吳賢國，黃艷華，侯鐵明，王延輝，徐向前，張立茂

(1.華中科技大學土木工程與力學學院，湖北武漢 430074；2.中鐵隧道股份有限公司，河南鄭州 450003）

地鐵施工誘發(fā)城市生態(tài)安全系統(tǒng)仿真及預(yù)警

吳賢國1，黃艷華1，侯鐵明1，王延輝1，徐向前2，張立茂1

(1.華中科技大學土木工程與力學學院，湖北武漢 430074；2.中鐵隧道股份有限公司，河南鄭州 450003）

針對地鐵施工對城市生態(tài)環(huán)境影響日益嚴重這一現(xiàn)狀，建立了地鐵施工誘發(fā)城市生態(tài)環(huán)境安全的“社會—經(jīng)濟—自然”復(fù)合生態(tài)安全評價指標體系；結(jié)合系統(tǒng)動力學方法構(gòu)建地鐵施工情境下城市生態(tài)系統(tǒng)安全的動力學模型；提出基于云模型的模糊數(shù)據(jù)挖掘方法，通過單指標相對隸屬度計算進行預(yù)警分析，結(jié)合多屬性決策，得到綜合指標的預(yù)警區(qū)間變化趨勢圖；并以武漢市地鐵施工項目為實際背景，實現(xiàn)對武漢市地鐵施工誘發(fā)城市生態(tài)安全系統(tǒng)動態(tài)預(yù)警的時空演化分析，得到武漢市地鐵施工誘發(fā)城市生態(tài)安全系統(tǒng)目前處于較差狀態(tài)，需要重點加強改進的結(jié)論。

生態(tài)環(huán)境；安全預(yù)警；系統(tǒng)動力學；云模型；數(shù)據(jù)挖掘

當前中國經(jīng)濟快速發(fā)展，城市地鐵建設(shè)逐步進入有序和快速的發(fā)展階段。但由于地鐵施工的復(fù)雜性，突發(fā)性環(huán)境安全事故時有發(fā)生，給群眾的生命財產(chǎn)造成嚴重威脅。如2011年3月16日，大連地鐵華北路地下管線滲漏，水體流動，進而誘發(fā)工地路面塌陷，形成10m深坑［1］。隨著地鐵建設(shè)規(guī)模的不斷擴大，地鐵施工對周邊生態(tài)環(huán)境安全影響的問題越來越突出，如交通堵塞、噪聲等，如何準確地對地鐵施工周邊生態(tài)安全進行評價、預(yù)測和預(yù)警，及時解決問題，避免損失，成為了一個亟待解決的問題。因此，對地鐵施工誘發(fā)周邊生態(tài)安全進行預(yù)警研究具有重要意義。

目前國內(nèi)對于生態(tài)環(huán)境安全預(yù)警的研究還處于初步探索階段，多以環(huán)境惡化、農(nóng)產(chǎn)品污染、生物入侵、自然災(zāi)害預(yù)警等形式表現(xiàn)，研究多以評價為主，也有基于現(xiàn)狀進行預(yù)測；多采用綜合指數(shù)法［2］、模糊評價法［3］、層次分析法［4，5］、情景分析法［6］、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法［7］等靜態(tài)方法進行預(yù)警評價；研究內(nèi)容也以制定的專項系統(tǒng)居多，缺乏對復(fù)合系統(tǒng)的整體研究。而環(huán)境安全評價是一個動態(tài)過程，影響因素復(fù)雜多變，采用單一靜態(tài)的評價方法缺少環(huán)境安全各影響因子之間耦合變化過程的研究，預(yù)警結(jié)果難以指導(dǎo)實踐［8］。因此，基于多要素耦合演變的安全預(yù)警更具有理論價值和實際意義。本文選用系統(tǒng)動力學這一研究動態(tài)復(fù)雜系統(tǒng)的方法來研究地鐵施工誘發(fā)周邊生態(tài)環(huán)境安全預(yù)警系統(tǒng)；并結(jié)合云模型理論和數(shù)據(jù)挖掘理論對地鐵施工誘發(fā)生態(tài)安全系統(tǒng)進行分析，實現(xiàn)系統(tǒng)的模糊邊界向精確數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)化。

本文結(jié)合自然科學中的系統(tǒng)動力學和云模型理論及數(shù)據(jù)挖掘方法，旨在建立一套地鐵施工誘發(fā)生態(tài)環(huán)境安全預(yù)警指標體系，運用系統(tǒng)動力學方法對指標進行動態(tài)分析預(yù)測，最終采用基于云模型的數(shù)據(jù)挖掘方法對生態(tài)環(huán)境安全問題作出動態(tài)預(yù)警，為各種決策提供依據(jù)，及時準確的作出應(yīng)對措施，改善生態(tài)環(huán)境安全現(xiàn)狀。

1 地鐵施工誘發(fā)生態(tài)安全預(yù)警指標

生態(tài)安全預(yù)警是指對環(huán)境質(zhì)量和生態(tài)系統(tǒng)逆化演替、退化、惡化的及時報警［9］。根據(jù)馬世駿、王如松定義的“社會—經(jīng)濟—自然”復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)［10］，結(jié)合地鐵施工區(qū)域周邊生態(tài)環(huán)境動態(tài)演化、自反饋、循環(huán)再生、協(xié)同共生的特性，將生態(tài)環(huán)境安全系統(tǒng)看作以人為主體的社會經(jīng)濟系統(tǒng)和自然生態(tài)系統(tǒng)在特定區(qū)域內(nèi)協(xié)同作用而形成的復(fù)合系統(tǒng)。社會、經(jīng)濟、自然三大要素在物質(zhì)、能量和信息交換流通過程中，形成具有一定結(jié)構(gòu)和功能的復(fù)合系統(tǒng)。本文在查閱文獻的基礎(chǔ)上，根據(jù)地鐵工程施工對環(huán)境影響的特點，提出地鐵施工誘發(fā)生態(tài)安全預(yù)警指標體系，如圖1所示：

圖1 地鐵施工誘發(fā)生態(tài)環(huán)境安全預(yù)警指標體系

2 地鐵施工誘發(fā)城市生態(tài)系統(tǒng)仿真

系統(tǒng)動力學(SD)是在20世紀50年代由美國麻省理工學院的Forrester教授融合控制論、系統(tǒng)論、信息論、計算機模擬技術(shù)、管理科學和決策論等學科為一體開發(fā)的系統(tǒng)分析方法。該方法依靠系統(tǒng)理論分析系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和層次，依靠自動控制論的反饋原理調(diào)節(jié)系統(tǒng)，依靠信息論中的信息傳遞理論來描述系統(tǒng)［11］，采用Vensim PLE等進行仿真模擬，定性與定量的分析動態(tài)復(fù)雜系統(tǒng)。

2.1 基于系統(tǒng)動力學的仿真模型構(gòu)建

圖2 地鐵施工誘發(fā)生態(tài)環(huán)境安全系統(tǒng)流量

根據(jù)圖1中對“社會—經(jīng)濟—自然”復(fù)合系統(tǒng)的分析，從SD的角度將地鐵施工誘發(fā)生態(tài)環(huán)境安全系統(tǒng)分為社會、經(jīng)濟和自然三大子系統(tǒng)。為清晰的表達系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)，構(gòu)建完善的系統(tǒng)流量圖(圖2)，增加中間指標將圖1中指標有機的連接起來以輸入方程式，確保流量圖的完整性。如“人口總數(shù)”部分設(shè)置“人口凈遷入量”和“人口自然增長量”兩個速率變量，通過每年人口變化量計算人口總數(shù)；而“人口凈遷入率Lookup”顯示人口凈遷入率關(guān)于時間的變化，“周邊房價對其影響Lookup”則是周邊房價對人口凈遷入率的影響函數(shù)。

系統(tǒng)動力學方法在復(fù)雜系統(tǒng)分析中的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在用函數(shù)方程定性的表示因子間的交錯關(guān)系，使模型精確化。由于篇幅限制，列出模型中的部分方程并說明如下：

人口總數(shù)=INTEG(人口凈遷入量/10000+人口自然增長量/10000，人口總數(shù)初始值)(1)

式中人口總數(shù)為年初人口初始值加增長人數(shù)和遷入人數(shù)。其中，遷入量為正表示遷入者大于遷出者，反之為遷出大于遷入；自然增長量為正表示出生率大于死亡率，反之為死亡率大于出生率；人口總數(shù)初始值為模擬初期的人口總數(shù)。

人口自然增長量=自然增長率Lookup (Time)×人口總數(shù)(2)

式(2)表示人口自然增長率與總數(shù)的乘積為人口自然增長量，自然增長率Lookup則是根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)及發(fā)展規(guī)劃設(shè)定。計算所得的人口自然增長量按照實際時間不不斷的調(diào)整變化，與實際數(shù)據(jù)貼合。

2.2 模型參數(shù)設(shè)定與檢驗

本文以武漢市地鐵建設(shè)項目為背景進行研究，武漢市地鐵建設(shè)開始于2000年，規(guī)劃至2050年，設(shè)定仿真時間為2000年到2050年。模型中主要狀態(tài)變量的初始值采用2000年的統(tǒng)計數(shù)據(jù)。其他依據(jù)武漢年鑒、武漢建設(shè)年鑒、武漢市統(tǒng)計信息網(wǎng)、武漢市水務(wù)局水資源數(shù)據(jù)、武漢市狀況公報等統(tǒng)計資料及武漢市地鐵建設(shè)2017年規(guī)劃和2020～2049年規(guī)劃的發(fā)展目標來確定。

模型結(jié)構(gòu)是否合理，能否反映實際系統(tǒng)的特征和變化規(guī)律，需要對模型進行驗證，模型驗證一般包括直觀檢驗和歷史檢驗兩種方法。

2.2.1 基于軟件的直觀檢驗

(1)Vensim PLE軟件對方程編寫過程有自動檢測功能，在方程輸入存在問題時，變量出現(xiàn)反色提醒，在模擬運行時方程有問題會出現(xiàn)錯誤警告，需修改公式，直至不出現(xiàn)反色及錯誤警告。

(2)在Vensim PLE軟件中用“check model”命令檢驗?zāi)Ｐ?，顯示模型結(jié)構(gòu)合理，符合要求。

(3)用“units check”命令檢驗量綱一致性符合要求。

2.2.2 基于歷史數(shù)據(jù)的歷史檢驗

歷史檢驗主要是驗證模型變量模擬的結(jié)果是否與實際數(shù)據(jù)相符合，通過查找統(tǒng)計資料，收集了2000～2013年的相關(guān)數(shù)據(jù)作為實際值與模擬值進行對比分析?，F(xiàn)選取人口總數(shù)和地鐵建設(shè)總投資兩個指標，經(jīng)分析仿真數(shù)據(jù)與實際數(shù)據(jù)擬合度較高，大部分誤差控制在2%以內(nèi)(如圖3，4)，說明模型能夠反映實際發(fā)展狀況，符合一致性要求。

圖3 人口總數(shù)歷史檢驗

圖4 地鐵建設(shè)總投資歷史檢驗

通過檢驗，可知模型合理有效，具有較高的擬合度，可用于實際情況的分析和預(yù)測。

2.3 生態(tài)環(huán)境安全仿真分析

基于地鐵施工環(huán)境安全系統(tǒng)SD模型，借助Vensim PLE，針對“社會—經(jīng)濟—自然”復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)進行仿真模擬，分析武漢市地鐵施工環(huán)境安全系統(tǒng)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢。結(jié)果如圖5～7所示。

從圖5可以看到社會子系統(tǒng)中各變量的變化趨勢。在2000～2050年間，每年均在進行地鐵建設(shè)，地鐵建設(shè)長度不斷增加；而地鐵建設(shè)造成的圍擋和管道改遷等資源占用，導(dǎo)致車輛通行能力減少，路段飽和度增大；2010～2035年是武漢市地鐵建設(shè)的高峰期，此間大部分的地鐵建設(shè)將會完成，交通日益方便，武漢城市化水平越來越高，外來人口會因其日益增長的生活水平而增加，人口的增多導(dǎo)致其自然增長率相應(yīng)提升。2035～2050年地鐵建設(shè)接近尾聲，較高的人口密度使人口增長速度減慢，而地鐵建設(shè)帶來的便利使總?cè)丝谌蕴幱谠鲩L狀態(tài)，因此人口自然增長量和人口遷入量在2010～2035年有大幅增長，2035～2050年增長幅度減小，符合實際情況。

圖5 社會子系統(tǒng)仿真結(jié)果

圖6 經(jīng)濟子系統(tǒng)仿真結(jié)果

圖7 自然子系統(tǒng)仿真結(jié)果

圖6主要反映經(jīng)濟子系統(tǒng)中指標的變化趨勢。地鐵建設(shè)長度的增加需要投入相應(yīng)的資金才能完成，因此地鐵建設(shè)投入資金不斷增加；地鐵建設(shè)導(dǎo)致周邊交通更為便利，一定程度上提升了周邊房價；而治理投入則與治理面積相對應(yīng)，治理面積變化較為平穩(wěn)，治理投入也會呈較平穩(wěn)的變化趨勢。趨勢圖貼切的反映了實際情況。

圖7中地鐵施工過程中產(chǎn)生的顆粒粉塵導(dǎo)致空氣中PM10含量小幅增加；施工中的噪音增加周邊噪聲，在地鐵建設(shè)較多的2010～2035年，噪聲顯著增加，其后有下降趨勢，模擬曲線與實際具有較高的擬合度；地鐵施工很容易造成周邊地表和建筑物沉降，該沉降隨時間推移逐漸增加，因此，周邊建筑物沉降逐年增加，地表沉降評分值則逐年減少；水土流失主要取決于環(huán)境保護，地鐵施工中開挖土體對周邊水土造成較小影響，因此地下水資源量和水土流失變化趨勢較平穩(wěn)。

3 地鐵施工誘發(fā)生態(tài)安全動態(tài)預(yù)警

考慮到系統(tǒng)動力學預(yù)測結(jié)果的不確定性較大，在系統(tǒng)動力學預(yù)測的基礎(chǔ)上，采用基于云模型的數(shù)據(jù)挖掘方法對圖1中相關(guān)預(yù)警指標進行分析，判斷其預(yù)警區(qū)間，更精準實現(xiàn)地鐵施工誘發(fā)生態(tài)安全指標的動態(tài)預(yù)警。

3.1 云模型

云模型是李德毅院士1996年在傳統(tǒng)模糊數(shù)學和概率統(tǒng)計的基礎(chǔ)上提出的定性定量互換模型，刻畫了不確定性語言值和精確數(shù)值間的隨機性和模糊性。云模型的數(shù)字特征用期望值Ex、熵En、超熵He來表示。其中，Ex代表定性概念，反映云滴群的云重心［12］；En代表定性概念模糊性，反映數(shù)域中可被定性語言值接受的范圍。He是熵的不確定性度量，即熵的熵，反映云滴的凝聚程度。

3.2 基于云模型的模糊數(shù)據(jù)挖掘分析

數(shù)據(jù)挖掘是通過分析大量數(shù)據(jù)來揭示新關(guān)系的過程。基于云模型的數(shù)據(jù)挖掘，通過對挖掘?qū)ο髽?gòu)建定性概念，并對每個概念進行模糊程度劃分、構(gòu)建云模型，確定數(shù)字特征(Ex、En、He)，計算指標數(shù)值相對于每個模糊集合的隸屬度，隸屬度最大者為指標當前所屬集合。本文基于該方法和系統(tǒng)動力學預(yù)測數(shù)據(jù)分析地鐵施工誘發(fā)生態(tài)安全預(yù)警系統(tǒng)中的因素，判定因素各年預(yù)警區(qū)間，實現(xiàn)指標狀態(tài)的動態(tài)預(yù)警，為后期決策提供依據(jù)。

3.2.1 指標權(quán)重確定

由于不同的預(yù)警指標對系統(tǒng)的貢獻度不同，為使預(yù)警過程更具現(xiàn)實意義，按指標貢獻度計算安全等級，即將各指標賦以不同的權(quán)重，以確定綜合指標的等級，增強預(yù)警的科學性。采用層次分析法計算各指標的權(quán)重如表1所示。

表1 預(yù)警指標權(quán)重

3.2.2 預(yù)警等級及范圍劃分

生態(tài)安全預(yù)警需根據(jù)指標的現(xiàn)狀或發(fā)展趨勢對其作出評價預(yù)測，將定性指標度量化，根據(jù)評價結(jié)果將其劃分到不同的安全等級，便于作出對應(yīng)預(yù)警并提出恰當?shù)膽?yīng)對措施。本文將環(huán)境安全的等級從安全到危險依次劃分為五個等級：理想狀態(tài)、良好狀態(tài)、一般狀態(tài)、較差狀態(tài)和惡化狀態(tài)，分別表示綠色預(yù)警、藍色預(yù)警、黃色預(yù)警、橙色預(yù)警和紅色預(yù)警。根據(jù)國家相關(guān)質(zhì)量標準和政策，并結(jié)合武漢市的實際狀況和以往的數(shù)據(jù)統(tǒng)計，確定各預(yù)警指標安全等級的范圍如表2。

表2 地鐵施工環(huán)境安全系統(tǒng)預(yù)警指標安全等級及范圍

3.2.3 云模型特征值確定

基于5個安全等級及范圍，為14個指標的每個預(yù)警區(qū)間建立相應(yīng)的云模型(共70個)，特征值的計算公式如公式(6)，s取0.05，Cmax和Cmin分別為每個指標取值的最大值和最小值。

3.2.4 評價指標安全等級確定

根據(jù)SD仿真結(jié)果，結(jié)合各指標等級的云模型計算指標各年對每個預(yù)警區(qū)間的隸屬度，找出預(yù)警區(qū)間，并根據(jù)權(quán)重計算得出綜合指標的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢。本文確定指標安全等級的途徑主要有兩種：Matlab法和Excel法。Matlab法主要根據(jù)每個指標云模型的(Ex、En、He)，利用Matlab繪出5個預(yù)警區(qū)間正態(tài)云模型分布圖，再根據(jù)SD仿真模擬的預(yù)測值，繪出該值的云模型分布圖(不同顏色區(qū)分)，判斷隸屬區(qū)間及發(fā)展趨勢；Excel法可快捷計算指標各年隸屬區(qū)間，實現(xiàn)連續(xù)預(yù)測。

3.3 生態(tài)環(huán)境安全預(yù)警時空演化分析

由于篇幅限制，僅用上述兩種方法列出部分預(yù)警指標的預(yù)測結(jié)果。同時，考慮到預(yù)警指標的有效性和準確性，僅對未來20年進行預(yù)警分析。

3.3.1 社會子系統(tǒng)

以2014年人口總數(shù)指標為例，用Matlab繪圖如圖8，黑色曲線為五個預(yù)警區(qū)間，灰色曲線為人口總數(shù)實際值模型，可看出人口總數(shù)在2014年屬于藍色預(yù)警，處于良好狀態(tài)，未來有發(fā)展成為一般狀態(tài)的趨勢，說明目前地鐵施工對周邊生態(tài)環(huán)境中的人口影響并不惡劣。圖9為社會子系統(tǒng)中各指標的隸屬度，賦予權(quán)重處理之后的趨勢變化圖以及根據(jù)權(quán)重計算所得的社會子系統(tǒng)的預(yù)警區(qū)間變化趨勢圖。其中，0～1、1～2、2～3、3～4、4～5分別表示綠色、藍色、黃色、橙色和紅色預(yù)警區(qū)間。人口總數(shù)指標在2021年之前基本處于良好狀態(tài)，2021年至2034年處于一般狀態(tài)。而社會子系統(tǒng)在預(yù)測時間段基本處于一般狀態(tài)，為黃色預(yù)警。

圖8 2014年人口總數(shù)正態(tài)云模型

圖9 社會子系統(tǒng)內(nèi)部指標預(yù)警區(qū)間預(yù)測

因地鐵施工造成交通堵塞等不便會抑制外來人口的增長，但地鐵完成之后交通的日益便利，也會吸引外來人口，會造成交通的進一步擁擠，因此2014～2034年交通狀況處于紅色預(yù)警。地鐵建設(shè)造成的圍擋和管道改遷等資源占用，導(dǎo)致車輛通行能力減少，路段飽和度增大，預(yù)警區(qū)間向下變動。綜合來說，施工階段對社會子系統(tǒng)中的指標既有促進作用又有抑制作用，改善相關(guān)指標的預(yù)警狀態(tài)，需在施工管理中作出較大改變。

3.3.2 經(jīng)濟子系統(tǒng)

以周邊房價指標為例，圖10為周邊房價在2014年的正態(tài)云模型，為黃色預(yù)警，處于一般狀態(tài)，有向較差狀態(tài)發(fā)展的趨勢。圖11為經(jīng)濟子系統(tǒng)內(nèi)部指標未來20年預(yù)警區(qū)間變化趨勢。周邊房價指標在2023年之前處于一般狀態(tài)，在2024年以后處于較差狀態(tài)，房價上升。而經(jīng)濟子系統(tǒng)總體在較小幅度內(nèi)波動，處于較差狀態(tài)，為橙色預(yù)警。

圖10 周邊房價2014年正態(tài)云模型

圖11 經(jīng)濟子系統(tǒng)內(nèi)部指標云模型及預(yù)警區(qū)間預(yù)測

地鐵施工造成的交通不便會在短期內(nèi)使周邊房價下跌，但日后便利的交通必然引起房價上升，因此周邊房價由一般狀態(tài)變化為較差狀態(tài)。而建設(shè)投資額隨地鐵建設(shè)規(guī)模的變化而變化，治理投入隨治理規(guī)模變化，經(jīng)濟子系統(tǒng)處于較差狀態(tài)，說明在地鐵建設(shè)期間建設(shè)投資、水土流失治理投入資金等均較多。后期需注意節(jié)約成本，降低建設(shè)投資額，同時注意生態(tài)環(huán)境，治理因地鐵建設(shè)造成的水土流失，以達到保護生態(tài)環(huán)境的目的。

3.3.3 自然子系統(tǒng)

以噪聲為例，從圖12可看出噪聲指標在2014年處于惡化狀態(tài)，為紅色預(yù)警。圖13中噪聲指標在2030年之后開始向較差狀態(tài)過度，情況有所改善，而自然子系統(tǒng)整體基本處于較差狀態(tài)。

在預(yù)測時間段內(nèi)噪聲指標基本保持在惡化狀態(tài)，說明地鐵建設(shè)對周邊噪聲影響很大，需在后期施工中注意控制噪聲。而自然子系統(tǒng)基本處于較差狀態(tài)，說明地鐵施工對自然環(huán)境的破壞力是比較大的，包括施工中產(chǎn)生的粉塵、噪聲、水土流失等一系列的問題，在施工過程中需要積極采取措施減少對自然環(huán)境的破壞，并注意加強對自然環(huán)境的修復(fù)。

圖12 噪聲2014年正態(tài)云模型

3.3.4 城市生態(tài)系統(tǒng)

圖14中城市生態(tài)系統(tǒng)在2014年處于較差狀態(tài)，為橙色預(yù)警。圖15中城市生態(tài)系統(tǒng)基本處于較差狀態(tài)，為橙色預(yù)警，且后期趨向于惡化狀態(tài)。社會子系統(tǒng)基本處于一般狀態(tài)，為黃色預(yù)警，經(jīng)濟和自然子系統(tǒng)基本處于較差狀態(tài)，為橙色預(yù)警。

系統(tǒng)內(nèi)部影響因素眾多，有促進有抑制，整體呈動態(tài)變化趨勢但并不明顯。但該趨勢并不能說明系統(tǒng)處于平緩的發(fā)展狀態(tài)，細探內(nèi)部指標，也有極端變化甚至趨于惡化狀態(tài)的指標，如自然子系統(tǒng)處于較差狀態(tài)，后期慢慢趨于惡化狀態(tài)。因此，總指標定性的反映城市生態(tài)系統(tǒng)總體狀態(tài)，并不代表系統(tǒng)內(nèi)部各因素的狀態(tài)，評判時需要在把握總體狀態(tài)的情況下，詳細了解內(nèi)部指標，積極采取措施改善處于不良狀態(tài)的指標，在提升子系統(tǒng)中各指標狀態(tài)的情況下，使整體安全狀態(tài)提升。

4 結(jié)論

本文提出了基于系統(tǒng)動力學和云模型模糊數(shù)據(jù)挖掘的地鐵施工誘發(fā)生態(tài)安全預(yù)警，克服了傳統(tǒng)評價方法深度上的不足，在評價和預(yù)測的基礎(chǔ)上進行了安全預(yù)警；突破了以往研究內(nèi)容上的局限，對復(fù)雜系統(tǒng)進行了綜合探討；克服了單一研究方法的不足，實現(xiàn)了靜態(tài)和動態(tài)評價的有效結(jié)合，研究了環(huán)境安全多要素耦合演變；結(jié)合云模型理論和數(shù)據(jù)挖掘理論，實現(xiàn)了系統(tǒng)的模糊邊界向精確數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)化。最終以武漢市地鐵工程為例，驗證了基于系統(tǒng)動力學和云模型模糊數(shù)據(jù)挖掘的生態(tài)環(huán)境安全預(yù)警時空演化方法的獨特優(yōu)勢：

(1)實現(xiàn)了對復(fù)雜系統(tǒng)的綜合評價：從社會、經(jīng)濟、自然三方面較為完善的建立了地鐵施工誘發(fā)生態(tài)環(huán)境安全預(yù)警系統(tǒng)的評價指標體系；

(2)實現(xiàn)了復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)中指標的預(yù)測：建立了“社會—經(jīng)濟—自然”復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)的系統(tǒng)動力學模型，并對復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)進行仿真模擬，動態(tài)的描述了其生態(tài)狀況和發(fā)展趨勢，實現(xiàn)了對預(yù)警指標的預(yù)測，便于評判系統(tǒng)及指標的現(xiàn)狀，并及時采取措施，防止情況進一步惡化，改善現(xiàn)狀；

(3)實現(xiàn)了生態(tài)環(huán)境安全預(yù)警指標的預(yù)警：采用基于云模型的模糊數(shù)據(jù)挖掘方法進行預(yù)警分類，基于系統(tǒng)動力學的仿真模擬結(jié)果，對復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)中單指標進行預(yù)警，并結(jié)合權(quán)重對綜合指標進行計算，得出未來二十年各指標及綜合指標的發(fā)展趨勢，實現(xiàn)了對武漢市地鐵施工誘發(fā)周邊生態(tài)環(huán)境安全系統(tǒng)的安全預(yù)警，可為今后的地鐵施工管理工作提供決策依據(jù)。

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Simulation and Warning of Urban Ecological Environment Safety System Induced by Subway Construction

WU Xian-guo1，HUANGYan-hua1，HOU Tie-ming1，WANGYan-hui1，XU Xiang-qian2，ZHANG Li-mao1
(1.School of Civil Engineering and Mechanics，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074，China；2.China Railway Tunnel Stock Co Ltd，Zhengzhou 450003，China)

For the urban ecological environment induced by subway construction is worsening，the paper established a complex evaluation index system based on“social-economic-natural”complex ecosystem，built the dynamicsmodel of urban ecosystem induced by subway construction based on system dynamics，and proposed the fuzzy data mining method based on cloud model.The method realized thatwarning analysis of single index by calculating the relativemembership degree，combined with multi-attribute decision-making，and gave the change chart of warning internal of the comprehensive index.At last，Wuhan Metro construction was set as an example to achieve the dynamic warning and space-time evolution analysis of subway construction-induced urban ecological environment security system in Wuhan，the condition of which is finally proved to be the poor state and needs to be improved.

ecological environment；safety warning；system dynamics；cloud model；datamining

X820. 3；U231+.3

A

2095-0985(2015)04-0008-07

2015-6-25

2015-08-29

吳賢國(1964-)，女，湖北武漢人，教授，博士，研究方向為土木工程施工管理(Email：wxg0220@126.com)

黃艷華(1991-)，女，湖北襄陽人，碩士研究生，研究方向為地鐵安全管理(Email：HYHhust@126.com)

國家自然科學基金(51378235)；湖北省自然科學基金(ZRZ2014000104)；武漢市科技計劃(201334)