考慮模糊需求的情景應對型建設工程施工安全事故應急資源調配優化
2024-12-31 00:00:00張煒薛亮
項目管理技術 2024年8期
摘要：針對建設工程施工安全事故具有突發性和不可預測性等特點，基于扎根理論構建事故情景模型，結合目標情景的特殊性，計算事故點各類資源的模糊需求量；構建以資源調配和超時懲罰成本最小化為目標的應急資源調配模糊約束規劃，使用CPLEX求解器進行求解，并通過算例進行驗證。結果表明，基于模糊需求的應急資源調配模型更符合實際，在降低資源調配成本的同時，滿足事故點需求，為施工安全事故應急資源調配決策提供參考。
關鍵詞：施工安全；情景應對；資源調配；模糊需求
0 引言
隨著我國國民經濟的穩固發展，各類基礎設施及工程建設的規模逐年增大。與此同時，建筑業從業總人數已經高達5282.94萬人，其中，全國約50%的省份建筑行業的從業人數超過百萬人［1］。由于工程建設存在作業周期長、參與主體多、作業任務交叉、立體作業空間受限等特點，施工安全事故頻發。因此，研究應急資源的有效調配是提升建設工程施工安全事故應急處置水平的核心問題。
目前，國內外專家已對應急資源調配問題展開諸多研究。Doan等［2］研究了多個城市同時發生多種災害的情況下，利用隨機優化方法實現所有災民滿意程度最大化的國家稀缺資源調配方案。宋英華等［3］在應急物資調配中考慮了災民行動能力的異質性，以成本最小和有效物資滿足率最大為目標構建了模型。王妍妍等［4］針對多災點多階段的應急物資調配問題構建了多目標模型，以實現救援物資調配成本和送達延遲成本最低。呂偉等［5］考慮到救援過程中各災點應急物資需求量與時間窗約束不同，研究多災點、多物資調配問題。這些研究以總響應時間最小化、救援成本最小化及覆蓋能力最大化等目標為主構建資源調配模型。
鑒于突發事故的特殊性，應急救援大多在信息不確定的情況下進行。學者們從需求不確定性、事件動態變化、事件情景分析等角度對應急物資調配進行了研究。Nelas等［6］分別構建了以覆蓋程度最大為目標的確定型和隨機型模型，并通過情景描述法描述事件發展的隨機性。Liu等［7］考慮到特大地震災后活動的需求及運輸時間的不確定性，提出一種災后救災隨機模型。趙紅澤等［8］基于煤礦事故的應急救援實際，對混合案例檢索方法進一步改進，以實現應急物資需求量預測。張公讓等［9］基于前景理論刻畫了突發事件背景下公眾恐慌心理對物資需求量的影響，實現應急物資調度的科學性與準確性。王飛躍等［10］以區間數表示不確定需求，建立了基于路況的救援行動成本最小化和資源分配公平度最大化的應急物資配送模型。莊媛媛等［11］通過SEIR模型對傳染病暴發后應急醫療資源需求量進行預測，并以資源缺貨損失最小、分配距離最短為目標構建模型，實現了應急資源調配。其中，部分學者所采用的隨機規劃等理論依賴精準的歷史統計數據，否則難以生成參數隨機分布曲線。
綜上所述，結合建設工程施工安全事故特點和應急情景下資源調配問題的研究文獻相對較少。因此，本文以情景應對模式為基礎，對建設工程施工安全事故歷史案例進行情景分析，同時考慮目標情景的特殊性，計算出各類資源模糊需求量。構建以資源運輸成本和超時懲罰成本最小化為目標的應急資源調配模型，為相關應急救援部門提供科學的參考。
1 建設工程施工安全事故情景分析
突發事件通常難以預測，在應急處置過程中，參考已有經驗是一種十分有效的方法。而情景分析方法可以作為初步評估應急資源需求、確定應急資源調配的依據，降低決策風險。具體處置流程包括事故信息確認、事故情景因素提取、情景相似度匹配、應急資源調配優化及事故追責。
1.1 建設工程施工安全事故情景因素提取
事故案例的文本信息構成較為冗雜，難以直接利用，扎根理論作為一種質性研究的常用方法，能夠幫助歸納、整理和提煉原始事故資料，并作為源情景構成及檢索的依據［12］。本文利用扎根理論對所收集的建設工程施工安全事故調查報告進行三級編碼，即開放式編碼、主軸編碼和選擇性編碼。通過對報告信息的概念化處理，進一步對提取的概念進行對比分析與整合，從而生成核心范疇、主范疇和初始范疇，以提煉出建設工程施工安全事故情景因素。
1.1.1 初始概念與初始范疇的確定
通過對原始資料的反復閱讀，剔除與主題無關的內容，并對重要語句進行標注，最終得到超過200條原始語句和相應的初始概念。對初始概念進行多次整理和對比后，形成37個初始范疇。
1.1.2 主范疇與核心范疇的確定
主軸編碼是對開放式編碼概念和范疇的再提煉，進而整合成更加精準的7個主范疇。最終，通過選擇性編碼找出核心范疇，分別是事故事件、事故損失、環境背景和救援行動，建設工程施工安全突發事件情景因素提取結果如圖1所示。
1.1.3 理論飽和度檢驗
本文對10例建設工程施工安全事故報告進行開放式編碼。結果表明，無法再提取新的概念范疇，即理論已達到飽和狀態。
1.1.4 情景信息構成因素分析
根據扎根理論的分析，并結合以往情景界定的方法和規范要求，歸納整理出情景因素。將情景因素分為兩級，將核心范疇作為1級情景因素，將主范疇和初始范疇作為2級情景因素，包括事故類型、事故原因、事故等級等。
1.2 建設工程施工安全突發事故情景相似度計算
在本文中，主要考慮情景因素權重、結構相似度、屬性相似度，進而求得全局相似度，分析其對情景相似度的影響。
1.2.1 情景因素權重確定
情景因素權重的確定是計算情景相似度的重要依據，表示不同情景因素對相似度計算的重要程度。本文采用較為普遍的德爾菲法來確定權重信息。
邀請工程建設領域資深從業人員及高校專家組成專家組，采用李克特量表對1級和2級情景因素在應急救援過程中的重要性程度進行正向化評分，即“5、4、3、2、1”。經過多次反饋與修正，確保專家的評分分值與均值的離差不超過均值的20%。在對評分結果的最終均值進行歸一化處理后，得到最終權重wu。假設第u項因素的評分分值的均值為x，由于采用正向評分方式，則wu為
1.2.2 情景因素結構相似度計算
建設工程施工安全突發事故情景狀態較為復雜，難以搜集到全部因素信息，因此，利用結構相似度來反映情景因素缺失對情景相似度的影響。本文將計算目標情景與源情景中特征因素交集和并集所占權重的比值計為結構相似度值，公式如下
式中，So表示目標情景的情景因素集；Sn表示源情景的情景因素集；sim1（So，Sn）表示目標情景與源情景的結構相似度；WSo∩Sn表示So與Sn交集的權重之和；WSo∪Sn表示So與Sn并集的權重之和；wu表示So與Sn的情景因素交集中第u個屬性的權重；wv表示So與Sn的情景因素并集中第v個屬性的權重。
1.2.3 情景因素屬性相似度計算
本文將情景因素屬性分為枚舉型屬性、數值型屬性、模糊型屬性三類。
（1）枚舉型屬性。包含事故類型、事故信息、施工作業狀態、地理環境、道路情況等2級因素屬性。當2個因素屬性值相同時，相似度計為1；反之計為 0，公式如下
式中，SⅠov為目標情景第v個枚舉型屬性的值;SⅠnv為第n個情景中第v個枚舉型屬性的值。
（2）數值型屬性。施工安全事故發生后，事故點傷亡人數、被困人數等信息可能無法得到準確數值，只能得到大致區間。因此，采用負指數法計算數值和區間數之間的相似度［14］，公式如下
式中，SⅡov=［SLov，SRov］為區間數; R、L分別為情景中要素v取值范圍的最大值和最小值。
（3）模糊型屬性。屬性為模糊語言變量時，將其轉化為三角模糊數，采用式（5）計算局部相似度，公式如下
式中，Sov、Snv為三角模糊數，Sov=（SLov，SCov，SRov），Snv=（SLnv，SCnv，SRnv），SLov≤SCov≤SRov，SLnv≤SCnv≤SRnv。
1.3.4 情景全局相似度計算
在前述相似度計算的基礎上，將屬性相似度加權求和后乘以結構相似度，得出情景全局相似度，公式如下
sim（So， Sn）=sim1×∑v∈Vsim2×wv""""""""""" （6）
1.3 資源模糊需求量預測
考慮現實應急救援中的不確定性和特殊性，本文引入三角模糊數對最相似源情景參考值做進一步修正，最終得出當前應急資源需求量預測值。
假設Xk為最相似源情景中k類資源的需求量，PkS0為各類資源模糊需求量，構建應急資源模糊需求量預測模型，公式如下
式中，Xk為源情景中k類資源的需求量；sim（So，Sn）為源情景So與情景Sn的全局相似度。
2 考慮模糊需求的應急資源調配模型構建
2.1 模型假設
在考慮事故點需求不確定性的約束下，本文構建了情景應對模式下的應急資源調配模型。
考慮應急資源調配實際情況，對該模型構建提出以下假設：①各事故點資源需求信息存在不確定性，采用三角模糊數描述；②各事故點位置、備選救援點位置及其物資儲備量已知；③救援車輛在道路內勻速行駛，且無道路擁堵等風險；④救援點出動時間和事故點最佳救援時間已知。
2.2 符號定義
M為候選救援點Mi集合，i∈I；N為應急事故點Nj集合，j∈J；K為應急救援資源種類k集合，k∈K。模型參數及其定義見表1。
2.3 模型建立
建設工程施工安全事故發生后，基于各事故點資源需求量的不確定性，構建以資源調配和超時懲罰成本最小化為目標的應急資源調配模糊約束規劃模型，即。
式（9）表示若救援點Mi未在最佳救援時間內到達事故點Nj的時間懲罰成本系數；式（10）表示救援點Mi供應的k類資源總量應滿足事故點Nj的需求; 式（11）表示救援點Mi對k類應急資源供應數量不應大于其儲備量；式（12）表示備選救援點Mi被選中后，方可執行調度計劃。
2.4 模型求解
由于規劃模型中的約束（10）中涉及模糊變量，直接對模型求解較為復雜。因此，本文采用可信性的模糊機會約束規劃方法來處理模糊變量［15］。
事故點Nj對第k類應急資源的模糊需求量pkj=（pkLj，pkCj，pkRj），pkLj和pkRj表示模糊需求量的下限和上限，pkCj表示可能性最大的需求量，pkLj≤pkCj≤pkRj。假設置信水平為λ（0.5≤λ≤1），運用上述方法將約束（10）改寫為
該模型為整數規劃線性模型，運用MATLAB R2022a平臺對整數規劃模型進行編程，并使用YALMIP工具箱調用CPLEX求解器進行求解。
3 算例驗證
3.1 建設工程施工安全事故情景構建
以某建設工程施工安全事故為例，以該項目混凝土模板坍塌突發事故情景為目標情景So，該情景可描述為：澆筑區北側剪力墻底部模板拉結螺栓斷裂，發生脹膜，混凝土外流。與此同時，施工作業人員繼續對上部進行混凝土澆筑施工，荷載超出底部承載程度，混凝土和支架瞬間坍塌，致使12名建筑工人被困，3人被墜物砸傷，風力 2級，天氣晴，道路暢通。
由1.1中具有代表性的情景因素作為源情景數據示例，將事故現場情景基本信息總結歸納，得到情景因素及其屬性取值結果，情景因素取值見表2。
根據計算結束可得，S2與So的相似度最高。由此，將S2中的應急資源類型和數量作為目標情景應急資源需求量的參考。
3.2 應急資源調配場景設計
以最相似情景的資源需求類型作為參考，單一事故點N所需的應急資源包括破拆設備、清障車、食物飲用水、監測設備和急救車。救援點M1、M2、M3、M4、M5為事故點N提供各類應急資源。事故點最佳救援時間為80min以內，救援點出發準備時間為20min。 救援點Mi的資源存量見表3， 救援點Mi到事故點N的救援費用見表4， 救援點Mi到受災點N的距離見表5，事故點N的資源模糊需求見表6。
為了進一步凸顯本文所建立的模糊需求資源調配模型的優勢，在本節設計如下兩種場景進行分析和比較：
（1）場景1。直接利用最相似情景S2中各類資源需求量作為目標情景So需求預測量，對各類資源進行調配，即傳統確定需求規劃模型。
（2）場景2。結合最相似情景S2中各類資源需求量，通過式（7）計算目標情景So的資源模糊需求量，對各類資源進行調配，即2.3節所建立的模糊需求規劃模型。
3.3 資源調配規劃模型求解
本節根據上述數據分別對場景1和場景2模型進行求解并分析。在安全事故突發初期，考慮到救援活動的時間緊迫性，參數η1=0.85，η2=0.15。
針對不同置信水平下目標函數的取值進行敏感性實驗，以確定最小的置信度。通過多次實驗結果，發現救援點應急資源調配成本與置信水平之間存在密切關系。隨著置信水平的提高，為滿足高置信水平下的約束條件，需投入更多成本。但當置信水平達到0.95后，成本上升趨勢明顯變得平緩。由此，計算最小置信度為0.95，且以下實驗均在λ=0.95的置信水平下進行。
根據3.2節中所列數據，最終求得在場景1中資源調配成本為16.56萬元，在場景2中資源調配成本為22.64萬元。救援點Mi資源調配方案如圖2所示
從成本角度來看，場景1所選擇的方案投資總成本相對較低。在場景2中，因考慮了救援時期各類資源需求的不確定性，選擇了更多的救援點和救援資源以滿足更惡劣情況下的事故點需求，直接導致配送成本和固定出動成本的增加。通過場景1和場景2的資源調配方案與各資源現實需求量的對比可以發現，場景1中部分類型資源并不能完全滿足事故點需求。而在考慮了需求不確定性的場景2中，各類資源調配不僅能很好地滿足當前的需求，即使在事故發生進一步惡化后，規劃結果仍能保證調配量相對于需求量具有的一定緩沖空間。
綜上，確定性資源調配模型在成本方面更具優勢。然而，考慮到救援風險和衍生事故的發生，本文構建的考慮事故點需求不確定性的模糊約束規劃模型更加符合實際情況，更能滿足事故點應急資源需求。
4 結語
本文通過扎根理論建立了建設工程施工安全事故的兩級情景因素體系，對施工安全事故情景因素屬性進行分析。將與目標情景相似度最高的情景作為救援參考，從而將未知的資源需求量轉化為預測參考值。
利用情景應對模式計算得到了資源模糊需求量，確定了優化目標并構建了模糊約束規劃方程，滿足事故應急資源調配的時效性和經濟性。與確定需求下的資源調配模型相比，本文所構建的需求不確定條件下的模糊約束規劃模型更符合
實際，可以更好地應對衍生事故發生時需求量增加的情況。
未來，將進一步搜集事故情景，并豐富情景屬性數據，提高應急資源調配模型精度。
參考文獻
［1］中國建筑業協會.2021年建筑業發展統計分析［R］.2021.
［2］DOAN X V，SHAW D.Resource allocation when planning for simultaneous disasters［J］.European Journal of Operational Research，2019，274（2）：687-709.
［3］宋英華，汪雅馨，馬亞萍，等.考慮災民類型多模式協同應急疏散調度研究［J］.中國安全科學學報，2021，31（11）：135-140.
［4］王妍妍，孫佰清.多受災點應急物資動態多階段分配模型研究［J］.中國管理科學，2019，27（10）：138-147.
［5］呂偉，李志紅，馮滿滿，等.考慮資源和時間窗約束的應急物資調配模型［J］.中國安全科學學報，2019，29（12）：137-143.
［6］NELAS J， DIAS J. Optimal emergency vehicles location： an approach considering the hierarchy and substitutability of resources［J］.European Journal of Operational Research，2020，287（2）：583-599.［7］LIU Y， LEI H， ZHANG D， et al. Robust optimization for relief logistics planning under uncertainties in demand and transportation time［J］.Applied Mathematical Modelling，2018（55）：262-280.
［8］趙紅澤，張超力.煤礦應急物資需求預測與虛擬演練系統研究［J］.煤炭工程，2021，53（4）：172-176.
［9］張公讓，曹林，楊雪潔，等.考慮公眾恐慌心理的突發公共衛生事件應急醫療物資調度研究［J］.物流科技，2023，46（7）：32-38.
［10］王飛躍，郭換換，裴甲坤，等.不確定條件下應急資源分配區間規劃模型研究［J］.中國安全生產科學技術，2019，15（10）：107-113.
［11］莊媛媛，張克勇.基于SEIR模型公共衛生事件下物資分配優化研究［J］.山東大學學報（理學版），2023，58（3）：109-120.
［12］劉家國，劉巍，劉瀟琦，等.基于扎根理論方法的中俄跨境電子商務發展研究［J］.中國軟科學，2015，297（9）：27-40.
［13］羅建國，謝芷薇，莫麗榮.導生交往模式與研究生學術能力發展——基于扎根理論的質性分析［J］.學位與研究生教育，2021，340（3）：15-20.
［14］李永海.基于相似案例分析的決策方法與應用研究［D］.沈陽：東北大學，2014.
［15］劉寶碇，趙瑞清，王綱.不確定規劃及應用［M］.北京：清華大學出版社，2003.
收稿日期：2023-11-27
作者簡介：
張煒（1977—），男，博士，副教授，碩士研究生導師，研究方向：應急決策與管理。
薛亮（通信作者）（1998—），男，研究方向；資源系統優化與管理。
