平自要，李玉梅

0 引言

隧道施工是公路工程建設(shè)過程中的高風(fēng)險(xiǎn)環(huán)節(jié)，新奧法作為隧道施工的主要工法，具有技術(shù)復(fù)雜和實(shí)施不確定的特點(diǎn)，使得公路隧道施工成為一項(xiàng)高風(fēng)險(xiǎn)建設(shè)工程。因此，迫切需要科學(xué)有效的施工風(fēng)險(xiǎn)評估方法為新奧法公路隧道施工的風(fēng)險(xiǎn)控制提供支持。

針對隧道及地下工程的風(fēng)險(xiǎn)評估問題，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了一些研究，如美國學(xué)者Einstenin最早提出了隧道風(fēng)險(xiǎn)管控的理念及基本框架［1-2］;Kskesen等人就隧道及地下工程風(fēng)險(xiǎn)控制方法體系進(jìn)行了探討［3］。國內(nèi)的相關(guān)研究最早從借鑒國外風(fēng)險(xiǎn)管理的相關(guān)理論與方法開始，逐步運(yùn)用到公路隧道及地下建設(shè)領(lǐng)域中，通過理論方法與工程實(shí)踐的結(jié)合，探討了一系列風(fēng)險(xiǎn)評估的具體方式［4-6］，如俞素平等分別依托不同的工程從不同角度就公路工程的風(fēng)險(xiǎn)分析進(jìn)行了探討，建立了面向公路工程風(fēng)險(xiǎn)評估的網(wǎng)絡(luò)分析評估法、LEC法、模糊評估法、功能系數(shù)法等［7-9］。

從現(xiàn)有研究來看，公路工程風(fēng)險(xiǎn)分析及相關(guān)評估方法的研究形成了一系列的成果，但可操作性不強(qiáng)且不具有重復(fù)延展性，也沒有依托具體施工工法進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析等。鑒于此，要提高新奧法公路隧道施工風(fēng)險(xiǎn)評估的可靠性與準(zhǔn)確性，需要結(jié)合新奧法公路隧道的施工工序與系統(tǒng)特征提出科學(xué)的風(fēng)險(xiǎn)評估新方法。本文以此為出發(fā)點(diǎn)，構(gòu)建一種模糊評價(jià)與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法，以期提高風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)的可操作性、準(zhǔn)確性與延展性，為新奧法公路隧道施工的風(fēng)險(xiǎn)管理提供支持。

1 新奧法公路隧道施工風(fēng)險(xiǎn)綜合評價(jià)指標(biāo)體系

1.1 評價(jià)指標(biāo)體系的構(gòu)建依據(jù)及原則

針對新奧法公路隧道施工實(shí)施風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)，首先要構(gòu)建科學(xué)合理的評價(jià)指標(biāo)體系。新奧法公路隧道施工風(fēng)險(xiǎn)綜合評價(jià)指標(biāo)體系是風(fēng)險(xiǎn)量化評價(jià)的載體，通過指標(biāo)體系可以界定風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)的具體對象，從而實(shí)現(xiàn)定性指標(biāo)向量化評價(jià)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。對公路隧道施工風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行綜合評估，需要以科學(xué)合理的綜合評估體系作為依托。公路隧道施工風(fēng)險(xiǎn)的影響因素繁雜且呈非線性，不同類型的風(fēng)險(xiǎn)很難納入到相同的層面實(shí)施分類，故本文以“4M1E”原理為理論依據(jù)，將公路隧道施工風(fēng)險(xiǎn)的影響指標(biāo)按人員、設(shè)備、技術(shù)、材料及環(huán)境5個方面進(jìn)行分類，從而涵蓋公路隧道施工現(xiàn)場風(fēng)險(xiǎn)管理的各個方面。

1.2 評價(jià)指標(biāo)體系的構(gòu)建

以新奧法隧道施工的4個基本步驟作為指標(biāo)體系的一級指標(biāo)，即爆破開挖、初期支護(hù)、監(jiān)控測量、二次襯砌;以各步驟包含的各施工工序作為二級指標(biāo)，最終完成包含4個一級指標(biāo)和15個二級指標(biāo)在內(nèi)的綜合評價(jià)指標(biāo)體系，如圖1所示。評價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建完成后需要對各指標(biāo)的權(quán)重進(jìn)行確定，考慮到該體系的層次結(jié)構(gòu)相對簡單，且各指標(biāo)涵蓋的技術(shù)管理要素較多，在權(quán)重確定的過程中通常采用德爾菲法實(shí)施多輪評估，最終完成賦權(quán)。

圖1 新奧法公路隧道工程施工風(fēng)險(xiǎn)綜合評價(jià)指標(biāo)體系

2 模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法的理論分析

2.1 相關(guān)理論基礎(chǔ)

模糊數(shù)學(xué)是L.A.Zadeh教授提出的一種在模糊集合與邏輯基礎(chǔ)上建立的數(shù)學(xué)理論的總稱，它能夠?qū)φJ(rèn)知不確定的模糊對象進(jìn)行描述。運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)理論設(shè)計(jì)的模糊評價(jià)方法，可以通過對應(yīng)的評語集合與隸屬度函數(shù)將不確定的模糊問題轉(zhuǎn)化為相對清晰確定的量化問題，實(shí)現(xiàn)對問題的描述與分析［10］。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)則是通過抽象人腦神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)并按照不同連接方式形成網(wǎng)絡(luò)的一種人工智能運(yùn)算模型，具備較好的自學(xué)習(xí)功能和聯(lián)想記憶功能，借助計(jì)算機(jī)可以實(shí)現(xiàn)快速精準(zhǔn)的計(jì)算，在模擬非線性關(guān)系、處理復(fù)雜系統(tǒng)多指標(biāo)評價(jià)問題時具備較強(qiáng)的優(yōu)勢和延展性［11］。模糊評價(jià)的局限性是，在描述和分析問題的過程中受實(shí)施者主觀因素的影響，且難以實(shí)現(xiàn)精度較高的計(jì)算，而神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)則是在最初研究對象數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化的過程中不具備優(yōu)勢。通過將模糊數(shù)學(xué)與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，可以有效克服兩者的局限性，實(shí)現(xiàn)不確定性問題的有效轉(zhuǎn)化和科學(xué)計(jì)算。

2.2 模型的適用性分析

公路隧道施工風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)是一個涉及多類不確定因素的不確定系統(tǒng)過程，通常對風(fēng)險(xiǎn)屬性的描述很難用量綱統(tǒng)一且數(shù)值精確的客觀數(shù)據(jù)來表示，這就需要借助模糊數(shù)學(xué)實(shí)現(xiàn)定性問題向量化描述的轉(zhuǎn)化。結(jié)合工程實(shí)踐情況，充分利用現(xiàn)場施工管理人員及領(lǐng)域內(nèi)專家學(xué)者的經(jīng)驗(yàn)與知識積累，確定具體施工過程的風(fēng)險(xiǎn)屬性與等級，實(shí)施模糊評價(jià)并將評價(jià)結(jié)果輸入到經(jīng)過訓(xùn)練而達(dá)到運(yùn)算精度的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型中，借助計(jì)算機(jī)平臺進(jìn)行評價(jià)運(yùn)算，有效地完成施工過程風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)工作。在評價(jià)過程中，通常要根據(jù)隧道施工的具體情況劃分施工段，每一個施工段界定為一個評估單元，充分發(fā)揮神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型能夠反復(fù)計(jì)算的延展性優(yōu)勢。

3 模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評估模型的構(gòu)建

3.1 指標(biāo)模糊隸屬度與模糊風(fēng)險(xiǎn)等級的確定

指標(biāo)模糊隸屬度的確定通常要區(qū)分定性指標(biāo)與定量指標(biāo)，定性指標(biāo)隸屬度的計(jì)算過程如下。

首先構(gòu)建隸屬度評語集U。

U= ［很好，好，一般，較差，差］

之后邀請n位專家對指標(biāo)進(jìn)行打分，計(jì)算各指標(biāo)評分的平均值R［KG*3］原i，以此作為各指標(biāo)因素的評價(jià)值。

為保證數(shù)據(jù)處理的便捷有效，打分采用百分制。據(jù)此可計(jì)算得到單個定性指標(biāo)對各評語的隸屬度μi。

定量指標(biāo)隸屬度的計(jì)算可采用模糊主觀理想點(diǎn)法。該方法實(shí)施的基礎(chǔ)是先確定各定量指標(biāo)的最優(yōu)值Xmax以及最差值Xmin。數(shù)值的確定應(yīng)立足于新奧法施工的實(shí)踐情況，由公路工程施工從業(yè)工程師及高級管理人員通過經(jīng)驗(yàn)集合給定。

極值確定的情況下，在數(shù)據(jù)采集過程中確定良好值Xmid1、一般值 Xmid2、比較差值Xmid3。數(shù)據(jù)采集應(yīng)全部落在(Xmin，Xmax)區(qū)間內(nèi)。

就正向型指標(biāo)和負(fù)向型指標(biāo)分別計(jì)算隸屬度。

正向型指標(biāo)的隸屬度

負(fù)向型指標(biāo)的隸屬度

最終指標(biāo)的權(quán)向量與隸屬度矩陣逐級相乘，即可計(jì)算各二級指標(biāo)和施工風(fēng)險(xiǎn)的綜合評價(jià)值。

本研究結(jié)合調(diào)查數(shù)據(jù)及隧道施工規(guī)范，以指標(biāo)體系4個一級指標(biāo)下的1個二級指標(biāo)為例，建立評分標(biāo)準(zhǔn)的參考值，如表1所示，全部指標(biāo)的參考值不再贅述。

結(jié)合參考值與上述計(jì)算公式，計(jì)算得到指標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)等級，如表2所示。

風(fēng)險(xiǎn)測度表是新奧法公路隧道施工風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)的依據(jù)，也是風(fēng)險(xiǎn)管理工作的基本參照，根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)等級對照可以確定下一步的風(fēng)險(xiǎn)管理決策行為。五級風(fēng)險(xiǎn)認(rèn)為是不可接受的，評價(jià)為五級風(fēng)險(xiǎn)時應(yīng)立刻停止作業(yè)并進(jìn)行全面評估;四級風(fēng)險(xiǎn)界為重大風(fēng)險(xiǎn)，出現(xiàn)該情況時應(yīng)綜合考慮承擔(dān)主體的實(shí)際情況，采取應(yīng)對措施;三級風(fēng)險(xiǎn)為較大風(fēng)險(xiǎn)，需引起重視并實(shí)施專項(xiàng)應(yīng)急措施;二級風(fēng)險(xiǎn)表示風(fēng)險(xiǎn)相對可以接受，實(shí)施動態(tài)跟蹤控制即可;一級風(fēng)險(xiǎn)通?？梢院雎远蛔魈幚怼?/p>

表1 指標(biāo)體系分類標(biāo)準(zhǔn)參考值

表2 風(fēng)險(xiǎn)等級

3.2 選擇訓(xùn)練樣本

在確定模糊風(fēng)險(xiǎn)等級及模糊綜合評價(jià)風(fēng)險(xiǎn)值的基礎(chǔ)上，構(gòu)建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評估模式進(jìn)行科學(xué)評估。結(jié)合表1指標(biāo)體系標(biāo)準(zhǔn)參考值，運(yùn)用線性內(nèi)插法將模糊評價(jià)向量O=(o1，o2，…，om)作為訓(xùn)練輸出數(shù)據(jù)。由于本文的訓(xùn)練數(shù)據(jù)滿足隸屬度的相關(guān)屬性，因此符合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用條件。

3.3 訓(xùn)練參數(shù)的選擇

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評估模型通常可以由Matlab神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱實(shí)施運(yùn)算，在工具箱運(yùn)行之前應(yīng)首先對模型所需的主要參數(shù)(節(jié)點(diǎn)傳遞函數(shù)TF、隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)S、訓(xùn)練函數(shù)BTF和網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)函數(shù)BLF)進(jìn)行設(shè)定。

一般情況下，隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)S由經(jīng)驗(yàn)公式來確定，即:l躍log2m;l= 槡m +n+a;l=(m+n)/2+a。其中l(wèi)、m、n分別表示隱含層、輸入層、輸出層的節(jié)點(diǎn)數(shù)。

Matlab神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱有多種節(jié)點(diǎn)傳遞函數(shù)，經(jīng)調(diào)試發(fā)現(xiàn)purelin函數(shù)經(jīng)訓(xùn)練后精度更高，可以更好地反映節(jié)點(diǎn)之間的傳遞映射關(guān)系，故確定TF為purelin函數(shù)。同時采用梯度下降算法訓(xùn)練BTF，選擇一般學(xué)習(xí)規(guī)則learngd作為網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)函數(shù)BLF。

3.4 訓(xùn)練成果分析

運(yùn)用Matlab神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱采用梯度下降BP算法(traingd)訓(xùn)練函數(shù)，經(jīng)10 034次迭代達(dá)到預(yù)設(shè)精度水平，并滿足泛化檢驗(yàn)的要求，具體如圖2所示。

由模型構(gòu)建與分析可知，該模型滿足新奧法公路隧道施工風(fēng)險(xiǎn)評估的要求，可以據(jù)此實(shí)施評估。

4 案例分析

本研究以三淅高速公路工程盧氏至西坪段4個連續(xù)隧道區(qū)段為研究對象，借助模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評價(jià)模型進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評估。各個指標(biāo)對應(yīng)的權(quán)重通?？梢愿鶕?jù)實(shí)際情況由德爾菲法確定。

圖2 網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練均方根誤差變化

4.1 各區(qū)段施工風(fēng)險(xiǎn)的模糊評價(jià)

結(jié)合工程實(shí)踐，根據(jù)洞口段、洞內(nèi)段及水文地質(zhì)等變化情況進(jìn)行區(qū)段劃分，共劃分為4個區(qū)段作為獨(dú)立評估單元。組織專家團(tuán)隊(duì)按照設(shè)定的模糊評語集及標(biāo)準(zhǔn)參考值對各單元實(shí)施評估，匯總的評估數(shù)據(jù)見表3。

表3 各區(qū)段評估數(shù)據(jù)匯總

將各評估單元的評估數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為模糊風(fēng)險(xiǎn)等級數(shù)值，具體如表4所示。

運(yùn)用Matlab人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱，將風(fēng)險(xiǎn)等級數(shù)值作為測試數(shù)據(jù)導(dǎo)入經(jīng)過訓(xùn)練的評估模型中，求得風(fēng)險(xiǎn)評估輸出值，并與模糊評估真實(shí)值進(jìn)行對比。數(shù)值對比分析結(jié)果如表5所示，評估結(jié)果如圖3所示。

表4 各區(qū)段風(fēng)險(xiǎn)等級數(shù)值

表5 評價(jià)結(jié)果分析

圖3 評價(jià)結(jié)果

4.2 評估結(jié)果分析

通過上述分析可知，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型評估結(jié)果與模糊評價(jià)結(jié)果擬合度較高，各區(qū)段精度在區(qū)間(0.006，0.016)，滿足評估精度要求。

根據(jù)評估結(jié)果可知，4個區(qū)段的風(fēng)險(xiǎn)等級均處于二級，現(xiàn)階段可保持動態(tài)跟蹤，無需進(jìn)行具體的風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對。

5 結(jié)語

針對新奧法公路隧道施工風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)問題所構(gòu)建的模糊評價(jià)與人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的綜合評價(jià)方法，可以整合2種理論方法的優(yōu)點(diǎn)，提高評價(jià)模型的可操作性、準(zhǔn)確性、延展性，科學(xué)地確定施工風(fēng)險(xiǎn)等級，為新奧法公路隧道施工風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)提供模型支持。本研究評價(jià)結(jié)果顯示，多個區(qū)段的風(fēng)險(xiǎn)等級都處于相對可控的范圍，可以根據(jù)本研究所設(shè)計(jì)的模型實(shí)施動態(tài)跟蹤評價(jià)。

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