基于云模型的深水橋梁基礎(chǔ)施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

李怡辰，馮仲仁，呂爾燕

(武漢理工大學(xué) 土木與建筑工程學(xué)院，湖北 武漢 430070)

中國(guó)是一個(gè)地大物博的國(guó)家，隨著交通網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的快速發(fā)展，越來(lái)越多的跨江、跨河橋梁出現(xiàn)，并且還呈現(xiàn)出增多的趨勢(shì)。然而，在水深5 m以上、水面寬100 m以上的深水環(huán)境下進(jìn)行橋梁基礎(chǔ)工程施工難度較大，并且在施工過(guò)程中還需考慮地質(zhì)、洪水、暴雨等風(fēng)險(xiǎn)因素以及這些風(fēng)險(xiǎn)因素間的相互聯(lián)系與反饋所帶來(lái)的不確定性影響。一旦某一環(huán)節(jié)發(fā)生問(wèn)題，極有可能在其相關(guān)環(huán)節(jié)中引發(fā)連鎖反應(yīng)，嚴(yán)重影響橋梁的施工安全。因此，為了能夠有效地進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)管理，保證工程的安全進(jìn)行，對(duì)深水橋梁基礎(chǔ)施工風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估至關(guān)重要。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者采用不同的方法對(duì)橋梁施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估進(jìn)行了探索與研究。如鄭元?jiǎng)椎葘?duì)近10年發(fā)生的橋梁事故進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，從固有、人為、自然風(fēng)險(xiǎn)三方面深入剖析總結(jié)事故原因，并結(jié)合實(shí)例提出了針對(duì)性預(yù)防措施；梁曉飛等基于經(jīng)典德爾菲法和AHP方法，運(yùn)用可信性理論構(gòu)建了多層次模糊綜合評(píng)判風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型，克服了選取隸屬函數(shù)帶來(lái)的模糊性影響；王丹等基于網(wǎng)絡(luò)分析法建立兩個(gè)準(zhǔn)則控制下的結(jié)構(gòu)模型，結(jié)合三角模糊數(shù)方法對(duì)風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行判斷，識(shí)別出深水基礎(chǔ)施工風(fēng)險(xiǎn)因素主次排序并聯(lián)系工程實(shí)際分析了原因；楊亞文針對(duì)大跨斜拉橋基礎(chǔ)施工風(fēng)險(xiǎn)因素繁多且施工技術(shù)和施工組織較為復(fù)雜的問(wèn)題，采用影響圖法對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了全面的風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)，運(yùn)用概率影響圖理論建立了評(píng)價(jià)模型并開發(fā)出基于Java B/S的計(jì)算機(jī)程序化風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)系統(tǒng)；楊偉軍等針對(duì)橋梁施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)中的不確定性和模糊性問(wèn)題，以云理論為基礎(chǔ)生成云標(biāo)尺，對(duì)橋梁施工風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)；Keke Peng綜合考慮橋梁施工期間的施工條件、結(jié)構(gòu)方案、施工技術(shù)、項(xiàng)目運(yùn)營(yíng)管理等因素，確定了各風(fēng)險(xiǎn)層的典型風(fēng)險(xiǎn)源，提出了一種組合德菲爾方法、AHP法和云模型的云綜合決策方法；Dawen Peng等基于AHP方法建立了基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的橋梁風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型，并對(duì)該模型進(jìn)行了培訓(xùn)，使其可用于實(shí)際橋梁風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。

上述研究采用的方法大多側(cè)重于對(duì)橋梁工程施工風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行定性或定量分析，不能同時(shí)解決評(píng)價(jià)過(guò)程的不確定性和模糊性問(wèn)題、定性概念與定量表示之間的模糊轉(zhuǎn)換問(wèn)題、風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)之間的相互交叉影響問(wèn)題。鑒于此，該文將云模型與網(wǎng)絡(luò)分析法相結(jié)合，建立基于云模型的深水橋梁基礎(chǔ)施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型，并以某跨江斜拉橋基礎(chǔ)施工為實(shí)例，驗(yàn)證該風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型的可行性，以便得到較為準(zhǔn)確、全面、直觀的結(jié)果。

1 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型

1.1 橋梁基礎(chǔ)施工風(fēng)險(xiǎn)界定

風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別是風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的第一步，也是非常關(guān)鍵的一個(gè)環(huán)節(jié)，即采用合適的方法對(duì)關(guān)鍵因素進(jìn)行識(shí)別、總結(jié)和歸類。風(fēng)險(xiǎn)因素的選取應(yīng)多方面參考意見，由于橋梁基礎(chǔ)工程施工環(huán)境較為惡劣，風(fēng)險(xiǎn)因素眾多，因此從人、機(jī)、料、法、環(huán)5個(gè)方面出發(fā)，篩選出對(duì)施工風(fēng)險(xiǎn)影響力較大的因素。在查閱類似工程施工資料的基礎(chǔ)上，結(jié)合有關(guān)專家的意見，選取4組風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)：① 自然風(fēng)險(xiǎn)方面，水中基礎(chǔ)工程施工易受到洪災(zāi)、暴雨等導(dǎo)致水面上升的風(fēng)險(xiǎn)影響，除此之外，還會(huì)受到不良地質(zhì)和地下水位等的影響，因此要對(duì)施工位置的水位、氣候、地質(zhì)等進(jìn)行綜合分析；② 人為因素方面，由于橋梁工程參建人員較多，員工素質(zhì)良莠不齊，設(shè)計(jì)單位的設(shè)計(jì)錯(cuò)誤風(fēng)險(xiǎn)、勘測(cè)單位的勘測(cè)不足、監(jiān)測(cè)單位的監(jiān)測(cè)失誤、施工單位的技術(shù)缺失和違規(guī)操作等風(fēng)險(xiǎn)都會(huì)對(duì)基礎(chǔ)工程的安全施工產(chǎn)生影響；③ 施工風(fēng)險(xiǎn)方面，深水橋梁基礎(chǔ)工程施工難度較大且時(shí)間較緊，如何確定合理的施工方案，如何確保施工材料、機(jī)具的質(zhì)量都是進(jìn)行安全施工所必須關(guān)注的重點(diǎn)；④ 組織管理風(fēng)險(xiǎn)方面，基礎(chǔ)工程施工是一個(gè)多單位配合的過(guò)程，管理層應(yīng)保證各個(gè)組織機(jī)構(gòu)執(zhí)行其機(jī)能，除了有嚴(yán)格的管理制度，還要確保能夠進(jìn)行科學(xué)合理的施工組織。綜合上述分析，具體風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系如圖1所示。

1.2 建立施工風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)云模型

云模型是一種定性定量不確定性轉(zhuǎn)換模型，通過(guò)該模型能夠構(gòu)成定性概念與定量之間的映射關(guān)系，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和研究的逐步深入，云模型在處理該類關(guān)系時(shí)較為方便、快捷、直觀。構(gòu)造一個(gè)云模型關(guān)鍵是計(jì)算出其3種數(shù)字特征：期望值Ex、熵En和超熵He。3種數(shù)字特征分別表示定性概念的分布、不確定性和熵的不確定性，反映在云圖中就是云模型的期望、帶寬和方差。

圖1 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系圖

(1)

(2)

(3)

式中：xi為數(shù)據(jù)；S為數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差。

參照文獻(xiàn)[11]并結(jié)合施工現(xiàn)場(chǎng)安全規(guī)范和專家意見，將深水橋梁基礎(chǔ)施工安全風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)按照風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的可能性大小和嚴(yán)重性大小劃分為4個(gè)等級(jí)并用定性語(yǔ)言低、適中、高、極高進(jìn)行描述，如表1所示。

表1 風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分表

根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的劃分確定標(biāo)準(zhǔn)云模型的數(shù)字特征，步驟如下：根據(jù)表1中的評(píng)價(jià)分值得到有效論域U=[Xmin，Xmax]，Xmin和Xmax分別為等級(jí)所屬的分值上、下限值，對(duì)應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)可用不同數(shù)字特征的云模型表示。為減少人為劃分等級(jí)區(qū)間帶來(lái)的主觀影響，取風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分分值的邊界值為兩種等級(jí)的過(guò)渡值，且同時(shí)隸屬于兩種等級(jí)的程度相同。

Ex=(Xmin+Xmax)/2

(4)

(5)

He=kEn

(6)

式中：k為系數(shù)，根據(jù)概念的模糊程度來(lái)調(diào)整取值，一般取0.1。

根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分表中的評(píng)價(jià)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)式(4)～(6)計(jì)算其評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)云模型的數(shù)字特征，用Matlab軟件繪制評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)云圖，如圖2所示。

圖2 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)云圖

由圖2可知：云的頂端和兩側(cè)較窄，腰間較厚；中間較密集，兩側(cè)較稀疏。4朵云圖分別表示4個(gè)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，繪制于以風(fēng)險(xiǎn)分值和隸屬度為軸的同一坐標(biāo)系下。采用大量云粒反映定性概念所屬的定量區(qū)間，對(duì)于每一個(gè)云粒來(lái)說(shuō)其分布具有隨機(jī)性，可能超出定量區(qū)間的范圍，但這種隨機(jī)性只是在一定范圍內(nèi)，不會(huì)影響整個(gè)云圖的分布。因此，局限于某一云粒是無(wú)效的，大量云粒的分布才能反映這種轉(zhuǎn)換，這種不確定性轉(zhuǎn)換可以理解為通過(guò)大量仿真最終獲得共性的過(guò)程。

1.3 風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)權(quán)重確定

風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)權(quán)重是各風(fēng)險(xiǎn)因素在整體評(píng)價(jià)體系中的重要性大小，該文采用的網(wǎng)絡(luò)分析法(ANP)是在層次分析法(AHP)的基礎(chǔ)上提出的一種決策方法，與后者不同的是，它克服了元素之間相互獨(dú)立、無(wú)法聯(lián)系的缺點(diǎn)，適用于深水基礎(chǔ)施工風(fēng)險(xiǎn)因素之間的復(fù)雜關(guān)系。ANP方法將系統(tǒng)劃分為上下兩層：第一層為控制層，包括該次決策的總目標(biāo)及各項(xiàng)應(yīng)滿足的準(zhǔn)則；第二層為網(wǎng)絡(luò)層，包括受上層控制的各個(gè)元素組及其各組和組內(nèi)的相互關(guān)系組成。針對(duì)深水橋梁基礎(chǔ)工程的風(fēng)險(xiǎn)來(lái)說(shuō)，它的結(jié)構(gòu)控制層為施工安全，網(wǎng)絡(luò)層為較為重要的風(fēng)險(xiǎn)因素，同一類型的風(fēng)險(xiǎn)因素形成因素組。同傳統(tǒng)AHP方法相似，在某準(zhǔn)則下，對(duì)各因素進(jìn)行間接優(yōu)勢(shì)度比較，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理后形成超矩陣W：

(7)

圖3 ANP結(jié)構(gòu)模型圖

1.4 構(gòu)建綜合云模型

1.4.1 確定評(píng)價(jià)云模型

根據(jù)上文中劃分的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，專家結(jié)合工程實(shí)際對(duì)每項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)進(jìn)行判斷并給出所屬定性概念區(qū)間內(nèi)的分值，實(shí)現(xiàn)了從定性概念到定量的轉(zhuǎn)化，n位專家可得到n組評(píng)語(yǔ)，將評(píng)分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理后運(yùn)用BCG對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算，建立評(píng)價(jià)云模型CU(ExU,EnU,HeU) 。

1.4.2 生成綜合云

綜合云是由評(píng)價(jià)云和風(fēng)險(xiǎn)因素權(quán)重結(jié)合模糊算子生成的云模型，其數(shù)字特征計(jì)算如下：

(8)

(9)

(10)

按照文獻(xiàn)[14]的方法，計(jì)算各標(biāo)準(zhǔn)云與綜合云的相似度，運(yùn)用Matlab軟件統(tǒng)計(jì)綜合云云粒代入每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)云隸屬度后的差異性。具體步驟為：以綜合云模型數(shù)字特征為基礎(chǔ)，生成正態(tài)隨機(jī)數(shù)，并代入到每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)云模型的隸屬度函數(shù)μ(x)中，將代入的所有云粒的隸屬度進(jìn)行求和平均即可得到兩云的相似度。

1.5 模型的實(shí)現(xiàn)步驟

針對(duì)深水橋梁基礎(chǔ)施工安全問(wèn)題，將網(wǎng)絡(luò)分析法(ANP)與云模型相結(jié)合，建立風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法，流程圖如圖4所示。

圖4 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估流程圖

2 實(shí)例分析

2.1 工程概況

以湖北省某斜拉橋基礎(chǔ)工程為例，對(duì)其進(jìn)行施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。該橋全長(zhǎng)6 451.01 m，跨越漢江，江水面寬300～400 m，水流較急，岸坡有一定沖刷破壞。經(jīng)調(diào)查勘測(cè)，地下水位隨季節(jié)、降水量變化而變化，施工時(shí)地下水埋深1.0～2.0 m。該橋主墩采用鋼板樁圍堰輔助施工,圍堰平面尺寸為28.02 m×31.62 m,深度24 m，主墩承臺(tái)高6 m，屬低樁承臺(tái)，承臺(tái)底部距離河底約6.7 m。兩個(gè)輔助墩承臺(tái)為低樁承臺(tái)，分別位于淺水區(qū)和岸邊，采用筑島平臺(tái)打設(shè)鋼板樁圍堰施工。深水基礎(chǔ)施工期間易受復(fù)雜的外部環(huán)境影響，且深水基礎(chǔ)施工的難度較高。鑒于此，對(duì)該橋基礎(chǔ)施工安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)，并根據(jù)結(jié)果對(duì)其進(jìn)行針對(duì)性施工管理，保障基礎(chǔ)施工的安全。

2.2 風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)權(quán)重確定

根據(jù)ANP方法原理，組織專家以施工安全為總目標(biāo)，分別以風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生可能性和嚴(yán)重性為準(zhǔn)則，對(duì)風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行間接優(yōu)勢(shì)度比較，具體步驟如下：先分別以風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的可能性為主準(zhǔn)則，以網(wǎng)絡(luò)層控制因素為次準(zhǔn)則，對(duì)兩因素重要性進(jìn)行比較，經(jīng)過(guò)一致性檢驗(yàn)和歸一化后的子矩陣填入超矩陣中相應(yīng)的位置，直到所有因素兩兩比較完成，即超矩陣中填滿有效數(shù)據(jù)，用同樣的方法計(jì)算風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生嚴(yán)重性準(zhǔn)則下的超矩陣。此時(shí)的超矩陣未考慮每一個(gè)填入的矩陣塊之間的相互關(guān)系，為使整個(gè)超矩陣不同列的元素能夠有可比性，將每個(gè)子矩陣乘以包含準(zhǔn)則和層次相對(duì)權(quán)重的加權(quán)矩陣，最終得到加權(quán)超矩陣。利用Super Decisions軟件進(jìn)行超矩陣的求解，最終風(fēng)險(xiǎn)排序結(jié)果如表2所示。

表2 指標(biāo)權(quán)重表

2.3 評(píng)價(jià)云及綜合云模型

邀請(qǐng)了10位包含設(shè)計(jì)、施工管理以及科研等方面對(duì)該工程較為熟悉的專家，結(jié)合該工程實(shí)際情況和評(píng)分等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)價(jià)。收集到10組專家評(píng)分?jǐn)?shù)據(jù)共180個(gè)，采用逆向云發(fā)生器計(jì)算，結(jié)果如表3、4所示。

表3 評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)表

表4 評(píng)價(jià)云數(shù)字特征表

以一級(jí)層指標(biāo)組織管理風(fēng)險(xiǎn)D為例，在確定二級(jí)網(wǎng)絡(luò)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)權(quán)重和評(píng)價(jià)云D1～D4后，根據(jù)式(8)～(10)生成該層綜合云模型為D(0.419,0.173,0.023),同理可計(jì)算出其余各一級(jí)指標(biāo)層的綜合云模型為，A(0.620,0.233,0.022)，B(0.492,0.248,0.029)，C(0.535,0.205,0.030)。同樣根據(jù)各一級(jí)風(fēng)險(xiǎn)數(shù)據(jù)通過(guò)式(8)～(10)求出深水橋梁基礎(chǔ)施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)綜合云參數(shù)，S(0.523,0.218,0.026)。

2.4 施工安全風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)確定

用Matlab軟件將組織管理風(fēng)險(xiǎn)D評(píng)價(jià)云模型和綜合云模型同標(biāo)準(zhǔn)云模型云圖一起繪制如圖5、6所示。評(píng)價(jià)云和綜合云模型的熵和超熵值較小，云熵群未出現(xiàn)霧化且表現(xiàn)出很好的凝聚性，表明該次評(píng)價(jià)結(jié)果較為準(zhǔn)確可信。從圖5、6可知：該斜拉橋基礎(chǔ)施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)等級(jí)為“Ⅱ”級(jí)和“Ⅲ”級(jí)之間。對(duì)綜合云模型所得結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)云進(jìn)行相似度對(duì)比，計(jì)算結(jié)果如表5所示。

圖5 組織管理風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)云圖

圖6 評(píng)價(jià)綜合云圖

表5 相似度計(jì)算結(jié)果

由表5可得：綜合風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)與Ⅲ級(jí)(高)的相似度最大，為0.766 9，與圖6結(jié)果吻合，因此，該跨江斜拉橋基礎(chǔ)施工安全風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為“高風(fēng)險(xiǎn)”。建議結(jié)合施工作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)特點(diǎn)和類似項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)對(duì)風(fēng)險(xiǎn)源進(jìn)行調(diào)查，針對(duì)重大風(fēng)險(xiǎn)源進(jìn)行量化評(píng)估，做到從源頭出發(fā)，對(duì)風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行有效控制。從表5中可知：自然風(fēng)險(xiǎn)A風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)更接近“高風(fēng)險(xiǎn)”，因此在風(fēng)險(xiǎn)管理工作中要重點(diǎn)留意施工時(shí)周圍環(huán)境變化，加強(qiáng)對(duì)地質(zhì)、水位等的監(jiān)測(cè)，及時(shí)制定應(yīng)對(duì)風(fēng)險(xiǎn)的措施。

采用傳統(tǒng)的模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，根據(jù)該文專家數(shù)據(jù)選取隸屬度函數(shù)，采用加權(quán)平均算子，計(jì)算得模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果為B=(0.116 0.267 0.461 0.156)，根據(jù)最大隸屬度原則判斷出風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)同樣為Ⅲ級(jí)，評(píng)價(jià)結(jié)果與該文模型所得結(jié)果相同。通過(guò)對(duì)比可得，該文方法結(jié)合經(jīng)驗(yàn)制定風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)并給出對(duì)應(yīng)分值區(qū)間，運(yùn)用云發(fā)生器直接將評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為云模型，實(shí)現(xiàn)概念與數(shù)據(jù)的相互轉(zhuǎn)換，并且將模糊性與隨機(jī)性集中到云模型中，對(duì)比傳統(tǒng)模糊綜合評(píng)價(jià)法省去了隸屬函數(shù)，求解結(jié)果更準(zhǔn)確。同時(shí)，模糊了風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分邊界的隸屬度，避免等級(jí)劃分時(shí)的主觀因素影響，使改進(jìn)后的云模型更加適應(yīng)該類決策。

3 結(jié)論

(1) 針對(duì)深水橋梁基礎(chǔ)施工風(fēng)險(xiǎn)因素繁多且相互交叉的問(wèn)題，運(yùn)用ANP方法對(duì)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)權(quán)重進(jìn)行求解，考慮了風(fēng)險(xiǎn)因素之間的相關(guān)性和交叉性，所求權(quán)重更加接近風(fēng)險(xiǎn)的真實(shí)比重。

(2) 通過(guò)實(shí)例分析可看出，該綜合評(píng)價(jià)方法不僅可確定風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)等級(jí)，還能通過(guò)綜合云數(shù)字特征得到評(píng)價(jià)結(jié)果的可靠性和穩(wěn)定性，評(píng)價(jià)內(nèi)容也更豐富。