基于改進(jìn)屬性區(qū)間識(shí)別模型的跨線公路橋施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

王景春，吳雨航，王利軍，劉 偉

(1.石家莊鐵道大學(xué) 土木工程學(xué)院，河北 石家莊 050043;2.中建鐵投路橋有限公司，湖北 武漢 460014)

我國(guó)公路建設(shè)規(guī)模不斷擴(kuò)大，公路路網(wǎng)不斷加密，公路橋施工跨已有線路的情況越來(lái)越多。受橋梁自身?xiàng)l件、橋梁下方線路情況等固有條件的制約，跨線公路橋施工過(guò)程的風(fēng)險(xiǎn)因素更加復(fù)雜多樣，施工風(fēng)險(xiǎn)較高[1]。目前，《公路橋梁和隧道工程施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指南》(以下簡(jiǎn)稱(chēng)《指南》)對(duì)跨線公路橋施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)通常是依靠經(jīng)驗(yàn)和工程實(shí)際狀況選取，尚未形成一套完備的跨線公路橋施工風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)體系。此外，跨線公路橋施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)的不確定性使得大部分評(píng)價(jià)方法較難反映其真實(shí)性[2]。因此，科學(xué)合理地選取風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)和評(píng)估方法成為跨線公路橋施工安全風(fēng)險(xiǎn)管控的核心和關(guān)鍵。

近年來(lái)，許多學(xué)者從不同角度對(duì)跨線橋梁施工風(fēng)險(xiǎn)展開(kāi)了研究。王春生等[3]根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工情況，采用專(zhuān)家打分法確定了跨既有線橋梁施工風(fēng)險(xiǎn)；徐亞光等[4]通過(guò)數(shù)值模擬，對(duì)新建橋梁上部結(jié)構(gòu)施工與既有線運(yùn)營(yíng)存在的相互影響進(jìn)行了安全風(fēng)險(xiǎn)分析；陳海南等[5]針對(duì)跨既有線橋梁施工風(fēng)險(xiǎn)因素復(fù)雜的特點(diǎn)，將BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)引入跨既有線橋梁施工，通過(guò)訓(xùn)練學(xué)習(xí)樣本得到施工風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)；田苾等[6]結(jié)合實(shí)踐，建立了基于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的跨既有線施工管理決策模型。以上研究在一定程度上促進(jìn)了工程實(shí)踐，但很少能同時(shí)兼顧評(píng)價(jià)指標(biāo)的不確定性，在應(yīng)用推廣上存在一定的局限性。

屬性區(qū)間識(shí)別理論能夠用區(qū)間來(lái)表示所選因素具有某種屬性的度量程度，能夠?qū)χ笜?biāo)的不確定性進(jìn)行評(píng)定，有效解決了定性描述的度量問(wèn)題[7]。而跨線橋公路橋風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估問(wèn)題可歸納為定性問(wèn)題的度量，因此，屬性識(shí)別理論為解決這一問(wèn)題提供了理論基礎(chǔ)。該理論已經(jīng)成功應(yīng)用于隧道突涌水[8]、邊坡穩(wěn)定分析[9]、隧道塌方[10]、礦井通風(fēng)[11]等領(lǐng)域，并取得良好的效果?；诖耍瑢傩宰R(shí)別理論引入跨線公路橋施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，并運(yùn)用距離判別思想，引入歐式距離對(duì)屬性識(shí)別模型中置信度取值主觀性較強(qiáng)的問(wèn)題進(jìn)行改進(jìn)，提出改進(jìn)的屬性區(qū)間識(shí)別模型。

1 改進(jìn)的屬性綜合評(píng)估模型

1.1 單指標(biāo)屬性測(cè)度分析

當(dāng)tij≤aj1(tij≥aj1),取μij1=1,μij2=…=μijk=0；

當(dāng)tij≥ajk(tij≤ajk),取μijk=1,μij1=…=μij(k-1)=0；

1.2 C-OWA算子賦權(quán)

Yager[12]提出的有序加權(quán)平均(OWA)算子理論是處理多屬性決策問(wèn)題的有效方法，其核心思想是對(duì)數(shù)據(jù)二次排序，將極大值與極小值分配在影響較小的位置，在一定程度上減輕專(zhuān)家認(rèn)知差異的影響。使用C-OWA算子對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)賦權(quán)，將評(píng)分得到的權(quán)重與組合數(shù)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)指標(biāo)的科學(xué)賦權(quán)。

使用C-OWA方法計(jì)算指標(biāo)權(quán)重，計(jì)算原理如下：

(1)邀請(qǐng)x位專(zhuān)家對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行打分，分值區(qū)間為[0～10]，分值越高表明指標(biāo)越重要。設(shè)x位專(zhuān)家的打分值為u={u1,u2,…,ux}，對(duì)其進(jìn)行降序處理并從0開(kāi)始編號(hào),得v={v0,v1,…,vh,…,vx-1}。

(2)計(jì)算vh的權(quán)重

(1)

(3)利用σh+1對(duì)專(zhuān)家打分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)處理，得綜合分值

(2)

(4)計(jì)算評(píng)價(jià)指標(biāo)的相對(duì)權(quán)重

(3)

1.3 多指標(biāo)綜合屬性測(cè)度計(jì)算

結(jié)合指標(biāo)權(quán)重，計(jì)算綜合屬性測(cè)度區(qū)間

(4)

(5)

引入均化系數(shù)α，計(jì)算綜合屬性測(cè)度

(6)

式中，α∈(0,1)。

1.4 改進(jìn)屬性識(shí)別分析

根據(jù)置信度準(zhǔn)則[13]，對(duì)置信度λ(0.5≤λ≤1)計(jì)算。

當(dāng)C1>C2>…Ck，若滿(mǎn)足

(7)

則，評(píng)估對(duì)象風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為Ck0。

當(dāng)C1

(8)

則評(píng)估對(duì)象風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為Ck0。

模型中置信度λ的取值為一個(gè)區(qū)間，不同的置信度取值可能導(dǎo)致評(píng)估結(jié)果不同。為降低置信度人為取值具有較強(qiáng)的主觀性的問(wèn)題，運(yùn)用距離判別思想，引入歐式距離對(duì)置信度準(zhǔn)則進(jìn)行改進(jìn)。設(shè)分級(jí)空間每個(gè)等級(jí)Cp的屬性測(cè)度C1=(1,0,…,0),C2=(0,1,…,0),…,Ck=(0,0,…,1)，定義dp為綜合屬性測(cè)度與分類(lèi)等級(jí)Ck之間的歐式距離，則

(9)

評(píng)價(jià)對(duì)象的分類(lèi)等級(jí)

Cp=mindp(1≤p≤k)

(10)

2 指標(biāo)體系及等級(jí)劃分

2.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

由于跨線公路橋施工時(shí)要同時(shí)兼顧施工與橋下方線路兩方面的安全，現(xiàn)場(chǎng)存在諸多不確定因素。目前，針對(duì)跨線公路橋施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)尚未有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。依據(jù)系統(tǒng)性和可操作性原則，參考《指南》、《公路鐵路交叉路段技術(shù)要求》和相關(guān)研究成果[14-15]，最終從橋梁自身?xiàng)l件、橋梁下方線路情況、施工因素、環(huán)境因素4個(gè)方面建立跨線公路橋施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系。如圖1所示。

圖1 跨線公路橋施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

2.2 風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分

根據(jù)《指南》，將跨線公路橋施工風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分為低度風(fēng)險(xiǎn)、中度風(fēng)險(xiǎn)、高度風(fēng)險(xiǎn)、極高風(fēng)險(xiǎn)4個(gè)等級(jí)。針對(duì)《指南》中評(píng)價(jià)指標(biāo)分級(jí)粗略、難以精確表達(dá)評(píng)價(jià)指標(biāo)屬性的問(wèn)題，以屬性區(qū)間識(shí)別模型的需求為目標(biāo)，在《指南》的基礎(chǔ)上，對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)的分級(jí)進(jìn)行細(xì)化。將評(píng)價(jià)指標(biāo)以[0,10]進(jìn)行量化。分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)及接受準(zhǔn)則如表1所示。量化標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表2。

表1 風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分

表2 評(píng)價(jià)指標(biāo)量化標(biāo)準(zhǔn)

3 實(shí)例分析

3.1 工程概況

陽(yáng)左高速立交橋位于國(guó)道307、207線陽(yáng)泉繞城改線工程平定縣石門(mén)口鄉(xiāng)南西約1.5 km處，橋第2聯(lián)為預(yù)應(yīng)力混凝土T構(gòu)，跨越既有陽(yáng)左高速匝道和既有陽(yáng)左高速，孔跨布置為2～60 m，橋梁線形為直線橋，坡度較小，墩高14.769 m，橋下凈空大于5 m。該橋與陽(yáng)左高速匝道斜交角為74°，與陽(yáng)左高速斜交角為88°。施工方法為掛籃懸臂澆筑，在下方高速公路未封閉的條件下施工，對(duì)施工要求較高。橋址區(qū)屬于內(nèi)陸高原、暖溫帶季風(fēng)氣候帶的大陸性氣候，夏季盛行東南風(fēng)，髙溫多雨的大陸性季風(fēng)氣候是本區(qū)氣候的主要特征。橋址區(qū)地貌單元屬喀斯特侵蝕、剝蝕低山區(qū)，地形起伏變化較大，橋址區(qū)內(nèi)巖芯較破碎，表面可見(jiàn)少量小型溶孔，但未見(jiàn)溶洞發(fā)育，無(wú)滑坡、崩塌、泥石流發(fā)育，場(chǎng)地穩(wěn)定性較好。

3.2 工程概況分析過(guò)程

邀請(qǐng)10位專(zhuān)家(5位來(lái)自施工單位，2位來(lái)自設(shè)計(jì)單位，3位來(lái)自監(jiān)理單位)，根據(jù)表1中分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)和表2中指標(biāo)量化標(biāo)準(zhǔn)對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行量化，量化分值見(jiàn)表3X列。使用C-OWA算子對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行賦權(quán)，對(duì)各指標(biāo)重要程度進(jìn)行打分，分值區(qū)間為[0,10]，分值越高，表示該指標(biāo)越重要，專(zhuān)家打分值見(jiàn)表3X′列。根據(jù)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建二級(jí)指標(biāo)的屬性測(cè)度函數(shù)，通過(guò)專(zhuān)家評(píng)分的算術(shù)平均值和單指標(biāo)屬性測(cè)度區(qū)間計(jì)算公式，計(jì)算得到二級(jí)指標(biāo)的屬性測(cè)度區(qū)間。通過(guò)式(1)～式(3)計(jì)算各指標(biāo)權(quán)重，從而得到各指標(biāo)綜合權(quán)重如表4所示。結(jié)合權(quán)重，取均化系數(shù)α=0.5，應(yīng)用式(4)～式(6)和式(9)分別計(jì)算橋梁自身?xiàng)l件、橋梁下方線路情況、施工因素及環(huán)境因素4個(gè)子系統(tǒng)的綜合屬性測(cè)度和歐式距離，進(jìn)而求得整個(gè)施工系統(tǒng)的綜合屬性測(cè)度和歐式距離。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)式(10)判別各子系統(tǒng)和施工系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。計(jì)算結(jié)果如表5所示。

表3 評(píng)價(jià)指標(biāo)安全性與重要度分值

表4 評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重

表5 綜合屬性測(cè)度與歐式距離

3.3 工程概況結(jié)果分析

根據(jù)式(10)，風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為歐式距離d1、d2、d3、d4中的最小值，由表5中歐式距離計(jì)算結(jié)果可知，橋梁自身?xiàng)l件風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)中d1值最小，因此風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為 Ⅰ 級(jí)，即低度風(fēng)險(xiǎn)。同理可得橋梁下方線路情況、施工因素、環(huán)境因素風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)處于Ⅱ級(jí)，為中度風(fēng)險(xiǎn)。最終計(jì)算得陽(yáng)左大橋施工風(fēng)險(xiǎn)綜合評(píng)判結(jié)果為Ⅱ級(jí)，風(fēng)險(xiǎn)可接受。該橋跨度小、線形簡(jiǎn)單，自身?xiàng)l件較好，再加上橋下凈空較大，線路不易侵限，對(duì)施工干擾小，外部環(huán)境因素也基本上不影響施工，總體施工難度低，風(fēng)險(xiǎn)較低。該橋主體結(jié)構(gòu)基本完工，施工過(guò)程未發(fā)生Ⅱ級(jí)以上風(fēng)險(xiǎn)事故，實(shí)際風(fēng)險(xiǎn)與本評(píng)估結(jié)果基本吻合。

4 結(jié)論

(1)針對(duì)跨線公路橋梁施工風(fēng)險(xiǎn)特點(diǎn)，構(gòu)建了橋梁自身?xiàng)l件、橋梁下方線路情況、施工因素、環(huán)境因素4個(gè)一級(jí)指標(biāo)和11個(gè)二級(jí)指標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系，全面反映跨線公路橋施工風(fēng)險(xiǎn)影響因素，并使用C-OWA算子對(duì)指標(biāo)進(jìn)行賦權(quán)，弱化專(zhuān)家認(rèn)知差異，使指標(biāo)權(quán)重更加科學(xué)客觀。

(2)建立了跨線公路橋梁施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的屬性區(qū)間識(shí)別模型。利用區(qū)間來(lái)表示所選因素具有某種屬性的度量程度，實(shí)現(xiàn)了對(duì)指標(biāo)的不確定性進(jìn)行評(píng)定，并結(jié)合歐式距離對(duì)原屬性識(shí)別準(zhǔn)則進(jìn)行優(yōu)化，使判別結(jié)果更加直觀、客觀。

(3)通過(guò)對(duì)陽(yáng)左大橋施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估,可以看出該橋施工風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為Ⅱ級(jí)，即中度風(fēng)險(xiǎn)，風(fēng)險(xiǎn)可接受。評(píng)估結(jié)果與工程實(shí)際基本吻合，驗(yàn)證了模型的正確性。