基于云模型的爆破振动影响度评估研究.pdf

第35卷 第3期 2018年9月 爆 破 BLASTING Vol. 35 No. 3 Sep. 2018 doi10. 3963／ j. issn. 1001 -487X. 2018. 03. 027 基于云模型的爆破振动影响度评估研究* 陆 瑜 1， 唐 旭 2， 邹 飞 1 （1.贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司， 贵阳550081； 2.贵州省质安交通工程监控检测中心有限责任公司， 贵阳550000） 摘 要 针对爆破振动危害效应的影响因素众多， 且各因素之间的综合作用具有不确定性的特点， 基于云 模型理论， 建立了爆破振动对建筑物影响度的云模型评估模型。选取峰值振速、 主振频率、 持续时间、 建筑物 结构类型、 建筑物新旧程度、 场地条件6个主要影响因素作为评估指标， 计算各指标隶属于不同爆破振动影 响程度等级的云模型数字特征， 结合正向正态云模型和指标权重， 计算待评估对象的综合确定度， 最后确定 爆破振动影响度等级， 将该方法应用于贵州省花安高速某边坡爆破振动对周边民房的影响度评估中。研究 结果表明 云模型评估结果与模糊可拓分析法的评估结果较一致， 且符合爆后实际调查情况， 为合理评估爆 破振动危害影响提供了一种新思路。 关键词 爆破振动；评估指标；影响度评估；云模型；综合确定度 中图分类号 TD235 文献标识码 A 文章编号 1001 -487X（2018）03 -0166 -06 uation on Impact of Blasting Vibration based on Cloud Model LU Yu1，TANG Xu2，ZOU Fei1 （1. Guizhou Transportation Planning Survey ＆ Design Academe，Guiyang 550081，China； 2. Guizhou Province ZhiAn Traffic Engineering Monitor and Testing Center Co Ltd， Guiyang 550000，China） Abstract Many factors make influence on the hazard effect of blasting vibration with the characteristics of un- certainty. Based on the cloud model theory，a cloud model uation model of blasting vibration impact on buildings is established. Six parameters are selected as main influencing factors as the uation indicators，including peak vi- bration velocity，main vibration frequency，duration，building structure type，building age and site conditions. The cloud model′s numerical characteristics of each index belonging to different blasting vibration impact degree levels are calculated. Combined the positive normal cloud model with index weights，the comprehensive certainty of the ob- ject is calculated，and the blasting vibration impact grade is finally determined. This is applied to the ua- tion of the impact of blasting vibration on the surrounding residential houses on a slope of Hua′an Expressway in Guizhou Province. The uation results of cloud model are consistent with the uation results of fuzzy extension analysis and the actual investigation after blasting. Key words blasting vibration；uation index；influence degree uation；cloud model；comprehensive certainty 收稿日期2018 -04 -22 作者简介陆瑜（1990 -） ， 女， 工程师、 研究生， 主要从事公路工程勘 探设计与科研工作， （E-mail）997388371＠ qq. com。 基金项目贵州省交通运输厅科技项目（2015-122-046） 工程爆破在交通建设中发挥的作用与日俱增， 随之而来的爆破施工安全问题也越来越受到关注， 主要体现在爆破施工产生的振动对周边建（构）筑 物的影响。在爆破振动的作用下， 建（构）筑物有可 能发生变形、 失稳甚至倒塌， 引起民事纠纷[ 1，2]。因 万方数据 此， 在爆破施工中， 对爆破振动带来的不利影响进行 合理评估， 并采取有效的爆破方案以保证工程的安 全和顺利进行， 显得尤为重要。 在工程实践中， 做好爆破施工周边敏感性建筑 物受振动影响程度的评估具有重大的社会意义， 可 根据评估结果来进行适时预警， 选取影响度最大的 建筑物为安全控制基准， 由此指导爆破参数的调整 和设置相应的减振、 隔振措施， 具有很强的针对性和 准确的量化控制依据。在鉴定理赔的过程中， 依据 影响度评估结果结合各类建筑物的造价标准和当地 的经济水平， 制定出科学、 合理的处理方案。由此可 见， 评估结果的合理性、 准确性直接关系到使用的爆 破方案是否合理。尝试将正态云模型应用到敏感性 建筑物的爆破振动影响度评估中， 云模型理论可以 综合考虑评估指标的模糊性和随机性， 得到较为客 观的评估结果。通过工程实例验证， 与其他评估方 法的结果进行对比， 证明基于云模型理论的爆破振 动影响度评估模型是具有可行性和有效性的。 1 云模型理论 云模型是李德毅院士于1995年提出的一种定 性概念与其定量数值表示之间的不确定性转换模 型[ 3]， 主要反映客观世界中人类知识中概念或事物 的模糊性和随机性， 并将二者集成在一起， 构成定性 与定量之间的相互映射。目前该模型已在岩溶塌陷 危险性分级[ 4]、 边坡稳定性评估[5]、 围岩稳定性分 类[ 6]、 岩爆烈度分级等多个方面得到应用[7]。 1. 1 云的定义 设U是一个用精确数值表示的定量论域，C是 U上的一个定性概念， 若定量值x∈U， 且x是定性 概念C的一次随机实现，x对C的确定度u（x）∈ [0，1] ， 是有稳定倾向的随机数 u→[0，1] x ∈ U x→u（x）（1） 则x在论域U上的分布称为云（Cloud） ， 每一 个x称为一个云滴。 由云的定义可知， 云可以实现某一定性概念与 其定量表示之间的不确定转化， 反映了模糊性和随 机性的相互关联， 构成定性知识与定量知识之间的 映射。云滴的确定度反映模糊性， 确定度值是个随 机值， 可用概率分布函数表示。在论域空间， 由大量 云滴构成的云， 表征某一定性概念。 1. 2 云模型的数字特征 对于某一定性概念， 云模型是用云的数字特征 来整体表征的。云的数字特征包括期望Ex、 熵En 和超熵He， 如图1所示。 图1 云模型的数字特征 Fig. 1 The digital characteristics of the cloud model 期望Ex 表示云滴在论域空间中的期望值， 是 概念在论域空间的中心值， 也是最能够代表定性概 念的点， 即概念量化最典型的样本。 熵En 表示定性概念的不确定性， 由定性概念 的模糊性和随机性共同决定。它不但是定性概念随 机性的度量， 也反映了定性概念云滴的离散程度， 同 时又是定性概念亦此亦彼的度量， 是对定性概念模 糊性的度量。 超熵He 是熵的熵， 即描述熵的不确定性度量， 反映了在论域空间代表该语言值的所有点的不确定 度的凝聚性， 其大小间接反映了云滴的厚度， 超熵越 大， 云滴的厚度越大。对于一个常识性概念， 被普遍 接受的程度越高， 超熵越小； 对于一个在一定范围内 能够接受的概念， 超熵较小； 对于还难以达成共识的 概念， 则超熵较大。 1. 3 云模型的实现 正态云模型是在正态分布和模糊数学概念二者 的基础上发展起来的全新模型， 以此为基础从定性 概念到定量的正态云模型具有一定普适性， 因此采 用正向正态云发生器来进行计算。 正态云定义如下 设U是一个用精确数值表示的 定量论域，C（Ex，En，He） 是U上的定性概念， 若定量值 x（x∈U） 是定性概念C的一次随机实现， 服从以Ex为 期望、E′2 n为方差的高斯分布x ～N（ Ex，E′2 n） ； 其中E′ 2 n 又是服从以En为期望、H2 e为高差的高斯分布E′ 2 n ～ N（En，H2 e） 的一次随机实现。x对C的确定度满足 u ＝ exp -（x - Ex） 2 2E′2 [] n （2） 则x在论域U上的分布称为正态云。 2 爆破振动影响度的云模型评估 2. 1 基本原理与流程 为了将云模型引入爆破振动影响度的评估中， 761第35卷 第3期 陆 瑜， 唐 旭， 邹 飞 基于云模型的爆破振动影响度评估研究 万方数据 假设每一个定性的爆破振动影响度等级视为一个自 然语言的概念， 对应映射成一朵云， 并假设评估指标 的实测数据属于某一影响度等级的确定度u服从正 态分布。基于云模型的爆破振动影响度评估方法的 实现流程为①选取主要的爆破振动影响因素作为 评估指标， 并确定各评估指标的权重；②在参考相关 规范、 标准和咨询相关领域内专家意见的基础上， 结 合工程实践经验， 确定每个评估指标的爆破振动影 响度分级标准；③根据所确定的爆破振动影响度评 估指标和分级标准计算相应等级的云数字特征值 （Ex，En，He） ， 进而基于熵En和超熵He生成高斯分 布随机数以构成云的云滴， 并由正向高斯云算法生 成该评估指标隶属于某影响度级别的云模型；④导 入待评估对象的值， 结合各评估指标权重， 将所得的 确定度与其相应的权重系数相乘并累加即得到该待 评样本属于某一级别的综合确定度；⑤由综合确定 度最大值判定所对应的影响度级别。具体评估流程 如图2所示。 图2 基于云模型的爆破振动影响度评估流程图 Fig. 2 Flow chart of influence degree uation of blasting vibration based on cloud model 2. 2 云模型评估指标与标准 爆破地震波产生阶段和传播阶段的影响因素共 同决定了爆破振动传播到拟保护建筑物时能量输入 的大小， 从建筑物安全状况系统的角度来分析， 爆破 振动对建（ 构） 筑物的影响程度， 主要取决于振动能 量输入的大小和建（构）筑物自身特性。在对爆破 振动安全判据的研究中， 一般将峰值振速、 主振频率 和持续时间同时纳入爆破振动安全判据[ 8]。从安 全判据角度来说， 本文将爆破振动能量输入大小归 纳为峰值振速、 主振频率和持续时间3个方面。 工程实践表明， 抗振性能不同的建筑物， 在相同 振动强度下遭到的破坏程度不同， 因此， 还要考虑建 筑物的抗振性能。建筑物的抗振性能主要指建筑物 的类型和新旧程度， 建筑物整体及各个部分（如柱、 梁等） 的响应特性。具体的讲， 包括建（构）筑物的 强度、 刚度和稳定性， 以及变形能力与耗能能力等几 个方面[ 9]。总的来说， 将建筑物抗振性能的评估指 标细分为建筑物结构类型、 建筑物新旧程度和地基 条件3个方面。 因此， 选取以下6个指标， 即 峰值振速、 主振频 率、 持续时间、 建筑物结构类型、 建筑物新旧程度、 场 地条件作为评估建筑物受爆破振动影响程度的指标。 在依据有关标准规范、 查阅相关爆破振动监测 资料和向爆破振动研究专家咨询的基础上， 分别确 定6个评估指标的5级划分区间值[ 10]， 见表 1， 为了 便于计算云模型的数字特征值， 表中将建筑物结构 类型、 建筑物新旧程度和地基条件3个定性描述的 指标从1 ～10划分为5个量化的打分区间。需要说 明的是， 为了便于计算， 表1中根据经验人为确定了 峰值振速、 主振频率、 持续时间的上限值， 其并非是 爆破振动的实际上限值。 表1 爆破振动影响度评估指标及各等级标准值 Table 1 uation index of blasting vibration influence degree and standard value of each grade 等级 峰值振速／ （cms -1） 主振频率／ Hz 持续 时间／ s 结构类型新旧程度场地条件 Ⅰ3. 5 ～5. 00 ～52. 0 ～5. 0毛石结构（1 ～2）很旧（1 ～2）很差（1 ～2） Ⅱ2. 0 ～3. 55 ～101. 0 ～2. 0砖木结构（2 ～4）旧（2 ～4）较差（2 ～4） Ⅲ1. 0 ～2. 010 ～300. 5 ～1. 0砖砌结构（4 ～6）一般（4 ～6）一般（4 ～6） Ⅳ0. 1 ～1. 030 ～500. 1 ～0. 5砖混结构（6 ～8）较新（6 ～8）较好（6 ～8） Ⅴ0 ～0. 150 ～1000 ～0. 1框架结构（8 ～10） 很新（8 ～10）很好（8 ～10） 2. 3 云模型指标数字特征值的确定 爆破振动影响度评估指标云模型数字特征率定 准则如表2所示， 表中的a、b、c、d、e分别代表影响 度分级指标中的各边界值， 如 峰值振速评估指标的 6个评价区间为Ⅴ（0，a] ，Ⅳ[a，b] ，Ⅲ[b，c] ，Ⅱ[c， d] ，Ⅰ[d，e） 。根据表1中给出的爆破振动影响度 评估指标及各等级标准值， 结合云模型数字特征率 定准则计算得到各项评估指标的云模型数字特征 861爆 破 2018年9月 万方数据 值， 计算结果见表3。 表2 云模型的数字特征率定准则 Table 2 Digital feature rate criteria for Cloud Models 等级期望Ex熵En超熵He Ⅴ Ex1＝0En0＝（a -0）／30. 01 Ⅳ Ex2＝（a ＋ b）／2En2＝（b - a）／60. 01 Ⅲ Ex3＝（b ＋ c）／2En3＝（c - b）／60. 01 Ⅱ Ex4＝（c ＋ d）／2En4＝（d - c）／60. 01 Ⅰ Ex5＝ eEn5＝（e - d）／30. 01 云模型的3个数字特征（Ex、En和He）确定后， 运用正向正态云发生器， 将爆破振动影响度的6个 评估指标分别生成对应的云模型， 如图3所示， 其中 （a） 、 （c） 代表爆破振动影响度评估指标从左至右为 Ⅴ级至Ⅰ级对应的云， （b） 、 （d） 、 （e） 、 （f）代表爆破 振动影响度评估指标从左至右为Ⅰ级至Ⅴ级对应的 云。图3中横坐标表示评估指标的取值x， 纵坐标 表示各指标所对应的确定度u。 表3 评估指标的云模型数字特征值 Table 3 uation index of cloud model digital eigenvalue 等级 峰值振速／（cms -1） 主振频率／ Hz 持续时间／ s 建筑物结构类型 建筑物新旧程度 场地条件 nHenHenHenHenHenHe Ⅰ5.000.500.01 0.01.670.015.001.00 0.0100.66 0.0100.66 0.0100.660.01 Ⅱ2.750.250.01 7.50.830.011.500.16 0.0130.33 0.0130.33 0.0130.330.01 Ⅲ1.500.160.0120.03.330.010.750.08 0.0150.33 0.0150.33 0.0150.330.01 Ⅳ0.550.150.0140.03.330.010.300.07 0.0170.33 0.0170.33 0.0170.330.01 Ⅴ0.000.030.01100.0 16.670.010.000.03 0.01100.66 0.01100.66 0.01100.660.01 图3 各指标隶属于爆破振动影响度级别的云模型 Fig. 3 Each index belongs to the cloud model of the influence degree of blasting vibration 2. 4 综合确定度 根据正态云发生器的计算方法， 可以得到某一指 标隶属于对应云模型的确定度。结合指标权重， 按式 （3） 可以计算得到综合确定度P。根据各等级中最大 的综合确定度值， 判定爆破振动的影响度级别。 P ＝∑ n i ＝1 uλ i （3） 式中u为确定度；λi为评价指标的权重；n为 评价因子个数。 3 实例分析 贵州省花安高速某高边坡的爆破施工中， 该区 域场地条件复杂， 爆破施工区域周边民房较多， 通过 爆前现场实地调研， 选取了7栋敏感性建筑物来进 961第35卷 第3期 陆 瑜， 唐 旭， 邹 飞 基于云模型的爆破振动影响度评估研究 万方数据 行评估， 将这7个评估对象分别编号为1 ～7， 对这7 个评估对象的结构类型、 新旧程度和地基条件需要 现场考察后作出判断， 另外3个指标采用现场振动 监测的方法获得。需要指出的是， 为了与以往的研究 成果进行对比， 采用了文献[11] 中确定的各评估指标 的权重。各评估对象的指标值与指标权重见表4。 表4 评估对象指标值与各指标权重 Table 4 Target value of uation object 评估对象 峰值振速／ （ms -1） 主振频率／ Hz 持续 时间／ s 建筑物 结构类型 建筑物 新旧程度 场地条件 12. 3317. 030. 277. 005. 005. 00 22. 0128. 490. 345. 003. 005. 00 31. 7832. 850. 369. 007. 007. 00 41. 3438. 770. 289. 005. 007. 00 51. 0342. 090. 317. 005. 007. 00 60. 3556. 670. 387. 003. 005. 00 71. 7648. 090. 297. 007. 007. 00 权重0. 2100. 1900. 1700. 1570. 1270. 146 基于6个评估指标的云模型数字特征值和式 （2） 即可计算得到待评对象隶属于某一影响度级别 的确定度u， 再依据式（3） 可以得到7个待评对象属 于各影响度等级的综合确定度P， 综合确定度最大 者为其最可能从属的等级， 云模型评估结果及与模 糊可拓分析方法的对比分析见表5。 表5 爆破振动影响度等级评估结果及对比 Table 5 uation results and comparison of influence degree of blasting vibration 评估 对象 P（Ⅰ）P（Ⅱ） 综合确定度 P（Ⅲ）P（Ⅳ）P（Ⅴ） 云模型 评估结果 模糊可拓法 评估结果 10. 0140. 0560. 4000. 3100. 000ⅢⅣ 20. 0030. 1310. 3120. 1430. 000ⅢⅢ 30. 0000. 0000. 0480. 4060. 052ⅣⅣ 40. 0000. 0000. 1370. 4640. 052ⅣⅣ 50. 0000. 0000. 1300. 6280. 000ⅣⅣ 60. 0000. 1270. 1460. 3130. 000ⅣⅣ 70. 0000. 0000. 0590. 6080. 000ⅣⅣ 以评估对象1为例说明利用综合确定度获得评 价结果的分析过程， 根据正向高斯云的算法， 计算出 评估对象1中各评估指标隶属于各影响度等级的确 定度， 评估对象1的综合确定度为P（Ⅰ）＝0. 014， P（Ⅱ）＝ 0. 056，P（Ⅲ）＝ 0. 400，P（Ⅳ）＝ 0. 310， P（Ⅴ）＝0. 000， 计算结果P（Ⅲ）＞ P（Ⅳ）＞ P（Ⅱ） ＞ P（Ⅰ）＞ P（Ⅴ） ， 由于确定度最大者是其最可能 从属的等级， 故判定评估对象1隶属于影响度等级 为Ⅲ级， 当然， 从数值上看， 评估对象1隶属于Ⅳ级 的可能性也很大， 但肯定不隶属于Ⅴ级。这一评估 结果反映了随机性和模糊性的影响， 同理可以确定 其他评估对象的评估结果， 在此不一一详述。 为验证云模型的可靠性， 同时对云模型的评估 结果与模糊可拓法的评估结果进行了对比分析， 见 表5。对于7个评估对象， 建立的云模型评估结果 与模糊可拓法的评估结果基本相吻合， 只对于评估 对象1来说， 云模型的判别结果为Ⅲ级， 而模糊可拓 法的评估结果为Ⅳ级， 说明云模型的评估方法要相 对严格一些， 在工程应用中更能确保安全性。 从7个对象的云模型评估结果中可以看出， 对 象1和2所属的影响度级别为Ⅲ级（轻度破坏） ， 其 他5个对象所属的影响度级别均为Ⅳ级（轻微影 响） ， 说明本次爆破振动对周边建筑物总体的影响 不大， 但应重点关注1号和2号建筑物在之后的爆 破中受影响程度， 必要时需采取相应的减振措施。 通过爆后实地调研， 发现该评估结果与现场实际情况 非常吻合， 再次说明本文建立的评估模型能较好地反 映建筑物受爆破振动影响程度， 是合理、 可行的。 071爆 破 2018年9月 万方数据 4 结语 爆破振动影响度是一个定性概念， 分类定级过 程中受诸多因素影响与控制， 如果不考虑评估指标 与数据的随机性与模糊性， 对其给出确定性的评估 结果， 既难以做到又不符合客观规律， 提出的基于云 模型的爆破振动影响度评估结果， 通过正态高斯云 算法将具有模糊性与随机性特征的影响度概念转化 为定量化的确定度， 揭示了影响度评估过程中的不 确定性规律， 且评价结果更具实际意义。 然而， 运用云模型解决爆破振动影响度评估的 问题时， 评估指标及各等级标准值划分的合理性和 各指标的权重考量是云模型评估更贴近实际的关键 因素。本文是在依据有关标准规范、 查阅相关文献 和咨询专家的基础上确定的分级标准， 分级的合理 性尚需更多探讨。此外， 指标权重值的确定是评估 的重点和难点， 采用的各指标权重值是否合理亦需 要进行更深入的研究。目前为止， 对爆破振动影响 度评估的研究还较少， 建立的云模型评估模型可为 爆破振动影响度评估提供参考。 参考文献（References） [1] 鲍罡武， 廖承立， 廖爱华， 等.不同装药结构深孔爆破 岩石累积损伤试验研究[J].爆破，2011，28（4） 37- 40. 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