一種隧道工程風險態(tài)勢模糊評估方法及評估系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種隧道工程風險態(tài)勢模糊評估方法及系統(tǒng)，方法包括以下步驟：根據隧道工程實際建設環(huán)境，按照建設條件、勘察設計、施工技術和運營管理因素，確定隧道工程風險評價指標；并構建隧道工程風險評價指標層；結合隧道工程風險評價指標層，構建隧道工程風險態(tài)勢模糊評估層次模型；根據專家評價意見，確定隧道工程風險評價指標在指標層中經效度修正處理后的權重；根據專家評價意見，構建底層指標層節(jié)點屬于準則層各風險狀態(tài)評價指標評價集的經效度修正后的模糊評判矩陣；計算隧道工程風險態(tài)勢指數。本發(fā)明通過引入模糊數學和模糊層次法評估隧道工程的風險態(tài)勢，從而解決了隧道工程風險態(tài)勢評估中數據不確定性及其對評估結果影響的問題。
【專利說明】一種隧道工程風險態(tài)勢模糊評估方法及評估系統(tǒng)

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及建筑工程【技術領域】，尤其涉及一種隧道工程風險態(tài)勢模糊評估方法。

【背景技術】
[0002] 隨著隧道工程建設環(huán)境的復雜性日漸增多，各類風險事件時有發(fā)生，對隧道工程 建設和使用造成巨大危害。常見的隧道工程安風險控制措施如突水涌泥風險控制、爆炸風 險控制、巖爆風險控制、垮塌風險控制等，得到的隧道風險信息僅能對單個隧道風險事件預 警和防范，其難以描述從勘察設計到施工運營隧道工程整個建設期的風險程度。隧道工程 風險程度是指由建設條件、勘察設計、施工技術、運營管理等因素所構成的隧道工程總體風 險在不同隧道工程建設時期的狀態(tài)和變化過程。值得注意的是，態(tài)勢強調動態(tài)性以及多風 險因素間的關系，是一種狀態(tài)、過程、總體的概念，任何單一的風險事件不是態(tài)勢。為了幫助 隧道工程建設人員對所承建的隧道工程風險情況有一個清楚、全面的認識，需要對隧道工 程的風險態(tài)勢進行評估。這樣做，一方面便于建設者從大量的勘察、設計、專項資料中能夠 直觀的了解隧道工程的風險狀態(tài)；另一方面，便于建設者及時發(fā)現影響隧道安全的主要要 素，做到有的放矢，做好風險控制措施。
[0003] 現有的隧道風險態(tài)勢評估方法中，定量評估能夠提高隧道工程風險評估的準確 性，并對基于主動防范的隧道工程安全技術具有重大意義。傳統(tǒng)的隧道工程風險態(tài)勢評估 主要采用定性或半定量半定性評估的方法，許多文獻的隧道工程風險態(tài)勢評價以某一風險 等級來表述，這種確定某一等級的方式過于簡單，帶有很強的主觀性。
[0004] 對隧道工程風險態(tài)勢的評估類似于復雜系統(tǒng)的多屬性決策問題，涉及到大量的不 確定因素。引起不確定性的因素主要來自以下幾個方面：（1)屬性數據的不確定性：比如同 一風險因素對不同隧道，或同一風險因素在隧道工程建設的不同時期，再或者同一風險因 素對采用了不同設計方案和施工方法的隧道，其對隧道工程安全的危害程度和風險發(fā)生概 率之間沒有明確的對應關系，只能是一種模糊性的判斷。實際上，安全與危險之間并沒有絕 對的界限，安全和危險之間存在一個過渡區(qū)，這個過渡區(qū)即體現了安全與危險評判的模糊 性。（2)屬性之間重要性的不確定性：針對評價指標體系中各種風險因素之間的重要性也 存在不確定性。很難對所有屬性的權重直接給出一個確定的值。（3)某些影響隧道工程安 全的因素具有偶然性，如施工不當導致的爆炸等，往往很難預測。由此，隧道建設者很難掌 握進行風險評估所需要的準確信息。
[0005] 專家調查法是一種被廣泛應用于隧道工程設計安全風險評價的方法。在采用專家 調查法進行工程風險評價時，由于專家個體經驗的局限性和差異，會導致評判結果的不確 定性，極有可能使得高風險項目被評定成低風險，從而不能引起足夠重視，導致嚴重后果。 因此，在基于專家調查法的工程風險評價中，如何更真實地體現專家判斷的模糊性以及專 家個體經驗差異對隧道工程設計安全風險評價結果的影響是十分重要的。由于隧道工程風 險評價指標繁多，并且評價指標間關聯(lián)性復雜，因此在采用專家調查法進行隧道工程風險 評價時，多采取簡單直接的專家評判方式，國內外還沒有在隧道工程設計安全風險評價時 同時考慮專家判斷的模糊性、以及專家個體經驗差異導致的評判效度差異的方法。
[0006] 鑒于現有隧道風險態(tài)勢評價方法的缺陷，以及評價體系設計大量不確定性的事 實，因此僅由專家根據勘察設計資料以及檢測到的屬性直接對屬性進行確定性賦值并給出 相應的風險等級使得主觀因素對計算結果影響較大，從而導致有時得到的評估結果與實際 情況并不十分吻合。也即，在多層次隧道風險態(tài)勢評估方法中，各風險因素與隧道風險態(tài)勢 之間的關聯(lián)以及各風險因素之間重要性的確定是一種動態(tài)、多變量、人為因素起主要作用 的評估。并且，現有方法雖然結合客觀統(tǒng)計數據和主觀經驗知識給出了一個風險評價集中 某一具體等級，但是其忽略了屬性數據與隧道風險狀態(tài)之間的模糊性。


【發(fā)明內容】

[0007] 本發(fā)明要解決的技術問題在于針對現有技術中的缺陷，提供一種基于不確定數據 的隧道工程風險態(tài)勢模糊評估方法，通過引入模糊數學和模糊層次法來評估隧道工程的風 險態(tài)勢，從而很好的解決了隧道工程風險態(tài)勢評估中數據不確定性及其對評估結果影響的 問題。。
[0008] 本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案是：一種隧道工程風險態(tài)勢模糊評估方 法，包括以下步驟：
[0009] 1)根據隧道工程實際建設環(huán)境，按照建設條件、勘察設計、施工技術和運營管理因 素，確定隧道工程風險評價指標；并構建隧道工程風險評價指標層；其中指標層的底層節(jié) 點為能夠直接獲得到屬性數據的節(jié)點；
[0010] 2)結合隧道工程風險評價指標層，構建隧道工程風險態(tài)勢模糊評估層次模型；所 述層次模型由目標層、準則層、指標層組成，其中，目標層節(jié)點為隧道工程建設的工程風險 狀態(tài)；準則層為隧道風險狀態(tài)評價的指標，包括風險發(fā)生概率指數、風險損失程度指數；
[0011] 3)根據專家評價意見，確定隧道工程風險評價指標在指標層中的權重；
[0012] 4)根據專家評價意見，構建底層指標層節(jié)點屬于準則層各風險狀態(tài)評價指標評 價集的模糊評判矩陣；
[0013] 5)在上述構建底層指標層節(jié)點屬于風險發(fā)生概率評價集的模糊評判矩陣、屬于風 險損失程度評價集的模糊評判矩陣和已經確定的底層指標層各節(jié)點對目標層節(jié)點權重，計 算出最終的以向量形式表現的隧道工程風險態(tài)勢指數。
[0014] 按上述方案，步驟3)中定隧道工程風險評價指標在指標層中的權重的具體步驟 如下：
[0015] 3. 1)根據步驟1)中確定的隧道工程風險評價指標，設計專家調查問卷，所述專家 調查問卷包括"隧道工程風險具體評價指標之間的相對重要性專家打分表"、"相對重要性 度量標準"以及"相對重要性專家打分的模糊評判規(guī)則"；
[0016] 3. 2)將專家打分結果轉換成具有三個元素的數組形式（au，anUj，aUiij)的模糊評 判值，數組（a^， anUj，aiUj)中三個元素分別表示子節(jié)點i與子節(jié)點j對其上層節(jié)點的相對 重要性值的下限、相對重要性值的最可能值、相對重要性值的上限。
[0017] 3. 3)構建由數組中第二個元素 amu組成的模糊判斷矩陣，引入模糊層次法對其一 致性進行檢驗，通過一致性檢驗的為有效的重要性模糊評判值，對沒有通過一致性檢驗的 模糊評判值需要由專家重新進行評判，直到通過一致性檢驗。
[0018] 3. 4)對一致性檢驗后的模糊評判值，計算每個模糊評判值的效度，使用以下公式：

【權利要求】
1. 一種隧道工程風險態(tài)勢模糊評估方法，其特征在于，包括以下步驟： 1) 檢測隧道工程實際建設環(huán)境，根據隧道工程實際建設環(huán)境，按照建設條件、勘察設 計、施工技術和運營管理因素，確定隧道工程風險評價指標；并構建隧道工程風險評價指標 層；其中指標層的底層節(jié)點為能夠直接獲得到屬性數據的節(jié)點； 2) 結合隧道工程風險評價指標層，構建隧道工程風險態(tài)勢模糊評估層次模型；所述層 次模型由目標層、準則層、指標層組成，其中，目標層節(jié)點為隧道工程建設的工程風險狀態(tài)； 準則層為隧道風險狀態(tài)評價的指標，包括風險發(fā)生概率指數、風險損失程度指數； 3) 根據專家評價意見，確定隧道工程風險評價指標在指標層中的經效度修正處理后的 權重； 4) 根據專家評價意見，確定底層指標層節(jié)點屬于準則層各風險狀態(tài)評價指標評價集的 經效度修正處理后模糊評判矩陣； 5) 在上述構建底層指標層節(jié)點屬于風險發(fā)生概率評價集的模糊評判矩陣、屬于風險損 失程度評價集的模糊評判矩陣和已經確定的底層指標層各節(jié)點對目標層節(jié)點權重，計算出 最終的以向量形式表現的隧道工程風險態(tài)勢指數。
2. 根據權利要求1所述的評估方法，其特征在于，步驟3)中確定隧道工程風險評價指 標在指標層中的權重，包括根據專家評價意見確定模糊評判矩陣，并計算模糊評判矩陣的 效度，根據效度修正后的模糊評判矩陣確定隧道工程風險評價指標在指標層中的權重； 所述步驟4)中評價集的模糊評判矩陣為計算評價集的模糊評判矩陣的有效評判效 度，并根據效度修正后的模糊評判矩陣。
3. 根據權利要求1所述的評估方法，其特征在于，步驟3)中定隧道工程風險評價指標 在指標層中的權重的具體步驟如下： 3. 1)根據步驟1)中確定的隧道工程風險評價指標，設計專家調查問卷，所述專家調查 問卷包括"隧道工程風險具體評價指標之間的相對重要性專家打分表"、"相對重要性度量 標準"以及"相對重要性專家打分的模糊評判規(guī)則"； 3.2)將專家打分結果轉換成具有三個元素的數組形式的模糊評判 值，數組（a^，a^j，aiUj)中三個元素分別表示子節(jié)點i與子節(jié)點j對其上層節(jié)點的相對重 要性值的下限、相對重要性值的最可能值、相對重要性值的上限； 3. 3)構建由數組中第二個元素 amu組成的模糊判斷矩陣，引入模糊層次法對其一致性 進行檢驗，通過一致性檢驗的為有效的重要性模糊評判值，對沒有通過一致性檢驗的模糊 評判值需要由專家重新進行評判，直到通過一致性檢驗； 3. 4)對一致性檢驗后的模糊評判值，計算每個模糊評判值的效度，使用以下公式：
其中，k為相對重要度專家調查的模糊值總個數，sa為所有模糊值數組中的模糊值中最 可能值與相同的個數，<+為最可能值為anUj的模糊值的效度。 3. 5)在計算出相對重要度專家調查的模糊評判值的效度基礎上，采用
進行模糊評判值修正，得到修正后的專家 調查模糊評判值（bupb^pbu); 3. 6)根據修正后的專家調查模糊評判值，構建各子節(jié)點對其上層節(jié)點相對重要度的模 糊評判矩陣，采用公式
算各子節(jié)點對其上層節(jié)點重要性權重，其中η為屬于評估因素集的子節(jié)點的個數； 3. 7)在確定隧道工程評價指標體系中各子節(jié)點對其上層節(jié)點重要性權重后，計算底層 指標層子節(jié)點對目標層節(jié)點重要性權重。
4. 根據權利要求1所述的評估方法，其特征在于，步驟4)中根據專家評價意見，構建底 層指標層節(jié)點屬于風險發(fā)生概率評價集的模糊評判矩陣的具體步驟如下： 4. 1)設計專家調查問卷，包括"隧道工程風險具體指標風險發(fā)生概率專家打分表"、"隧 道工程風險具體指標風險損失程度專家打分表"；由他們對該評價指標體系中底層指標層 各節(jié)點對目標層節(jié)點的屬于隧道風險發(fā)生概率進行判斷， 4.2)將專家打分結果轉換成具有三個元素的數組形式（Vu，VnU，VlU)的模糊評判值； 數組Vnu，vu;i)中元素表示風險發(fā)生概率評價集的五個等級，映射風險指標i所屬風險 評價集中等級j的發(fā)生概率ru ;三個元素 Vu、VnU、VlU分別表示屬于評價集風險等級的下 限、風險等級的最可能值、風險等級的上限，數組（ Vu，VnU，VlU)中三個元素取值為{1，2,3， 4,5}，大小關系滿足0彡' 1彡\1彡'1彡5，且為整數； 4. 3)使用梯形隸屬度函數，將專家經驗的不確性模糊化，通過隸屬度函數計算出底層 指標層i節(jié)點屬于不同評價等級j (其中，j = 1，2, 3, 4, 5)的概率，具體如下：

4. 4)在通過隸屬度函數計算出底層指標層i節(jié)點屬于不同評價等級的概率后，構建隧 道工程風險評價指標底層指標層i節(jié)點屬于評價集評價等級專家模糊評判矩陣； 4.5) 在收集該評價指標體系中底層指標層各節(jié)點對目標層節(jié)點的屬于隧道風險 發(fā)生概率和風險損失程度評價集中評價等級的專家調查的模糊評判數值后，采用公式
計算專家的屬于評價集中評價等級模糊評判值的效度，體現專家 個體經驗知識的不確定性，其中k為屬于評價集中評價等級專家調查的模糊值總個數，sv為 數組形式的模糊值中最可能值為VnU的模糊值的個數，< 為最可能值為VnU的模糊值的效 度； 4.6) 在確定專家的屬于評價集中評價等級模糊評判值的效度后，采用公式
進行底層指標層各節(jié) 點屬于風險評價集的模糊值修正，構建得到修正后的底層指標層i節(jié)點屬于風險評價集的 專家調查模糊評價矩陣A = (ru，r2，i, r3，i, r4i，Γ5，）ηΧ1，其中η為底層指標層節(jié)點個數。
5. -種隧道工程風險態(tài)勢模糊評估系統(tǒng)，其特征在于，包括， 指標層模塊，用于根據用戶輸入的隧道工程風險評價指標建立隧道工程風險評價指標 層； 評估層次模型模塊，用于結合隧道工程風險評價指標層，構建隧道工程風險態(tài)勢模糊 評估層次模型；所述層次模型由目標層、準則層、指標層組成，其中，目標層節(jié)點為隧道工程 建設的工程風險狀態(tài)；準則層為隧道風險狀態(tài)評價的指標，包括風險發(fā)生概率指數、風險損 失程度指數； 指標層權重模塊，用于根據采集的專家評價意見，確定隧道工程風險評價指標在指標 層中的權重； 模糊評判矩陣模塊，用于根據采集的專家評價意見，構建底層指標層節(jié)點屬于準則層 各風險狀態(tài)評價指標評價集的模糊評判矩陣； 風險態(tài)勢指數計算模塊，用于根據各風險狀態(tài)評價指標評價集的模糊評判矩陣和已經 確定的底層指標層各節(jié)點對目標層節(jié)點權重，計算出最終的以向量形式表現的隧道工程風 險態(tài)勢指數。
6. 根據權利要求5所述的評估系統(tǒng)，其特征在于，所述指標層權重模塊包括： 專家問卷生成單元，用于根據隧道工程風險評價指標，設計專家調查問卷，所述專家調 查問卷包括"隧道工程風險具體評價指標之間的相對重要性專家打分表"、"相對重要性度 量標準"以及"相對重要性專家打分的模糊評判規(guī)則"； 專家問卷轉換單元，用于將專家打分結果轉換成具有三個元素的數組形式 的模糊評判值，數組（au^^auu)中三個元素分別表示子節(jié)點i與子節(jié) 點j對其上層節(jié)點的相對重要性值的下限、相對重要性值的最可能值、相對重要性值的上 限； 一致性檢驗單元，用于構建由數組中第二個元素 amu組成的模糊判斷矩陣，引入模糊 層次法對其一致性進行檢驗，通過一致性檢驗的為有效的重要性模糊評判值；對沒有通過 一致性檢驗的模糊評判值需要提示由專家重新進行評判，直到通過一致性檢驗。 效度計算單元，用于對一致性檢驗后的模糊評判值，計算每個模糊評判值的效度，效度 計算使用以下公式
其中，k為相對重要度專家調查的模糊值總個數，sa為所有模糊值數組中的模糊值中最 可能值與相同的個數，-< 為最可能值為am ij的模糊值的效度。 模糊評判值修正單元，用于在計算出相對重要度專家調查的模糊評判值的效度基礎 上，采用公式：
對模糊評判值進行修正，得到修正 后的專家調查模糊評判值; 權重計算單元，用于根據修正后的專家調查模糊評判值，構建各子節(jié)點對其上層節(jié)點 相對重要度的模糊評判矩陣，采用公式
計算各子節(jié)點對其 上層節(jié)點重要性權重，其中η為屬于評估因素集的子節(jié)點的個數； 還用于在確定隧道工程評價指標體系中各子節(jié)點對其上層節(jié)點重要性權重后，計算底 層指標層子節(jié)點對目標層節(jié)點重要性權重。
7.根據權利要求5所述的評估系統(tǒng)，其特征在于，所述模糊評判矩陣模塊包括： 問卷生成單元，用于設計專家調查問卷，包括"隧道工程風險具體指標風險發(fā)生概率專 家打分表"、"隧道工程風險具體指標風險損失程度專家打分表";采集專家對該評價指標體 系中底層指標層各節(jié)點對目標層節(jié)點的屬于隧道風險發(fā)生的概率判斷結果； 問卷轉換單元，用于將專家打分結果轉換成具有三個元素的數組形式（Vu，VnU，VlU) 的模糊評判值；數組（Vu，VnU，VlU)中元素表示風險發(fā)生概率評價集的五個等級，映射風險 指標i所屬風險評價集中等級j的發(fā)生概率rp ;三個元素 Vu、VnU、VlU分別表示屬于評價 集風險等級的下限、風險等級的最可能值、風險等級的上限，數組（ Vu，VnU，VlU)中三個元 素取值為{1,2,3,4,5},大小關系滿足0彡彡v m，i彡vu，i彡5,且為整數； 概率計算單元，用于通過隸屬度函數計算出底層指標層i節(jié)點屬于不同評價等級j (其 中，j = 1，2,3,4,5)的概率 rJ;i ; 通過隸屬度函數計算出底層指標層i節(jié)點屬于不同評價等級j (其中， j = 1，2, 3, 4, 5)的概率 rjd 如下：
模糊評判矩陣生成單元，用于在通過隸屬度函數計算出底層指標層i節(jié)點屬于不同評 價等級的概率后，構建隧道工程風險評價指標底層指標層i節(jié)點屬于評價集評價等級專家 模糊評判矩陣。 模糊評判值效度計算單元，用于在收集該評價指標體系中底層指標層各節(jié)點對目標層 節(jié)點的屬于隧道風險發(fā)生概率和風險損失程度評價集中評價等級的專家調查的模糊評判 數值后，采用公式
計算專家的屬于評價集中評價等級模糊評 判值的效度，體現專家個體經驗知識的不確定性，其中k為屬于評價集中評價等級專家調 查的模糊值總個數，sv為數組形式的模糊值中最可能值與VnU相同的模糊值的個數，.< 為 最可能值為vm，i的模糊值的效度； 模糊評判矩陣修正單元，用于在確定專家的屬于評價集中評價等級模糊評判值的效度 后，采用公式
進行底層指標層 各節(jié)點屬于風險評價集的模糊值修正，構建得到修正后的底層指標層i節(jié)點屬于風險評價 集的專家調查模糊評價矩陣A = (ru，r2，i，r3，i，r4，i，，其中η為底層指標層節(jié)點個數。
【文檔編號】G06F19/00GK104063612SQ201410312602
【公開日】2014年9月24日 申請日期:2014年7月2日 優(yōu)先權日:2014年7月2日
【發(fā)明者】王頠, 黃斌, 周強, 鄧玉婷 申請人:武漢理工大學