基于ANP-TOPSIS的地铁建设项目施工风险评价①

(青岛理工大学 管理工程学院 山东 青岛 266520)

0 引 言

21世纪是大力发展轨道交通的时代，随着城镇化脚步的加快和国民经济的快速发展，急剧增长的城市人口数量使得我国的交通问题日益严重。 地铁因为节省土地资源、噪音小、客流量大等特点迅速发展起来。地铁项目的建设是一项复杂且风险性非常高的工程， 因其施工环境复杂、规模大、施工工期长等一系列因素导致近年来地铁施工事故频发[1]，安全事故的发生不仅会导致周围建筑物产生损毁、人员伤亡等，而且还给施工单位、社会造成经济上的巨大损失和严重的社会影响。鉴于此，对地铁施工进行风险评价显得尤为重要，故引入网络层次分析法和逼近理想解法对地铁施工安全进行风险评价，将两种方法结合起来，构建地铁施工风险评价新模型。通过定量分析结果，客观的描述地铁施工的安全状态，并结合实际工程案例对应的提出提高地铁施工安全水平的管理措施，为城市地铁施工安全风险研究提供参考。

1 地铁施工安全风险评价体系的构建

构建指标体系是进行地铁施工风险评价的根本工作，其构建的科学性、合理性直接影响着评价结果的准确性。从地铁建设项目施工的客观系统入手建立指标体系，遵循系统性、独立性和客观性等原则[2]，保证风险评价指标体系能从不同的方面客观地反映出该系统的实际施工情况，可以较大水平上体现出该评价的意义。因此，参照相关文献且根据实际工程从施工设备、技术、环境、人员和管理五个方面构建评价体系，具体如表1所示：

表1地铁施工风险安全评价指标体系

准则层指标层参考文献施工设备因素B1安全防护设施C1闫文周[6]新型设备运行状况C2王晓磊[5]施工设备的适应性C3王晓磊[5]施工技术因素B2渣土外运C4赵金先[4]爆破参数设计C5赵金先[4]注浆施工工艺C6王晓磊[5]地质探测和预报C7张飞燕[7]机械排水C8张飞燕[7]施工环境因素B3地下管线C9张飞燕[7]地质复杂C10闫文周[6]自然灾害C11闫文周[6]围岩坍塌C12赵金先[4]地面沉降C13张飞燕[7]施工人员因素B4施工人员安全意识C14闫文周[6]操作规范程度C15赵金先[4]技术熟练度C16赵金先[4]施工管理因素B5安全管理制度C17陈艳[3]施工组织结构C18陈艳[3]施工现场安全管理C19陈艳[3]

2 ANP-TOPSIS评价模型的建立

2.1 ANP方法

网络层次分析法[8]在层析分析法的基础上进行优化改进，是一种能够适应内部具有复杂依存关系的科学决策方法。网络层次分析法充分将不同因素的相互影响关系与网络结构相结合，对系统中的因素进行全面细致分析，是一种定性与定量相结合的方法。网络层次分析法的具体步骤如下：

(1)首先建立超矩阵，指标体系控制层中包含了元素B1，…Bn，网络层包括元素组C1，…，Cn，其中Ci中有元素ui1，…，uin，i=1，…N。将准则层中各元素Bs(s=1，…m)作为主准则，以Cj中元素ujl(l=1，…，nj)为次准则，把Cj中的元素之间的重要性进行相互比较，即构成判断矩阵，并对其归一化处理；接着构造权重超矩阵，对于网络层元素组中的列元素Cj(j=1，2，…，m)中的各元素对行元素Ci(i=1，2，…，n)的影响力大小作优势度对比和排序，同时进行相应的归一化，求出相应的特征向量，组成了加权矩阵W，以无权重超矩阵Xij乘以加权矩阵W，即可得到权重超矩阵Xk。

Xk=WXij(k=1,2,…,n)

(1)

(2)最后求解极限超矩阵Xs。

Xs=limk→Xk

(2)

式中：Xs为极限超矩阵。

此时得到的XS是网络层中的各元素在准则层下对其影响度的对应权重。

2.2 TOPSIS方法

TOPSIS方法是在系统工程中对有限方案进行多目标决策分析的一种常用方法[9]，它是根据众多个评价对象与理想化目标的贴近度进行排列的方法，是对现在已有对象进行相对优劣的多属性评价。其中有两个理想化的目标，一个是肯定的理想目标或者被称为最优目标，另一个是否定的理想目标或者是最劣目标，该方法认为与肯定的理想目标最近的距离，且与否认的理想目标最远距离的目标即是最好的对象。TOPSIS方法是一种理想目标相似性的顺序选优模型，在多目标决策分析中是一种非常有效的方法。可以用于效益评价、社会和管理等各个领域，该方法对样本数据无特殊要求，使用过程灵活简便，所以它的应用范围日益广泛。

TOPSIS 通过检测评价对象与正理想解与负理想解的距离来进行排序，评价对象最靠近正理想解同时又远离负理想解为最好，反之则为最差。具体步骤如下：

1)构造初始判断矩阵。设待评价项目为m个，评价指标为n个。因此建立初始判断矩阵Z为：

Z=(fij)m×n

(3)

式中：fij表示第i个项目的第j个评价指标；i=(1,2，…，n)，j=(1,2，…，m)

(4)

式中，fij由判断矩阵给出。

3)构造加权标准化矩阵,以上述利用 ANP求得的各指标的权重总排序乘以决策矩阵Z′可以得加权标准化矩阵Z*:

Z*=∂Z'

(5)

式中：∂为各指标权重总排序。

4)确定正理想解和负理想解。

(6)

(7)

那么用欧几里得范数作为距离的测度，可以得到欧式距离公式为：

(8)

(9)

(10)

2.3 ANP-TOPSIS模型评判

基于计算求得的贴近度可以构造出判断矩阵，同时与各指标层的权重分配相结合，可以取得样本综合评价向量，根据评价向量结果进行等级划分，与参照值进行比较，得出评价对象的等级，如下所示：

F=wE

(11)

式中：F为综合评判结果向量；w为ANP法计算得出的准则层权重；E为贴近度判断矩阵。

3 案例分析

3.1 工程概况

青岛地铁一号线是山东省青岛市规划运营的一条跨海地铁路线，路线起于峨眉山路段，止于东郭庄站，该地铁路线的总体趋势呈现南北走向，全长为60.11km，全部为地下线路，设置的车站数量为41座，全部为地下车站， 采用6节编组B型列车。笔者大体是以地铁一号线相干工程开展分析研究。

3.2 指标权重的确定

考虑到指标的科学性和合理性，特意邀请风险分析专家对地铁施工风险因素进行打分，分值采取1-9标度法；因为原始的数据量较多，并且ANP方法的计算步骤比较复杂，所以对原始的数据进行了处理，并运用Super Decisions(SD)进行数据的计算。首先将表中的5个准则和19个指标输入到软件中，建立起组与组，节点与节点之间的联系，并形成相应的指标权重模型。然后将专家得分的结果输入到SD软件中，形成了不同评价准则下互相比较之间的判断矩阵，它们在经过一致性检验后，得出相应的各指标权重。利用软件求出各指标的权重，并同时对权重进行总排序，地铁施工安全风险评价体系三级指标总排序见表2。

表2地铁施工安全因素归一化权重排序

安全风险因素权重安全防护设施C10.0094新型设备运行状况C20.0196施工设备的适应性C30.0229渣土外运C40.0542爆破参数设计C50.0962注浆施工工艺C60.1025地质探测与预报C70.0221机械排水C80.0527地下管线C90.0924地质复杂C100.1037自然灾害C110.0371围岩坍塌C120.0203地面沉降C130.0301施工人员安全意识C140.0318操作规范程度C150.0710技术熟练度C160.0628安全管理制度C170.0235施工组织结构C180.1014施工现场安全管理C190.0463

3.3 ANP-TOPSIS评价

通过大量阅读搜集的文献得知，许多学者将工程项目的施工安全根据风险的影响程度数值分为五个级别，I级，II级，III级，IV级和V级。它们分别表示的风险水平为稍有风险，一般风险，显著风险，高度风险，极其危险。特邀请8位专家根据地铁实际施工情况对各指标进行打分，经过加权计算得到的分值即参照值。关于地铁一号线某标段的施工安全状态等级评价标准见表3，其安全状态等级的临界值是根据《地铁工程施工安全评价标准》确定的。

表3地铁施工安全等级评价标准

通过表4构建初始判断矩阵P，其中P的每一行是三级指标C1，C2，C3。前4列是专家根据地铁实际施工情况进行打分所得的分值，第5列则是参照值，则有：

根据上述公式(4)和(5)的处理，可以得到该指标的正负理想解：

V1+=(0.0400，0.0319，0.0375)T

V1-=(0.0290，0.0266，0.0358)T

按照公式(8)、(9)和(10)的计算可以得到与正理想解的贴近度，E11=0.5800，E12=0.6203，E13=0.4887，E14=0.5521，E15=0.5240。同理可得技术、环境、人员和管理因素的贴近度分别是：E21=0.5394，E22=0.7364，E23=0.5075，E24=0.2078，E25=0.4549；E31=0.4527，E32=0.0.5687，E33=0.3672，E34=0.4613，E35=0.4371；E41=0.6096，E42=0.4213，E43=0.4567，E44=0.5249，E45=0.5168；E51=0.2978，E52=0.7812，E53=0.5943，E54=0.3562，E55=0.6149。

可以将上面计算得到的贴近度构造成贴近度矩阵E，根据ANP法计算得到的准则层权重矩阵为w=(0.0519，0.3277，0.3299，0.1656，0.1249)，根据上述公式(11)可知：

F=wE=[0.4943，0.6285，0.4627，0.3803，0.5019]

其中

由上述结果可知，地铁施工各个不同安全级别的量化标准，见表4。其中，可以从表中获知参照标准为0.5019，地铁一号线相干工程的施工安全等级介于I级与II级之间，为一般风险。由于具体工程的施工管理得当，且此次风险评价中选择了合理的评价指标，评价结果表明该地铁施工风险的等级在可接受范围内，与地铁实际施工现状相符。

表4 安全等级标准

根据结果得知，施工设备风险因素的量化值为0.5240，技术风险因素的量化值为0.4549，环境风险因素的量化值为0.4371，人员风险因素的量化值为0.5168，管理风险因素的量化值为0.6149。其中环境风险因素的量化值最低，应从地下管线的排布，地质情况以及周边环境等方面出发，建筑施工单位应在规划设计阶段要选择合理施工位置，仔细勘察地下管线的分布情况，对地质脆弱和复杂地段及时采用非常措施，对周边建筑物进行巡查或检测并做好记录工作，确保施工安全。

4 结 语

通过以青岛地铁一号线为例，利用ANP-TOPSIS模型对地铁施工风险进行评估，得出以下几方面的结论：

(1)首先根据风险管理的相关理论，在对相关文献进行研究和专家调查的基础上，构建了地铁施工安全风险评价指标体系，然后运用ANP-TOPSIS方法进行评价，通过实际案例对评价结果进行演示以及说明模型的合理性、实用性和易操作性。

(2)使用的ANP-TOPSIS组合赋权法是在使用传统的ANP方法得到相应的专家判断矩阵并进行一致性检验的基础上算出权重，同时将得到的权重用于优劣解距离法中，使得TOPSIS评价模型得出的计算结果更严谨，更能进行准确全面的分析；同时ANP方法与TOPSIS模型的结合在一定程度上弥补了计算结果单一性的缺点，提高了评价结果的科学性。

(3)结合青岛地铁一号线得出该工程的施工安全等级为II级，为一般风险，与地铁实际施工情况相符合，表明了该评价模型的合理性。同时评价结果指出了影响地铁施工安全的主要风险因素，据此提出提高地铁施工安全的相应措施，为城市地铁施工风险提供一定的借鉴和参考。