基于CUOWGA算子賦權的建筑施工安全灰色聚類評價

陳 茸，韓寶安，韓寶華，甘旭升

(1.四川交通職業技術學院建筑工程系,四川 成都 611130;2.四川交通職業技術學院信息工程系,四川 成都 611130；3.空軍工程大學空管領航學院,陜西 西安 710051)

建筑施工技術復雜、過程繁瑣、流動性大，且多在高處和露天作業，屬于高危行業，因此定期對建筑施工進行安全評價已成為建筑施工安全管理的重要內容，其不僅能為建筑施工安全管理提供技術支撐，而且可排查施工過程中的安全隱患，提高施工安全水平，具有重要的現實意義。

國內外學者采用不同方法研究了建筑施工安全評價問題。在國外，Carter等[1]采用層次分析法找出了影響建筑施工安全的潛在威脅是塔吊，并給出了相應的管理策略；Sanad等[2]采用啟發式方法結合優化技術評價了建筑施工現場的安全狀況;Seo等[3]通過引入風險概念分析了影響建筑施工安全的各類因素，并在施工管理中取得了較好的效果。在國內，寧貴康[4]根據建筑施工安全管理的特點，結合信息熵和未確知測度理論，構建了一套完整的建筑施工現場安全管理模型;賈旭陽[5]采用神經網絡方法構建了建筑施工安全評價模型，該評價模型兼具聯想和推理功能;王根霞等[6]提出在建筑施工現場評價中采用風險偏好信息模型來計算評價指標權重，以克服主觀評價導致的偏差;武瑾[7]將可拓理論中的優度評價方法用于解決建筑施工現場的安全評價問題，并通過實例驗證了該方法的適用性和可操作性。

上述這些評價方法，大多是將傳統評價模式直接套用到建筑施工安全評價中，卻忽略了建筑施工安全因影響因素復雜多變、信息不完整和規律性差等特點造成的模糊性、不確定性和隨機性問題，致使其評價結果失真，與實際情況存在一定的偏差。鑒于此，本文基于已有研究構建了建筑施工安全評價指標體系，提出一種基于模糊語義量化的CUOWGA算子計算評價指標權重，并結合灰色聚類方法進行建筑施工安全評價的方法，最后通過算例驗證了該方法的適用性。

1 建筑施工安全評價指標體系的建立

通過查閱大量文獻資料，結合建筑施工安全事故的統計規律，并廣泛征求專家、施工管理人員和施工人員的意見，本文設計了包含22個建筑施工安全影響因素條目的問卷調查量表，并采用SPSS 13.0軟件判斷它們的一致性 (即設計的影響因素能否反映建筑施工安全的真實情況)[8-9]，得到的建筑施工安全影響因素及其相關系數和Alpha系數，見表1。

Alpha系數本文指克倫巴赫Alpha系數，它是信度(問卷的可信程度)的量度，用于測驗一致性、穩定性和可靠性，其計算公式為

(1)

表1 建筑施工安全影響因素及其相關系數和Alpha系數

已有研究表明，Alpha系數值大于0.7，可認為條目之間的內在一致性較好。通過計算，表1中22個影響因素條目的Alpha系數值為0.809，說明這22個條目具有較高的內在一致性。而表1中的Alpha系數值表示每當刪除一個條目后余下條目的Alpha系數值，如刪除“安全檢查”條目后，余下21個條目的Alpha系數值為0.845，也就是剔除該條目后，Alpha系數值從原來的0.809增加至0.845。表1中22個條目的Alpha系數值都大于0.8，說明所設計的22個影響因素能夠反映建筑施工安全的實際情況。

相關系數是用來反映兩個變量線性相關程度的統計量。常用的Pearson相關系數可表示為

(2)

相關系數主要用于判斷所要刪除的冗余條目，通常來說，如果相關系數值小于0.4(可視情況而定)，就可認為該條目與其他條目的相關性不強，可以刪除。據此可刪除初始問卷中相關系數值小于0.4的影響因素，并對處理后的影響因素做一輪問卷、統計分析，得到的建筑施工安全影響因素及其相關系數和Alpha系數見表2，其聚類結果見表3。

表2 經刪除后的建筑施工安全影響因素及其相關系數和Alpha系數

表3 經刪除后的建筑施工安全影響因素聚類結果

刪除了表1中相關系數值小于0.4的影響因素后，表2中共有15個影響因素，通過計算得到它們的相關系數值都大于0.8，未發現過低的相關系數，因此結合表3的聚類結果，可建立建筑施工安全評價指標體系，見圖1。

圖1 建筑施工安全評價指標體系Fig.1 Building construction safety evaluation index system

2 改進的CUOWGA算子賦權

評價指標賦權的常用方法主要有層次分析法、德爾菲法和專家調查法等，它們大多是借助專家的認知經驗來計算評價指標的權重值，存在較大的主觀不確定性。CUOWGA算子是一種新的賦權方法，可將專家主觀臆斷的負面影響降低到可接受的水平，但其存在預設主觀條件不足的問題。本文引入模糊語義量化算子對CUOWGA算子進行了改進，通過模糊區間數確定專家決策數據，構建標準化矩陣，進而實現為評價指標賦權，可在一定程度上克服算子自身主觀條件不足的缺陷[10-11]。

改進的CUOWGA(ICUOWGA)算子實現步驟如下：

(1) 引入模糊語義量化算子量化評價指標權重矩陣ω。設評價指標權重矩陣為ω=[ω1,ω2,…,ωk,…,ωn]，且

ωk=Q(k/n)-Q[(k-1)/n]

(3)

其中，Q為模糊語義量化算子，則有:

式中:模糊語義算子Q(r)為(l,h)=(0.3,0.8)、(l,h)=(0,0.5)、(l,h)=(0.5,1)，分別表示為“大多數”、“至少半數”、“盡可能多”，且l、h、r∈[0,1]。

對于成本型指標為

(5)

對于效益型指標為

(6)

(3) 構建可能度矩陣P=(pij)m×n。設c=[cL，cU]、d=[dL，dU],令lc=cU-cL、ld=dU-dL，區間數c≤d的可能度定義為

(7)

對標準化矩陣R=(rij)m×n中標準化數據作兩兩比較，得到可能度矩陣P=(pij)m×n。

(4) 構建排序向量。利用下式計算互補判斷矩陣：

(8)

得到可能度矩陣p(i)的排序向量vi=(v1,v2,…,vn)T。

(5) 計算評價指標的權重。按照從大到小的順序對排序向量vi中的cij進行重新排序，得到新的一組數據gj，再用模糊語義量化評價指標權重矩陣ω對數據gj進行運算，得到ICUOWGA算子:

(9)

通過利用ICUOWGA算子對評價指標進行標準化處理，得到評價指標的權重ω。

3 建筑施工安全灰色聚類評價模型的建立

考慮到建筑施工安全評價指標的部分信息存在不完全、不完整、不明確、信息交互不易量化的特點，可將其作為灰色系統進行處理[12]。灰色聚類方法是灰色系統理論的拓展和精華，它通過對目標依照屬性進行分類，根據屬性選取合適的白化權函數，進而完成綜合評價[13-14]。該方法對樣本量要求不高，在不滿足統計規律時仍然適用，能夠科學、客觀地評價建筑施工的安全水平。

3. 1 構造灰色聚類評價矩陣

在大量理論研究的基礎上，邀請長期從事建筑施工安全的管理人員、相關的安全專家以及一線施工人員等，構建建筑施工安全評價的專家庫，從專家庫中隨機抽取幾位專家，依據圖1中的評價指標體系，按照灰色聚類評價要求，設計建筑施工安全的調查問卷，讓專家進行德爾菲法打分，獲得一定數量的有效調查問卷數據，進而構建基于專家評分的灰色聚類評價矩陣:

(10)

式中:i=1,2,…,5;s為二級評價指標數目;p為參與評價的專家人數。

3. 2 確定建筑施工安全評價的灰色白化權函數

結合建筑施工安全評價的內涵，參考文獻[12]，將建筑施工安全評價等級劃分為“高”、“較高”、“一般”、“較低”、“低”5個等級，見表4，并分別確定相應灰類為e= {1,2,3,4,5}。

表4 建筑施工安全評價等級

確定灰類中心點是采用灰色聚類方法進行建筑施工安全評價的前提。依據中心點向量原則，根據建筑施工安全評價等級的實際，可將最大程度點作為中心點，得到的中心點向量為U=(9,7,5,3,1)。本文借鑒文獻[15]，將常規端點型白化權函數改進為中心點三角白化權函數聚類模型，并結合建筑施工安全評價的內涵，在文獻[16]的基礎上，構建了如下建筑施工安全評價的灰色白化權函數。

當安全評價等級為“高”時，即灰類e=1，灰數?1∈[0,9,∞]，灰色白化權函數為

(11)

當安全評價等級為“較高”時，即灰類e=2，灰數?2∈[0,7,14]，灰色白化權函數為

(12)

當安全評價等級為“一般”時，即灰類e=3，灰數?3∈[0,5,10]，灰色白化權函數為

(13)

當安全評價等級為“較低”時，即灰類e=4，灰數?4∈[0,3,6]，灰色白化權函數為

(14)

當安全評價等級為“低”時，即灰類e=5，灰數?5∈[0,1,2]，灰色白化權函數為

(15)

3. 3 建筑施工安全的灰色聚類評價

建筑施工安全的灰色聚類評價步驟如下：

(1) 按照公式(10)構建灰色聚類評價矩陣。

(16)

(3) 合成聚類評價矩陣。通過下式計算初級聚類評價矩陣：

Z=wi·Ri

(17)

設目標層綜合評價矩陣為Z0=[Z1,Z2,…,Zn]，由下式計算目標層安全等級評價向量：

M=w0·Z0=[M1,M2,…,Mn]

(18)

(4) 合成各級指標綜合評價值。為防止信息再次損失，可由下式將安全等級評價向量M與中心點向量U進行集成，進而得到建筑施工安全綜合評價值，并確定安全評價等級。

W=M·UT

(19)

4 算例應用與分析

4. 1 算例概況

本文以陜西省西安市某商業綜合體項目為例，利用上述構建的建筑施工安全評價指標體系和所提出的方法對該項目進行安全評價。

該項目總建筑面積為11.75萬m2，共7層(地下2層、地上5層)，1 200個停車位，其中商業區域主要采用預制混凝土結構，包含預制疊合樓板、預制樓梯板、預制內墻板且外墻優先采用預制夾心保溫墻板等自保溫墻板，這些住宅構件重量大、體積大，吊裝風險大，預應力施工難度大，給建筑施工帶來較大的安全隱患。因此，對該項目進行建筑施工安全評價就顯得非常必要。

4.2 改進的CUOWGA算子賦權

本文以圖1中的5個一級評價指標為例，計算各評價指標的權重，具體計算過程如下：

首先，邀請5位專家，參考表4的建筑施工安全等級劃分范圍對評價指標以0.5的倍數形式進行打分。考慮到建筑施工安全的不確定性，專家通常很難對評價指標進行量化，而采用模糊數或區間數的形式表達更為合理，也更具操作性。專家給出的初始決策數據見表5。

表5 專家的初始決策數據

然后，采用ICUOWGA算子處理該初始決策數據，其步驟如下：

(1) 引入模糊語義量化算子量化評價指標權重矩陣。為改善安全水平，模糊語義算子Q(r)可選取為“盡可能多”，即(l,h)=(0.5,1)，根據公式(3)和(4)，可得到評價指標權重矩陣ω=[0,0,0.2,0.4,0.4]。

(2) 評價指標標準化處理。根據公式(5)和(6)，將表5中初始決策數據C=(cjj)5×5轉化為標準化矩陣：

R=(rij)5×5

(3) 構建可能度矩陣P=(pij)5×5。按照公式(7)，兩兩比較標準化矩陣R=(rij)5×5中標準化數據，構建得到如下可能度矩陣:

(4) 構建排序向量。由公式(8)，計算得到如下可能度矩陣p(i)的排序向量:

v1=[0.218 0,0.189 0,0.217 0,0.184 0,0.192 1]

v2=[0.174 2,0.202 8,0.200 5,0.202 8,0.221 4]

v3=[0.215 3,0.216 3,0.173 2,0.194 7,0.200 5]

v4=[0.201 1,0.206 4,0.204 7,0.204 7,0.183 0]

v5=[0.215 9,0.188 4,0.183 6,0.191 5,0.220 6]

(5) 計算評價指標的權重。根據vj中元素的大小，對決策矩陣C中的cij進行重新排序，得到由大到小排序的新的一組數據gj，再根據公式(9)，可計算出ICUOWGA(A1)=[0.151,0.209]。為提高結果的直觀性，取中間數作為評價指標A1的權重，即為0.180。同理，可計算出ICUOWGA(A2)=[0.178,0.252]、 ICUOWGA(A3)=[0.165,0.221]、ICUOWGA(A4)=[0.170,0.212]和ICUOWGA(A5)=[0.176,0.266]，進而得到評價指標A2、A3、A4、A5的權重分別為0.215,0.193,0.191,0.221。

利用上述計算過程，同樣能夠為各二級評價指標賦權，其計算結果見表6。

表6 建筑施工安全評價指標的權重

4. 3 灰色聚類評價模型的建立

為評價指標賦權后，即可構建灰色聚類評價模型進行建筑施工安全評價。根據確定的灰色白化權函數和建筑施工安全評價等級的測度值區間 (見表4)，邀請6名專家根據實際情況對二級評價指標進行視情打分，得到如下灰色聚類評價矩陣:

根據評價步驟，通過5個灰類可以確定該項目建筑施工安全評價指標所屬的灰類。以評價指標a11為例，計算其所屬的灰類白化值的全局和。

由此，可計算出評價指標a11的灰類全局和為

進而計算出評價指標a11屬于e的灰色評價值如下：

r111=X111/X11=3.556/14.738=0.241

r112=X112/X11=4.571/14.738=0.310

r113=X113/X11=5.000/14.738=0.339

r114=X114/X11=1.500/14.738=0.102

r115=X115/X11=0.000/14.738=0.000

同理，可計算出其他評價指標屬于e的灰色評價值，進而得到如下的灰色聚類權矩陣：

通過公式 (17)，可得到初級聚類評價矩陣為

而由公式 (18)， 則可得到該項目建筑施工安全等級評價向量為

M=w0·Z0=[0.226,0.287,0.326,0.161,0.000]

利用公式(19)，將安全等級評價向量M與中心點向量U進行集成，可計算得出該項目建筑施工安全的綜合評價值為

W=M·UT=6.156

4. 4 評價結果分析

該項目建筑施工安全的綜合評價值為6.156，介于表4中測度[6,8]區間，即可確定該項目建筑施工安全評價等級屬于“較高”等級，也就是說，該項目建筑施工基本安全，但存在一些安全隱患，需要完善。這與西安市安全生產監督管理局對該商業綜合體建設項目安全檢查中發現的問題相一致，安全檢查中主要發現如下問題：①存在不重視戴安全帽和高處作業未系安全帶問題；②沒有按規定使用合格的安全密目立網、安全帽和安全帶；③安全警示標志未設置在明顯位置，不便于識別。該項目存在的這些安全隱患，一般不會造成安全問題，也不會影響建設項目的安全運行，但卻從側面反映了該建筑施工項目安全管理中存在著漏洞，須引起警覺，也要提高警惕。

根據表6中給出的評價指標權重值，其中施工照明、安全檢查、危險源控制、設備安全管理、操作層安全技術水平、施工現場環境條件、工人操作熟練程度7個二級評價指標的權重較大，需重點予以關注，并進行有針對性的調整與改進。

表7給出了4種評價方法對6個建筑施工項目安全評價等級結果的對比。

表7 4種評價方法對建筑施工項目安全評價等級結果的比較

由表7可知，本文方法與其他3種方法得出的評價結果大體上是一致的，其與模糊綜合評判法的評價結果基本相同，但更具科學性；相比之下，灰色關聯法因主觀性過強，對項目5做出了與實際不相符的評價，而層次分析法由于對定性指標數據處理上的缺陷，致使對項目4的評價結果出現了偏差。這說明本文方法用于解決建筑施工安全評價問題是可行和有效的，也從另一角度驗證了本文方法評價結果的準確性。

5 結 論

為了準確對評價建筑施工的安全水平，提出了一種基于CUOWGA算子與灰色聚類相結合的建筑施工安全評價方法，并通過算例應用與分析得出如下結論：

(1) 算例得出的評價結果說明：構建的建筑施工安全評價指標體系是科學、合理的，進而為建筑施工安全的客觀評價奠定了基礎。

(2) 引入改進的CUOWGA算子對評價指標賦權，不僅能降低專家意見的主觀影響，也能克服算子本身主觀條件的不足，在一定程度上提高了指標賦權的科學性。

(3) 通過算例分析表明：灰色聚類分析能夠解決建筑施工安全評價指標信息不完整、不明確所造成評價結果失真的問題。

(4) 相比較而言，本文所提出的評價方法用于建筑施工安全評價具有一定的優勢，評價結果不僅能夠客觀地反映建筑施工安全管理的水平，也能對薄弱環節進行準確定位，從而為防控決策提供依據。

(5) 建筑施工安全評價是一個系統而龐大的課題，本文僅就評價中采用的方法做了一定的探討和研究，并沒有觸及到預防、應對與整改等實際操作層面，這也是今后需要深入研究的內容。