基于FISM-MICMAC模型的跨海大橋橋柱施工風險因素識別與分析

摘要：

跨海大橋橋柱施工環境通常較為惡劣，施工安全事故頻頻發生，對橋柱施工風險因素進行準確而有效的識別與分析尤為重要。從環境、施工、人因三個維度構建15個跨海大橋橋柱施工重要風險因素體系，利用模糊解釋結構模型-交叉影響矩陣相乘法（FISM-MICMAC）對指標之間的內在關系與依賴驅動進行映射分析，挖掘風險因素耦合作用機理。結果表明：對跨海大橋橋柱施工起直接作用的風險因素主要包括施工現場情況和物質設備條件兩個方面，而核心風險因素則在于自然環境和地質情況的客觀影響。該研究不僅能識別跨海大橋橋柱施工風險因素，還可以根據風險因素分析結論為工程實踐提供相關建議。

關鍵詞：跨海大橋橋柱施工；風險因素；FISM；MICMAC；安全分析

0 引言

跨海通道的建設對國家經濟計劃與交通建設具有重要意義［1］。由于跨海大橋一般跨度大且位于深水區，加之近海或海洋環境惡劣、海上交通繁忙［2］，必須從多方面加強對跨海大橋風險因素的識別與分析。

當前，大多數研究是從量化分析與數值模擬入手，例如，朱思蓉等［3］從基礎累積位移、速度、加速度和累積轉角4個方面研究了波浪荷載對跨海大橋橋墩基礎產生的動力特性；曾浪［4］以跨海大橋施工進度管理為研究背景，提出跨海大橋施工進度PRN評價指標，并構建跨海大橋工程施工進度風險評價模型；肖冰［5］采用系統安全工程的方法辨識跨海大橋橋樁施工過程中作業人員、作業環境、施工設備等潛在的風險，對其進行定性定量分析，明確各類風險源的種類及危害程度，從而得出具有針對性的風險防控重點，從安全管理和現場管控等方面提出可行的安全對策措施和建議；瞿振華［6］則從施工組織設計角度，探討了跨海大橋施工設計與施工原則。

綜上所述，現有文獻大多局限于定性研究與定量研究，針對施工風險因素影響機理與風險鏈的研究較少，亟須進一步開展強對流天氣下橋柱施工風險研究。為此，本文構建了跨海大橋橋柱施工風險因素指標體系，采用FISM-MICMAC法分析我國跨海大橋橋柱施工風險因素指標體系層次結構及指標間的相互影響關系，旨在減少跨海大橋施工風險、厘清其施工風險因素與風險鏈，為其風險管理奠定基礎。

1 跨海大橋橋柱施工風險因素識別

為了科學識別跨海大橋橋柱施工風險因素，在進行正式研究之前，根據文獻［4， 6- 7］對跨海大橋橋柱施工風險因素的分析，從環境-施工-人為分析的角度出發，經過提煉，整理出15個風險因素，見表1。

2 FISM模型構建

2.1 FISM-MICMAC模型簡介

解釋結構模型法（Interpretative Structural Modeling，ISM）［8］是一種基于數學有向圖和關聯矩陣原理，應用人們的經歷教訓和判斷，以及計算機編程硬件的援助，將復雜系統中心直接或間接的要素關系轉換為一個多級遞階規劃模型［9-10］的方法。

交叉影響矩陣相乘法（Matriced Impacts Corises-multiplication Appliance Classment，MICMAC）是一種利用交叉影響矩陣相乘法對體系要素間的聯系關系做進一步闡明的方法。該方法是應用系統中要素的反響途徑和條理來研討要素間互相影響關系的分散性［8-9］。將ISM模型和MICMAC技術相結合應用于風險系統剖析，可以為風險要素建立明確關系，供給一個組織龐雜難以直觀區分的系統有效的風險條理。此外，本文提出將三角模糊數引入ISM模型，并把ISM模型應用于模糊數學評價系統，采用Fuzzy-ISM模型即FISM-MICMAC模型對橋柱施工關鍵風險因素的相互影響關系進行深入研究。

改進后的FISM-MICMAC模型在靈活性方面優于傳統的ISM模型，針對不同的橋柱特點，管理者可根據橋柱施工風險的需要選取特定且合適的三角模糊數和α值，生成最契合的FISM-MICMAC模型，得出更準確的風險評估結果。技術路線如圖1所示。

2.2 FISM模型簡介

2.2.1 三角模糊數的確定

通常使用l、m和r表示三角模糊數，分別表示下限、中值和上限，即l≤m≤r。本文參考Peng等［9］提出的語言算子和三角模糊數取值表，采用郵件、微信和實地發放等方式，向15名具有豐富橋柱施工實踐經驗和理論知識的專家發放問卷，邀請專家對橋柱施工風險因素間的影響度打分。

2.2.2 建立模糊直接關系矩陣

利用三角模糊數表示第k名專家給出的關鍵風險因素Ri對Rj影響度的判斷結果，根據問卷結果建立因素間影響度判斷的三角模糊關系矩陣D～k（k=1，2，…，9），k為專家編號，表示為

D～k=d～k11d～k12…d～k1nd～k21d～k22…d～k2nd～kn1d～kn2…d～knn

（1）

需要對三角模糊關系矩陣D～k進行數據去模糊化處理。CFCS（Converting Fuzzy data into Crisp Scores）是進行數據去模糊化處理的有效途徑，轉化后數值損失較小［11］。數據去模糊化具體步驟如下：

步驟1：標準化三角模糊數，具體如下

akij=lkij－minlkijΔmaxmin

（2）

bkij=mkij－minmkijΔmaxmin

（3）

ckij=rkij－minrkijΔmaxmin

（4）

Δmax=maxrkij－minrkijmin

（5）

式中，akij、bkij、ckij代表3個參數標準化之后的三角模糊數值。

步驟2：計算左右限值ukij和vkij，如下

ukij=bkij1+bkij－akij

（6）

vkij=ckij1+ckij－bkij

（7）

步驟3：對標準化值求和，如下

wkij=ukij（1－ukij）+（vkij）21－ukij+vkij

（8）

步驟4：計算專家k三角模糊打分精準度dkij，如下

dkij=minlkij+wkij×Δmaxmin

（9）

步驟5：計算p名專家打分后的標準化精準度dij，如下

dij=1p×∑pk=1dkij

（10）

步驟6：建立橋柱施工風險因素模糊關系矩陣D。

將專家評價給出的三角模糊關系矩陣D～k進行去模糊化處理后，可得出表示橋柱施工風險因素相互影響關系的模糊關系矩陣D，表示如下

D=d11d12…d1nd21d22…d2ndn1dn2…dnn

（11）

2.2.3 通過選擇截系數來確立截矩陣

得出模糊關系矩陣D后，使用設立“截系數α”的方法，將模糊關系矩陣變為可以直接運算的截矩陣S。選擇特定的截系數α，會得到特定的截矩陣S，進而得到特定的可達矩陣和橋柱施工風險因素層級，使各層要素和遞階結構圖的復雜度產生差異。截矩陣中的因素由以下公式得出

sij=

1（dij≥a）

0（dij＜a）

（12）

特定的截系數α值的選擇在使用中代表施工風險管理的精細化程度不同，本文中將截系數α設為0.5，這樣在一定程度上減少了決策人員的工作成本，也滿足了結果控制的要求。

2.2.4 可達矩陣計算

由于截矩陣相當于傳統ISM模型中的關系矩陣，將截矩陣通過布爾冪運算得到可達矩陣R。可達矩陣R代表因素的關系通過一定的路徑到達的程度。當可達矩陣R中的因素為1時，表示行列因素之間存在路徑；當可達矩陣R中的因素為0時，表示行列因素間無關系。因此，可達矩陣可以表示出因素的直接或間接關系，公式如下

（S+I）≠（S+I）2≠…≠（S+I）r-1≠（S+I）k=（S+I）k+1=R

（13）

2.2.5 建立風險因素層次

系統元素的層次是依據可達矩陣的結果得到的，而對可達矩陣進行提前分解得出各元素的共同集、可達集和先行集?？蛇_集p（ni）是在可達矩陣中的因素mi的行中，行元素為0或1，所有元素值為1的列元素，產生集合p（ni）={ni|ni∈n，mij=1}。先行集Q（ni）是在可達矩陣中的因素mi的列中，列元素為0或1，所有元素值為1的行元素，產生集合p（nj）={ni|ni∈n，mji=1}，且T=p（ni）∩Q（ni）。

得出各元素的共同集、可達集和先行集后，根據T=p（ni）∩Q（ni）的原則進行層次劃分。當可達集和共同集相等時，則為最上級因素，由此得到最高層次。去除最高層次的行列，繼續判斷，直到找到最低層次。

3 MICMAC模型構建

交叉影響矩陣相乘法（MICMAC）常被應用于辨識系統內動力性和依賴性的變量。MICMAC使用矩陣乘法原理，得出ISM中各個因素在可達矩陣中的驅動力和依賴性。驅動力越大，表示因素對其他因素影響較大；依賴性越大，表示其他因素對該因素的影響力越大［11］。因此，MICMAC步驟如下：

（1）利用可達矩陣的行與列進行求和計算分別得到驅動力和依賴性的值。

（2）以依賴性和驅動力的平均值作為垂直誤差線和水平誤差線將影響因素分成4類：獨立（第Ⅰ象限）、依賴（第Ⅱ象限）、聯動（第Ⅲ象限）和自發（第Ⅳ象限）。

4 計算與分析

4.1 FISM 分析

4.1.1 模糊鄰接矩陣建立

運用FISM進行跨海大橋橋柱施工安全主要風險因素分析的第一步，是由該領域的專家學者提出各因素之間相互影響的強弱，或者稱為因素之間的影響度。專家基于專業知識和工程經驗對上述15個指標進行對列影響度的打分，采用0～3級程度標準：0（行對列無影響），1（行對列影響較弱），2（行對列影響中等），3（行對列影響較強），并添加包含上述15個因素的關鍵問題S16——跨海大橋橋柱施工風險因素。

為了減少專家個人評判標準的主觀影響，本文選取了評分分布適中的10份結果進行研究，并計算其均值。為了消除量綱差異，采用式（１）對結果進行歸一化處理，得到16階模糊鄰接矩陣A。

4.1.2 模糊可達矩陣求解

用模糊鄰接矩陣A加上單位矩陣I，再對其進行布爾迭代運算，即可求得跨海大橋橋柱施工安全風險因素可達矩陣R。

4.1.3 λ水平截矩陣劃分

跨海大橋橋柱施工安全系統的影響因素較多，因此需要通過設置閾值λ剔除影響度偏小的關系值，從而提高系統抗噪能力。λ可通過數學方法計算［13］，見公式（4），其中α、β為矩陣R－I中元素的均值和標準差）。本文結合數學計算結果及考慮層次復雜度適中性和層次因素合理性，最終選定λ=0.645，計算結果如下

4.1.4 λ縮減矩陣求解

分別定義因素Si的可達集M（Si）、前因集N（Si）、共同集Q（Si）（其中Q（Si）=M（Si）∩N（Si）），結果見表2。

本文求得的Rλ=0.645中不存在強連接關系，因此Rλ=0.645的縮減矩陣就是Rλ=0.645本身。

4.1.5 FISM構建

將Rλ=0.645構建λ骨干矩陣Bλ=0.645。依據層級劃分原理，將跨海大橋橋柱施工安全風險因素分為5個層級，分別為：L1={S16}，L2={S8，S12，S13}，L3={S9，S10，S14，S15}，L4={S1，S2，S4，S5，S7，S11}，L5={S3，S6}。之后，進一步形成跨海大橋橋柱施工安全影響因素解釋結構模型，如圖2所示。

由圖2可知，跨海大橋橋柱施工安全的風險因素可以表現為5個層級：第1層級為主要影響因素的關鍵問題——跨海大橋橋柱施工安全；第2層級的施工材料、資金因素、施工設計方案是導致跨海大橋橋柱施工發生安全問題的最直接、最表層的因素；第3層級的施工設備、施工基本條件、施工隊伍技術水平、施工隊伍組織管理水平是影響跨海大橋橋柱施工安全的中層因素，對上一層級的3個因素有直接影響；對于更深層的原因，還應考慮到自然環境的影響，而第4層級、第5層級則較為清晰地說明了自然環境下的海流運動和地質氣象等條件的變化對跨海大橋橋柱施工安全的影響途徑。

4.2 MICMAC分析

將代表依賴性的xj和代表驅動力的yi作為x軸和y軸，從而繪得跨海大橋橋柱施工安全風險因素MICMAC分類圖，如圖3所示。其中，Ⅰ區代表自主因素，其特點為：因素相對獨立，與其他致因關聯度小，影響力較弱，引發連鎖反應機會較少。本文所選取的風險因素均不屬于該區，因而更具有研究價值；Ⅱ區代表依賴因素，研究它們

往往需要先研究其他因素，本文中的關鍵問題——跨海大橋橋柱施工安全屬于該類；Ⅲ區代表關聯因素，在具有高度依賴性的同時還具備充足的驅動力，包括的風險因素有：施工材料、施工設備、資金因素、施工設計方案、施工基本條件；Ⅳ區代表驅動因素，該類因素不容易被影響，但其驅動力強，對本系統其他因素影響較大，在本文中該類大部分風險因素均處于跨海大橋橋柱施工安全FISM遞階結構的下層；Ⅴ區為均值線，代表調整因子。

4.3 討論與建議

從FISM遞階結構圖可以看出，對跨海大橋橋柱施工安全問題起直接作用的風險因素主要包括施工現場情況和物質設備條件，而根本性風險因素則在于自然環境和地質情況的客觀影響。因此，在進行現場施工規劃時應充分考慮工程所處環境的氣象和地質情況，同時還應針對各種不可抗力因素影響下的突發情況做好一定準備。而由MICMAC風險因素分類圖可得，在跨海大橋橋柱施工過程中，依賴性因素和關聯性因素較為復雜，往往會對施工安全產生影響。這就要求工程技術人員在把握好底層的關鍵性風險因素的同時，還應注意各風險因素之間的相互影響，避免出現連瑣性意外和事故［12-13］。建議如下：

（1）保障現場施工設備穩定可靠，加強生態環境治理。可靠有效的施工設備不僅可以大大節省資源消耗，也是保證施工安全的重要防線。加強生態環境治理可以從根本上減小跨海大橋橋柱施工過程中由氣象、地質等不可抗力因素引發安全事故的概率。同時，完善環境保護制度與管理體系，嚴格監管污染物的排放，也是人類文明可持續發展的必備條件。

（2）推進技術進步和創新，提高工程技術人員的專業素養?？萍紕撔率堑谝簧a力，應把握好計算機技術和人工智能時代的技術優勢，不斷推進施工技術進步，推動多學科、多產業融合發展，提高高校畢業生的專業知識水平，落實好各項工程規范。

（3）工程規范推陳出新，加強政策引導作用。及時修訂脫離實踐、落后于時代的工程技術規范，同時吸取國內外先進施工理念，鼓勵創新，制定科學、合理、有效的國家政策，為施工人員的生命安全提供保障。

5 結語

跨海大橋橋柱施工安全的風險因素主要包括工程實踐條件和自然地質環境兩個方面，其中工程實踐條件起直接、關鍵性作用，自然地質環境起間接、根本性作用?？绾４髽驑蛑┕み^程中的風險因素主要包括關聯因素和驅動因素兩類，這兩類因素之間聯系密切、影響復雜、關系耦合，容易引發現場施工安全事故，需在后期予以重點關注。

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PMT

收稿日期：2022-10-28

作者簡介：

郭道遠（1985—），男，高級工程師，研究方向：工程項目管理。

田儀帥（通信作者）（1999—），男，研究方向：工程項目管理。

趙卓雅（2000—），女，研究方向：工程項目管理。