安全科學原理及其結(jié)構(gòu)體系研究

吳超，楊冕

摘要：目的：隨著安全的范疇、內(nèi)涵和外延不斷拓展和大安全體系的建立，多年來主要針對安全生產(chǎn)所形成的有關(guān)安全學原理，已經(jīng)遠遠不能滿足用于描述、演繹、歸納和解決當今諸多安全問題的需要，同時也出現(xiàn)了很多用現(xiàn)有安全理論難以解釋的安全問題；此外，在現(xiàn)有的安全學原理或安全原理的著作中，介紹的安全科學原理，在層次、邏輯、結(jié)構(gòu)和體系等方面還存在很多不足，許多基礎(chǔ)理論分支仍缺乏具體內(nèi)容，而且開展安全科學理論研究和安全學科建設(shè)研究的成果非常之少。因此，安全科學急需針對大安全背景下提出能夠彌補上述不足的新的安全科學原理內(nèi)容和體系。方法：基于現(xiàn)象—規(guī)律—科學的3 階段科學研究范式，運用科學學原理和站在安全科學學視角，采用系統(tǒng)思維方法、邏輯歸納方法和層次分析分類法，梳理安全科學原理的內(nèi)容和建立其體系結(jié)構(gòu)。結(jié)果：從頂上層次概括大安全科學體系的第一層次的學科分支，應(yīng)包括生命、自然、技術(shù)、社會和系統(tǒng)5 個要素?；谏鲜? 大要素，安全科學原理應(yīng)包括安全生命科學原理、安全自然科學原理、安全技術(shù)科學原理、安全社會科學原理和安全系統(tǒng)科學原理5 類原理，5 類安全科學原理構(gòu)成了一個完整的安全科學核心體系。依據(jù)5 類一級安全科學原理的內(nèi)涵，提出了對應(yīng)的二級安全科學原理。安全生命科學原理的主要二級原理有安全人性原理、安全人體學原理、安全生理學原理、安全心理學原理、安全生物力學原理；安全自然科學原理主要包括安全容量原理、安全多樣性原理、災(zāi)害物理原理、災(zāi)害化學原理、安全毒理學原理；安全技術(shù)科學原理主要包括安全物質(zhì)學原理、安全設(shè)備學原理、安全能量原理、安全工程原理、安全環(huán)境原理；安全社會科學原理主要包括安全文化原理、安全法律法規(guī)原理、安全經(jīng)濟原理、安全教育原理、安全倫理道德原理；安全系統(tǒng)科學原理可劃分為安全系統(tǒng)管理原理、安全環(huán)境系統(tǒng)原理、安全人機系統(tǒng)原理、安全信息系統(tǒng)原理、安全局部和諧原理。上述一二級安全科學原理之間有著復(fù)雜的結(jié)構(gòu)關(guān)系，安全科學原理是以安全系統(tǒng)科學原理、安全技術(shù)科學原理為雙腿支撐，以安全自然科學原理、安全社會科學原理為兩臂伸展，以安全生命科學原理為頭部方向，五理合一，整體構(gòu)成一幅有機聯(lián)系的、彼此融通的、相對健全的、能夠站立的人形結(jié)構(gòu)。如果將安全科學原理構(gòu)成的人形圖的外面加一個大圈，在里面加一個小圈，就成了一個輪形結(jié)構(gòu)。安全科學原理猶如輪軸，5 條一級安全科學原理猶如輪轂，5 類二級安全科學原理猶如輪輻，安全科學原理的應(yīng)用領(lǐng)域猶如輪輞或輪胎和道路。安全科學原理的輪形結(jié)構(gòu)表達，可以開展安全科學原理的故障分析，對各級安全科學原理的結(jié)構(gòu)重要度進行分析，進而對各級安全科學原理進行定量評價和創(chuàng)新研究；可以研究各級和各條安全科學原理的發(fā)展、動態(tài)演化和協(xié)同作用，同時也為安全科學原理的研究和運用提供了思路和途徑；還可以研究各級安全科學原理的內(nèi)部之間的相互作用等問題。結(jié)論：安全科學原理是安全規(guī)律的核心，安全科學原理主要包括安全生命科學原理、安全自然科學原理、安全技術(shù)科學原理、安全社會科學原理和安全系統(tǒng)科學原理5 類一級原理。建立了由一級安全科學原理和二級安全科學原理所構(gòu)成的完整安全科學核心體系，并從理論上進一步證明了安全科學的獨立性和綜合性及其重要作用。5 類一級安全科學原理相互協(xié)調(diào)，五理合一。一二級安全科學原理體系可以被整合為形象的人形和輪形結(jié)構(gòu)，它們具有豐富的內(nèi)涵，表達了各級安全科學原理的協(xié)同運動模式，同時也為安全科學原理研究指明了方向，對指導(dǎo)安全科學的發(fā)展具有重要作用。

來源出版物：中國安全科學學報, 2012, 22(11): 3-10

入選年份：2017

基于差異進化支持向量機的坑外土體沉降預(yù)測

崔鐵軍，馬云東

摘要：目的：隨著我國經(jīng)濟不斷發(fā)展，地鐵已成為各城市的主要交通方式。但地鐵建設(shè)過程中，主體施工引起的土體沉降變形受到了極大關(guān)注，基坑就是其中之一。論文為研究基坑外部土體沉降，使用支持向量機（support vector machine，SVM）對其進行預(yù)測，并通過差異進化（difference evolutionary，DE）算法構(gòu)造適合SVM 和實際沉降情況的決策函數(shù)，最終提高SVM 的預(yù)測效率。方法：建立DE-SVM 模型對基坑外部土體沉降進行預(yù)測。在確定坑外土體沉降函數(shù)的基本形式下，進行參數(shù)反演。將得到的解析式作為SVM 的決策函數(shù)。從而使SVM 的曲線擬合更快速，預(yù)測更準確。運用DE算法的先決條件是確定解析式的基本形式。根據(jù)實例中DB-06-02 測點的實際沉降量，可知原離散點（xi，ysi）的變化形式接近于y＝arctan（x），y∈（－π/2，π/2）中的某部分，對函數(shù)基本形式進行構(gòu)造和反演解析推導(dǎo)。設(shè)曲線為y＝tan（x），考慮到研究沉降離散數(shù)據(jù)點的有限性，所以取x＝πA/2，A∈（0,1），其中，A 是調(diào)節(jié)參數(shù)，以對應(yīng)有限的離散數(shù)據(jù)。在（xi，Ymi）解析式中只有（A，O）為未知系數(shù)，在（xi，Ymi）已知的情況下，通過DE算法進行參數(shù)求解。步驟如下：1）收集現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)，形成適合的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；2）選擇Ym（x）作為反演分析數(shù)學模型；3）（xi，Ymi）作為回歸函數(shù)擬合數(shù)據(jù)，選擇收斂最快且值最小值的F 和Cr；4）利用確定好的F 和Cr和實際數(shù)據(jù)，建立二維反演參數(shù)識別與優(yōu)化模型；5）以待反演參數(shù)（A,O）作為優(yōu)化變量，構(gòu)建最小二乘值函數(shù)，代入DE 算法。設(shè)定差異算法初值，按照DE 步驟進行參數(shù)搜索；6）算法收斂后，輸出獲得的（A,O）參數(shù)。上述方法反演確定的函數(shù)作為SVM 的決策函數(shù)。進而通過該SVM 來預(yù)測坑外土體沉降。結(jié)果：通過對大連地鐵灣家車站基坑坑外土體的沉降數(shù)據(jù)的分析及預(yù)測。在Matlab 環(huán)境下實現(xiàn)DE 算法，將（xi，Ymi）輸入作為參數(shù)（A,O）作為優(yōu)化變量數(shù)，n＝2，種群數(shù)Q為30，后10 個點作為預(yù)測檢驗點。選取不同縮放因子和雜交概率常數(shù)，F(xiàn)＝0.1∶0.1∶1.0，Cr＝0.1∶0.1∶1.0，共100種情況。這100種情況能快速收斂，且收斂率98%，有2 種情況不收斂。在這里取F＝0.6，Cr＝0.6；進行反演后得到的參數(shù)為：A＝0.8100；O＝0.0022，將數(shù)據(jù)帶入Ymi。擬合曲線Ym（xi）與原離散數(shù)據(jù)ysi比較，直接以DE 算法反演后計算得到的差方和為1.1439×10－5。Matlab 計算收斂時間1121.080269 s。使用Matlab 將上述參數(shù)及解析式帶入SVM，核函數(shù)采用Gauss 函數(shù)，差方和為9.817×10－6，Matlab 計算收斂時間809.131490 s。與直接使用DE 的差方和減小了14.18%，即提高了精度同時縮短了時間。結(jié)論：DE-SVM 是在SVM 中使用DE算法確定其決策函數(shù)及參數(shù)，解決其非線性映射時的運算量大的問題，且能提高預(yù)測精度和速度。1）為改善SVM 決策函數(shù)的適應(yīng)性問題，提出DE-SVM 算法。試驗表明，該算法的組織結(jié)構(gòu)適應(yīng)性較強，預(yù)測結(jié)果能反映實際情況，即該算法構(gòu)造可行。2）DE-SVM 計算SVM模擬部分的時間小于單純使用SVM 的時間，并且預(yù)測精度更高；使用DE 算法對離散點直接預(yù)測的時間大于DE-SVM 預(yù)測的時間。就該例而言，DE-SVM 預(yù)測的差方和比DE 預(yù)測的差方和小14.18%，即DE-SVM 的預(yù)測更精確，且計算時間減少了27.83%。DE-SVM 算法可對施工過程中坑外土體沉降進行預(yù)測，這對施工過程中的沉降量預(yù)警有著重要作用，進而為施工安全提供有效保障。

來源出版物：中國安全科學學報, 2013, 23(1): 83-89

入選年份：2017