模糊層次分析法（FUZZY-AHP）在城市路網(wǎng)施工安全評估中的研究與應(yīng)用

馮軍，梁冠軍

（1.廣東省水利水電第三工程局有限公司，廣東 廣州523710；2.滁州職業(yè)技術(shù)學(xué)院土木工程系，安徽 滁州239000）

1 引言

模糊層次分析法(Fuzzy analytic hierarchy process，簡稱FUZZY-AHP)是一種在工程領(lǐng)域評估不確定性影響后果的常用方法，當(dāng)前，隨著城市建設(shè)的飛速發(fā)展，路網(wǎng)工程已成為城市建設(shè)的重要組成部分。本文根據(jù)城市路網(wǎng)工程施工的特點(diǎn)，提出了基于模糊層次分析法的城市路網(wǎng)施工安全評估方案。首先進(jìn)行路網(wǎng)施工安全的風(fēng)險識別，建立層次結(jié)構(gòu)模型，并計算出相應(yīng)的風(fēng)險權(quán)重；然后利用工程上常用的L-R模糊數(shù)構(gòu)建隸屬函數(shù)，進(jìn)一步計算出相應(yīng)風(fēng)險的隸屬度；最后把風(fēng)險權(quán)重與隸屬度結(jié)合一起進(jìn)行模糊綜合運(yùn)算，得出路網(wǎng)施工的安全等級。

2 城市路網(wǎng)施工安全評估方案

2.1 風(fēng)險識別

從城市路網(wǎng)工程施工的特點(diǎn)出發(fā)，參考《城市道路工程技術(shù)規(guī)范》、《公路工程施工安全技術(shù)規(guī)范》等，選擇合適的層次結(jié)構(gòu)圖，將安全評估問題分為目標(biāo)層和準(zhǔn)則層。建立城市路網(wǎng)工程施工時可能遇到的若干風(fēng)險因素集合C，每一個風(fēng)險因素記作C1，C2，…，Cn，主要風(fēng)險事件包括道路工程和管網(wǎng)工程兩部分，且風(fēng)險因素集合滿足下式：

準(zhǔn)則層是由風(fēng)險因素的風(fēng)險水平組成，城市路網(wǎng)工程施工安全的風(fēng)險水平初選為5個等級，定義為：V=[V1V2V3V4V5]，分別為極低風(fēng)險V1、低風(fēng)險V2、中等風(fēng)險V3、高風(fēng)險V4、極高風(fēng)險V5。

2.2 風(fēng)險權(quán)重的計算

風(fēng)險權(quán)重的計算是采用層次分析法（Analytic hierarchy process，簡寫AHP），根據(jù)專家對各影響因素兩兩比較的綜合打分表建立判斷矩陣C。利用和積法求解該判斷矩陣的最大特征值λmax和特征向量W，特征向量即權(quán)重向量，然后進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，檢驗(yàn)合格后，判斷矩陣條件。具體公式如下：

式中：CR為一致性檢驗(yàn)指標(biāo)，當(dāng)CR≤0.1時，判斷矩陣具有滿意的一致性，否則應(yīng)重新對判斷矩陣進(jìn)行調(diào)整，RI為平均一致性指標(biāo)，見表1。

平均一致性指標(biāo)RI 表1

2.3 隸屬度的計算

2.3.1 風(fēng)險后果與風(fēng)險概率的估值

定義城市路網(wǎng)工程施工中的風(fēng)險影響后果有輕微、中等、嚴(yán)重、重大和災(zāi)難性，分別賦予1至5的數(shù)值，風(fēng)險發(fā)生的概率也分為五種情況，分別是罕見的、偶見的、可能的、預(yù)期的和頻繁的，同樣賦予相應(yīng)的數(shù)值，如表2所示。

風(fēng)險后果（C）和風(fēng)險概率（P）的估值 表2

2.3.2 確定隸屬函數(shù)

城市路網(wǎng)工程施工安全的風(fēng)險水平有5個等級，分別為極低風(fēng)險V1、低風(fēng)險V2、中等風(fēng)險V3、高風(fēng)險V4、極高風(fēng)險V5。結(jié)合風(fēng)險影響后果（C）和風(fēng)險發(fā)生概率（P）的估值，構(gòu)造一個的分值范圍，風(fēng)險水平對應(yīng)的分值如表3所示；采用工程上廣泛應(yīng)用的L-R模糊數(shù)構(gòu)建一個梯形分布的隸屬函數(shù)V（x），如下式所示，圖1給出了相應(yīng)的隸屬函數(shù)圖。

2.3.3 隸屬度計算

專家結(jié)合各自的經(jīng)驗(yàn)對風(fēng)險后果和風(fēng)險概率結(jié)合表2進(jìn)行打分。將相應(yīng)的專家打分值相乘，帶入上述隸屬函數(shù)V（x）中進(jìn)行計算，得到風(fēng)險因素在各個風(fēng)險水平中的隸屬度，進(jìn)一步形成了準(zhǔn)則層對應(yīng)的準(zhǔn)則矩陣R。

圖1 隸屬函數(shù)圖

2.4 模糊綜合計算

把權(quán)重向量與準(zhǔn)則矩陣進(jìn)行模糊計算，得到城市路網(wǎng)工程施工安全的總體評估結(jié)果，其中為模糊算子。根據(jù)最大隸屬度原則，便可確定城市路網(wǎng)工程施工安全的總體風(fēng)險等級。

3 實(shí)例驗(yàn)算

3.1 工程概況

本工程位于滁州市南部腰鋪鎮(zhèn)，為新建城市市政道路，路網(wǎng)包括四條道路，分別為昌輝路、仁和路、滁陽路和芙蓉路，地理位置如圖2所示。其中，昌輝路全長為2.04km，仁和路為0.71km，滁陽路為4.77km，芙蓉路為0.77km，規(guī)劃路幅寬度均為40.00m，另外，芙蓉路第FRW-1～FRW-15污水管采用頂管施工，頂管全部工作內(nèi)容包括工作井、接收井、管道頂進(jìn)。設(shè)計頂管為：鋼筋混凝土管（III級、F型鋼承口）直徑DN800mm。

根據(jù)參考收集的資料，查明在工程項(xiàng)目范圍內(nèi)揭露的地層主要為厚層的填筑土及粘性土組成。該線路從新到老分別敘述如下。

①1層耕植土：黃褐色，松散狀，濕，包含植物根系及腐殖質(zhì)，密實(shí)性均勻性較差；主要分布在沿線農(nóng)田及荒地處，厚度為0.40～0.60m。地基巖土工程等級為Ⅰ級松土。

①2層填筑土：深灰～雜色，不均勻，松散，稍濕，主要成分為粉質(zhì)黏土，含少量碎石、砂粒；主要分布于沿線現(xiàn)有道路，以及居民區(qū)，厚度為1.10m。地基巖土工程等級為Ⅰ級松土。

②層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土：青灰色，飽和，軟可塑，局部流塑，有腥臭味；主要分布在沿線溝塘段，厚度為0.40～0.80m。地基巖土工程等級為Ⅰ級松土。

風(fēng)險等級對應(yīng)的分?jǐn)?shù) 表3

③層粉質(zhì)黏土：黃色、黃褐色，可塑，見鐵錳礦物呈條帶狀浸染，潮濕，不均勻，干強(qiáng)度中等，韌性中等，切面粗糙；主要分布在②層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土下部，厚度為0.30～0.60m。地基巖土工程等級為I級松土。

④層黏土：灰褐色，硬塑，見鐵錳礦物呈條帶狀浸染，潮濕，不均勻，干強(qiáng)度高，韌性高，切面光滑且有光澤；全線皆有分布，本次勘察未穿透該層。地基巖土工程等級為II級普通土。

圖2 工程所在地位置圖

3.2 權(quán)重的計算

根據(jù)本項(xiàng)目的城市路網(wǎng)工程施工的特征，列出相應(yīng)的八個風(fēng)險因素，分別表示為：施工準(zhǔn)備C11，路基施工C12，基層、面層施工C13，附屬構(gòu)筑物施工C14，溝槽開挖C21,管節(jié)拼裝C22，溝槽回填C23，頂管施工C24。如圖3所示。

圖3 層次結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)專家綜合打分表，按照重要性大小建立判斷矩陣C，如表4所示。

判斷矩陣C 表4

應(yīng)用和積法進(jìn)行計算，得權(quán)重向量W和最大特征λmax，分別為：

因此，一致性檢驗(yàn)通過，所求得權(quán)重向量滿足要求。

3.3 隸屬度計算

專家結(jié)合各自的經(jīng)驗(yàn)對風(fēng)險影響后果和風(fēng)險發(fā)生概率在1至5的范圍內(nèi)進(jìn)行打分，歸納匯總的打分值見表5。將風(fēng)險影響后果和風(fēng)險發(fā)生概率的專家打分值相乘，帶入上述隸屬函數(shù)中進(jìn)行計算，得到風(fēng)險因素在各個風(fēng)險水平中的隸屬度，因此形成了準(zhǔn)則層對應(yīng)的準(zhǔn)則矩陣。

專家對C和P的打分值 表5

3.4 模糊綜合運(yùn)算

把判斷矩陣C計算出的權(quán)重向量W與準(zhǔn)則矩陣R進(jìn)行模糊計算，得到城市路網(wǎng)工程施工安全的總體評估結(jié)果S。

由S的計算結(jié)果可知，本工程施工的總體風(fēng)險等級為：極低風(fēng)險（0.029）、低風(fēng)險（0.735）、中等風(fēng)險（0.236）、高風(fēng)險（0.000）和極高風(fēng)險（0.000）。可見，該工程施工風(fēng)險以中低風(fēng)險為主，一般不會出現(xiàn)高風(fēng)險和極高風(fēng)險，其中極低風(fēng)險占2.9%，低風(fēng)險占73.5%，中等風(fēng)險占23.6%。

4 結(jié)論

本文根據(jù)城市路網(wǎng)工程施工的特點(diǎn)，提出了基于模糊層次分析法的城市路網(wǎng)施工安全評估方案。結(jié)合實(shí)際工程進(jìn)行了安全評估驗(yàn)證，取得了良好的效果，總結(jié)如下：

①模糊層次分析法可以對城市路網(wǎng)施工進(jìn)行安全評估，對主觀概念進(jìn)行量化，并進(jìn)行了數(shù)學(xué)處理，計算結(jié)果更精確，本方法實(shí)用性強(qiáng)，有一定的推廣價值；

②根據(jù)實(shí)例驗(yàn)證，該工程施工風(fēng)險以中低風(fēng)險為主，一般不會出現(xiàn)高風(fēng)險和極高風(fēng)險；其中，施工準(zhǔn)備（C11）的風(fēng)險等級最低，可不進(jìn)行處理；管節(jié)拼裝（C22）的風(fēng)險等級最高，為中等風(fēng)險，應(yīng)引起足夠的重視，并且制定相應(yīng)的風(fēng)險控制措施；其余風(fēng)險因素均為低風(fēng)險，按相應(yīng)規(guī)范要求控制即可。