基于粗糙集-屬性綜合評價的鉆爆法地鐵車站工程施工安全管理研究

趙金先，劉 敏，李 帆，范 軻（青島理工大學管理學院，山東　青島266520）

基于粗糙集-屬性綜合評價的鉆爆法地鐵車站工程施工安全管理研究

趙金先，劉 敏，李 帆，范 軻
（青島理工大學管理學院，山東青島266520）

地鐵車站工程作為地鐵建設(shè)中最重要的環(huán)節(jié)對其進行安全管理研究有其必要性和迫切性。根據(jù)鉆爆法地鐵車站的施工工藝和施工流程中所涉及的因素，從安全環(huán)境管理、安全技術(shù)管理、安全計劃管理、安全組織管理四個方面建立地鐵車站工程施工項目安全管理評價指標體系；將粗糙集與先驗知識相結(jié)合對指標體系中各級指標進行賦權(quán)，并在車站工程安全管理測度的基礎(chǔ)上運用屬性綜合評價方法對鉆爆法地鐵車站工程施工的安全管理水平進行評價；根據(jù)評價結(jié)果提出安全管理改進建議，以期提高鉆爆法地鐵車站工程施工的安全管理水平。

鉆爆法；地鐵車站施工；安全管理；粗糙集；屬性綜合評價

城市化進程的加快推動了城市軌道交通建設(shè)的迅速崛起，地鐵以其高效、準時、環(huán)保、安全等優(yōu)點成為城市交通運輸方式的最佳選擇。地鐵車站是地鐵建設(shè)項目中最重要的環(huán)節(jié)，且多設(shè)在熱鬧繁華的市區(qū)，水文地質(zhì)條件、周邊建構(gòu)筑物、交通狀況及地下管線的復雜性使得工程施工難度增大，引發(fā)地鐵工程安全事故的概率較大，這就迫切需要對地鐵車站施工進行科學的安全管理研究。

安全管理涉及有關(guān)安全方面的決策、計劃、組織、指揮、協(xié)調(diào)、控制等行為，國內(nèi)外眾多學者對地鐵工程項目的安全管理進行了深入的研究，主要集中在以下四個方面:①安全組織管理研究，如吳賢國等［1］利用因子分析提煉出地鐵施工安全組織管理的主要影響因素；②安全風險管理研究，如解東升等［2］根據(jù)海因里希法則對地鐵工程建設(shè)中的安全風險進行了研究，并提出研究的重點和難點，吳賢國等［3］運用貝葉斯網(wǎng)絡分析了地鐵施工中的風險因素，駱建軍等［4］著重分析了暗挖法地鐵車站施工對地下管線的各種影響，陳帆等［5］將粗糙集與RBE神經(jīng)網(wǎng)絡相結(jié)合評估施工風險；③安全技術(shù)管理研究，如王夢?。?］對隧道及地下工程的修建技術(shù)做了深入的研究和系統(tǒng)概述；④安全應急管理研究，如佟瑞鵬等［7］運用“天平原則”從多方視角對地鐵工程建設(shè)的安全應急管理進行了探討。

上述研究主要是學者們在實踐經(jīng)驗的基礎(chǔ)上從定性分析的角度對地鐵施工技術(shù)及風險進行論述，定量研究相對匱乏。鑒于此，本文以鉆爆法地鐵車站工程施工為研究對象，從安全環(huán)境管理、安全技術(shù)管理、安全計劃管理、安全組織管理四個方面構(gòu)建鉆爆法地鐵車站工程施工項目安全管理評價指標體系，運用粗糙集對各指標進行賦權(quán)，并引入屬性綜合評價對車站工程施工的安全管理水平進行評估，根據(jù)評價結(jié)果制定管理決策，以期鉆爆法地鐵車站施工的安全管理水平。

1　研究方法

1.1粗糙集理論

粗糙集（Rough Set）理論［8-14］是Pawlak教授于1982年提出的一種可以用于定量分析模糊、不完整、有分歧知識的數(shù)學工具。該方法主要是將原始數(shù)據(jù)進行離散化處理，分析、推理并解釋數(shù)據(jù)之間的關(guān)系，從中發(fā)現(xiàn)潛在信息，指出其隱含規(guī)律。粗糙集理論中的屬性賦權(quán)是根據(jù)各屬性的相對重要度來決定的，因此利用粗糙集理論進行指標賦權(quán)避免了專家評議法、層次分析法等傳統(tǒng)賦權(quán)方法中人為因素的干擾，提高了評估結(jié)果的客觀性。

1.2屬性綜合評價

屬性綜合評價［15-17］基于已構(gòu)建的指標體系，利用數(shù)學算法或數(shù)學模型分別對單指標和多指標進行屬性分類，將指標體系中的多個評價指標值轉(zhuǎn)換成一個全面的綜合評價值，最后根據(jù)置信度準則判定級別，可以解決具有多個模糊屬性系統(tǒng)的綜合評價問題。該評價方法主要分為三個步驟:①確定單指標屬性測度；②確定多指標屬性綜合測度；③確定置信度準則，進行屬性識別。

2　鉆爆法地鐵車站工程施工項目安全管理評價指標體系

2.1指標體系構(gòu)建

本文以地鐵車站工程建設(shè)項目為背景，結(jié)合鉆爆法地鐵車站工程的施工工藝和施工流程，從環(huán)境、技術(shù)、計劃、組織四個方面對影響鉆爆法地鐵車站施工安全管理的各個環(huán)節(jié)進行研究，構(gòu)建了包含4個二級指標和23個三級指標的鉆爆法地鐵車站工程施工項目安全管理評價指標體系［18-19］，具體詳見圖1。

圖1　鉆爆法地鐵車站工程施工項目安全管理評價指標體系Eig.1 Evaluation system of safety management in drillingblasting metro station construction project

2.2基于粗糙集和經(jīng)驗因子的賦權(quán)方法

粗糙集屬性賦權(quán)僅客觀反映了現(xiàn)階段決策數(shù)據(jù)環(huán)境下指標對整體評估的影響，它體現(xiàn)不出決策者的先驗知識。因此，本文將粗糙集與決策者的先驗知識相結(jié)合進行指標賦權(quán)，實現(xiàn)了主觀先驗知識和客觀實際的統(tǒng)一［20］。具體方法如下:

（2）大量收集歷史決策數(shù)據(jù)，構(gòu)成信息系統(tǒng)，計算指標cij對于指標體系Ci的屬性重要度:

（3）將屬性重要度SigCi（cij）進行歸一化處理，得到指標的客觀權(quán)重:

（4）根據(jù)決策者的不同決策背景和偏好，確定經(jīng)驗因子α，并計算指標的綜合權(quán)重:

3　鉆爆法地鐵車站工程施工安全管理的屬性綜合評價

3.1鉆爆法地鐵車站工程施工安全管理水平的綜合測度

假設(shè)屬性空間F=｛鉆爆法地鐵車站工程施工的安全管理水平｝，將其分為四個等級:B1=｛優(yōu)｝，B2=｛良｝，B3=｛合格｝，B4=｛差｝，則（B1，B2，B3，B4）組成F的一個有序分割類，且滿足B1＞B2＞B3＞B4，其綜合測度取值范圍為［0，10］，具體分類見表1。

表1　鉆爆法地鐵車站工程施工安全管理水平不同等級的綜合測度Table 1 Comprehensive measures of safety management levels in drilling-blasting metro station construction

3.2基于屬性綜合評價的鉆爆法地鐵車站工程施工安全管理評價模型

屬性綜合評價方法首先確定下層指標的屬性測度，然后結(jié)合相應指標權(quán)重將下層指標屬性綜合成上層指標的屬性測度，最后利用置信度準則判定評價系統(tǒng)的評價類。

3.2.1單指標屬性測度的確定

為保證評價的公正性和客觀性，邀請從事地鐵車站施工相關(guān)專業(yè)的專家、學者和施工管理人員對指標體系中的三級指標cij進行打分得到分值xij，指標的屬性測度μijk=μ（xij∈Bk）。這里B1＞B2＞B3＞B4，取其區(qū)間中間值，則有:

當xij≥B1時，μij1=1，μij2=μij3=μij4=0；

當xij≤B4時，μij4=1，μij1=μij2=μij3=0；

3.2.2多指標屬性測度的確定

（1）二級指標Ci隸屬于級別Bk的屬性測度為μik，其計算式如下:式中:ki為二級指標Ci下三級指標cij的個數(shù)；ωij為三級指標cij的權(quán)重。

（2）μk為地鐵車站工程施工的安全管理水平隸屬于級別Bk的綜合屬性測度，則有

3.2.3地鐵車站工程施工安全管理水平的屬性識別

（B1，B2，B3，B4）為屬性空間F的一個有序分割類，這里通過置信度準則來判定地鐵車站工程施工安全管理水平的評價類別，取λ=0.6，有

則鉆爆法地鐵車站工程施工的安全管理水平隸屬于Bk類。

3.2.4鉆爆法地鐵車站工程施工安全管理水平的評價分數(shù)

為了使評估結(jié)果簡單明了，本文將鉆爆法地鐵車站工程施工的安全管理水平轉(zhuǎn)換成一個綜合分值，用q表示，則有

式中:rk為指標綜合測度Bk的中值。

最后可根據(jù)評分準則來確定鉆爆法地鐵車站工程施工中需要改進的地方。

4　實例分析

本文選取青島市某地鐵車站工程項目為研究對象，首先邀請6位鉆爆法地鐵車站工程施工安全管理領(lǐng)域的專家及學者提供決策數(shù)據(jù)，并運用粗糙集與經(jīng)驗因子相結(jié)合的數(shù)學方法計算各級指標的權(quán)重；然后邀請8位從事地鐵車站施工現(xiàn)場安全管理工作的工程師和專家對各項指標進行打分，運用屬性綜合評價方法進行數(shù)據(jù)處理，并對對應評價模型中的評價等級進行屬性識別；最后得到整個評價系統(tǒng)的評價類和評價分值。具體過程如下:

4.1粗糙集和經(jīng)驗因子相結(jié)合確定指標權(quán)重

以二級指標安全組織管理C4的下層指標c41～c44為例，進行權(quán)重計算。

（1）根據(jù)專家評分進行數(shù)據(jù)處理，以各指標評分中間值為閾值進行指標離散化處理，設(shè)決策屬性D表示含義為系統(tǒng)安全1、系統(tǒng)危險0，具體見表2。

表2　鉆爆法地鐵車站工程施工安全管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息表Table 2 Data information table of drilling-blasting metro station construction safety management system

該信息系統(tǒng)中，評價對象的有限論域為U= ｛u1，u2，…，u6｝，指標體系C4=｛c41，c42，c43，c44｝，評價結(jié)果集為D，V=｛0，1｝。假定X1=｛c42，c43，c44，D｝，則指標c41的重要度計算如下:

因此P41=0.444，P42=0，P43=0.278，P44= 0.278，則指標c41～c44的客觀權(quán)重為:P4=（0.444，0，0.278，0.278）。

（2）由6位專家根據(jù)其實踐經(jīng)驗和知識直接對指標c41～c44進行主觀賦權(quán)，歸一化處理后得到主觀權(quán)重為Q4=（0.571，0.009，0.246，0.174）。

（3）一般情況下，主觀賦權(quán)與客觀賦權(quán)比重相當，但是由于地鐵車站工程施工的復雜性，且鑒于該鉆爆法地鐵車站工程的施工背景，結(jié)合以往施工經(jīng)驗發(fā)現(xiàn)在權(quán)重賦值過程中對專家的依賴性比較大，在此對主觀權(quán)重與客觀權(quán)重的比重做一定調(diào)整，故取經(jīng)驗因子α=0.65，并根據(jù)公式（3）計算出指標c41～c44的綜合權(quán)重ω4:

ω4=αQ4+（1-α）P4=（0.527，0.006，0.257，0.21）

其他權(quán)重的確定與上述步驟相同，在此不再贅述，其計算結(jié)果如下:

ω0=（0.154，0.173，0.198，0.475）

ω1=（0.118，0.231，0.199，0.214，0.238）

ω2=（0.109，0.112，0.136，0.111，0.129，0.118，0.103，0.094，0.088）

ω3=（0.216，0.209，0.131，0.187，0.257）

4.2屬性綜合評價

以安全組織管理評價為例，將8位專家和工程師打分進行均值處理，其結(jié)果見表3。

表3　專家打分平均值Table 3 Average value of experts scoring

將評價結(jié)果隸屬等級取區(qū)間中值，得到r= （9.5，8，6，2.5），并結(jié)合上述專家打分平均值，可得到二級指標的屬性測度μijk，詳見表4。

表4　指標c41～c44的屬性測度μijkTable 4 Attribute measureμijkof index c41～c44

則根據(jù)公式（4），可以求出安全組織管理的綜合屬性測度μ4=（0.017，0.458，0.525，0），評價分數(shù)q4=6.976。根據(jù)置信度準則，可知安全組織管理水平隸屬于“合格”。

同理可知，多指標屬性測度計算結(jié)果如下:

μ1=（0.783，0.198，0.011，0.008）

μ2=（0.265，0.497，0.196，0.042）

μ3=（0.796，0.162，0.056，0.004）

由此可得，該指標體系的綜合屬性測度μ0= （0.389，0.394，0.192，0.025）；評價分數(shù)分別為q0= 8.062，q1=9.109，q2=7.775，q3=9.204。

由評價結(jié)果可知，其評價分數(shù)由大到小的排序為:q3＞q1＞q2＞q4，且安全環(huán)境管理、安全技術(shù)管理、安全計劃管理、安全組織管理分別隸屬于“優(yōu)”、“良”、“優(yōu)”、“合格”。

5　結(jié) 論

（1）基于安全管理的視角對鉆爆法地鐵車站工程施工項目進行研究，從環(huán)境、技術(shù)、計劃、組織四個方面構(gòu)建了地鐵車站施工安全管理綜合評價指標體系。

（2）粗糙集與屬性綜合評價相結(jié)合的評價模型可以有效解決地鐵車站工程安全管理灰色系統(tǒng)中數(shù)據(jù)模糊的難題，量化最終評價結(jié)果，使評價更科學合理。

（3）由粗糙集與屬性綜合評價相結(jié)合的評價模型計算可知，該地鐵車站工程項目安全管理水平經(jīng)量化由高到低依次為安全計劃管理、安全環(huán)境管理、安全技術(shù)管理、安全組織管理，可見其安全組織管理和安全技術(shù)管理的綜合評分值較低，因此應首先針對這兩方面改進對其下屬指標的管理，以期提高項目整體安全管理水平。

［1］吳賢國，劉惠濤.地鐵施工安全組織管理影響因素分析［J］.土木工程與管理學報，2012，29（4）:79-93.

［2］解東升，錢七虎.地鐵工程建設(shè)安全風險管理研究［J］.土木工程與管理學報，2012，29（1）:61-67.

［3］吳賢國，丁保軍，張立茂.基于貝葉斯網(wǎng)絡的地鐵施工風險管理研究［J］.中國安全科學學報，2014，24（1）:84-88.

［4］駱建軍，張頂立，王夢恕，等.北京地鐵暗挖車站施工對管線的影響分析［J］.鐵道學報，2007，29（5）:127-132.

［5］陳帆，謝洪濤.基于粗糙集和RBE神經(jīng)網(wǎng)絡的地鐵施工安全風險評估［J］.安全與環(huán)境學報，2013，13（4）:232-235.

［6］王夢恕.中國隧道及地下工程修建技術(shù)［M］.北京:人民交通出版社，2010.

［7］佟瑞鵬，丁健，方東平.地鐵工程建設(shè)應急管理評估體系的構(gòu)建［J］.中國安全科學學報，2009，19（11）:132-138.

［8］Jensen R.Rough Sets，their extensions and applications［J］.International Journal of Automation&Computing，2007，4（3）: 217-228.

［9］袁寧，楊立兵.基于粗糙集-人工神經(jīng)網(wǎng)絡的建筑施工安全評價及應用［J］.安全與環(huán)境工程，2012，19（1）:60-64.

［10］Liu E，Hu B Q.Euzziness in rough fuzzy sets and fuzzy rough Sets［C］//Proceedings of the Second Conference on Fuzzy Information&Engineering.California:Polytechnic State University，2006.

［11］Pawlak Z.Rough set theory and its applications to data analysis ［J］.Cybernetics and Systems:An International Journal，1998，29（1）:661-688.

［12］張文修，仇國芳.基于粗糙集理論的不確定性決策［M］.北京:清華大學出版社，2005.

［13］李遠遠.基于粗糙集的指標體系構(gòu)建及綜合評價方法研究［D］.湖北:武漢理工大學，2009.

［14］王國胤，姚一豫，于洪.粗糙集理論與應用研究綜述［J］.計算機學報，2009，32（7）:1229-1246.

［15］李遠遠，云俊.多屬性綜合評價指標體系理論綜述［J］.武漢理工大學學報，2009，31（2）:305-309.

［16］郭亞軍.綜合評價理論、方法及應用［M］.北京:科學出版社，2007.

［17］Meng S W.Linitations and necessary conditions of applying principal component analysis to comprehensive evaluation［J］. Bulletin of International Statistical Institute，1995，5（2）:813-814.

［18］Levine P，Pomerol JC.PRIAM，an interactive program for choosing among mutiple attribute alternatives［J］.European Journal of Operations Research，1986，25（2）:272-280.

［19］Zhao J X，Liu M，Li E.The study on safety management of drilling-blasting metro station construction based on OWA operator and gray theory［J］.Applied Mechanics and Materials，2015，744/745/746:997-1000.

［20］葉軍，陳學嘉.組合權(quán)重法在建筑施工企業(yè)安全評價中的應用［J］.安全與環(huán)境工程，2013，20（6）:130-136.

Research on Safety Management of Drilling-blasting Metro Station Construction Based on Rough Set and Attribute Comprehensive Evaluation

ZHAO Jinxian，LIU Min，LI Ean，EAN Ke
（School of Management，Qingdao Technological University，Qingdao 266520，China）

It is necessary and urgent to conduct safety management study on metro station project which is the most important part of subway construction.Based on factors involved in the construction techniques and process of drilling-blasting metro station，this paper proposes a safety management evaluation index system of metro station construction project from four aspects as safety environmental management，safety technology management，safety program management and safety organizational management.Then the paper combines the rough set with prior knowledge to determine the weights of the index at all levels and adopts property evaluation to evaluate safety of drilling-blasting metro station construction based on the measures of metro station project safety management.Einally，the paper puts forward recommendations on safety management to improve the safety management level of drilling-blasting metro station construction.

drilling-blasting method；metro station construction；safety management；rough set；property comprehensive evaluation

X92；X948；TU71

A

10.13578/j.cnki.issn.1671-1556.2015.05.020

1671-1556（2015）05-0113-05

2015-05-26

2015-06-10

山東省自然科學基金項目（ZR2012GQ005）

趙金先（1964—），男，碩士，教授，主要從事工程建設(shè)項目安全管理等方面的研究。E-mail:zhjxqdsd@163.com