基于AHP和模糊综合评价法的公路施工安全风险评估

蒋 叶，李士宣

（1.山西省公路局阳泉分局，山西 阳泉 030006；2.河北工业大学 土木与交通学院，天津 300401）

0 引言

由于公路工程施工过程存在的危险性，导致安全事故频繁发生，公路施工过程中存在的各种安全问题越来越多，因此需要风险评估标准来评定风险等级。通过适当的方法，及时准确地发现风险源，深化实施和落实风险评估；采取有效安全措施，提高安全风险意识，为公路施工阶段的安全管理提供科学依据显得尤为重要。Clark等[1]专家用风险指数的评价方法对西雅图的地下交通工程进行了综合评估，有了新研究。Kolic[2]在对风险进行研究时提出并采用了定量与定性相结合的评价方法，并以克罗地亚MalaKapela公路隧道作为对象对该方法的评价结果进行比较。McFeat-Smith[3]在对调查亚洲的50多个隧道工程的风险基础上，提出建立了MS风险评价体系。柳厚祥等[4]建立了公路边坡稳定性模糊聚类迭代评价模型，并用该模型计算出湖南省公路边坡9个区域相对应的公路边坡稳定性状态。石剑云等总结了模糊综合评价方法在建筑火灾风险评估中的应用，针对传统方法在指标权重和隶属度确定上存在的不足，引入变权理论和相对差异函数[5]。陈克丽[6]通过对高速公路项目建设阶段风险因素的系统分析与识别，采用多层次模糊综合评价法对高速公路项目建设阶段的整体风险进行评价。李娟等[7]基于物元可拓理论建立了物元模型确定单因素评价的隶属矩阵，分析公路施工安全的影响因素，建立公路施工安全评价的模型。

1 公路施工特点及风险分析

1.1 公路施工的特点

公路工程整体来看呈线性分布来施工，沿地面线性展开、延伸分布。它的这种分布形态使得工程的流动性很大，同时公路工程也有较多临时性工程，且作业面狭窄幽长，环境变化较大，地形地质条件影响较大，施工作业量巨大。因此可以判定公路施工安全受技术水平、自然灾害影响。

公路施工项目组成复杂，与工程有关的方面很多，协同难度大，需众多部门协同推进工程进展，由此可知施工安全受人员素质、管理水平、材料设备供应的影响。公路施工工作量巨大，且属于线状分布，导致工程施工难度较大，施工期漫长。一方面，需在同一个地方顺次进行众多工程施工，周期长，尤其是土石方等，会较长时间占据大量人力物力；另一方面，施工的各过程、各环节必须有序合理地组合为一整体，合理安排时间、空间资源，保证施工顺利，避免造成资源浪费。可以得出施工单位管理水平影响施工安全。

1.2 公路施工风险统计分析

收集到我国2000—2015年发生的257起公路施工事故，进行统计分析。分析整理可以发现公路工程的安全隐患，找出其风险源，对公路工程的风险评估提供借鉴，为风险评估方法的研究提供数据支持。

1.2.1 事故类型分析

如表1所示，从发生的事故类型方面分析，高处坠落和机械伤害是公路施工事故的主要类型。此外，物体打击、坍塌以及冒顶片帮也占了事故的很大一部分，由此可以看出，在施工过程中，存在安全防护措施不到位、施工人员安全意识较差等隐患，由此反映出施工管理的不到位以及施工人员培训的缺失。

1.2.2 事故发生主要原因分析

由图1可以看出，从事故的主要原因分析，施工企业违规施工是造成安全事故产生的主要原因，人员失误也是重要原因，充分说明施工单位的组织管理能力、施工人员的安全意识、操作技能是公路施工安全的重要因素。

1.2.3 事故发生时间段分析

图2为事故发生时间段概率统计图，由此得出，上下班前后为事故高发时段，充分表明安全意识对于施工人员的重要性。刚上班时，施工准备不到位，安全检查仓促处理；下班之前，施工人员大意分神，容易放松检查，工作懈怠，都易导致事故发生。由此可以看出施工管理的重要性，要对施工人员严格管理，加强培训，降低发生风险的概率。

表1 事故类型统计表Tab.1 Accident type statistics

图1 事故发生原因统计图Fig.1 Statistical chart of the cause of the accident

图2 事故发生时间段概率统计图Fig.2 Statistical Chart of probability in time period of Accidents

2 建立风险因素指标体系

影响公路施工的风险因素很多，且各因素间的关系十分复杂，虽各因素具有相对明确的层级关系，但每个单独因素都可以作为一个具体评价指标。首先通过查阅资料、计算机模拟等方法对风险因素进行数理统计分析，然后请各位专家、教授，利用头脑风暴法，对公路工程施工风险进行全面而彻底的讨论，最后对公路工程进行调查评估后，将公路工程施工的风险分为技术、材料设备、人员、组织管理、环境、后勤6方面，列出表2。

3 风险因素权重计算

3.1 层次分析

由于相关历史数据的不足，且公路工程施工的风险因素因具有模糊性而难以定量分析，导致量化评估困难。此时可利用相关专家的丰富实践经验以及渊博的理论学识来对各风险因素的权重进行估计[8]。

利用AHP法，找出解决问题所牵涉地主要因素，将这些因素按其隶属关系构造成递阶层次模型，通过对层次结构中各因素之间相对重要性判断及简单地排序计算解决问题[9]。综合考虑主观客观因素，而避免单靠直觉与经验进行评价的弊病。

3.2 层次单排序

利用层次分析法对风险因素指标进行分层，通过1～9标度对一级各指标和二级各指标进行两两比较，进行专家赋值，分别构造一级指标和二级指标的判断矩阵，计算被比较元素的相对权重。主要方法有和积法、方根法、最小二乘法等。在层次分析法中，判断矩阵的最大特征值与特征向量精度要求不高，且方根法简单易操作，故可选用方根法计算。计算步骤如下。

构造判断矩阵

表2 风险因素统计表Tab.2 Statistical tables of risk factors

利用方根法公式（1）得到相对权重

利用公式（2）进行归一化处理得到

3.3 一致性检验

对判断矩阵应进行一致性检验。一致性达到要求元素的权重的才可采用，否则应重新构造判断矩阵。检验步骤如下：λimax为判断矩阵的最大特征值，由公式（5）得到

式中：CI为一致性指标；RI为随机一致性指标；CR为检验系数。

当CR＜0.1时，则判断矩阵一致性达到要求，否则重新进行判断，写出新的判断矩阵。

3.4 专家聚类分析

考虑到专家的意见可能存在不同，为了将集体意见的权重扩大，利用层次分析法计算专家对各元素的权重向量的判别基础上，先用简单的聚类分析计算每位专家权重，然后再计算各指标权重。具体计算如下：若有m个专家，对某一指标可分为t类，φs表示第s类组中的专家容量，专家i属于该s类，则专家i权重λi可由公式（8）计算得到

式中，φs为第s类组中的专家容量。则某指标权重计算为

式中，wij为专家i对指标j确立的权重。

3.5 层次总排序

式中，Wt为单排序中确定的元素t相对于上层元素r的权重值大小。

由此计算出对应的风险因素相对于整个风险评估体系的权重向量U（W1,W2，…，Wn）。

4 风险评估结果

把公路施工风险划为5个强度，并初步确定每个风险强度的区间值，确立为[0，0.2），[0.2，0.4），[0.4，0.6），[0.6，0.8），[0.8，1]，分别表示评价集T={低风险，中低风险，中级风险，中高风险，高风险}[10]。

4.1 确立风险隶属度的向量

风险隶属度指的是专家通过打分对指标进行数值打分而确立的其从属风险评价等级的程度高低[11]。风险隶属度的确定有许多方法，最便捷、最有效的是专家评分法。专家通过自身实践经验和理论研究来对风险因素相对于评价集进行打分。遵照上面的方法，将整体分解后，评价指标层中的每一项风险因素都能有评价向量。因此，能够设Rn×5=(rij)n×5，n表示风险评价指标体系中列出的风险因素的总量。

首先从因素集U中的单个因素出发进行评价，确定评价对象对因素集中各元素的隶属程度。然后将n个因素的评价集组成一个总的评价矩阵，通常以R表示。

4.2 评估结果

通过以上公式计算得出的Rn*5和U，然后由公式（11）能够得出模糊综合评价的评价S[12]：

利用公式进行计算，可以得到5个数值，这5个S数值表示公路工程施工风险对于（低风险，中低风险，中级风险，中高风险，高风险）5个风险等级的隶属度。按照最大隶属度法，这5个数值中的最大的一个即表示对要评估的公路工程施工风险程度进行评估的评估结果。按照加权平均法评估：

式中：Ti取风险强度区间中值；Siw为隶属度。

最终，选取二者评估结果中更危险的作为评估结果。

5 实例验证

对广东省惠州市某正在施工的公路工程进行安全评估。依据工程的情况，对该工程风险进行层次分析，如图3所示。

对施工中的项目经理、项目总工、各部门技术人员和一线施工工人以及有关专家发放了调查问卷确立该工程各项指标权重。问卷共发放200份，其中纸质调查问卷100份，网络调查问卷100份，收回问卷193份，有效问卷176份，有效回收率88%。对调查问卷处理时，对问卷的可靠度进行了进行分析，将含主观因素较大，对风险估计过高或过低的问卷排除后，利用公式（1）～公式（10）得到各指标权重。同时请十位专家在查阅该工程相关资料，对工程实地勘察后，对各项指标进行打分确立隶属度，得到表3。

表3 某公路工程风险评估表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）。

按最大隶属度法，该工程属于中级风险。

按加权平均法，由公式（12）可得：

V=0.452 395 972，该工程属于中级风险。

选取更危险的结果作为评估结果，该工程属于中级风险。

6 结论

层次分析和模糊综合评价法较好地解决了公路工程进行风险评估时风险因素因具有模糊性而难以定量分析的难题。它充分利用了相关专家的的理论学识，并考虑了一线施工人员的意见，通过实际调查以及结合历史数据，对风险因素的辨识以及相关权重的给定是比较准确的，由此通过得出的风险评估准确度也是比较大的。但是，该方法对风险评估的因素确认及权重认定主要是基于专家认定和相关历史数据参考，难免会出现主观认定的不足，同时由于每个工程的施工环境、施工技术、人员素质等因素的不同，相关历史数据只能作为参考而不能完全采用。