一种基于ISM与模糊贝叶斯网络的隧道坍塌风险评估方法技术

本发明专利技术属于工程风险评估领域，具体为一种基于ISM与模糊贝叶斯网络的隧道坍塌风险评估方法。其中主要包括如下步骤：步骤一，总结影响隧道坍塌的风险因素；步骤二，度量因素之间的关系度；步骤三，计算中心度和原因度；步骤四，构建可达矩阵M；步骤五，构建因素层次关系；步骤六，引入模糊贝叶斯网络；步骤七，贝叶斯网络推理分析。本发明专利技术引入Dematel模型实现因素筛选，利用ISM得到隧道坍塌关键因素，解决了现有因素相互关系和相互作用构建难问题，实现了分析关键因素的作用，同时引入模糊贝叶斯网络，对隧道坍塌进行推理、诊断，为决策者提供了实时分析和决策。时分析和决策。时分析和决策。

【技术实现步骤摘要】
一种基于ISM与模糊贝叶斯网络的隧道坍塌风险评估方法


[0001]本专利技术属于工程风险评估领域，具体为一种基于ISM与模糊贝叶斯网络的隧道坍塌风险评估方法

技术介绍

[0002]近年来，伴随着交通需求量的不断攀升以及用地紧张的情况下，隧道建设在国内迅速发展，截至2017年我国运营铁路隧道有14700座，总长15781km；公路隧道16281座，总长约15240km。由于隧道在建设过程中的不确定环境因素多样，施工建设中安全事故频频发生，隧道坍塌作为隧道施工中的主要事故，每年因隧道坍塌而带来的人员伤亡及财产损失不计其数，隧道坍塌已不容忽视的安全事故。
[0003]为减少隧道施工过程中发生坍塌事故，研究者对隧道坍塌事故的风险识别和风险评估做了广泛的研究。从目前国内做隧道坍塌的情况来看，大多数研究者做坍塌，仅仅考虑了隧道坍塌单因素的作用，从而得到一个风险评估的结果，而隧道坍塌风险是多种因素相互之间的结果造成的，研究者没有建立隧道因素之间的相互关系。同时在分析系统因素时，因素本身的由来往往具有主观性，不能确定哪些因素对系统的影响大，无法断定那些因素才是系统所需的。
[0004]解释结构模型(ISM)是一种将复杂的系统要素通过专家的实践知识和经验，转化为清晰明了的层次结构模型。决策实验室分析法(DEMATEL)是一种把图论与矩阵工具相结合，从而实现因素分析与识别的一种方法，同时引入模糊理论与贝叶斯网络，实现隧道坍塌风险评估。将解释结构模型和决策实验室分析法相结合，引入到隧道坍塌中，目的是建立隧道坍塌风险因素之间的关系，为更好把握隧道坍塌风险因素间的重要性，在ISM得到层次关系的情况下，实现层次关系到贝叶斯网络结构的转化，同时结合了模糊理论和贝叶斯网络，模糊理论可提高数据的有效性和准确性，贝叶斯网络是不确定性环境下实现知识诊断、推理的理想工具，结合其优势，实现隧道坍塌风险评估。该风险评估方法便于决策者把控影响隧道坍塌的首要因素，实现风险控制，减轻风险带来的伤亡与损失。

技术实现思路

[0005]针对上述不足，本专利技术提供了一种基于ISM与模糊贝叶斯网络的隧道坍塌风险评估方法，该方法结合了决策实验室分析法和解释结构模型的优势，可得出多因素之间的相互关系及因素的重要性，利用模糊贝叶斯网络评估隧道坍塌的风险，解决目前隧道坍塌仅仅考虑单因素的作用下而得到一个评估结果的问题，实现了多因素联合作用下的风险评估。
[0006]为实现上述目的，本专利技术提供了一种基于ISM与模糊贝叶斯网络的隧道坍塌风险评估方法，该方法步骤如下。
[0007]步骤一，总结影响隧道坍塌的风险因素。通过调研收集近10年隧道坍塌事故案例，提取案例中造成隧道坍塌的风险因素，汇总同类型的风险因素,具体因素见表1。
[0008]表1隧道坍塌因素统计表
[0009][0010]步骤二，度量因素之间的关系度；引入Dematel模型，通过专家的意见，度量风险因素之间的关系度大小。
[0011]步骤三，计算中心度和原因度；根据因素关系度，构建直接影响矩阵A，计算综合影响矩阵T，确定影响因素的中心度和原因度。
[0012]步骤四，构建可达矩阵M；根据步骤三得到的综合影响矩阵T，根据设置的λ值，转化为邻接矩阵B，通过布尔运算，得到可达矩阵M。
[0013]步骤五，构建因素层次关系；根据步骤四得到的可达矩阵M，划分多层次因素结构。
[0014]步骤六，引入模糊贝叶斯网络；根据步骤五得到的隧道坍塌因素层次关系图，去掉循环回路弧以及多余弧，假定各因素均具有3种风险等级状态，得到贝叶斯网络结构模型，引入模糊理论处理专家意见，得到隧道坍塌各节点因素的先验概率和条件概率。
[0015]步骤七，贝叶斯网络推理分析；把步骤六得到的贝叶斯网络结构图及其概率输入到GeNle软件中，利用GeNle工具，实现隧道坍塌风险诊断、推理评估。
[0016]进一步地，在步骤一中，隧道坍塌案例的收集，可通过知网、各大主流新闻网站等途径，本文提取了5大类17个影响隧道坍塌的风险因素，分别是地质因素：围岩稳定性差，特殊不良地质，偏压严重，浅埋，地质条件突变，地下(表)水渗流量。勘察设计因素：设计不合理，地质勘查不准确。施工因素：施工不规范，施工措施和质量不到位，支护不及时，支护强度不足，施工扰动过大。组织管理因素：管理认识水平低，监控量测不达标，超前地质预报不力。自然因素：大气降雨量。
[0017]进一步地，在步骤二中，度量风险因素之间关系度的大小，用0-4标度进行度量，其中0代表无影响；1代表弱影响；2代表中度影响；3代表较强影响；4代表强烈影响。
[0018]进一步地，在步骤三中，构造的直接影响矩阵A，通过计算矩阵各行的最大值，让每一行数字分别除以得到的最大值，做归一化处理，得到规范影响矩阵B，通过T＝B(1-B)-1
矩阵运算，得到综合影响矩阵T，中心度为影响度与被影响度的和，原因度为影响度与被影响度的差，其中影响度为综合影响矩阵T每一行的和，被影响度为综合影响矩阵T每一列的和。
[0019]进一步地，在步骤四中，λ为不定值，可根据综合影响矩阵T的情况取值，根据综合影响矩阵T的值与λ值对比，大于λ值的转化为1，小于λ值的转化为0，从而得到邻接矩阵B，运
用布尔代数运算0+0＝0，0+1＝1，1+1＝1；0*0＝0，0*1＝0，1*1＝1的原则计算可达矩阵M，其中(B+I)1≠(B+I)2≠(B+I)3…
≠(B+I)
K-1
≠(B+I)
K
＝(B+I)
K+1
＝M，I为单位矩阵。
[0020]进一步地，在步骤五中，多层次结构的划分，可根据可达集R(Si)∩先行集Q(Sj)＝可达集R(Si)作为划分层次结构的规则。其中可达集R(Si)代表行要素Si对列要素有影响的因素集合，先行集Q(Sj)代表列要素Sj对行要素有影响的因素集合。
[0021]进一步地，在步骤六中，节点先验概率和条件概率通过领域专家的知识，使用模糊集理论获得。首先，通过专家调查得到各个节点不同风险等级状态意见，并把得到的自然语言变量转化为三角模糊概率；接着把得到的三角模糊概率均值化；最后，运用面积均值法解模糊化，得到的概率值做归一化处理，得到的结果为各个节点的概率值。
[0022]本专利技术的优势如下。
[0023](1)本专利技术整合了Dematel与ISM，利用其优势，得到了隧道坍塌风险因素之间的交互关系，识别了造成隧道坍塌的关键因素，挖掘了造成隧道坍塌的潜在可能因素，便于决策者把握关键因素进行事故的预防，具有较好的借鉴意义和价值。
[0024](2)本专利技术利用模糊贝叶斯网络推理、诊断功能，实现了风险预测分析，同时贝叶斯网络的先验概率通过模糊理论得到，避免了从专家处获得直接先验概率不准确性的缺陷，该方法具有一定合理性，提高了隧道坍塌风险安全诊断的准确性，具有一定的实用性。
附图说明
[0025]图1为本专利技术的方法步骤示意图
具本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于ISM与模糊贝叶斯网络的隧道坍塌风险评估方法，其特征在于，所述风险评估方法主要包括以下步骤：步骤一：总结影响隧道坍塌的风险因素；通过调研收集近10年隧道坍塌事故案例，提取案例中造成隧道坍塌的风险因素，汇总同类型的风险因素。步骤二：度量因素之间的关系度；引入Dematel模型，通过专家的意见，度量风险因素之间的关系度大小。步骤三：计算中心度和原因度；根据因素关系度，构建直接影响矩阵A，计算综合影响矩阵T，确定影响因素的中心度和原因度。步骤四：构建可达矩阵M；根据步骤三得到的综合影响矩阵T，根据设置的λ值，转化为邻接矩阵B，通过布尔运算，得到可达矩阵M。步骤五：构建因素层次关系；根据步骤四得到的可达矩阵M，划分多层次因素结构。步骤六：引入模糊贝叶斯网络；根据步骤五得到的隧道坍塌因素层次关系图，去掉循环回路弧以及多余弧，假定各因素均具有3种风险等级状态，得到贝叶斯网络结构模型，引入模糊理论处理专家意见，得到隧道坍塌各节点因素的先验概率和条件概率。步骤七：贝叶斯网络推理分析；把步骤六得到的贝叶斯网络结构图及其概率输入到GeNle软件中，利用GeNle工具，实现隧道坍塌风险诊断、推理评估。2.根据权利要求1所述的一种基于ISM与模糊贝叶斯网络的隧道坍塌风险评估方法，其特征在于，所述步骤二中，度量风险因素之间关系度的大小，用0-4标度进行度量，其中0代表无影响；1代表弱影响；2代表中度影响；3代表较强影响；4代表强烈影响。3.根据权利要求1所述的一种基于ISM与模糊贝叶斯网络的隧道坍塌风险评估方法，其特征在于，所述步骤三中，构造的直接影响矩阵A，通过计算矩阵各行的最大值，让每一行数字分别除以得到的最大值，做归一化处理，得到规范影响矩阵B，通过T＝...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡启军，唐涛，何乐平，李志伟，管国梁，张成勇，
申请(专利权)人：西南石油大学，
类型：发明
国别省市：