基于DSR-云模型的斜拉橋施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究

王壽武 楊雨昕 楊 溢 徐成林 張?zhí)礻?何 穎

（1.昆明理工大學(xué)公共安全與應(yīng)急管理學(xué)院，云南 昆明 650032； 2.昆明理工大學(xué)城市學(xué)院，云南 昆明 650032）

0 引言

目前，我國(guó)交通事業(yè)蓬勃發(fā)展，橋梁隧道工程取得了質(zhì)的飛躍。在各類橋梁施工技術(shù)中，斜拉橋施工技術(shù)的不斷完善，使得斜拉橋的總體施工質(zhì)量不斷提升，但斜拉橋在施工中仍存在很多的風(fēng)險(xiǎn)因素，使橋梁工程在施工安全方面面臨極大的挑戰(zhàn)[1]。因此，為將斜拉橋的施工風(fēng)險(xiǎn)控制在合理范圍內(nèi)，必須對(duì)斜拉橋施工風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行安全評(píng)估。

目前國(guó)內(nèi)對(duì)于施工安全問(wèn)題及相關(guān)的評(píng)價(jià)措施等已有大量研究，在控制橋梁的施工風(fēng)險(xiǎn)方面，國(guó)內(nèi)外前輩采用專家調(diào)查法、事故統(tǒng)計(jì)法、故障樹理論以及WBS-RBS及層次分析法等進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別和評(píng)估[2]。徐佳昕[3]對(duì)施工安全的評(píng)價(jià)采用了層次分析法，對(duì)風(fēng)險(xiǎn)事故的原因進(jìn)行分層，分析潛在的風(fēng)險(xiǎn)因素。陳國(guó)華[4]采用WBS-RBS與層次分析法結(jié)合的評(píng)估模型，該作業(yè)單元的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)由該評(píng)價(jià)模型確定。而本文引入DSR模型建立評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，通過(guò)對(duì)環(huán)境驅(qū)動(dòng)力、指標(biāo)狀態(tài)的監(jiān)測(cè)、響應(yīng)措施建立一個(gè)較為全面的指標(biāo)體系；再結(jié)合綜合權(quán)重的模式與云模型相結(jié)合，解決評(píng)價(jià)中的模糊性與隨機(jī)性，并以勐古怒江特大橋?yàn)閷?shí)例進(jìn)行評(píng)估。

1 斜拉橋施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建

本文通過(guò)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)法、文獻(xiàn)分析法以及查詢相關(guān)規(guī)范等方法，對(duì)斜拉橋因施工導(dǎo)致的事故進(jìn)行分析，并根據(jù)DSR模型按照環(huán)境驅(qū)動(dòng)力、指標(biāo)狀態(tài)以及響應(yīng)措施三方面建立評(píng)價(jià)指標(biāo)體系；根據(jù)層次分析法對(duì)指標(biāo)進(jìn)行分層，構(gòu)建出斜拉橋施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。并邀請(qǐng)相關(guān)領(lǐng)域的專家進(jìn)行指標(biāo)打分賦值，運(yùn)用層次分析法-熵權(quán)法（AHP-EW法）和云模型理論對(duì)各個(gè)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)。并對(duì)其結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證分析，驗(yàn)證該體系的客觀性與科學(xué)性。

1.1 評(píng)價(jià)體系指標(biāo)確定

1996年，經(jīng)濟(jì)發(fā)展合作組織首次提出DSR模型概念。由環(huán)境驅(qū)動(dòng)力D (Driving Force)，指標(biāo)狀態(tài)S(State)以及響應(yīng)措施(Response)組成DSR模型[5]。其中環(huán)境驅(qū)動(dòng)力代表著斜拉橋外部環(huán)境因素對(duì)橋梁造成風(fēng)險(xiǎn)因素的總和，此部分風(fēng)險(xiǎn)因素對(duì)指標(biāo)的監(jiān)測(cè)狀態(tài)和后續(xù)的響應(yīng)措施都有著一定程度的影響。指標(biāo)狀態(tài)表示特定時(shí)段橋梁所處的狀態(tài)和變化情況，它是橋梁是否安全的主要評(píng)判準(zhǔn)則，并為響應(yīng)措施提供相關(guān)信息。響應(yīng)措施是指采取某些措施以避免或減少因施工過(guò)程中產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力所導(dǎo)致的不利情況發(fā)生。圖1是在DSR模型的基礎(chǔ)上建立的橋梁安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，最終確定了20個(gè)細(xì)化指標(biāo)。

1.2 評(píng)價(jià)體系權(quán)重確定

當(dāng)前常用于主觀權(quán)重的確定方法有優(yōu)序圖法、G1法、層次分析法等；客觀權(quán)重的確定方法有相關(guān)系數(shù)賦權(quán)法、熵權(quán)法、主成分分析法等；本文將使用層次分析法與熵權(quán)法相結(jié)合以便得到最優(yōu)權(quán)重組合。

1.2.1 層次分析法確定主觀權(quán)重

將定性、定量分析相結(jié)合的決策分析方法稱為層次分析法。即將評(píng)價(jià)指標(biāo)體系主要分為三層，建立出層次結(jié)構(gòu)，再將各指標(biāo)的重要度進(jìn)行兩兩比較，計(jì)算其重要程度，最后得出結(jié)果。具體步驟如下：

（1）采用1～9標(biāo)度法，確立判斷矩陣 。

（2）矩陣的一致性檢驗(yàn)及權(quán)重的確定。

若Ic＝0時(shí)，則該矩陣具有完全一致性；若Ic≠0，則需對(duì)R（I隨機(jī)一致性比率）進(jìn)行驗(yàn)算。若Ic/RI＜0.1，則認(rèn)為該矩陣具有一致性。最后將所得的初始權(quán)重系數(shù)記為各個(gè)指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)，即指標(biāo)層次權(quán)重Aj*。

1.2.2 熵權(quán)法確定客觀權(quán)重

熵權(quán)法是一種客觀賦權(quán)法。具體步驟如下：

（1）建立評(píng)價(jià)指標(biāo)矩陣X'。設(shè)有n個(gè)2級(jí)指標(biāo)，m個(gè)1級(jí)指標(biāo)，矩陣（i=1,2,3……m；j=1,2,3……n）如下：

（2）矩陣標(biāo)準(zhǔn)化。評(píng)價(jià)指標(biāo)的單位不盡相同，故需要做歸一化，標(biāo)準(zhǔn)化處理，歸一公式如下：

（3）計(jì)算第j個(gè)1級(jí)指標(biāo)占比第i個(gè)1級(jí)指標(biāo)比重pij。

（4）計(jì)算指標(biāo)所對(duì)應(yīng)的熵值Ej與信息熵冗余度dj。

1.2.3 綜合權(quán)重計(jì)算

將專家打分，運(yùn)用層次分析法進(jìn)行指標(biāo)賦權(quán)，對(duì)斜拉橋施工安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行大概的權(quán)重分配，最后得到主觀權(quán)重。但層次分析法受到人為因素干擾嚴(yán)重，故引入熵權(quán)法。熵權(quán)法是以斜拉橋評(píng)價(jià)指標(biāo)的實(shí)際數(shù)據(jù)為依據(jù)展開計(jì)算，從而得到客觀權(quán)重。將主客觀權(quán)重相結(jié)合，減少主客觀評(píng)價(jià)不均勻的影響。計(jì)算如下式：

1.3 云模型

1995年，學(xué)者李德毅將云模型基本理論首次公開。正態(tài)云模型的數(shù)字特征用E（x期望值）、E（n熵）、H（e超熵）表示。Ex代表云的分布中心，用來(lái)表示施工安全的分類等級(jí)；En代表取值范圍；He代表熵的熵值。云模型使得隨機(jī)性和模糊性的問(wèn)題有了更妥善地解決。

1.3.1 確定標(biāo)準(zhǔn)云

參考專家意見，結(jié)合評(píng)語(yǔ)集提出4個(gè)風(fēng)險(xiǎn)量等級(jí)；以及根據(jù)斜拉橋施工安全規(guī)范，將有效論域定為U=[Xmin，Xmax]，確定出標(biāo)準(zhǔn)云數(shù)字特征，見表1所示。

表1 風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃定及云模型數(shù)字特征

1.3.2 確定指標(biāo)云

通過(guò)對(duì)專家調(diào)研獲取的指標(biāo)打分值，采用逆向云發(fā)生器，求出各級(jí)指標(biāo)評(píng)價(jià)云。如(9)～(11)計(jì)算：

1.3.3 確定綜合云

將綜合權(quán)重帶入指標(biāo)評(píng)價(jià)云，得到綜合評(píng)價(jià)云。如(12)～(14)計(jì)算：

2 斜拉橋施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)云模型應(yīng)用

2.1 工程概況

云南省坐落在我國(guó)西南部，地貌多樣，且地質(zhì)條件較為復(fù)雜。勐古怒江特大橋全長(zhǎng)1333m，橋面有效寬度25.5m。主橋是100m+240m+100m雙塔三跨半漂浮體系斜拉橋，斜拉索采用扇形布置，雙索面。

2.2 計(jì)算指標(biāo)確定

基于圖1所示的斜拉橋施工安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，結(jié)合實(shí)地調(diào)研，邀請(qǐng)20位專家對(duì)20項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行打分。采用層次分析法算出主觀權(quán)重，以減少個(gè)體差異產(chǎn)生的誤差；再用熵權(quán)法算出客觀權(quán)重，最后得到綜合權(quán)重，具體見表2、表3所示。

表2 一級(jí)指標(biāo)權(quán)重

表3 二級(jí)指標(biāo)權(quán)重

2.3 云模型綜合評(píng)價(jià)

2.3.1 確定評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)云

評(píng)價(jià)集是通過(guò)參考相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合專家的意見，形成的斜拉橋施工安全評(píng)價(jià)結(jié)果。本文將風(fēng)險(xiǎn)量集分為四個(gè)等級(jí)：Ⅰ級(jí)[0，25]，Ⅱ級(jí)（25,50]，Ⅲ級(jí)（50,75]，Ⅳ級(jí)（75，100]，如圖2所示。

圖2 風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)云圖

2.3.2 確定評(píng)價(jià)指標(biāo)云

經(jīng)式（9）～（11）計(jì)算方法，算出各一級(jí)指標(biāo)的特征參數(shù)，見表4所示。

表4 指標(biāo)云數(shù)字特征參數(shù)

由表4可知，環(huán)境驅(qū)動(dòng)力的期望較低，為63.19分，表明外部環(huán)境因素導(dǎo)致的施工風(fēng)險(xiǎn)處于較高的水平。同理，指標(biāo)狀態(tài)的期望為71.71分，表明在指標(biāo)監(jiān)測(cè)方面的施工風(fēng)險(xiǎn)也處于較高水平。最后措施響應(yīng)的期望為83.41分，表明措施應(yīng)對(duì)方面的施工風(fēng)險(xiǎn)處于較高水平。通過(guò)計(jì)算，并使用matlab軟件繪制出評(píng)價(jià)指標(biāo)云圖，如圖3。

圖3 評(píng)價(jià)指標(biāo)云圖

由圖3可知，環(huán)境驅(qū)動(dòng)力D位于Ⅲ級(jí)指標(biāo)以內(nèi)，由此可見環(huán)境驅(qū)動(dòng)力的施工風(fēng)險(xiǎn)較高；同理可知，指標(biāo)狀態(tài)介于Ⅲ級(jí)、Ⅳ級(jí)指標(biāo)之間，但是更加偏向于Ⅲ級(jí)，故可知指標(biāo)狀態(tài)與響應(yīng)措施的施工風(fēng)險(xiǎn)較高；響應(yīng)措施R也是介于Ⅲ級(jí)、Ⅳ級(jí)指標(biāo)之間，但是更加偏向于Ⅳ級(jí)，故響應(yīng)措施的施工風(fēng)險(xiǎn)高。

2.3.3 確定綜合評(píng)價(jià)云

將熵權(quán)法與層次分析法算出的綜合權(quán)重和各指標(biāo)的云數(shù)字特征參數(shù)帶入式（12）～（14），繪制出綜合評(píng)價(jià)云圖，如圖4所示。

圖4 綜合評(píng)價(jià)云圖

2.3.4 結(jié)果分析

綜合評(píng)價(jià)認(rèn)為，斜拉橋的施工風(fēng)險(xiǎn)位于Ⅲ級(jí)、Ⅳ級(jí)指標(biāo)之間，但是更加偏向Ⅲ級(jí)，故位于高原山區(qū)峽谷地帶的斜拉橋施工風(fēng)險(xiǎn)是較高的。結(jié)合各級(jí)指標(biāo)的專家打分情況以及評(píng)價(jià)指標(biāo)云來(lái)看，3個(gè)一級(jí)指標(biāo)都存在較高的風(fēng)險(xiǎn)，例如一級(jí)指標(biāo)環(huán)境驅(qū)動(dòng)力中的環(huán)境風(fēng)速D3，環(huán)境溫度D4，吊裝系統(tǒng)纜索跨徑D6，指標(biāo)狀態(tài)中的起重索拉力監(jiān)測(cè)S4，牽引索拉力監(jiān)測(cè)S5，響應(yīng)措施中的控制偏心應(yīng)力應(yīng)對(duì)措施R3，環(huán)境溫度變化應(yīng)對(duì)措施R5等指標(biāo)還存在一定的問(wèn)題，需要在安全方面進(jìn)一步加強(qiáng)管理，施工單位應(yīng)嚴(yán)格把關(guān)各項(xiàng)進(jìn)程，減少錯(cuò)誤的發(fā)生。

3 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，本課題結(jié)論如下：

（1）本文將DSR模型用于斜拉橋的施工安全評(píng)估中，分別從環(huán)境驅(qū)動(dòng)力、指標(biāo)監(jiān)測(cè)以及響應(yīng)措施三個(gè)方面出發(fā)，逐步細(xì)化，構(gòu)建一個(gè)有3個(gè)一級(jí)指標(biāo)，20個(gè)二級(jí)指標(biāo)的斜拉橋施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。可為以后斜拉橋施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估提供一定的參照。

（2）利用AHP-EW法對(duì)指標(biāo)進(jìn)行主客觀權(quán)重的確定，再通過(guò)組合賦權(quán)將權(quán)重的主觀性和不確定性降低。同時(shí)，利用云圖的優(yōu)勢(shì)，更加直觀地反映出指標(biāo)的優(yōu)劣程度，增強(qiáng)了模型的準(zhǔn)確性與客觀性。

（3）結(jié)合實(shí)例，對(duì)勐古怒江特大橋的施工實(shí)例對(duì)指標(biāo)體系進(jìn)行分析。表明其整體的安全狀態(tài)為“施工風(fēng)險(xiǎn)較高”，并為施工安全管理提供了建議。