城市軌道交通項(xiàng)目安全風(fēng)險(xiǎn)二維云模型評(píng)價(jià)

劉敬嚴(yán)， 趙莉琴， 田 靜

(1. 防災(zāi)科技學(xué)院， 河北 三河 065201； 2. 石家莊鐵道大學(xué)， 河北 石家莊 050043； 3. 中國(guó)地震局建筑物破壞機(jī)理與防御重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 河北 三河 065201)

0 引言

隨著城市規(guī)模和復(fù)雜度的不斷擴(kuò)大，城市軌道交通項(xiàng)目施工難度增大，安全風(fēng)險(xiǎn)和事故也隨之增多。安全事故造成人員傷亡與經(jīng)濟(jì)損失，也可能導(dǎo)致交通中斷，導(dǎo)致市政管線損壞引發(fā)停水、停電、停燃?xì)馍踔帘?。城市軌道交通?xiàng)目安全風(fēng)險(xiǎn)防控至關(guān)重要。

安全風(fēng)險(xiǎn)是發(fā)生安全事故的可能性和造成各種損失的后果[1]。安全風(fēng)險(xiǎn)具有客觀性和普遍性，雖然具有不確定性和隨機(jī)性，但因其具有因果性，遵循風(fēng)險(xiǎn)因素-風(fēng)險(xiǎn)事件-風(fēng)險(xiǎn)損失規(guī)律，具有可預(yù)測(cè)性。根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對(duì)項(xiàng)目安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行識(shí)別、評(píng)價(jià)，有助于提出對(duì)策措施，降低安全事故發(fā)生的概率、控制事故造成的后果[2]。如何提高安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的準(zhǔn)確性，是城市軌道交通項(xiàng)目安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的重要目標(biāo)。

風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法主要用的是層次分析法AHP[3-4]、模糊數(shù)學(xué)[5]以及兩者組合的AHP模糊綜合評(píng)判法[6-8]。由于項(xiàng)目單件性、不確定性和復(fù)雜性，在進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估時(shí)，通常需要借助專家的經(jīng)驗(yàn)，給出難以直接量化的模糊性語(yǔ)言描述。城市軌道交通項(xiàng)目安全風(fēng)險(xiǎn)除要考慮模糊性外，還要考慮隨機(jī)性。李德毅等[9]將概率論與傳統(tǒng)的模糊數(shù)學(xué)理論相結(jié)合提出云模型(Cloud model)，可以度量指標(biāo)的模糊性與隨機(jī)性。云模型是一種可以實(shí)現(xiàn)定性與定量之間的不確定性轉(zhuǎn)換模型，自提出以來(lái)，已成功應(yīng)用到數(shù)據(jù)挖掘、決策分析、評(píng)價(jià)分析、智能控制等眾多領(lǐng)域，在城市發(fā)展[10]、建筑施工[11]、生態(tài)環(huán)境[12]、技術(shù)創(chuàng)新[13]等評(píng)價(jià)領(lǐng)域已有所應(yīng)用。

城市軌道交通項(xiàng)目安全風(fēng)險(xiǎn)因素眾多，并且具有模糊性、隨機(jī)性的特點(diǎn)，難以準(zhǔn)確地量化。本文采用云模型進(jìn)行城市軌道交通項(xiàng)目安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估以解決安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估過(guò)程中的隨機(jī)性和模糊性。考慮到風(fēng)險(xiǎn)是風(fēng)險(xiǎn)可能性和風(fēng)險(xiǎn)后果的組合，基于風(fēng)險(xiǎn)矩陣建立二維云模型評(píng)價(jià)城市軌道交通項(xiàng)目安全風(fēng)險(xiǎn)。

1 二維云模型

云模型是定性概念與其定量表示的不確定性轉(zhuǎn)換模型，模糊概念可被表述為收斂于正態(tài)分布函數(shù)的“云”。假設(shè)C是定量論域U上的定性概念，若數(shù)值X∈U，且X是C在U的一次隨機(jī)實(shí)現(xiàn)，X對(duì)C的隸屬度(確定度)μC(x)∈[0，1]是隨機(jī)數(shù)，則X稱為云滴(X，μC(x))，X在論域U上的分布稱為云。

云模型的表示是基于云數(shù)字特征(Ex，En，He)，其中，期望Ex(ExpectedValue)是中心值或標(biāo)準(zhǔn)值； 熵En(Entropy)是范圍，即模糊性； 超熵He(HyperEntropy)是熵的熵，反映熵的不確定性，即隨機(jī)性和離散性。超熵He是云滴的凝聚程度，即云的厚度。超熵越大，云的離散程度越大，隸屬度的隨機(jī)性也隨之增大。

表 1 城市軌道交通項(xiàng)目安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)Tab.1 Safety risk assessment indexes of urban rail transit project

二維云模型是兩個(gè)一維云模型的合成，可以描述兩個(gè)因素共同作用下的隨機(jī)性和模糊性問(wèn)題。通過(guò)確定兩個(gè)因素的云數(shù)字特征(Ex，En，He)，即期望(Ex1，Ex2)、熵(En1，En2)、超熵(He1，He2)生成二維云圖來(lái)表示。設(shè)F為滿足二維正態(tài)分布的隨機(jī)函數(shù)，滿足式(1)條件的云滴(x1，x2，μi)構(gòu)成的云模型為二維正態(tài)云模型。

(1)

從風(fēng)險(xiǎn)的本質(zhì)來(lái)看，安全風(fēng)險(xiǎn)大小取決于風(fēng)險(xiǎn)事件變?yōu)槭鹿实目赡苄砸约皫?lái)?yè)p失的嚴(yán)重程度這兩個(gè)要素的組合。開展風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，應(yīng)該兼顧風(fēng)險(xiǎn)事件可能性與嚴(yán)重程度這兩方面。由兩組云模型數(shù)字特征共同組成的二維云模型，能夠同時(shí)表達(dá)兩個(gè)因素共同產(chǎn)生的模糊性與隨機(jī)性，正契合風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)本質(zhì)。因此，本文從風(fēng)險(xiǎn)事件發(fā)生可能性和嚴(yán)重程度兩個(gè)維度建立安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估二維云模型。

2 城市軌道交通項(xiàng)目安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型

2.1 構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

安全事故的風(fēng)險(xiǎn)源是多方面的，包括管理不足、工人違章作業(yè)、降雨因素、安全意識(shí)匱乏和地下管線，以及設(shè)備不達(dá)標(biāo)、施工質(zhì)量不合格、勘查不足、設(shè)計(jì)不合理、使用無(wú)資質(zhì)人員、監(jiān)理不到位，地質(zhì)原因、水文地質(zhì)和地下管線等。安全風(fēng)險(xiǎn)是對(duì)人、機(jī)、物、環(huán)境、管理等因素安全可能性及其后果的一種認(rèn)識(shí)，依據(jù)《城市軌道交通地下工程建設(shè)風(fēng)險(xiǎn)管理規(guī)范》[14]并借鑒已有研究成果[1， 15]，結(jié)合城市軌道交通項(xiàng)目的特點(diǎn)以及4M1E理論，建立包含人(Man)、材料(Material)、機(jī)械(Machine)、方法(Method)和環(huán)境(Environment)等5個(gè)方面的城市軌道交通項(xiàng)目安全風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)體系。

2.2 確定評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重

(1)數(shù)據(jù)排序處理

邀請(qǐng)n位專家對(duì)指標(biāo)進(jìn)行打分，得到(a1，a2，…，an-1，an)。從0開始按從大到小的順序重新排序，得到(b0，b1，b2，…，bn-2，bn-1)，其中，b0≥b1≥b2≥…bj…≥bn-2≥bn-1。

(2)組合數(shù)確定賦權(quán)向量

(2)

(3)指標(biāo)絕對(duì)權(quán)重

通過(guò)對(duì)賦權(quán)向量kj+1對(duì)數(shù)據(jù)bj加權(quán)計(jì)算，得到指標(biāo)絕對(duì)權(quán)重。

(3)

式中，m表示指標(biāo)因素的個(gè)數(shù)。

(4)指標(biāo)相對(duì)權(quán)重

(4)

2.3 確定評(píng)價(jià)風(fēng)險(xiǎn)云

根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)矩陣R=f(P，L)，(R表示風(fēng)險(xiǎn)值；P表示風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生概率；L表示風(fēng)險(xiǎn)造成的損失)，風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)取決于風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)生概率和風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)生后果。風(fēng)險(xiǎn)云用這兩個(gè)因素來(lái)表示，用逆向云發(fā)生器求云的數(shù)字特征，具體算法如下：

計(jì)算均值

(5)

計(jì)算方差

(6)

云數(shù)字特征為

(7)

將風(fēng)險(xiǎn)云以概率風(fēng)險(xiǎn)云和后果風(fēng)險(xiǎn)云兩個(gè)維度表示。用逆向云發(fā)生器求出概率風(fēng)險(xiǎn)云和后果風(fēng)險(xiǎn)云的云數(shù)字特征(Ex1，En1，He1)和(Ex2，En2，He2)。

評(píng)價(jià)從指標(biāo)體系的第n層開始，運(yùn)用云模型得到第n層指標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)云數(shù)字特征后，向上傳遞給第n-1層指標(biāo)，逐層計(jì)算，直至獲得目標(biāo)層的評(píng)價(jià)結(jié)果。

綜合風(fēng)險(xiǎn)云(Ex′，En′，He′)由一級(jí)風(fēng)險(xiǎn)云和其權(quán)重計(jì)算得出，一級(jí)風(fēng)險(xiǎn)云又由二級(jí)風(fēng)險(xiǎn)云和其權(quán)重計(jì)算得出。

(8)

2.4 確定評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)云

依據(jù)《城市軌道交通地下工程建設(shè)風(fēng)險(xiǎn)管理規(guī)范》[14]，風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的可能性P分五級(jí)，分別是頻繁的、可能的、偶爾的、罕見的和不可能的。風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的損失等級(jí)L分五級(jí)，分別為災(zāi)難性的、非常嚴(yán)重的、嚴(yán)重的、需考慮的和可忽略的。

指標(biāo)評(píng)語(yǔ)限定雙邊約束[ZminZmax]，用下面的公式求出標(biāo)準(zhǔn)云模型的數(shù)字特征：

(9)

式中，C為常數(shù)，具體數(shù)值調(diào)整根據(jù)評(píng)語(yǔ)本身的模糊程度進(jìn)行。

2.5 生成評(píng)價(jià)云圖

利用正向云生成器生成評(píng)價(jià)云滴，算法如下：

(10)

式中，En′1i=NORM(En1，He1)；En′2i=NORM(En2，He2)

生成云滴(xi，yi，μi)重復(fù)步驟，直到產(chǎn)生所需數(shù)目的云滴。對(duì)比綜合風(fēng)險(xiǎn)云與標(biāo)準(zhǔn)云，觀察評(píng)價(jià)對(duì)象所處的整體風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。

2.6 判定接近度

從生成的云圖上直觀判斷綜合風(fēng)險(xiǎn)云與標(biāo)準(zhǔn)云的接近度可能存在視覺誤差。引入接近度來(lái)進(jìn)行判定：

(11)

3 實(shí)例分析

以某城市軌道交通項(xiàng)目2號(hào)線為例，該項(xiàng)目施工法涵蓋了明挖法、大放坡開挖法、暗挖法、盾構(gòu)法。工程實(shí)施過(guò)程復(fù)雜，影響因素眾多，需要對(duì)安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估預(yù)測(cè)。

邀請(qǐng)6位專家評(píng)議得到指標(biāo)重要性矩陣及PL值風(fēng)險(xiǎn)矩陣。依據(jù)重要性矩陣用C-OWA 算子式(2)(3)(4)確定指標(biāo)權(quán)重，利用云逆向發(fā)生器式(5)(6)(7)來(lái)求出二級(jí)指標(biāo)的概率風(fēng)險(xiǎn)云和后果風(fēng)險(xiǎn)云，再用式(8)向上匯總求出一級(jí)指標(biāo)的概率風(fēng)險(xiǎn)云和后果風(fēng)險(xiǎn)云。二級(jí)概率風(fēng)險(xiǎn)云和后果風(fēng)險(xiǎn)云見表 2，一級(jí)概率風(fēng)險(xiǎn)云和后果風(fēng)險(xiǎn)云見表 3。

表 2 二級(jí)概率風(fēng)險(xiǎn)云和后果風(fēng)險(xiǎn)云Tab.2 The probabilistic risk cloud and consequence risk cloud of secondary indicators

表 3 一級(jí)概率風(fēng)險(xiǎn)云和后果風(fēng)險(xiǎn)云Tab.3 The probabilistic risk cloud and consequence risk cloud of first indicators

依據(jù)式(8)求出綜合風(fēng)險(xiǎn)云，用式(9)求出標(biāo)準(zhǔn)云。綜合風(fēng)險(xiǎn)云概率值(4.8921，0.3789，0.1213)，后果值(5.1075，0.3498，0.0988)。利用正向云生成器式(10)生成評(píng)價(jià)云滴和綜合云圖(圖 1)。

圖 1 城市軌道交通項(xiàng)目安全綜合風(fēng)險(xiǎn)云圖Fig.1 Comprehensive risk cloud diagram of urban rail transit project safety

由圖 1綜合云圖和式(11)的計(jì)算可知，綜合風(fēng)險(xiǎn)處于Ⅱ級(jí)和Ⅲ級(jí)之間，更傾向于Ⅲ級(jí)，應(yīng)時(shí)刻監(jiān)控項(xiàng)目的各風(fēng)險(xiǎn)因素所處狀態(tài)及水平的變化，對(duì)于權(quán)重較大的風(fēng)險(xiǎn)予以重點(diǎn)關(guān)注。

一級(jí)風(fēng)險(xiǎn)云數(shù)字特征利用正向云生成器式(10)生成評(píng)價(jià)云滴和云圖，如圖 2所示。A1、A2、A3、A4和A5圍在Ⅲ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)云周圍。材料因素風(fēng)險(xiǎn)性較小，機(jī)械設(shè)備因素和環(huán)境因素風(fēng)險(xiǎn)較大。本項(xiàng)目的大放坡開挖法、暗挖法、盾構(gòu)法等工作量大，大型施工機(jī)械多且復(fù)雜，機(jī)械設(shè)備因素應(yīng)著重注意。工程實(shí)施過(guò)程還涉及前期拆遷、管線改移、施工便道、改路改渠等工作，工程綜合性強(qiáng)，需多專業(yè)、多工種協(xié)同作業(yè)，對(duì)工程綜合組織能力要求高。人員風(fēng)險(xiǎn)和管理方法風(fēng)險(xiǎn)也需要注意?？刂浦饔^因素風(fēng)險(xiǎn)要比控制客觀因素造成的風(fēng)險(xiǎn)容易。在項(xiàng)目進(jìn)行中，要加強(qiáng)人員培訓(xùn)，增強(qiáng)安全意識(shí)，掌握設(shè)備運(yùn)行狀況和規(guī)律，充分調(diào)動(dòng)人員的積極性，發(fā)揮人員的主觀能動(dòng)性，完善制度并保障制度順利執(zhí)行，及時(shí)控制風(fēng)險(xiǎn)情況，減少風(fēng)險(xiǎn)事件。

圖 2 城市軌道交通項(xiàng)目安全一級(jí)指標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)云圖Fig.2 First indicater risk cloud diagram of urban rail transit project safety

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié)論

考慮到風(fēng)險(xiǎn)的模糊性和難量化性，本文建立了C-OWA算子二維云模型，對(duì)城市軌道交通項(xiàng)目安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。

(1)考察城市軌道交通項(xiàng)目安全風(fēng)險(xiǎn)事故，結(jié)合4M1E構(gòu)建了城市軌道交通項(xiàng)目安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)體系，共計(jì)5個(gè)一級(jí)指標(biāo)和16個(gè)二級(jí)指標(biāo)。

(2)采用基于組合數(shù)的有序加權(quán)算子C-OWA確定指標(biāo)權(quán)重，弱化極值影響，避免主觀性，最大程度保證客觀性。

(3)將風(fēng)險(xiǎn)細(xì)化為風(fēng)險(xiǎn)可能性和風(fēng)險(xiǎn)后果兩個(gè)方面，建立二維云模型進(jìn)行計(jì)算，云發(fā)生器求出概率風(fēng)險(xiǎn)云和后果風(fēng)險(xiǎn)云的云數(shù)字特征，生成云滴及風(fēng)險(xiǎn)云圖，并與標(biāo)準(zhǔn)云圖進(jìn)行對(duì)比。

(4)引入接近度來(lái)判定風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，評(píng)價(jià)結(jié)果與工程實(shí)際相符合，驗(yàn)證該方法有效性。

(5)將二維云模型應(yīng)用于城市軌道交通項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，既是對(duì)云模型應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)展，也是對(duì)城市軌道交通項(xiàng)目安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法的探討?？蔀橥惼渌?xiàng)目安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)提供參考。

(6)后續(xù)研究可擴(kuò)大專家和項(xiàng)目調(diào)查數(shù)量，進(jìn)一步完善城市軌道交通項(xiàng)目安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。另外，考慮安全風(fēng)險(xiǎn)的動(dòng)態(tài)變化，采用信息技術(shù)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)持續(xù)預(yù)警。

4.2 討論

(1)與模糊綜合評(píng)價(jià)法相比，在對(duì)風(fēng)險(xiǎn)定性概念與定量之間的轉(zhuǎn)換過(guò)程中，云模型充分考慮指標(biāo)的模糊性與隨機(jī)性，使評(píng)價(jià)更加合理。評(píng)價(jià)結(jié)果通過(guò)云發(fā)生器生成風(fēng)險(xiǎn)云圖，進(jìn)行輸出，可視化程度較高。

(2)與一維云模型相比，用二維云模型對(duì)安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)，可以兼顧風(fēng)險(xiǎn)可能性和風(fēng)險(xiǎn)后果，從發(fā)生可能性和后果嚴(yán)重程度2個(gè)角度對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)的隨機(jī)性和模糊性進(jìn)行綜合處理。三維云圖比一維云模型的二維云圖更直觀，可視化性更強(qiáng)。

(3)二維云模型為安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)提供了可靠的定量化轉(zhuǎn)換工具。將抽象的風(fēng)險(xiǎn)定性概念轉(zhuǎn)換為具體的定量數(shù)值，可以展現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)矩陣的風(fēng)險(xiǎn)可能性和風(fēng)險(xiǎn)后果兩個(gè)維度，對(duì)安全風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)的隨機(jī)性和模糊性具有很好的處理效果，普適性較強(qiáng)。