基于改進(jìn)未確知測度法的隧道工程施工安全管理成熟度研究

汪 霄， 顧家明， 劉財源

(南京工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院， 江蘇 南京 211800)

隧道工程隱蔽性強、環(huán)境復(fù)雜的特點使其施工過程中存在大量安全隱患，這也導(dǎo)致近年來隧道工程施工安全事故發(fā)生率高居不下。施工過程中的管理缺陷是安全事故頻發(fā)的重要原因，縱觀國內(nèi)隧道工程施工安全管理現(xiàn)狀，關(guān)鍵在于管理者沒有清晰識別項目的安全管理狀態(tài)，無法及時做出科學(xué)有效的決策。成熟度理論是利用具備動態(tài)尺度的標(biāo)準(zhǔn)，促使事物不斷提升直至完善過程的評價和優(yōu)化方法，可以幫助管理者明確安全管理過程中存在的缺陷，切實提高安全管理水平[1]。因此，將成熟度理論應(yīng)用于隧道施工項目安全管理評價，具有非常重要的理論和現(xiàn)實意義。

項目管理成熟度模型起始于1987年被提出的軟件能力成熟度模型(Capability Maturity Model，CMM)[2]，此后眾多學(xué)者結(jié)合項目管理知識體系，在此基礎(chǔ)上演變出知識管理成熟度模型(Knowledge Management Maturity Model，K-MMM)[3]，組織項目管理成熟度模型(Project Management Maturity Model，PM3)[4]等多種成熟度模型。國內(nèi)外學(xué)者們也依據(jù)各類成熟度模型的特點，將其應(yīng)用于建筑業(yè)管理多個方面。Oswald等[5]從心理學(xué)角度，針對施工一線領(lǐng)導(dǎo)構(gòu)建了健康與安全(H&S)領(lǐng)導(dǎo)力成熟度模型，以期降低安全事故風(fēng)險；Joblot等[6]利用成熟度模型將BIM(Building Information Modeling)技術(shù)在裝修業(yè)的應(yīng)用程度數(shù)字化，有助于裝修企業(yè)競爭力的提升；郭東海等[7]首次引入三元區(qū)間數(shù)，對以SE-CMM(System Engineering Capability Maturity Model)為基礎(chǔ)構(gòu)建的安全管理成熟度評價體系進(jìn)行量化評價；劉亮等[8]通過研究公共建筑設(shè)施管理關(guān)鍵實踐，提取成熟度指標(biāo)，并利用模糊綜合評價法運算構(gòu)建的公共建筑設(shè)施管理成熟度模型；趙平等[9]利用評價云模型與仿真分析，有效提高了建筑施工現(xiàn)場成熟度評估結(jié)果的直觀性和有效性；李惠玲等[10]針對性地分析了高層建筑施工作業(yè)的安全隱患，基于此建立了高層建筑安全管理成熟度評價指標(biāo)體系。國內(nèi)外學(xué)者從多個角度對成熟度模型在建筑施工安全領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行了研究，形成了大量有價值的學(xué)術(shù)成果。然而，就評價對象而言，沒有考慮到隧道施工的特殊性，缺乏針對性的研究，就評價方法而言，單一的權(quán)重確定方法，主觀性較強，同時也未能考慮到專家對于評價對象認(rèn)知的模糊性，最終導(dǎo)致評價結(jié)果存在偏差。

鑒于此，本文將成熟度理論應(yīng)用于安全管理評估，綜合考慮隧道施工的作業(yè)特點，構(gòu)建評估指標(biāo)體系。通過盲數(shù)理論提高未確知測度法的評估精度，構(gòu)建隧道施工項目安全管理能力成熟度評估模型。從而實現(xiàn)對隧道施工項目安全管理能力定性、定量相結(jié)合的科學(xué)評估，以期為隧道施工項目安全管理決策提供依據(jù)。

1 安全管理成熟度模型構(gòu)建

1.1 安全管理成熟度等級劃分

參考經(jīng)典的K-PMMM(Knowledge Project Management Maturity Model)成熟度模型，結(jié)合隧道施工安全管理的特點，將隧道施工項目安全管理能力劃分為5個等級(見圖1)，描述各個等級成熟度特征，并對每個區(qū)間進(jìn)行初步打分，詳見表1。

圖1 隧道施工項目安全管理成熟度遞進(jìn)關(guān)系

表1 隧道施工項目安全管理成熟度等級劃分

1.2 隧道施工安全管理成熟度評價指標(biāo)體系

本文遵循科學(xué)性、系統(tǒng)性、全面性的原則，基于對國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)的梳理[11～14]，初步將安全管理分為制度管理、機構(gòu)管理、人員管理、技術(shù)管理、應(yīng)急管理5個一級指標(biāo)，并細(xì)分為22個二級指標(biāo)。然后依據(jù)《公路和橋梁隧道施工安全風(fēng)險評估指南》《地鐵及地下工程建設(shè)風(fēng)險管理指南》等6份建筑施工安全生產(chǎn)條例、標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范中各個指標(biāo)出現(xiàn)的頻數(shù)，結(jié)合隧道施工過程隧道開挖、初期支護(hù)和二次襯砌三個階段的危險源與安全管理的聯(lián)系[15]，對指標(biāo)進(jìn)行分析、篩選，最終提取出20個二級指標(biāo)，建立隧道施工項目安全管理成熟度評價指標(biāo)體系，詳見表2。

表2 隧道施工項目安全管理成熟度評估指標(biāo)體系

1.3 隧道施工項目安全管理成熟度指標(biāo)評價標(biāo)準(zhǔn)

每個指標(biāo)的成熟度等級描述擁有各自的特點，詳細(xì)的評價標(biāo)準(zhǔn)是對隧道施工項目安全管理成熟度進(jìn)行科學(xué)評估的重要依據(jù)。由于一級指標(biāo)的成熟度等級取決于二級指標(biāo)的評價等級，所以將重心放在二級測量指標(biāo)的評價標(biāo)準(zhǔn)劃分上，篇幅有限，以前三項二級指標(biāo)為例，詳見表3。

表3 隧道施工安全管理成熟度指標(biāo)評價標(biāo)準(zhǔn)

2 安全管理成熟度評價方法

2.1 可行性分析

“未確知性”概念最早由王光遠(yuǎn)院士提出，劉開第等[16]對未確知信息進(jìn)行描述、分析并依此建立了未確知數(shù)學(xué)理論，由此衍生出未確知測度方法，能夠融合定性、定量指標(biāo)，在系統(tǒng)綜合評價中更精確地處理信息。而盲數(shù)理論作為研究不確定信息的方法，不但能夠處理隨機信息、灰信息等，而且可以針對盲信息進(jìn)行表達(dá)，實質(zhì)上是灰數(shù)、未確知數(shù)、隨機變量領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展[17]。在未確知測度法的評估過程中引入盲數(shù)理論，能夠使評估結(jié)果更全面地反應(yīng)實際問題。

隧道施工項目安全管理有別于其他行業(yè)，隧道施工過程的環(huán)境復(fù)雜性、事故突發(fā)性、作業(yè)流動性等造成了安全管理能力評估的不確定性、模糊性，而專家組內(nèi)成員對指標(biāo)的認(rèn)知程度的不一致，會進(jìn)一步增加評估結(jié)果的未知性。因此，相較于模糊綜合評價法、網(wǎng)絡(luò)層次分析法等常用的評價法，采用未確知測度方法評估隧道施工項目安全管理成熟度，并結(jié)合盲數(shù)理論進(jìn)一步提升評估精度[18]，可有效保障成熟度評估的科學(xué)性與合理性，其具體流程如圖2所示。

圖2 構(gòu)建改進(jìn)未確知測度評價模型流程

2.2 建立未確知測度評價模型

2.2.1 盲數(shù)矩陣

為了提高評價結(jié)果的精確度，減少評價過程的主觀性，邀請h個專家，通過判斷各個指標(biāo)可測度的分?jǐn)?shù)區(qū)間[19]，結(jié)合各指標(biāo)評價得分匯總，進(jìn)行跨等級評判重新計算評估區(qū)間，構(gòu)建盲數(shù)矩陣D。

(1)

(2)

式中：k為成熟度評估等級劃分的區(qū)間數(shù)；γijk為第i個一級指標(biāo)的第j個二級指標(biāo)處于第k個成熟度等級的概率；sijn為第n個專家對該指標(biāo)評分區(qū)間的長度；pijnk為專家對該指標(biāo)的評分區(qū)間與第k個成熟度等級分值區(qū)間(見表1)交集的長度。

2.2.2 指標(biāo)賦重

單一的賦權(quán)方式無疑會在評價過程中過多融入主、客觀的影響，降低最終評價結(jié)果的可信度[20]。本文利用AHP(Analytic Hierarchy Process)法確定主觀權(quán)重，熵權(quán)法確定客觀權(quán)重，并將兩者求出的權(quán)重優(yōu)化組合綜合賦權(quán)，從而獲得各指標(biāo)最終權(quán)重。

(1)基于AHP法的主觀權(quán)重

層次分析法作為一種主觀賦權(quán)方法在權(quán)重計算中應(yīng)用廣泛，設(shè)wij表示第i個一級指標(biāo)的第j個二級指標(biāo)與其他指標(biāo)相比所具有的相對重要程度，通過專家組成員對各項指標(biāo)的評價，可以得到m個指標(biāo)的主觀權(quán)重w′ij。

(2)基于熵權(quán)法的客觀權(quán)重

各評估指標(biāo)在整個評估體系中所代表的重要度不一樣，結(jié)合盲數(shù)矩陣，在包含有相關(guān)信息的評價系統(tǒng)中可以利用熵值來確定指標(biāo)權(quán)重。

(3)

(4)

式中：μij為測量指標(biāo)的熵值；w″ij為測量指標(biāo)的客觀權(quán)重。

(3)基于拉格朗日乘子法的組合賦權(quán)

指標(biāo)在體系內(nèi)的實際權(quán)重是主觀賦權(quán)與客觀賦權(quán)的綜合反映[21]，結(jié)合計算出的主觀權(quán)重w′ij與客觀權(quán)重w″ij，利用拉格朗日乘子法可以獲得指標(biāo)的綜合權(quán)重wij。

(5)

2.2.3 改進(jìn)的未確知測度矩陣

根據(jù)各成熟度等級的特征及區(qū)間分值，確定插入點a1,a2,…,ak[18]，依次插入評價區(qū)間構(gòu)建單指標(biāo)測度函數(shù)，當(dāng)x>a1或

(6)

(7)

計算各評估指標(biāo)綜合得分bij，將bij代入單指標(biāo)測度函數(shù)Vn(x)，得出各評價指標(biāo)屬于第k個成熟度等級的程度φ，以此構(gòu)建多指標(biāo)未確知測度矩陣Q。

(8)

(9)

2.2.4 多指標(biāo)綜合測度

以多指標(biāo)未確知測度矩陣Q和指標(biāo)權(quán)重wij為計算數(shù)據(jù)，依據(jù)下式可以得到多指標(biāo)綜合未確知測度向量σ={σ1,σ2,…,σk}。

σ=WQ

(10)

2.2.5 成熟度評估

基于隧道施工項目安全管理能力的5個成熟度等級，劃分評估等級空間Vc={v1,v2,v3,v4,v5}，v1={優(yōu)化級}，v2={成熟級}，v3={規(guī)范級}，v4={成長級}，v5={初始級}。評價等級空間是評估區(qū)內(nèi)的有序分割[15]，依據(jù)置信度識別準(zhǔn)則設(shè)定置信度ω，將得到的多指標(biāo)綜合未確知測度向量中的元素自σ1開始依次逐個累加，當(dāng)累加值首次高于置信度ω時停止，假設(shè)累加至σc時停止，則判斷隧道施工項目安全管理成熟度屬于C等級vc：

(11)

3 實證分析

3.1 項目概況

通過對南通地鐵一號線一期工程07標(biāo)段充分調(diào)研得知，該項目由中交隧道工程局有限公司承建，位于通勝大道主干道，總長度2919.6 m，包含2個車站及2個區(qū)間。該標(biāo)段地質(zhì)條件較差，以粉土、砂土等為主，地下水位較高，滲透性強，周邊建筑物較多，管線復(fù)雜。項目總工期38個月，預(yù)計于2021年1月份完工[22]。

3.2 成熟度評定

3.2.1 構(gòu)建盲數(shù)矩陣

邀請共6名從事橋梁隧道行業(yè)的管理人員和相關(guān)專業(yè)科研院校的專家組成評審組，各位評估專家根據(jù)該項目官網(wǎng)提供的項目安全管理信息和項目實際施工情況，結(jié)合指標(biāo)的評判標(biāo)準(zhǔn)以及各指標(biāo)可測度所處的分?jǐn)?shù)區(qū)間，對該隧道施工項目安全管理能力成熟度進(jìn)行評分，詳見表4。

空調(diào)系統(tǒng)形式有很多種，可根據(jù)多種冷熱源與多種末端形式的搭配來分類，例如，冷機/熱網(wǎng)（冷熱源）與VAV形式（末端）屬于其中常用的一種。冷熱源的選擇還包括冷機/燃?xì)猓瑹岜?鍋爐，吸收式制冷/鍋爐，熱泵供冷熱等；末端形式的選擇還包括風(fēng)機盤管，散熱片，多聯(lián)機，輻射板等。針對每一種空調(diào)系統(tǒng)，分別建立空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備庫，確定所包含的設(shè)備類型，輸出設(shè)備類型表。

表4 某隧道施工項目安全管理能力成熟度得分匯總

由于專家評分區(qū)間與指標(biāo)可測度區(qū)間有交叉，以五個成熟度區(qū)間分值為基礎(chǔ)，結(jié)合盲數(shù)理論重新劃分評估區(qū)間，根據(jù)式(1)計算各二級指標(biāo)屬于第k個成熟度等級的的概率γijk，從而構(gòu)建盲數(shù)矩陣D。

3.2.2 指標(biāo)賦權(quán)

根據(jù)各位專家評分，結(jié)合盲數(shù)矩陣以及公式(3)～(5)可以計算二級評估指標(biāo)的主、客觀權(quán)重，并利用拉格朗日乘子法獲得綜合權(quán)重，詳見表5。AHP法應(yīng)用過程中的判斷矩陣均具備高度的一致性，符合計算要求，并利用拉格朗日乘子法獲得綜合權(quán)重，詳見表5。

表5 基于拉格朗日乘子法的影響指標(biāo)優(yōu)化賦權(quán)值

本研究意在改變隧道施工項目安全管理的不足，不斷“精益化”工程項目的安全管理。應(yīng)急管理因其靈活度高、可操作性強、與事故損失直接相關(guān)的特點，成為安全管理成熟度評估的重點。人因事故在施工事故中的高占比，使得人員管理成為比重僅次于應(yīng)急管理的評估指標(biāo)。而安全技術(shù)管理的相關(guān)措施，國家目前出臺了多項強制性要求，大部分隧道施工項目已經(jīng)掌握了流程化的技術(shù)管理標(biāo)準(zhǔn)，提升空間有限，同時個人的技術(shù)能力素質(zhì)又被歸納到人員管理中，所以指標(biāo)權(quán)重略低于制度管理，僅高于機構(gòu)管理。

3.2.3 構(gòu)建未確知測度矩陣

根據(jù)隧道施工項目安全管理成熟度等級劃分分值(見表1)，確定區(qū)間插入點：a1=95,a2=82.5,a3=67.5,a4=50,a5=40，代入式(6)(7)以構(gòu)建單指標(biāo)未確知測度函數(shù)(見圖3)，根據(jù)式(8)計算二級指標(biāo)綜合評價得分。同樣以安全生產(chǎn)責(zé)任制度u11為例，u11在各個成熟度等級的概率為D11={0.0625,0.8542,0.0833,0,0}，結(jié)合式(8)可得b11=0.0625×95+0.8542×82.5+0.0833×67.5+0+0=82.0318，二級評估指標(biāo)綜合得分匯總詳見表6。將各指標(biāo)得分依次帶入單指標(biāo)測度函數(shù)，構(gòu)建出多指標(biāo)未確知測度矩陣Q：

圖3 單指標(biāo)測度函數(shù)

表6 二級評估指標(biāo)綜合得分

3.2.4 確定成熟度等級

結(jié)合式(10)計算多指標(biāo)未確知測度向量σ={0.0198,0.7026,0.2713,0.0063,0}，可知該工程施工安全管理成熟度屬于v1優(yōu)化級的概率σ1為0.0198，屬于v2成熟級的概率σ2為0.7026，以此類推。設(shè)定置信度為0.7，利用式(11)判斷該隧道施工項目安全管理成熟度等級：

C=min{c|0.0198+0.7026=0.7224≥0.7}=2

σ1與σ2的累加值首次大于置信度，由置信度識別準(zhǔn)則可知，該隧道施工項目安全管理成熟度屬于2等級v2={成熟級}。

3.3 結(jié)果分析

由于客觀原因，本文邀請的專家數(shù)量較少，導(dǎo)致了樣本數(shù)據(jù)的局限性，但實證分析結(jié)果與項目實際情況基本吻合，表明該改進(jìn)未確知測度模型具備一定的可行性與合理性。利用指標(biāo)權(quán)重wij與多指標(biāo)未確知測度矩陣Q，進(jìn)一步分析該項目安全管理的不足，U1～U5分別表示該隧道施工項目安全管理過程中制度管理、機構(gòu)管理、人員管理、技術(shù)管理、應(yīng)急管理能力的成熟度評價結(jié)果，相應(yīng)的成熟度雷達(dá)圖見圖 4，可以直觀看出該隧道施工項目的安全管理能力整體較好，但機構(gòu)管理能力、應(yīng)急管理能力相對較弱。

圖4 一級指標(biāo)雷達(dá)模型圖

機構(gòu)管理除了指施工單位專職于安全生產(chǎn)管理的常設(shè)內(nèi)部機構(gòu)管理外，還包括與供應(yīng)商、分包單位這樣的合作機構(gòu)之間的交流。安全生產(chǎn)管理機構(gòu)需要定期組織安全檢查活動，及時處理危險源，有效進(jìn)行各層級間的安全信息傳遞。分包單位作為工程主體最直接的參與者，其施工業(yè)績、企業(yè)信譽、資金等資質(zhì)的考察非常重要。供應(yīng)商的資質(zhì)雖然與現(xiàn)場安全管理并不直接相關(guān)，但供應(yīng)貨物的質(zhì)量優(yōu)良，能夠為使用安全提供可靠保障。該隧道施工項目機構(gòu)管理能力方面的短板在于無法確保有效的安全信息傳遞。由于該隧道施工項目安全管理部門層級繁雜，缺乏簡潔的安全信息傳達(dá)通道，隧道施工人員及現(xiàn)場管理人員無法及時將施工現(xiàn)場情況提交給上層管理進(jìn)行決策，對于項目整體的安全管理能力產(chǎn)生了消極影響。為保證安全信息傳遞的效率，項目需要細(xì)化設(shè)置安全管理機構(gòu)，結(jié)合智能化管理軟件，為信息傳遞打造固定通道，方便管理者全面掌握施工現(xiàn)場情況以提高項目安全管理能力。

目前隨著施工相關(guān)政策、法規(guī)愈發(fā)嚴(yán)謹(jǐn)，多數(shù)項目依靠執(zhí)行流程化的安全管理措施已能夠達(dá)到規(guī)范級，而隧道施工過程中部分不可避免的突發(fā)事故的緊急性、損失嚴(yán)重性，使應(yīng)急管理能力成為項目能否觸及優(yōu)化級的關(guān)鍵。事前預(yù)防主要指應(yīng)急機構(gòu)的確立、應(yīng)急預(yù)案設(shè)計的全面性。應(yīng)急準(zhǔn)備包括了應(yīng)急培訓(xùn)、預(yù)案演練和資源配備，直接影響事故發(fā)生后的應(yīng)急成效。應(yīng)急響應(yīng)指管理人員依據(jù)信息及時對事故現(xiàn)場進(jìn)行指揮，是調(diào)控發(fā)揮作用的首要環(huán)節(jié)。事后恢復(fù)代表事故發(fā)生后迅速組織恢復(fù)現(xiàn)場直至正常施工的措施，以及對應(yīng)急體系的分析總結(jié)。該隧道施工項目應(yīng)急管理能力方面的弱點在于應(yīng)急響應(yīng)能力，應(yīng)急響應(yīng)流程中缺乏專家技術(shù)支持，無法保證隧道事故突發(fā)時現(xiàn)場指揮的科學(xué)化。需要明確應(yīng)急響應(yīng)的單位層級，給予專家一定的現(xiàn)場指揮權(quán)，從而充分發(fā)揮專業(yè)知識的作用，降低事故的損失，提高該項目的綜合安全管理水平。

4 結(jié) 語

(1)本文將成熟度理論應(yīng)用于隧道施工安全管理評價，并利用盲數(shù)理論改進(jìn)未確知測度函數(shù)，建立基于改進(jìn)未確知測度法的成熟度評價模型。結(jié)合雷達(dá)圖可以直觀呈現(xiàn)隧道施工項目安全管理各指標(biāo)成熟度等級分布情況，為隧道施工安全管理提供一定的理論參考，有助于管理者針對安全管理過程中的薄弱環(huán)節(jié)采取措施，不斷提升項目安全管理水平。

(2)本文所追求的“優(yōu)化級”安全管理較之廣義的安全管理，更偏向于“精益建造”“品質(zhì)工程”的思想理念。隧道工程施工安全管理成熟度等級的提高不僅可以降低施工事故的發(fā)生率，更重要的在于能夠通過持續(xù)性地自我糾偏優(yōu)化，不斷改善隧道工程項目的施工安全管理體系，提高隧道工程施工質(zhì)量，實現(xiàn)工程的本質(zhì)安全。

(3)本文在進(jìn)行安全管理成熟度評估過程中，運用了多種計算方法以期提高評估結(jié)果的準(zhǔn)確性，在未來實踐過程中可以通過信息化技術(shù)簡化評估過程。通過開發(fā)安全管理應(yīng)用軟件，能夠避免重復(fù)、復(fù)雜的計算，提高管理的效率和有效性。同時可以記錄、收集既有隧道工程施工案例的安全管理數(shù)據(jù)，建立安全管理數(shù)據(jù)庫，為類似工程施工安全管理成熟度評估提供參考。