CN104217122A - 基于多元信息预警系统的隧道施工过程安全评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多元信息预警系统的隧道施工过程安全评价方法，包括(1)建立隧道施工安全评价指标体系；(2)建立判断矩阵；(3)判断矩阵一致性校验，若不满足一致性，则返回上一步骤；若满足一致性，则进入下一步骤；(4)计算权重系数；(5)结合多元信息预警系统评价隧道施工安全状态。本发明可以解决传统的评价方法存在的人为主观因素影响较大，具有一定局限性,不能综合考察多项指标,进行科学的分析处理等技术问题。

Description

基于多元信息预警系统的隧道施工过程安全评价方法

技术领域

本发明涉及隧道施工安全评价方法，具体涉及隧道施工过程中采用多元信息预警系统的安全评价方法。

背景技术

由于隧道围岩地质条件的多样性和复杂性，其施工事故发生率比其他岩土工程高且严重，易发生群死群伤事故，给隧道工程施工人员身心带来严重的危害，社会影响恶劣。因此，隧道施工安全性问题一直是人们关注的焦点，确保隧道施工安全是当前急需研究解决的重要课题。

目前，我国交通建设工程领域经常使用的安全评价方法主要以定性安全评价方法为主，如专家论证法、安全检查表法及作业条件危险性评价法等。这些方法虽然便于执行，但过于依靠专家经验，人为主观因素较大，具有一定局限性。对一个隧道施工进行系统安全状况评价的最大难度就是多指标性，需要综合考察多项指标。指标中有定性指标和定量指标，因而需要对其进行科学的分析处理。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于多元信息预警系统的隧道施工过程安全评价方法，以解决传统的评价方法存在的人为主观因素影响较大，具有一定局限性,不能综合考察多项指标,进行科学的分析处理等技术问题。

为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

基于多元信息预警系统的隧道施工过程安全评价方法，

(1)建立隧道施工安全评价指标体系；

通过隧道施工多元信息预警系统主要采集影响隧道施工安全的主要因素，所述主要因素分为三项：人员因素C₁、设备因素C₂、环境因素C₃，作为准则层，形成隧道安全评价指标体系；所述隧道施工多元信息预警系统采集上述因素的设备包括三维激光扫描、传感器、安全定位考勤卡、摄像头、现场指挥系统、传输基站、网关基站和采集基站,每项指标数据都由多元信息预警系统采集并实时传输至互联网服务器；

(2)建立判断矩阵

风险指标体系确定后，需对同一层的各风险元素进行两两比较；各层划分为，准则层Ⅰ：人员因素、系统因素、环境因素；准则层Ⅱ：专业培训、应急预案、系统轮巡、设备布置、设备情况、空间环境、支护结构稳定、围岩级别；指标层：系统相关培训、安全培训、应急预案演练、系统轮巡频率、设备安装布置、系统设备完好程度、信号连接强度、粉尘浓度、噪声强度、有害气体浓度、温度、湿度、拱顶沉降、水平收敛、隧道围岩级别；构造判断矩阵；以对逻辑风险因素两两进行比较，其判断矩阵为:

$B=\left(\begin{array}{cccc}{b}_{11}& b_{12}& \·\·\·& b_{1n}\\ b_{21}& b_{22}& \·\·\·& b_{2n}\\ \·\·\·& \·\·\·& \·\·\·& \·\·\·\\ b_{n1}& b_{n2}& \·\·\·& b_{\mathrm{nn}}\end{array}\right)$

对于矩阵

其中，b_ij表示第i个方案和第j个方案相互比较的结果；为了方案比较具有统一的标准,两因素相比，采用1-9个层次的标度比较方法：具有同等重要性、一个比另一个稍微重要、一个比另一个明显重要、一个比另一个强烈重要和一个比另一个极端重要，以及取上述比较相邻的两个程度之间的中值；

(3)判断矩阵一致性校验，若不满足一致性，则返回上一步骤；若满足一致性，则进入下一步骤；

最后还要进行初始比较值的一致性检验,从而保做出的两两比较结果相互不矛盾和层次分析法计算的结果有意义；一致性检验方法可按两步骤组成:

首先计算一致性指标C.I

$C.I=\frac{{\mathrm{\λ}}_{\max }-n}{n-1}$

其中，λ_max为最大特征值

其次就是计算一致性比率C.R

$C.R=\frac{C.I}{R.I}$

R.I在上述公式中为平均随机一致性指标,是根据足够多个随机发生的样本矩阵计算的一致性指标的平均值；矩阵阶数1、2、3、4、5、6、7、8、9、10，分别对应R.I的0、0、0.58、0.90、1.12、1.24、1.32、1.41、1.46、1.49；

在通常情况下,当C.R＜0.1时,认为矩阵中各参数具有满意的一致性，层次分析法求解结果才是有效的,否则,则计算结果无效；

(4)计算权重系数；

指标的权重即指体系中各级指标对于评价目标的相对重要程度；当被评估对象及评价指标都给定时，评价的结果就依赖于权重系数了；

设某一指标层的各评估指标的权重系数是w₁w₂w₃……，判断矩阵为B，用权重向量右乘判断矩阵B，则得矩阵B的特征方程：

AW＝λW

式中λ为矩阵B的特征值的最大值。于是便可通过求解特征值问题得出B的与特征值λ相对应的特征向量，并将其归一化即得各权重系数；对于隧道施工三层评估模型，将目标层下的一级指标的权重向量设为W，第二层中第一类指标下子项目的权重向量设为W₁，第二层中第二类指标下子项目的权重向量设为W₂，计算得出各指标权重；利用同一层次中所有层次单排序的结果，就可以计算针对上一层次而言的本层次所有元素的重要性权重值，得出层次总排序。

(5)结合多元信息预警系统评价隧道施工安全状态。

采用层次分析法计算出的各指标权重对信息进行分析整合，综合评价隧道施工过程的安全状态，指导施工，保障安全。

所述人员因素，包括：专业培训(即人员素质、人员培训、安全制度管理)、应急预案情况。

所述设备因素，包括：系统轮巡、设备布置、设备情况(即设备完好程度)。

所述环境因素，包括：空间环境、支护结构稳定、围岩级别。

根据指标并结合权重综合计算出的安全评分，根据分值分为蓝色、黄色、橙色、红色，四个预警级别。

本发明的有益效果：本发明利用层次分析法通过两两比对得出各因素的权重，通过由低到高的层层分析计算，最后计算出各事件对总目标的权数。其将定性与定量的决策结合起来，将决策过程层次化、数量化。通过对各评估方法的分析，本发明将隧道施工多个参数综合起来作为系统安全的评价指标，通过对隧道施工各数据的调查研究，确定隧道安全评价指标和各项指标分级隶属函数。首先把复杂过程分解成各个组成元素，各因素之间相互独立，然后通过两两比较来判断各层次中因素的相对重要性，进而得到各因素在综合评价中的权重，最后根据各因素的隶属度和权重进行综合评价，从而建立隧道施工安全评价的层次评价体系。对隧道施工过程的安全影响因素进行分析，选取了人员因素、设备因素、环境因素这3项指标及8个影响因素，共15个指标，计算出各个指标的权重值和重要性排序，能全面地对施工安全进行评价，结合多元信息预警系统所提供的数据进行评价，对比评价结果与施工现场的实际情况可知该评价方法得到的评价结果客观，科学，合理，可操作性强。

附图说明

图1为本发明实施例提供的基于层次分析法的隧道安全评价的风险权重确定流程图；

图2为本发明实施例提供的隧道施工安全评价指标体系的体系图。

具体实施方式

结合图1对本发明的方法说明如下：

(1)建立隧道施工安全评价指标体系；

(2)建立判断矩阵；

(3)判断矩阵一致性校验，若不满足一致性，则返回上一步骤；若满足一致性，则进入下一步骤；

(4)计算权重系数；

(5)结合多元信息预警系统评价隧道施工安全状态。

各步骤具体为：

(1)建立隧道施工风险的评价指标体系

根据隧道施工多元信息预警系统中主要采集的因素确定8个单因素，分3个层次进行对隧道施工状况进行安全评价。将主要因素分为三项：人员因素C₁、设备因素C₂、环境因素C₃，作为准则层，形成隧道安全评价指标体系。

(2)建立判断矩阵

风险指标体系确定后，需对同一层的各风险元素进行两两比较，构造判断矩阵。判断矩阵是由专家评判组讨论形成，评判组成员由隧道设计专家、地勘专家、施工专家和高层领导组成，在对隧道工程和岩溶情况非常了解的基础上，评价者将各层风险因素两两比较构造出判断矩阵。采用这种方式，以对逻辑风险因素两两进行比较，其判断矩阵为:

$B=\left(\begin{array}{cccc}{b}_{11}& b_{12}& \·\·\·& b_{1n}\\ b_{21}& b_{22}& \·\·\·& b_{2n}\\ \·\·\·& \·\·\·& \·\·\·& \·\·\·\\ b_{n1}& b_{n2}& \·\·\·& b_{\mathrm{nn}}\end{array}\right)$

对于矩阵

其中，b_ij表示第i个方案和第j个方案相互比较的结果。

为了方案比较具有统一的标准,采用1-9个层次的标度方法：参见表1。

(3)判断矩阵一致性及检验

最后还要进行初始比较值的一致性检验,从而保做出的两两比较结果相互不矛盾和层次分析法计算的结果有意义。一致性检验方法可按两步骤组成:

首先计算一致性指标C.I

$C.I=\frac{{\mathrm{\λ}}_{\max }-n}{n-1}$

其中，λ_max为最大特征值

其次就是计算一致性比率C.R

$C.R=\frac{C.I}{R.I}$

R.I在上述公式中为平均随机一致性指标,是根据足够多个随机发生的样本矩阵计算的一致性指标的平均值。参见表2。

在通常情况下,当C.R＜0.1时,认为矩阵中各参数具有满意的一致性，层次分析法求解结果才是有效的,否则,则计算结果无效。

(4)计算权重

指标的权重即指体系中各级指标对于评价目标的相对重要程度。当被评估对象及评价指标都给定时，评价的结果就依赖于权重系数了。因此，权重系数是综合评估中的核心问题。

设某一指标层的各评估指标的权重系数是w₁w₂w₃……，判断矩阵为B，用权重向量右乘判断矩阵B，则得矩阵B的特征方程：

AW＝λW

式中λ为矩阵B的特征值的最大值。于是便可通过求解特征值问题得出B的与特征值λ相对应的特征向量，并将其归一化即得各权重系数。该方法能够通过人们的判断,对每个层次、元素确定相对重要性，进行比较排序，最后把各层次定量关系联系起来，得到总排序作为决策依据。

对于隧道施工三层评估模型，将目标层下的一级指标的权重向量设为W，第二层中第一类指标下子项目的权重向量设为W₁，第二层中第二类指标下子项目的权重向量设为W₂，计算得出各指标权重。利用同一层次中所有层次单排序的结果，就可以计算针对上一层次而言的本层次所有元素的重要性权重值，得出层次总排序。

评价指标及权重排序参见表3。

(5)结合多元信息预警系统评价隧道施工安全状态

通过多元信息预警系统的三维激光扫描、传感器、安全定位考勤卡、摄像头、现场指挥系统、传输基站、网关基站、采集基站等设备提供的信息,所有评价指标完全独立，每项指标数据都由多元信息预警系统直接采集并实时传输至互联网服务器，采用层次分析法计算出的各指标权重对信息进行分析整合，综合评价隧道施工过程的安全状态，指导施工，保障安全。

在隧道病害成因的现有研究基础上，详细归纳总结所有隧道安全问题的形成机理和特点，研究分析各种问题之间的关联性和独立性，根据研究确定以人员因素C₁、设备因素C₂、环境因素C₃，作为准则层Ⅰ，建立隧道施工安全评价指标体系。在此体系中，所述人员因素C₁的准则层为人员培训C₁₁、应急预案情况C₁₂；设备因素C₂的准则层为设备轮巡C₂₁、设备布置合理C₂₂、、设备完好程度C₂₃；作业环境C₃的准则层为空间环境C₃₁、支护结构稳定C₃₂、围岩级别C₃₃。

将指标体系细化，针对不同情况对指标进行评分，将所有评分乘以各自权重即得出隧道安全综合评分。根据最后综合评分将隧道施工安全状况分为四级预警。预警级别参见表4。

对评分方法参见表5。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

表1标度比较

标度	含义
		1	两因素(或方案)相比,具有同等重要性
3	两方案相比,一个比另一个稍微重要
		5	两方案相比,一个比另一个明显重要
7	两方案相比,一个比另一个强烈重要

9	两方案相比,一个比另一个极端重要
		2,4,6,8	取上述比较相邻的两个程度之间的中值

表2平均一致指标

矩阵阶数	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
											R.I	0	0	0.58	0.90	1.12	1.24	1.32	1.41	1.46	1.49

表3评价指标及权重排序

表4预警级别

预警级别	分值范围
		蓝色预警	80-90
黄色预警	70-79
		橙色预警	60-69
红色预警	59以下

表5指标层评分标准

Claims (5)

1.基于多元信息预警系统的隧道施工过程安全评价方法，

(1)建立隧道施工安全评价指标体系；

通过隧道施工多元信息预警系统主要采集影响隧道施工安全的主要因素，所述主要因素分为三项：人员因素C₁、设备因素C₂、环境因素C₃，作为准则层，形成隧道安全评价指标体系；所述隧道施工多元信息预警系统采集上述因素的设备包括三维激光扫描、传感器、安全定位考勤卡、摄像头、现场指挥系统、传输基站、网关基站和采集基站,每项指标数据都由多元信息预警系统采集并实时传输至互联网服务器；

(2)建立判断矩阵

风险指标体系确定后，需对同一层的各风险元素进行两两比较；各层划分为，准则层Ⅰ：人员因素、系统因素、环境因素；准则层Ⅱ：专业培训、应急预案、系统轮巡、设备布置、设备情况、空间环境、支护结构稳定、围岩级别；指标层：系统相关培训、安全培训、应急预案演练、系统轮巡频率、设备安装布置、系统设备完好程度、信号连接强度、粉尘浓度、噪声强度、有害气体浓度、温度、湿度、拱顶沉降、水平收敛、隧道围岩级别；构造判断矩阵；以对逻辑风险因素两两进行比较，其判断矩阵为:

$B=\left(\begin{array}{cccc}{b}_{11}& b_{12}& \·\·\·& b_{1n}\\ b_{21}& b_{22}& \·\·\·& b_{2n}\\ \·\·\·& \·\·\·& \·\·\·& \·\·\·\\ b_{n1}& b_{n2}& \·\·\·& b_{\mathrm{nn}}\end{array}\right)$

对于矩阵

其中，b_ij表示第i个方案和第j个方案相互比较的结果；为了方案比较具有统一的标准,两因素相比，采用1-9个层次的标度比较方法：具有同等重要性、一个比另一个稍微重要、一个比另一个明显重要、一个比另一个强烈重要和一个比另一个极端重要，以及取上述比较相邻的两个程度之间的中值；

(3)判断矩阵一致性校验，若不满足一致性，则返回上一步骤；若满足一致性，则进入下一步骤；

最后还要进行初始比较值的一致性检验,从而保做出的两两比较结果相互不矛盾和层次分析法计算的结果有意义；一致性检验方法可按两步骤组成:

首先计算一致性指标C.I

$C.I=\frac{{\mathrm{\λ}}_{\max }-n}{n-1}$

其中，λ_max为最大特征值

其次就是计算一致性比率C.R

$C.R=\frac{C.I}{R.I}$

R.I在上述公式中为平均随机一致性指标,是根据足够多个随机发生的样本矩

阵计算的一致性指标的平均值；矩阵阶数1、2、3、4、5、6、7、8、9、10，分别对应R.I的0、0、0.58、0.90、1.12、1.24、1.32、1.41、1.46、1.49；

在通常情况下,当C.R＜0.1时,认为矩阵中各参数具有满意的一致性，层次分析法求解结果才是有效的,否则,则计算结果无效；

(4)计算权重系数；

指标的权重即指体系中各级指标对于评价目标的相对重要程度；当被评估对象及评价指标都给定时，评价的结果就依赖于权重系数了；

设某一指标层的各评估指标的权重系数是w₁w₂w₃……，判断矩阵为B，用权重向量右乘判断矩阵B，则得矩阵B的特征方程：

AW＝λW

式中λ为矩阵B的特征值的最大值；

于是便可通过求解特征值问题得出B的与特征值λ相对应的特征向量，并将其归一化即得各权重系数；对于隧道施工三层评估模型，将目标层下的一级指标的权重向量设为W，第二层中第一类指标下子项目的权重向量设为W₁，第二层中第二类指标下子项目的权重向量设为W₂，计算得出各指标权重；利用同一层次中所有层次单排序的结果，就可以计算针对上一层次而言的本层次所有元素的重要性权重值，得出层次总排序；

(5)结合多元信息预警系统评价隧道施工安全状态；

采用层次分析法计算出的各指标权重对信息进行分析整合，综合评价隧道施工过程的安全状态，指导施工，保障安全。

2.根据权利要求1所述的基于多元信息预警系统的隧道施工过程安全评价方法，所述人员因素，包括：人员素质、人员培训、应急预案情况、安全制度管理。

3.根据权利要求1所述的基于多元信息预警系统的隧道施工过程安全评价方法，所述设备因素，包括：系统轮巡、设备布置、设备完好程度。

4.根据权利要求1所述的基于多元信息预警系统的隧道施工过程安全评价方法，所述环境因素，包括：空间环境、支护结构稳定、围岩级别。

5.根据权利要求1所述的基于多元信息预警系统的隧道施工过程安全评价方法，根据指标并结合权重综合计算出的安全评分，根据分值分为蓝色、黄色、橙色、红色，四个预警级别。