杨洪镅

（太原市市政公共设施管理处，太原030002）

非开挖技术是一种极为重要的城市铺设管道的施工手段，因其在市政工程建设过程中可减少对市民的正常生活及交通、环境以及周边建筑基础等的破坏或不良影响，在国外已广泛使用，国内也在逐步普及。虽然非开挖技术有诸多的优点，应用前景广阔，但也伴随着高风险，特别是在施工作业过程中地下情况复杂、地面施工空间受限、交通繁忙、人员流动性大时，施工风险更甚。为了减少非开挖施工风险，需要对这些风险进行分析管理，使得潜在损失最小。

目前风险评价在各领域的应用越来越广泛，非开挖施工领域常用的风险管理措施就是对非开挖施工风险进行评价，并基于评价结果，提出相应的风险应急措施［1］，但采用的方法不能很好掌握非开挖过程的各类信息，其评价结果可参考性较低；另外部分方法并不完善，只能定量地从某一方面反映工程的情况，或者只是对某一工程日前的评价，而不能及时更新，完善非开挖施工风险评价体系。

非开挖施工过程中的风险是不确定的，不仅具有随机性，而且还具有模糊性，可以采用模糊综合评定法对非开挖施工风险进行评价［2］。基于此，笔者借鉴部分学者提出的模糊本体的概念与原理，把非开挖施工领域的相关知识进行系统化、形式化的整理，存入计算机，进而构建语义网环境下的非开挖施工风险评价模糊本体，从分散的信息源收集有效信息，本体间可相互联系，亦可明确导入其他本体的信息，从而提高非开挖施工知识的可重用性和共享性。

1 模糊领域本体概述

将本体理论与模糊理论相结合，通过建立概念层，将形式概念与模糊逻辑整合后处理不确定信息，从而形成模糊本体［3］。模糊领域本体是针对某一特定领域的模糊本体，可以用一个六元组来表示［4］：

式中：OF表示模糊领域本体；Cx是一个模糊的概念，是对论域概念的描述，每个概念有一组属性对其进行深入描述，属性值可具有模糊性，也可不具有模糊性；Ct是模糊概念Cx的集合，其每个元素也可称为类，均需进行规范化描述；PF是概念属性的集合，任一个属性p∈PF都是一个四元结构PF（Cp，Vp，U，μp），Cp是本体概念集，Vp是模糊属性值，U 为模糊概念的取值范围，μp为模糊语言变量的隶属度；O表示模糊概念集的运算集，基本操作有交运算、补运算、并运算等，用于模糊本体概念的创建与合成；R是概念集Ct上的二元关系的集合，包括普通关系、模糊关系与直觉模糊关系等；AC是公理的集合，表示公认的事实或合理的推理规则，主要包括反应式规则和演绎规则，用于对知识的推理、演绎，用来处理知识库内信息。

模糊领域本体的确立将概念属性由纯概念扩展到其与模糊概念的结合，而且引入模糊关系与直觉模糊关系，有利于描述各种模糊现象。通过相关的规则，以模糊方式对概念、公理等本体进一步处理，建立了自然语言和计算机语言的关联，从而便于计算机计算处理。

2 基于模糊本体的市政工程非开挖施工风险评价系统的总体框架

随着信息技术的发展，未来的非开挖技术将向着由计算机全遥控的可自动测量记录、自动导向纠偏和全程可视监控的方向发展［5］。建立市政工程非开挖施工风险评价系统，既能满足市政工程施工单位的实际需求，又能实现非开挖施工风险评价知识的共享。通过不断的实践，进一步完善非开挖施工风险评价模糊领域本体，从而全面提升市政工程非开挖施工风险管理的水平。

基于模糊本体的市政工程非开挖施工风险评价系统的基本设计思想是：

1）在市政工程非开挖施工领域专家的帮助下，建立相关的模糊领域本体。

2）在市政工程非开挖施工领域专家和风险管理专家的帮助下，建立相应的评价指标体系和评价模型，形成评价规则库。

3）收集与市政工程非开挖施工有关的信息，并参照建立的模糊领域本体，把收集到的数据按设定的格式储存在元数据库（关系数据库、知识库等）中。

4）将元数据库中的数据与评价知识库相匹配，进行相应的规则推理，得出模糊综合评价结果，并提供给用户。

系统总体结构设计如图1所示。

图1 基于模糊本体的市政工程非开挖施工风险评价系统结构设计框图

由图1可知，基于模糊本体的市政工程非开挖施工风险评价系统的实现，关键在于四个方面：模糊领域本体的建立、模糊评价规则库的形成、模糊本体推理规则的确立、知识库的更新和完善。

3 基于模糊本体的市政工程非开挖施工风险评价系统的实现

3.1 模糊领域本体的生成

模糊领域本体是在相关领域专家的指导下，将本体论与模糊逻辑理论有机结合，通过定义概念、属性、关系、实例以及相关隶属度，为信息本身及信息之间的关系建立一个层次结构清晰的语义模型。模糊领域本体的生成如图2所示。

图2 市政工程非开挖施工模糊领域本体的生成过程

从图2可以看出，非开挖施工模糊领域本体的建立，需要先在市政工程非开挖施工领域专家的指导下，先建立领域本体，再结合模糊逻辑理论的知识，依次经历领域本体的建立、模糊形式概念分析、模糊概念聚类、模糊本体生成四个阶段［6］。

1）领域本体的建立。必须满足非开挖施工风险评价的要求，涵盖非开挖施工的主要风险因素、施工中主要风险结果及造成的损失等方面的内容。具体风险因素包括工程地质地基条件、水文气象条件、施工准备、孔内事故、技术规范、施工技术协调、合同签订和履行风险；施工中主要风险结果及造成的损失包括工期延误损失、紧急开挖费用、开挖设备破坏费用、损失赔偿费用、项目成本增加、安全事故。

2）模糊形式概念分析。充分考虑到施工实时信息与专家观点、国家标准的相关性，从概念层次结构中来表达这种关联性，先是对实时施工信息进行数据预处理，从中抽取关键词或者关键短语，结合领域本体，明确这些关键词的属性、关系及隶属度（如大、较大、一般、较小、小）。

3）模糊概念聚类。通过概念间的模糊相似性计算，建立对应的基础概念模糊相似矩阵，采用数学方法定量地确定概念的亲疏关系，对其他模糊概念聚类。例如若形式概念A属于形式聚类U，概念a类似于A，则认为a也属于U，这即为简单的概念聚类；聚类中A与a相似与否，可以使用模糊集相似性的定义和相似度阀值计算两者的相似度来确定。

4）模糊本体生成。模糊概念聚类后，遵循清晰一致、编码程度最小、本体承诺最小、可扩展等原则，通过类映射、生成非类属关系、生成类属关系和产生实例等处理，就可以模糊本体。

3.2 模糊评价规则库的建立

模糊评价规则库中储存各种收集到的规则，此规则库中应包含本体或本体间模糊信息的传递规则，在相应规则基础上进行模糊定制，具有高度的包容性和扩展性。首先，是根据已有的市政工程非开挖施工风险评价的相关成果，建立市政工程非开挖施工风险评价指标体系，采用层次分析法，计算出各指标的权重，形成评价指标规则库；然后，以评价指标规则库为基础，建立市政工程非开挖施工风险模糊综合评价模型。从理论上来说，只要有施工实时信息的输入，对其进行预处理后，系统就能自动计算出非开挖施工风险的大小。

3.3 模糊本体推理规则的建立

本系统中的模糊推理工作过程为：实时施工信息输入后，经过一定的数据预处理，得出该数据的综合值；然后将元数据库中储存的数据与模糊评价规则库中符合要求的规则进行匹配，从成功匹配的规则中计算隶属度值；最后按照最大隶属度原则，得出最终的评价结论，提供给用户，以方便用户据此采取相应的非开挖施工风险管理措施。

3.4 知识库的更新和完善

最初的知识库（包括模糊领域本体、模糊评价规则库）来自非开挖工程领域业务、专业人员对经验数据的整理，带有一定主观性和不确定性，因此需要对模糊本体知识库不断地进行开发与扩展。首先确定初步的本体框架，建立核心本体，然后以此为基础，每进行一次施工风险评价，都调入最后更新的知识库内容，经过风险策划和跟踪，结合模式匹配、概念聚类和关联规则等处理技术，从实施的非开挖工程施工过程中不断获取新的概念、关系，系统亦不断得到新的输入数据和新的输出数据，加上有经验的工程管理技术人员的主观评判数据，在不断对比后，工程管理人员随时调整预置参数，如风险值计算参数，风险的概率，风险等级识别，风险因素的重要性，预控措施，应急计划等，及时更新或扩充知识库，从而不断扩充核心本体，自动识别更多的领域知识，完善非开挖施工风险模糊本体。

4 工程实例

采用以上方法，对某道路改造工程泥水平衡顶管施工风险进行了评价。

4.1 工程概况

拟建道排桥梁场地属于平坦的洪冲积平原，微地貌属于汾河西岸Ⅰ级阶地。场地工程地质分区属于太原盆地次稳定工程地质亚区。在勘探深度范围内主要由第四系全新统早期沉积的低液限粉土、低液限粉质粘土与砂类土等构成。地下水类型为孔隙潜水，主要补给来源为汾河水的侧向补给、各渠道流水补给及大气降水。现阶段为枯水期，丰水期可按提高1m考虑，贫水期水位可按提高0.5m考虑。根据该地区类似施工经验及现场勘探，沟槽土为土质疏松、透水性较差的低液限粉质土、砂类土，极易产生流砂、边坡失稳等现象。

工作井、接收井双排水泥土搅拌桩支护及降水井布置见图3。在顶管工作坑及接收井周围距离井外壁1m处，设置双排水泥土搅拌桩止水兼支护，根据实际情况，水泥土搅拌桩长为顶管工作坑或接收坑深度的两倍，平均桩长为14m，桩径500mm，壁状加固，每侧咬合7.5cm，单桩咬合15cm，有效间距350mm，水泥土搅拌桩要求打入持力层不小于0.5m，固化剂选用强度等级为32.5级及以上的普通硅酸盐水泥，水泥用量60kg／m（水泥掺入量为加固土体质量的16.1%），水灰质量比为1：0.5，两喷四搅工艺，外掺剂可选用具有早强、减水以及节省水泥等作用的材料。考虑雨水工作坑或接收井东侧有动载交通，东侧打设双排水泥土搅拌桩后适当加钢筋骨架或网片，或者双排水泥土搅拌桩加型钢支护（型钢沉插入搅拌桩内，加强抗侧压力和机动车道动载压力）。每桩机用电45kW。

图3 工作井、接收井双排水泥土搅拌桩支护及降水井布置平面示意图

所采用的主要施工机械设备如表1所示。

4.2 施工工艺

本次顶管施工程序确定如下：施工准备→管节预制→机头选型→工作井设置→顶管设备安装→机头出洞→顶进→测量→纠偏→压浆→中继间安装→机头进洞→中继间管段浇筑钢筋砼→检查井施工→闭水试验→井内检查井砌筑→工作井回填→清退场。

表1 主要施工机械设备

4.3 风险评价系统的建立

采用以上介绍的基于模糊本体的市政工程非开挖施工风险评价系统的基本设计思想，建立如下评价系统：

1）在市政工程非开挖施工领域专家的帮助下，建立相关的模糊领域本体。本工程采用的本体为顶管施工过程。

2）在市政工程非开挖施工领域专家和风险管理专家的帮助下，建立的评价指标为设计风险、施工风险、材料及机械设备使用风险、天气风险等一级评价指标，其下各设多个二级评价指标，形成的评价指标体系见图4。

而后，建立如下模糊风险评价模型，该模型由3个层次构成，第1层为方案层A，第2层为准则层Bm（m＝1，2，3，4，5），第3层为指标层Cn（n＝1，2，…，22）表示。设λ为模糊隶属度。如，某工程项目风险的隶属度λ，λ＝（1／90% ，0.5／60% ，0.2／30% ，0／10%）表示风险率为90%者为高风险，风险率为60%者为高风险的程度仅为0.5等，依次类推。其运算也应为模糊运算。设有模糊矩阵R和S，定义R和S的并运算为两中取大，R和S的交运算为两中取小，模糊矩阵的乘积定义记为C＝R×S，且对于一个工程项目的风险评价问题，其风险因素集U＝｛ui｝；评价指标集；各评价指标的权重分别为w1，w2，…，wn。则工程项目的风险评价问题可用模糊乘积U·W 表示。

关于各评价指标的权重，我们通过构造判断矩阵，采用列向量归一化、求和得到特征向量而后列向量归一化处理的方法得到最大特征值和特征向量，而后，特征根按下式近似求解：

一致性指标IC采用如下公式得到：

通过查找相应的平均随机一致性指标IR并计算一致性比例RC：

然后对判断矩阵的一致性进行检验，并得到权重矩阵W。

从而得到各因素的风险值：

至此，我们已建立了评价指标体系和评价模型，形成了评价规则库，见图4。

图4 风险评价指标体系

3）收集类似工程施工有关的信息，把收集到的数据按设定的格式储存在元数据库（关系数据库、知识库等）中，形成对比信息。

4）将元数据库中的数据与评价知识库相匹配，得出模糊综合评价结果。对于此例，得到的最大的5个风险因素依次是：设计存在缺陷和遗漏、未考虑现场的实际情况、施工安全措施不当、技术质量管理不到位、劣质材料。

用户可根据提交的此结果，有重点地采取相应的措施，消除风险因素带来的不利，保证工程的安全、质量和效率。同时，将此评价的过程及结果记入评价系统，更新知识库，为今后类似工程的风险评估提供参考。

5 结束语

通过分析当前针对市政工程非开挖施工风险评价中存在的不足，提出引入模糊领域本体，建立模糊领域本体为基础的市政工程非开挖施工风险评价系统，该系统提高了非开挖施工领域知识的复用性和共享性，施工管理单位可及时查询、评价目前非开挖施工状况，对后续施工状况进行预测，并可运用合理的自动推理，发现隐形评价知识；在此基础上，信息库、知识库不断更新扩展，逐渐构建一个具有良好交互性的信息集成和复杂的评价系统，由此可实现市政工程非开挖施工风险的智能集成化管理，从而更好地为各方用户服务。

［1］ 谢雄耀.非开挖施工中风险概率估价方法分析［J］.地下空间与工程学报，2006（1）：42-46.

［2］ 沈华.水平定向钻穿越工程的项目风险评价［J］.探矿工程（岩土钻掘工程），2010（3）：62-65.

［3］ Quan Thanh Tho，Hui Siu Cheung，Cao Tru Hoang.FOGA：A Fuzzy Ontology Generation Framework for Scholarly Semantic Web［C］∥Proc of KDO’04Pisa，Italy，2004.

［4］ 杨青，陈薇，闻彬.面向语义信息查询的模糊本体模型［J］.计算机工程，2010（8）：188-200.

［5］ 孙超，禹华谦.非开挖技术在市政工程中的应用［J］.四川建筑，2006（1）：138-139.

［6］ 王霞，李功振.基于模糊本体的水环境评价系统的研究［J］.安徽农业科学，2010，38（35）：20306-20308.