CN104766169B - 一种地铁建设期间排水设施安全保护分级智能判定方法 - Google Patents

Abstract

本发明的一种地铁建设期间排水设施安全保护分级智能判定方法，根据地铁建设期间影响排水设施安全保护的第一至四级指标因素，根据各项因素在排水设施安全风险中所占影响权重与排水设施所处的具体环境，通过模糊综合评判法判别不同因素下或多项因素组合下的排水设施风险等级，并提供对应的排水设施安全保护的具体措施，减少了排水设施安全保护分级评价中的主观性，减少了计算工作量，提高了对应的排水设施安全保护的具体措施的准确性。

Description

一种地铁建设期间排水设施安全保护分级智能判定方法

技术领域

本发明涉及一种排水设施安全保护的判定方法，特别是涉及一种地铁建设期间排水设施安全保护分级智能判定方法。

背景技术

为缓解城市交通压力充分利用城市地下空间，兴建地铁的城市越来越多，特别是北京市，已经在建和规划多条地铁线路。北京市轨道交通建设已经进入快速发展阶段，由地铁建设引起的排水设施不能正常安全运行的事件越来越多。在地铁建设工程中，难免会遇到穿越城市排水管线的问题。在此之前对于地铁建设期间排水管线的保护措施通常是在不考虑排水设施自身情况和排水设施所处的环境因素以及排水设施风险等级的情况下，笼统的对排水管线进行拆除、截流、改线等工程加固和改移措施，国内的地铁建设较多关注于地铁建设对地面已有建筑物的影响而对地铁建设期间排水设施风险等级的研究较少，这种处理措施在一定程度上存在着盲目性和经验性，对排水设施的保护效果也得不到预期的效果。

同时，在现有技术中，目前国内尚无针对排水设施安全风险分析和判断的评估方法，其主要难点在于排水设施建设年代远近差异大、结构形式复杂，排水设施分布广、密度大、同地铁施工相关的安全风险因素多，2013年11月22日,青岛发生因输油管线原油泄漏进入排水管道引起爆炸事件，给人民生命财产造成严重损失，因此管线的安全保护问题显得日益重要。2013年10月国务院颁布了《城镇排水与污水处理条例》，其中对排水设施维修与保护进行了明确规定。但是由于不同个体对排水设施认知程度不同，对规章、规范和标准的掌握不一，导致对排水设施安全风险分析和判断无法统一。并且，由于国内的地铁大多还处于建设期，所以在地铁建设期间对排水设施的关注度较少，更多关注的是地铁建设对地面建筑物的影响。同时在地铁建设期间对排水设施的保护传统上是仅仅考虑排水设施距离地铁施工的远近，而其他因素则考虑较少，比如排水设施自身的因素以及排水设施所处的环境因素。

因此，在考虑排水设施和环境因素的情况下，根据排水设施风险等级并以此提出相应的经济合理保护措施显得非常必要。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺陷，本发明提供了一种地铁建设期间排水设施安全保护分级智能判定方法，根据地铁建设期间影响排水设施安全保护的风险因素，以及影响权重和风险等级判定参数，根据各项因素在排水设施安全风险中所占权重，通过模数综合评判法判别不同因素下或多项因素组合下的排水设施风险等级，并根据排水设施风险等级提供对应的排水设施安全保护的具体措施。本发明减少了排水设施安全保护分级评价中的主观性，减少了计算工作量，提高了对应的排水设施安全保护的具体措施的准确性。

为此，本发明的一个目的在于提出一种地铁建设期间排水设施安全保护分级智能判定方法，包括如下步骤：

步骤一：确立影响排水设施安全的多个第一、二、三、四级指标因素，对各个指标因素均设定预设权重值；

步骤二：获取待判定的排水设施中管道的多个指标因素的实际参数；

步骤三：对每一个一级指标所包括的管道参数分别进行权重计算并进行归一化处理：

步骤四：将由设定的管道参数的数值代入隶属度函数，得到步骤二中各指标因素的单因素隶属度矩阵R值；

步骤五：进行一级模糊综合评判，根据最大隶属度矩阵分别得到多个第一级指标因素风险等级；再进行二级模糊综合评判，根据最大隶属度矩阵得到最终排水设施安全风险的等级；

步骤六：根据上述计算得到的排水设施安全风险的具体等级，确定对应的排水设置安全保护措施。

根据本发明的一个实施例，在步骤一中，排水设施安全评价指标中的一级指标包括：A1(设施自身因素)，A2(地铁施工影响因素)，A3(环境风险因素)；

对于一级指标A1(设施自身因素)其包括的二级指标为：

B1(管道断面尺寸)，B2(老化状况)，B3(结构性缺陷)，B4(管材)，B5(接口形式)，B6(基础形式)，B7(运行负荷)；

其中：

B1(管道断面尺寸)包括的三级指标为：C1(管道断面尺寸<600mm)，C2(600mm≤管道断面尺寸≤1000mm)，C3(1000mm≤管道断面尺寸≤1500mm)，C4(管道断面尺寸>1500mm)；

B2(老化状况)包括的三级指标为：C5(老化状况<25年)，C56(25年≤老化状况≤40年)，C57(40年≤老化状况≤50年)，C58(老化状况>50年)；

B3(结构性缺陷)包括的三级指标为：C9(轻度)，C10(中度)，C11(重度)；

B4(管材)包括的三级指标为：C12(钢筋混凝土管)，C13(聚(氯)乙烯)，C14(特殊结构)；

B5(接口形式)包括的三级指标为：C15(刚性接口)，C16(柔性接口)；

B6(基础形式)包括的三级指标为：C17(混凝土基础)，C18(砂石基础)；

B7(运行负荷)包括的三级指标为：C19(零负荷)，C20(常负荷)，C21(超负荷)；

其中：

C9(轻度)包括的四级指标为：D1(腐蚀轻度)，D2(破裂轻度)，D3(变形轻度)，D4(错口轻度)，D5(脱节轻度)，D6(渗漏轻度)，D7(侵入轻度)；

C10(中度)包括的四级指标为：D8(腐蚀中度)，D9(破裂中度)，D10(变形中度)，D11(错口中度)，D12(脱节中度)，D13(渗漏中度)，D14(侵入中度)；

C11(重度)包括的四级指标为：D15(腐蚀重度)，D16(破裂重度)，D17(变形重度)，D18(错口重度)，D19(脱节重度)，D20(渗漏重度)，D21(侵入重度)；

对于一级指标A2(地铁施工影响因素)其包括的二级指标为：

B8(明(盖)挖法)，B9(矿山法)，B10(盾构法)；

其中：

B8(明(盖)挖法)包括的三级指标为：C22(明(盖)挖法边缘距离)，C23(明(盖)挖法位置关系)；

B9(矿山法)包括的三级指标为：C24(矿山法边缘距离)，C25(矿山法位置关系)；

B10(盾构法)包括的三级指标为：C26(盾构法边缘距离)，C27(盾构法位置关系)；

其中：

C22(明(盖)挖法边缘距离)包括的四级指标为：D22(明(盖)挖法边缘距离＝0)，D23(0＜明(盖)挖法边缘距离≤0.4H)，D24(0.4＜明(盖)挖法边缘距离≤0.6H)，D25(0.6＜明(盖)挖法边缘距离≤1.0H)；

C23(明(盖)挖法位置关系)包括的四级指标为：D26(地铁上顺行)，D27(地铁下顺行)，D28(地铁上穿越)，D29(地铁下穿越)；

C24(矿山法边缘距离)包括的四级指标为：D30(矿山法边缘距离＝0)，D31(0＜矿山法边缘距离≤0.5B)，D32(0.5B＜矿山法边缘距离≤1.0B)，D33(1.0＜矿山法边缘距离≤2.0B)；

C25(矿山法位置关系)包括的四级指标为：D34(地铁上顺行)，D35(地铁下顺行)，D36(地铁上穿越)，D37(地铁下穿越)；

C26(盾构法边缘距离)包括的四级指标为：D38(盾构法边缘距离＝0)，D39(0＜盾构法边缘距离≤0.3D)，D40(0.3D＜盾构法边缘距离≤0.7D)，D41(0.7D＜盾构法边缘距离≤1.0D)；

C27(盾构法位置关系)包括的四级指标为：D42(地铁上顺行)，D43(地铁下顺行)，D44(地铁上穿越)，D45(地铁下穿越)；

对于一级指标A3(环境风险因素)其包括的二级指标为：

B11(地理位置)，B12(地质情况)，B13(施工季节)，B14(水文情况)；

其中：

B11(地理位置)包括的三级指标为：C28(其他位置)，C29(一般地区)，C30(重要地区)，C31(特殊地区)；

2(地质情况)包括的三级指标为：C32(其他)，C33(杂填土、粉质粘土)，C34(膨胀土、淤泥质土)，C35(粉砂土、湿陷性土)；

B13(施工季节)包括的三级指标为：C36(汛期)，C37(非汛期)；

B14(水文情况)包括的三级指标为：C38(承压水)，C39(潜水)，C40(上层滞水)；

根据本发明的一个实施例，在步骤二中，指标参数包括：

A1(设施自身因素)中的B1(管道断面尺寸)、B2(老化状况)、B3(结构性缺陷)、B4(管材)、B5(接口形式)、B6(基础形式)、B7(运行负荷)；

A2(地铁施工影响因素)中的B8(明(盖)挖法)或B9(矿山法)或B10(盾构法)的边缘距离和位置关系；

A3(环境风险因素)中的B11(地理位置)、B12(地质情况)、B13(施工季节)、B14(水文情况)；

根据本发明的一个实施例，在步骤三中，对每一个一级指标A1(设施自身因素)、A2(地铁施工影响因素)、A3(环境风险因素)所包括的管道参数分别按照下式进行权重计算：

管道参数的合成权重Wi＝Di相对于Ci的权重*Ci相对于Bi的权重*Bi相对于Ai的权重*Ai相对于A的权重；

得到：

一级指标A1(设施自身因素)下的B1(管道断面尺寸)、B2(老化状况)、B3(结构性缺陷)、B4(管材)、B5(接口形式)、B6(基础形式)、B7(运行负荷)的合成权重依次为W11至W17；对上述W1至W7进行归一化处理得到W11′至W17′；

一级指标A2(地铁施工影响因素)A2(地铁施工影响因素)中的B8(明(盖)挖法)或B9(矿山法)或B10(盾构法)的边缘距离和位置关系的合成权重依次为W21至W22；对上述W21至W22进行归一化处理得到W21′至W22′；

一级指标A3(环境风险因素)下的B11(地理位置)、B12(地质情况)、B13(施工季节)、B14(水文情况)的合成权重依次为W31至W34；对上述W31至W34进行归一化处理得到W31′至W34′。

根据本发明的一个实施例，在步骤四中，将由设定的管道参数的数值代入下列五级隶属度函数：

从而得到步骤二中各指标的单因素隶属度矩阵R值；

根据本发明的一个实施例，在步骤五中，进行模糊综合评判方法具体为：

1)一级模糊综合评判

A₁＝W₁*R₁ A₂＝W₂*R₂ A₃＝W₃*R₃

根据最大隶属度矩阵可以分别得到排水设施自身风险等级、地铁施工影响因素风险等级、环境风险影响因素等级。

2)二级模糊综合评判

根据最大隶属度矩阵可得最终排水设施安全风险的等级。

根据本发明的一个实施例，在步骤六中，按照下列方式确定对应的排水设置安全保护措施：

当排水设施安全风险的等级为一级时，保护措施为不保护，监测方法为不监测；

当排水设施安全风险的等级为二级时，保护措施为管线补强，监测方法为浅层监测；

当排水设施安全风险的等级为三级时，保护措施为管线防渗和/或管线补强，监测方法为浅层监测；

当排水设施安全风险的等级为四级时，保护措施为管线防渗和/或管线补强和/或管线移改，监测方法为浅层监测和/或深层监测；

当排水设施安全风险的等级为五级时，保护措施为管线移改和/或地铁工法改进，监测方法为浅层监测和/或深层监测。

本发明的有益效果在于：地铁建设期间排水设施安全保护分级智能判定系统综合考虑了排水设施、地铁施工影响、环境风险影响三个主要的影响因素，能根据排水设施所处的具体环境判定排水设施风险等级，进而根据其风险等级提出相应合理的保护措施，减少了保护过程中的盲目性。本发明的地铁建设期间排水设施安全保护风险分级智能判定系统能快速的判定出排水设施的风险等级，并以此提供合理的保护措施，为地铁建设期间的排水设施保护提供依据，减少人为的干预和经验。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1本发明的排水设施风险影响因素图；

图2本发明的一级隶属度函数图；

图3本发明的二级隶属度函数图；

图4本发明的三级隶属度函数图；

图5本发明的四级隶属度函数图；

图6本发明的五级隶属度函数图；

图7权重计算方法；

图8排水设施安全评价指标计算关系图；

图9排水设施安全评价指标计算关系图；

图10排水设施安全评价指标计算关系图；

图11排水设施安全评价指标计算关系图；

图12排水设施安全评价指标计算关系图；

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

目前，评价管道风险的方法主要有定性法、半定量法和定量法。

定性风险评价方法的主要作用是找出管道系统存在那些事故危险及其诱发因素。然后针对这些因素制定有效的措施来控制管道的事故：其特点是不必建立精确的数学模型和计算方法,其评价结果的精确性取决于现场人员的经验、对事故划分的细致性。定性评价法可以根据专家的观点提供高、中、低等风险的相对等级,但是危险性事故发生的频率和事故损失后果均不能量化。

半定量风险评价法是以风险的数量指标为基础的一种风险分析方法。对识别到的事故就为事故损失后果分配一个指标和以事故发生频率分配另一个指标,然后用加和除将两个对应事故概率和严重程度的指标进行组合,从而形成一个相对风险指标。这种方法综合了定性法的模型和定量法的知识,排除了一些不可预见的事故后果,使人们的注意力集中到更可能发生的事故后果上,极大地提高了风险评价的实用性和准确性。

定量风险评价法或叫概率风险评价法是预先给出固定的、重大的和灾难性的事故发生概率和事故损失后果,并约定一个具有明确物理意义的单位,所以其评价结果是最严密和最准确的。定量评价法需要利用概率结构力学、有限元方法、断裂力学、可靠性与维修技术、各种强度理论及最优化理论和神经网络理论,它与定性风险分析技术的不同之处在于必须在大量设计、施工和运行资料的基础上建立完善的数据库管理系统,并掌握裂纹缺陷的扩展规律和管材的腐蚀速率,由此运用确定性分析求解,其结果取决于原始数据的完整性、数学模型的精确性和分析方法的合理性。

对于上述三类管道风险评价方法,就其评价结果的准确性而言,定量评价法最好,其次是半定量评价法和定性评价法,但就其评价成本而言,半定量评价法高于定性评价法,而定量评价法最高。无论采用哪种方法对管道进行风险评价都必须遵从如下的基本原理。

由于风险评价实际上只是对时间进程中的某一瞬间的风险场景进行评定和估计,所以完整的风险评价需要回答以下几个问题:(l)什么客观因素会引起管道失效。(2)诱发管道事故的可能性有多大？(3)即管道失效会造成什么后果？(4)管道事故发生可接受性的可能性如何？(5)如何降低事故发生的概率？也就是风险管理措施是什么？在进行风险评价时,只要回答了这几个问题,则管道的风险便可以按一定的计算法则来确定。

目前,风险评价技术己被广泛地应用于电子、石油、化工和许多工业领域的压力容器和管道问题中,并且在今后,这一技术的应用在深度和广度上还有不断增长的趋势。对管道进行风险评价时较为常用的方法主要有失效模式、影响和危害分析(FMEA),概率风险分析(PRA),故障树分析(FaultTreeAnalysis),预先危险性分析(pHA),事件树分析(EventTreeAnalysis,ETA),以及指数法(IndexMethod)等。除此之外,随着模糊数学的出现和发展,还出现了模糊综合评价法。

模糊综合法是应用模糊集合理论对系统进行综合评价的一种方法,主要是解决评价问题中存在的模糊性,特别适合定性信息较多的评价问题。模糊评价法是对受多个因素影响的事物作出全面评价的一种有效的综合评价方法。它突破了精确数学的逻辑和语言,强调了影响事物因素中的模糊性,较为深刻地刻划了事物的客观属性。模糊评价法首先应建立问题的因素集和评判集,然后分别确定各因素对评判级别的隶属度向量,最后通过模糊综合评判得出评价结果。

模糊综合评价方法的基本原理是,首先把被评价系统中所有因素按其属性划分为多个层次,并对各个层次逐层进行由初步到综合的评价,模糊综合评价过程原则上不舍弃任何已获取的评价信息,体现了集体的意见和作用,使得评价结果客观公正,可信度高。此外,此方法使用方便、可操作性强。

(l)加法评分法

根据评价对象列出评价项目,对每个评价项目定出评价的等级,并由分数来评定。将评价项目所评得的分数采用加法累计,然后按总分的大小排序,以决定方案的优劣叫。特点是:简单易行,便于计算；灵敏度不高；主观成分过多。加法评分法的公式为:

式中:S一方案总分:si一第i个项目(或因子！指标)得分；n一评价项目数。

(2)连乘评分法

将各种评价项目的分数值连乘,并按乘积大小排序,以决定方案优劣。特点是:简单易行,计算直观；灵敏度较加权评分法高；因子间的重要性程度反映不出来,主观成分过多。连乘评分法公式为:

式中符号意义同上。

(3)加乘评分法

将各评价指标分成若干子指标或子因素,首先计算各指标的子因素的评分值之和,然后将各指标分数值连乘得总评分值,并按分数多少排序,确定优劣。特点是:吸取了加法评价法与连乘评价法的特点,指标分得细,评价较全面；灵敏度介于加法与连乘评分法之间；指标间的重要性程度反映不出来。加乘评分法公式为:

式中:sij一第i个指标第j个子因素的分数值；m一指标数；n-第i指标中子因素的数目。

(4)加权评分法

由于各指标或各因素在总评价中的地位并不完全相同,存在着一种权衡意识,即因子间重要性的相对比较,因此不能平等对待评价对象中的各种指标,于是人们引用了加权评价方法,以期对事物进行评价圈。例如,已知几个指标值为S1,S2,…Sn,而各指标依人的要求所赋予的权数为al,a2,…an,则总的评价为:

以上几种经典的评价方法虽然简单易行,结果明了,但对某一因素的内涵或外延不明确而具有模糊性质时,常常不能反映实际情况。正是在这个基础上,本发明引入了模糊综合评价方法。下面重点介绍本发明所采用的模糊综合评判方法。

模糊综合评价法是运用模糊变换原理,对某一对象进行全面评价,它能比较顺利的解决传统综合评价方法难以解决的“模糊性”评价与决策问题,是一种行之有效的辅助决策方法,其评价的着眼点是所要考虑的所有相关因素,又称为模糊综合决策或模糊多元决策。

(1)评判对象因素集的建立

本发明参用了基于层次分析的模糊综合评价法。通过对排水设施特点和运行状况研究并结合地铁施工的特点，在借鉴燃气管道风险评估和征求地铁以及排水方面专家的基础上确立了以下影响排水设施安全的因素：

1)排水设施自身风险因素

排水设施中存在不同年代修建，结构类型和排水方式不同的特点，并且在排水设施使用过程中第三方施工单位盲目施工，忽视和排水管理部门的联系，使得排水设施遭到破坏和占压。同时在市民的日常生活中存在着直接将各种污水、垃圾倒入排水井中极易造成排水管堵塞，这些都加快了排水设施的老化和破坏速度。因此在排水设施自身风险因素中考虑了管道的老化状况和结构性缺陷。排水设施自身因素还考虑了管道断面尺寸、管材、接口形式、基础形式、运行负荷、其他条件。

2)地铁施工影响因素

地铁施工存在着明(盖)挖法、矿山法和盾构法等工法、管道和地铁施工的位置也较复杂。本发明参考了北京轨道交通工程安全风险管理体系，对排水管道与地铁施工的距离做了规定。地铁施工影响因素包括如下：施工工法、边缘距离、位置关系。其中边缘距离结合地铁不同的施工工法进行了规定，位置关系主要是指排水设施与地铁隧道和地铁基坑的位置关系。

3)环境风险因素

环境风险因素有时对风险发生所造成的后果严重程度起着重要的作用，本发明考虑了风险发生的地理位置、地质情况、施工季节、水文情况四种情况。

用模糊语言表示上述评价因素，其中U是综合评价指标的集合，它具有层次性。设一级指标为U＝{U1，U2，…，Ui}，二级指标为Ui＝{Ui1，Ui2，…，Uij},其中Uij表示第i个准则层的第j个指标(i＝1，2，…，m；j＝1，2，…，n)，三、四级指标依次类推。

本发明的采用的主要指标因素为：

排水设施安全评价指标中的一级指标包括：

A1(设施自身因素)，A2(地铁施工影响因素)，A3(环境风险因素)；

对于一级指标A1(设施自身因素)其包括的二级指标为：

B1(管道断面尺寸)，B2(老化状况)，B3(结构性缺陷)，B4(管材)，B5(接口形式)，B6(基础形式)，B7(运行负荷)；

其中：

B1(管道断面尺寸)包括的三级指标为：C1(管道断面尺寸<600mm)，C2(600mm≤管道断面尺寸≤1000mm)，C3(1000mm≤管道断面尺寸≤1500mm)，C4(管道断面尺寸>1500mm)；

B2(老化状况)包括的三级指标为：C5(老化状况<25年)，C56(25年≤老化状况≤40年)，C57(40年≤老化状况≤50年)，C58(老化状况>50年)；

B3(结构性缺陷)包括的三级指标为：C9(轻度)，C10(中度)，C11(重度)；

B4(管材)包括的三级指标为：C12(钢筋混凝土管)，C13(聚(氯)乙烯)，C14(特殊结构)；

B5(接口形式)包括的三级指标为：C15(刚性接口)，C16(柔性接口)；

B6(基础形式)包括的三级指标为：C17(混凝土基础)，C18(砂石基础)；

B7(运行负荷)包括的三级指标为：C19(零负荷)，C20(常负荷)，C21(超负荷)；

其中：

C9(轻度)包括的四级指标为：D1(腐蚀轻度)，D2(破裂轻度)，D3(变形轻度)，D4(错口轻度)，D5(脱节轻度)，D6(渗漏轻度)，D7(侵入轻度)；

C10(中度)包括的四级指标为：D8(腐蚀中度)，D9(破裂中度)，D10(变形中度)，D11(错口中度)，D12(脱节中度)，D13(渗漏中度)，D14(侵入中度)；

C11(重度)包括的四级指标为：D15(腐蚀重度)，D16(破裂重度)，D17(变形重度)，D18(错口重度)，D19(脱节重度)，D20(渗漏重度)，D21(侵入重度)；

对于一级指标A2(地铁施工影响因素)其包括的二级指标为：

B8(明(盖)挖法)，B9(矿山法)，B10(盾构法)；

其中：

B8(明(盖)挖法)包括的三级指标为：C22(明(盖)挖法边缘距离)，C23(明(盖)挖法位置关系)；

B9(矿山法)包括的三级指标为：C24(矿山法边缘距离)，C25(矿山法位置关系)；

B10(盾构法)包括的三级指标为：C26(盾构法边缘距离)，C27(盾构法位置关系)；

其中：

C22(明(盖)挖法边缘距离)包括的四级指标为：D22(明(盖)挖法边缘距离＝0)，D23(0＜明(盖)挖法边缘距离≤0.4H)，D24(0.4＜明(盖)挖法边缘距离≤0.6H)，D25(0.6＜明(盖)挖法边缘距离≤1.0H)；

C23(明(盖)挖法位置关系)包括的四级指标为：D26(地铁上顺行)，D27(地铁下顺行)，D28(地铁上穿越)，D29(地铁下穿越)；

C24(矿山法边缘距离)包括的四级指标为：D30(矿山法边缘距离＝0)，D31(0＜矿山法边缘距离≤0.5B)，D32(0.5B＜矿山法边缘距离≤1.0B)，D33(1.0＜矿山法边缘距离≤2.0B)；

C25(矿山法位置关系)包括的四级指标为：D34(地铁上顺行)，D35(地铁下顺行)，D36(地铁上穿越)，D37(地铁下穿越)；

C26(盾构法边缘距离)包括的四级指标为：D38(盾构法边缘距离＝0)，D39(0＜盾构法边缘距离≤0.3D)，D40(0.3D＜盾构法边缘距离≤0.7D)，D41(0.7D＜盾构法边缘距离≤1.0D)；

C27(盾构法位置关系)包括的四级指标为：D42(地铁上顺行)，D43(地铁下顺行)，D44(地铁上穿越)，D45(地铁下穿越)；

对于一级指标A3(环境风险因素)其包括的二级指标为：

B11(地理位置)，B12(地质情况)，B13(施工季节)，B14(水文情况)；

其中：

B11(地理位置)包括的三级指标为：C28(其他位置)，C29(一般地区)，C30(重要地区)，C31(特殊地区)；

2(地质情况)包括的三级指标为：C32(其他)，C33(杂填土、粉质粘土)，C34(膨胀土、淤泥质土)，C35(粉砂土、湿陷性土)；

B13(施工季节)包括的三级指标为：C36(汛期)，C37(非汛期)；

B14(水文情况)包括的三级指标为：C38(承压水)，C39(潜水)，C40(上层滞水)；

对上述A1-A3、B1-B14、C1-C40、D1-D45所代表的各个指标均设定预设权重值；

具体风险影响因素见图1。其中：表中的特殊结构主要是指砌体结构、盖板河、沟渠、变直径等；负荷指的是设计充满度；各个因素后面的括号里是各自权重。

(2)评语集的建立

评语集是各种可能评语的集合，可以表示为V＝{V1，V2，…，Vk}(k＝1，2，…，l)。本发明将排水管道风险分为五级分别用一级、二级、三级、四级、五级来表示，以模糊语言来表示为V＝{极小，较小，中等，较大，极大}。

(3)指标权重的计算

本发明中的各项指标权重，可以采用预设值法，也可以采用专家评分法。

对于预设值法，即对上述A1-A3、B1-B14、C1-C40、D1-D45所代表的各个指标均设定预设权重值。

对于专家评分法，则参见下文。

设一级指标的权重向量为W＝(w 1，w2，…，wi)。二级指标的权重向量为Wi＝(wi1，wi2，…，wij)，三、四级指标权重依次类推。

系统评价指标中各个因素有主次之分，对评价目标的影响度也不尽一样，因此需要确定各个影响因素的权重。权重确定的合理性影响着评价目标的合理性和准确性，因素权重确定的方法主要有定性方法(德尔菲法)、定量方法(数理统计和概率论计算)、定性定量相结合的方法(层次分析法)。本发明采用定性定量相结合的层次分析法(AHP)，该方法具有实用性、系统性等优点，在考虑专家主观因素的同时又避免了专家主观的盲目性。

1)构造判断矩阵求因素权重

通过专家评分对各级影响因素的相对重要性进行分析,构造判断矩阵。构造判断矩阵的步骤如下:

根据第一步确定的影响因素，构造两两比较的判断矩阵，比较各个层次因素的重要性将因素的重要性定量化。例如下表中U＝{U1，U2，U3}其中U1(设施自身影响因素)，U2(地铁施工影响因素)，U3(环境风险因素)，构造判断矩阵如下所示，其中bij表示相对于U而言Ui对Uj的相对重要性,通常取1,2,,,9及其倒数。取1表示Ui与Uj同样重要,取3表示Ui比Uj稍微重要,取5表示Ui比Uj明显重要,取7表示Ui比Uj强烈重要,取9表示Ui比Uj极端重要,取2、4、6、8则表示重要性为各相邻判断的中间值。

由判断矩阵A求最大特征值(影响因素权重)和对应的特征向量求矩阵A的特征值与特征向量在数学上有很多方法，这里介绍简单易行的“根法”。

2)计算判断矩阵A每一行的乘积

3)计算M_i的n次方根

4)对标准化

5)求判断矩阵的最大特征值

6)计算“一致性指标”CI

其中：λ_max为判断矩阵A的最大特征值，n为A的阶数，它是衡量不一致程度的数量标准。

7)计算判断矩阵A的“随机一致性指标RI”；

对于1-9阶判断矩阵，给出RI值如下表

8)计算“随机一致性比率”：

当CR＜0.10时，可以认为判断矩阵满足一致性。否则，就必须重新进行两两比较构造判断矩阵，直至满足一致性为止。

9)Ci相对于A的合成权重＝Ci相对于Bij的权重*Bij相对于Ai的权重*Ai相对于A的权重。

上述一至四级指标作为影响因素的权重参见下表1：

表1：一至四级指标作为影响因素的权重

(4)确定隶属度函数

隶属度函数主要是通过经验数据和具体情况来确定，以此来把人们的主观意识加以分析、综合。隶属函数主要有半梯形与梯形分布，K次抛物线分布，Γ型分布，正态分布，柯西分布，岭型分布。根据给定的或设定的隶属度值，结合隶属度函数，得到风险影响因素的等级隶属度值。采用如下的隶属度函数，参见图2-6：

其中:x为环境风险因素评判矩阵R调查表中隶属度值

由隶属度函数和隶属度值得到单因素矩阵，如下表所示:

(5)进行模糊综合评判

1)一级模糊综合评判

A₁＝W₁*R₁ A₂＝W₂*R₂ A₃＝W₃*R₃

根据最大隶属度矩阵可以分别得到排水设施自身风险等级、地铁施工影响因素风险等级、环境风险影响因素等级。

2)二级模糊综合评判

根据最大隶属度矩阵可得排水设施安全风险的等级。

(6)根据上述计算得到的排水设施安全风险的五个等级，按照下列方式确定对应的排水设置安全保护措施：

当排水设施安全风险的等级为一级时，保护措施为不保护，监测方法为不监测；

当排水设施安全风险的等级为二级时，保护措施为管线补强，监测方法为浅层监测；

当排水设施安全风险的等级为三级时，保护措施为管线防渗和/或管线补强，监测方法为浅层监测；

当排水设施安全风险的等级为四级时，保护措施为管线防渗和/或管线补强和/或管线移改，监测方法为浅层监测和/或深层监测；

当排水设施安全风险的等级为五级时，保护措施为管线移改和/或地铁工法改进，监测方法为浅层监测和/或深层监测；

下面列举实例工程示例以更详细说明本发明的应用方式：

实施例1：管道参数如下所示：

1)权重计算

管道参数的合成权重W＝Ci相对于Bij的权重*Bij相对于Ai的权重*Ai相对于A的权重。具体计算方法见图7，图7中括号里的数字为各个因素的权重。

断面尺寸合成权重W1＝0.266*0.066*0.192＝0.0034

老化状况合成权重W2＝0.138*0.105*0.192＝0.0028

结构性缺陷合成权重W3＝0.236*0.239*0.165*0.192＝0.0018

管材合成权重W4＝0.146*0.115*0.192＝0.003

接口形式合成权重W5＝0.218*0.161*0.192＝0.0067

基础形式合成权重W6＝0.761*0.152*0.192＝0.022

运行负荷合成权重W7＝0.238*0.236*0.192＝0.01

对各个合成权重进行归一化处理：

参见图8，图8中括号里的数字为各个因素的权重。

边缘距离13米合成权重W1＝0.068*0.392*0.62*0.437＝0.007

地铁下顺行合成权重＝0.339*0.608*0.62*0.437＝0.056

对各个合成权重进行归一化处理

参见图9，图9中括号里的数字为各个因素的权重。

一般地区合成权重W1＝0.135*0.1*0.371＝0.05

杂填土合成权重W2＝0.136*0.223*0.371＝0.011

汛期合成权重W3＝0.812*0.255*0.371＝0.077

承压水合成权重W4＝0.622*0.421*0.371＝0.097

对各个合成权重进行归一化处理

2)单因素评判矩阵

由单因素评判矩阵R调查表中相应管道参数的数值，带入下列的参数，得到其单因素评判矩阵R。

单因素评判矩阵R值

3)进行模糊综合评判

A＝W*R

1.1)进行一级评判

根据最大隶属度矩阵可得设施自身风险因素为三级

根据最大隶属度矩阵可得地铁施工风险因素为四级

根据最大隶属度矩阵可得环境风险因素为四级

1.2)进行二级评判

根据最大隶属度矩阵可得排水设施的风险等级为四级。

4)根据上述计算得到的排水设施安全风险为四级，按照前述的对应保护措施，确定下列对应的排水设置安全保护措施：

当排水设施安全风险的等级为四级时，保护措施为管线防渗和/或管线补强和/或管线移改，监测方法为浅层监测和/或深层监测。即通过采用上述地铁建设期间排水设施安全保护分级智能判定方法，根据地铁建设期间影响排水设施安全保护的风险因素，以及影响权重和风险等级判定参数，根据各项因素在排水设施安全风险中所占权重，自动判别不同因素下或多项因素组合下的排水设施风险等级，并提供保护措施为管线防渗和/或管线补强和/或管线移改，监测方法为浅层监测和/或深层监测，即在此实施例中需要对排水设施采取管线防渗和/或管线补强和/或管线移改的措施，在对排水设施方面需要采用的监测方法为浅层监测和/或深层监测，以确保排水设施具备合理的保护措施。

实施例2：管道参数如下所示：

1)权重计算

管道参数的合成权重W＝Ci相对于Bij的权重*Bij相对于Ai的权重*Ai相对于A的权重。具体计算方法见图10，图10中括号里的数字为各个因素的权重。

管道断面尺寸合成权重W1＝0.25*0.066*0.25＝0.0041

老化状况合成权重W2＝0.25*0.105*0.5＝0.0131

结构性缺陷W3＝0.25*0.165*0.7*0.2＝0.0058

管材合成权重W4＝0.25*0.115*0.65＝0.0187

接口形式合成权重W5＝0.25*0.161*0.8＝0.0322

基础合成权重W6＝0.25*0.152*0.75＝0.0285

运行负荷W7＝0.25*0.236*0.25＝0.0148

对各个合成权重进行归一化处理

参见图11，图11中括号里的数字为各个因素的权重。

边缘距离7米合成权重W1＝0.5*0.15*0.7*0.073＝0.0038

地铁下顺行合成权重＝0.5*0.15*0.3*0.35＝0.0079

对各个合成权重进行归一化处理

参见图12，图12中括号里的数字为各个因素的权重。

重要地区合成权重W1＝0.25*0.1*0.3＝0.0075

地质情况合成权重W2＝0.25*0.3*0.5＝0.0375

非汛期合成权重W3＝0.25*0.2*0.2＝0.01

潜水合成权重W4＝0.25*0.4*0.25＝0.025

对各个合成权重进行归一化处理

2)单因素评判矩阵

由单因素评判矩阵R调查表中相应管道参数的数值，带入下列的参数，得到其单因素评判矩阵R。

单因素评判矩阵R值

3)进行模糊综合评判

A＝W*R

1.1)进行一级评判

根据最大隶属度矩阵可得设施自身风险因素为三级

根据最大隶属度矩阵可得地铁施工风险因素为四级

根据最大隶属度矩阵可得环境风险因素为四级

1.2)进行二级评判

根据最大隶属度矩阵可得排水设施的风险等级为四级。

4)根据上述计算得到的排水设施安全风险为四级，按照前述的对应保护措施，确定下列对应的排水设置安全保护措施：

当排水设施安全风险的等级为四级时，保护措施为管线防渗和/或管线补强和/或管线移改，监测方法为浅层监测和/或深层监测。即通过采用上述地铁建设期间排水设施安全保护分级智能判定方法，根据地铁建设期间影响排水设施安全保护的风险因素，以及影响权重和风险等级判定参数，根据各项因素在排水设施安全风险中所占权重，自动判别不同因素下或多项因素组合下的排水设施风险等级，并提供保护措施为管线防渗和/或管线补强和/或管线移改，监测方法为浅层监测和/或深层监测，即在此实施例中需要对排水设施采取管线防渗和/或管线补强和/或管线移改的措施，在对排水设施方面需要采用的监测方法为浅层监测和/或深层监测，以确保排水设施具备合理的保护措施。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (1)

1.一种地铁建设期间排水设施安全保护分级智能判定方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤一：确立影响排水设施安全的多个第一、二、三、四级指标因素，对各个指标因素均设定预设权重值；

步骤二：获取待判定的排水设施中管道的多个指标因素的实际参数；

步骤三：对每一个一级指标所包括的管道参数分别进行权重计算并进行归一化处理：

步骤四：将由设定的管道参数的数值代入隶属度函数，得到步骤二中各指标因素的单因素隶属度矩阵R值；

步骤五：进行一级模糊综合评判，根据最大隶属度矩阵分别得到多个第一级指标因素风险等级；再进行二级模糊综合评判，根据最大隶属度矩阵得到最终排水设施安全风险的等级；

步骤六：根据上述计算得到的排水设施安全风险的具体等级，确定对应的排水设置安全保护措施；

在步骤一中，排水设施安全评价指标中的一级指标包括：

A1设施自身因素，A2地铁施工影响因素，A3环境风险因素；

对于一级指标A1设施自身因素,其包括的二级指标为：

B1管道断面尺寸，B2老化状况，B3结构性缺陷，B4管材，B5接口形式，B6基础形式，B7运行负荷；

其中：

B1管道断面尺寸,包括的三级指标为：C1管道断面尺寸<600mm，C2 600mm≤管道断面尺寸≤1000mm，C3 1000mm≤管道断面尺寸≤1500mm，C4管道断面尺寸>1500mm；

B2老化状况,包括的三级指标为：C5老化状况<25年，C56 25年≤老化状况≤40年，

C57 40年≤老化状况≤50年，C58老化状况>50年；

B3结构性缺陷,包括的三级指标为：C9轻度，C10中度，C11重度；

B4管材,包括的三级指标为：C12钢筋混凝土管，C13聚(氯)乙烯，C14特殊结构；

B5接口形式，包括的三级指标为：C15刚性接口，C16柔性接口；

B6基础形式，包括的三级指标为：C17混凝土基础，C18砂石基础；

B7运行负荷，包括的三级指标为：C19零负荷，C20常负荷，C21超负荷；

其中：

C9轻度，包括的四级指标为：D1腐蚀轻度，D2破裂轻度，D3变形轻度，D4错口轻度，D5脱节轻度，D6渗漏轻度，D7侵入轻度；

C10中度，包括的四级指标为：D8腐蚀中度，D9破裂中度，D10变形中度，D11错口中度，D12脱节中度，D13渗漏中度，D14侵入中度；

C11重度，包括的四级指标为：D15腐蚀重度，D16破裂重度，D17变形重度，D18错口重度，D19脱节重度，D20渗漏重度，D21侵入重度；

对于一级指标A2地铁施工影响因素，其包括的二级指标为：

B8明(盖)挖法，B9矿山法，B10盾构法；

其中：

B8明(盖)挖法，包括的三级指标为：C22明(盖)挖法边缘距离，C23明(盖)挖法位置关系；

B9矿山法，包括的三级指标为：C24矿山法边缘距离，C25矿山法位置关系；

B10盾构法，包括的三级指标为：C26盾构法边缘距离，C27盾构法位置关系；

其中：

C22明(盖)挖法边缘距离，包括的四级指标为：D22明(盖)挖法边缘距离＝0，

D23：0＜明(盖)挖法边缘距离≤0.4H，D24：0.4＜明(盖)挖法边缘距离≤0.6H，

D25：0.6＜明(盖)挖法边缘距离≤1.0H；

C23明(盖)挖法位置关系，包括的四级指标为：D26地铁上顺行，D27地铁下顺行，

D28地铁上穿越，D29地铁下穿越；

C24矿山法边缘距离，包括的四级指标为：D30矿山法边缘距离＝0，D31：0＜矿山法边缘距离≤0.5B，D32：0.5B＜矿山法边缘距离≤1.0B，D33：1.0＜矿山法边缘距离≤2.0B；

C25矿山法位置关系，包括的四级指标为：D34地铁上顺行，D35地铁下顺行，D36地铁上穿越，D37地铁下穿越；

C26盾构法边缘距离，包括的四级指标为：D38盾构法边缘距离＝0，D39：0＜盾构法边缘距离≤0.3D，D40：0.3D＜盾构法边缘距离≤0.7D，D41：0.7D＜盾构法边缘距离≤1.0D；

C27盾构法位置关系，包括的四级指标为：D42地铁上顺行，D43地铁下顺行，D44地铁上穿越，D45地铁下穿越；

对于一级指标A3环境风险因素，其包括的二级指标为：

B11地理位置，B12地质情况，B13施工季节，B14水文情况；

其中：

B11地理位置，包括的三级指标为：C28其他位置，C29一般地区，C30重要地区，C31特殊地区；

B12地质情况，包括的三级指标为：C32其他，C33杂填土、粉质粘土，C34膨胀土、淤泥质土，C35粉砂土、湿陷性土；

B13施工季节，包括的三级指标为：C36汛期，C37非汛期；

B14水文情况，包括的三级指标为：C38承压水，C39潜水，C40上层滞水；

在步骤二中，指标参数包括：

A1设施自身因素中的：B1管道断面尺寸、B2老化状况、B3结构性缺陷、B4管材、B5接口形式、B6基础形式、B7运行负荷；

A2地铁施工影响因素中的：B8明(盖)挖法或B9矿山法或B10盾构法的边缘距离和位置关系；

A3环境风险因素中的：B11地理位置、B12地质情况、B13施工季节、B14水文情况；

在步骤三中，对每一个一级指标A1设施自身因素、A2地铁施工影响因素、A3环境风险因素所包括的管道参数分别按照下式进行权重计算：

管道参数的合成权重Wi＝Di相对于Ci的权重*Ci相对于Bi的权重*Bi相对于Ai的权重*Ai相对于A的权重；

得到：

一级指标A1设施自身因素下的：B1管道断面尺寸、B2老化状况、B3结构性缺陷、B4管材、B5接口形式、B6基础形式、B7运行负荷的合成权重依次为W11至W17；对上述W11至W17进行归一化处理得到W11′至W17′；

一级指标A2地铁施工影响因素中的：B8明(盖)挖法或B9矿山法或B10盾构法的边缘距离和位置关系的合成权重依次为W21至W22；对上述W21至W22进行归一化处理得到W21′至W22′；

一级指标A3环境风险因素下的：B11地理位置、B12地质情况、B13施工季节、B14水文情况的合成权重依次为W31至W34；对上述W31至W34进行归一化处理得到W31′至W34′；

在步骤四中，将由设定的管道参数的数值代入下列五级隶属度函数：

从而得到步骤二中各指标的单因素隶属度矩阵R值；

在步骤五中，进行模糊综合评判方法具体为：

1)一级模糊综合评判

A₁＝W₁*R₁ A₂＝W₂*R₂ A₃＝W₃*R₃

根据最大隶属度矩阵可以分别得到排水设施自身风险等级、地铁施工影响因素风险等级、环境风险影响因素等级；

2)二级模糊综合评判

根据最大隶属度矩阵可得最终排水设施安全风险的等级；

在步骤六中，按照下列方式确定对应的排水设置安全保护措施：

当排水设施安全风险的等级为一级时，保护措施为不保护，监测方法为不监测；

当排水设施安全风险的等级为二级时，保护措施为管线补强，监测方法为浅层监测；

当排水设施安全风险的等级为三级时，保护措施为管线防渗和/或管线补强，监测方法为浅层监测；

当排水设施安全风险的等级为四级时，保护措施为管线防渗和/或管线补强和/或管线移改，监测方法为浅层监测和/或深层监测；

当排水设施安全风险的等级为五级时，保护措施为管线移改和/或地铁工法改进，监测方法为浅层监测和/或深层监测。