基于FCE-AHP的軌道交通現場風險評價

崔偉，徐曉玲

（1.蘭州交通大學交通運輸學院，甘肅 蘭州 730070；2.蘭州城市學院信網中心，甘肅 蘭州 730070）

城市軌道交通是城市公共交通的重要組成部分，能夠充分利用地上和地下空間，具有耗能少、運量大、運營成本較低等特點，屬于綠色環保交通體系，克服了大城市地面交通飽和的問題，特別適應于大中城市。目前我國城鎮化進度加速，地鐵建設發展空間大，然而在地鐵建設過程中，施工程序和施工設備的復雜性、地質中巖土構成的復雜性、巖土中不確定物體的不可預見性、地鐵施工過程中的隱蔽性、工程施工過程風險的不確定性以及施工周期的長久性等，都增加了一定程度的危險，使得地鐵施工安全事故的總量逐年增加[1-3]。對地鐵施工進行安全評價是目前地鐵施工安全研究的熱點，是地鐵安全的重要內容。

目前，在風險管理方面，國內外的研究人員對此較為關注，尤其是軌道交通現場施工安全和風險評估等相關方面的研究，已經取得了很大的發展，而且不僅在理論上有進展，一些風險評估技術和方法逐漸應用到實際現場中。從已有的文獻可以看出，目前對于軌道交通現場施工安全的研究成果較多，主要集中在對城市道路的影響、對臨近管線的影響及環境影響等方面，在研究中提出和運用了眾多風險評價理論，也結合了實際的工程案例進行安全分析，進一步拓展了軌道交通現場施工風險評價的研究方法[4-8]。

從目前的研究現狀可以看出，在風險評估領域中也涉及到層次分析法（AHP）的研究成果，但較少涉及施工現場的安全風險評價。隨著施工現場管理理念的變化，現場施工技術水平的不斷提高，輔助人員、施工人員等現場人員對安全意識重視程度的不斷提升，施工現場安全風險評價指標則需要依據現場實際情況不斷進行完善。此外，已有的成果大部分是針對某個施工環節的安全風險評價，如在地鐵施工中盾構的風險分析，并未覆蓋施工全過程，所以對施工全過程評價的研究還有待完善。因此，軌道交通施工現場的安全風險評價還有進一步研究空間。

本文采用層次分析法對地鐵施工的安全進行評價。首先需要建立評價指標體系，其次采用AHP計算主觀權重，之后依據模糊理論來描述評價結果和評價標準，最后依據隸屬度得到地鐵施工安全等級。

1 基于AHP和模糊理論的地鐵施工風險評價方法

層次分析法（AHP），是20世紀70年代由美國運籌學家薩蒂教授提出的，它是一種定性和定量相結合的、系統而又層次化的多準則分析方法，這種方法總體上依據問題的性質和目標將問題進行分解，最終分解成不同的層次，每個層次又有不同的組成因素，每一個層次內部的因素是相互關聯的，每一個層次內容的因素存在相對重要度來描述其關系；每一個層次與上下層次之間是相互作用的，從而組成一個層次化的結構模型。在應用過程中，需要從最高層往最底層按層進行識別和分析，還需要對低層次因素進行權重評判，從而獲得每一個層次內部的相對重要度。

層次分析法簡單實用，可以將一個復雜的問題從層次的角度分為多個問題，并將每一個問題再次分解為多個影響因子。層次分析法在計算權重上的應用較為廣泛。對于軌道交通施工現場安全風險等這種受眾多影響因子影響的問題，可以應用層次分析法進行問題的簡化處理。同時，對于識別出的影響因子，還可以計算出其相對重要程度。所以，采用層次分析來對軌道交通施工現場進行風險評價，并計算評價指標體系中評價因子的權重。

模糊理論是有嚴格的數學基礎的，模糊理論的內容主要包括模糊集合理論、模糊邏輯、模糊推理和模糊控制等方面。模糊是一個廣泛使用的概念，模糊性是存在于自然界和社會中的現象。在模糊理論中，一部分概念是模糊的，比如“年輕的”和“老的”等概念即是模糊的，是不明確的；雖然這些概念是模糊的，概念范圍是不確定的，但是在某種特定的條件下，可以用這些不明確且模糊的概念來表達出清楚的意思，比如在一個老人和小孩子面前，用“老的”來描述老人。模糊理論是以模糊集合為其數學基礎，其研究目標是處理概念上模糊不確定的事物，并將非量化信息轉化為計算機可以處理的數字信息，模糊理論不主張用繁雜的數學模型來解決問題。模糊理論已經有了很長時間的發展，其應用范圍非常廣泛，不僅應用于自然科學中，也廣泛應用于社會科學中，在幾乎所有的研究領域中都可以發現與模糊理論相關的研究。除此之外，模糊理論在實際中也有廣泛的應用。

模糊綜合評判法（FCE）在較為復雜的問題中也應用較多，是一種在評判領域中實用較多的算法。模糊綜合評判實現了定性和定量的轉化，將眾多模糊評估結果最終量化為一個評估結果，從而對于復雜問題有了一個統一的認識。模糊綜合評判在評價因子不能完全量化，不能完全數值化的條件下，有自己的優勢。軌道交通施工現場中的評價因子眾多，評價指標體系中的評價因子很多都不能被量化，比如環境因子，管理因子等都不能夠進行定量的表示，或者說在目前的技術條件下不能量化，只能定性表示。所以，將模糊綜合評判應用于軌道交通施工現場安全風險分析剛好發揮了模糊綜合評判的優勢，將眾多定性的分析和認識最終轉化為一個定量的結果，從而依據評估等級表得到最終的評判等級。

基于FCE-AHP的軌道交通施工風險評價的主要步驟如下：（1）從人為因素、機器因素、環境因素、管理因素這4個方面確定軌道交通施工現場安全風險評價指標體系，依據軌道交通施工現場的實際情況劃分風險嚴重度等級；（2）邀請施工現場的專家，對評價指標體系中不同層次的評價因子進行評價，然后收集評價信息，并對評價數據結果進行處理；（3）采用層次分析法計算評價指標體系中評價因子的權重；（4）對各個因素評價，得到每個因素的等級，進行綜合得到總的評價等級，取相似度最大的等級為軌道交通施工現場安全風險的評估等級。

2 風險綜合評價步驟

2.1 確定風險嚴重度評價指標體系U和評價標準S

地鐵施工風險的影響因素很多，有人員因素，也有管理因素等。建立指標體系U為U={U1，U2，...，UN}，N為影響因素個數，其中Ui={Ui1，Ui2，...，Uin}。建立風險等級標準S={S1，S2，...，SP}，P為風險評估等級的個數。

2.2 邀請專家評價

邀請軌道交通施工現場的專家對施工現場安全風險評價指標體系的不同影響因素進行綜合評價，并對施工現場安全風險評價指標體系中的影響因素進行兩兩重要性評價。

2.3 權重計算

（1）根據評判因素,構造判斷矩陣。

式中: 表示第i個指標體系中的評價因子對第j個指標體系中的評價因子的相對重要程度，相對重要程度的取值見表1。

表1 評價因子相對重要程度結果取值表

（2）求解判斷矩陣的最大特征根，將其用λmax表示。

（3）在求得最大特征根之后，檢驗判斷矩陣的一致性RA：

依據n的不同，R的取值不同，見下表2。

表2 R的取值

當計算得到的RA小于0.1時，可以認為判斷矩陣符合一致性要求；否則，就認為權重分配不合理，這樣就需要重新修改判斷矩陣，直到符合一致性要求。

求解出的最大特征根所對應的特征向量，將W＝［ω1ω1… ω1］進行歸一化，得到的結果可以作為相關評價因子的權重分配。

2.4 綜合評價結果計算

采用加權平均型綜合函數,系統綜合評判結果為：

根據最大隸屬度原則和綜合評判結果B＝A×B，可以得出最終綜合評判結論，取相似度最大的等級為風險的等級。

3 實例驗證

蘭州市城市軌道交通1號線一期工程（陳官營-東崗段）是蘭州市軌道交通線網中東西方向的主骨架線，全長約26.798 km，全部為地下線，線路起于西固區陳官營站，橫貫中心城區，終至城關區東崗鎮。乘客可以在西客站、東方紅廣場與2號線換乘，在西關什字、蘭鋼主廠區與3號線換乘。線路基本沿既有主客流走廊布設，將西固、安寧、七里河、城關四大主要功能區塊以及蘭州西站、小西湖、西關什字、東方紅廣場、東部市場等多個大型客流集散點串聯在一起，沿途與蘭州各商圈、客流集散點均設站接駁，直接溝通了城市第二中心和城市核心區。

以蘭州市地鐵施工為例驗證本研究提出方法的有效性。

3.1 確定評價體系U和評價等級S

地鐵施工過程中的安全評估涉及多個影響因素，如生態環境、聲環境、環境震動、環境空氣、水環境以及電磁環境等。由于各個因素的影響程度不相同，所以只有綜合考慮各種影響因素，選擇最佳的施工方法，才能夠準確反映列控運營的整體安全狀態。然而，由于我國技術水平有限，對所有的影響因素進行信息采集還有一定的難度。此外，不同氣候條件下地鐵施工的安全狀態也會存在差異。因此，本研究結合目前的工作，從人、機、環、管4個方面分別確定與人相關的因素、與設備相關的因素、與環境相關的因素、與管理制度相關的因素作為評價體系。

鐵路風險嚴重度的評判集為：V={v1，v2，v3，v4，v5，v6，v7}={可以忽略的事故，非常輕的事故，輕的事故，嚴重的事故，非常嚴重的事故，災難事故，尤其嚴重的災難事故}。本研究評價等級與采用此等級表。

3.2 采集并預處理專家評價數據

邀請多位鐵路安全方面的專家對地鐵施工的情況進行風險評判，專家依據評判標準等級對每個評判屬性進行評價。歸一化得出地鐵施工風險的評判矩陣為：

3.3 計算權重

評判專家給出的評判矩陣為：

由于AHP的計算較為復雜，本研究采用MATLAB 6.0仿真軟件將AHP的計算過程編寫為函數AHPWeights（A），函數的輸入為矩陣A。

AHPWeights（A）的部分程序流程如下：

Step 1 各變量初始化及賦初值

Step 2 對矩陣每行求和再對列進行歸一化

Step 3 計算矩陣的最大特征值和指標值

Step 4 查表獲取參考標準值

驗證是否滿足一致性檢驗，并給出結果或提示修改矩陣。

計算得判斷矩陣的最大特征根λmax=4.12，由式（1）和表2可得D的隨機一致性比率RA<0.1，說明判斷矩陣符合一致性的要求。最大特征根λmax對應的特征向量為W。對W=［0.888 0.087 0.185 0.412 ］歸一化，可得評判因素權重A＝［0.563 0.056 0.118 0.263 ］。

3.4 計算綜合評價結果

采用加權平均型綜合函數,進行地鐵施工綜合評判。綜合評判結果為：

最終結果如圖1所示。

圖1 評價結果圖

依據圖1，根據最大隸屬原則和綜合評判結果B，可以得出最終綜合評判結論：地鐵施工風險等級為v3，即輕的。所以風險等級為輕的等級，即是存在風險，但是風險較小。

4 結論

本研究將AHP和模糊理論應用于地鐵施工的風險評估理論和技術的基礎上，提出了基于AHP和模糊理論的方法對地鐵施工的風險等級進行評估。本方法客觀地反映了地鐵施工的風險等級，為現場實際中地鐵施工的風險等級評估提供了一種簡單實用的方法，具有很好的應用價值。