CN109034582A - 基于云模型和组合赋权的隧道穿越断层突水突泥风险评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了提出了一种基于云模型和组合赋权的隧道穿越断层突水突泥风险评价方法，确定相关风险评价指标，建立突水突泥风险综合评价系统；将突水突泥风险划分为多个级别，确定出每个风险评价指标在各等级的隶属区间；建立每个风险评价指标的正态云确定度函数，以表示测量值变化时确定度的变化情况；采用层次分析法与熵权理论求解各指标的组合权重；建立多指标综合正态云确定度函数，表示各等级下突水突泥灾害发生的概率；代入实时测量参数，确定被评隧道的突水突泥风险等级为综合指标确定度集合中最大值所对应的风险等级。本发明能够定量化解决隧道突水突泥风险评价过程中随机性和模糊性之间关联性不明确的问题。

Description

基于云模型和组合赋权的隧道穿越断层突水突泥风险评价 方法

技术领域

本发明涉及一种基于云模型和组合赋权的隧道穿越断层突水突泥风险评价方法。

背景技术

突水突泥是一种严重的地下工程灾害，隧道开挖或采矿过程中，在穿越或揭露断层、岩溶洞穴等导水地质构造时，大量的水和泥砂涌进隧道或巷道，造成巨大的人员伤亡和经济损失。海底隧道是部分或全部建造在水体下的隧道，地质条件极其复杂，穿越断层时容易发生突水突泥灾害，如何及时准确地确定突水原因，找到突水的水源是预测和解决突水灾害的两个关键问题，开展海底隧道施工期突水突泥灾害的风险评价具有重要意义。

突水突泥风险是一个定性概念，现阶段已有不少对其风险的定性评价，但是对其定量的风险评价还相对匮乏；其次，风险分级过程中受诸多不确定因素的控制与影响，其随机性和模糊性是普遍存在的，以往的方法只解决了其中一方面的问题，未考虑两者之间的关联性。为定量化地解决隧道突水突泥风险评价过程中随机性和模糊性之间关联性不明确的问题，亟需一种新方法对其进行评价。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种基于云模型和组合赋权的隧道穿越断层突水突泥风险评价方法，本发明考虑了风险分级过程中随机性和模糊性的关联性，能够定量化解决隧道突水突泥风险评价过程中随机性和模糊性之间关联性不明确的问题。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于云模型和组合赋权的隧道穿越断层突水突泥风险评价方法，包括以下步骤：

综合考虑设计施工阶段对隧道突水突泥灾害的影响因素，确定相关风险评价指标，建立突水突泥风险综合评价系统；

将突水突泥风险划分为多个级别，确定出每个风险评价指标在各等级的隶属区间；

建立每个风险评价指标的正态云确定度函数，以表示测量值变化时确定度的变化情况；

采用层次分析法与熵权理论求解各指标的组合权重；

建立多指标综合正态云确定度函数，表示各等级下突水突泥灾害发生的概率；

代入实时测量参数，获得待评围岩隶属于各质量等级的综合确定度，确定被评隧道的突水突泥风险等级为综合指标确定度集合中最大值所对应的风险等级。

进一步的，综合考虑设计施工阶段对隧道突水突泥灾害的产生有显著影响的因素，并基于超前预报系统预报解译成果，选取多个相关参数作为风险评价指标，建立海底隧道突水突泥风险综合评价系统。

进一步的，将突水突泥风险划分为K个级别，等级概率空间相应划分为K个，每个评价对象空间的各个评价指标都相应存在K个评价等级。

进一步的，确定各个评价指标在各等级的隶属区间时对不满足正态云模型理论的应用条件的评价指标进行量化或修正。

进一步的，使用正态云产生云模型后对指标的确定度进行计算，利用正态云模型的期望Ex、熵En和超熵He来表征评价对象的各评价指标的测量值所对具有对应属性的大小，用单指标属性测度表示。

进一步的，利用层次分析法依据突水突泥的评价指标构建层次结构，建立判别矩阵并通过一致性检验。

进一步的，利用熵权理论求得各评价指标相对权重，依据各指标所包含的信息量的多少确定指标权重的客观赋权，某个指标的熵越小，说明该指标值的变异程度越大，提供的信息量也就越多，在综合评价中起的作用越大，则该指标的权重也越大。

进一步的，采用特尔斐专家打分法，确定线性加权的分数。

进一步的，待评围岩隶属于各质量等级的综合确定度的计算过程中，为消除单指标确定度量级的差别，将单个指标各等级的确定度进行归一化处理，得到归一化的确定度，各评价等级下多指标综合正态云确定度为每个指标各等级的确定度与相应权重乘积之和。

一种基于云模型和组合赋权的隧道穿越断层突水突泥风险评价系统，运行于处理器或存储器上，被配置为执行以下指令：

考虑设计施工阶段对隧道突水突泥灾害的影响因素，确定相关风险评价指标，建立突水突泥风险综合评价系统；

将突水突泥风险划分为多个级别，确定出每个风险评价指标在各等级的隶属区间；

建立每个风险评价指标的正态云确定度函数，以表示测量值变化时确定度的变化情况；

采用层次分析法与熵权理论求解各指标的组合权重；

建立多指标综合正态云确定度函数，表示各等级下突水突泥灾害发生的概率；

代入实时测量参数，获得待评围岩隶属于各质量等级的综合确定度，确定被评隧道的突水突泥风险等级为综合指标确定度集合中最大值所对应的风险等级。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)针对海底隧道突水突泥灾害风险评价这样一个不确定性问题，基于云模型的评价方法综合考虑问题的随机性和模糊性对评价结果的影响，运用云数字特征表示此概念的不确定性具有优越性，利用云发生器，将突水突泥风险评价中的随机性与模糊性转换为确定度这个定量值，充分揭示了评价过程中的随机性和模糊性之间的关联。

(2)采用熵权法与层次分析法相结合的组合赋权求解方法确定评价指标的权重，能兼顾评价指标重要性和数据竞争重要性，可以更全面地反映各评价指标之间的相互重要性。组合赋权法把评价指标客观信息与评价者主观判断两者相结合,把各评价指标的主、客观权重进行综合,能正确地反映各指标的实际权重。进行权重综合时采用特尔斐专家打分法，确定线性加权的分数。

(3)正态云等级评价方法中各等级的多指标综合正态云确定度体现了各等级下突水突泥灾害发生的概率，并以此评价待评隧道的突水突泥风险属于集合中最大值所对应的风险等级，在以往定性判别隧道风险等级的基础上，定量化地计算出待评对象相对于某等级的隶属度，增强了等级评判的可信度。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1是本实施例的隧道突水突泥风险评价步骤流程图；

图2-图8是本实施例的隧道突水突泥风险评估云滴图。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在本发明中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本发明中任一部件或元件，不能理解为对本发明的限制。

本发明中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。

正如背景技术所介绍的，现阶段已有的隧道突水突泥风险评价多数是定性的，定量的风险评价还相对匮乏；其次，风险分级过程中受诸多不确定因素的控制与影响，其随机性和模糊性是普遍存在的，以往的方法只解决了其中一方面的问题，未考虑两者之间的关联性。为定量化地解决隧道突水突泥风险评价过程中随机性和模糊性之间关联性不明确的问题，亟需一种新方法对其进行评价。

基于云模型和组合赋权的海底隧道穿越断层突水突泥风险评价方法，包括以下步骤：

步骤一：根据隧道突水突泥灾害的主要影响因素，建立突水突泥风险综合评价系统；

步骤二：将突水突泥风险划分为K个级别，确定出单指标在各等级的隶属区间；

步骤三：建立单指标正态云确定度函数，以表示测量值变化时确定度的变化情况；

步骤四：采用层次分析法与熵权理论求解各指标的组合权重；

步骤五：建立多指标综合正态云确定度函数，表示各等级下突水突泥灾害发生的概率；

步骤六：代入实测资料，获得待评围岩隶属于各质量等级的综合确定度，认为被评隧道的突水突泥风险等级属于综合指标确定度集合中最大值所对应的风险等级。

步骤一中，在详细地质分析的基础上，综合考虑设计施工阶段对隧道突水突泥灾害的产生有显著影响的因素，并基于超前预报系统预报解译成果，选取m个相关参数作为风险评价指标，建立海底隧道突水突泥风险综合评价系统。

步骤二中，将突水突泥风险划分为K个级别，等级概率空间C＝{海底隧道突涌水危险性等级}＝{c1，c2，…，cK}，并规定评判等级越低，危险度越高。

步骤二中，设X为评价对象空间(如隧道不同洞段或不同隧道)，其评价对象xi(i＝1，2，…，n；如隧道的某确定洞段)有m个被评价指标Ij(j＝1，2，…，m)；对于xi的第j个评价指标Ij的测量值tj，都有K个评价等级ck(k＝1，2，…，K)。

步骤二中，确定单指标在各等级的隶属区间时需要对某些指标进行量化或修正，以满足正态云模型理论的应用条件，针对不同指标分别选取不同的量化参数进行定量计算。

对指标的修正要视选择的具体指标具体对待，目的是消除不同类别数据之间的量级差异，进行数据预处理，即归一化，以免对后续云模型的计算产生精度的影响，可供选择的修正方法有简单缩放、逐样本均值消减、特征标准化等。

步骤三中，使用正态云产生云模型后对指标的确定度进行计算。正态云模型是最基本也是最适用的云模型，正态云的数字特征主要用期望Ex、熵En和超熵He来表征，这3个参数反映了所分析问题的定性概念和定量特征。评价对象的第j个评价指标的测量值tj具有属性ck的大小，用单指标属性测度μ_k(x_j)表示。

步骤三中，基于单指标Ij在各等级CK的隶属区间[Bimin,Bimax]，计算各等级的期望Exk；

如果指标标准为单边集合，则Exk等于指标的单边界值Bimin或者Bimax。

计算熵Enk

同时选取合适的超熵He(一般设置为常数，且He<0.5)。基于熵Enk和超熵He，生成正态分布的随机数：

采用正向云发生器产生云滴，构建单指标K个评价等级的正态云模型；

步骤三中，输入单指标Ij的指标值xj，使用下式分别计算单指标Ij在各等级Ck确定度μ_k(x_j)：

步骤四中，将熵权法与层次分析法相结合，采用能兼顾评价指标重要性和数据竞争重要性的组合赋权求解方法，可以更全面地反映各评价指标之间的相互重要性。把各评价指标的主、客观权重进行综合,才能正确地反映各指标的实际权重。

步骤四中，层次分析法将定量、定性结合起来，依据突水突泥m个评价指标构建层次结构，建立判别矩阵并通过一致性检验，进而求得各评价指标相对权重，即：W＝wj(j＝1，2，...，m)；

熵权法是一种依据各指标所包含的信息量的多少确定指标权重的客观赋权法，某个指标的熵越小，说明该指标值的变异程度越大，提供的信息量也就越多，在综合评价中起的作用越大，则该指标的权重也应越大。熵权法计算步骤简单，有效利用了指标数据，排除了主观因素的影响，熵权法确定的客观权重为：

V＝vj(j＝1，2，...，m)。

步骤四中，采用特尔斐专家打分法，确定线性加权的分数：

W*＝αW+(1-α)V

所述步骤五中，为了消除单指标确定度量级的差别，将单个指标各等级的确定度μ_k(x_j)进行归一化处理，得到归一化的确定度μ'_k(x_j)。各评价等级下多指标综合正态云确定度μ_k(x)可由式子确定：

其中：w_j为第j个指标的权重，满足：

步骤六中，正态云模型中各等级的多指标综合正态云确定度μ_k(x)体现了各等级下突水突泥灾害发生的概率，因此，认为评价对象x属于集合μ(x)＝{μ₁(x)，…，μ_k(x)}中最大值k所对应的风险等级Ck。

在详细地质分析的基础上，综合考虑设计施工阶段对隧道突水突泥灾害的产生有显著影响的因素，并基于地震波超前预报系统预报解译成果，选取围岩等级、岩石完整性、上覆岩层覆盖厚度、水头高度、隧道断面面积、渗透系数和施工水平7个相关参数作为风险评价指标，建立海底隧道突水突泥风险综合评价系统。

将突水突泥风险划分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、V共5个级别，等级概率空间C＝{海底隧道突涌水危险性等级}＝{c1，c2，c3，c4，c5}，并规定c1＝{Ⅰ级}＝{高危险性}、c2＝{Ⅱ级}＝{较危险性}、c3＝{Ⅲ级}＝{中危险性}、c4＝{Ⅳ级}＝{较安全}、c5＝{V级}＝{安全}。

设X为评价对象空间(如隧道三个不同洞段)，其评价对象xi(i＝1，2，3；如第一洞段)有7个被评价指标Ij(j＝1，2，…，7)；对于xi的第j个评价指标的测量值tj，都有7个评价等级ck(k＝1，2，…，5)。

确定单指标在各等级的隶属区间时需要对某些指标进行量化或修正，以满足正态云模型理论的应用条件，针对不同指标分别选取不同的量化参数进行定量计算。

对指标的修正要视选择的具体指标具体对待，目的是消除不同类别数据之间的量级差异，进行数据预处理，即归一化，以免对后续云模型的计算产生精度的影响，可供选择的修正方法有简单缩放、逐样本均值消减、特征标准化等。

各指标对应的量化参数及其各等级隶属区间见表1。

表1.量化参数及其各等级隶属区间

基于单指标Ij在各等级CK的隶属区间[Bimin,Bimax]计算各等级的：

(1)期望Exk，如果指标标准为单边集合，则Exk等于指标的单边界值Bimin或者Bimax：

(2)熵Enk

(3)超熵He，一般设置为常数，且He<0.5

基于熵Enk和超熵He，生成正态分布的随机数采用正向云发生器产生云滴，构建单指标5个评价等级的正态云模型；输入单指标Ij的指标值xj，使用下式分别计算单指标在各等级Ck的确定度μ_k(x_j)：

采用层次分析法依据突水突泥m个评价指标构建层次结构，建立判别矩阵并通过一致性检验，进而求得各评价指标相对权重，即W＝wj(j＝1，2，…，7)；熵权法依据各指标所包含的信息量的多少确定指标权重的客观赋权法，计算步骤简单，某个指标的熵越小，在综合评价中起的作用越大，则该指标的权重也应越大，有效利用了指标数据，排除了主观因素的影响，熵权法确定的客观权重为：V＝vj(j＝1，2，…，7)。采用特尔斐专家打分法，确定线性加权的分数，计算得到组合权值：

W*＝αW+(1-α)V

为了消除单指标确定度量级的差别，将单个指标各等级的确定度μ_k(x_j)进行归一化处理，得到归一化的确定度μ'_k(x_j)。

各评价等级下多指标综合正态云确定度μ_k(x)可由式子确定：

其中：w_j为第j个指标的权重，满足：

正态云模型中各等级的多指标综合正态云确定度μ_k(x)体现了各等级下突水突泥灾害发生的概率，因此，认为评价对象x发生突水突泥风险的等级属于集合μ(x)＝{μ₁(x)，…，μ_k(x)}中最大值k所对应的风险等级Ck。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种基于云模型和组合赋权的隧道穿越断层突水突泥风险评价方法，其特征是：包括以下步骤：

综合考虑设计施工阶段对隧道突水突泥灾害的影响因素，确定相关风险评价指标，建立突水突泥风险综合评价系统；

将突水突泥风险划分为多个级别，确定出每个风险评价指标在各等级的隶属区间；

建立每个风险评价指标的正态云确定度函数，以表示测量值变化时确定度的变化情况；

采用层次分析法与熵权理论求解各指标的组合权重；

建立多指标综合正态云确定度函数，表示各等级下突水突泥灾害发生的概率；

代入实时测量参数，获得待评围岩隶属于各质量等级的综合确定度，确定被评隧道的突水突泥风险等级为综合指标确定度集合中最大值所对应的风险等级。

2.如权利要求1所述的一种基于云模型和组合赋权的隧道穿越断层突水突泥风险评价方法，其特征是：综合考虑设计施工阶段对隧道突水突泥灾害的产生有显著影响的因素，并基于超前预报系统预报解译成果，选取多个相关参数作为风险评价指标，建立海底隧道突水突泥风险综合评价系统。

3.如权利要求1所述的一种基于云模型和组合赋权的隧道穿越断层突水突泥风险评价方法，其特征是：将突水突泥风险划分为K个级别，等级概率空间相应划分为K个，每个评价对象空间的各个评价指标都相应存在K个评价等级。

4.如权利要求1所述的一种基于云模型和组合赋权的隧道穿越断层突水突泥风险评价方法，其特征是：确定各个评价指标在各等级的隶属区间时对不满足正态云模型理论的应用条件的评价指标进行量化或修正。

5.如权利要求1所述的一种基于云模型和组合赋权的隧道穿越断层突水突泥风险评价方法，其特征是：使用正态云产生云模型后对指标的确定度进行计算，利用正态云模型的期望Ex、熵En和超熵He来表征评价对象的各评价指标的测量值所对具有对应属性的大小，用单指标属性测度表示。

6.如权利要求1所述的一种基于云模型和组合赋权的隧道穿越断层突水突泥风险评价方法，其特征是：利用层次分析法依据突水突泥的评价指标构建层次结构，建立判别矩阵并通过一致性检验。

7.如权利要求1所述的一种基于云模型和组合赋权的隧道穿越断层突水突泥风险评价方法，其特征是：利用熵权理论求得各评价指标相对权重，依据各指标所包含的信息量的多少确定指标权重的客观赋权，某个指标的熵越小，说明该指标值的变异程度越大，提供的信息量也就越多，在综合评价中起的作用越大，则该指标的权重也越大。

8.如权利要求1所述的一种基于云模型和组合赋权的隧道穿越断层突水突泥风险评价方法，其特征是：采用特尔斐专家打分法，确定线性加权的分数。

9.如权利要求1所述的一种基于云模型和组合赋权的隧道穿越断层突水突泥风险评价方法，其特征是：待评围岩隶属于各质量等级的综合确定度的计算过程中，为消除单指标确定度量级的差别，将单个指标各等级的确定度进行归一化处理，仅对渗透系数进行了k＝-lgk的修正，得到归一化的确定度，各评价等级下多指标综合正态云确定度为每个指标各等级的确定度与相应权重乘积之和。

10.一种基于云模型和组合赋权的隧道穿越断层突水突泥风险评价系统，其特征是：运行于处理器或存储器上，被配置为执行以下指令：

考虑设计施工阶段对隧道突水突泥灾害的影响因素，确定相关风险评价指标，建立突水突泥风险综合评价系统；

将突水突泥风险划分为多个级别，确定出每个风险评价指标在各等级的隶属区间；

建立每个风险评价指标的正态云确定度函数，以表示测量值变化时确定度的变化情况；

采用层次分析法与熵权理论求解各指标的组合权重；

建立多指标综合正态云确定度函数，表示各等级下突水突泥灾害发生的概率；

代入实时测量参数，获得待评围岩隶属于各质量等级的综合确定度，确定被评隧道的突水突泥风险等级为综合指标确定度集合中最大值所对应的风险等级。