應(yīng)用熵權(quán)-未確知測(cè)度的地鐵施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

周盛世，于婭萱，李 碩

（青島理工大學(xué) 管理工程學(xué)院，山東 青島 266520）

近年來，地鐵憑借其運(yùn)行速度快、污染能耗低、性價(jià)比高等特點(diǎn)，在國(guó)內(nèi)的交通運(yùn)行方式中迅速崛起。但城市地鐵建設(shè)是一項(xiàng)復(fù)雜的高風(fēng)險(xiǎn)工程，再加上地鐵建設(shè)中工作空間較小，施工中極易引發(fā)安全事故。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，每年的地鐵工程建設(shè)中都會(huì)發(fā)生多起施工事故，造成人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，給地鐵項(xiàng)目帶來極大的風(fēng)險(xiǎn)，阻礙地鐵建設(shè)的進(jìn)程。因此，對(duì)于地鐵施工工程，具有針對(duì)性、適用性和可操作性的安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法顯得尤為迫切[1]。

隨著地鐵安全問題備受關(guān)注，我國(guó)相繼出臺(tái)了一系列有關(guān)地鐵安全方面的文件，如《城市軌道交通工程建設(shè)安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化管理技術(shù)指南（2020版）》等文件。針對(duì)地鐵施工風(fēng)險(xiǎn)的問題，相關(guān)學(xué)者也進(jìn)行了有關(guān)方面的研究，并取得了一系列成果。Einstein[2]給出了隧道分析的特點(diǎn)，提出了隧道施工的安全評(píng)價(jià)特點(diǎn)及基本準(zhǔn)則。黃騫等[3]從人工與自動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別、評(píng)估方法與成果等方面分別對(duì)地鐵施工風(fēng)險(xiǎn)的識(shí)別與評(píng)價(jià)現(xiàn)狀進(jìn)行分析，明確了地鐵風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估存在的問題，并給出了總結(jié)，有助于地鐵風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估朝更好的方向發(fā)展。吳賢國(guó)等[4]運(yùn)用粗糙集理論和貝葉斯網(wǎng)絡(luò)對(duì)地鐵盾構(gòu)施工誘發(fā)鄰近橋梁安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了評(píng)估，借用粗糙集的屬性約簡(jiǎn)功能刪除冗余屬性，減少數(shù)據(jù)分析的壓力，但是采用粗糙集理論確定指標(biāo)權(quán)重需要大量的調(diào)查數(shù)據(jù)。魏丹[5]利用故障樹和層次分析法對(duì)地鐵施工中隧道豎井基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，為地鐵施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)提供一定的量化依據(jù)，相比較傳統(tǒng)的層次分析法，二者結(jié)合在一定程度上減輕了人的主觀因素的影響，評(píng)價(jià)結(jié)果更客觀。張飛燕等[6]基于 CIM-AHP（controlled interval and memory-analytic hierarchy process）與組合賦權(quán)，評(píng)定了地鐵風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)并給出一定的建議，然而使用CIM（controlled interval and memory）模型時(shí)需要極為嚴(yán)格的條件，并且不能單獨(dú)使用，需要與其他方法結(jié)合。

由于復(fù)雜的施工環(huán)境，地鐵施工過程存在諸多潛在安全風(fēng)險(xiǎn)，且這些風(fēng)險(xiǎn)因素具有明顯的不確定性，以上研究雖然從多角度建立地鐵風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)體系，對(duì)地鐵施工風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析，但不能有效地處理多因素的不確定信息。針對(duì)該問題，引入未確知測(cè)度理論，對(duì)施工中多因素的不確定性進(jìn)行科學(xué)的分析，對(duì)施工安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)。目前未確知測(cè)度理論已在多個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用并取得良好效果[7-9]，但在地鐵施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)中運(yùn)用未確知測(cè)度理論為數(shù)不多，如梁紅[10]運(yùn)用組合賦權(quán)法和未確知測(cè)度評(píng)價(jià)模型對(duì)地鐵施工安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)，驗(yàn)證了未確知數(shù)學(xué)的正確性和合理性，同時(shí)也為不確定性問題提出了新的解決方法，取得了較好的效果。本文在此基礎(chǔ)上，基于未確知測(cè)度理論，結(jié)合熵權(quán)法構(gòu)建評(píng)估模型，對(duì)熵權(quán)與未確知測(cè)度作進(jìn)一步應(yīng)用，對(duì)地鐵施工中的安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行定量評(píng)估，并應(yīng)用于青島地鐵1號(hào)線南段工程，分析結(jié)果與實(shí)際工程施工情況基本相符，具有一定的實(shí)踐價(jià)值。

1 地鐵施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)體系的構(gòu)建

指標(biāo)體系的構(gòu)建是進(jìn)行地鐵施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的根本，其構(gòu)建的完整性、科學(xué)性和合理性直接影響評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性。依據(jù)地鐵施工事故的統(tǒng)計(jì)分析可以看出[11]，地鐵施工事故種類中坍塌、物體打擊和高處墜落位列前三，所占比例分別為38.25%、15.14%、13.55%，而這些事故發(fā)生的部分原因是因?yàn)槭┕と藛T沒有嚴(yán)格按照施工操作的要求，從而造成人員傷亡。因此，評(píng)價(jià)地鐵施工風(fēng)險(xiǎn)必須高度重視人的因素這一影響。同時(shí)，隨著信息全球化的發(fā)展，信息在促進(jìn)國(guó)家發(fā)展方面不斷發(fā)揮著自己不可磨滅的作用，信息系統(tǒng)被用于工程管理更是大勢(shì)所趨。對(duì)于在安全方面擁有極高要求的軌道交通，對(duì)信息系統(tǒng)加以運(yùn)用的必要性有目共睹；事實(shí)證明，以信息系統(tǒng)為依托，完成安全管理工作，能夠?qū)踩鹿拾l(fā)生的概率降到最低。因此，在信息如此發(fā)達(dá)的時(shí)代，只有在地鐵施工過程中充分利用信息并及時(shí)給予回應(yīng)，才能減少安全事故的發(fā)生。本文結(jié)合相關(guān)參考文獻(xiàn)，在《地鐵工程施工的安全評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》的基礎(chǔ)上，遵循科學(xué)性、完整性和合理性的原則，從實(shí)際工程出發(fā)，并考慮人和信息的因素，基于“人員、設(shè)備、環(huán)境、技術(shù)、管理、信息”六方面構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，具體如表1所示。

表1 地鐵施工安全風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)價(jià)體系

2 地鐵施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型的建立

2.1 熵權(quán)法確定指標(biāo)權(quán)重

熵權(quán)法根據(jù)數(shù)據(jù)本身計(jì)算權(quán)重，是一種客觀賦權(quán)方法[19]，可以在一定程度上避免人為因素對(duì)計(jì)算結(jié)果的干擾，具有較強(qiáng)的客觀性，熵權(quán)結(jié)果較合理。

設(shè) ω=(ω1,ω2,…，ωm）為對(duì)應(yīng)指標(biāo)的權(quán)重，要求 ωj滿足。

對(duì)第i個(gè)評(píng)定對(duì)象，存在m個(gè)評(píng)定指標(biāo)和s個(gè)評(píng)定等級(jí)，則第j個(gè)評(píng)定指標(biāo)的熵Hj為

第j個(gè)評(píng)估指標(biāo)的偏差度dj=1-Hj，第j個(gè)評(píng)定指標(biāo)的熵權(quán)ωj為

2.2 未確知測(cè)度理論

未確知信息及其處理由我國(guó)學(xué)者王光遠(yuǎn)于1990年提出，未確知測(cè)度主要處理多因素的不確定信息。

設(shè)評(píng)定對(duì)象為X={X1，X2，…，Xn}每個(gè)評(píng)定對(duì)象有 m個(gè)評(píng)定指標(biāo)，評(píng)定指標(biāo)集為V={V1，V2，…，Vm}。若用xij表示第i個(gè)評(píng)定對(duì)象Xi關(guān)于第j個(gè)評(píng)定指標(biāo)Vj的測(cè)量值，則有m維向量Xi=（xi1，xi2，…，xim）。設(shè)評(píng)定等級(jí)空間為C={C1，C2，…，CS}，則第k個(gè)評(píng)定等級(jí)Ck為xij的等級(jí)值；若第k級(jí)高于第k+1 級(jí)，則記為 Ck＞Ck+1。若滿足 C1＞C2＞…＞CS或 C1＜C2＜…＜CS，則稱 C={C1，C2，…，CS}是評(píng)定空間的一個(gè)有序分割類。

2.2.1 單指標(biāo)未確知測(cè)度

若μijk=μ（xij∈Ck）表示測(cè)量值xij屬于第k個(gè)評(píng)定等級(jí)Ck的程度，且滿足：

則稱式（3）體現(xiàn)的是 “非負(fù)有界性”，式（4）體現(xiàn)的是“歸一性”，式（5）體現(xiàn)的是“可加性”。滿足以上條件的μ稱為未確知測(cè)度，簡(jiǎn)稱測(cè)度。

由單指標(biāo)測(cè)度函數(shù) μ（xij∈Ck）（i=1,2，…，n;j=1,2，…，m;k=1,2，…，s），求出評(píng)定對(duì)象 Xi的各個(gè)指標(biāo)測(cè)度值 μijk，則稱（μijk）m×s為單指標(biāo)測(cè)度評(píng)定矩陣，即

2.2.2 多指標(biāo)未確知測(cè)度

若 μik=μ（Xi∈Ck）表示評(píng)定對(duì)象 Xi對(duì)第 k 級(jí)評(píng)價(jià)等級(jí)的隸屬程度，且 μik滿足，則得到 μi=（μi1，μi1，…，μis）為 Xi的多指標(biāo)綜合測(cè)度評(píng)價(jià)向量。

2.2.3 置信度識(shí)別準(zhǔn)則

引入置信度識(shí)別準(zhǔn)則的目的是得到最終評(píng)估結(jié)果。設(shè)λ為置信度（λ≥0.5，通常取λ=0.6或λ=0.7），若 C1＞C2＞…＞CS，且令

則認(rèn)為評(píng)估對(duì)象的風(fēng)險(xiǎn)性等級(jí)為Cs0。

2.2.4 評(píng)估對(duì)象排序

設(shè) C1＞C2＞…＞CS，令 Ck的賦值為 Zk，則

其中 OXi為評(píng)定對(duì)象的未確知重要度，O=（OX1，OX2，…，OXn）即為未確知重要度向量，依據(jù) OXi的大小對(duì)評(píng)定對(duì)象的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)進(jìn)行排序。

3 實(shí)例分析

3.1 實(shí)例簡(jiǎn)介

將上述評(píng)價(jià)模型應(yīng)用到青島地鐵1號(hào)線南段。青島地鐵1號(hào)線南段南起黃島區(qū)王家港站，北至李滄區(qū)青島北站，線路全長(zhǎng)38.6 km，設(shè)26座車站，全部為地下車站，采用6B編組列車。

3.2 構(gòu)建地鐵施工安全風(fēng)險(xiǎn)的單指標(biāo)測(cè)度評(píng)價(jià)矩陣

（1）通過查閱關(guān)于風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分和評(píng)估風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的相關(guān)文獻(xiàn)和文件，將地鐵建設(shè)項(xiàng)目施工階段的安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)等級(jí)分為四級(jí)，即Ⅰ級(jí)、Ⅱ級(jí)、Ⅲ級(jí)、Ⅳ級(jí)。根據(jù)相關(guān)評(píng)定指標(biāo)量化的一般原則，將定性指標(biāo)轉(zhuǎn)化為半定量指標(biāo)，規(guī)定各級(jí)指標(biāo)層的指標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)取值范圍為[9，10]，[7，9)，[6，7)，[0，6)，各個(gè)等級(jí)評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)如表2所示。

表2 地鐵施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)等級(jí)評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)表

邀請(qǐng)10位相關(guān)領(lǐng)域的專家根據(jù)地鐵實(shí)際情況對(duì)上述指標(biāo)進(jìn)行賦分，假定10位專家權(quán)重相等，賦分時(shí)采用十分制。運(yùn)用SPSS19.0（statistical product and service solutions,IBM公司）軟件采取去頭、去尾再均分的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)原則對(duì)取得的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，最后獲得各個(gè)評(píng)估指標(biāo)的取值，具體如表3所示。

表3 地鐵施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)取值表

（2）根據(jù)上述單指標(biāo)測(cè)度函數(shù)的定義以及表1評(píng)估指標(biāo)的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)，構(gòu)建直線型的單指標(biāo)測(cè)度函數(shù)，具體如圖1所示。

圖1 直線型單指標(biāo)測(cè)度函數(shù)

根據(jù)表3以及構(gòu)建的單指標(biāo)測(cè)度函數(shù)計(jì)算各指標(biāo)的未確知測(cè)度評(píng)價(jià)矩陣，分別如下：

3.3 計(jì)算地鐵施工安全風(fēng)險(xiǎn)的各評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重

（1）計(jì)算各二級(jí)指標(biāo)的權(quán)重

依據(jù)式（1）和式（2）計(jì)算得出各二級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重，具體結(jié)果分別如下：，

（2）計(jì)算多指標(biāo)綜合權(quán)重

根據(jù)權(quán)重公式計(jì)算多指標(biāo)綜合權(quán)重ω=（0.235,0.054,0.132,0.139,0.154,0.286）。

3.4 計(jì)算地鐵安全風(fēng)險(xiǎn)的多指標(biāo)綜合測(cè)度向量

多指標(biāo)未確知測(cè)度矩陣可由單指標(biāo)未確知測(cè)度矩陣和各指標(biāo)權(quán)重獲得，如式（9）。

依據(jù)多指標(biāo)綜合權(quán)重和多指標(biāo)未確知測(cè)度矩陣得到地鐵施工安全風(fēng)險(xiǎn)的多指標(biāo)綜合測(cè)度向量μ總=（0.183,0.596,0.220,0.001）。

3.5 置信度識(shí)別

取置信度λ=0.6，根據(jù)式（7）進(jìn)行計(jì)算，從小到大，0.183+0.596=0.779＞0.6，即施工安全風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為Ⅱ級(jí)；從大到小，0.001+0.220+0.596=0.817＞0.6，即施工安全風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為Ⅲ級(jí)。綜合兩次結(jié)果，判定該地鐵施工安全風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為Ⅱ級(jí)。同理依次計(jì)算各個(gè)一級(jí)指標(biāo)的安全風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，分別為：人員風(fēng)險(xiǎn)因素為Ⅱ級(jí)，設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)因素為Ⅱ級(jí)，環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)因素為Ⅱ級(jí)，技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)因素為Ⅱ級(jí)，管理風(fēng)險(xiǎn)因素為Ⅰ級(jí)，信息風(fēng)險(xiǎn)因素為Ⅱ級(jí)。

3.6 一級(jí)指標(biāo)安全風(fēng)險(xiǎn)性排序

將 6 個(gè)一級(jí)指標(biāo)作橫向?qū)Ρ?，由?C1＞C2＞C3＞C4，設(shè) Z1=4，Z2=3，Z3=2，Z4=1。 根據(jù)式（8）計(jì)算 6 個(gè)一級(jí)指標(biāo)安全風(fēng)險(xiǎn)性的未確知重要度，其中人員風(fēng)險(xiǎn)的未確知重要度為OXV1=0.032×4+0.877×3+0.091×2+0×1=2.941。

同理計(jì)算其他5個(gè)一級(jí)指標(biāo)的未確知重要度，得到未確知重要度向量O=（OXV1，OXV2，OXV3，OXV4，OXV5，OXV6）=(2.941，2.989，2.691，2.709，3.489，2.934)。

3.7 結(jié)果分析

由結(jié)果可知，青島地鐵1號(hào)線南段的施工安全等級(jí)為Ⅱ級(jí)，即安全風(fēng)險(xiǎn)一般，處于可接受的狀態(tài)，但仍須進(jìn)行監(jiān)控且各一級(jí)指標(biāo)均處于可接受范圍，評(píng)定結(jié)果與實(shí)際情況吻合度較高。采用置信度識(shí)別準(zhǔn)則，從小到大、從大到小進(jìn)行兩次評(píng)定，誤差較小，評(píng)定結(jié)果可靠。

由未確知重要度向量可知，地鐵施工安全風(fēng)險(xiǎn)的排序?yàn)榄h(huán)境的風(fēng)險(xiǎn)＞技術(shù)的風(fēng)險(xiǎn)＞信息的風(fēng)險(xiǎn)＞人的風(fēng)險(xiǎn)＞設(shè)備的風(fēng)險(xiǎn)＞管理的風(fēng)險(xiǎn)，其中環(huán)境的風(fēng)險(xiǎn)性最大，環(huán)境因素中工程地質(zhì)狀況、地下管線狀況、地下水的風(fēng)險(xiǎn)均較高。信息方面的風(fēng)險(xiǎn)性較大，考慮信息在當(dāng)今社會(huì)有著特殊的必要性，在著重關(guān)注環(huán)境因素的同時(shí)，必須時(shí)刻注意信息的變化并作出及時(shí)回應(yīng)。

結(jié)合評(píng)價(jià)結(jié)果，1號(hào)線南段穿越西海岸新區(qū)主城區(qū)以及市南、市北區(qū)，地下管線排布繁多且地質(zhì)復(fù)雜，穿越滄口斷裂、青島山斷裂以及李村斷裂等地段，過海段地下水豐富，巖石種類繁多，易引起沉降等問題，復(fù)雜的地質(zhì)水文等因素給施工造成極大的困難，需給予極高的重視。因此，相關(guān)單位應(yīng)進(jìn)行大量的前期勘察工作，對(duì)不同地段的勘察應(yīng)因地制宜。同時(shí)，施工單位應(yīng)在施工的同時(shí)根據(jù)施工情況與相關(guān)單位不斷對(duì)施工方案進(jìn)行探討、分析與修正，項(xiàng)目成員也應(yīng)該進(jìn)行大量的前期管理和技術(shù)培訓(xùn)，以保證施工安全順利進(jìn)行。

4 結(jié)論

地鐵施工階段存在諸多安全風(fēng)險(xiǎn)因素，根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)管理的相關(guān)理論，在實(shí)際工程的基礎(chǔ)上考慮人的因素；同時(shí)隨著信息技術(shù)的發(fā)展，能否對(duì)信息進(jìn)行合理有效的利用也對(duì)降低地鐵施工中安全事故的發(fā)生率起著不可磨滅的作用。因此，在已有研究的前提下，加入信息這一要素，從“人員、設(shè)備、環(huán)境、技術(shù)、管理和信息”六個(gè)方面入手，建立地鐵施工安全風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。青島是一個(gè)沿海開發(fā)城市，屬于山東半島藍(lán)色經(jīng)濟(jì)區(qū)主要城市之一，信息流通速度快，對(duì)信息的質(zhì)量要求更高，故將信息融入評(píng)價(jià)體系中，使評(píng)價(jià)體系相對(duì)而言更加完善，又符合青島地鐵的地方特色。

基于熵權(quán)-未確知測(cè)度的評(píng)價(jià)方法注重評(píng)價(jià)空間的有序性，考慮了風(fēng)險(xiǎn)因素的不確定性，評(píng)價(jià)結(jié)果更加清晰、準(zhǔn)確，可較合理地判定地鐵施工風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。通過實(shí)例應(yīng)用，驗(yàn)證了該評(píng)價(jià)模型的可行性與實(shí)用性。