基于WBS-RBS和AHP的港珠澳大橋人工島建設(shè)風險分析

李宗坤，王 特，葛 巍，宋子元

(鄭州大學 水利科學與工程學院，河南 鄭州 450001)

0 引言

人工島建設(shè)相比于內(nèi)陸工程建設(shè)，具有施工環(huán)境復雜、不確定因素多及技術(shù)難度高等特點?？紤]到此類工程規(guī)模龐大、安全指標要求高且管理困難，必須對工程進行系統(tǒng)的風險分析，識別出各工作階段的風險因素，并作出綜合性評價。

國內(nèi)對于人工島建設(shè)風險的研究取得了較多的成果。宋君妍等[1]通過對人工島開發(fā)建設(shè)過程的風險分析與對策研究，提出了有效的風險預防及控制措施。馮民學等[2]對洋口港區(qū)人工島進行了雷擊風險計算和風險區(qū)等級劃分。王彥林等[3]對港珠澳大橋東、西人工島施工圖設(shè)計進行了風險評估，詳細討論了安全風險的防范建議。以上大多注重于整體工程的綜合評價，對于各分項工程風險識別方法的思考并不明確。WBS-RBS是一種廣泛應(yīng)用于風險分析的方法，已在較多實際工程的風險評價中得到了應(yīng)用。陳國華等[4]運用WBS-RBS方法對跨海橋梁施工作業(yè)和風險層次進行了分解，確定出了對應(yīng)工程的風險等級和主要影響因素。賈俊峰等[5]通過構(gòu)建WBS-RBS結(jié)構(gòu)提高了土建工程施工風險評估的準確性。 筆者結(jié)合港珠澳大橋人工島工程實例，運用WBS-RBS風險辨識方法和AHP方法計算并分析工程建設(shè)過程中的風險因素及權(quán)重，并按照風險度理論及風險標準對各階段風險水平進行綜合評價，詳細分析了各分項工程中的風險因素，規(guī)避了其他方法分析不全面的弊端，使該工程的風險識別更加清晰和直觀，從而提高風險評價結(jié)果的可靠性。

1 工程概況

港珠澳大橋東西人工島是連接東西橋梁和海底隧道的重要結(jié)合點，更是集辦公、監(jiān)控、隧道救援養(yǎng)護等多功能為一體的綜合項目，為港珠澳大橋工程全線路段的重點配套項目。東、西人工島均采用橢圓形布設(shè)，東人工島島長625 m，寬225 m，總面積為10.316萬m2；西人工島島長625 m，寬185 m，總面積為9.796萬m2。

由于人工島施工范圍內(nèi)有800萬噸海床淤泥，施工團隊采用了“鋼筒圍島”方案：在陸地上預先制造120個直徑22.5 m、高度55 m、重量達550 t的巨型圓形鋼筒，通過船只將其直接固定在海床上，然后在鋼筒合圍的中間區(qū)域進行填土造島，其施工工法和八錘聯(lián)動液壓振動錘為世界首創(chuàng)[6]。人工島分別通過島橋結(jié)合部和島隧結(jié)合部實現(xiàn)與橋、隧的連接。

2 風險識別

港珠澳大橋人工島建設(shè)地處外海，技術(shù)新、經(jīng)驗少，不確定因素較多，容易引起風險的因素也很多，同一風險因素在不同的建設(shè)階段中也會不同?；诟黠L險因素的時效性和動態(tài)特性，對工程分別進行項目結(jié)構(gòu)分解和風險分解，并構(gòu)造WBS-RBS矩陣對人工島建設(shè)過程中可能存在的風險進行識別。

項目分解(WBS)[7-8]是從全局出發(fā)，將一個整體項目分解成若干個相互獨立、易于描述的作業(yè)單元，可以深入了解和牢牢把握項目實施的具體細節(jié)。項目分解的方法比較靈活，可以從實施過程、空間位置、功能或要素等方面入手進行分解?？紤]到港珠澳大橋人工島建設(shè)項目的特點，按實施過程進行WBS分解，如圖1所示。

圖1 港珠澳大橋人工島建設(shè)WBS分解結(jié)果Figure 1 Result of WBS decomposition of Hong Kong-Zhuhai-Macao Bridge

風險分解(RBS)[7-8]是將工程實施過程中可能遇到的風險逐層分解，從而得到不同層次的子風險。在參照相關(guān)工程的基礎(chǔ)上，充分考慮各方面致險因素，并結(jié)合生態(tài)文明建設(shè)思想，將風險分解為自然環(huán)境風險、海洋工程風險、島內(nèi)施工風險、環(huán)境污染風險和其他風險共5大類，并逐層進一步分解，如圖2所示。

圖2 港珠澳大橋人工島建設(shè)RBS分解結(jié)果Figure 2 Result of RBS decomposition of Hong Kong-Zhuhai-Macao Bridge

為充分考慮港珠澳大橋人工島建設(shè)工作的實際需要，并使分解結(jié)果便于計算，可建立WBS-RBS風險識別矩陣，對各級子工作中所存在的風險因素進行有效識別和清晰反饋，進而全方位、多角度地反映該建設(shè)過程中的風險狀況。

基于以上理論，構(gòu)造WBS-RBS風險識別矩陣A。矩陣A的列分別對應(yīng)各2級子工作，行分別對應(yīng)各2級子風險。對于確實存在的風險因素，矩陣對應(yīng)元素設(shè)為1。對于比較模糊、可能存在的風險項，也認定其存在，然后根據(jù)后期的專家打分確定其權(quán)重和重要性。而對于子工作中幾乎不可能發(fā)生的或?qū)φ麄€工程影響甚小的風險項，則可進行忽略，即將對應(yīng)元素設(shè)為0。

A=

3 風險計算

3.1 層次分析法

層次分析法(AHP)[9]適用于定性問題的定量分析，可以將復雜問題逐層分解為更加系統(tǒng)、直觀的遞階層次結(jié)構(gòu)。結(jié)合WBS-RBS判斷矩陣，采用層次分析法，確定各分項元素相對于目標的重要程度。具體實施過程如下：

(1)構(gòu)建各風險元素相對于準則層的判斷矩陣：

B=(bij)n×n，

(1)

式中:bij表示對于上一層對象而言，風險因素Ri相對于Rj的重要程度。

bij取值可根據(jù)美國運籌學家T.L.Saaty提出的1～9標度法則來確定[7]。bij具體取值及意義見表1。若i=j，則bij=1；反之，bij=1/bji。

表1 bij取值及意義Table 1 Value and significance of bij

(2)根據(jù)判斷矩陣B，確定各準則下風險因素的相對權(quán)重。首先求出判斷矩陣B的最大特征值λmax，再求出最大特征值對應(yīng)的特征向量U=(u1，u2，…,un)，并對該特征向量進行歸一化處理得到向量V，V=(v1，v2，…vn)。歸一化處理后向量中的值即為其對應(yīng)元素的相對權(quán)重[10]。向量V的計算如式(2)所示：

(2)

(3)利用一致性指標CR對矩陣進行一致性檢驗。當CR小于0.1時，認為判斷矩陣的一致性滿足要求[11]。

(3)

(4)

式中:CI為相容性指標；λmax為判斷矩陣的最大特征值；n為判斷矩陣的階數(shù)；RI為隨機性指標，可參照美國運籌學家T.L.Saaty給定的矩陣階數(shù)與隨機性指標參考值[12]，見表2。

表2 隨機性指標RI取值Table 2 Value of the mean random consistency index RI

3.2 風險度理論

風險度[11]是一種定量化地描述風險概率以及損失程度的分析方法。此方法認為風險度D可以根據(jù)該風險發(fā)生的可能性程度L和所造成的損失程度C來確定，其計算公式為:

D=L×C，

(5)

式中:L、C的取值為1～5，其具體取值所對應(yīng)的含義見表3；D的取值可反映風險的等級,這里采用5級風險標準來劃分風險等級[13]，具體取值及描述見表4。

表3 L和C取值及含義Table 3 Value and description of L and C

表4 風險等級D取值及語言描述Table 4 Value of risk rank D and description

鑒于專家打分法是構(gòu)建風險判斷矩陣及風險度計算的重要環(huán)節(jié)和依據(jù)，在具體評估時應(yīng)選擇具有豐富的外海造島理論知識和工作經(jīng)驗的專家進行打分，以實際調(diào)研資料和現(xiàn)有成果為依托，充分論證各風險因素對工程目標的影響程度。

3.3 港珠澳大橋人工島建設(shè)風險度計算

港珠澳大橋人工島建設(shè)各層因素權(quán)重和風險度計算具體步驟如下：

(1)以矩陣A的風險識別結(jié)果為依據(jù)，運用專家打分法對各2級子工作中的風險因素進行兩兩比較，構(gòu)建判斷矩陣，并進行一致性檢驗，進而確定出各風險因素相對于2級子工作的權(quán)重。

(2)根據(jù)表3中L、C的取值及相應(yīng)含義，咨詢專家并查閱相關(guān)資料，對各參數(shù)進行賦值，進而計算各2級子風險相對于各2級子工作的風險度。

(3)由各2級子風險的權(quán)重及對應(yīng)的風險度進行加權(quán)運算，得出各2級子工作的風險度，公式如下：

(6)

式中:Dij表示對應(yīng)工作的風險度；λijl表示各風險因素在所屬工作下的相對權(quán)重；Dijl表示各風險因素在所屬工作下的風險度；n為各子工作中所包含的風險因素個數(shù)。

(4)根據(jù)步驟(3)中各2級子工作的權(quán)重及風險度，再次進行加權(quán)運算，求出各1級子工作的風險度，以此類推，最終求出該工程的總風險度。

限于文章篇幅，僅以“鋼圓筒振沉”(W12)這個2級子工作為例，來說明此方法的應(yīng)用。由矩陣A可知，W12中所具有的風險因素有R11、R21、R22、R23、R33、R42、R44，對此7項風險因素進行整理并打分，構(gòu)建判斷矩陣。計算該判斷矩陣的最大特征值和對應(yīng)的特征向量，由式(3)和(4)計算出一致性指標為0.051，說明該矩陣一致性滿足要求。對該判斷矩陣最大特征值所對應(yīng)的特征向量進行歸一化處理，得各2級子風險相對于2級子工作Wij的權(quán)重分別為0.050、0.044、0.204、0.434、0.166、0.069、0.030。采用專家打分法并由式(5)計算出各子風險的風險度分別為8、9、3、4、12、6、8，則2級子工作W12的風險度為5.635。以此類推，可求出所有2級子工作的權(quán)重，見表5。

表5 各級工作風險度及權(quán)重計算結(jié)果Table 5 Calculation result of risk degree and weight in each work

4 風險評價

由表5可以看出，在岸壁構(gòu)造工作中，基槽開挖W11的風險度最高；陸域填充工作中，沙料回填W22的風險度最高；配套設(shè)施建設(shè)工作中，島隧結(jié)合部建設(shè)W34的風險度最高。

根據(jù)表5中各2級子工作的權(quán)重及風險度，通過加權(quán)運算，可計算出各1級子工作的風險度，再結(jié)合各1級子工作所占權(quán)重，最終得出港珠澳大橋人工島建設(shè)項目的總體風險度D=7.236。由評價結(jié)果和表5可知，該項目總體風險水平為3級中等風險，屬可接受風險，總體上處于可控狀態(tài)。其中，2級子工作沙料回填W22和島隧結(jié)合部建設(shè)W34的風險水平為4級較高風險，需要給予重點關(guān)注。

5 結(jié)束語

港珠澳大橋人工島建設(shè)工程系統(tǒng)龐大、技術(shù)難度高。通過構(gòu)造WBS-RBS矩陣，將該工程進行項目結(jié)構(gòu)分解和風險分解，并對項目建設(shè)過程中各風險因素進行識別和重要性比較，運用AHP方法對各風險因素進行定量計算，確定其權(quán)重和各級子工作的風險度，進而計算出該工程總體風險度和風險等級。評價結(jié)果和工程調(diào)研結(jié)果基本一致，可為其他同類工程的風險識別、定量分析和風險防范措施的制定提供借鑒。

此外，工程建設(shè)過程中各風險因素的相對重要性是隨工程的推進不斷變化的，可在風險分析中引入時間因素，使風險評價結(jié)果更加科學可靠。