基于改进属性区间识别模型的跨线公路桥施工风险评估

王景春，吴雨航，王利军，刘 伟

(1.石家庄铁道大学 土木工程学院，河北 石家庄 050043;2.中建铁投路桥有限公司，湖北 武汉 460014)

我国公路建设规模不断扩大，公路路网不断加密，公路桥施工跨已有线路的情况越来越多。受桥梁自身条件、桥梁下方线路情况等固有条件的制约，跨线公路桥施工过程的风险因素更加复杂多样，施工风险较高[1]。目前，《公路桥梁和隧道工程施工安全风险评估指南》(以下简称《指南》)对跨线公路桥施工安全风险评价指标通常是依靠经验和工程实际状况选取，尚未形成一套完备的跨线公路桥施工风险指标体系。此外，跨线公路桥施工风险评价指标的不确定性使得大部分评价方法较难反映其真实性[2]。因此，科学合理地选取风险评价指标和评估方法成为跨线公路桥施工安全风险管控的核心和关键。

近年来，许多学者从不同角度对跨线桥梁施工风险展开了研究。王春生等[3]根据现场施工情况，采用专家打分法确定了跨既有线桥梁施工风险；徐亚光等[4]通过数值模拟，对新建桥梁上部结构施工与既有线运营存在的相互影响进行了安全风险分析；陈海南等[5]针对跨既有线桥梁施工风险因素复杂的特点，将BP神经网络引入跨既有线桥梁施工，通过训练学习样本得到施工风险等级；田苾等[6]结合实践，建立了基于系统动力学的跨既有线施工管理决策模型。以上研究在一定程度上促进了工程实践，但很少能同时兼顾评价指标的不确定性，在应用推广上存在一定的局限性。

属性区间识别理论能够用区间来表示所选因素具有某种属性的度量程度，能够对指标的不确定性进行评定，有效解决了定性描述的度量问题[7]。而跨线桥公路桥风险评估问题可归纳为定性问题的度量，因此，属性识别理论为解决这一问题提供了理论基础。该理论已经成功应用于隧道突涌水[8]、边坡稳定分析[9]、隧道塌方[10]、矿井通风[11]等领域，并取得良好的效果。基于此，将属性识别理论引入跨线公路桥施工风险评估，并运用距离判别思想，引入欧式距离对属性识别模型中置信度取值主观性较强的问题进行改进，提出改进的属性区间识别模型。

1 改进的属性综合评估模型

1.1 单指标属性测度分析

当tij≤aj1(tij≥aj1),取μij1=1,μij2=…=μijk=0；

当tij≥ajk(tij≤ajk),取μijk=1,μij1=…=μij(k-1)=0；

1.2 C-OWA算子赋权

Yager[12]提出的有序加权平均(OWA)算子理论是处理多属性决策问题的有效方法，其核心思想是对数据二次排序，将极大值与极小值分配在影响较小的位置，在一定程度上减轻专家认知差异的影响。使用C-OWA算子对评价指标赋权，将评分得到的权重与组合数结合，实现指标的科学赋权。

使用C-OWA方法计算指标权重，计算原理如下：

(1)邀请x位专家对评价指标进行打分，分值区间为[0～10]，分值越高表明指标越重要。设x位专家的打分值为u={u1,u2,…,ux}，对其进行降序处理并从0开始编号,得v={v0,v1,…,vh,…,vx-1}。

(2)计算vh的权重

(1)

(3)利用σh+1对专家打分数据进行加权处理，得综合分值

(2)

(4)计算评价指标的相对权重

(3)

1.3 多指标综合属性测度计算

结合指标权重，计算综合属性测度区间

(4)

(5)

引入均化系数α，计算综合属性测度

(6)

式中，α∈(0,1)。

1.4 改进属性识别分析

根据置信度准则[13]，对置信度λ(0.5≤λ≤1)计算。

当C1>C2>…Ck，若满足

(7)

则，评估对象风险等级为Ck0。

当C1

(8)

则评估对象风险等级为Ck0。

模型中置信度λ的取值为一个区间，不同的置信度取值可能导致评估结果不同。为降低置信度人为取值具有较强的主观性的问题，运用距离判别思想，引入欧式距离对置信度准则进行改进。设分级空间每个等级Cp的属性测度C1=(1,0,…,0),C2=(0,1,…,0),…,Ck=(0,0,…,1)，定义dp为综合属性测度与分类等级Ck之间的欧式距离，则

(9)

评价对象的分类等级

Cp=mindp(1≤p≤k)

(10)

2 指标体系及等级划分

2.1 评价指标体系

由于跨线公路桥施工时要同时兼顾施工与桥下方线路两方面的安全，现场存在诸多不确定因素。目前，针对跨线公路桥施工风险评价指标尚未有统一标准。依据系统性和可操作性原则，参考《指南》、《公路铁路交叉路段技术要求》和相关研究成果[14-15]，最终从桥梁自身条件、桥梁下方线路情况、施工因素、环境因素4个方面建立跨线公路桥施工风险评估指标体系。如图1所示。

图1 跨线公路桥施工风险评价指标体系

2.2 风险等级划分

根据《指南》，将跨线公路桥施工风险等级划分为低度风险、中度风险、高度风险、极高风险4个等级。针对《指南》中评价指标分级粗略、难以精确表达评价指标属性的问题，以属性区间识别模型的需求为目标，在《指南》的基础上，对评价指标的分级进行细化。将评价指标以[0,10]进行量化。分级标准及接受准则如表1所示。量化标准见表2。

表1 风险等级划分

表2 评价指标量化标准

3 实例分析

3.1 工程概况

阳左高速立交桥位于国道307、207线阳泉绕城改线工程平定县石门口乡南西约1.5 km处，桥第2联为预应力混凝土T构，跨越既有阳左高速匝道和既有阳左高速，孔跨布置为2～60 m，桥梁线形为直线桥，坡度较小，墩高14.769 m，桥下净空大于5 m。该桥与阳左高速匝道斜交角为74°，与阳左高速斜交角为88°。施工方法为挂篮悬臂浇筑，在下方高速公路未封闭的条件下施工，对施工要求较高。桥址区属于内陆高原、暖温带季风气候带的大陆性气候，夏季盛行东南风，髙温多雨的大陆性季风气候是本区气候的主要特征。桥址区地貌单元属喀斯特侵蚀、剥蚀低山区，地形起伏变化较大，桥址区内岩芯较破碎，表面可见少量小型溶孔，但未见溶洞发育，无滑坡、崩塌、泥石流发育，场地稳定性较好。

3.2 工程概况分析过程

邀请10位专家(5位来自施工单位，2位来自设计单位，3位来自监理单位)，根据表1中分级标准和表2中指标量化标准对各指标进行量化，量化分值见表3X列。使用C-OWA算子对各指标进行赋权，对各指标重要程度进行打分，分值区间为[0,10]，分值越高，表示该指标越重要，专家打分值见表3X′列。根据分级标准构建二级指标的属性测度函数，通过专家评分的算术平均值和单指标属性测度区间计算公式，计算得到二级指标的属性测度区间。通过式(1)～式(3)计算各指标权重，从而得到各指标综合权重如表4所示。结合权重，取均化系数α=0.5，应用式(4)～式(6)和式(9)分别计算桥梁自身条件、桥梁下方线路情况、施工因素及环境因素4个子系统的综合属性测度和欧式距离，进而求得整个施工系统的综合属性测度和欧式距离。在此基础上，根据式(10)判别各子系统和施工系统的风险等级。计算结果如表5所示。

表3 评价指标安全性与重要度分值

表4 评价指标权重

表5 综合属性测度与欧式距离

3.3 工程概况结果分析

根据式(10)，风险等级为欧式距离d1、d2、d3、d4中的最小值，由表5中欧式距离计算结果可知，桥梁自身条件风险等级中d1值最小，因此风险等级为 Ⅰ 级，即低度风险。同理可得桥梁下方线路情况、施工因素、环境因素风险等级处于Ⅱ级，为中度风险。最终计算得阳左大桥施工风险综合评判结果为Ⅱ级，风险可接受。该桥跨度小、线形简单，自身条件较好，再加上桥下净空较大，线路不易侵限，对施工干扰小，外部环境因素也基本上不影响施工，总体施工难度低，风险较低。该桥主体结构基本完工，施工过程未发生Ⅱ级以上风险事故，实际风险与本评估结果基本吻合。

4 结论

(1)针对跨线公路桥梁施工风险特点，构建了桥梁自身条件、桥梁下方线路情况、施工因素、环境因素4个一级指标和11个二级指标的风险评估指标体系，全面反映跨线公路桥施工风险影响因素，并使用C-OWA算子对指标进行赋权，弱化专家认知差异，使指标权重更加科学客观。

(2)建立了跨线公路桥梁施工安全风险评估的属性区间识别模型。利用区间来表示所选因素具有某种属性的度量程度，实现了对指标的不确定性进行评定，并结合欧式距离对原属性识别准则进行优化，使判别结果更加直观、客观。

(3)通过对阳左大桥施工风险评估,可以看出该桥施工风险等级为Ⅱ级，即中度风险，风险可接受。评估结果与工程实际基本吻合，验证了模型的正确性。