模糊层次分析法（FUZZY-AHP）在城市路网施工安全评估中的研究与应用

冯军，梁冠军

（1.广东省水利水电第三工程局有限公司，广东 广州523710；2.滁州职业技术学院土木工程系，安徽 滁州239000）

1 引言

模糊层次分析法(Fuzzy analytic hierarchy process，简称FUZZY-AHP)是一种在工程领域评估不确定性影响后果的常用方法，当前，随着城市建设的飞速发展，路网工程已成为城市建设的重要组成部分。本文根据城市路网工程施工的特点，提出了基于模糊层次分析法的城市路网施工安全评估方案。首先进行路网施工安全的风险识别，建立层次结构模型，并计算出相应的风险权重；然后利用工程上常用的L-R模糊数构建隶属函数，进一步计算出相应风险的隶属度；最后把风险权重与隶属度结合一起进行模糊综合运算，得出路网施工的安全等级。

2 城市路网施工安全评估方案

2.1 风险识别

从城市路网工程施工的特点出发，参考《城市道路工程技术规范》、《公路工程施工安全技术规范》等，选择合适的层次结构图，将安全评估问题分为目标层和准则层。建立城市路网工程施工时可能遇到的若干风险因素集合C，每一个风险因素记作C1，C2，…，Cn，主要风险事件包括道路工程和管网工程两部分，且风险因素集合满足下式：

准则层是由风险因素的风险水平组成，城市路网工程施工安全的风险水平初选为5个等级，定义为：V=[V1V2V3V4V5]，分别为极低风险V1、低风险V2、中等风险V3、高风险V4、极高风险V5。

2.2 风险权重的计算

风险权重的计算是采用层次分析法（Analytic hierarchy process，简写AHP），根据专家对各影响因素两两比较的综合打分表建立判断矩阵C。利用和积法求解该判断矩阵的最大特征值λmax和特征向量W，特征向量即权重向量，然后进行一致性检验，检验合格后，判断矩阵条件。具体公式如下：

式中：CR为一致性检验指标，当CR≤0.1时，判断矩阵具有满意的一致性，否则应重新对判断矩阵进行调整，RI为平均一致性指标，见表1。

平均一致性指标RI 表1

2.3 隶属度的计算

2.3.1 风险后果与风险概率的估值

定义城市路网工程施工中的风险影响后果有轻微、中等、严重、重大和灾难性，分别赋予1至5的数值，风险发生的概率也分为五种情况，分别是罕见的、偶见的、可能的、预期的和频繁的，同样赋予相应的数值，如表2所示。

风险后果（C）和风险概率（P）的估值 表2

2.3.2 确定隶属函数

城市路网工程施工安全的风险水平有5个等级，分别为极低风险V1、低风险V2、中等风险V3、高风险V4、极高风险V5。结合风险影响后果（C）和风险发生概率（P）的估值，构造一个的分值范围，风险水平对应的分值如表3所示；采用工程上广泛应用的L-R模糊数构建一个梯形分布的隶属函数V（x），如下式所示，图1给出了相应的隶属函数图。

2.3.3 隶属度计算

专家结合各自的经验对风险后果和风险概率结合表2进行打分。将相应的专家打分值相乘，带入上述隶属函数V（x）中进行计算，得到风险因素在各个风险水平中的隶属度，进一步形成了准则层对应的准则矩阵R。

图1 隶属函数图

2.4 模糊综合计算

把权重向量与准则矩阵进行模糊计算，得到城市路网工程施工安全的总体评估结果，其中为模糊算子。根据最大隶属度原则，便可确定城市路网工程施工安全的总体风险等级。

3 实例验算

3.1 工程概况

本工程位于滁州市南部腰铺镇，为新建城市市政道路，路网包括四条道路，分别为昌辉路、仁和路、滁阳路和芙蓉路，地理位置如图2所示。其中，昌辉路全长为2.04km，仁和路为0.71km，滁阳路为4.77km，芙蓉路为0.77km，规划路幅宽度均为40.00m，另外，芙蓉路第FRW-1～FRW-15污水管采用顶管施工，顶管全部工作内容包括工作井、接收井、管道顶进。设计顶管为：钢筋混凝土管（III级、F型钢承口）直径DN800mm。

根据参考收集的资料，查明在工程项目范围内揭露的地层主要为厚层的填筑土及粘性土组成。该线路从新到老分别叙述如下。

①1层耕植土：黄褐色，松散状，湿，包含植物根系及腐殖质，密实性均匀性较差；主要分布在沿线农田及荒地处，厚度为0.40～0.60m。地基岩土工程等级为Ⅰ级松土。

①2层填筑土：深灰～杂色，不均匀，松散，稍湿，主要成分为粉质黏土，含少量碎石、砂粒；主要分布于沿线现有道路，以及居民区，厚度为1.10m。地基岩土工程等级为Ⅰ级松土。

②层淤泥质粉质黏土：青灰色，饱和，软可塑，局部流塑，有腥臭味；主要分布在沿线沟塘段，厚度为0.40～0.80m。地基岩土工程等级为Ⅰ级松土。

风险等级对应的分数 表3

③层粉质黏土：黄色、黄褐色，可塑，见铁锰矿物呈条带状浸染，潮湿，不均匀，干强度中等，韧性中等，切面粗糙；主要分布在②层淤泥质粉质黏土下部，厚度为0.30～0.60m。地基岩土工程等级为I级松土。

④层黏土：灰褐色，硬塑，见铁锰矿物呈条带状浸染，潮湿，不均匀，干强度高，韧性高，切面光滑且有光泽；全线皆有分布，本次勘察未穿透该层。地基岩土工程等级为II级普通土。

图2 工程所在地位置图

3.2 权重的计算

根据本项目的城市路网工程施工的特征，列出相应的八个风险因素，分别表示为：施工准备C11，路基施工C12，基层、面层施工C13，附属构筑物施工C14，沟槽开挖C21,管节拼装C22，沟槽回填C23，顶管施工C24。如图3所示。

图3 层次结构图

根据专家综合打分表，按照重要性大小建立判断矩阵C，如表4所示。

判断矩阵C 表4

应用和积法进行计算，得权重向量W和最大特征λmax，分别为：

因此，一致性检验通过，所求得权重向量满足要求。

3.3 隶属度计算

专家结合各自的经验对风险影响后果和风险发生概率在1至5的范围内进行打分，归纳汇总的打分值见表5。将风险影响后果和风险发生概率的专家打分值相乘，带入上述隶属函数中进行计算，得到风险因素在各个风险水平中的隶属度，因此形成了准则层对应的准则矩阵。

专家对C和P的打分值 表5

3.4 模糊综合运算

把判断矩阵C计算出的权重向量W与准则矩阵R进行模糊计算，得到城市路网工程施工安全的总体评估结果S。

由S的计算结果可知，本工程施工的总体风险等级为：极低风险（0.029）、低风险（0.735）、中等风险（0.236）、高风险（0.000）和极高风险（0.000）。可见，该工程施工风险以中低风险为主，一般不会出现高风险和极高风险，其中极低风险占2.9%，低风险占73.5%，中等风险占23.6%。

4 结论

本文根据城市路网工程施工的特点，提出了基于模糊层次分析法的城市路网施工安全评估方案。结合实际工程进行了安全评估验证，取得了良好的效果，总结如下：

①模糊层次分析法可以对城市路网施工进行安全评估，对主观概念进行量化，并进行了数学处理，计算结果更精确，本方法实用性强，有一定的推广价值；

②根据实例验证，该工程施工风险以中低风险为主，一般不会出现高风险和极高风险；其中，施工准备（C11）的风险等级最低，可不进行处理；管节拼装（C22）的风险等级最高，为中等风险，应引起足够的重视，并且制定相应的风险控制措施；其余风险因素均为低风险，按相应规范要求控制即可。