橋梁工程風險分析研究綜述

高 翔，王有志，張 雪山東大學 土建與水利學院，山東 濟南 250061

橋梁工程風險分析研究綜述

高 翔，王有志，張 雪
山東大學 土建與水利學院，山東 濟南 250061

Summary of Research on Risk Analysis of Bridge Engineering

0 引言

近年來，中國基礎設施建設取得了巨大成果，作為其重要組成部分的橋梁工程在設計和施工管理上也得到了長足的進步。但是，一方面橋梁跨徑越來越大，施工技術越來越復雜，另一方面施工單位和施工人員魚龍混雜，水平參差不齊，這使得橋梁施工的安全問題越來越突出。如果對這些風險沒有足夠重視并及時采取措施，極可能發生安全事故，帶來的經濟損失和人員傷亡將無法彌補。

1 橋梁風險分析研究現狀

1.1 國外研究現狀

第一次把風險評估和橋梁聯系起來的是1983年在丹麥哥本哈根召開的“船只與橋梁和離岸結構的撞擊”學術會議。2001年3月，在馬耳他進行了題為“Safety，Risk and Reliability-Trends in Engineering”的學術研討會，該會議極大地促進了橋梁風險評估的發展，使其在工程領域達到一個新高度。學者們對橋梁工程其他方面的風險也做了研，如Koelz[1]提出一個多階段的地震風險評估流程；Kaneyoshi[2]介紹了關于橋梁結構地震風險評估的評估系統；在火災問題上，Schleich[3]研究了國際標準火災曲線并修改了ISO曲線；在車橋撞擊問題上，Das[4]詳細介紹了車橋相撞的風險問題。W illiamson[5]總結了如何降低重要橋梁遭受恐怖襲擊的風險概率。

1.2 國內研究現狀

中國橋梁風險研究起步較晚。1987年，清華大學郭仲偉教授撰寫的《風險分析與決策》開啟了中國的風險分析研究。馬耳他國際會議后，中國橋梁工程風險研究步入新的領域。在船橋撞擊方面，中國船橋撞擊事故數據庫由戴彤宇[6]建立，提出后果當量概念。在橋梁風災方面，王愛勤等[7]提出公路大跨度橋梁抗風性能評價方法。在地震災害方面，吳振營[8]運用可靠度方法計算了整個橋梁體系的可靠指標。同濟大學阮欣[9-10]在專著《橋梁工程風險評估》中對橋梁風險評估進行了詳細的研究，提出了基于風險評估的橋梁施工期間強健性分析方法和風險對策，建立了橋梁風險評估的理論框架。

2 工程風險分析概述

2.1 工程風險的特性

工程風險的特性有不確定性、相對性、漸進性、多樣性和多層次性、可變性、可測性。

2.2 橋梁工程風險的分類

橋梁工程風險的分為成橋前期階段和橋梁運營階段。成橋前期階段包括建設方案風險、試驗風險、施工風險[11]。橋梁運營階段包括船撞風險、車撞風險、地震風險、抗風風險、超載風險、洪災風險、火災風險、恐怖襲擊風險。

3 工程風險分析基本內容

3.1 風險識別

風險識別是工程風險分析的第一步，是對工程生命周期內可能產生的風險進行分析和判斷。各種各樣的風險都可能存在于工程項目中，包括外部和內部、技術和非技術的。這些風險存在于何處、發生的條件、產生的主要因素在風險識別中均應有初步的分析和判斷，對風險進行定性分析是這一階段的主要任務。在辨識風險時要解決好2個問題：識別出來的風險因素必須全面、可靠，包含關鍵風險因素；處理好偏差，例如在專家調查法中，專家的主觀因素會使結果與實際情況出現偏差。

3.2 風險分析評價

風險分析的方法有很多，但是每種方法都有其局限性，應該針對不同問題選擇最佳的分析方法。在風險分析中，多學科交叉融匯成為一種發展趨勢，有選擇地運用多種分析方法也越來越重要。常用的風險分析方法如下。

（1）蒙特卡羅模擬技術。它利用計算機模擬概率過程，在后期對統計結果進行處理。對隨機變量進行隨機模擬統計試驗，以求得近似解，基本原理：設函數y=f（X1、 X2…Xn），變量已知，由于現實中函數是未知或一系列極其復雜的函數關系，因此很難求解y的概率分布和數學特征；蒙特卡羅用一個隨機數發生器直接或間接對每一組隨機變量進行抽樣，這樣反復模擬多次就得到一批數據yn；當模擬次數達到一定量時，由大數定律可知，此時的試驗數據與實際情況已經很接近。蒙特卡羅模擬技術通過模擬各變量間的關系，有效地解決了復雜不確定性問題，是當今風險分析的主要工具之一。

（2）頭腦風暴法。這種方法解除了對創造性思維的束縛，同時鼓勵提出任何想法和方案，并禁止對其進行批評壓制。

（3）德爾菲法。被調查的專家匿名提出意見與調查人員進行交流，專家之間不能互相交換意見和發生橫向關系，多輪調查之后對問卷進行綜合、反復歸納、修改，直至專家看法基本達成一致，結果較為可靠。

（4）WBS工作分解結構。這種方法將工程項目層層分解并逐層定義工作，使整個項目被分成一系列小的工作，達到每一個小工作都可關注和操作的目的，也可以清楚地看到工作的完成程度。

（5）財務報表分析法。工程項目涉及貨幣和工程質量進度等，對財務報表進行分析，結合財務預算，可以發現未來將會面臨的風險以及會發生的損失。

（6）現場考察法。工程現場存在很多客觀的不確定性因素，實地考察可以預測這些因素，這對于風險識別特別重要。

（7）事故樹法。按照樹狀結構將影響因素逐層細化，由總體到部分進行分析，演繹地表示事故的邏輯關系，可以進行定性和定量分析。

（8）模糊數學法。模糊數學可以準確地描述風險因素的影響，通過建立數學評價模型求出精確解，因此，工程風險分析中大量采用此方法。

（9）灰色理論。華中科技大學鄧聚龍教授于1982年首次提出了灰色理論，把客觀對象現在和過去狀態的時間序列數據按某種方式組合，作為白色數據，再把需要預測的時間序群作為灰色數據，最后找出這兩種數據的內在聯系和發展規律。

（10）敏感分析法。通過敏感分析，找出主要風險因素，這樣可以縮小考慮范圍，不用對風險進行定量。

（11）風險評審技術。美國數學家G.L.Moelldy發明的一種網絡分析法，它利用計算機模擬風險決策，同時考慮時間、花費和效果3個參數，用數學關系式把事件之間的關系反映出來，這種全程分析預測可以提供成功和失敗的可能性。

（12）馬爾可夫鏈分析。該方法通過對現在狀態和狀態轉移的分析預測未來狀態。優點是不需要連續的歷史資料，僅用現在的動態資料就可以預測。

以上方法是風險管理最常用的方法，可以用來判斷工程項目可能面臨的風險，但要注意的問題有：參與人員組成成分的不科學會導致結論的偏差，因此產生誤導；仔細甄別統計結果，認真剔除和篩選。

3.3 風險指標權重的確定及評判矩陣的建立

3.3.1 模糊集合的基本概念

模糊性是指邊界不清楚，即在質上沒有確切的含義，在量上沒有明確的界限。這種邊界不清的模糊是事物的一種客觀屬性，并非人的主觀認識達不到客觀實際。從集合論的觀點來看，在普通集合中，任何元素都是屬于或不屬于此集合，二者必占其一。但對于一個模糊集合來說，就很難確定某一元素是屬于該集合或者不屬于該集合。利用數學概念隸屬函數和隸屬度作為橋梁量化標準，對模糊性量化，進而用傳統數學方法進行分析處理。因此，隸屬函數和隸屬度是模糊集合建立的基礎和前提，也為模糊綜合評判方法提供了理論支撐 。

3.3.2 隸屬函數和隸屬度的定義及計算

在普通集合論中通常將被考慮對象的全體這個集合稱為論域，用U，V或X，Y等來表示，元素x和集合A的關系是且只能是x∈A或xA，特征函數可以完全描述集合。

A為U中的一個集合，對任意的x∈U，令

此時，λA(x)是集合A的特征函數，λA(x)表示x對A的隸屬程度，簡稱隸屬度，這里的隸屬度只能取0和1，反映了x絕對屬于A或絕對不屬于A。模糊集合則是打破隸屬度只取0和1的限制，將取值范圍擴大到[0，1]上任意多個值，這樣便可體現“亦此亦彼”的模糊概念，因此模糊集合的隸屬函數是特征函數的適當推廣。

模糊數學就是用精確的方法去表現和處理客觀存在的模糊現象，因此首先要確定隸屬函數。隸屬函數的建立主要根據實際經驗對應法則的探求，本文中應用模糊統計法，即通過模糊統計試驗來確定u0∈U對模糊集A的隸屬度。

式中：λA是u0對A的隸屬頻率；m為x0∈A的次數，n為總次數。

3.3.3 風險指標權重的確定

指標權重的確定是模糊綜合評判方法非常關鍵的一個環節。權重的確定方法有許多種：專家調查打分法、層次分析法、德爾菲法等，應用最廣泛的當屬層次分析法（AHP）。

在傳統的AHP中，判斷矩陣的作用是將決策判斷定量化，構造判斷矩陣時，先用T.L.Saaty提出的“1-9”標度確定2個指標間的重要性，然后構造判斷矩陣，這樣得到的結果介于1/9與9之間。專家和決策者很難掌握標度，所以做出的判斷經常不能滿足一致性檢驗，甚至達不到可接受的一致性檢驗，這直接導致了冪迭代特征值法求解權向量收斂緩慢，迭代次數多，計算量大大增加。

針對上述實際情況，本文采用二階段法構造判斷矩陣。第一階段用（0，1，2）三標度法將各元素兩兩比較，建立比較矩陣并算出各元素的排序指數；第二階段把比較矩陣變換為判斷矩陣，可以證明其滿足一致性要求。這樣做可以避免九標度法判斷矩陣的不一致性，而且有關專家很容易作出正確判斷，減少了計算量，使決策者容易接受AHP。

3.3.4 各專家判斷矩陣相似系數計算

層次分析法計算出的權重矩陣如式（3）所示，Wij表示第i位專家對第j個指標判斷后經層次分析法計算得到的權重。m為專家人數，n為指標個數。

相似系數Rij和相似矩陣R是用來判斷各專家所得權重的離散程度，Rij表示專家i和專家j權重結果的相似程度，Rij越小，則相似程度越小。n為指標權重的維數（所評價指標的個數），m為專家意見的總數（專家總人數），Rij= Rji，Rij=1(i=j)。

聚類分析常用的直接聚類法和間接聚類法計算非常復雜，本文并未采用聚類法剔除離異點集離異程度大的權重，而是提出了一種簡化方法，在保證精度的前提下計算簡單、原理直觀，在實踐領域可以更好地被應用。

Pi為相似系數矩陣每行之和，表示第i個專家判斷得出的權重意見和專家群體（包括自己）權重意見的偏離程度，相似系數之和越小，偏離程度越大，說明此專家意見與其他專家意見相差越大。P為相似系數對行求和形成的一列，并確定偏離程度。

式中：Di為第i個專家的相似系數和最大相似系數的偏離程度；Pmax為相似系數矩陣每行之和中的最大值。當Di大于某一閥值時，刪掉該意見。

3.3.5 建立多因素綜合評判矩陣

因素集U中的n個因素對風險的影響程度各不相同，為了能夠確切地描述風險，應根據每個因素的重要程度，由層次分析法得到n個要素相應的權重向量，并對模糊參數進行模糊綜合評判，使其定量化后，完整地將風險表征出來，這樣得到相對確切合理的結論，為決策提供科學依據。

4 工程風險管理對策

在進行項目風險識別、分析和評價的基礎上，工程管理人員應根據項目風險的性質和潛在影響，依據項目總體目標，來規劃、選擇合理的風險處置對策，將項目風險潛在損失降到最低，提高承包商對項目風險的控制能力。

4.1 風險處置策略

根據風險評估及風險分析結果采取相應的措施為風險處置，也就是制定并實施風險處置計劃。風險的處置與防范主要包括4個方面的內容：首先是回避，避開風險可能發生的場所和路徑；第二是及時止損，一旦發生風險，盡量將損失降到最低；第三是轉移，選擇合適的途徑將風險轉移出去；最后是自擔風險，做好抵御一切風險的準備。在實際情況中應綜合應用這些策略，堅決不接受風險太大的項目，而在被接受的項目中，回避、自擔、止損、轉移等策略都應隨時間、環境和條件的不同而被用于不同的組合策略中。

4.2 風險管理對策實施要點

做好風險控制，應從以下7個方面著手：從建設工程整體利益角度出發，最大限度發揮各方積極性；建設工程責、權、利均衡；建設工程應采取先進的技術措施和完善的組織措施；建設工程應回避大的風險，選擇相對小的或適當的風險；建設工程的業主應要求對方擔保并購買保險；建設工程應加強風險的預警工作；建設工程在風險狀態下應實施危機管理。

5 結語

工程風險管理的目的是避免和消除工程實現過程中可能遭遇的風險和干擾因素，減少損失，做到防患于未然。雖然與風險有關的信息永遠不可能被完全掌握，但是卻可以應用各種信息收集技術，在工程發展過程中使有關風險的信息逐步完備起來。所以采用適當的風險識別方法，工程項目中存在的風險就可以被識別出來，從而掌握這些風險發展進程的規律和可能后果。客觀地對影響施工質量的因素作出科學評價，不但可以在施工隊伍中引進優勝劣汰的競爭機制，增強施工企業的質量意識，而且有利于業主對投資過程中可能出現的種種風險因素做出科學的分析。

在一般的工程項目管理中，由于風險識別和分析技術的原因，風險管理很難開展，工程風險的定量評估方法研究還未成熟，離實際應用還有一定的距離，但可以從以下方面做進一步研究和探討。

（1）利用計算機能夠大批量處理、存儲、轉移數據的功能，實現數據共享；開發設計風險評價軟件，能夠系統地評價風險體系；擁有清晰易懂的界面，簡單易行、方便操作，有利于風險評價方法的推廣和應用。

（2）風險評估應進一步從動態系統風險評估的觀點出發，運用動態控制的原理，考慮在施工過程中采取控制和防范措施后對風險的削減，項目進程中應不斷反復迭代這一過程，體現項目風險管理的過程性和動態性，使風險管理與項目本身的生命周期有機結合，進行面向過程的項目風險動態管理研究。

（3）工程風險預警對提高工程項目的管理水平有推動作用，根據項目規模、類別的不同，如何選擇合理的預警指標，制定合理的風險警戒線，有待深入探討。

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