基于层次熵权-云模型城市道路塌陷风险评价研究_周子勇.pdf

文章编号:1009-6094(2023)06-1752-10基于层次熵权 云模型城市道路塌陷风险评价研究周子勇1,石浩宇1,董毓良2,凡伟伟3(1 中国石油大学(北京)地球科学学院,北京 102249;2 北京辰安科技股份有限公司,北京 100038;3 合肥泽众城市智能科技有限公司,合肥 230601)摘 要:城市道路塌陷灾害频发,有效的塌陷风险评价对于塌陷的防治具有重要意义。道路塌陷成因具有模糊性、随机性、复杂性等特点,为尽可能保证其评价过程的客观有效,通过识别城市道路塌陷风险要素,构建城市道路塌陷的风险评价体系,使用层次 熵权 云模型进行组合评价,建立道路塌陷风险评价模型。将该模型应用于宝安区部分道路塌陷风险评价,结果表明:6 条主干道基于道路塌陷风险评价模型评价结果与探地雷达(Ground Penetrating Radar,GPR)实测风险评价结果吻合度较高,具有一定的应用能力。该模型为城市道路塌陷的防治起到了积极的指导作用,为城市安全风险防控起到了一定的参考作用。关键词:安全工程;道路塌陷;风险评价;熵权;云模型中图分类号:X951 文献标志码:ADOI:10.13637/j.issn.1009-6094.2021.2363收稿日期:20211228作者简介:周子勇,副教授,博士,从事遥感与 GIS 应用、空间数据挖掘与知识发现方面的研究,。基金项目:国家重点研发计划项目(2018YFF0301002)0 引 言塌陷是指地表岩层、土体在自然或人为因素作用下向下陷落,并在地面形成塌陷坑(洞)的一种地质现象1。随着中国经济社会快速发展,城市化进程加快,城市建设不断加强,交通量变大,城市道路不断扩展,同时城市地下空间也被大规模开发利用,但与之相伴的城市道路塌陷灾害也频繁发生。近年来,北京、广州、深圳、西宁、大连等地连续发生多起造成严重人员伤亡的道路塌陷事故,且其往往集中在人口密集的城市和乡镇,造成了大量的经济、财产损失及人员伤害。城市道路塌陷具有隐蔽性、突发性、多重性、复发性以及雨季多发性的特点2 3,且危害性大,因此对城市道路塌陷进行风险评估和预警,具有非常重要的意义。对于地质灾害及地面塌陷的风险评估,主要采用多属性决策方法。基本思路是先构建风险体系,然后确定不同决策变量的权重,再根据变量权重进行线性或非线性组合,得到相对分值或分值区间,并根据分值大小或分值区间辅助进行风险决策,因此权重的确定对决策结果有重要的影响。常用的多属性决策方法有线性加权组合法、层次分析法、模糊逻辑方法、逼近 理 想 解 法(Technique for Order Preference bySimilarity to Ideal Solution,TOPSIS)、偏好顺序结构评估 法(Preference Ranking Organization Methods forEnrichment Evaluations,PROMETHEE)和消去与选择转 换 法(Elimination Et Choice Translating Reality,ELECTRE)系列方法等。在风险评价中前面几种方法用得较多。如 1983 年,Carrara4首先引入多变量模型用于滑坡灾害评估中。1998 年,姚春梅等5应用模糊数学综合评判法对矿山地质灾害危害程度进行了分区评价。2011 年,韦浩6在分析滑坡与各因素间关系的基础上,将滑坡发生确定性系数与多元回归模型结合起来以建立滑坡易发性多元回归模型。2014 年,毛伟等7使用遥感(Remote Sensing,RS)、地理信息系统(Geographic Information System,GIS)技术对地质灾害点进行解译统计,基于层次分析方法建立了研究矿区地质灾害危险性评价的指标体系,对研究区进行了危险性评价。2014 年,张昌新等8使用定性半定量评估法建立了半定量评估模型,预测地铁施工诱发地面塌陷的风险。2014 年,司鹄等9提出城市公共安全风险评估模型,采用灰色关联度等方法针对重庆市建立了城市公共安全风险评估指标体系,并进行了敏感性计算。2016 年,邓越等10研究采用信息量法确定了都江堰地质灾害各因子危险性指数。这些方法大多是通过定性推理、主观评价来确定变量权重或隶属函数,人为主观因素较多。由于地面塌陷成因的复杂性、模糊性和随机性,对于地面塌陷的评价也需要体现其模糊性和随机性。1995 年,李德毅等11首次提出云模型的概念,云模型是以概率论和模糊集理论为基础,在正态分布和钟形隶属函数基础上发展而来的全新模型,具有比经典模糊隶属函数更强的普适性和描述不确定性问题的能力12,但目前基于云模型进行地面塌陷风险评价方面的研究较少。因此,本文以宝安区为例,尝试把层次熵权和云模型应用于复杂成因下的城市地面塌陷风险评价中,解决其主客观权重不均,并体现一定的模糊和随机性,以期为城市道路塌陷评价提供一种新的方法。1 地面塌陷风险评价体系构建城市道路塌陷风险评价体系的构建可以从致灾2571第 23 卷第 6 期2023 年 6 月 安全 与 环 境 学 报Journal of Safety and Environment Vol.23 No.6Jun.,2023的脆弱性和灾后的影响性两方面进行评价,需要对地面塌陷的脆弱性因子和影响性因子等进行风险要素的识别。同时评价单元的划定也对评价的精准度具有较大的影响。表 1 风险评价 2 级指标说明Table 1 Description of level 2 indicators of risk assessment指标指标说明地铁施工位置 C1评价单元内地铁施工处面积占比,占比越大,影响越大管网施工位置 C2评价单元内管网施工处面积占比,占比越大,影响越大基坑施工位置 C3评价单元距深基坑施工处距离比,距离越近,影响越大供水管网管龄 P1管道管龄越大、腐蚀程度越高,爆管漏失风险越高供水管网管径 P2管道管径越大,爆管漏失后冲塌面积越大供水管网管材 P3管材(水泥管、聚乙烯管、钢管等)不同,漏失风险不同排水管网管龄 P4管道管龄越大、腐蚀程度越高,爆管漏失风险越高排水管网管径 P5管道管径越大,爆管漏失后冲塌面积越大排水管网管材 P6管材(水泥管、聚乙烯管、钢管等)不同,漏失风险不同道路土体条件 S1道路路基土体填充物及其密实程度区域降雨情况 S2评价单元区域降水量道路荷载情况 S3道路日均车流量应急预案情况 E1应急预案数量情况,应急规则完善情况应急处置能力 E2应急响应时间、应急处置时间、灾后处置恢复时间人员密度情况 M1评价单元或邻近处人员密度情况邻近设施情况 M2邻近处重要建筑设施数量道路等级情况 T1道路等级:快速路、主干道、次干道、支道公共交通条数 T2评价单元内公交地铁轻轨等公共交通线路条数1.1 地面塌陷风险评价要素道路塌陷致灾成因复杂,既受多种地上、地下人为因素的影响,也与各地区环境条件密切相关,基于相关文献和历史事故13 14调研分析可以把这些因素归为施工脆弱性15、管网破坏脆弱性16以及环境脆弱性17 193 类。这 3 类因素中,既可能由单一因素引发道路塌陷,也可能由这 3 类因素互相影响、相互扰动,共同造成道路塌陷。道路塌陷后,承灾体对于周边可能造成人员伤害、财产损失以及影响城市交通。同时,灾害发生后当地相关部门的应急预案能力、应急响应能力、应急处置能力等应急水平建设的脆弱性也是地面塌陷风险评估的重要因素。依据道路塌陷致灾成因和灾后影响因素及应急能力,利用层次分析法构建地面塌陷风险评价体系,依据重要度和风险度进行筛选,评价体系由 6 个 1 级指标和 18 个 2 级指标构成,如图1 所示。各指标说明如表 1 所示。1.2 评价单元划分评价单元的划分对于风险评价结果的准确性和可靠性具有非常重要的意义。道路塌陷不同于滑坡、泥石流等地质灾害评价或行政区划面评价,道路塌陷致灾的区域面范围较小,且城市道路宽窄规则不一,道路情况不尽相同,在风险评价拟合度、位置准确度等方面都有较高的要求。对道路塌陷做出具有实际指导意义的风险评价,应依据道路线条的特点,以道路线、道路面为评价区域,采用小范围的路段网格为评价单元,按照道路线以固定长度为评价单元进行区域评价。此次评价以道路面为评价区域,以 500 m 为评价单元长度。2 基于层次熵权 云模型的风险评价模型地面塌陷风险评价云模型,首先通过塌陷风险要素识别,构建塌陷风险要素层次体系,然后通过层次分析法与熵权法组合确定指标权重,接着通过云3571 2023 年 6 月 周子勇,等:基于层次熵权 云模型城市道路塌陷风险评价研究 Jun.,2023模型建立风险评价等级标准,使用逆向云发生器生成 2 级指标云数字特征,再通过综合云矩阵运算得到 1 级指标云数字特征和评价单元综合云数字特征,最后通过正向云发生器,生成综合云图,与标准云图进行对比,得出风险评价结果。总体方法流程如图 2 所示。图 1 地面塌陷风险评价体系Fig.1 Assessment system of ground collapse risk图 2 地面塌陷风险评价云模型方法流程图Fig.2 Flow chart of ground collapse risk assessment by cloud model2.1 层次熵权组合权重2.1.1 熵权权重计算地面塌陷风险评价中,每个评价指标所提供的信息量是不一样的,指标的信息量越大,在决策过程中其对应的权重也应该越大。在信息论中,信息熵指系统无序程度的度量,对于一个指标来说,信息熵反映的是指标不确定程度。某项指标的观测值相差越大(即观测值的方差越大),则其信息熵也越大,提供的信息量也就越大,则该指标的评价权重也越大,因此可以用信息熵来衡量指标的权重。与信息论中信息熵的定义不同,熵权法中信息熵的计算公式中,把观测值的相对大小作为概率,因此,如果某个指标在每个评价对象的观测值相等(即等概率),则其信息熵最大,但该指标对于决策却没有意义,即其权重应该为 0。信息熵越大,权重越小20 21。地面塌陷熵权权重计算步骤如下。1)建立数值矩阵。设模型有 n 个 2 级评价指标,有 m 个 1 级评价指标,Xij(i=1,2,3,m;j=1,2,3,n)为第 i 个1 级评价指标下第 j 个评价指标的值,形成 m n 阶评价指标数值矩阵 X。X=X11X1nXm1Xmn|(1)2)数值矩阵标准化。为避免指标量纲不同,正向指标通过式(2)进行标准化,负向指标通过式(3)进行标准化。Lij=Xij-XminXmax-Xmin(2)Lij=Xmax-XijXmax-Xmin(3)式中Xmin、Xmax为同准则同要素指标值的最小值、最大值,Lij为标准化后的 Xij。3)计算指标熵值。计算评价单元下第 j 个 2 级评价指标所占第 i 个 1 级评价指标比重 Tij。4571 Vol.23 No.6 安全 与 环 境 学 报 第 23 卷第 6 期Tij=Lijmi=1Lij(4)计算指标熵值,第 j 个评价指标输出的熵为Ej=-1lnmmi=1TijlnTij(5)4)计算指标权重。由式(5)可知,当 T1j=T2j=Tmj时,Ej为极大值,此时,第 j 个2 级指标对 m个 1 级指标的贡献是一样的,其权重应该为 0。Ej越大,其权重越小,据此得到指标 j 的权重为 j=1-Ejni=1(1-Ej)(6)2.1.2 层次权重计算层次权重的计算,通过专家打分,两两比对,一致性检验,完成层次指标的权重计算。具体计算步骤可参考文献22。地面塌陷层次权重计算步骤如下。1)构造判断矩阵。从构建的层次结构 1 级指标层开始,对于从属于上一层每个同一层要素指标,用成对比较法和1 9 标度法构成对比矩阵,直到2 级指标层。2)计算权重系数。计算同层级指标对相邻上层级指标的初始权重系数。3)判断一致性。当判断矩阵阶数 n 3 时,需要根据一致性指标 Ic和一致性比率 Rc=Ic/Ir进行一致性检验,Ir为平均一致性指标。若 Rc 0.10则认为判