鏈式風險評估方法研究及工程應用*

溫欣嵐，羅占業，樊美娜，肖汝誠，張 兵，莊冬利

(1.中國路橋工程有限責任公司，北京 100011; 2.中交第二公路局工程有限公司，陜西 西安 710065;3.同濟大學 土木工程學院，上海 200092)

0 引言

隨著工程規模的擴大，設計施工方法的復雜性不斷提高、工程造價和施工機械日益昂貴，工程中蘊含的風險也越來越難以把控。因此，對風險科學合理的評估與控制變得愈加重要。國內外對工程項目中獨立風險事件的評估已有深入的研究，在風險評估方法和風險決策工具等方面有了一定的積累，如層次分析法[1]、模糊綜合評判法[2]、風險矩陣法[3]、人工神經網絡法[4]等。這些方法雖從不同角度解決了工程中風險評估的問題[5-6]，但大多沒有考慮各風險事件間的關聯結構和耦合關系。對于復雜的大型工程項目而言，風險事件間往往存在關聯情形。因此，研究考慮風險鏈式關聯關系的風險評估方法具有學術價值和廣泛的應用前景。

曹吉鳴等[7]利用解釋結構模型[8]提出了將風險關聯網絡分割為獨立風險鏈的方法；張磊等[9]針對存在關聯現象的風險評估問題，通過構建綜合關聯矩陣識別風險之間的影響關系；李存斌等[10]闡述了工程項目中風險元傳遞的理論。這些研究雖涉及了風險事件間的關聯關系，但并未提出適于工程應用的、考慮風險關聯的評估流程與方法。

基于此，本文從風險事件的關聯機理出發，將風險事件間的關聯關系提煉為鏈式結構，并進一步給出了工程鏈式風險的評估流程和方法。同時，以內羅畢國家公園特大橋施工期生態、災害、安全風險全過程風險評估為例，闡明了該方法的應用過程，并驗證了其合理性和適用性。

1 風險事件關聯機理

風險事件的發生是某一孕險環境中的風險源與承載體發生相互作用的過程[11-12]。風險源為風險作用的主體，如橋梁安全風險中的起重設備失靈、災害風險中的滑坡災害；承載體為風險作用的受體，如橋梁、人員、環境；孕險環境為風險源與承載體所處的外部環境，如已發生某種風險事件的外部環境、無任何其他風險源的外部環境；相互作用形式用于描述風險源與承載體之間的關系。相同風險源與承載體處于不同環境時， 造成的后果可能完全不同，這就是風險事件間關聯的本質。

很多情況下風險源與承載體間并非一對一的關系，為了便于工程評價，假定不同風險源對承載體的作用存在先后關系。即對于多風險源作用于同一承載體的情況，認為其發生機理為：1個風險源與1個承載體發生1種相互作用后，產生新的風險源，作用于新的承載體，從而導致新的次生、衍生風險事件發生，形成風險鏈。

風險鏈可以由多級風險事件構成，如圖1所示，即由原生風險事件和一級或多級次生、衍生風險事件構成。而對于實際工程風險來說，可能存在網狀或層級的風險關聯關系。此時，可認為該關聯關系由多個簡單鏈式風險結構疊加形成，故也將其稱為復合鏈式風險結構。由此可知，考慮風險間關聯關系的工程風險評估方法的核心，即為針對簡單鏈式結構的鏈式風險評估方法。

圖1 簡單鏈式風險結構Fig.1 Structure of simple chain risk

2 鏈式風險評估方法

鏈式風險評估方法的主要流程為：①采用傳統的頭腦風暴法對各關鍵風險源進行識別；②利用專家調查法獲得各風險因素間的關聯關系和關聯程度、各風險因素的發生概率(獨立、條件風險概率)、風險產生的損失(獨立發生時的損失、特殊條件下發生時的損失)等信息；③通過綜合關聯矩陣法對各風險事件的關聯關系進行辨識，并關聯結構提取為鏈式風險結構(簡單鏈式風險結構或復合鏈式風險結構)；④結合貝葉斯統計及貝葉斯網絡知識[13]，對最終的鏈式風險體系進行評估。本文僅就鏈式風險評估中具有特異性的方法步驟進行介紹。

2.1 風險關聯的評級

圖3 簡單鏈式結構分解Fig.3 Decomposition diagram of simple chain risk

圖2 簡單鏈式結構
Fig.2 Simplified diagram of simple chain risk

進一步可知，風險事件A的發生與否對風險事件B的發生或未發生概率、發生或未發生時的損失值均有影響，故需定義1個相關指標對影響程度的大小進行度量。

(1)

(2)

在上述關聯影響程度指數定義的基礎上，給出關聯影響程度等級判斷標準，如表1所示。

表1 關聯影響程等級判斷標準Table 1 Standard of correlation impact level

由于鏈式風險結構的復雜性，對其風險概率和風險損失分別進行評估的結果并無實際意義，更具價值的評估結果為風險損失的期望值。故在與現行的獨立風險等級標準(風險概率與風險損失均為5級制)保持一致的基礎上，將風險損失期望值EL定義為風險概率等級與風險損失等級的乘積，取值范圍為 [1，25]。根據現階段普遍使用的風險等級表[14]對風險事件的評判準則，對鏈式結構的風險等級評價給出相應的、以EL為評估指標的量化標準，如表2所示。

2.2 關聯關系的識別

根據關聯影響程度指數F的計算結果，依照表1中的等級判斷標準，對各風險事件間的關聯影響程度進行

表2 鏈式風險風險等級Table 2 Standard of chain risk level

分級，并形成群體風險關聯矩陣X=[aij]n×n，其中aij表示風險Ri對風險Rj的關聯影響程度等級值。將群體風險關聯矩陣X轉化為規范化群體風險關聯矩陣Y=[bij]n×n，其中bij的計算如式(3)所示：

(3)

根據矩陣Y構建具有間接關聯性質的風險綜合關聯矩陣D=[dij]n×n，其計算公式為：D=Y(1-Y)-1。

為了抓住實際工程主要風險事件間的關聯關系、忽略次要風險事件間的微弱關聯，并考慮可行性，可根據實際風險偏好和評估要求給出綜合關聯程度的閾值。此閾值既可由評估小組給定，也可請專家小組給出，記為λ。當專家小組的綜合關聯評價小于這個界限時，可忽略不計風險之間的關聯關系。將綜合關聯矩陣D=[dij]n×n轉化為λ-截矩陣Dλ=[αij]n×n，i，j=1，2，…，n，其中：

(4)

對Dλ的處理保證了將各風險間的關聯關系提取為復合鏈式風險結構。得到0-1綜合關聯矩陣E=[eij]m×m，其中：

(5)

綜合關聯矩陣反映了專家小組對于各風險之間關聯程度的評判，并認為風險Ri對自身的影響為1。綜合關聯矩陣中不為0的元素eij表明風險Ri對風險Rj的發生存在鏈式關聯關系。

2.3 關聯模型的建立

將風險關聯網絡結構提取為復合鏈式風險關聯結構：取Li={Rj|eji=1}，表示矩陣E第i列中取值為1的元素所對應的風險集合；取Hi={Rj|eij=1}，表示矩陣E的第i行中取值為1的元素所對應的風險集合。

根據定義，逐一對等式Ri=Li(i=1，2，…，n)進行判別。若等式對于某個i來說成立，進而判別對應的矩陣Hi是否滿足Hi=?，若滿足，認為Ri為獨立風險元素；否則認為Ri為復合鏈式風險結構中的頂層風險元素，且Hi′={Rj|eij=1且j≠i}中的元素即為風險Ri的后緣影響風險事件。隨后將矩陣E中對應的第i行和第i列劃去，形成新的部分的0-1綜合關聯矩陣E′；并對E′重復進行上述操作，繼續尋找新矩陣中的新頂層元素，即次頂層元素。依此步驟循環往復，直至矩陣中所有元素均被劃去，便可按照元素被劃去的順序建立起復合鏈式風險結構。

2.4 鏈式風險的估測

由于對復合鏈式結構中各風險事件發生概率及損失的評估甚為復雜，專家調查結果的主觀性和不確定性較大，難以對實際工程中各分支間存在關聯關系的復合鏈式風險結構進行準確的風險評估，需對復合鏈式風險結構進行簡化。

將復合鏈式結構分解為多條可能的簡單鏈式結構。當分解所得的各條簡單鏈式結構中存在相同的次生或衍生風險事件元素時，在偏安全考慮的情況下，對相關的簡單風險鏈進行風險期望估計，最終選取風險等級最高的結果作為相關簡單風險鏈風險等級的代表結果；對于不存在相同次生或衍生風險事件元素(可存在相同的原生風險事件)的各條簡單鏈式結構，在獨立對各條鏈式結構進行評估后，對其進行疊加以得到復合鏈式結構的等效風險評價結果。

如圖4所示，R為風險事件。圖4(a)的復合鏈式風險結構可分解為圖4(b)的3條簡單風險鏈，只需在第1，2條之間比較選擇出更為重要的風險鏈式關系，第3條風險鏈則始終用于風險評估計算。因此，最終的評價結構為2種：第1條風險鏈-第3條風險鏈復合鏈式結構和第2條風險鏈-第3條風險鏈復合鏈式結構。

圖4 復合鏈式結構分解示例Fig.4 Decomposition of compound chain risk

2.4.1 關鍵風險事件的概率

在進行概率估計時，只考慮產生直接影響的前緣風險事件對概率的影響，不考慮間接影響。例如，對于簡單鏈式風險結構“A→B→C”而言，在對風險事件C進行概率估計時，只考慮風險事件B發生狀態對其概率的影響，而不考慮風險事件A的影響。

同時，為了進一步減小主觀性和偶然性的影響，應盡可能采用更多的專家調查結果。故可對條件概率的計算采用如下處理：在對風險事件A發生情況下風險事件B發生的條件概率進行評價時，直接采用P(B |A)的調查結果均值；在對風險事件A發生情況下風險事件B不發生的條件概率進行計算時，采用P(A |B)的調查結果進行間接計算，即：

(6)

在對風險事件A不發生情況下風險事件B發生的條件概率進行評價時，采用P(B |A)的調查結果均值進行計算：

(7)

對風險事件A不發生情況下風險事件B也不發生的條件概率進行評價時，采用P(A |B)的調查結果均值進行計算：

(8)

綜上，在進行風險鏈概率計算的時候，分別利用了P(B |A)和P(A |B)的調查結果，進一步減小了評估結果的不確定性。

2.4.2 關鍵風險事件的損失

對于關鍵風險事件的損失評估，由于缺乏可靠的歷史測量數據及評價方法，暫時無法對非疊加性風險影響的大小進行評估。故在鏈式風險評估中，忽略不同關聯情況下風險損失的非疊加性影響，認為只要風險發生，其損失值即為某一固定值，且當多個風險事件同時發生時，其風險損失值滿足疊加性影響。

3 內羅畢國家公園大橋施工期鏈式風險評估實例

內羅畢國家公園特大橋具有如下突出特點：橋梁穿越內羅畢國家公園，內羅畢國家公園屬于生態環境敏感區，施工期生態環保要求高；地質情況復雜，地震烈度高；橋梁長度大、墩高。故該工程施工期面臨諸多挑戰，本文以此工程為例，進行施工期生態、災害、安全風險全過程評估，分別采用針對獨立風險的評估方法和本文提出的鏈式風險評估方法，并對結果進行比較驗證。

風險源辨識及風險評估層次模型具體內容如圖5所示。通過風險源辨識，共識別出橋梁安全風險源3大類(包括下部結構施工風險、上部結構施工風險、施工管理控制風險)、災害風險源和生態風險源各1大類。

圖5 風險評估層次模型Fig.5 AHP Hierarchy of the construction

3.1 模糊層次分析法評估結果

采用專家調查法對內羅畢國家公園特大橋風險事故發生概率及事故損失等級進行打分，采用模糊層次分析法[15]分析結合專家調查結果，對風險層次模型(風險事件間相互獨立)進行風險估測，確定橋梁安全、災害風險、生態風險的風險水平，評估結果如表3所示。

表3 獨立風險評估結果Table 3 Assessment results of the independent risk

3.2 鏈式風險結構模型

鏈式風險結構模型以圖5為基礎，認為每1類風險中各風險源之間存在關聯關系。在風險關聯關系識別的過程中，根據實際風險偏好和評估要求，針對不同的風險事件給出綜合關聯程度的閾值λ，見表4。

表4 關聯關系閾值Table 4 Threshold of correlation

利用本文提出的風險關聯結構提取方法，可得到部分工程風險的復合鏈式風險結構，如表5所示。其中，Ri代表風險評估層次模型中每類風險中第i個風險事件，風險源內容詳見圖5，此處為便于描述僅以符號代替。

3.3 鏈式風險方法評估結果

評估得到最終各類風險的風險等級評估結果，如表6所示。其中，各風險大類的風險水平評價，采用其所有風險子類中風險等級的最大值作為代表值。

3.4 鏈式風險方法評估結果

針對本工程而言，獨立風險評估方法和鏈式風險評估方法得出的風險水平估測結果基本相同(各風險大類的綜合風險水平評價結果相同，但各風險子類的風險概率等級和綜合風險等級評價結果存在差異)，說明鏈式風險評估方法具有合理性和可靠性。相較而言：

1)獨立風險評估方法可以對各個風險大類的發生概率風險等級、損失風險等級分別進行評價；而鏈式風險評估方法只可得到各風險的綜合風險水平。

2)獨立風險評估方法無法對各項風險因素的發生結構及相互影響關系進行考慮，但評估步驟相對簡單，操作方便；而鏈式風險評估方法考慮了各風險間的相關關系及鏈式效應，更符合實際情況，但評估步驟較為繁雜。

3)兩者對于各風險大類的綜合風險水平評價結果基本相同，但其中各風險子類的風險等級評價結果存在差異。如僅關心工程幾大總體風險的綜合評價結果，可采用更為簡便的獨立風險評估方法；但若關注工程中某幾個極為重要的子類風險的評估結果，則采用鏈式風險評估方法進行評估可得到更為科學的評估結果。

表5復合鏈式風險結構
Table5Structureofthecompoundchainrisk

4 結論

1)對于工程風險評估而言，可將其相互關聯的風險網絡簡化為由多條獨立風險鏈式結構疊加而成的復合鏈式風險結構。

2)以復合鏈式風險結構為基礎，給出了考慮不同風險間關聯情形的鏈式風險評估方法，并以內羅畢國家公園特大橋為背景進行算例分析。結果表明，該方法所得的評估結果合理可信，對于復雜工程的風險評估而言具有一定的應用價值。

表6 鏈式風險評估結果Table 6 Assessment results of the chain risk

3)鏈式風險評估方法計算量較大，評估步驟較為繁雜，當風險事件數量較大時其可操作性較差；但在工程項目中，當對某幾項風險極為關注時，對其進行小范圍的鏈式風險分析可使評估結果更加真實全面。