平自要，李玉梅

（1．河南省收費還貸高速公路管理中心，河南 鄭州 450016；2．河南省交通科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，河南 鄭州 450005；3．河南省道路材料與結(jié)構(gòu)工程技術(shù)研究中心，河南 鄭州 450001）

0 引 言

隧道施工因其技術(shù)的復(fù)雜性和實施的不確定性等，成為公路工程建設(shè)過程中的高風(fēng)險環(huán)節(jié)，因此隧道施工的風(fēng)險評估問題顯就得尤為迫切。

在隧道及地下工程風(fēng)險研究領(lǐng)域，美國學(xué)者Einstenin作為代表人物較早地界定了地下工程風(fēng)險研究所遵循的理念及風(fēng)險分析的特點［1－2］。Struk等人經(jīng)過深入研究，提出了隧道及地下工程風(fēng)險控制的理論框架及方法體系［3－4］。

國內(nèi)針對地下工程及隧道的風(fēng)險研究起步相對較晚，但隨著公路隧道、地鐵等地下工程的建設(shè)，除了逐步引進國外的風(fēng)險管理理論與方法［5－6］之外，近年來國內(nèi)諸多專家學(xué)者針對公路工程的風(fēng)險管理問題也進行了一系列的研究，如李凡［7］從項目管理的角度對公路工程項目管理過程中的多個目標風(fēng)險進行系統(tǒng)分析，并結(jié)合同三高速等實際工程案例進行了風(fēng)險控制研究；俞素平［8］在風(fēng)險分解結(jié)構(gòu)RBS的基礎(chǔ)上對公路隧道施工風(fēng)險進行了系統(tǒng)識別，構(gòu)建了風(fēng)險評估的網(wǎng)絡(luò)分析方法；周樹影［9］就公路工程中的高架工程風(fēng)險管理問題進行了探討，提出了風(fēng)險模糊評估方法并得出對應(yīng)的風(fēng)險應(yīng)對策略；程遠等［10］運用模糊理論，從風(fēng)險發(fā)生概率與風(fēng)險損失相結(jié)合的角度對大跨淺埋隧道施工風(fēng)險進行了評估；曹成勇等［11］針對淺埋大跨度下高速公路隧道施工風(fēng)險評估問題，構(gòu)建了功能系數(shù)評估方法并進行了運算。

綜合上述分析可知，現(xiàn)有的隧道及地下工程風(fēng)險管理已經(jīng)形成了相對系統(tǒng)的框架體系，但針對公路隧道風(fēng)險評估的方法研究相對較少，且上述學(xué)者所采用的研究方法在很大程度上依賴于專家主觀經(jīng)驗來確定相應(yīng)指標的權(quán)重與風(fēng)險程度，在具體風(fēng)險評估實踐中容易失真［12－14］。因此為了提高公路隧道施工風(fēng)險評估的可靠性與準確性，需要結(jié)合公路隧道施工的系統(tǒng)特征提出科學(xué)的風(fēng)險評估新方法。本文以此為出發(fā)點，對一種基于有序加權(quán)（OWA）算子和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的風(fēng)險評估方法進行了研究，以期為公路隧道施工風(fēng)險評估提供方法支持。

1 公路隧道工程施工風(fēng)險評估體系

1．1 指標體系的構(gòu)建原則

對公路隧道施工風(fēng)險進行綜合評估，需要以科學(xué)合理的綜合評估體系作為依托。綜合評估指標體系是風(fēng)險評估的載體，是連接風(fēng)險因素與評估方法模型的橋梁。由于公路隧道施工風(fēng)險的影響因素繁雜且呈非線性的特點，不同類型的風(fēng)險很難納入到相同層面實施分類，應(yīng)以“4M1E”原理為理論依據(jù)，將公路隧道施工風(fēng)險的影響指標按人員、設(shè)備、技術(shù)、材料及環(huán)境5個方面進行分類，從而涵蓋公路隧道施工現(xiàn)場風(fēng)險管理的各個方面。同時，應(yīng)深入研究《建筑施工安全風(fēng)險檢查標準》（JTJ 59—2011）及相關(guān)規(guī)范和法規(guī)，結(jié)合公路隧道施工的具體工序，遵循系統(tǒng)性、目標性、可操作性的原則實施體系構(gòu)建。

1．2 指標體系的構(gòu)建

對公路隧道施工風(fēng)險指標進行歸納，建立層次結(jié)構(gòu)，構(gòu)建涵蓋人員、機械、技術(shù)、材料、環(huán)境5個一級指標以及21個二級指標在內(nèi)的風(fēng)險綜合評估指標體系，如圖1所示。

圖1 公路隧道工程施工風(fēng)險綜合評估指標體系

2 基于OWA－BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的公路隧道施工風(fēng)險評估模型

2．1 評估模型的理論基礎(chǔ)與適用性分析

在完成指標體系構(gòu)建的基礎(chǔ)上首先要對體系內(nèi)各級指標進行權(quán)重的確定。由于公路隧道施工影響因素多且存在相互作用，使得在具體評估過程中得到的是大樣本的評估數(shù)據(jù)，在這種情況下進行權(quán)重確定就要考慮數(shù)據(jù)極端值對計算結(jié)果的影響。為了保證有限數(shù)據(jù)情況下權(quán)重確定的準確性，本文嘗試運用有序加權(quán)（OWA）算子進行賦權(quán)。OWA算子是美國學(xué)者Yager教授提出的一種客觀賦權(quán)方法。該方法通過按照一定的順序?qū)υ紨?shù)據(jù)序列重新排序、集成并根據(jù)位置先行加權(quán)處理，從而對數(shù)據(jù)實行區(qū)別對待，弱化極值的負面作用［15－16］。

公路隧道施工風(fēng)險分析是一個復(fù)雜非線性關(guān)系的動態(tài)系統(tǒng)過程，通常需要根據(jù)多次數(shù)據(jù)變動實施反復(fù)動態(tài)評估。傳統(tǒng)評價方法（如模糊評估法、灰色關(guān)聯(lián)法等）難以滿足這種延展性評估的要求，當數(shù)據(jù)變動時需要重新計算分析，降低了評價的效率。為提高公路隧道施工風(fēng)險評估的效率和延展性，本文嘗試運用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建一種能根據(jù)數(shù)據(jù)變化及時做出調(diào)整，從而實現(xiàn)快速科學(xué)評估的綜合評估模型。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法在模擬非線性關(guān)系、處理復(fù)雜系統(tǒng)多指標評價問題時，具有較好的優(yōu)異性和延展性。

2．2 風(fēng)險評估等級的確定

風(fēng)險評估等級是實施風(fēng)險評估的基礎(chǔ)，是風(fēng)險評估分析的參照。在評估者實施評估之前，出現(xiàn)任何評估結(jié)果的可能性均是未知的，即出現(xiàn)任一風(fēng)險評估結(jié)果均為等可能事件。鑒于此，在風(fēng)險評估等級確定時，采用一種等分區(qū)間的測度方法。按照風(fēng)險程度越高得分越低的原則界定公路隧道施工風(fēng)險測度等級，測度取值區(qū)間為（0，1］，具體測度劃分如表1所示。

表1 公路隧道施工風(fēng)險等級測度

2．3 OWA算子賦權(quán)

運用OWA算子進行各級指標權(quán)重的確定，具體步驟如下。

（1）設(shè)指標Vi的初始數(shù)據(jù)為（a1，a2，…，an），對初始數(shù)據(jù)按照降序的規(guī)則并從0開始重新排列，即初始數(shù)列轉(zhuǎn)化成新數(shù)列（b0，b1，…，bn），其中b0＞b1＞b2＞…＞bn。

（2）利用組合數(shù)對數(shù)據(jù)bj賦權(quán)，求得賦權(quán)向量值

其中：Cjn－1為在n－1個數(shù)據(jù)中選擇j個數(shù)據(jù)后的組合數(shù)。

（3）利用賦權(quán)向量對決策數(shù)據(jù)加權(quán)，計算出指標Vi的絕對權(quán)重值。

（4）求解指標Vi的相對權(quán)重值wi。

根據(jù)上述步驟，可確定指標體系內(nèi)各級指標的權(quán)重。

2．4 基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的風(fēng)險評估

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通常由輸入層、隱含層、輸出層三部分構(gòu)成，輸出層節(jié)點數(shù)由評估對象的實際情況確定?？紤]到本文為量化研究，最終的風(fēng)險評估結(jié)果為確定的數(shù)值，因此確定輸出層節(jié)點數(shù)為1，輸出值的大小表示風(fēng)險等級。關(guān)于中間隱含層節(jié)點數(shù)的確定，目前尚未有明確的科學(xué)方法，故借鑒多數(shù)學(xué)者所采用的經(jīng)驗公式來進行確定。即l＞log2m；l＝示隱含層、輸入層、輸出層節(jié)點數(shù)，最終構(gòu)建的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練圖

在OWA算子確定各級指標權(quán)重的基礎(chǔ)上，構(gòu)建下級指標層到上級指標層的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型，設(shè)置相關(guān)訓(xùn)練參數(shù)進行測試以達到網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)成熟。將收集的訓(xùn)練樣本信息導(dǎo)入訓(xùn)練成熟的網(wǎng)絡(luò)中，得到二級指標評價值，以此與指標權(quán)重進行加權(quán)計算，確定評估目標風(fēng)險等級。

需要注意的是，在將數(shù)據(jù)輸入網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)之前，要先對其進行歸一化處理，使數(shù)據(jù)滿足統(tǒng)一的量綱。當同時出現(xiàn)正向型指標與反向型指標時，分別按公式（5）、（6）實施歸一化處理。

正向指標

反向指標

式中：Xi表示第i個輸入層的輸入值；Oi表示綜合得分值。

3 算例分析

結(jié)合三淅高速公路西坪至寺灣段某隧道施工實踐情況，運用本文構(gòu)建的模型通過權(quán)重計算與評估計算實施綜合風(fēng)險評估。

3．1 權(quán)重計算

6名公路隧道施工管理領(lǐng)域相關(guān)專家組成決策小組，對指標體系內(nèi)各級指標進行重要性打分?？紤]到數(shù)據(jù)處理的有效與快捷，設(shè)置打分區(qū)間為［0，10］，要求打分數(shù)據(jù)為0．5的整數(shù)倍?，F(xiàn)以一級指標V4為例進行權(quán)重計算，打分結(jié)果見表2。

首先對指標V41的得分進行降序處理，得到新序列（8．5，8．0，8．0，8．0，7．5，7．0），根據(jù)專家組情況可知n＝6，由式（1）得出加權(quán)向量wj＝（0．031，0．156，0．313，0．313，0．156，0，031），則V41的絕對權(quán)重＝7．91。

表2權(quán)重打分數(shù)據(jù)

同理可得其余指標的絕對權(quán)重：＝6．91，權(quán)重向量為

同理，各級指標權(quán)重向量為

同理可得出剩余4個一級指標的絕對權(quán)重值。

3．2 評估計算

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評估由Matlab自帶的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱實施計算?？紤]到有一級指標5個、二級指標21個，網(wǎng)絡(luò)結(jié)果相對復(fù)雜，輸入節(jié)點較多，應(yīng)組織人數(shù)較多的綜合評估小組，按照給定的風(fēng)險測度等級對各個指標進行打分評估，并采集指標相關(guān)評估數(shù)據(jù)，選擇訓(xùn)練樣本40組、學(xué)習(xí)樣本3組，實施訓(xùn)練直至滿意。從多次模擬的結(jié)果可知，當訓(xùn)練次數(shù)滿足500次，最小訓(xùn)練速率為0．8，最大允許誤差為0．001，而迭代次數(shù)為800時，模擬效果最好。模擬訓(xùn)練結(jié)果如表3所示。

表3 基于Matlab神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱的訓(xùn)練結(jié)果

由表3分析可知：4個樣本的期望輸出值與實際輸出值均為同一風(fēng)險等級，即“一般”等級；最大誤差的絕對值為0．005 5，說明該評估模型滿足訓(xùn)練精度要求。測試樣本輸出結(jié)果為0．730 9，即本項目的風(fēng)險評估等級為一般，施工管理者暫時無需采取針對性的措施，應(yīng)保持對施工過程的實時監(jiān)測，并持續(xù)進行風(fēng)險評估。隨著施工的開展，對現(xiàn)場評估數(shù)據(jù)實施動態(tài)監(jiān)測與收集，將變動的輸入樣本導(dǎo)入到訓(xùn)練成熟的網(wǎng)絡(luò)中，可實現(xiàn)快速科學(xué)的動態(tài)持續(xù)評估，這是該模型延展性的體現(xiàn)，也符合施工過程動態(tài)控制的目標。

4 結(jié) 語

（1）以“4M1E”理論為依據(jù)構(gòu)建的公路隧道施工風(fēng)險評估指標體系可以較為科學(xué)地反映遂道施工過程的風(fēng)險指標及層次結(jié)構(gòu)。

（2）運用OWA算子結(jié)合BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的綜合評估模型，可以在有限數(shù)據(jù)條件下有效確定各指標的權(quán)重，滿足公路隧道施工風(fēng)險評估復(fù)雜性與延展性等方面的要求。

（3）運用本研究設(shè)計的評估模型對三淅公路西坪至寺灣段某隧道施工實踐進行風(fēng)險評估，結(jié)果顯示該隧道施工的風(fēng)險等級為“一般”，運用本模型可以對該項目進行跟蹤風(fēng)險評估。

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