基于改進(jìn)FMEA法的深基坑施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

程 敏， 王倩露， 林慧龍， 王洪強(qiáng)

(上海大學(xué) 管理學(xué)院， 上海 200444)

隨著高層建筑和地下工程的發(fā)展，深基坑在工程中應(yīng)用越來(lái)越廣泛。由于深基坑工程施工環(huán)境復(fù)雜、技術(shù)難度大、不可預(yù)見(jiàn)因素多，使得深基坑施工事故常發(fā)，不僅造成工期延誤、人員傷亡，也產(chǎn)生了巨大經(jīng)濟(jì)損失和不良社會(huì)影響。因此，開(kāi)展深基坑施工風(fēng)險(xiǎn)分析和評(píng)估，把握關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，對(duì)保障深基坑工程順利進(jìn)行至關(guān)重要。深基坑施工風(fēng)險(xiǎn)已引起了學(xué)者們的關(guān)注，例如：劉俊偉等[1]采用模糊綜合評(píng)判法建立深基坑施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型；夏元友等[2,3]基于現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)對(duì)深基坑施工風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行動(dòng)態(tài)評(píng)估；杜修力等[4,5]構(gòu)建基于證據(jù)理論的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型；魏道江等[6]建立基于投影尋蹤及信息擴(kuò)散的深基坑施工風(fēng)險(xiǎn)動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)方法。這些研究有助于管理者把握深基坑施工風(fēng)險(xiǎn)程度，但多側(cè)重于深基坑工程的整體水平評(píng)價(jià)，所采用的方法在對(duì)各風(fēng)險(xiǎn)事件的重要性分析方面還存在一定的局限。深基坑施工風(fēng)險(xiǎn)管理有必要識(shí)別出諸多風(fēng)險(xiǎn)因素中的關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)，以便于重點(diǎn)關(guān)注和采取有針對(duì)性的措施進(jìn)行防控，提高工程的安全性。

失效模式和影響分析(Failure Modes and Effect Analysis，F(xiàn)MEA)是一種用于分析潛在失效模式及影響的方法，近年來(lái)也被一些學(xué)者用于風(fēng)險(xiǎn)分析[7～9]。FMEA法將風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的頻度O、嚴(yán)重度S、難檢度D三項(xiàng)相乘得到風(fēng)險(xiǎn)順序數(shù)RPN，根據(jù)RPN大小來(lái)判斷風(fēng)險(xiǎn)因素的重要性。但是，傳統(tǒng)FMEA在實(shí)際運(yùn)用中存在一定局限性。一方面，運(yùn)用FMEA法評(píng)價(jià)風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，需依賴專家的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行數(shù)值化打分。然而，不同專家進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)使用的評(píng)估術(shù)語(yǔ)可能不同，也可能會(huì)用不同刻度標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字和語(yǔ)義描述評(píng)價(jià)結(jié)果，這種多粒度問(wèn)題會(huì)導(dǎo)致評(píng)估信息存在一定的不確定性和不完整性，不利于準(zhǔn)確判斷各風(fēng)險(xiǎn)因素的主次關(guān)系。另一方面，傳統(tǒng)的FMEA法通過(guò)對(duì)O，S，D三個(gè)屬性值簡(jiǎn)單相乘得到RPN，忽略了三者的相對(duì)重要性，并且O，S，D的不同組合可能產(chǎn)生完全相同值的RPN，但它們所代表的風(fēng)險(xiǎn)影響卻可能是完全不同的[10,11]。因此，有必要對(duì)傳統(tǒng)FMEA方法進(jìn)行改進(jìn)。

關(guān)于FMEA法中語(yǔ)言評(píng)價(jià)信息的處理問(wèn)題，主要有兩種改進(jìn)方法：基于擴(kuò)展原理的分析方法和基于符號(hào)轉(zhuǎn)移的方法[12]。基于擴(kuò)展原理的分析方法是先將評(píng)價(jià)語(yǔ)言信息轉(zhuǎn)化為模糊數(shù)，再進(jìn)行模糊數(shù)運(yùn)算和去模糊化，如Liu等[9,13～14]均使用模糊理論來(lái)處理專家的語(yǔ)言評(píng)價(jià)信息?；跀U(kuò)展原理的方法需要決策者確定評(píng)價(jià)語(yǔ)言集的隸屬度函數(shù)，在分析中可能會(huì)產(chǎn)生信息的丟失和扭曲。而基于符號(hào)轉(zhuǎn)移的方法則是直接對(duì)語(yǔ)言評(píng)價(jià)信息進(jìn)行運(yùn)算或處理，往往只能得到近似的結(jié)果，可能與最初的評(píng)價(jià)信息不一致[15]。為了克服這兩類方法的不足，西班牙學(xué)者Herrera等[16]基于符號(hào)轉(zhuǎn)移的概念提出了二元語(yǔ)義表達(dá)模型，先將決策者的評(píng)價(jià)信息轉(zhuǎn)化為二元語(yǔ)義符號(hào)，再進(jìn)一步進(jìn)行處理，從而避免語(yǔ)言評(píng)價(jià)信息集結(jié)和運(yùn)算中的信息失真，提升計(jì)算精度和可靠性。

關(guān)于傳統(tǒng)FMEA法中通過(guò)O，S，D三個(gè)屬性值簡(jiǎn)單相乘確定風(fēng)險(xiǎn)排序這一方式的不足，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了多種方法來(lái)加以改進(jìn)：一類是數(shù)學(xué)規(guī)劃的方法，如數(shù)據(jù)包絡(luò)分析(Data Envelopment Analysis，DEA)[17]，線性規(guī)劃法[18]；另一類是多準(zhǔn)則決策方法，如決策試驗(yàn)與試驗(yàn)評(píng)估法(Decision Making Trial and Evaluation Laboratory，DEMATEL)[9]、逼近理想解排序法(Technique for Order Preference by Similarity to an Ideal Solution，TOPSIS)[19]等。本文則擬采用灰色關(guān)聯(lián)分析進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)排序，該方法計(jì)算簡(jiǎn)便，不需對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，且無(wú)需大量樣本，也無(wú)需數(shù)據(jù)滿足相應(yīng)的分布規(guī)律，具有普遍適用性。它常被用于決策問(wèn)題中，通過(guò)計(jì)算各方案的評(píng)價(jià)向量與理想最優(yōu)方案的評(píng)價(jià)向量間關(guān)聯(lián)度的大小來(lái)確定方案優(yōu)劣排序[20]。

綜上，本文將建立基于二元語(yǔ)義和灰色關(guān)聯(lián)分析的改進(jìn)FMEA法，在運(yùn)用二元語(yǔ)義將專家團(tuán)隊(duì)對(duì)各風(fēng)險(xiǎn)事件做出的語(yǔ)言評(píng)價(jià)信息轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)語(yǔ)言的基礎(chǔ)上，應(yīng)用灰色關(guān)聯(lián)分析法確定各風(fēng)險(xiǎn)的優(yōu)先度排序，從而合理地評(píng)估深基坑施工風(fēng)險(xiǎn)。

1 二元語(yǔ)義及相關(guān)定義

二元語(yǔ)義指通過(guò)一個(gè)二元組(s,α)來(lái)表達(dá)決策者的語(yǔ)言評(píng)價(jià)信息，其中s是預(yù)定義語(yǔ)言術(shù)語(yǔ)集S的一個(gè)語(yǔ)言術(shù)語(yǔ)，α為符號(hào)轉(zhuǎn)移值。一個(gè)二元語(yǔ)義可以表示為(si,αi),si∈S，其中si表示第i個(gè)語(yǔ)言術(shù)語(yǔ)的中心值，αi為評(píng)價(jià)結(jié)果與第i個(gè)語(yǔ)言術(shù)語(yǔ)中心值的偏差。下面定義二元語(yǔ)義及相關(guān)運(yùn)算符號(hào)。

定義1：設(shè)S={s0,s1,...,sg}為一個(gè)語(yǔ)言術(shù)語(yǔ)集，S中的元素?cái)?shù)目g+1稱為語(yǔ)言術(shù)語(yǔ)集的粒度。β∈[0,1]表示語(yǔ)言術(shù)語(yǔ)集通過(guò)集成得到的實(shí)數(shù)。β可由轉(zhuǎn)化函數(shù)Δ轉(zhuǎn)化為二元語(yǔ)義符號(hào)[21]，即：

(1)

(2)

式中：round為四舍五入取整算子。

定義2：設(shè)(si,α)是一個(gè)二元語(yǔ)義，則存在一個(gè)反函數(shù)Δ-1，能將其轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)值，即：

(3)

(4)

一般地，一個(gè)二元語(yǔ)義是由一個(gè)語(yǔ)言術(shù)語(yǔ)增加一個(gè)0值作為符號(hào)轉(zhuǎn)化而來(lái)的，即：

si∈S?(si,0)

(5)

在二元語(yǔ)義的運(yùn)算中，函數(shù)Δ和函數(shù)Δ-1的共同運(yùn)用可以確保二元語(yǔ)義在轉(zhuǎn)化過(guò)程中沒(méi)有信息丟失。對(duì)于任意兩個(gè)二元語(yǔ)義符號(hào)(si,α1)和(sj,α2)，它們的比較有如下規(guī)則：(1)當(dāng)iα2，則(si,α1)>(sj,α2)。

(6)

2 基于二元語(yǔ)義和灰色關(guān)聯(lián)分析的改進(jìn)FMEA方法

(7)

(8)

一般將通過(guò)式(7)得到的二元語(yǔ)義綜合判斷矩陣作為比較序列。

步驟3：確定參考序列，并建立距離矩陣。在FMEA方法中，結(jié)果越小意味風(fēng)險(xiǎn)越小。因此，參考序列中語(yǔ)言術(shù)語(yǔ)所表示的各項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)因素都應(yīng)為最低值，其二元語(yǔ)義形式為(s0,0)，即參考序列為：

r0=(r0j)1×n=[(s0,0),(s0,0),…,(s0,0)]

(9)

步驟4：計(jì)算風(fēng)險(xiǎn)因子的權(quán)重。對(duì)各風(fēng)險(xiǎn)因子的聚合權(quán)重(wj,αwj)進(jìn)行歸一化，即：

(11)

(12)

根據(jù)灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)，并考慮各風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)的權(quán)重，可進(jìn)一步計(jì)算各風(fēng)險(xiǎn)事件的灰色關(guān)聯(lián)度φi：

(13)

步驟6：確定風(fēng)險(xiǎn)事件的排序?；疑P(guān)聯(lián)度φi越小，風(fēng)險(xiǎn)事件的危害就越大。因此，可根據(jù)φi的大小對(duì)影響深基坑施工的風(fēng)險(xiǎn)事件進(jìn)行排序。

3 深基坑施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的應(yīng)用實(shí)例

3.1 項(xiàng)目概況

3.2 深基坑施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

該項(xiàng)目深基坑施工主要包括樁基、支撐、開(kāi)挖、降水4大分項(xiàng)工程，因此本文從這4方面識(shí)別項(xiàng)目深基坑施工風(fēng)險(xiǎn)。依據(jù)JGJ 311-2013《建筑深基坑工程施工安全技術(shù)規(guī)范》等相關(guān)規(guī)范，并結(jié)合項(xiàng)目特點(diǎn)，采用德?tīng)柗品ń⒃擁?xiàng)目深基坑施工風(fēng)險(xiǎn)清單，如表1所示。

3.3 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

本文邀請(qǐng)了5位深基坑施工領(lǐng)域的專家組成FMEA評(píng)估小組，基于上述改進(jìn)FMEA法，對(duì)該項(xiàng)目深基坑施工過(guò)程中的風(fēng)險(xiǎn)事件進(jìn)行評(píng)估。為保證專家評(píng)價(jià)結(jié)果的合理性，本文邀請(qǐng)的5位專家均具有10年以上深基坑工程經(jīng)歷，有豐富的深基坑施工經(jīng)驗(yàn)，熟悉深基坑施工技術(shù)，并且具有高級(jí)職稱；同時(shí)5位專家均具有本科以上學(xué)歷，以保證能夠較好地理解本文采用語(yǔ)言術(shù)語(yǔ)集的形式來(lái)表達(dá)自己判斷的方法。根據(jù)不同專家的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)差異，5名專家在此次評(píng)價(jià)中的相對(duì)權(quán)重分別設(shè)為：0.2，0.25，0.3，0.15，0.1。

(1)定義語(yǔ)言術(shù)語(yǔ)集和語(yǔ)言判斷矩陣。5位專家采用不同的粒度構(gòu)建各風(fēng)險(xiǎn)事件O，S，D的語(yǔ)言術(shù)語(yǔ)集，分別為：

T1={a0=非常低(VL)，a1=低(L)，a2=中等(M)，a3=高(H)，a4=非常高(VH)}；

T2={b0=非常低(VL)，b1=低(L)，b2=略低(ML)，b3=中等(M)，b4=略高(MH)，b5=高(H)，b6=非常高(VH)}；

表1 A項(xiàng)目深基坑施工風(fēng)險(xiǎn)清單

T3={c0=極其低(EL)，c1=非常低(VL)，c2=低(L)，c3=略低(ML)，c4=中等(M)，c5=略高(MH)，c6=高(H)，c7=非常高(VH)，c8=極其高(EH)}；

T4={d0=非常低(VL)，d1=低(L)，d2=中等(M)，d3=略高(MH)，d4=高(H)，d5=非常高(VH)}；

T5={e0=非常低(VL)，e1=低(L)，e2=略低(ML)，e3=中等(M)，e4=略高(MH)，e5=高(H)，e6=非常高(VH)}；

專家對(duì)于O，S，D的相對(duì)重要程度的評(píng)價(jià)則采用如下語(yǔ)言術(shù)語(yǔ)集：

F={f0=非常不重要(VU)，f1=不重要(U)，f2=中等(M)，f3=重要(I)，f4=非常重要(VI)}。

FMEA專家依據(jù)以上語(yǔ)言術(shù)語(yǔ)集對(duì)所有風(fēng)險(xiǎn)事件的各風(fēng)險(xiǎn)因子及其相對(duì)權(quán)重進(jìn)行語(yǔ)言評(píng)價(jià)，并將其轉(zhuǎn)化為二元語(yǔ)義，分別如表2，3所示。

表2 FMEA專家團(tuán)隊(duì)二元語(yǔ)義評(píng)價(jià)矩陣

表3 風(fēng)險(xiǎn)因子二元語(yǔ)義權(quán)重

(2)聚合各專家的評(píng)價(jià)信息，構(gòu)建一個(gè)群的綜合判斷矩陣。采用式(7)聚合專家對(duì)各風(fēng)險(xiǎn)因子的二元語(yǔ)義權(quán)重判斷，結(jié)果如表4所示。

(3)確定參考序列，計(jì)算距離矩陣。在FMEA中，較小的值意味著越少的風(fēng)險(xiǎn)。因此，參考序列被設(shè)定為r0=(rO,rS,rD)=[Δ(0),Δ(0),Δ(0)]。用式(10)計(jì)算比較序列和參照序列間的距離，結(jié)果如表4所示。

表4 群的綜合判斷矩陣和風(fēng)險(xiǎn)因子權(quán)重聚合

(4)采用公式(11)對(duì)表4中風(fēng)險(xiǎn)因子的聚合權(quán)重進(jìn)行歸一化處理，并采用公式(12)計(jì)算各風(fēng)險(xiǎn)事件各風(fēng)險(xiǎn)因子的灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)，結(jié)果如表5所示。

表5 灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)化后的風(fēng)險(xiǎn)因子權(quán)重

(5)采用式(13)計(jì)算各風(fēng)險(xiǎn)事件的灰色關(guān)聯(lián)度，根據(jù)灰色關(guān)聯(lián)度確定各風(fēng)險(xiǎn)事件的重要性排序結(jié)果，如表6所示。從表6的風(fēng)險(xiǎn)排序可以看出，該深基坑施工的關(guān)鍵性風(fēng)險(xiǎn)事件主要是支護(hù)施工時(shí)未按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行R10、支撐變形過(guò)大R9、樁位測(cè)量不準(zhǔn)R3、電焊機(jī)等機(jī)械設(shè)備漏電R8等，這些事件大多屬于支撐施工。施工管理者應(yīng)對(duì)這些關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析并制定相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)防控措施。

表6 風(fēng)險(xiǎn)事件的灰色關(guān)聯(lián)度和風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先度

4 結(jié) 論

本文建立了一種結(jié)合二元語(yǔ)義和灰色關(guān)聯(lián)分析的改進(jìn)FMEA法評(píng)估深基坑施工風(fēng)險(xiǎn)，從而發(fā)現(xiàn)諸多風(fēng)險(xiǎn)事件中的關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)。所提出的改進(jìn)FMEA方法具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)采用二元語(yǔ)義及其集結(jié)算子集結(jié)處理語(yǔ)言評(píng)價(jià)信息，可以有效避免傳統(tǒng)語(yǔ)言信息處理方法中所出現(xiàn)的信息失真問(wèn)題，提高評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

(2)考慮了風(fēng)險(xiǎn)因子的相對(duì)權(quán)重，且風(fēng)險(xiǎn)因子和它們的相對(duì)重要性通過(guò)語(yǔ)言方式來(lái)評(píng)價(jià)，而不是精確的數(shù)值進(jìn)行評(píng)估。這使專家們可以更真實(shí)地表達(dá)自己的判斷，增加了FMEA的適用性。

(3)該方法考慮了專家不同的決策特征，允許不同專家使用不同粒度的語(yǔ)言術(shù)語(yǔ)集來(lái)表達(dá)他們的判斷。

(4)采用灰色關(guān)聯(lián)分析進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)排序，使結(jié)果更為合理，相對(duì)傳統(tǒng)FMEA方法而言，避免了不同風(fēng)險(xiǎn)因子組合產(chǎn)生相同RPN值的問(wèn)題。

運(yùn)用該方法對(duì)深基坑施工風(fēng)險(xiǎn)開(kāi)展分析，有助于管理者識(shí)別各類風(fēng)險(xiǎn)的重要性程度，從而有針對(duì)性地采取相應(yīng)措施，減小風(fēng)險(xiǎn)。該方法直觀、可操作性強(qiáng)，為多屬性決策問(wèn)題提供了新的思路，對(duì)于其他領(lǐng)域的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)也有一定的應(yīng)用價(jià)值。

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