基于AHP和模糊綜合評價法的公路施工安全風險評估

蔣 葉，李士宣

（1.山西省公路局陽泉分局，山西 陽泉 030006；2.河北工業大學 土木與交通學院，天津 300401）

0 引言

由于公路工程施工過程存在的危險性，導致安全事故頻繁發生，公路施工過程中存在的各種安全問題越來越多，因此需要風險評估標準來評定風險等級。通過適當的方法，及時準確地發現風險源，深化實施和落實風險評估；采取有效安全措施，提高安全風險意識，為公路施工階段的安全管理提供科學依據顯得尤為重要。Clark等[1]專家用風險指數的評價方法對西雅圖的地下交通工程進行了綜合評估，有了新研究。Kolic[2]在對風險進行研究時提出并采用了定量與定性相結合的評價方法，并以克羅地亞MalaKapela公路隧道作為對象對該方法的評價結果進行比較。McFeat-Smith[3]在對調查亞洲的50多個隧道工程的風險基礎上，提出建立了MS風險評價體系。柳厚祥等[4]建立了公路邊坡穩定性模糊聚類迭代評價模型，并用該模型計算出湖南省公路邊坡9個區域相對應的公路邊坡穩定性狀態。石劍云等總結了模糊綜合評價方法在建筑火災風險評估中的應用，針對傳統方法在指標權重和隸屬度確定上存在的不足，引入變權理論和相對差異函數[5]。陳克麗[6]通過對高速公路項目建設階段風險因素的系統分析與識別，采用多層次模糊綜合評價法對高速公路項目建設階段的整體風險進行評價。李娟等[7]基于物元可拓理論建立了物元模型確定單因素評價的隸屬矩陣，分析公路施工安全的影響因素，建立公路施工安全評價的模型。

1 公路施工特點及風險分析

1.1 公路施工的特點

公路工程整體來看呈線性分布來施工，沿地面線性展開、延伸分布。它的這種分布形態使得工程的流動性很大，同時公路工程也有較多臨時性工程，且作業面狹窄幽長，環境變化較大，地形地質條件影響較大，施工作業量巨大。因此可以判定公路施工安全受技術水平、自然災害影響。

公路施工項目組成復雜，與工程有關的方面很多，協同難度大，需眾多部門協同推進工程進展，由此可知施工安全受人員素質、管理水平、材料設備供應的影響。公路施工工作量巨大，且屬于線狀分布，導致工程施工難度較大，施工期漫長。一方面，需在同一個地方順次進行眾多工程施工，周期長，尤其是土石方等，會較長時間占據大量人力物力；另一方面，施工的各過程、各環節必須有序合理地組合為一整體，合理安排時間、空間資源，保證施工順利，避免造成資源浪費?？梢缘贸鍪┕挝还芾硭接绊懯┕ぐ踩?。

1.2 公路施工風險統計分析

收集到我國2000—2015年發生的257起公路施工事故，進行統計分析。分析整理可以發現公路工程的安全隱患，找出其風險源，對公路工程的風險評估提供借鑒，為風險評估方法的研究提供數據支持。

1.2.1 事故類型分析

如表1所示，從發生的事故類型方面分析，高處墜落和機械傷害是公路施工事故的主要類型。此外，物體打擊、坍塌以及冒頂片幫也占了事故的很大一部分，由此可以看出，在施工過程中，存在安全防護措施不到位、施工人員安全意識較差等隱患，由此反映出施工管理的不到位以及施工人員培訓的缺失。

1.2.2 事故發生主要原因分析

由圖1可以看出，從事故的主要原因分析，施工企業違規施工是造成安全事故產生的主要原因，人員失誤也是重要原因，充分說明施工單位的組織管理能力、施工人員的安全意識、操作技能是公路施工安全的重要因素。

1.2.3 事故發生時間段分析

圖2為事故發生時間段概率統計圖，由此得出，上下班前后為事故高發時段，充分表明安全意識對于施工人員的重要性。剛上班時，施工準備不到位，安全檢查倉促處理；下班之前，施工人員大意分神，容易放松檢查，工作懈怠，都易導致事故發生。由此可以看出施工管理的重要性，要對施工人員嚴格管理，加強培訓，降低發生風險的概率。

表1 事故類型統計表Tab.1 Accident type statistics

圖1 事故發生原因統計圖Fig.1 Statistical chart of the cause of the accident

圖2 事故發生時間段概率統計圖Fig.2 Statistical Chart of probability in time period of Accidents

2 建立風險因素指標體系

影響公路施工的風險因素很多，且各因素間的關系十分復雜，雖各因素具有相對明確的層級關系，但每個單獨因素都可以作為一個具體評價指標。首先通過查閱資料、計算機模擬等方法對風險因素進行數理統計分析，然后請各位專家、教授，利用頭腦風暴法，對公路工程施工風險進行全面而徹底的討論，最后對公路工程進行調查評估后，將公路工程施工的風險分為技術、材料設備、人員、組織管理、環境、后勤6方面，列出表2。

3 風險因素權重計算

3.1 層次分析

由于相關歷史數據的不足，且公路工程施工的風險因素因具有模糊性而難以定量分析，導致量化評估困難。此時可利用相關專家的豐富實踐經驗以及淵博的理論學識來對各風險因素的權重進行估計[8]。

利用AHP法，找出解決問題所牽涉地主要因素，將這些因素按其隸屬關系構造成遞階層次模型，通過對層次結構中各因素之間相對重要性判斷及簡單地排序計算解決問題[9]。綜合考慮主觀客觀因素，而避免單靠直覺與經驗進行評價的弊病。

3.2 層次單排序

利用層次分析法對風險因素指標進行分層，通過1～9標度對一級各指標和二級各指標進行兩兩比較，進行專家賦值，分別構造一級指標和二級指標的判斷矩陣，計算被比較元素的相對權重。主要方法有和積法、方根法、最小二乘法等。在層次分析法中，判斷矩陣的最大特征值與特征向量精度要求不高，且方根法簡單易操作，故可選用方根法計算。計算步驟如下。

構造判斷矩陣

表2 風險因素統計表Tab.2 Statistical tables of risk factors

利用方根法公式（1）得到相對權重

利用公式（2）進行歸一化處理得到

3.3 一致性檢驗

對判斷矩陣應進行一致性檢驗。一致性達到要求元素的權重的才可采用，否則應重新構造判斷矩陣。檢驗步驟如下：λimax為判斷矩陣的最大特征值，由公式（5）得到

式中：CI為一致性指標；RI為隨機一致性指標；CR為檢驗系數。

當CR＜0.1時，則判斷矩陣一致性達到要求，否則重新進行判斷，寫出新的判斷矩陣。

3.4 專家聚類分析

考慮到專家的意見可能存在不同，為了將集體意見的權重擴大，利用層次分析法計算專家對各元素的權重向量的判別基礎上，先用簡單的聚類分析計算每位專家權重，然后再計算各指標權重。具體計算如下：若有m個專家，對某一指標可分為t類，φs表示第s類組中的專家容量，專家i屬于該s類，則專家i權重λi可由公式（8）計算得到

式中，φs為第s類組中的專家容量。則某指標權重計算為

式中，wij為專家i對指標j確立的權重。

3.5 層次總排序

式中，Wt為單排序中確定的元素t相對于上層元素r的權重值大小。

由此計算出對應的風險因素相對于整個風險評估體系的權重向量U（W1,W2，…，Wn）。

4 風險評估結果

把公路施工風險劃為5個強度，并初步確定每個風險強度的區間值，確立為[0，0.2），[0.2，0.4），[0.4，0.6），[0.6，0.8），[0.8，1]，分別表示評價集T={低風險，中低風險，中級風險，中高風險，高風險}[10]。

4.1 確立風險隸屬度的向量

風險隸屬度指的是專家通過打分對指標進行數值打分而確立的其從屬風險評價等級的程度高低[11]。風險隸屬度的確定有許多方法，最便捷、最有效的是專家評分法。專家通過自身實踐經驗和理論研究來對風險因素相對于評價集進行打分。遵照上面的方法，將整體分解后，評價指標層中的每一項風險因素都能有評價向量。因此，能夠設Rn×5=(rij)n×5，n表示風險評價指標體系中列出的風險因素的總量。

首先從因素集U中的單個因素出發進行評價，確定評價對象對因素集中各元素的隸屬程度。然后將n個因素的評價集組成一個總的評價矩陣，通常以R表示。

4.2 評估結果

通過以上公式計算得出的Rn*5和U，然后由公式（11）能夠得出模糊綜合評價的評價S[12]：

利用公式進行計算，可以得到5個數值，這5個S數值表示公路工程施工風險對于（低風險，中低風險，中級風險，中高風險，高風險）5個風險等級的隸屬度。按照最大隸屬度法，這5個數值中的最大的一個即表示對要評估的公路工程施工風險程度進行評估的評估結果。按照加權平均法評估：

式中：Ti取風險強度區間中值；Siw為隸屬度。

最終，選取二者評估結果中更危險的作為評估結果。

5 實例驗證

對廣東省惠州市某正在施工的公路工程進行安全評估。依據工程的情況，對該工程風險進行層次分析，如圖3所示。

對施工中的項目經理、項目總工、各部門技術人員和一線施工工人以及有關專家發放了調查問卷確立該工程各項指標權重。問卷共發放200份，其中紙質調查問卷100份，網絡調查問卷100份，收回問卷193份，有效問卷176份，有效回收率88%。對調查問卷處理時，對問卷的可靠度進行了進行分析，將含主觀因素較大，對風險估計過高或過低的問卷排除后，利用公式（1）～公式（10）得到各指標權重。同時請十位專家在查閱該工程相關資料，對工程實地勘察后，對各項指標進行打分確立隸屬度，得到表3。

表3 某公路工程風險評估表Tab.3 Risk assessment form for a highway project

可得：

UT=（0.092 68，0.139 02，0.051 843，0.036 133，0.069 124，0.036 54，0.036 54，0.048 72，0.062 84，0.047 13，0.047 13，0.070 12，0.105 18，0.078 5，0.078 5）。

按公式（11）可得：

S=（0.168 299 15 0.270 291 06 0.304 356 62 0.167 161 12 0.094 764 05）。

按最大隸屬度法，該工程屬于中級風險。

按加權平均法，由公式（12）可得：

V=0.452 395 972，該工程屬于中級風險。

選取更危險的結果作為評估結果，該工程屬于中級風險。

6 結論

層次分析和模糊綜合評價法較好地解決了公路工程進行風險評估時風險因素因具有模糊性而難以定量分析的難題。它充分利用了相關專家的的理論學識，并考慮了一線施工人員的意見，通過實際調查以及結合歷史數據，對風險因素的辨識以及相關權重的給定是比較準確的，由此通過得出的風險評估準確度也是比較大的。但是，該方法對風險評估的因素確認及權重認定主要是基于專家認定和相關歷史數據參考，難免會出現主觀認定的不足，同時由于每個工程的施工環境、施工技術、人員素質等因素的不同，相關歷史數據只能作為參考而不能完全采用。