（技术经济及管理专业论文）基于粗糙集与神经网络的建筑安全预测研究.pdf

内容摘要 由于建筑施工的特点，施工现场总是充斥着大量的安全隐患，各种不安定因素随时都 有可能导致事故的发生，严重威胁施工人员的生命安全，据统计，2 0 0 5 年我国发生建筑施 工事故2 2 8 8 起，死亡2 6 0 7 人；2 0 0 6 年发生建筑施工事故8 8 8 起，死亡1 0 4 8 人，从这些 数据可以看出，我们所面临的建筑安全形势是严峻的，必须对建筑安全管理有足够的重视， 并将安全管理视为工程项目管理的重要内容之一。 论文首先从安全管理研究入手，进而对我国的建筑安全管理的含义和特点进行了详细 的论述。在阅读了大量文献资料的基础上，对我国目前建筑安全的研究内容和研究方法进 行了分类和总结，并提出了基于粗糙集的神经网络建筑安全预测模型。 本文首先利用粗糙集理论对影响建筑安全状况的众多人员要素进行约简，在得到关于 人员的核心要素后，结合我国建设部颁布的施工企业安全生产评价标准( j g j t 7 7 2 0 0 3 ) 中的各项指标，建立了一套更新的建筑安全评价指标体系。该指标体系包括了5 个指标子 系统，即人员指标子系统、材料机械指标子系统、技术指标子系统、管理指标子系统和环 境指标子系统。在该指标体系的基础上，笔者设计了针对施工现场安全状况的问卷，并对 回收的4 0 1 份问卷进行了信度检验和效度检验，得到克朗巴哈q 系数为0 7 0 1 ，证明该问 卷的信度和效度是符合标准的。在此基础上，利用粗糙集方法对这些原始数据了进行处理， 获得了1 7 个影响建筑安全的主要指标。以这1 7 个指标作为输入变量建立了建筑安全的神 经网络预测模型，并通过软件m a t l a b 7 1 实现。结果表明，该模型的可操作性较强、预测 效果较好，具有一定的应用价值。 关键词：建筑安全粗糙集神经网络指标体系 a b s t r a c t b e c a u s eo ft h ec h a r a c t e r i s t i c so fc o n s t r u c t i o n t h e r ei sa l w a y sf u l lo ft h ep o t e n t i a ls a f e t y p r o b l e m si nt h ec o n s t r u c t i o nl o c a l e a l lt h e s ek i n d so ff a c t o r sm a yl c a dt oa c c i d e n t sa ta n yt i m e ， a n dt h r e a t e nt h el i v e ss a f e t yo fc o n s t r u c t i o nw o r k e r ss e r i o u s l y , s ot h es a f e t ym a n a g e m e n t b e c o m e sa ni m p o r t a n tp a r to ft h ep r o j o c tm a n a g e m e n t f i r s to fa l l ，t h ep a p e r st a l k e da b o u tt h es e c u r i t ym a n a g e m e n t ，a n dt h e nd i s c u s s e dt h em e a n i n g a n dt h ec h a r a c t e r i s t i c sc o n s t r u c t i o ns a f e t ym a n a g e m e n ti nc h i n a a r e rr e a d i n gal o to fl i t e r a t u r e t h ew r i t e rc l a s s i f i e da n ds u m m a r i z e dt h ec u r r e n tr e s e a r c hc o n t e n ta n dm e t h o d so fc o n s t r u c t i o n s a f e t ym a n a g e m e n ti nc h i n a , t h e nac o n s t r u c t i o ns a f e t yp r e d i c t i o nm o d e lb a s e do nr o u g hs e t s t h e o r ya n dn e u r a ln e t w o r kw a sp u tf o r w a r d t h er o u g hs e t sw a sf i r s t l yu s e dt or e d u c et h ee l e m e n t so fs t a f fw h i c hi n f l u e n c e dt h e c o n s t r u c t i o ns a f e t y a t i e rt h ec o r ep e r s o n n e le l e m e n t sg a i n e d ，t h ea u t h o rs e tu pan e w c o n s t r u c t i o ns a f e t ya s s e s s m e n tc r i t e r i as y s t e m w h i c hr e f e r r e dt h e “s a f e t ye v a l u a t i o nc r i t e r i ai n c o n s t r u c t i o ne n t e r p r i s e s ”( j g j t 7 7 2 0 0 3 ) p r o m u l g a t e db yc h i n a sm i n i s t r yo fc o n s t r u c t i o n t h e n ，a l li n v e s t i g a t i n gq u e s t i o n n a i r ew a sd e s i g n e da c c o r d i n gt ot h i si n d e xs y s t e m ，a n da f t e r p r o c e s s i n gt h eo r i g i n a ld a t ab yt h em e t h o do fr o u g hs e t ，w eg o t17m a i ns a f e t yi n d i c a t o r s f i n a l l y ap r e d i c t i o nm o d e lo fn e u r a ln e t w o r kw a se s t a b l i s h e dw h i c hu s e dt h e s e17i n d i c a t o r s 弱 i n p u tv a r i a b l e s t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h i sm o d e lc o u l do p e r a t es m o o t h l ya n df o r e c a s tw e l l ，s o t h e r ea r es o m ew o r t hi na p p l i c a t i o n k e yw o r d s ：r o u g hs e t st h e o r y ；n e u r a ln e t w o r k ；i n d e xs y s t e m n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得天津财经大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：签字日期：如g 年月砑日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解天津财经大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权天津财经大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：檄导师签名：歹岛亏 签字日期：知? 年易月砖日 签字日期：驯f 年弓月垢 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 电话： 通讯地址：邮编： 第1 章绪论 1 1 安全管理的含义及特点 人类的发展史就是生产的发展史。无论生产如何发展，生产与安全的话题一直为世人 所关注。特别是工业革命之后，传统手工业劳动被大规模的机械化生产所替代，生产规模 不断扩大，新设备新技术大量使用，在提高了劳动生产率的同时，也增加了新的危害和危 险。随着工业的发展，伤亡事故只益增多，职业危害也同益严重。在市场经济条件下，竞 争同益激烈，我国的安全生产问题同益凸现，工伤死亡率居高不下，这引起全社会和广大 人民群众的广泛关注。 1 1 1 安全管理的含义 一般来讲，安全就是没有危险。通用的讲法是，人不受到伤害，物不受到损失或环境 免遭破坏。从安全管理的角度，将安全定义为：安全是人们在劳动生产中所处于的一种状 态，这种状态消除了可能导致人员伤亡、职业危害、设备及财产损失或危及环境的潜在因 素。 对于安全管理，人们也下了种种定义。 -t 国内一些学者认为安全管理是指管理者综合运用行政、经济、法律法规、技术等各种 手段，发挥决策、教育、组织、监察、指挥等各种职能，对人、物和环境等各种管理对象 施加影响和控制，排除不安全因素，以达到安全的目的，其核心问题就是使劳动者的人 身安全和身体健康在生产活动中得到有效的保护，以保证生产工作的顺利进行。或者认为 安全管理是人类在各种生产活动中，按照科学所揭示的客观规律，对生产活动中的安全问 题进行计划、组织、指挥、控制和协调等一系列活动的总称。 国外部分学者认为安全管理是消除或控制危险的一种活动。针对已经认识的危险，制 定并实施防范措施、监控措施的实施情况等活动就是安全管理所从事的工作。安全管理其 实质上是防止危害的管理，它分为使危险发生的频率减少的预防和防止事态扩大并使之减 罗云建筑施_ t 安全管理伞书 m 北京：中国建筑t 业f n 版社，1 9 9 8 年：3 2 7 3 6 5 轻、使损失规模缩少的防护对策。安全管理就是通过人的行为对人身安全、财产安全和环 境安全进行计划、组织、领导和控制的一系列活动 综上所述，安全管理是为实现安全生产而组织和使用人力、物力和财力等各种物质资 源的过程。它利用计划、组织、指挥、协调、控制等管理机能，控制来自自然界的、机械 的、物质的不安全因素及人的不安全行为，防止危害的产生，避免伤亡事故的发生，保证 职工的生命安全和健康，保证生产顺利进行。 安全管理是企业管理的一个重要组成部分，但它除了具有企业其他各项管理的共同特 征外，由它自身的任务决定了还具有独自的特征。即：安全管理的根本目的在于防止伤亡 事故的发生，它必须遵从伤亡事故预防的基本原理和原则。 i i 2 安全管理的研究领域 安全管理的范围很广，目前，对于安全管理的研究已涉及到各个行业和领域。 工业生产领域的安全管理，主要侧重于进行预先安全分析与评价。预先对生产装置和 作业中固有的和潜在的危险进行综合分析、判断和预测，提高装置或设备的可靠性，把安 全和生产的稳定发展统一起来，综合考虑强度设计、功能设计、材质性能等，从而实现装 置的本质安全化；此外，建立新型的安全管理结构，把企业的安全管理与财产保险和安全 咨询三者紧密结合起来，进行安全科学知识和安全技术技能教育，提高职工安全意识和素 质，增强企业的防灾能力。 2 0 0 4 年安徽省阜阳假奶粉案件直接推动了我国食品安全管理的发展。管理重点侧重政 府行使监管职能，并通过设立食品标准权威管理机构，以强制实施标准来推行政府的职能 管理，并注重与国际食品标准接轨，同时注重强调标准执行的系统化、法律化。 公共安全管理也成为安全管理的热点之一。特别是2 0 0 3 年非典的爆发，更是暴露出 我国公共安全管理的不足。公共安全事故不仅对人民的生命财产构成严重威胁，也影响社 会的稳定发展。入类社会面临的公共安全问题呈现出多发性、多样性的特点，火灾、地震、 洪涝、风暴潮、海啸、交通事故、爆炸、传染病、中毒等以及由此而引发的衍生与次生灾 害不胜枚举，防不胜防。建立健全公共安全保障体系，加强应急管理，确定政府安全管理 责任的内容和范围，才有助于政府有针对性地完善自身建设，推进政府体制改革和创新。 哈罗德孔茨，海肉茨韦里克管理学( 第十一版) 呻 北京：经济科学出版社，1 9 9 8 年：2 5 4 2 5 5 2 目前，安全管理的研究领域还有航运安全管理、环境安全管理、交通安全管理等。而 随着计算机与网络的发展，对网络安全性、稳定性、以及业务提供能力的要求也越来越高， 网络安全管理、信息安全管理也成为安全管理的研究重点。 而建筑行业一直是安全事故的高发行业，建筑施工企业的安全生产问题是我国安全生 产监督管理工作的重点问题之一。据统计，2 0 0 2 年建筑业发生事故1 2 0 8 起，死亡1 2 9 2 人； 2 0 0 3 年发生事故1 2 7 8 起，死亡1 5 1 2 人；2 0 0 4 年发生建筑施工事故l1 4 4 起，死亡1 3 2 4 人。2 0 0 5 年发生建筑施工事故2 2 8 8 起，死亡2 6 0 7 人。2 0 0 6 年发生建筑施工事故8 8 8 起， 死亡1 0 4 8 人。从以上数据可以看出，我们所面临的建筑安全形势是严峻的，必须对建筑 安全管理有足够的重视。 1 2 建筑安全管理的含义及特点 1 2 i 建筑安全管理的含义 建筑安全管理可以从广义与狭义两方面来进行理解。从狭义上来讲，建设工程安全管 理，是指确定建设工程安全生产方针及实施安全生产方针的全部职能及工作内容，并对其 工作效果进行评价和改进的一系列工作。它包含了建设工程在施工过程中组织安全生产的 全部管理活动，即通过对生产要素过程控制，使生产要素的不安全行为和不安全状态得以 减少或控制，达到消除和控制事故、实现安全管理的目标。广义的建筑安全管理通常还 包括建筑规划、建筑设计和建筑结构的安全。 1 2 2 建筑安全管理的特点 1 2 2 1 建筑安全生产的特点 建设工程具有单件性、离散性、流动性、露天性、作业高空性及大量手工作业等特点， 这就在客观上促使建设工程的安全生产工作带有自身的特点 。 1 施工现场复杂拥挤，施工条件恶劣。建设项目坐落在一个固定的位置上，且为露 天作业，这就导致了必须在有限的场地和空间上集中大量的人力、物资、机械进行多层次 的交叉作业，导致作业环境的拥挤，工作条件金库，极易产生机械伤害、物体打击等伤亡 事故。 卜海市t 程建设监督研究会编，建设施t 禁忌手册，北京：中国建筑t 业出版社，2 0 0 4 年：2 2 0 一2 2 3 姜敏建筑施工安全生产百问 m 北京：中国建筑工业出版社，2 0 0 1 年：2 3 - 3 5 3 2 手工操作多、体力消耗大、强度高使得个体劳动保护困难。在恶劣的作业环境下， 施工人员的手工操作多，体能耗费大，劳动时间和劳动强度都比其他行业要大，其职业危 害严重，带来了个人劳动保护的艰巨性。 3 流动性大、工人整体素质低带来了安全管理难度大。由于建设产品的固定性，当这 一产品完成后，施工单位就必须转移到新的施工地点去，施工人员流动性大，整体素质较 差，要求安全管理措施必须及时到位，这就带来工程施工安全管理难度性。 4 产品多样性、施工工艺多变性要求安全技术与管理措施完善。建设产品具有多样性， 施工生产工艺复杂多变。如一栎建筑物从基础、主体至竣工验收，各道施工工序均有其不 同的特性，其不安全因素各不相同。同时，随着工程建设进度，施工现场的不安全因素也 在随时变化，要求施工单位必须针对工程进度和施工现场实际情况不断地及时采取安全技 术措施和安全管理措施予以保证。这就对施工企业提出了更高的要求。 1 2 2 2 建筑安全管理的特点 由于建筑安全生产的特殊性，并且我国幅员辽阔，不同的地区存在着地理、气候、人 文等方面的差异，不同的企业也存在不同的差异。因此，建筑安全管理也有其自身的特点： 1 复杂性 我国幅员辽阔，地区差异大，地区间发展不平衡；建筑企业数量众多，其规模、资金 实力、技术水平参差不齐，情况的复杂使得建筑安全生产管理也变得复杂起来。另外，工 程建设有多个参与方，管理层次比较多，管理关系复杂。 2 流动性 建筑产品是依附土地而存在，在同一个地方只能修建一个建筑物，建筑企业需要不断 地从一个地方换到另一个地方进行建筑产品生产。建筑安全管理的对象是建筑企业和工程 项目，也必然要不断地随企业的转移而转移，不断地跟踪建筑企业和工程项目的生产过程。 3 法规性 一般的企业管理可以在有关法律框架内自行管理，管理方法和手段也是不尽一样，且 灵活多变的。但是，建筑安全生产管理则不一样，它所面对的是整个建筑市场，众多的建 筑企业，它必须保持一定的稳定性，必须通过一套完善的法律体系来规范。 4 1 3 建筑安全管理研究现状 1 3 1 建筑安全管理研究内容的现状分析 由于建筑安全管理的重要性，国内外学者对其进行了各方面的研究。国内在建筑安全 管理研究方面起步较晚，但近年来发展很快，且研究内容涵盖范围很广，包括安全管理体 制、安全管理体系的建立，人、材、机的安全管理，建筑安全法律的制定，安全管理模式 的选择、安全影响因素的确定等多方面的内容。 在对建设项目安全组织管理方法的研究中，l e v i t t 和p a r k e r 对“最高决策层对减少 安全事故所起的作用”进行了研究，得出的主要结论是如果经理在施工丌始之前要求进行 详细的安全计划，工人在施工中就会干得既好又快“j 。h i n z e 和p a n n u ll o 则对“增加工作 中的监控有利于改善安全状况”的研究，得出的主要结论是公司领导视察现场的频率越高， 现场的伤亡事故率就越低。1 9 8 2 年s a m e l s o n 和l e v i t t 对“业主如何选择安全的承包商 进行研究，得出的主要结论是主动仔细挑选安全水平高的承包商的业主，其工程项目更加 安全。国内学者章鑫和黄贻平则采用非参数统计方法分析了业主的各种不同安全态度及 措施对项目安全绩效影响的显著性，结论为：业主对分包和劳务单位有资质要求、业主在 现场设有安全管理机构和人员、业主主持参加项目安全会议的频率、业主要求承包商施工 过程中定期汇报安全情况的频率、业主的性质、业主尽早向承包商强调安全的重要性、业 主要求承包商队工人在上岗前进行培训和业主参与项目安全检测的频率这八项态度对项 目安全绩效有显著影响。 在建筑业企业安全管理体系建设方面，徐峰 认为施工工地安全管理体系的不规范、 不完善是造成建筑安全事故的主要原因之一。因此，将o s 删s 管理体系引入到建筑安全管 理领域，建立基于o s h m s 标准的旖工工地管理体系，不但可以减少施工事故的发生，减少 死亡和重伤人数，还可以为企业增加经济效益和社会效益。 对于安全投入、信息技术在安全管理中的使用等问题，也有很多成果值得探讨和借鉴。 学者强茂山和方东平 就对建设工程项目安全投入的组成和安全绩效进行了调查研究。他 们将安全投入分为安全教育、劳动保护、现场安全设施、文明施工等四大项，利用多元回 k m nre ，p a r k e rh w r e d u c i n gc o n s t r u c t i o na c c i d e n t s - t o p - m a n a g e m e n t sr o l e j 1 j o u r n a lo f c o n s t r u c t i o nd i v i s i o n ，1 9 7 6 h i n z ej ，p a n n u l l oj s a f e t y ：f u n c t i o no f j o bc o n t r o l j j o u r n a lo f c o n s t r u c t i o nd i “s i o n ，1 9 7 8 h i n z ej ，g o r d o nf s u p e r v i s o r - w o r k e r r e l a t i o n s h i pa f f e c t si n j u r yi u t e j j o u r n a lo f c o n s t r u c t i o nd i v i s i o n ，1 9 8 2 章鑫，黄贻平，方东平业主对t 程项目安伞绩效影响的定量研究 j 十木t 程学报，2 0 0 6 年第3 期：1 2 3 - 1 2 8 徐峰，王会义基于o h s m s 标准的施t t 地安伞管理体系的建妒 j 建筑施t ，2 0 0 6 年第3 期：1 9 3 1 9 7 强茂山，方东平，肖红萍，陈洋建设t 程项目的安伞投入与绩效研究 j t 木工程学报2 0 0 4 年第l l 期：1 0 1 1 0 7 5 归方法分析了主要安全投入指标与安全绩效的关系，从而对施工企业优化安全投入提出了 建议，并对建筑施工安全检查标准( j g j 5 9 - 9 9 ) 中评分项的权重、安全检查的评分模式 进行了探讨。而董群忠认为，建筑工程安全生产管理运用信息技术，就是要建立国家级 的建筑工程安全管理信息系统。该信息系统可以将各级建设行政主管部门、各级施工企业 的计算机进行联网，形成国家级信息传递系统，同时建立相应的管理措施和相应的软件系 统，使之互相结合，从而使建筑安全生产信息得到保存和利用。 在人、材、机的安全管理方面，冷勇圆介绍了建立机械设备技术档案的方法，并总结 出根据建设工程施工进度及时收集、整理、立卷形成有关建筑机械安全管理技术档案的内 容要点。这样建立出的安全管理技术档案可以清晰地反映建筑机械在工程施工中的状态， 便于各种安全生产检查，落实安全生产责任。而人的心理原因也会对建筑安全有所影响。 例如侥幸心理、畏难心理、急于求成的心理、身心疲惫、习以为常、三心二意、反常心理、 抵触心理等心理因素，都会造成安全隐患铆。 有些学者认为，要想保证建筑项目安全的进行，必须从设计阶段开始。例如，张仕廉， 潘承仕认为推进安全设计是建筑施工本质化安全的必然。由于目前设计单位的工作基本 是围绕建筑设计或结构安全设计展开的，因此，要推行安全设计，目前的工作机制必然要 重新设计，最终实现建筑设计、结构设计与施工安全设计的融合。同时要建立安全设计量 化指标体系，从事前、事中、事后三个环节做好控制。姚振星，王勇认为除结构安全设 计之外，地质、气候、环境等也是安全与防灾设计的重要考虑因素。并提出了建筑群联防 降灾的协防新观点，即对于建筑群体，要考虑相邻建筑间的灾害连带影响与破坏，还要考 虑以建筑群的观念进行建筑的安全联保设计，即在一个建筑发生安全灾害后，通过相邻建 筑提供减灾支援的问题。 此外，一些学者还对影响建筑安全的因素作了有特色的研究。如茅艳、许波 认为色 彩对于人的生理和心理都具有影响作用，若对建筑物施以合理的安全色彩，并使之标准化， 对提高环境的安全性和舒适性具有重要意义。介绍了色彩的属性及其在建筑室内、外环境 设计中的应用，并认为安全色彩并非使用越多越好，而应按照建筑物周围环境的具体情况 进行布置，以使安全色彩醒目，起到安全提示的作用。 莆群忠信息技术在建筑t 程安伞管理中的应用 j 建筑，2 0 0 3 年第9 期：6 8 冷勇建筑机械，女伞管理的技术档案 j 建筑机械化，2 0 0 3 年第5 期：3 4 - 3 7 黎建平影响建筑施t 安伞的心理冈素 j 建筑安伞，2 0 0 1 年第8 期：4 1 4 2 张仕廉，潘承仕建设项日设计阶段安伞设计与施t 安伞研究 j 建筑经济，2 0 0 6 年第1 期：7 7 - 8 0 姚振星，一卜勇论建筑的安令管理0 防灾设计 j 电力学士 i ，2 0 0 3 年第l 期：2 4 2 8 茅艳，许波，张长森安伞色彩在建筑中的应用 j t 业建筑，2 0 0 4 年第7 期：3 0 - 3 2 6 1 3 2 建筑安全管理研究方法的现状分析 建筑安全事故的发生往往是几个因素相互作用的结果，各因素之间的影响又具有一定 的模糊性，很难用一般的方法给出一个定量的数学模型，例如我们常用的回归预测模型就 很难对事故发生的可能性的做出准确的判断。因此，一些新的预测方法被应用到对建筑安 全事故的预测与评价中来。目前，国内学者使用较多的方法是神经网络、灰色预测和模糊 模拟这三种方法。 神经网络模型的特点在于信息的分布式存储和并行协同处理，可以用来解决利用传统 方法无法解决或技术处理有困难的问题。它可以根据已经获知的信息，较为准确地表示和 预测分析对象之间的相互关系，特别是分析对象之间的关系未知的情况下，其优越性更加 明显。王三明研究分析了b p 神经网络模型的缺陷并提出了优化策略。在此基础上，将神 经网络理论应用于系统安全评价之中，提出了基于此理论的系统安全评价模型、实现方法 和优点评价实例证明了此方法的可行性。苏义坤应用集值统计和主成份分析方法对其进 行处理和优选得到最佳指标集合。在b p 神经网络自学习的基础上得到稳定的知识库，进 而对工程项目的安全管理状态进行评价。 灰色系统预测是从灰色系统的建模、关联度及残差识别的思想出发，所获得的关于预 测的新概念、观念和方法。它的主要优点是它通过一系列数据生成方法将根本没有规律的、 杂乱无章的或规律性不强的一组原始数据序列变得有明显的规律性。江宽固利用灰色预测 法对某地建筑企业的安全事故千人伤亡率进行预测，判断下一阶段事故千人伤亡率的变化 趋势，以确定下一步采应取的安全对策。 模糊综合评价是以模糊数学为基础，应用模糊关系合成的原理，将一些边界不清、不 易定量的因素定量化，从而对实际的综合评价问题进行评价的一种方法。胡宝清，刘敏 将模糊数学中的线性加权平均模糊综合评判模型与高层建筑中对火灾安全有影响的因子 相结合，建立了高层建筑火灾安全评价的模糊综合评价模型。在该模型中对数据的处理、 权重的选取、多层次的综合评价进行了方法上的研究。对某高层建筑火灾安全评价中的评 价指标与等级的选取、评价指标标准的确定、权重的确定等进行了实例分析，给出了评价 结果并对结果进行了分析。卫赵斌等利用模糊数学对建筑安全事故影响因素进行度量， 王三明，蒋军成，姜慧基于人t 神经网络理论的系统安全评价 j 工业安全与防尘，2 0 0 1 年第2 期：2 7 - 3 0 苏义坤，张守健，孙三龙t 程建设安全管理效果评价 j 佳木斯大学学报( 自然科学版) ，2 0 0 3 年第4 期：3 8 3 3 8 9 江宽，黄永祥，张保敏建筑安伞事故的灰色预测 j 重庆建筑，2 0 0 6 年第l 期：4 5 4 6 胡宝清，刘敏，卢兆明高层建筑火灾安伞模糊评价 j 武汉人学学报( 工学版) ，2 0 0 4 年第4 期：6 7 7 2 i ! 赵斌，朱桂荣，马楠基于模糊评价法的建筑安全事故预测模型 j 中国安伞生产科学技术，2 0 0 5 年第6 期：5 5 5 7 7 通过层次分析法确定各影响因素权重，提出了一种基于模糊评价法的建筑安全事故预测模 型，解决了建筑生产中安全事故的即时预测。 此外，一些学者还将目前比较前沿的数据分析、数据挖掘方法应用到建筑安全因素分 析中。黄玲对高层建筑的环境安全影响因子进行了研究，并以玻璃幕墙、建筑高度和容 量、建筑密度以及建筑材料四个因子为基础，建立高层建筑的环境安全评价体系。提出了 将狄色关联分析法应用于高层建筑的环境安全评价。李立新，刘琳以可靠度理论为基础， 利用现有的可靠度理论求结构可靠度指标的方法、民用建筑可靠性鉴定原则，及动态监测 方法，构建工程结构安全预警系统，创建工程结构安全预警系统程序；制定在建结构安全 性评估分级原则。 另外，国内一些研究生毕业论文，大都从安全管理体系的角度来对建筑安全做出模糊 评价，方法大都是建立一些指标，通过直接量化或者建立数学模型的方法，对安全管理体 系的有效性或者对建筑企业的安全管理做出评价，这种方法对于建筑安全管理的客观定量 评价提供了一种很好的思路。例如通过建立了施工安全评价指标体系，安全评价模型，运 用多级模糊综合评价方法对高层建筑施工安全进行评价，从而有效地对高层建筑施工安全 进行预测、预报、预防，确保高层建筑施工的安全。 而粗糙集是目前较为前沿的一种数据挖掘方法，它是一种处理不精确或不完整信息的 数学工具，在机器学习、决策分析、过程控制、模式识别和规则提取等领域有所应用。国 外已经有学者用粗糙集进行了地区降水量预测、疾病诊断等应用，取得了良好的效果。本 文试图对粗糙集的应用领域进行拓展，用粗糙集方法对建筑安全事故影响因素进行分析， 以发现一些有用的信息。 在系统建模、辨识和预报中，对于线性系统，在频域，传递函数矩阵可以很好地表达 系统的黑箱式输入输出模型；在时域，利用自回归滑动平均( a r i a ) 模型通过各种参数 估计方法，也可以给出系统输入输出的描述。这样一来，线性系统预测问题就已经比较 完美的解决了。但对于非线性系统，一般采用基于非线性自回归滑动平均( n a r m a ) 模型 进行预测，但是，很难为这种模型找到一个恰当的参数估计方法。因此，可以说传统的非 线性系统辨识，在理论研究和实际应用方面，都存在极大的困难。 在本文中，由于影响建筑安全的因素非常多，而传统的统计回归模型变量数大多限制 在1 0 个以内，同时也很难对众多的参数做出准确的计算。相比之下，神经网络在这方面 显示出了明显的优越性。由于神经网络具有通过学习逼近任意非线性映射的能力，将神经 黄玲高层建筑的环境安伞影响肉子分析 j 华北科技学院学报2 0 0 6 年第9 期：3 9 - - 4 1 李立新，刘琳工程结构安全预警系统构建方法 j 沈阳建筑大学学报( 自然科学版) ，2 0 0 6 年第3 期：2 0 4 2 0 7 8 网络应用于非线性系统的建模与辨识，可以不受非线性模型的限制，便于给出易于实现的 学习算法。 1 4 1 本文的研究内容 1 4 本论文的研究内容及研究方法 为了实现对建筑安全预测进行系统地研究，作者对论文内容做了如下的安排： 第一章对建筑安全管理的含义、特点进行了系统的论述，并着重分析了目前在该领域 的研究现状。 第二章主要介绍了粗糙集和神经网络的基本理论，为下文的应用打下基础。 第三章运用粗糙集理论，提炼出影响建筑安全状况的人员因素，并通过r o s e t t a 软件 来实现。在此基础上，建立了建筑安全评价指标体系。 第四章运用神经网络模型，对某工地的建筑安全状况进行了预测。 第五章总结本论文的研究成果与不足，提出进一步的研究方向。 1 4 2 本文的研究方法 在本文写作过程中，笔者采用文献分析和问卷调查相结合、定量分析与定性分析相结 合以及租糙集与神经网络相结合的研究方法，并在深入调查建筑安全管理现状的基础上， 对建筑安全管理状况进行预测。 本文将采用粗糙集方法对建筑安全影响因素进行分析，通过规则提取，提炼出影响施 工现场建筑安全状况的主要因素。此外，建立基于粗糙集的建筑安全评价指标体系，并使 用神经网络方法对其进行训练和预测。 9 2 1 1 粗糙集简介 第2 章粗糙集与神经网络 2 1 粗糙集理论基础知识 粗糙集( r o u g hs e t ) 理论是波兰数学家z p a w l a k 于1 9 8 2 年提出的一种数据分析理 论。它是一种新的处理模糊和不确定性知识的数学工具，其特点是不需要预先给定某些特 征和属性的数量描述，而是直接从给定问题的描述集合出发，找出该问题的内在规律，其 基本思想更接近现实情况。由于最初关于粗糙集理论的研究大部分是用波兰语发表的，因 此当时没有引起国际计算机学界和数学界的重视，研究地域也仅局限在东欧一些国家，直 到2 0 世纪8 0 年代术才逐渐引起各国学者的注意。由于它在机器学习与知识发现、数据挖 掘、决策支持与分析等方面的广泛应用，研究趋热。1 9 9 2 年，第一届关于计算机理论国际 学术会议在波兰召开。1 9 9 5 年，a c mc o m m u n i c a t i o n 将其列为新浮现的计算机科学的研究 课题。1 9 9 8 年，国际信息科学杂志( i n f o r m a t i o ns c i e n c e s ) 还为粗糙集理论的研究出了一 期专辑。 粗糙集理论是建立在分类机制的基础上的，它将分类理解为在特定空间上的等价关系， 而等价关系构成了对该空间的划分。粗糙集理论将知识理解为对数据的划分，每一被划分 的集合称为概念。粗糙集理论的主要思想是利用已知的知识库，将不精确或不确定的知识 用己知的知识库中的知识来( 近似) 刻画。该理论与其他处理不确定和不精确问题理论的 最显著的区别是它无需提供问题所需处理的数据集合之外的任何先验信息，所以对问题的 不确定性的描述或处理可以说是比较客观的，由于这个理论未能包含处理不精确或不确定 原始数据的机制，所以这个理论与概率论，模糊数学和证据理论等其他处理不确定或不精 确问题的理论有很强的互补性。 2 1 2 粗糙集理论基本知识 2 1 2 1 知识与知识库 给定一个我们感兴趣的对象的论域u ，对于任何于集x eu ，可称之为一个u 中的概念 ( c o n c e p t ) 或范畴( c a t e g o r y ) ，并且u 中的任何概念族称为关于u 的抽象知识，简称知识。 曾黄麟粗集理论及j 应用一关于数据推理的新方法 m 重庆：重庆大学出版社。1 9 9 6 年：3 3 4 5 1 0 一个u 上的分类族，定义为一个u 上的知识库( k n o w l e d g eb a s e ) 。这样，知识库表达 了一个或一组智能机构( 例如生物或机器人) 的各种基本分类方式( 例如按颜色、温度等划 分) ，它构成了该机构所需的定义与环境或其本身的关系的基础构件。 当r 为u 上的等价关系，则u r 为r ( 或u 的分类) 的所有等价类族，我们用 x p 表示 子集x 属于r 中的一个范畴，且r 包含元素x u 。若r 是由u 上的划分r = x l ，x2 ，x 。 表达的等价关系，( u ，r ) 称为近似空问，用d e s x ， 表示u 上关于r 的一个等价关系x 。 的描述。此时，一个知识库就是一个相关系统k = ( u ，r ) ，其中u 为非空有限集，称为论 域，r 是u 上的一个等价关系族。 2 1 2 2 不可分辨关系 若p c r ，且p = y = q ，则np ( p 中全部等价关系的交集) 也是一等价关系，称为p 上的 不可分辨关系( i n d i s c e r n i b i l i t yr e l a t i o n ) ，且记为i n d ( p ) ： x 耐n = i x 矗 ( 2 1 ) r e p 这样u i n d ( p ) ( 等价关系i n d ( p ) 的所有等价类族) 定义为与等价关系p 的族相关 的知识，称为p 基本知识( pb a s i ck n o w l e d g e ) 。为简单起见，将u i n d ( p ) 记为u p ， p 基本知识记为p ，i n d ( p ) 的等价类称为知识p 的基本概念或基本范畴( b a s i cc a t e g o r y ) 。 特别地，如果q e r ，对于u 在k 中，则q 称为q 初等知识( qe l e m e n t a r yk n o w l e d g e ) ， 且q 的等价类成为知识r 的q 初等范畴( qe l e m e n t a r yc a t e g o r y ) 。 对于空集o p cr 所有p 基本范畴的族称为知识库k ( u ，r ) 中的基本范畴族。 粗糙集理论根据对象所具有的信息，即属性的取值，将其划分到不同的类别，若两个 对象具有相同的属性取值，那么它们是不可分辩的，根据己有的信息不能将它们分开，显 然这是种等价关系。不可分辩关系是粗糙集理论的最基本的概念，在此基础上引入了等 价类、近似区间等概念来刻画数据中存在的不确定性。 2 1 2 3 上下近似集 设x u ，且r 为u 上的一个等价关系。当x 能表达成某些r 基本知识的并时，称x 是 r 可定义的( rd e f i n a b l e ) ，也称作r 精确集( re x a c ts e t s ) 。否则称x 是r 不可定义的 ( ru n d e f i n a b l e ) ，也称作r 粗糙集( rr o u g hs e t s ) 。 假设给定知识库k = ( u ，r ) ，对于每个子集x u 和一个等价关系r i n d ( k ) ，可以根 据r 的基本集合的描述来划分集合x 。为了衡量 d e s ( y ；) ，y ，r 精确地说明x 中对象 的隶属度情况，考虑两个子集： r( x ) = u y u r ：y x )( 2 2 ) r 一( x ) = ufy e u r ：y n x 空集) 分别称它们为x 的r 下近似( rl o w e ra p p r o x i m a t i o n ) 和 a p p r o x i m a t i o n ) 。上近似、下近似也可用以下的等式表达： r ( x ) = u y e u r ： x 置x ) ( 2 3 ) r 上近似( ru p p e r ( 2 4 ) r 一( x ) = u y e u r ：i x 旯nx f 2 j ) ( 2 5 ) 即当且仅当i x 詹x ，x r ( x ) ；当且仅当 x rnx a ，x r 一( x ) ，集合b n 足= r 一 ( x ) 一r ( x ) 称为x 的r 边界。把p o s 足( x ) = r( x ) 称为x 的r 正域，把n e g 胄= u r ( x ) 称为x 的r 负域，把b n 膏( x ) 称为x 的边界域。 r 正域是对于知识r 、u 中所有一定能归入x 的元素的集合，r 一( x ) 是对知识r 、u 中 可能归入x 的元素的集合；r 负域是根据知识r 判断肯定不能属于x 的元素的集合；b n 露( x ) 是对于知识r 既不能归入x 也不能归入一x 的元素的集合。 2 1 2 4 近似精度与粗糙度 边界域的存在引起了集合中的不确定性。集合x 的边界域越大，其精确性越小。为了 更准确地表达这一点，引入近似精度的定义。 设集合x 是论域u 上的一个关于r 的粗糙集，定义x 关于r 的近似精度为： 叫耻矧释叭 汜6 ， 显然0 q 鼻( x ) 1 。当q ( x ) = l 时，表示不存在边界域。则称集合x 相对于r 是清晰的；当q 置( x ) 0 ，则集合x 关于r 是粗糙集合。 x 的r 粗糙度与精度恰恰相反，表示的是集合x 的知识不完全程度。 2 1 2 5 知识的简化与核 在保持知识库中初等范畴的情况下消去冗余基本范畴，称为知识的简化。完成知识化 简的基本工作是利用两个基本概念，简化( r e d u c t i o n ) 和核( c o r e ) 来进行的。 首先，令r 为一等价关系族，且r r ，当i n d ( r ) = i n d ( r 一 r ) ，称r 为r 中可省 略的( d i s p e n s a b l e ) ，否则r 为r 中不可省略的( i n d i s p e n s a b l e ) 。当对于任一r e r ，若 r 不可省略，则族r 为独立的( i n d e p e n d e n t ) 。 命题l当r 是独立的，且p _ cr ，则p 也是独立的。 命题2c o r e ( p ) = nr e d ( p ) ，其中r e d ( p ) 是p 的所有简化族。 由此可知，核不但可以作为所有简化的计算基础，因为核包含在所有的简化之中，并 且计算可以直接进行，而且当知识化简时它是不能消去的在知识特征部分的集合。 其次，定义一个分类相对于另一个分类的正域。令p 和q 为u 中的等价关系，q 的p 正域( pp o s i t i v er e g i o n ) 记为p o sj p ( q ) = up ( x ) x 面q 对于u p 的分类，u q 的正域是论域中所有通过用分类u p 表达的知识能够确定地划 入u q 类的对象的集合。 p 和q 为u 中的等价关系族，当p 中每一个r 都为q 不可省略的，则称p 为q 独立的。 当s 为p 的q 独立子族，且p o s5 ( q ) = p o sp ( q ) ，则族s c p 称为p 的q 简化。 p 中所有q 不可省略原始关系族成为p 的q 核，记为c o r e q ( p ) 。 命题3 c o r e 口( p ) = or e d 口( p ) ，其中r e d 口( p ) 是p 中所有q 简化族。 最后，令f = ( x l ，x2 ，x 。) 为一集合族，x ，- u 。当n ( f 一 x ，) ) = nf ，称x ，为f 中可省略的；反之x ；是f 中不可省略的。对于族g f ，当g 中所有分量都不可省略时，g 为独立的；反之g 是依赖的。 当h 是独立的，且nh ：nf ，则h 是f 的简化。f 中所有不可省略集的族称为f 的核， 记为c o r e ( f ) 。 命题4c o r e ( f ) = n r e d ( f ) ，其中r e d ( f ) 是f 的所有简化的族。 1 3 2 1 2 6 知识表达系统 一