基于区间二型模糊的深基坑施工方案属性相似度计算方法.docx

该【基于区间二型模糊的深基坑施工方案属性相似度计算方法 】是由【科技星球】上传分享，文档一共【16】页，该文档可以免费在线阅读，需要了解更多关于【基于区间二型模糊的深基坑施工方案属性相似度计算方法 】的内容，可以使用淘豆网的站内搜索功能，选择自己适合的文档，以下文字是截取该文章内的部分文字，如需要获得完整电子版，请下载此文档到您的设备，方便您编辑和打印。基于区间二型模糊的深基坑施工方案属性相似度计算方法
 
 
张永成, 余群舟, 方伟立
(华中科技大学 土木工程与力学学院, 湖北 武汉 430074)
地铁车站深基坑施工是一项复杂的高风险系统活动，深基坑安全专项施工方案(下文称“施工方案”)在指导项目科学施工、安全施工方面起着重要的作用，是现场施工的重要文本性依据文件[1]。工程实践中，施工方案的编制主要基于以往的类似方案，再结合当前的工程概况和相关的经验修改讨论并报审核得到最终方案。获得以往的类似方案被称为案例检索，是案例推理方法在方案重用的核心[2]。案例检索的本质是对案例的属性进行相似性匹配，相似程度越高，则说明方案的特征越相似，那么也越有可能采取该方案。在施工方案案例检索中，属性取值是一项典型的在模糊规则下进行语言信息处理的过程。传统通过对属性经验赋值和取值直接转换的做法，无法较好地表达属性不确定性和取值经验的不确定性，使得方案属性信息失真较大，影响案例检索的效果[3]。周凯波等[4]考虑案例属性特征研究了区间值的相似度计算模型；朱芳来等[5]提出
了一种基于混合性距离的相似性度量方法。李均军等[6]提出了一种基于隶属度函数的相似度计算方法。
然而，上述研究缺少考虑属性取值的两层模糊性，即不同经验的工程师(专家)在对特征属性评价标准或规则的基础上对属性的语言描述进行语义评价，这一过程中存在着两层的模糊性，即描述语言的模糊性和评价规则的模糊性[3]。二型模糊集概念的提出正好能够进一步考虑语言信息转化时语言转化规则的不确定与模糊性，提升了模糊集合描述模糊性的能力，也更符合实际情况[7]。目前，二型模糊逻辑已经在控制决策[8]、语言处理[9]等领域有了良好的应用。基于区间二型模糊逻辑的属性取值方法与现有的其他方法(如：专家法、一型模糊集)在解决这类问题上相比，属性取值更加科学精确。基于此对属性相似度计算的结果则更加符合实际情况。
因此，本文引入区间二型模糊逻辑对深基坑施工方案属性取值的两层模糊进行描述，在隶属度函数基础上引入次隶属度，考虑描述语言和评价规则的模糊性。然后，根据各属性取值的特点直接选取适应的相似度(距离)函数进行属性相似度计算，并基于属性权重计算得到方案的综合相似度。案例分析表明，本文提出的方法提升了案例检索的效果，有着良好的理论和实践意义。
1 区间二型模糊集方法
Zadeh教授在1975年提出了二型模糊集，为描述模糊信息和处理模糊问题提供了强有力的工具[7]。二型模糊集是通过对一型模糊集中元素的隶属度函数的再次模糊表达处理，即引入新隶属度函数对隶属度进行表达。二型模糊集在不能
精确画出变量隶属函数的情况下，依然可以用来描述变量的不确定信息。简要介绍如下。
定义1：给定论域X及其元素x∈X，二型模糊集由其隶属度函数表示为：
(1)
(2)
定义2：若区间二型模糊数的上下界隶属函数为梯形模糊数，称其为区间梯形二型模糊数[9]，即：
定义3：有两个区间梯形二型模糊数A1，A2，则A1，A2的相似度计算公式为：
S(A1,A2)=1-d(A1,A2)
(3)
式中：d(A1,A2)为Hamming距离，
2 基于区间二型模糊的施工方案相似度计算模型
基于区间二型模糊的施工方案相似度计算步骤如下：
(1)建立方案属性集Mn(M1,M2,…,Mn)；
(2)确定属性取值集Qn(Q1,Q2,…,Qn)；
(3)基于二型模糊数进行属性取值模糊变换，得到区间模糊集的区间数描述；
(4)选择相似度(距离)函数计算属性的相似度，结合属性权重，计算方案整体相似度。
施工方案属性集的建立
深基坑工程施工方案的特征属性主要为影响工程施工的因素和参数，分为外部环境特征和工程体本身特征两部分[11,12]。
(1)深基坑工程外部环境特征主要指施工现场环境，包括：基坑规模、开挖深度、基坑形状、周边环境、水文环境和地质环境[13]。其中，基坑规模为基坑的开挖面积；基坑形状为基坑平面的形状，常见的有方形和不规则的异形(含圆形、椭圆形等)；周边环境主要指基坑施工的场地及周边管线(类型等)、周边建
筑(距离、建筑类型等)和周边的道路交通(距离、车流量等)等情况；水文环境主要指基坑施工中涉及到的地下水情况，包含地下水类型、埋藏情况和周边水情况等；地质环境主要指基坑范围内的土质情况，包含土质类型、厚度、分层情况等。
(2)工程施工活动本身的特征主要为工程活动本身的参数，该参数对该施工方案的制定同样有着重要的影响[13]。以深基坑围护结构施工为例，表1为常见围护结构施工类型的特征属性。
上述工程特征信息可通过查阅地质勘查报告和相关的设计文件获得，在施工方案中工程概况部分有着详细的介绍和描述。
表1 常见围护结构施工类型的特征属性
施工方案属性取值集确定
方案属性取值类型主要分为两类：数值型和字符型。数值型包含单一数值和区间取值两种，一般根据实际情况取值；字符型又包含确定型字符和不确定型字符取值，确定型字符取值可以直接确定，不确定型字符取值往往需要进行处理。
在地铁深基坑工程中，工程周边环境、工程水文、工程地质三个属性语言表达含义复杂、模糊和不确定，以工程地质为例：深基坑工程在开挖深度内，从上至下往往分布着不同厚度的土质，如何表达这个地质的情况，需要提出一个属
性语言评价的参考标准，解决模糊属性定量表示。根据CECS 241:2008《工程建设水文地质勘查标准》[14]和GB 50021-2001《岩土工程勘察规范》[15]等标准以及相关文献[13]，本文对三个属性的复杂程度划分为四个等级：简单(S)、中等复杂(MC)、复杂(C)和非常复杂(VC)，为了便于对二型模糊数的计算，定义等级取值区间为[0,1]。表2为提出的属性取值语言含义参考标准。
表2 工程特征属性评价参考
施工方案属性模糊变换取值
针对方案属性存在的不确定性和模糊性，在方案属性集和取值集确定的基础上，通过区间二型模糊集方法考虑专家经验规则不确定性，对周边环境特征、水文特征和地质特征三个属性取值进行分析。基于语言标度及其对应的区间二型模糊数关系，进行方案属性的综合取值计算，然后，构建属性取值综合评价矩阵，进而计算得到客观科学、符合实际的属性区间二型模糊值。
施工方案相似度计算
通过上述属性取值分析，施工方案属性取值主要包括：定比数值型(开挖规模)、定类字符型(基坑形状)、定比区间型(开挖深度)、定序区间型(周边环
境、水文特征、地质特征)。为了减少相似度计算中的属性值转换信息损失，本文采用由各属性取值特征选取相适应的距离函数计算属性距离(相似度)。
常用的相似度(距离)测算方法主要有：欧式距离、闵可夫斯基距离、切比雪夫距离、马氏距离、余弦相似度(皮尔逊相关系数)、汉明距离、杰卡德相似系数等[16]：根据上述各距离测量方法的特点，结合属性取值类型，综合选取相似算子计算函数与取值类型对应如下：
(1)定比数值型的属性，在数据归一化的基础上，选择欧氏距离计算相似度；
(2)定类字符型的属性，直接判断类别得到相似度；
(3)定比区间型的属性，根据区间属性特点，直接构造区间选择杰卡德相似系数计算相似度；
(4)对于属性为区间二型模糊数的，其相似度度量采用公式(3)。
最后，结合各属性权重，计算方案综合相似度，公式为：
(4)
式中：S为方案综合相似度；wi为属性i的权重；si为属性相似度；n为属性的数量。
3 实证分析
工程背景
为验证本文方法，选取武汉地铁十个车站的深基坑围护结构施工方案，分别将工程概况等详细文本信息抽取，进行施工方案属性取值分析。其中，对工程的周边环境、水文环境和地质环境的属性取值，分别邀请5位经验丰富的工程
师，进行模糊取值评价。最后依据评价结果，进行案例的相似度测算，并对结果进行评价。
方案属性取值和相似度计算
根据区间二型模糊逻辑的计算步骤，对施工方案属性取值计算如下。
(1)根据方案属性取值集，建立属性描述的语言标度及其对应的区间二型模糊数关系[10]，如表3所示。
表3 语言标度及其对应的区间二型模糊数
(2)对于选择的10个方案中，基坑开挖规模X1、开挖深度X2和基坑形状X3较为清晰，直接依据方案得到相应的取值，见表4。
表4 施工方案属性取值
注：St=标准；NS=异形
对于周边环境属性X4、水文特征属性X5和地质特征属性X6，邀请五位经验丰富的工程师D1，D2，D3，D4，D5参考表2评价语言描述规则，在认真查阅了各项目的设计勘察资料和项目概况等信息后，进行属性的取值评价。可以根据工程师的经验情况对评价结果赋予不同的权重。本文中，由于各工程师的从业年龄、项目经验基本相同，故对五位工程师的模糊评价采取相等权重。因此，专家评价矩阵乘以权重向量，得到综合评价矩阵。结果见表5。