基于ANP-TOPSIS的地鐵建設(shè)項(xiàng)目施工風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)①

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

0 引 言

21世紀(jì)是大力發(fā)展軌道交通的時(shí)代，隨著城鎮(zhèn)化腳步的加快和國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，急劇增長的城市人口數(shù)量使得我國的交通問題日益嚴(yán)重。 地鐵因?yàn)楣?jié)省土地資源、噪音小、客流量大等特點(diǎn)迅速發(fā)展起來。地鐵項(xiàng)目的建設(shè)是一項(xiàng)復(fù)雜且風(fēng)險(xiǎn)性非常高的工程， 因其施工環(huán)境復(fù)雜、規(guī)模大、施工工期長等一系列因素導(dǎo)致近年來地鐵施工事故頻發(fā)[1]，安全事故的發(fā)生不僅會導(dǎo)致周圍建筑物產(chǎn)生損毀、人員傷亡等，而且還給施工單位、社會造成經(jīng)濟(jì)上的巨大損失和嚴(yán)重的社會影響。鑒于此，對地鐵施工進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)顯得尤為重要，故引入網(wǎng)絡(luò)層次分析法和逼近理想解法對地鐵施工安全進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)，將兩種方法結(jié)合起來，構(gòu)建地鐵施工風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)新模型。通過定量分析結(jié)果，客觀的描述地鐵施工的安全狀態(tài)，并結(jié)合實(shí)際工程案例對應(yīng)的提出提高地鐵施工安全水平的管理措施，為城市地鐵施工安全風(fēng)險(xiǎn)研究提供參考。

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

構(gòu)建指標(biāo)體系是進(jìn)行地鐵施工風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)的根本工作，其構(gòu)建的科學(xué)性、合理性直接影響著評價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性。從地鐵建設(shè)項(xiàng)目施工的客觀系統(tǒng)入手建立指標(biāo)體系，遵循系統(tǒng)性、獨(dú)立性和客觀性等原則[2]，保證風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)指標(biāo)體系能從不同的方面客觀地反映出該系統(tǒng)的實(shí)際施工情況，可以較大水平上體現(xiàn)出該評價(jià)的意義。因此，參照相關(guān)文獻(xiàn)且根據(jù)實(shí)際工程從施工設(shè)備、技術(shù)、環(huán)境、人員和管理五個方面構(gòu)建評價(jià)體系，具體如表1所示：

表1地鐵施工風(fēng)險(xiǎn)安全評價(jià)指標(biāo)體系

準(zhǔn)則層指標(biāo)層參考文獻(xiàn)施工設(shè)備因素B1安全防護(hù)設(shè)施C1閆文周[6]新型設(shè)備運(yùn)行狀況C2王曉磊[5]施工設(shè)備的適應(yīng)性C3王曉磊[5]施工技術(shù)因素B2渣土外運(yùn)C4趙金先[4]爆破參數(shù)設(shè)計(jì)C5趙金先[4]注漿施工工藝C6王曉磊[5]地質(zhì)探測和預(yù)報(bào)C7張飛燕[7]機(jī)械排水C8張飛燕[7]施工環(huán)境因素B3地下管線C9張飛燕[7]地質(zhì)復(fù)雜C10閆文周[6]自然災(zāi)害C11閆文周[6]圍巖坍塌C12趙金先[4]地面沉降C13張飛燕[7]施工人員因素B4施工人員安全意識C14閆文周[6]操作規(guī)范程度C15趙金先[4]技術(shù)熟練度C16趙金先[4]施工管理因素B5安全管理制度C17陳艷[3]施工組織結(jié)構(gòu)C18陳艷[3]施工現(xiàn)場安全管理C19陳艷[3]

2 ANP-TOPSIS評價(jià)模型的建立

2.1 ANP方法

網(wǎng)絡(luò)層次分析法[8]在層析分析法的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，是一種能夠適應(yīng)內(nèi)部具有復(fù)雜依存關(guān)系的科學(xué)決策方法。網(wǎng)絡(luò)層次分析法充分將不同因素的相互影響關(guān)系與網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相結(jié)合，對系統(tǒng)中的因素進(jìn)行全面細(xì)致分析，是一種定性與定量相結(jié)合的方法。網(wǎng)絡(luò)層次分析法的具體步驟如下：

(1)首先建立超矩陣，指標(biāo)體系控制層中包含了元素B1，…Bn，網(wǎng)絡(luò)層包括元素組C1，…，Cn，其中Ci中有元素ui1，…，uin，i=1，…N。將準(zhǔn)則層中各元素Bs(s=1，…m)作為主準(zhǔn)則，以Cj中元素ujl(l=1，…，nj)為次準(zhǔn)則，把Cj中的元素之間的重要性進(jìn)行相互比較，即構(gòu)成判斷矩陣，并對其歸一化處理；接著構(gòu)造權(quán)重超矩陣，對于網(wǎng)絡(luò)層元素組中的列元素Cj(j=1，2，…，m)中的各元素對行元素Ci(i=1，2，…，n)的影響力大小作優(yōu)勢度對比和排序，同時(shí)進(jìn)行相應(yīng)的歸一化，求出相應(yīng)的特征向量，組成了加權(quán)矩陣W，以無權(quán)重超矩陣Xij乘以加權(quán)矩陣W，即可得到權(quán)重超矩陣Xk。

Xk=WXij(k=1,2,…,n)

(1)

(2)最后求解極限超矩陣Xs。

Xs=limk→Xk

(2)

式中：Xs為極限超矩陣。

此時(shí)得到的XS是網(wǎng)絡(luò)層中的各元素在準(zhǔn)則層下對其影響度的對應(yīng)權(quán)重。

2.2 TOPSIS方法

TOPSIS方法是在系統(tǒng)工程中對有限方案進(jìn)行多目標(biāo)決策分析的一種常用方法[9]，它是根據(jù)眾多個評價(jià)對象與理想化目標(biāo)的貼近度進(jìn)行排列的方法，是對現(xiàn)在已有對象進(jìn)行相對優(yōu)劣的多屬性評價(jià)。其中有兩個理想化的目標(biāo)，一個是肯定的理想目標(biāo)或者被稱為最優(yōu)目標(biāo)，另一個是否定的理想目標(biāo)或者是最劣目標(biāo)，該方法認(rèn)為與肯定的理想目標(biāo)最近的距離，且與否認(rèn)的理想目標(biāo)最遠(yuǎn)距離的目標(biāo)即是最好的對象。TOPSIS方法是一種理想目標(biāo)相似性的順序選優(yōu)模型，在多目標(biāo)決策分析中是一種非常有效的方法。可以用于效益評價(jià)、社會和管理等各個領(lǐng)域，該方法對樣本數(shù)據(jù)無特殊要求，使用過程靈活簡便，所以它的應(yīng)用范圍日益廣泛。

TOPSIS 通過檢測評價(jià)對象與正理想解與負(fù)理想解的距離來進(jìn)行排序，評價(jià)對象最靠近正理想解同時(shí)又遠(yuǎn)離負(fù)理想解為最好，反之則為最差。具體步驟如下：

1)構(gòu)造初始判斷矩陣。設(shè)待評價(jià)項(xiàng)目為m個，評價(jià)指標(biāo)為n個。因此建立初始判斷矩陣Z為：

Z=(fij)m×n

(3)

式中：fij表示第i個項(xiàng)目的第j個評價(jià)指標(biāo)；i=(1,2，…，n)，j=(1,2，…，m)

(4)

式中，fij由判斷矩陣給出。

3)構(gòu)造加權(quán)標(biāo)準(zhǔn)化矩陣,以上述利用 ANP求得的各指標(biāo)的權(quán)重總排序乘以決策矩陣Z′可以得加權(quán)標(biāo)準(zhǔn)化矩陣Z*:

Z*=?Z'

(5)

式中：?為各指標(biāo)權(quán)重總排序。

4)確定正理想解和負(fù)理想解。

(6)

(7)

那么用歐幾里得范數(shù)作為距離的測度，可以得到歐式距離公式為：

(8)

(9)

(10)

2.3 ANP-TOPSIS模型評判

基于計(jì)算求得的貼近度可以構(gòu)造出判斷矩陣，同時(shí)與各指標(biāo)層的權(quán)重分配相結(jié)合，可以取得樣本綜合評價(jià)向量，根據(jù)評價(jià)向量結(jié)果進(jìn)行等級劃分，與參照值進(jìn)行比較，得出評價(jià)對象的等級，如下所示：

F=wE

(11)

式中：F為綜合評判結(jié)果向量；w為ANP法計(jì)算得出的準(zhǔn)則層權(quán)重；E為貼近度判斷矩陣。

3 案例分析

3.1 工程概況

青島地鐵一號線是山東省青島市規(guī)劃運(yùn)營的一條跨海地鐵路線，路線起于峨眉山路段，止于東郭莊站，該地鐵路線的總體趨勢呈現(xiàn)南北走向，全長為60.11km，全部為地下線路，設(shè)置的車站數(shù)量為41座，全部為地下車站， 采用6節(jié)編組B型列車。筆者大體是以地鐵一號線相干工程開展分析研究。

3.2 指標(biāo)權(quán)重的確定

考慮到指標(biāo)的科學(xué)性和合理性，特意邀請風(fēng)險(xiǎn)分析專家對地鐵施工風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行打分，分值采取1-9標(biāo)度法；因?yàn)樵嫉臄?shù)據(jù)量較多，并且ANP方法的計(jì)算步驟比較復(fù)雜，所以對原始的數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理，并運(yùn)用Super Decisions(SD)進(jìn)行數(shù)據(jù)的計(jì)算。首先將表中的5個準(zhǔn)則和19個指標(biāo)輸入到軟件中，建立起組與組，節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)之間的聯(lián)系，并形成相應(yīng)的指標(biāo)權(quán)重模型。然后將專家得分的結(jié)果輸入到SD軟件中，形成了不同評價(jià)準(zhǔn)則下互相比較之間的判斷矩陣，它們在經(jīng)過一致性檢驗(yàn)后，得出相應(yīng)的各指標(biāo)權(quán)重。利用軟件求出各指標(biāo)的權(quán)重，并同時(shí)對權(quán)重進(jìn)行總排序，地鐵施工安全風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)體系三級指標(biāo)總排序見表2。

表2地鐵施工安全因素歸一化權(quán)重排序

安全風(fēng)險(xiǎn)因素權(quán)重安全防護(hù)設(shè)施C10.0094新型設(shè)備運(yùn)行狀況C20.0196施工設(shè)備的適應(yīng)性C30.0229渣土外運(yùn)C40.0542爆破參數(shù)設(shè)計(jì)C50.0962注漿施工工藝C60.1025地質(zhì)探測與預(yù)報(bào)C70.0221機(jī)械排水C80.0527地下管線C90.0924地質(zhì)復(fù)雜C100.1037自然災(zāi)害C110.0371圍巖坍塌C120.0203地面沉降C130.0301施工人員安全意識C140.0318操作規(guī)范程度C150.0710技術(shù)熟練度C160.0628安全管理制度C170.0235施工組織結(jié)構(gòu)C180.1014施工現(xiàn)場安全管理C190.0463

3.3 ANP-TOPSIS評價(jià)

通過大量閱讀搜集的文獻(xiàn)得知，許多學(xué)者將工程項(xiàng)目的施工安全根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)的影響程度數(shù)值分為五個級別，I級，II級，III級，IV級和V級。它們分別表示的風(fēng)險(xiǎn)水平為稍有風(fēng)險(xiǎn)，一般風(fēng)險(xiǎn)，顯著風(fēng)險(xiǎn)，高度風(fēng)險(xiǎn)，極其危險(xiǎn)。特邀請8位專家根據(jù)地鐵實(shí)際施工情況對各指標(biāo)進(jìn)行打分，經(jīng)過加權(quán)計(jì)算得到的分值即參照值。關(guān)于地鐵一號線某標(biāo)段的施工安全狀態(tài)等級評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)見表3，其安全狀態(tài)等級的臨界值是根據(jù)《地鐵工程施工安全評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》確定的。

表3地鐵施工安全等級評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

通過表4構(gòu)建初始判斷矩陣P，其中P的每一行是三級指標(biāo)C1，C2，C3。前4列是專家根據(jù)地鐵實(shí)際施工情況進(jìn)行打分所得的分值，第5列則是參照值，則有：

根據(jù)上述公式(4)和(5)的處理，可以得到該指標(biāo)的正負(fù)理想解：

V1+=(0.0400，0.0319，0.0375)T

V1-=(0.0290，0.0266，0.0358)T

按照公式(8)、(9)和(10)的計(jì)算可以得到與正理想解的貼近度，E11=0.5800，E12=0.6203，E13=0.4887，E14=0.5521，E15=0.5240。同理可得技術(shù)、環(huán)境、人員和管理因素的貼近度分別是：E21=0.5394，E22=0.7364，E23=0.5075，E24=0.2078，E25=0.4549；E31=0.4527，E32=0.0.5687，E33=0.3672，E34=0.4613，E35=0.4371；E41=0.6096，E42=0.4213，E43=0.4567，E44=0.5249，E45=0.5168；E51=0.2978，E52=0.7812，E53=0.5943，E54=0.3562，E55=0.6149。

可以將上面計(jì)算得到的貼近度構(gòu)造成貼近度矩陣E，根據(jù)ANP法計(jì)算得到的準(zhǔn)則層權(quán)重矩陣為w=(0.0519，0.3277，0.3299，0.1656，0.1249)，根據(jù)上述公式(11)可知：

F=wE=[0.4943，0.6285，0.4627，0.3803，0.5019]

其中

由上述結(jié)果可知，地鐵施工各個不同安全級別的量化標(biāo)準(zhǔn)，見表4。其中，可以從表中獲知參照標(biāo)準(zhǔn)為0.5019，地鐵一號線相干工程的施工安全等級介于I級與II級之間，為一般風(fēng)險(xiǎn)。由于具體工程的施工管理得當(dāng)，且此次風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)中選擇了合理的評價(jià)指標(biāo)，評價(jià)結(jié)果表明該地鐵施工風(fēng)險(xiǎn)的等級在可接受范圍內(nèi)，與地鐵實(shí)際施工現(xiàn)狀相符。

表4 安全等級標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)結(jié)果得知，施工設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)因素的量化值為0.5240，技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)因素的量化值為0.4549，環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)因素的量化值為0.4371，人員風(fēng)險(xiǎn)因素的量化值為0.5168，管理風(fēng)險(xiǎn)因素的量化值為0.6149。其中環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)因素的量化值最低，應(yīng)從地下管線的排布，地質(zhì)情況以及周邊環(huán)境等方面出發(fā)，建筑施工單位應(yīng)在規(guī)劃設(shè)計(jì)階段要選擇合理施工位置，仔細(xì)勘察地下管線的分布情況，對地質(zhì)脆弱和復(fù)雜地段及時(shí)采用非常措施，對周邊建筑物進(jìn)行巡查或檢測并做好記錄工作，確保施工安全。

4 結(jié) 語

通過以青島地鐵一號線為例，利用ANP-TOPSIS模型對地鐵施工風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評估，得出以下幾方面的結(jié)論：

(1)首先根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)管理的相關(guān)理論，在對相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行研究和專家調(diào)查的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了地鐵施工安全風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)指標(biāo)體系，然后運(yùn)用ANP-TOPSIS方法進(jìn)行評價(jià)，通過實(shí)際案例對評價(jià)結(jié)果進(jìn)行演示以及說明模型的合理性、實(shí)用性和易操作性。

(2)使用的ANP-TOPSIS組合賦權(quán)法是在使用傳統(tǒng)的ANP方法得到相應(yīng)的專家判斷矩陣并進(jìn)行一致性檢驗(yàn)的基礎(chǔ)上算出權(quán)重，同時(shí)將得到的權(quán)重用于優(yōu)劣解距離法中，使得TOPSIS評價(jià)模型得出的計(jì)算結(jié)果更嚴(yán)謹(jǐn)，更能進(jìn)行準(zhǔn)確全面的分析；同時(shí)ANP方法與TOPSIS模型的結(jié)合在一定程度上彌補(bǔ)了計(jì)算結(jié)果單一性的缺點(diǎn)，提高了評價(jià)結(jié)果的科學(xué)性。

(3)結(jié)合青島地鐵一號線得出該工程的施工安全等級為II級，為一般風(fēng)險(xiǎn)，與地鐵實(shí)際施工情況相符合，表明了該評價(jià)模型的合理性。同時(shí)評價(jià)結(jié)果指出了影響地鐵施工安全的主要風(fēng)險(xiǎn)因素，據(jù)此提出提高地鐵施工安全的相應(yīng)措施，為城市地鐵施工風(fēng)險(xiǎn)提供一定的借鑒和參考。