基于猶豫模糊語言集的大跨徑斜拉橋上部結構施工安全風險評估

周 直，熊家豪，劉光鳳

(重慶交通大學 經濟與管理學院，重慶 400074)

近年來，媒體關于橋梁施工風險事故的報道屢見不鮮。橋梁施工一旦發生安全事故，將對經濟生產、人身安全造成巨大的損失，導致非常負面的社會影響。而大跨徑斜拉橋由于長跨徑和特殊工藝，其上部結構的施工非常容易發生事故。因此，應該評估大跨徑斜拉橋的施工風險，據此采取針對性的預控措施降低風險損失已迫在眉睫。

至今，各國學者對橋梁的風險評估做了大量的研究工作。例如，康俊濤等[1]提出一種基于貝葉斯網絡理論的橋梁施工安全評價方法。朱治寶等[2]運用LEC法量化危險源，在此基礎上建立基于WBS-RBS與模糊層次綜合法的橋梁施工安全風險評估模型。王丹等[3]建立基于ANP的深水橋梁基礎工程施工風險評估模型。劉沐宇等[4]建立基于證據理論的懸索橋主塔施工風險評估模型。劉朝陽等[5]構建基于事故樹模型和改進THERP+HCR模型的橋梁工程安全預警機制。李彥等[6]建立基于決策樹分析技術的橋梁施工安全風險評估模型。陳海南等[7]運用FISM方法構建跨既有鐵路線橋梁轉體施工安全的關鍵影響因素多層遞階結構，剖析事故致因機理，提出安全防護措施。張錦等[8]建立基于模糊綜合評價法的川藏鐵路重點橋梁和隧道風險評價模型，在此基礎上，提出一種BP神經網絡風險預測模型。施洲等[9]采用WBS-RBS對沉井基礎施工進行風險識別，在此基礎上建立基于FAHP的風險評估模型。同年，施洲等[10]提出一種基于DEMATEL和貝葉斯網絡的橋梁施工動態風險評估模型。綜上可知，雖然關于橋梁風險評估的研究已取得了一系列成果，但是針對斜拉橋上半部施工風險的研究還較少。此外，已有評估方法大多依賴于專家評語，而專家在給出風險評語時往往出現猶豫不決的情況，容易影響評估結果的可信度。

因此，本文首先構建施工風險的評估指標體系，然后考慮到猶豫模糊語言集在處理猶豫不決情況的突出優勢，基于猶豫模糊型語言集合和層次分析法，建立評價和估計風險的模型，以期確定施工的關鍵風險因素和風險等級，保證結果的精確。

1 構建施工安全風險評估指標體系

影響大跨徑斜拉橋上部結構施工安全的風險因素眾多。本文根據施工過程的特點，將風險因素的一級指標按照施工階段劃分為橋面施工、支架施工、鋼箱梁施工和斜拉索施工四個方面。在此基礎上，結合類似工程數據、相關文獻[11-12]、行業規范[13]、現場調研，并咨詢有關專家，最終確定了16個影響斜拉橋上部結構施工安全的風險因素作為二級指標，建立風險評估的指標體系，如表1所示。

表1 評估指標體系

2 構建施工安全風險評估模型

2.1 基于HFLTS-AHP的權重計算模型

在所構建的大跨徑斜拉橋上部結構施工安全風險評估指標體系基礎上，運用猶豫模糊型語言集合量化專家評估的風險信息；結合層次分析的方法，得出指標各自的權重。該方法計算簡單、易于操作,可以有效解決多準則群決策過程中的主觀性和補償性問題[14]。

設評估指標集合為{C1,C2,…,Cn-1,Cn}，決策小組{D1,D2,…,Dk-1,Dk}，其中n為指標的數目，k為專家數。可通過以下步驟求解指標權重。

2.1.1 構建猶豫模糊語言判斷矩陣

設Hs為S的猶豫模糊型語言的評價術語的集合，其中S={S1,S2,…,S?}為專業語言的集合。在本文中定義重要性語言術語集S={不重要,極低,低,中等,高,極高,絕對高}，對應值如表2所示[15]。在該語言集S的基礎上，專家可以使用、“少于”“多于”“至少”“至多”和“之間”等表達式來給出判斷，如少于VH、至少L、至多H、M與H之間等。

表2 語言術語集的賦值

EGH是將語言運用語言GH生成的專家打分結果ll∈Sll轉化為猶豫模糊語言集Hs的函數，其轉換規則如下。

EGH(sj)={sj|sj∈S}

EGH(少于sj)={sr|sr∈S且sr

EGH(多于sj)={sr|sr∈S且sr>sj}

EGH(至少sj)={sr|sr∈S且sr≥sj}

EGH(至多sj)={sr|sr∈S且sr≤sj}

EGH(在sj和st之間)={sr|sr∈S且sj≤sr≤st}

(1)

2.1.2 獲取HFLTS對應包絡

(2)

以算數平均值作為語言變量集成算子，通過式(3)確定悲觀和樂觀偏好關系。

(3)

式中：β∈[0,μ]表示S={si:i=0,1,2,…,μ}經聚合后得到的結果值，可由Δ:[0,μ]→S×[-0.5,0.5)轉換為二元性質的語言含義信息，如式(4)所示。式中，round表示為四舍五入后的取整算子。反之，令(si,α)為二次計算語言含義的信息，存在Δ-1函數得到對應數值β∈[0,μ]，如式(5)所示。

(4)

Δ-1(si,α)=i+α=β

(5)

2.1.4 求解指標權重

對于n個風險指標，建立集合矢量VR，有

(6)

2.2 基于HFWA的風險評估模型

設有一個非空集合X，則H={[x,hH(x)|x∈X]}為X上的猶豫和模糊型集合，其中hH(x)表示對于x∈X的隸屬度可能值集合且hH(x)?[0,1]。

2.2.1 統計猶豫模糊評估集

2.2.2 計算各項指標分值S(hi)

選取猶豫模糊加權平均算子計算各項指標分值S(hi)(i=1,2,…,m)。

(7)

(8)

通過HFWA算子，將各指標的猶豫模糊評估集fij進行集成，計算各指標分值s(hi)，最終得到分值集合F=(f1,f2,…,fn)。

2.2.3 計算評估結果S

S=W×FT=(w1,w2,…,wn)(f1,f2,…,fn)T

(9)

本文采用“低度風險”“較低風險”“中度風險”“高度風險”“極高風險”5個等級對大跨徑斜拉橋上部結構施工安全風險進行評估，如表3所示。通過計算得到的結果S可以找到與之相對應的施工安全風險評估等級，其數值越大，說明大跨徑斜拉橋上部結構施工安全風險越高。因此可以根據S的評估值對施工中的關鍵風險因素采取風險防范手段，避免發生事故。

表3 風險評估等級

3 實例分析

本文以某大跨徑斜拉橋為例，邀請4位長期從事橋梁研究的專家。已知所邀專家在該領域的專業背景與工作年限相近，因此設專家權重相同。

3.1 HFLTS-AHP方法計算指標權重

1)構建猶豫模糊語言判斷矩陣

基于表2與式(1)所定義的規則，專家組利用所提供的語言術語集，對表1所示一級指標進行評估，給出猶豫模糊語言判斷矩陣如表4所示。

表4 HFLTS對應包絡

2)獲取HFLTS對應包絡

運用式(2)求得每個HFLTS的對應包絡，如表5所示。

表5 HFLTS對應包絡

3)確定悲觀和樂觀偏好關系

表6 悲觀集體偏好關系

表7 樂觀集體偏好關系

4)確定指標權重

利用式(6)匯總表6和表7中各指標的悲觀和樂觀集體偏好關系，得到相應的語言區間向量。基于表2為語言變量賦值，計算各數值區間中值，并對結果進行歸一化，最終得到一級指標權重如表8所示。

表8 指標的重要性程度

同理，可計算二級指標權重，結果為

W*={0.051,0.057,0.070,0.059,0.058,0.077,0.058,0.070，0.064,0.058,0.068,0.059,0.056，0.058,0.065,0.072}。

3.2 HFWA方法確定綜合評分

1)統計猶豫模糊評估集

專家組基于表3對大跨徑斜拉橋上部結構施工安全風險給出評分，即hH(x)={0,0.1,0.2,…,0.9,1.0}，分值越高表示該指標的質量越高，最終得到猶豫模糊集評分結果，如表9所示。

表9 安全風險評分

2)計算各項指標分值

已知專家權重相等，因此運用式(7)中的HFWA算子集成評分結果時默認專家權重為

w={0.25,0.25,0.25,0.25}T

得分過程如下(以C11的得分s(h1)為例)。

{0.477,0.539,0.5,0.56,0.505,0.564,0.527,0.584}

基于式(8)計算得分S(h1)=0.532 061。

同理求得，二級指標所有的數據得分，如表10所示。

3)計算評估結果

結合各指標權重，將表10中各指標的分值代入式(9)，計算得到大跨徑斜拉橋上部結構施工安全風險一級指標評分結果分別為0.344、0.671、0.818和0.662，進而求解目標層最終評分為0.651。

3.3 風險控制措施

對應表3中的評估等級可知，該橋上部結構施工安全風險評估結果為高度風險，故各部門應該對該橋上部結構施工予以高度重視。

表10 指標算子集成及得分

由表10可知，該橋上部結構施工過程中，16個二級風險指標發生的概率排前三的是：人員意外墜落、張拉不足或超張拉、橋面吊機傾覆墜落，這與橋梁建設中的頻發安全風險事件基本相符。為有效預控風險損失，現針對以上關鍵風險因素的風險控制措施提出幾點建議：

(1)針對人員意外墜落：①落實安全技術交底，將可能出現的危險和注意事項清楚地告知操作員；②確保施工人員身心狀況良好，避免疲勞作業。

(2)提高索導管定位精度，精確控制拉索的張拉力。加強對拉索、錨具、錨箱等產品的質量監測，提高產品的整體質量，減少保管損耗。

(3)針對橋面吊機傾覆墜落：①嚴格執行吊機荷載試驗；②制定半空中突發風振的緊急預案措施；③加強操作人員的專業培養；④加強現場對軌道梁固定狀態的監測，防止因軌道梁不牢導致吊機傾覆。

4 結 語

大跨徑斜拉橋正向著更大跨徑的目標不斷發展，而與之相對應的施工安全風險管理理論也需隨之發展。本文基于橋面施工、支架施工、鋼箱梁施工和斜拉索施工4個方面構建了大跨徑斜拉橋上部結構施工安全風險評估指標體系，在此基礎上，考慮到決策者在處理復雜問題時存在的猶豫性和不確定性，將基于猶豫模糊語言集的多準則群決策方法用于大跨徑斜拉橋上部結構施工安全風險評估，研究結果與實踐相符，具有可行性和實用性，且在一定程度上降低了專家主觀認知對評估結果的影響，緩解了傳統模糊語言在決策過程中的精度損失，拓展了猶豫模糊語言集在橋梁上部結構施工安全風險評估研究領域中的適用范圍，為今后相關方面的安全風險評估提供了參考借鑒。