基于DSR-云模型的斜拉桥施工安全风险评估研究

王寿武 杨雨昕 杨 溢 徐成林 张天昊 何 颖

（1.昆明理工大学公共安全与应急管理学院，云南 昆明 650032； 2.昆明理工大学城市学院，云南 昆明 650032）

0 引言

目前，我国交通事业蓬勃发展，桥梁隧道工程取得了质的飞跃。在各类桥梁施工技术中，斜拉桥施工技术的不断完善，使得斜拉桥的总体施工质量不断提升，但斜拉桥在施工中仍存在很多的风险因素，使桥梁工程在施工安全方面面临极大的挑战[1]。因此，为将斜拉桥的施工风险控制在合理范围内，必须对斜拉桥施工风险进行安全评估。

目前国内对于施工安全问题及相关的评价措施等已有大量研究，在控制桥梁的施工风险方面，国内外前辈采用专家调查法、事故统计法、故障树理论以及WBS-RBS及层次分析法等进行风险识别和评估[2]。徐佳昕[3]对施工安全的评价采用了层次分析法，对风险事故的原因进行分层，分析潜在的风险因素。陈国华[4]采用WBS-RBS与层次分析法结合的评估模型，该作业单元的风险等级由该评价模型确定。而本文引入DSR模型建立评价指标体系，通过对环境驱动力、指标状态的监测、响应措施建立一个较为全面的指标体系；再结合综合权重的模式与云模型相结合，解决评价中的模糊性与随机性，并以勐古怒江特大桥为实例进行评估。

1 斜拉桥施工风险评价指标体系构建

本文通过数据统计法、文献分析法以及查询相关规范等方法，对斜拉桥因施工导致的事故进行分析，并根据DSR模型按照环境驱动力、指标状态以及响应措施三方面建立评价指标体系；根据层次分析法对指标进行分层，构建出斜拉桥施工风险评价指标体系。并邀请相关领域的专家进行指标打分赋值，运用层次分析法-熵权法（AHP-EW法）和云模型理论对各个指标进行评价。并对其结果进行验证分析，验证该体系的客观性与科学性。

1.1 评价体系指标确定

1996年，经济发展合作组织首次提出DSR模型概念。由环境驱动力D (Driving Force)，指标状态S(State)以及响应措施(Response)组成DSR模型[5]。其中环境驱动力代表着斜拉桥外部环境因素对桥梁造成风险因素的总和，此部分风险因素对指标的监测状态和后续的响应措施都有着一定程度的影响。指标状态表示特定时段桥梁所处的状态和变化情况，它是桥梁是否安全的主要评判准则，并为响应措施提供相关信息。响应措施是指采取某些措施以避免或减少因施工过程中产生的驱动力所导致的不利情况发生。图1是在DSR模型的基础上建立的桥梁安全评价指标体系，最终确定了20个细化指标。

1.2 评价体系权重确定

当前常用于主观权重的确定方法有优序图法、G1法、层次分析法等；客观权重的确定方法有相关系数赋权法、熵权法、主成分分析法等；本文将使用层次分析法与熵权法相结合以便得到最优权重组合。

1.2.1 层次分析法确定主观权重

将定性、定量分析相结合的决策分析方法称为层次分析法。即将评价指标体系主要分为三层，建立出层次结构，再将各指标的重要度进行两两比较，计算其重要程度，最后得出结果。具体步骤如下：

（1）采用1～9标度法，确立判断矩阵 。

（2）矩阵的一致性检验及权重的确定。

若Ic＝0时，则该矩阵具有完全一致性；若Ic≠0，则需对R（I随机一致性比率）进行验算。若Ic/RI＜0.1，则认为该矩阵具有一致性。最后将所得的初始权重系数记为各个指标的权重系数，即指标层次权重Aj*。

1.2.2 熵权法确定客观权重

熵权法是一种客观赋权法。具体步骤如下：

（1）建立评价指标矩阵X'。设有n个2级指标，m个1级指标，矩阵（i=1,2,3……m；j=1,2,3……n）如下：

（2）矩阵标准化。评价指标的单位不尽相同，故需要做归一化，标准化处理，归一公式如下：

（3）计算第j个1级指标占比第i个1级指标比重pij。

（4）计算指标所对应的熵值Ej与信息熵冗余度dj。

1.2.3 综合权重计算

将专家打分，运用层次分析法进行指标赋权，对斜拉桥施工安全风险进行大概的权重分配，最后得到主观权重。但层次分析法受到人为因素干扰严重，故引入熵权法。熵权法是以斜拉桥评价指标的实际数据为依据展开计算，从而得到客观权重。将主客观权重相结合，减少主客观评价不均匀的影响。计算如下式：

1.3 云模型

1995年，学者李德毅将云模型基本理论首次公开。正态云模型的数字特征用E（x期望值）、E（n熵）、H（e超熵）表示。Ex代表云的分布中心，用来表示施工安全的分类等级；En代表取值范围；He代表熵的熵值。云模型使得随机性和模糊性的问题有了更妥善地解决。

1.3.1 确定标准云

参考专家意见，结合评语集提出4个风险量等级；以及根据斜拉桥施工安全规范，将有效论域定为U=[Xmin，Xmax]，确定出标准云数字特征，见表1所示。

表1 风险等级划定及云模型数字特征

1.3.2 确定指标云

通过对专家调研获取的指标打分值，采用逆向云发生器，求出各级指标评价云。如(9)～(11)计算：

1.3.3 确定综合云

将综合权重带入指标评价云，得到综合评价云。如(12)～(14)计算：

2 斜拉桥施工安全风险评价云模型应用

2.1 工程概况

云南省坐落在我国西南部，地貌多样，且地质条件较为复杂。勐古怒江特大桥全长1333m，桥面有效宽度25.5m。主桥是100m+240m+100m双塔三跨半漂浮体系斜拉桥，斜拉索采用扇形布置，双索面。

2.2 计算指标确定

基于图1所示的斜拉桥施工安全评价指标体系，结合实地调研，邀请20位专家对20项指标进行打分。采用层次分析法算出主观权重，以减少个体差异产生的误差；再用熵权法算出客观权重，最后得到综合权重，具体见表2、表3所示。

表2 一级指标权重

表3 二级指标权重

2.3 云模型综合评价

2.3.1 确定评价标准云

评价集是通过参考相关规范和标准，结合专家的意见，形成的斜拉桥施工安全评价结果。本文将风险量集分为四个等级：Ⅰ级[0，25]，Ⅱ级（25,50]，Ⅲ级（50,75]，Ⅳ级（75，100]，如图2所示。

图2 风险等级标准云图

2.3.2 确定评价指标云

经式（9）～（11）计算方法，算出各一级指标的特征参数，见表4所示。

表4 指标云数字特征参数

由表4可知，环境驱动力的期望较低，为63.19分，表明外部环境因素导致的施工风险处于较高的水平。同理，指标状态的期望为71.71分，表明在指标监测方面的施工风险也处于较高水平。最后措施响应的期望为83.41分，表明措施应对方面的施工风险处于较高水平。通过计算，并使用matlab软件绘制出评价指标云图，如图3。

图3 评价指标云图

由图3可知，环境驱动力D位于Ⅲ级指标以内，由此可见环境驱动力的施工风险较高；同理可知，指标状态介于Ⅲ级、Ⅳ级指标之间，但是更加偏向于Ⅲ级，故可知指标状态与响应措施的施工风险较高；响应措施R也是介于Ⅲ级、Ⅳ级指标之间，但是更加偏向于Ⅳ级，故响应措施的施工风险高。

2.3.3 确定综合评价云

将熵权法与层次分析法算出的综合权重和各指标的云数字特征参数带入式（12）～（14），绘制出综合评价云图，如图4所示。

图4 综合评价云图

2.3.4 结果分析

综合评价认为，斜拉桥的施工风险位于Ⅲ级、Ⅳ级指标之间，但是更加偏向Ⅲ级，故位于高原山区峡谷地带的斜拉桥施工风险是较高的。结合各级指标的专家打分情况以及评价指标云来看，3个一级指标都存在较高的风险，例如一级指标环境驱动力中的环境风速D3，环境温度D4，吊装系统缆索跨径D6，指标状态中的起重索拉力监测S4，牵引索拉力监测S5，响应措施中的控制偏心应力应对措施R3，环境温度变化应对措施R5等指标还存在一定的问题，需要在安全方面进一步加强管理，施工单位应严格把关各项进程，减少错误的发生。

3 结束语

综上所述，本课题结论如下：

（1）本文将DSR模型用于斜拉桥的施工安全评估中，分别从环境驱动力、指标监测以及响应措施三个方面出发，逐步细化，构建一个有3个一级指标，20个二级指标的斜拉桥施工风险评价指标体系。可为以后斜拉桥施工风险评估提供一定的参照。

（2）利用AHP-EW法对指标进行主客观权重的确定，再通过组合赋权将权重的主观性和不确定性降低。同时，利用云图的优势，更加直观地反映出指标的优劣程度，增强了模型的准确性与客观性。

（3）结合实例，对勐古怒江特大桥的施工实例对指标体系进行分析。表明其整体的安全状态为“施工风险较高”，并为施工安全管理提供了建议。