎn)因素的權(quán)重;(3)確定致險(xiǎn)因素取值的可信度。

1．2．1．1 確定規(guī)則前提中包含的致險(xiǎn)因素

確定可能導(dǎo)致風(fēng)險(xiǎn)事件的致險(xiǎn)因素一般需完成下列3個(gè)步驟:

步驟1:選取一個(gè)風(fēng)險(xiǎn)事件，通過查閱施工手冊和科技文獻(xiàn)了解風(fēng)險(xiǎn)事件的定義，通過人工識別定義中的工程術(shù)語和關(guān)鍵詞，可以初步列舉出致險(xiǎn)因素。例如:風(fēng)險(xiǎn)事件基坑底部土體突涌的定義如下:當(dāng)上部為不透水層，坑底下某深度處有承壓水層時(shí)，基坑開挖可能引起承壓水頭壓力沖破基坑底不透水層，造成突涌現(xiàn)象。

根據(jù)基坑底部土體突涌的定義識別出術(shù)語/關(guān)鍵詞，推理出可能的致險(xiǎn)因素，如表1所示。由推理過程可知，該風(fēng)險(xiǎn)事件具有①～⑤這5個(gè)關(guān)聯(lián)致險(xiǎn)因素，但這些致險(xiǎn)因素的選擇和推理路徑多從定性角度考慮，在風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生機(jī)理層面論述較少。

表1 致險(xiǎn)因素推理識別

上述分析方法適用于風(fēng)險(xiǎn)定義清晰，作用機(jī)理明確的風(fēng)險(xiǎn)事件，對于存在定義模糊性或爭議性的風(fēng)險(xiǎn)事件，現(xiàn)階段還需由專家根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)給出致險(xiǎn)因素。

步驟2:對于適宜建立力學(xué)分析解析模型或存在解析經(jīng)驗(yàn)公式的風(fēng)險(xiǎn)事件，從可靠度分析理論出發(fā)，建立其極限狀態(tài)函數(shù)。從極限狀態(tài)函數(shù)的自變量入手，獲得致險(xiǎn)因素。

例如:基坑底部土體突涌穩(wěn)定性的極限狀態(tài)函數(shù)［12］為:

g(R，S)=γm(Hd+Δh)－1．1·Pw

式中:γm為透水層以上土的飽和重度;Hd+Δh為透水層頂面距基坑底面的深度;Pw為含水層承壓水頭壓力。

從極限狀態(tài)函數(shù)分析，基坑底部土體突涌風(fēng)險(xiǎn)事件的致險(xiǎn)因素至少包括:(1)基坑底土質(zhì)條件;(2)圍護(hù)樁(墻)嵌入深度Hd;(3)圍護(hù)樁(墻)底部距透水層頂面距離Δh;(4)承壓水頭壓力Pw。步驟2的分析結(jié)果驗(yàn)證了步驟1定性分析結(jié)果的正確性。

對于不適合建立解析模型的風(fēng)險(xiǎn)事件，利用數(shù)值模擬方法建立仿真模型，其模型中的參數(shù)亦可作為風(fēng)險(xiǎn)致險(xiǎn)因素的來源。例如:在模擬隧道開挖對周邊地下管線影響時(shí)，數(shù)值仿真模型中考慮管線的埋深、走向，隧道、土體、管線的材料物理力學(xué)參數(shù)等，這些參數(shù)綜合分類后形成致險(xiǎn)因素集。

步驟3:綜合步驟1、2，結(jié)合工程實(shí)踐和專家經(jīng)驗(yàn)，最后形成風(fēng)險(xiǎn)事件的致險(xiǎn)因素集。

1．2．1．2 確定致險(xiǎn)因素權(quán)重

致險(xiǎn)因素權(quán)重的含義是該致險(xiǎn)因素對于風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的貢獻(xiàn)度，是一種重要程度的期望值，通過比較不同因素間相互關(guān)系，取值大小反映了重要程度。本文提出一種適合地鐵工程風(fēng)險(xiǎn)因素分析權(quán)重取值的計(jì)算方法。主要包括兩個(gè)步驟:專家群決策確定權(quán)重初始值;基于參數(shù)靈敏度分析修正權(quán)重值。

步驟1:通過風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生機(jī)理分析，可以初步確定致險(xiǎn)因素的種類和數(shù)量及相互關(guān)系，將其分為關(guān)鍵因素集合和非關(guān)鍵因素集合，關(guān)鍵因素集合權(quán)重之和大于0．5，各因素權(quán)重初始取值采用專家群決策確定。

步驟2:通過建立風(fēng)險(xiǎn)事件的故障樹，采用敏感性分析方法確定各致險(xiǎn)因素(基本事件)對風(fēng)險(xiǎn)事件(頂事件)的貢獻(xiàn)程度，從而獲得致險(xiǎn)因素的修正權(quán)重。其計(jì)算方法如下:

(1)計(jì)算最小割集

故障樹最小割集通過布爾運(yùn)算求得，設(shè)為{Ki，i=1，2，…，n}，Ki為第i個(gè)最小割集。

(2)頂事件概率

通過下式計(jì)算頂事件概率

式中，P(T)為頂事件T的概率值。

(3)致險(xiǎn)因素敏感系數(shù)

通過下式可以計(jì)算故障樹頂事件中各基本事件(致險(xiǎn)因素)的敏感系數(shù)

式中，Ig(i)為第i個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因素的敏感系數(shù)。

(4)修正初始權(quán)重值ωi

根據(jù)計(jì)算的致險(xiǎn)因素敏感系數(shù)，修正初始權(quán)重值

其中ωi'為修正后的權(quán)重值，ωi為原權(quán)重值。

1．2．1．3 確定致險(xiǎn)因素取值的可信度

各致險(xiǎn)因素技術(shù)參數(shù)取值不同，構(gòu)成識別規(guī)則前提條件中各致險(xiǎn)因素的可信度不同。其可信度的含義是:該因素能成為致險(xiǎn)因素的可能性。越不易成為致險(xiǎn)因素的取值，其可信度越小，例如:基底地層=“弱風(fēng)化巖”，其發(fā)生流砂的可能性非常小，可信度取值為0。

各致險(xiǎn)因素的值域可分為兩類:一類是離散確定性取值，一類是連續(xù)型取值。對于致險(xiǎn)因素離散確定性取值，其可信度取值也是離散值;而致險(xiǎn)因素連續(xù)型取值，其可信度的取值可采用分段函數(shù)，分段的界限值來源于機(jī)理分析中的理論計(jì)算或經(jīng)驗(yàn)公式。

例如:對于基坑底流砂(土)風(fēng)險(xiǎn)，致險(xiǎn)因素之一:圍護(hù)樁(墻)入巖狀態(tài)，其狀態(tài)值為離散確定型，入巖取值為1，未入巖取值為0。對應(yīng)的證據(jù)可信度分別取0和0．7。

另一致險(xiǎn)因素:基坑內(nèi)外水頭差x(m)，其值為連續(xù)型，用CF(ei)來描述基坑內(nèi)外水頭差可信度取值。根據(jù)基坑底流砂流土失穩(wěn)的極限狀態(tài)函數(shù)g(R，S)=γsatH1=γwΔh可知，基坑內(nèi)外水頭差Δh與基坑底降水深度H1成線性關(guān)系(γsat/γw近似為常量)，CF(ei)可用分段函數(shù)表達(dá):

分段界限值2 m，4 m來源于工程經(jīng)驗(yàn)公式和極限狀態(tài)計(jì)算。

1．2．2 風(fēng)險(xiǎn)識別規(guī)則的表示方法

根據(jù)上節(jié)描述的風(fēng)險(xiǎn)規(guī)則獲取方法，對每一條規(guī)則，確定其結(jié)論h和前提e，特別是對e中各致險(xiǎn)因素的組合及其權(quán)重的確定，最終形成的風(fēng)險(xiǎn)識別規(guī)則采用擴(kuò)展產(chǎn)生式表示。以地鐵車站基坑底流土(砂)風(fēng)險(xiǎn)識別規(guī)則為例，形成的風(fēng)險(xiǎn)識別規(guī)則如表2所示。表2中，e1～e6分別代表致險(xiǎn)因素:(1)基坑底地層土質(zhì);(2)鉆孔灌注樁入巖狀態(tài);(3)基坑內(nèi)外水頭差;(4)基坑底軟弱地層加固;(5)鉆孔灌注樁入土比;(6)基底土層厚度。

表2 風(fēng)險(xiǎn)識別規(guī)則擴(kuò)展產(chǎn)生式表示舉例

2 風(fēng)險(xiǎn)識別規(guī)則的結(jié)構(gòu)化存儲

采用關(guān)系模型結(jié)構(gòu)化擴(kuò)展產(chǎn)生式規(guī)則，將規(guī)則前提、規(guī)則、規(guī)則結(jié)論分別結(jié)構(gòu)化存儲在幾張有關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)表中，減少了規(guī)則組合數(shù)，避免“組合爆炸”，其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示。其中:事實(shí)詞條表的作用是保證規(guī)則描述術(shù)語的一致性;規(guī)則前提表描述各類致險(xiǎn)因素的不同狀態(tài)，通過前提編碼字段與規(guī)則表中的規(guī)則前提描述關(guān)聯(lián);規(guī)則表是整個(gè)風(fēng)險(xiǎn)識別數(shù)據(jù)庫的核心，它與規(guī)則結(jié)論表聯(lián)合，描述擴(kuò)展產(chǎn)生式IF e THEN h(CF(h，e)，λ)的基本結(jié)構(gòu)，規(guī)則表設(shè)計(jì)中根據(jù)地鐵工程施工安全風(fēng)險(xiǎn)識別知識的特點(diǎn)，增加了工點(diǎn)分類、工法分類，增加了規(guī)則組的概念，增強(qiáng)了規(guī)則間的關(guān)聯(lián)性，減少了推理機(jī)的搜索空間，提高了推理效率;結(jié)論解釋表描述風(fēng)險(xiǎn)識別結(jié)果的特征及風(fēng)險(xiǎn)控制方法。

圖2 風(fēng)險(xiǎn)識別規(guī)則數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3 應(yīng)用案例

基于風(fēng)險(xiǎn)識別知識庫構(gòu)建技術(shù)和工程圖紙計(jì)算機(jī)識別技術(shù)，采用VC++6．0語言編制研發(fā)了《基于工程圖紙的地鐵工程施工安全風(fēng)險(xiǎn)自動識別系統(tǒng)》(SRIS)已成功應(yīng)用于沈陽、武漢、鄭州等城市地鐵工程風(fēng)險(xiǎn)管理中。下面以武漢地鐵二號線螃蟹甲車站工程為例介紹風(fēng)險(xiǎn)識別規(guī)則庫的管理及應(yīng)用。

螃蟹甲車站長度為189．9 m，標(biāo)準(zhǔn)段寬度為18．7 m，基坑開挖深度達(dá)17 m，采用明挖法施工。圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用鉆孔灌注樁外加旋噴樁止水帷幕，布設(shè)鋼支撐及混凝土支撐。其施工安全風(fēng)險(xiǎn)識別知識庫中涉及的規(guī)則35條，規(guī)則前提條件68條，規(guī)則結(jié)論9條。我們以基坑底流土(砂)風(fēng)險(xiǎn)識別為例，從工程圖紙中獲得的部分技術(shù)參數(shù)如表3所示。

表3 部分工程技術(shù)參數(shù)

取表2中規(guī)則R1-1、R1-2計(jì)算規(guī)則前提組合可信度，均不滿足大于規(guī)則閾值的要求，取規(guī)則R1-3，按公式)計(jì)算規(guī)則前提組合可信度:CF(e)=0．0 ×0．075+0．56 ×0．15+0．2 ×0．3+0．8 ×0．15+0．2 ×0．075+0．2×0．25=0．329，CF(e)大于規(guī)則閾值(λ =0．2)，因此R1-3規(guī)則可用。將規(guī)則可信度與規(guī)則前提組合可信度相乘得到結(jié)論可信度:CF(h)=CF(h，e)×CF(e)=0．8 ×0．329=0．263。典型的基坑底流土(砂)風(fēng)險(xiǎn)識別結(jié)果界面如圖3所示。

圖3 風(fēng)險(xiǎn)識別結(jié)果界面

4 結(jié)語

基于本文提出的風(fēng)險(xiǎn)識別規(guī)則的前提條件(風(fēng)險(xiǎn)致險(xiǎn)因素組合)、結(jié)論(風(fēng)險(xiǎn)事件)分析獲取、結(jié)構(gòu)化表示和存儲方法，可系統(tǒng)地整理、轉(zhuǎn)化地鐵工程設(shè)計(jì)施工規(guī)范、科技文獻(xiàn)中的風(fēng)險(xiǎn)識別知識為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能管理的風(fēng)險(xiǎn)識別規(guī)則庫，為構(gòu)建地鐵工程施工安全風(fēng)險(xiǎn)自動識別專家系統(tǒng)奠定技術(shù)基礎(chǔ)。進(jìn)一步的研究工作包括:完善地鐵工程施工安全風(fēng)險(xiǎn)識別規(guī)則庫，設(shè)計(jì)多種算法精化致險(xiǎn)因素權(quán)重及規(guī)則可信度，增加基于語義的規(guī)則自學(xué)習(xí)功能等。

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