基于粗糙集的盾構隧道結構穩定性評價

王仁敏

摘要：粗糙集是一種可以對多指標數據在不依靠先驗知識下進行客觀分析的方法。本文通過對粗糙集方法對南京長江隧道健康監測系統得到的數據進行約簡刪除冗余數據、計算重要度及指標權重，評價隧道結構健康。分析結果表明：不同管片的指標集約簡后均為a1、a6、a11，表明在監測指標中溫度、土壓力、內側環向鋼筋應變為重要的不可約簡的指標，重要度 a6>a1>a11，溫度影響監測數據及結構變形，土壓力為隧道承受的主要應力。隧道健康評價值主要集中在1.5，變化較小，表明隧道處于穩定狀態，與實際情況相符，U4，U5出現小幅度變動原因為數據采集于長江水位較高的7～9月。

Abstract： Rough set is a kind of method thatcan do objective analysis of multi-index data without prior knowledge. In thispaper， the data of Nanjing Yangtze River Tunnel health monitoring system arereduced by using rough set method to delete redundant data， and the importancedegree and weight of index are calculated to evaluate the health of tunnelstructure. The results show that the reduction of the indexes of differentsegments is a1， a6， a11， which shows that the temperature， earth pressure andthe inner hoop reinforcement strain are important non-reducible indexes in themonitoring indexes， the importance degree a6>a1>A11. Temperatureaffects the monitoring data and structural deformation， and earth pressure isthe main stress of the tunnel. The tunnel health assessment values are mainlyconcentrated at 1.5， with little change， indicating that the tunnel is in astable state， in line with the actual situation. U4， U5 show small changes becausethe data is collected in July to September， when the Yangtze River water levelis high.

關鍵詞：粗糙集；盾構隧道；健康監測；屬性權重

Key words： rough set；shield tunnel；health monitoring；attribute weight

中圖分類號：U455.43 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）06-0058-03

0 引言

隨著經濟建設和城市現代化建設的快速發展，對交通工程提出了更高的要求，在交通設施的建設中地下交通設施以其明顯的優越性在規模和數量上都得到了迅猛的發展。隨著隧道的運營，由于地質條件的惡化，結構損傷、退化和失穩等因素，嚴重威脅著隧道的安全運營。為了保證隧道的安全建設及運營，建設完善的健康監測系統對隧道進行健康監測、評價和預測已成為隧道工程發展的迫切要求。

盾構隧道結構健康受到眾多因素的影響，在健康監測過程中常出現多層次多指標，定性信息與定量信息共存等問題，為了克服健康評價的隨意性和不確定性，人們從數學建模和總結分析方面做出研究，并且獲得了較大進展。粗糙集理論是一種能夠分析處理不精確、不一致、不完整信息與知識的數學工具，其顯著優勢在于它無需提供問題所需處理的數據集合之外的任何先驗信息，充分體現了數據的客觀性。本文將粗糙集理論引入到盾構隧道穩定性評價中，通過對數據約簡刪除冗余信息，計算屬性重要度，在屬性重要度的基礎上得出屬性指標權重，最后基于指標權重建立評級模型。

1 粗糙集理論

粗糙集是波蘭理工大學Z.pawlak教授提出用來研究不完整數據，不精確知識的表達、學習，歸納等的一套理論[1]。

2 基于粗糙集的評價方法

基于粗糙集的評價步驟依次為指標數據離散、指標篩選、指標權重計算、評價綜合值的計算。

2.1 指標數據離散化

因為粗糙集理論是建立在集合論之上的，所以粗糙集理論只能處理離散型的數據，但是在實際應用中，有的數據是連續型的，這時我們首先必須將連續型的數據離散化。離散化的任務就是將連續屬性的取值范圍或取值區間劃分為若干個數目不太多的小區間，其中每個區間對應一個離散符號。我們通常使用的離散化方法有等距離散化法、等頻區間離散法、串分析離散法、基于屬性重要性的離散法基于數據分布特征的離散法等。

2.2 指標集約簡

在選取指標數據時，為了全面的反映評價問題的整體性，我們往往會盡可能多的選取數據，但在這些信息中往往會存在冗余信息，冗余信息的存在增加了問題的復雜性和評價難度，還會影響評價結果的準確性。這時我們可以對數據進行約簡。根據粗糙集理論的屬性約簡原理可以剔除評價指標中的冗余信息[3]。

由評價結果可以看出管片健康程度在數據提取時段區間，隨時間變化而變化，但變化不大，總體上健康程度保持穩定，這種結果與南京長江隧道處于穩定運營狀態相符合。評價值U4，U5出現變動，U4的數據來自于8月初，U5數據采集于9月末，均處于長江中下游水位較高的季節，推斷認為大的水位變化導致隧道穩定狀態出現變動，隨之監測數據發生了不化，計算結果出現變化。

3.3 評價分析與討論

把上述方法分別應用于JK6（左線LK6+332）的L1管片、JK1（右線RK4+425）的B1管片的健康監測數據后，得出的不可約簡的重要指標依舊為內側環向鋼筋應力、溫度及土壓力，說明計算中屬性約簡計算是合理的。

對三組不同信息系統分別計算得到的指標權重如表5。

從權重結果上來看，總體上是一致的，a6的權重大于a1的權重，a1大于a11。

在監測指標中，溫度指標占有的權重比較大，因為盾構隧道所處環境的溫度對監測數據和結構健康都有很重要的意義：第一，某些監測過程以及傳感器本身的測量精度會受到周圍氣溫的影響；第二，隧道結構體溫度的影響結構變形、內力變化等[5]。所以溫度指標的變動對健康監測數據有比較大的影響，體現在權重分配上是就出現了權重較大的情況。

土壓力在約簡過程中不能被約簡，說明它對隧道的健康影響程度比較大。從地質學的角度來考慮，隧道開挖產生的附加應力會對周圍土體產生擾動，具體表現為土體的加載和卸載、松動和擠壓、孔隙水壓力的上升與下降產生的土體變異、地表隆沉等。盾構隧道埋藏在土體中，所受的外荷載都來自土水壓力，所以它對盾構隧道的穩定性有重要意義。

4 結論

①基于粗糙集理論的分析方法是可行的。通過工程實例分析，評價結果的對比、地質方面的解釋，指標權重計算和隧道健康評價是合理的，南京長江隧道是健康的。

②隧道溫度、土壓力、環向鋼筋應變對隧道健康監測分析具有重要意義。三個斷面的約簡結果具有一致性，均為a1（內側環向鋼筋應變）、a6（溫度）和a11（土壓力），且權重結果均為a6>a1>a11。

③健康評價值集中于1.5，7月至9月的U4，U5評價值出現波動，推斷為7～9月為長江洪水期。

參考文獻：

[1]Pawlak Z. Rough set[J]. International Journal of Computer and Information Sciences，1982.

[2]張云龍，華勇.基于粗糙集理論的軟件質量評價方法[A].2011高等職業教育電子信息類專業學術暨教學研討會論文集[C].2011.

[3]曹秀英，梁靜國.基于粗集理論的屬性權重確定方法[J].中國管理科學，2002（05）.

[4]南京長江隧道結構健康監測[Z].Nanjing Tunnel and Bridge Administration Company Ltd. 2009（10）.

[5]雷長征，張巍，丁蓬萊.越江公路盾構隧道淺埋段地溫場演化趨勢模擬分析[J].防災減災工程學報，2015（6）.