CN112529267A - 一种基于模糊综合评价法的超前地质预报方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本公开提出了一种基于模糊综合评价法的超前地质预报方法及系统，包括：确定以探测准确性、技术可靠性、经济合理性及数据丰富性为主要条件的影响因素集，影响因素集中包含对应的指标；基于该影响因素集构建模糊综合评判模型，并确定模糊综合评判模型中各对应指标的权重；确定上述模糊综合评判模型中的评价集，并根据隶属函数计算得到的隶属度构建模糊综合评价矩阵；基于得到指标的权重集和模糊综合评价矩阵，根据隶属度最大原则确定物探方法的选取。使得预报方法的选择组合能够根据工程现场的实际情况而不是盲目的进行选择组合，以往的隧道综合超前地质预报主要依赖的人为认为感觉进行选择，不能有效的组合，给预报成本、准确性带来影响。
Description
技术领域
本公开属于地质预报技术领域，尤其涉及一种基于模糊综合评价法的超前地质预报方法及系统。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
随着我国基础设施建设进程的加快，在铁路、公路、水利水电及矿产资源开发等领域将会修建更多的长大隧道、隧洞等地下工程。由于在施工过程中隧道的掘进和支护难度大，以及岩体勘探难度大，所以隧道施工一直是一项高难度的工程。在隧道设计施工之前，需要对拟建工程地段的地质条件进行勘察，受到勘查技术以及岩体的复杂性的限制，往往难以准确地预测隧洞施工中可能发生地质灾害的位置、性质和规模。由于没有对掌子面前方的地质条件形成准确认识，施工过程中可能会遇到意料之外的涌水、涌泥甚至塌方等事故，造成严重的影响。因此隧道施工过程中进行超前地质预报十分重要。
目前，针对不同的地理环境和施工条件，超前地质预报的方法也不尽不同，但均需要现场施工人员结合现场实际情况进行一定程度的摸索，并且勘测方式较为单一，无法准确预测隧道施工前方的地质条件。应用综合物探技术进行探测，可以使各方法成果互相佐证，取长补短，减少探测结果多解性，提高物探解释精度。常见的综合预报方法和体系，重点强调某几种预报方法的综合应用，即缺乏对不同地质对象的适用性研究，而只是数量上的简单叠加，存在成本高、周期长、缺乏时效性等局限性，同时准确性仍有待进一步提高，不同预报方式的有效组合成为解决这个问题的关键。
发明内容
为克服上述现有技术的不足，本公开提供了一种基于模糊综合评价法的超前地质预报方法，研究不同预报方法对特定工程地质条件的适用性，以选择几种最优预报方法，为今后的综合超前地质预报提供了参考和借鉴。
为实现上述目的，本公开的一个或多个实施例提供了如下技术方案：
第一方面，公开了一种基于模糊综合评价法的超前地质预报方法，包括：
确定以探测准确性、技术可靠性、经济合理性及数据丰富性为主要条件的影响因素集，影响因素集中包含对应的指标；
基于该影响因素集构建模糊综合评判模型，并确定模糊综合评判模型中各对应指标的权重；
确定上述模糊综合评判模型中的评价集，并根据隶属函数计算得到的隶属度构建模糊综合评价矩阵；
基于得到指标的权重集和模糊综合评价矩阵，根据隶属度最大原则确定物探方法的选取。
进一步的技术方案，所述模糊综合评判模型中，探测准确性、技术可靠性、经济合理性和数据丰富性四个类别作为模糊综合评判模型中的一级指标；
所述探测准确性包括地下水、溶洞、地质构造、以及断层四个类别对应的二级指标；
所述技术可靠性包括作业环境要求以及技术的成熟度两个类别对应的二级指标；
所述经济合理性包括探测所需要的人员、价格以及工期的紧张程度三个类别对应的二级指标；
所述数据丰富性包括探测距离以及分辨率两个类别对应的二级指标。
进一步的技术方案，所述确定模糊综合评判模型中各对应指标的权重时，通过层次分析法确定评价体系中各指标的主观权重，通过熵权法确定评价体系中各指标的客观权重，通过上述两种方法组合形成的综合权重来确定各指标的最终权重。
进一步的技术方案，所述通过层次分析法确定评价体系中各指标的主观权重时，具体为：
构建层次分析模型：确定影响因素指标；
构造比较判断矩阵：根据重要性指标采用定量化的1～9及其倒数的标度方法对物探方法的选择指标进行排序；
求解判断矩阵。
进一步的技术方案，所述求解判断矩阵，具体为：
采取平方根法进行求解：计算判断矩阵各列的总和，对列的元素进行归一化，将归一化的列向量逐行相加，得到平方根向量，然后对平方根向量进行归一化，得到排序权重向量；
计算判断矩阵的最大特征根，计算一致性比率，基于一致性比率确定标准化后的特征向量作为权向量。
进一步的技术方案，所述通过熵权法确定评价体系中各指标的客观权重，具体为：
针对评价对象及评价指标，构造原始矩阵；
将各个指标的数据进行标准化处理，即把指标的绝对值转化为相对值，得到标准化的矩阵；
在第j个指标下，计算第i个评价方案的特征比重，计算第j项指标的熵值，根据熵值，计算第j项评价指标的权重。
进一步的技术方案，采用线型加权组合法来计算综合权重，得到各指标的综合权重构成的最终权重集。
进一步的技术方案，根据各种预报方式的优缺点，选择地质雷达、瞬变电磁法、高密度电法、跨孔电阻率CT、浅层地震和重力勘探六种物探方法作为评价集合。
进一步的技术方案，采用百分比统计法反映各评价指标隶属度，将所有指标的模糊隶属函数的隶属度构建模糊综合评价矩阵。
第二方面，公开了一种基于模糊综合评价法的超前地质预报系统，包括：
模糊综合评判模型构建模块，被配置为：确定以探测准确性、技术可靠性、经济合理性及数据丰富性为主要条件的影响因素集，影响因素集中包含对应的指标；
基于该影响因素集构建模糊综合评判模型，并确定模糊综合评判模型中各对应指标的权重；
物探方法的选取建模块，被配置为：确定上述模糊综合评判模型中的评价集，并根据隶属函数计算得到的隶属度构建模糊综合评价矩阵；
基于得到指标的权重集和模糊综合评价矩阵，根据隶属度最大原则确定物探方法的选取。
以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：
本公开技术方案将模糊综合评价方法引入到隧道超前地质预报的选择中。使得预报方法的选择组合能够根据工程现场的实际情况而不是盲目的进行选择组合，以往的隧道综合超前地质预报主要依赖的人为认为感觉进行选择，不能有效的组合，给预报成本、准确性带来影响。
本公开技术方案将层次分析法和熵权法结合，这样既能有效利用专家经验，又能通过熵权法克服层次分析法的主观性缺陷，使得评价方法更加客观准确。
本公开技术方案将不同预报方式的合理组合，大大提高了隧道超前地质预报的准确性，减少了工作量和预报成本。
本发明附加方面的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
构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。
图1本公开实施例子的模糊综合评价流程图；
图2本公开实施例子的地质预报最佳方案评价指标体系图。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开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公开的示例性实施方式。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。
在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例一
本实施例公开了一种基于模糊综合评价法的超前地质预报方法，参见图1对本发明做详细的描述，包括：
步骤1，通过分析探测区域的地下水、溶洞、地质构造以及断层，确定以探测准确性为主要条件的影响因素集；
步骤2，通过分析探测区域的作业环境以及技术的成熟度，确定以技术可靠性为主要条件的影响因素集；
步骤3，通过分析探测所需要的人员、价格以及工期的紧张程度，确定以经济合理性为主要条件的影响因素集；
步骤4，通过分析探测的深度以及分辨率，确定以数据丰富性为主要条件的影响因素集；
步骤5，通过步骤1、步骤2、步骤3建立评价超前地质预报方法选取的模糊综合评判模型；
步骤6，确定上述模糊综合评判模型中各对应指标的权重。为了量化各指标的重要程度，需要对各个选取的指标赋予相应的权重W；
步骤7，确定上述综合评价体系中的评价集V；
步骤8，确定隶属度函数，并根据隶属函数计算得到的隶属度构建模糊综合评价矩阵R；
步骤9，综合得到指标的权重集W和模糊综合评价矩阵R，根据隶属度最大原则确定物探方法的选取。
参见图2，步骤5)中模糊综合评判模型为两层的评判模型，所述的探测准确性、技术可靠性、经济合理性和数据丰富性四个类别作为模糊综合评判模型中的一级指标，所述探测准确性包括地下水、溶洞、地质构造、以及断层四个类别对应的二级指标，所述技术可靠性包括作业环境要求以及技术的成熟度两个类别对应的二级指标，所述经济合理性包括探测所需要的人员、价格以及工期的紧张程度三个类别对应的二级指标，所述数据丰富性包括探测距离以及分辨率两个类别对应的二级指标。
(1)探测准确性
探测的准确程度是影响物探方法选择最重要的因素，不同的物探方法对于地下水、溶洞等异常体在地下的分布特征、形态、埋藏深度、位置等信息的敏感性各异。本文选取地下水敏感性、溶洞敏感性、地质构造敏感性和断层敏感性四个参数作为评价探测准确性的二级指标。
(2)技术可靠性
物探方法的使用会受到场地、地形条件的限制，同时干扰源的存在也会对方法产生较大影响，针对不同的环境往往采用不同的物探方法，本文选取环境要求程度、技术成熟程度两个参数作为评价技术可靠性的二级指标。
(3)经济合理性
任何物探方法的实施都是有时间和经济成本的，这是所有物探方案制定的先决条件，只有方案符合成本要求才有去实施的价值。本文选取技术本身成本、工期成本和人员成本三个参数作为评价经济合理性的二级指标。
(4)数据丰富性
数据采集是勘探工作的首要目的，而采集的数据量则反映了工作的效率和质量，好的方法必然是能够获取更丰富、更精确的数据。本文选取探测深度和分辨率两个参数作为评价数据丰富性的二级指标。
本实施例中，步骤6)中为了量化各指标的重要程度，需要对各个选取的指标赋予相应的权重，步骤如下：
6.1)通过层次分析法确定评价体系中各指标的主观权重w；
6.2)通过熵权法确定评价体系中各指标的客观权重λ；
6.3)通过上述两种方法组合形成的综合权重来确定各指标的最终权重W，这样既能有效利用专家经验，又能通过熵权法克服层次分析法的主观性缺陷，使得评价方法更加客观准确。
本实施例中，步骤6.1)的详细步骤包括：
6.1.1)构建层次分析模型。采用专家调查法确定影响因素指标P1，P2，…，Pn；
6.1.2)构造比较判断矩阵。请多位专家根据重要性指标采用定量化的1～9、及其倒数的标度方法对物探方法的选择指标进行评分。
6.1.3)求解判断矩阵。本文采取平方根法进行求解：计算判断矩阵各列的总和，对列的元素进行归一化，将归一化的列向量逐行相加，得到平方根向量，然后对平方根向量进行归一化，得到排序权重向量：
进行归一化处理，得到第i层相关元素相对于该层的权重向量wi：
式(2)中，
表示判断矩阵中每一行元素的乘积，
表示wi的n次方根6.1.4)一致性检查。
计算判断矩阵的最大特征根λmax：
计算一致性比率CR：
式(4)中，RI为判断矩阵B的随机一致性指标，CI为判断矩阵B的一致性指标。当CR<0.1时，即判断矩阵的一致性是可以接受的，可用标准化后的特征向量作为权向量，否则需重新调整判断矩阵。
本实施例中，步骤6.1.2)通过对专家及相关从业人员问卷调查，对照分值表，对不同影响因素之间的相对重要程度进行以下两两比对：
分值表
最终形成目标层—准则层分析优化矩阵如下所示：
计算第2级因素集的权重(Bi-bij)。通过向专家及相关技术人员发放调查问卷，汇总调查结果，确定各准则层—指标层判断矩阵:
最终形成准则层—指标层分析优化矩阵如下所示：
表1～9以及倒数标度法
本实施例中，步骤6.2)的详细步骤包括：
6.2.1)设有m个评价对象，n个评价指标，构造原始矩阵X＝(xij)m×n：
6.2.2)将各个指标的数据进行标准化处理，即把指标的绝对值转化为相对值，从而解决各项不同质指标值的同质化问题：
对于正向指标(数值越高越好)
对于负向指标(数值越低越好)
得到标准化的矩阵Y：
6.2.3)在第j个指标下，计算第i个评价方案的特征比重
计算第j项指标的熵值
式(10)中，k＝1/ln(m)>0
6.2.4)根据熵值，计算第j项评价指标的权重
本实施例中，步骤6.2.1)构建原始矩阵如下：
本实施例中，步骤6.2.2)矩阵标准化如下：
本实施例中，步骤6.2.3)计算熵值如下：
e＝(0.538,0.635,0.685,0.67,0.852,0.681,0.489,0.652,0.703,0.846,0.867)
本实施例中，步骤6.2.4)计算权重如下：
λ＝(0.136,0.108,0.093,0.098,0.044,0.094,0.151,0.095,0.088,0.054,0.039)
本实施例中，步骤6.3)的详细步骤包括：
为了能够使得此方法的应用范围更广，本文采用线型加权组合法来计算综合权重，
Wj＝μjwj+(1-μj)λj (12)
式(12)中，wj为层次分析法求出的第j个指标的主观权重，λj为熵权法求出的客观权重，Wj为第j个指标的综合权重。μj(0≤μj≤1)为指标的经验因子，取决于决策者对主观经验和客观数据之间的偏好程度。0≤μj≤0.5，说明决策者更倾向于客观数据；0.5≤μj≤1，说明决策者更倾向于主观经验。得到各指标的综合权重构成的最终权重集W：
W＝(W1,W2,…,Wj,…,Wn) (13)
本实施例中，步骤6.3)得到的综合权重如下：
W＝(0.499,0.128,0.28,0.093)
W1＝(0.301,0.417,0.121,0.161)W2＝(0.325,0.675)
W3＝(0.505,0.211,0.284)W4＝(0.624,0.376)
本实施例中，步骤7)中根据各种预报方式的优缺点，选择地质雷达、瞬变电磁法、高密度电法、跨孔电阻率CT、浅层地震和重力勘探六种物探方法作为评价集合；
对应的评价集为：V＝(v1,v2,v3,v4,v5,v6)＝(地质雷达，瞬变电磁法,高密度电法，跨孔电阻率CT，浅层地震，重力勘探)；
本实施例中，步骤8)中采用百分比统计法反映各评价指标隶属度：
式(14)中，Pij表示评价指标ui级别为vi的人数，P表示参与评分的总人数。
本实施例中，步骤8)得到隶属度矩阵如下表所示：
本实施例中，步骤8)将所有指标的模糊隶属函数的隶属度构建模糊综合评价矩阵R：
本实施例中，步骤8)得到模糊综合评价矩阵如下：
本实施例中，步骤9)通过综合上述得到的权重集W和模糊综合评价矩阵R，根据隶属度最大原则确定物探方法的选取：
B＝W·R＝[b1,b2,…,bk] (16)
本实施例中，步骤9)得到最终评价结果如下：
B＝W·R＝(0.217,0.176,0.184,0.158,0.203,0.062)
根据最大隶属度原则，最合理的超前地质预报方案(两种方法)是地质雷达和浅层地震。由于地质雷达测得较浅，浅层地震测得较深，这也符合“长短结合”的原则。
实施例二
本实施例的目的是提供一种计算装置,包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现上述实施例子一中的方法的步骤。
实施例三
本实施例的目的是提供一种计算机可读存储介质。
一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时执行上述实施例子一中的方法的步骤。
实施例四
本实施例的目的是提供一种基于模糊综合评价法的超前地质预报系统，包括：
模糊综合评判模型构建模块，被配置为：确定以探测准确性、技术可靠性、经济合理性及数据丰富性为主要条件的影响因素集，影响因素集中包含对应的指标；
基于该影响因素集构建模糊综合评判模型，并确定模糊综合评判模型中各对应指标的权重；
物探方法的选取建模块，被配置为：确定上述模糊综合评判模型中的评价集，并根据隶属函数计算得到的隶属度构建模糊综合评价矩阵；
基于得到指标的权重集和模糊综合评价矩阵，根据隶属度最大原则确定物探方法的选取。
以上实施例二、三和四的装置中涉及的各步骤与方法实施例一相对应，具体实施方式可参见实施例一的相关说明部分。术语“计算机可读存储介质”应该理解为包括一个或多个指令集的单个介质或多个介质；还应当被理解为包括任何介质，所述任何介质能够存储、编码或承载用于由处理器执行的指令集并使处理器执行本公开中的任一方法。
本领域技术人员应该明白，上述本公开的各模块或各步骤可以用通用的计算机装置来实现，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。本公开不限制于任何特定的硬件和软件的结合。
以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开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公开的保护范围以内。
Claims (10)
1.一种基于模糊综合评价法的超前地质预报方法，其特征是，包括：
确定以探测准确性、技术可靠性、经济合理性及数据丰富性为主要条件的影响因素集，影响因素集中包含对应的指标；
基于该影响因素集构建模糊综合评判模型，并确定模糊综合评判模型中各对应指标的权重；
确定上述模糊综合评判模型中的评价集，并根据隶属函数计算得到的隶属度构建模糊综合评价矩阵；
基于得到指标的权重集和模糊综合评价矩阵，根据隶属度最大原则确定物探方法的选取。
2.如权利要求1所述的一种基于模糊综合评价法的超前地质预报方法，其特征是，所述模糊综合评判模型中，探测准确性、技术可靠性、经济合理性和数据丰富性四个类别作为模糊综合评判模型中的一级指标；
所述探测准确性包括地下水、溶洞、地质构造、以及断层四个类别对应的二级指标；
所述技术可靠性包括作业环境要求以及技术的成熟度两个类别对应的二级指标；
所述经济合理性包括探测所需要的人员、价格以及工期的紧张程度三个类别对应的二级指标；
所述数据丰富性包括探测距离以及分辨率两个类别对应的二级指标。
3.如权利要求1所述的一种基于模糊综合评价法的超前地质预报方法，其特征是，所述确定模糊综合评判模型中各对应指标的权重时，通过层次分析法确定评价体系中各指标的主观权重，通过熵权法确定评价体系中各指标的客观权重，通过上述两种方法组合形成的综合权重来确定各指标的最终权重。
4.如权利要求1所述的一种基于模糊综合评价法的超前地质预报方法，其特征是，所述通过层次分析法确定评价体系中各指标的主观权重时，具体为：
构建层次分析模型：确定影响因素指标；
构造比较判断矩阵：根据重要性指标采用定量化的1～9及其倒数的标度方法对物探方法的选择指标进行排序；
求解判断矩阵。
5.如权利要求4所述的一种基于模糊综合评价法的超前地质预报方法，其特征是，所述求解判断矩阵，具体为：
采取平方根法进行求解：计算判断矩阵各列的总和，对列的元素进行归一化，将归一化的列向量逐行相加，得到平方根向量，然后对平方根向量进行归一化，得到排序权重向量；
计算判断矩阵的最大特征根，计算一致性比率，基于一致性比率确定标准化后的特征向量作为权向量。
6.如权利要求1所述的一种基于模糊综合评价法的超前地质预报方法，其特征是，所述通过熵权法确定评价体系中各指标的客观权重，具体为：
针对评价对象及评价指标，构造原始矩阵；
将各个指标的数据进行标准化处理，即把指标的绝对值转化为相对值，得到标准化的矩阵；
在第j个指标下，计算第i个评价方案的特征比重，计算第j项指标的熵值，根据熵值，计算第j项评价指标的权重。
7.如权利要求1所述的一种基于模糊综合评价法的超前地质预报方法，其特征是，根据各种预报方式的优缺点，选择地质雷达、瞬变电磁法、高密度电法、跨孔电阻率CT、浅层地震和重力勘探六种物探方法作为评价集合；
采用百分比统计法反映各评价指标隶属度，将所有指标的模糊隶属函数的隶属度构建模糊综合评价矩阵。
8.一种基于模糊综合评价法的超前地质预报系统，其特征是，包括：
模糊综合评判模型构建模块，被配置为：确定以探测准确性、技术可靠性、经济合理性及数据丰富性为主要条件的影响因素集，影响因素集中包含对应的指标；
基于该影响因素集构建模糊综合评判模型，并确定模糊综合评判模型中各对应指标的权重；
物探方法的选取建模块，被配置为：确定上述模糊综合评判模型中的评价集，并根据隶属函数计算得到的隶属度构建模糊综合评价矩阵；
基于得到指标的权重集和模糊综合评价矩阵，根据隶属度最大原则确定物探方法的选取。
9.一种计算装置,包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征是，所述处理器执行所述程序时实现上述权利要求1-7任一所述的方法的步骤。
10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征是，该程序被处理器执行时执行上述权利要求1-7任一所述的方法的步骤。
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