郭方圓 張洪青

摘要：針對(duì)基坑工程預(yù)警中風(fēng)險(xiǎn)因素模糊性和隨機(jī)性共存的特點(diǎn)，提出了一種基于云模型的模糊綜合預(yù)警法，采用云模型將常規(guī)模糊綜合評(píng)判法中的隸屬度代替，充分表征風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的模糊性和隨機(jī)性，預(yù)警結(jié)果更加客觀且符合實(shí)際情況，為基坑工程風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警提供了一種更加可行的預(yù)警方法。

關(guān)鍵詞：云模型；基坑工程；風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警

中圖分類號(hào)：TB

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：16723198（2015）13019702

0引言

隨著基坑開(kāi)挖規(guī)模和深度的增大以及地質(zhì)環(huán)境的復(fù)雜多樣性，基坑工程施工風(fēng)險(xiǎn)性逐步增加，嚴(yán)重威脅到施工人員安全與鄰近建筑物安全。

在利用實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，如何對(duì)基坑工程施工風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)警是一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。文獻(xiàn)[1]提出了復(fù)雜環(huán)境中基坑安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)方法，但沒(méi)有針對(duì)基坑主要風(fēng)險(xiǎn)事故給出相應(yīng)的預(yù)警方法。文獻(xiàn)[2]對(duì)深基坑工程開(kāi)挖期的主要風(fēng)險(xiǎn)事故發(fā)生的概率和后果進(jìn)行了分級(jí)，但概率、風(fēng)險(xiǎn)度和權(quán)重等均由專家確定，風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警結(jié)果過(guò)于主觀。文獻(xiàn)[3]提出了以風(fēng)險(xiǎn)跟蹤和風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警為主導(dǎo)的風(fēng)險(xiǎn)控制方法，但方法仍以主觀估計(jì)法為主，沒(méi)有充分利用監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，本文提出一種基于云模型的模糊綜合預(yù)警方法，在利用實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，對(duì)基坑工程風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)警。

1基坑工程安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警指標(biāo)

預(yù)警指標(biāo)的選取需要選擇可以監(jiān)測(cè)的定量指標(biāo)，才可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)預(yù)警的目標(biāo)。

基坑工程開(kāi)挖時(shí)容易出現(xiàn)兩類嚴(yán)重事故，即塌方和流沙事故。本文給出的方法適用于對(duì)兩類事故分別進(jìn)行預(yù)警，對(duì)兩類主要事故分別給出預(yù)警指標(biāo)。文獻(xiàn)[4]給出了兩類基坑風(fēng)險(xiǎn)事故的警兆，根據(jù)事故警兆，選擇預(yù)警指標(biāo)。

塌方是指邊坡意外塌陷，當(dāng)土坡受力超過(guò)其土層結(jié)構(gòu)粘結(jié)力時(shí)，就發(fā)生塌陷。任何土質(zhì)的邊坡都可能塌陷，但塌陷的發(fā)生和范圍等與土質(zhì)結(jié)構(gòu)、土中含水量，雨季及含水量高的軟土塌方風(fēng)險(xiǎn)大?？梢员O(jiān)測(cè)的重要預(yù)警指標(biāo)有地下水位、土的滲透性、土的含水量、抗剪強(qiáng)度、土的應(yīng)力、降雨量。

流沙是在基坑開(kāi)挖至一定深度（一般在地下水位以下）并采用坑內(nèi)抽水方式時(shí)，出現(xiàn)坑底或坑側(cè)不斷有大量砂土涌出的現(xiàn)象。可以監(jiān)測(cè)的預(yù)警指標(biāo)有粘粒含量、粉粒含量、土的不均勻系數(shù)、土的天然孔隙比、土的天然含水量、基坑挖深超過(guò)水位線的深度。

2模糊綜合預(yù)警的基本原理

模糊綜合預(yù)警是較常用的預(yù)警方法。該方法根據(jù)模糊數(shù)學(xué)的隸屬度理論把定性評(píng)價(jià)轉(zhuǎn)化為定量評(píng)價(jià)，即用模糊數(shù)學(xué)對(duì)受到多種因素制約的預(yù)警對(duì)象做出一個(gè)綜合預(yù)警結(jié)果，常規(guī)步驟如下：

（1）建立預(yù)警指標(biāo)集，用U={u1，u2，…，un}表示。（2）建立警度判斷集，即由評(píng)價(jià)者對(duì)預(yù)警對(duì)象可能做出的各種總的評(píng)價(jià)結(jié)果的集合，用V={v1，v2，…，vn}表示。（3）進(jìn)行單指標(biāo)評(píng)價(jià)。請(qǐng)N位專家對(duì)單個(gè)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)，設(shè)xij（k）是第K個(gè)專家認(rèn)為的評(píng)價(jià)對(duì)象按第i個(gè)因素Ui獲得第j個(gè)評(píng)語(yǔ)vj的隸屬度，得到平均隸屬度rij=∑nk=1x（k）ij/N，由此可以得到隸屬度矩陣R=（rij）n×m。（4）確定權(quán)重集A=（a1，a2，…，an）。（5）利用模糊合成算子計(jì)算B=A。R=（b1，b2，…，bn）。根據(jù)最大隸屬度原則，選擇集合B中最大值bi所對(duì)應(yīng)（v1，v2，…，vn）的vi作為最終預(yù)警結(jié)果。

模糊綜合預(yù)警結(jié)果清晰，系統(tǒng)性強(qiáng)，適合各種非確定性問(wèn)題的解決，但常規(guī)的模糊綜合預(yù)警對(duì)專家經(jīng)驗(yàn)依賴較強(qiáng)，因此得到的預(yù)警結(jié)果有較強(qiáng)的主觀性，缺乏對(duì)定量數(shù)據(jù)的利用。而且無(wú)論從評(píng)價(jià)論域的選擇到綜合隸屬度矩陣的產(chǎn)生都存在模糊性與隨機(jī)性，例如在基坑工程風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警中，土的天然含水率大于30%，則有可能發(fā)生流沙事故，這種事故判斷難免存在偶然、隨機(jī)因素。如果專家數(shù)量較少，模糊性與隨機(jī)性將不能得到很好的體現(xiàn)。本文使用云模型彌補(bǔ)常規(guī)模糊綜合預(yù)警模型的不足，以云模型代替隸屬函數(shù)，兼顧隨機(jī)性與模糊性，且利用定量數(shù)據(jù)不采用專家評(píng)分的方式得到隸屬度矩陣。

3基于云模型的模糊綜合預(yù)警模型構(gòu)建

3.1云模型的基本原理

1995年，我國(guó)學(xué)者李德毅教授提出云模型解決了傳統(tǒng)方法難以兼顧隨機(jī)性與模糊性的難題，其核心即定性語(yǔ)言值與定量化表示之間的轉(zhuǎn)化。云的基本概念如下：U為確定數(shù)值代表的定量論域，T為U上的定性概念，元素x（x∈U）是定性概念T的一次隨機(jī)實(shí)現(xiàn)，x對(duì)T的隸屬度μ（x）∈[0，1]是一個(gè)有穩(wěn)定傾向的隨機(jī)數(shù)，則T在論域U到區(qū)間[0，1]上的映射在數(shù)域空間上的分布即成為云。若U為一維論域，每一個(gè)x的在論域空間坐標(biāo)及其對(duì)概念的確定度的數(shù)值對(duì)即為一個(gè)云滴。云模型的整體特性可用Ex（期望值）、En（熵）和He（超熵）這3個(gè)數(shù)值來(lái)表征，它們能夠定量化反映定性知識(shí)的特性。Ex（期望值）表示的是定性概念在論域的中心值，En（熵）反應(yīng)論域中可以被定性概念所接受的數(shù)值范圍，熵越大定性概念越模糊。He（超熵）是熵的熵，代表了云滴的離散程度。

3.2基于云模型的模糊綜合預(yù)警模型

云模型通過(guò)云發(fā)生器來(lái)實(shí)現(xiàn)定性概念與定量數(shù)據(jù)的相互轉(zhuǎn)換。用硬件固化或軟件模塊化的云模型的生成算法即云發(fā)生器（Cloud generator，簡(jiǎn)稱CG）。本文主要利用正向云發(fā)生器和X條件云發(fā)生器，對(duì)算法進(jìn)行介紹。

（1）以En為期望，He2為方差隨機(jī)生成一個(gè)正態(tài)分布數(shù)Eni，記為Eni=NORM（Eni，He2）。

（2）以Ex為期望，Eni2為方差隨機(jī)生成一個(gè)正態(tài)分布數(shù)xi，記為xi=NORM（Ex，Eni2）。

（3）計(jì)算μi=e-（xi-Ex）22Eni2。重復(fù)步驟（1）-（3），直到產(chǎn)生滿足要求的N個(gè)云滴。

X條件云發(fā)生器在正向云發(fā)生器的基礎(chǔ)上，固定條件x=x0并生成云滴。即只運(yùn)行正向云發(fā)生器算法的（1）和（3）步，得到的云滴為drop（x0，μi），其中：

μi=e-（x0-Ex）22Eni2

本文使用云模型彌補(bǔ)常規(guī)模糊綜合預(yù)警模型的不足，以云模型代替隸屬函數(shù)，兼顧隨機(jī)性與模糊性，且利用定量數(shù)據(jù)不采用專家評(píng)分的方式得到隸屬度矩陣。

對(duì)步驟（3）進(jìn)行改進(jìn)，采用云模型理論計(jì)算評(píng)價(jià)因素的隸屬度。設(shè)預(yù)警指標(biāo)i（i=l，2，…，n）對(duì)應(yīng)的等級(jí)j（j=l，2，…，m）的上、下邊界值為xij1，則因素i對(duì)應(yīng)的等級(jí)j這一定性概念可以用正態(tài)云模型表示。Heij反應(yīng)的是云滴的凝聚程度，可以通過(guò)經(jīng)驗(yàn)取值。

Exij=x1ij+x2ij/2（1）

Enij=x1ij-x2ij/4（2）

對(duì)于每個(gè)預(yù)警指標(biāo)，以（Exij，Enij，Heij）為參數(shù)，以指標(biāo)監(jiān)測(cè)值為x0運(yùn)行X條件云發(fā)生器N次，計(jì)算此監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)隸屬于每個(gè)等級(jí)的平均隸屬度rij。

rij=∑Nk=1rkij/N（3）

4算例

以某基坑工程流沙事故風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警為例，說(shuō)明基于云模型的模糊綜合預(yù)警方法在基坑工程風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警中的應(yīng)用。根據(jù)相關(guān)地質(zhì)研究與專家經(jīng)驗(yàn)，確定預(yù)警區(qū)間，見(jiàn)表1。根據(jù)式（1）-（2）計(jì)算各預(yù)警區(qū)間的云模型參數(shù)，見(jiàn)表2。

將各指標(biāo)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)作為X條件云發(fā)生器中的確定值x0，針對(duì)每個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的不同預(yù)警等級(jí)，運(yùn)行matlab軟件程序100次，采用公式（3）計(jì)算出不同預(yù)警等級(jí)下的平均隸屬度值，見(jiàn)表3。

表1流沙事故預(yù)警指標(biāo)預(yù)警區(qū)間

預(yù)警指標(biāo)無(wú)警輕警重警

粘粒含量d1d1>30%10%≤d1≤30%d1<10%粉粒含量d2d2<10%10%≤d2≤75%d2>75%土的不均勻系數(shù)CuCu>105≤Cu≤10Cu<5土的天然孔隙比ee<0.750.75≤e≤0.9e>0.9土的天然含水量ww<20%20%≤w≤30%w>30%

基坑挖深超過(guò)水位線的深度（m）hh<0.30.3≤h≤0.5h>0.5

表2流沙事故各預(yù)警指標(biāo)對(duì)應(yīng)預(yù)警區(qū)間的云模型參數(shù)

預(yù)警指標(biāo)無(wú)警輕警重警

粘粒含量d1（0.65，0.175，0.01）（0.2，0.05，0.01）（0.05，0.075，0.01）

粉粒含量d2

（0.05，0.025，5.90.01）

（0.425，0.1625，0.01）

（0.875，0.0625，0.01）土的不均勻系數(shù)Cu

（15，2.5，0.02）

（7.5，1.25，0.02）

（2.5，1.25，0.

02）土的天然孔隙比e

（0.375，0.1875，0.015）

（0.825，0.0375，0.015）

（0.95，0.025，0.015）土的天然含水量w

（0.1，0.05，0.01）

（0.25，0.025，0.01）

（0.65，0.175，0.01）基坑挖深超過(guò)水位線深度（m）h

（0.15，0.075，0.009）

（0.4，0.05， 0.009）

（0.65，0.075，0.009）

表3流沙事故各預(yù)警指標(biāo)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)及對(duì)應(yīng)

預(yù)警區(qū)間的平均隸屬度值

預(yù)警指標(biāo)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)無(wú)警輕警重警

粘粒含量d10.110.0990.21940.7297

粉粒含量d2

0.68

0.0000

0.2938

0.0122

土的不均勻系數(shù)Cu

5.9

0.0013

0.4394

0.0246

土的天然孔隙比e

0.75

0.1374

0.1337

0.0000

土的天然含水量w

27%

0.0076

0.7127

0.0919

基坑挖深超過(guò)水位線的深度（m）h

0.52

0.0000

0.0978

0.2204

由層次分析法計(jì)算得到各指標(biāo)權(quán)重w={0.1277，0.0858，0.1087，0.1868，0.2152，0.2758}。利用各指標(biāo)的權(quán)重以及平均隸屬度矩陣Z可進(jìn)行模糊轉(zhuǎn)換得出流沙事故風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警集V{無(wú)警，輕警，重警}中各預(yù)警等級(jí)的綜合隸屬度分別為0.0401，0.3063，0.1775。根據(jù)最大隸屬度原則可知安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警等級(jí)為輕警。

5結(jié)論

借鑒云模型的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)對(duì)基坑工程風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)警，從而得到預(yù)警等級(jí)。

基于云模型的模糊綜合預(yù)警法可以有效減少人的主觀判斷的隨機(jī)性等因素對(duì)預(yù)警結(jié)果的影響，利用云模型構(gòu)建的隸屬度函數(shù)能夠充分表征風(fēng)險(xiǎn)因素風(fēng)險(xiǎn)度的模糊性和隨機(jī)性，從而使預(yù)警結(jié)果更加客觀準(zhǔn)確。

參考文獻(xiàn)

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