基于ANFIS方法的道路塌陷預測

張 峰

(西安市市政設施管理中心,陜西 西安 710600)

0 引言

隨著城鎮化速度加快,在我國城市快速擴張的背景下,城市中的人口密集程度更高,城市道路坍塌事故呈多發頻發態勢,且損失與傷亡較為嚴重,城市道路塌陷問題成為一個看不見的安全隱患,隨時威脅著人們生活。據不完全公開報道統計,在我國每年平均發生230余起城市道路塌陷事故,造成人員傷亡。特別是近些年,城鎮人口增多,道路建設提速發展,導致城市道路塌陷災害提前進入爆發期,越來越多的道路塌陷事故引發多人死傷的惡劣事件,造成了重大社會輿情,同時直接威脅我國城市建設步伐的可持續發展。因此,應對道路塌陷災害事故的發生,必須以預防為主,及時進行預警和防治工作[1-2]。

1 ANFIS預測方案

ANFIS是一種基于Takagi-Sugeno模型的模糊推理系統,它將模糊控制的模糊化、模糊推理和反模糊化3個基本過程全部用神經網絡來實現,利用神經網絡的學習機制自動地從輸入輸出樣本數據中抽取規則,構成自適應神經模糊控制器,通過離線訓練和在線學習算法進行模糊推理控制規則的自調整,使其系統本身朝著自適應、自組織、自學習的方向發展[3-7]。

假定模糊推理系統有2個輸入x和y,單個輸出z。對于一階Takagi-Sugeno模糊模型,如果具有以下2條模糊規則:

規則1:

ifxisA1andyisB1thenf1=p1x+q1y+r1

(1)

規則2:

ifxisA2andyisB2thenf1=p2x+q2y+r2

(2)

一階T-S模糊推理系統的ANFIS網絡結構如圖1所示。

道路塌陷預測的4個影響因素分別為內部管道滲漏影響因素、外部水流沖刷影響因素、道路承壓影響因素及路面沉降影響因素。本文通過利用神經網絡的學習機制自動地從輸入輸出樣本數據中抽取規則,分別輸入內部管道滲漏影響因素、外部水流沖刷影響因素、道路承壓影響因素及路面沉降影響因素參數,通過離線訓練進行模糊推理控制道路塌陷預測結果。

本文以今年全國發生塌陷事故為研究背景,采用ANFIS法研究道路塌陷預測的主要參數對其的影響,通過建立模型設置觀測點,得到預測結果模型并對參數進行優化,以期得到最優預測結果。

2 參數方案

一般情況下道路塌陷預測主要參數為內部管道滲漏影響因素、外部水流沖刷影響因素、道路承壓影響因素及路面沉降影響因素,根據近些年道路塌陷原因分類,對該4項影響因素進行賦值分別為:內部管道滲漏影響因素在0.6～1.4,外部水流沖刷影響因素40～60,道路承壓影響因素2～4,路面沉降影響因素8～12之間。

在設定觀測數據方案時,每個參數選擇3個觀測水平,具體如表1所示。

表1 觀測因素和水平

根據我國地質環境分布類型,共選取10個觀測點,探討各觀測點的影響因素對道路塌陷造成的影響。

3 觀測結果分析

觀測結果如表2所示。根據道路路面反饋沉降結果,對4個因素進行深入分析,在此基礎上本文采用式(1)所示二階模型對表面沉降值進行道路塌陷預測:

表2 試驗方案和預測結果

(3)

其中,F為道路塌陷預測結果。

利用方差分析能夠評估建立模型的可靠度,同時能夠判斷參數對道路塌陷的影響程度,置信水平選擇95%,道路塌陷方差分析見表3,同時擬合系數為0.995,這說明該預測模型準確性相對較高。

表3 道路塌陷方差分析結果

建立的二階預測模型如式(2)所示,從中可以看出外部水流沖刷影響因素作用相對明顯,外部水流沖刷影響因素的二階作用也最為明顯,外部水流沖刷影響因素和道路承壓影響因素的交互作用最明顯。對道路塌陷的一階影響從大到小依次為:外部水流沖刷影響因素、道路承壓影響因素、內部管道滲漏影響因素和路面沉降影響因素。

F=1.87+0.29A-0.64B+1.05C+0.091D-0.091A2+
0.31B2+0.18C2-0.14D2-0.18AB+0.25AC-
0.58BC+0.025BD

(4)

不同參數的道路塌陷預測結果如圖2所示,可以看出隨著路面沉降影響因素的增大,道路承壓風險因素明顯增大,在預測時這種變化不明顯;外部水流影響因素增加的影響較為明顯,沉降影響因素增加較大時有略微增大的趨勢,在預測時該變化較為明顯;外部水流影響因素及道路承壓因素增加,預測變化明顯;除了在外部流水沖刷影響因素較小時,其余參數組合情況下,道路塌陷風險增加,預測難度有提升的趨勢。

4 參數優化

根據得到的道路塌陷觀測預測模型,利用ANFIS優化方法,對觀測模型進行優化,得到最佳道路塌陷預測預警參數組合,預測結果越接近1優化結果越準確,通過優化后,預測結果合意性最大為0.967。利用計算所得觀測預警參數進行再次復測,經過測量優化結果對比誤差為6.15%,說明本模型及預測優化在實際應用中得到良好使用效果,具有一定的推廣性,從而防范城市道路塌陷帶來的人身財產損失。

5 結論

1)通過研究近些年道路坍塌事故原因,抓取引發坍塌事故4項主要因素。

2)設計了道路坍塌觀測參數實驗方案,得到了外部水流沖刷影響因素、道路承壓影響因素、內部管道滲漏影響因素和路面沉降影響因素引發道路坍塌風險的大小。

3)建立了道路坍塌預測模型,并對模型參數進行優化,優化后復測實驗參數誤差為6.15%,說明本模型及預測優化在實際應用中得到良好使用效果。