楊洪镅

（太原市市政公共設(shè)施管理處，太原030002）

非開挖技術(shù)是一種極為重要的城市鋪設(shè)管道的施工手段，因其在市政工程建設(shè)過程中可減少對市民的正常生活及交通、環(huán)境以及周邊建筑基礎(chǔ)等的破壞或不良影響，在國外已廣泛使用，國內(nèi)也在逐步普及。雖然非開挖技術(shù)有諸多的優(yōu)點，應(yīng)用前景廣闊，但也伴隨著高風險，特別是在施工作業(yè)過程中地下情況復(fù)雜、地面施工空間受限、交通繁忙、人員流動性大時，施工風險更甚。為了減少非開挖施工風險，需要對這些風險進行分析管理，使得潛在損失最小。

目前風險評價在各領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，非開挖施工領(lǐng)域常用的風險管理措施就是對非開挖施工風險進行評價，并基于評價結(jié)果，提出相應(yīng)的風險應(yīng)急措施［1］，但采用的方法不能很好掌握非開挖過程的各類信息，其評價結(jié)果可參考性較低；另外部分方法并不完善，只能定量地從某一方面反映工程的情況，或者只是對某一工程日前的評價，而不能及時更新，完善非開挖施工風險評價體系。

非開挖施工過程中的風險是不確定的，不僅具有隨機性，而且還具有模糊性，可以采用模糊綜合評定法對非開挖施工風險進行評價［2］?；诖?，筆者借鑒部分學(xué)者提出的模糊本體的概念與原理，把非開挖施工領(lǐng)域的相關(guān)知識進行系統(tǒng)化、形式化的整理，存入計算機，進而構(gòu)建語義網(wǎng)環(huán)境下的非開挖施工風險評價模糊本體，從分散的信息源收集有效信息，本體間可相互聯(lián)系，亦可明確導(dǎo)入其他本體的信息，從而提高非開挖施工知識的可重用性和共享性。

1 模糊領(lǐng)域本體概述

將本體理論與模糊理論相結(jié)合，通過建立概念層，將形式概念與模糊邏輯整合后處理不確定信息，從而形成模糊本體［3］。模糊領(lǐng)域本體是針對某一特定領(lǐng)域的模糊本體，可以用一個六元組來表示［4］：

式中：OF表示模糊領(lǐng)域本體；Cx是一個模糊的概念，是對論域概念的描述，每個概念有一組屬性對其進行深入描述，屬性值可具有模糊性，也可不具有模糊性；Ct是模糊概念Cx的集合，其每個元素也可稱為類，均需進行規(guī)范化描述；PF是概念屬性的集合，任一個屬性p∈PF都是一個四元結(jié)構(gòu)PF（Cp，Vp，U，μp），Cp是本體概念集，Vp是模糊屬性值，U 為模糊概念的取值范圍，μp為模糊語言變量的隸屬度；O表示模糊概念集的運算集，基本操作有交運算、補運算、并運算等，用于模糊本體概念的創(chuàng)建與合成；R是概念集Ct上的二元關(guān)系的集合，包括普通關(guān)系、模糊關(guān)系與直覺模糊關(guān)系等；AC是公理的集合，表示公認的事實或合理的推理規(guī)則，主要包括反應(yīng)式規(guī)則和演繹規(guī)則，用于對知識的推理、演繹，用來處理知識庫內(nèi)信息。

模糊領(lǐng)域本體的確立將概念屬性由純概念擴展到其與模糊概念的結(jié)合，而且引入模糊關(guān)系與直覺模糊關(guān)系，有利于描述各種模糊現(xiàn)象。通過相關(guān)的規(guī)則，以模糊方式對概念、公理等本體進一步處理，建立了自然語言和計算機語言的關(guān)聯(lián)，從而便于計算機計算處理。

2 基于模糊本體的市政工程非開挖施工風險評價系統(tǒng)的總體框架

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，未來的非開挖技術(shù)將向著由計算機全遙控的可自動測量記錄、自動導(dǎo)向糾偏和全程可視監(jiān)控的方向發(fā)展［5］。建立市政工程非開挖施工風險評價系統(tǒng)，既能滿足市政工程施工單位的實際需求，又能實現(xiàn)非開挖施工風險評價知識的共享。通過不斷的實踐，進一步完善非開挖施工風險評價模糊領(lǐng)域本體，從而全面提升市政工程非開挖施工風險管理的水平。

基于模糊本體的市政工程非開挖施工風險評價系統(tǒng)的基本設(shè)計思想是：

1）在市政工程非開挖施工領(lǐng)域?qū)＜业膸椭?，建立相關(guān)的模糊領(lǐng)域本體。

2）在市政工程非開挖施工領(lǐng)域?qū)＜液惋L險管理專家的幫助下，建立相應(yīng)的評價指標體系和評價模型，形成評價規(guī)則庫。

3）收集與市政工程非開挖施工有關(guān)的信息，并參照建立的模糊領(lǐng)域本體，把收集到的數(shù)據(jù)按設(shè)定的格式儲存在元數(shù)據(jù)庫（關(guān)系數(shù)據(jù)庫、知識庫等）中。

4）將元數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)與評價知識庫相匹配，進行相應(yīng)的規(guī)則推理，得出模糊綜合評價結(jié)果，并提供給用戶。

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1所示。

圖1 基于模糊本體的市政工程非開挖施工風險評價系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計框圖

由圖1可知，基于模糊本體的市政工程非開挖施工風險評價系統(tǒng)的實現(xiàn)，關(guān)鍵在于四個方面：模糊領(lǐng)域本體的建立、模糊評價規(guī)則庫的形成、模糊本體推理規(guī)則的確立、知識庫的更新和完善。

3 基于模糊本體的市政工程非開挖施工風險評價系統(tǒng)的實現(xiàn)

3.1 模糊領(lǐng)域本體的生成

模糊領(lǐng)域本體是在相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜业闹笇?dǎo)下，將本體論與模糊邏輯理論有機結(jié)合，通過定義概念、屬性、關(guān)系、實例以及相關(guān)隸屬度，為信息本身及信息之間的關(guān)系建立一個層次結(jié)構(gòu)清晰的語義模型。模糊領(lǐng)域本體的生成如圖2所示。

圖2 市政工程非開挖施工模糊領(lǐng)域本體的生成過程

從圖2可以看出，非開挖施工模糊領(lǐng)域本體的建立，需要先在市政工程非開挖施工領(lǐng)域?qū)＜业闹笇?dǎo)下，先建立領(lǐng)域本體，再結(jié)合模糊邏輯理論的知識，依次經(jīng)歷領(lǐng)域本體的建立、模糊形式概念分析、模糊概念聚類、模糊本體生成四個階段［6］。

1）領(lǐng)域本體的建立。必須滿足非開挖施工風險評價的要求，涵蓋非開挖施工的主要風險因素、施工中主要風險結(jié)果及造成的損失等方面的內(nèi)容。具體風險因素包括工程地質(zhì)地基條件、水文氣象條件、施工準備、孔內(nèi)事故、技術(shù)規(guī)范、施工技術(shù)協(xié)調(diào)、合同簽訂和履行風險；施工中主要風險結(jié)果及造成的損失包括工期延誤損失、緊急開挖費用、開挖設(shè)備破壞費用、損失賠償費用、項目成本增加、安全事故。

2）模糊形式概念分析。充分考慮到施工實時信息與專家觀點、國家標準的相關(guān)性，從概念層次結(jié)構(gòu)中來表達這種關(guān)聯(lián)性，先是對實時施工信息進行數(shù)據(jù)預(yù)處理，從中抽取關(guān)鍵詞或者關(guān)鍵短語，結(jié)合領(lǐng)域本體，明確這些關(guān)鍵詞的屬性、關(guān)系及隸屬度（如大、較大、一般、較小、?。?。

3）模糊概念聚類。通過概念間的模糊相似性計算，建立對應(yīng)的基礎(chǔ)概念模糊相似矩陣，采用數(shù)學(xué)方法定量地確定概念的親疏關(guān)系，對其他模糊概念聚類。例如若形式概念A(yù)屬于形式聚類U，概念a類似于A，則認為a也屬于U，這即為簡單的概念聚類；聚類中A與a相似與否，可以使用模糊集相似性的定義和相似度閥值計算兩者的相似度來確定。

4）模糊本體生成。模糊概念聚類后，遵循清晰一致、編碼程度最小、本體承諾最小、可擴展等原則，通過類映射、生成非類屬關(guān)系、生成類屬關(guān)系和產(chǎn)生實例等處理，就可以模糊本體。

3.2 模糊評價規(guī)則庫的建立

模糊評價規(guī)則庫中儲存各種收集到的規(guī)則，此規(guī)則庫中應(yīng)包含本體或本體間模糊信息的傳遞規(guī)則，在相應(yīng)規(guī)則基礎(chǔ)上進行模糊定制，具有高度的包容性和擴展性。首先，是根據(jù)已有的市政工程非開挖施工風險評價的相關(guān)成果，建立市政工程非開挖施工風險評價指標體系，采用層次分析法，計算出各指標的權(quán)重，形成評價指標規(guī)則庫；然后，以評價指標規(guī)則庫為基礎(chǔ)，建立市政工程非開挖施工風險模糊綜合評價模型。從理論上來說，只要有施工實時信息的輸入，對其進行預(yù)處理后，系統(tǒng)就能自動計算出非開挖施工風險的大小。

3.3 模糊本體推理規(guī)則的建立

本系統(tǒng)中的模糊推理工作過程為：實時施工信息輸入后，經(jīng)過一定的數(shù)據(jù)預(yù)處理，得出該數(shù)據(jù)的綜合值；然后將元數(shù)據(jù)庫中儲存的數(shù)據(jù)與模糊評價規(guī)則庫中符合要求的規(guī)則進行匹配，從成功匹配的規(guī)則中計算隸屬度值；最后按照最大隸屬度原則，得出最終的評價結(jié)論，提供給用戶，以方便用戶據(jù)此采取相應(yīng)的非開挖施工風險管理措施。

3.4 知識庫的更新和完善

最初的知識庫（包括模糊領(lǐng)域本體、模糊評價規(guī)則庫）來自非開挖工程領(lǐng)域業(yè)務(wù)、專業(yè)人員對經(jīng)驗數(shù)據(jù)的整理，帶有一定主觀性和不確定性，因此需要對模糊本體知識庫不斷地進行開發(fā)與擴展。首先確定初步的本體框架，建立核心本體，然后以此為基礎(chǔ)，每進行一次施工風險評價，都調(diào)入最后更新的知識庫內(nèi)容，經(jīng)過風險策劃和跟蹤，結(jié)合模式匹配、概念聚類和關(guān)聯(lián)規(guī)則等處理技術(shù)，從實施的非開挖工程施工過程中不斷獲取新的概念、關(guān)系，系統(tǒng)亦不斷得到新的輸入數(shù)據(jù)和新的輸出數(shù)據(jù)，加上有經(jīng)驗的工程管理技術(shù)人員的主觀評判數(shù)據(jù)，在不斷對比后，工程管理人員隨時調(diào)整預(yù)置參數(shù)，如風險值計算參數(shù)，風險的概率，風險等級識別，風險因素的重要性，預(yù)控措施，應(yīng)急計劃等，及時更新或擴充知識庫，從而不斷擴充核心本體，自動識別更多的領(lǐng)域知識，完善非開挖施工風險模糊本體。

4 工程實例

采用以上方法，對某道路改造工程泥水平衡頂管施工風險進行了評價。

4.1 工程概況

擬建道排橋梁場地屬于平坦的洪沖積平原，微地貌屬于汾河西岸Ⅰ級階地。場地工程地質(zhì)分區(qū)屬于太原盆地次穩(wěn)定工程地質(zhì)亞區(qū)。在勘探深度范圍內(nèi)主要由第四系全新統(tǒng)早期沉積的低液限粉土、低液限粉質(zhì)粘土與砂類土等構(gòu)成。地下水類型為孔隙潛水，主要補給來源為汾河水的側(cè)向補給、各渠道流水補給及大氣降水?，F(xiàn)階段為枯水期，豐水期可按提高1m考慮，貧水期水位可按提高0.5m考慮。根據(jù)該地區(qū)類似施工經(jīng)驗及現(xiàn)場勘探，溝槽土為土質(zhì)疏松、透水性較差的低液限粉質(zhì)土、砂類土，極易產(chǎn)生流砂、邊坡失穩(wěn)等現(xiàn)象。

工作井、接收井雙排水泥土攪拌樁支護及降水井布置見圖3。在頂管工作坑及接收井周圍距離井外壁1m處，設(shè)置雙排水泥土攪拌樁止水兼支護，根據(jù)實際情況，水泥土攪拌樁長為頂管工作坑或接收坑深度的兩倍，平均樁長為14m，樁徑500mm，壁狀加固，每側(cè)咬合7.5cm，單樁咬合15cm，有效間距350mm，水泥土攪拌樁要求打入持力層不小于0.5m，固化劑選用強度等級為32.5級及以上的普通硅酸鹽水泥，水泥用量60kg／m（水泥摻入量為加固土體質(zhì)量的16.1%），水灰質(zhì)量比為1：0.5，兩噴四攪工藝，外摻劑可選用具有早強、減水以及節(jié)省水泥等作用的材料?？紤]雨水工作坑或接收井東側(cè)有動載交通，東側(cè)打設(shè)雙排水泥土攪拌樁后適當加鋼筋骨架或網(wǎng)片，或者雙排水泥土攪拌樁加型鋼支護（型鋼沉插入攪拌樁內(nèi)，加強抗側(cè)壓力和機動車道動載壓力）。每樁機用電45kW。

圖3 工作井、接收井雙排水泥土攪拌樁支護及降水井布置平面示意圖

所采用的主要施工機械設(shè)備如表1所示。

4.2 施工工藝

本次頂管施工程序確定如下：施工準備→管節(jié)預(yù)制→機頭選型→工作井設(shè)置→頂管設(shè)備安裝→機頭出洞→頂進→測量→糾偏→壓漿→中繼間安裝→機頭進洞→中繼間管段澆筑鋼筋砼→檢查井施工→閉水試驗→井內(nèi)檢查井砌筑→工作井回填→清退場。

表1 主要施工機械設(shè)備

4.3 風險評價系統(tǒng)的建立

采用以上介紹的基于模糊本體的市政工程非開挖施工風險評價系統(tǒng)的基本設(shè)計思想，建立如下評價系統(tǒng)：

1）在市政工程非開挖施工領(lǐng)域?qū)＜业膸椭?，建立相關(guān)的模糊領(lǐng)域本體。本工程采用的本體為頂管施工過程。

2）在市政工程非開挖施工領(lǐng)域?qū)＜液惋L險管理專家的幫助下，建立的評價指標為設(shè)計風險、施工風險、材料及機械設(shè)備使用風險、天氣風險等一級評價指標，其下各設(shè)多個二級評價指標，形成的評價指標體系見圖4。

而后，建立如下模糊風險評價模型，該模型由3個層次構(gòu)成，第1層為方案層A，第2層為準則層Bm（m＝1，2，3，4，5），第3層為指標層Cn（n＝1，2，…，22）表示。設(shè)λ為模糊隸屬度。如，某工程項目風險的隸屬度λ，λ＝（1／90% ，0.5／60% ，0.2／30% ，0／10%）表示風險率為90%者為高風險，風險率為60%者為高風險的程度僅為0.5等，依次類推。其運算也應(yīng)為模糊運算。設(shè)有模糊矩陣R和S，定義R和S的并運算為兩中取大，R和S的交運算為兩中取小，模糊矩陣的乘積定義記為C＝R×S，且對于一個工程項目的風險評價問題，其風險因素集U＝｛ui｝；評價指標集；各評價指標的權(quán)重分別為w1，w2，…，wn。則工程項目的風險評價問題可用模糊乘積U·W 表示。

關(guān)于各評價指標的權(quán)重，我們通過構(gòu)造判斷矩陣，采用列向量歸一化、求和得到特征向量而后列向量歸一化處理的方法得到最大特征值和特征向量，而后，特征根按下式近似求解：

一致性指標IC采用如下公式得到：

通過查找相應(yīng)的平均隨機一致性指標IR并計算一致性比例RC：

然后對判斷矩陣的一致性進行檢驗，并得到權(quán)重矩陣W。

從而得到各因素的風險值：

至此，我們已建立了評價指標體系和評價模型，形成了評價規(guī)則庫，見圖4。

圖4 風險評價指標體系

3）收集類似工程施工有關(guān)的信息，把收集到的數(shù)據(jù)按設(shè)定的格式儲存在元數(shù)據(jù)庫（關(guān)系數(shù)據(jù)庫、知識庫等）中，形成對比信息。

4）將元數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)與評價知識庫相匹配，得出模糊綜合評價結(jié)果。對于此例，得到的最大的5個風險因素依次是：設(shè)計存在缺陷和遺漏、未考慮現(xiàn)場的實際情況、施工安全措施不當、技術(shù)質(zhì)量管理不到位、劣質(zhì)材料。

用戶可根據(jù)提交的此結(jié)果，有重點地采取相應(yīng)的措施，消除風險因素帶來的不利，保證工程的安全、質(zhì)量和效率。同時，將此評價的過程及結(jié)果記入評價系統(tǒng)，更新知識庫，為今后類似工程的風險評估提供參考。

5 結(jié)束語

通過分析當前針對市政工程非開挖施工風險評價中存在的不足，提出引入模糊領(lǐng)域本體，建立模糊領(lǐng)域本體為基礎(chǔ)的市政工程非開挖施工風險評價系統(tǒng)，該系統(tǒng)提高了非開挖施工領(lǐng)域知識的復(fù)用性和共享性，施工管理單位可及時查詢、評價目前非開挖施工狀況，對后續(xù)施工狀況進行預(yù)測，并可運用合理的自動推理，發(fā)現(xiàn)隱形評價知識；在此基礎(chǔ)上，信息庫、知識庫不斷更新擴展，逐漸構(gòu)建一個具有良好交互性的信息集成和復(fù)雜的評價系統(tǒng)，由此可實現(xiàn)市政工程非開挖施工風險的智能集成化管理，從而更好地為各方用戶服務(wù)。

［1］ 謝雄耀.非開挖施工中風險概率估價方法分析［J］.地下空間與工程學(xué)報，2006（1）：42-46.

［2］ 沈華.水平定向鉆穿越工程的項目風險評價［J］.探礦工程（巖土鉆掘工程），2010（3）：62-65.

［3］ Quan Thanh Tho，Hui Siu Cheung，Cao Tru Hoang.FOGA：A Fuzzy Ontology Generation Framework for Scholarly Semantic Web［C］∥Proc of KDO’04Pisa，Italy，2004.

［4］ 楊青，陳薇，聞彬.面向語義信息查詢的模糊本體模型［J］.計算機工程，2010（8）：188-200.

［5］ 孫超，禹華謙.非開挖技術(shù)在市政工程中的應(yīng)用［J］.四川建筑，2006（1）：138-139.

［6］ 王霞，李功振.基于模糊本體的水環(huán)境評價系統(tǒng)的研究［J］.安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2010，38（35）：20306-20308.