基于NCM-FPN的古建筑修缮阶段施工安全综合评价_赵平.pdf

文章编号:1009-6094(2023)04-1022-10基于 NCMFPN 的古建筑修缮阶段施工安全综合评价*赵平1，2，刘广川1，2，周婷婷3，曹金凤1，2，饶强1，2(1 西安建筑科技大学土木工程学院，西安 710055;2 西安建筑科技大学国家级土木工程虚拟仿真实验教学中心，西安 710055;3 西安建筑科技大学管理学院，西安 710055)摘要:为有效预防古建筑修缮阶段施工安全事故，提出了基于正态云模型(Normal Cloud Model，NCM)与模糊 Petri 网(Fuzzy Petri Net，FPN)的施工安全综合评价方法。首先，分析古建筑修缮阶段施工特点及风险特性，建立多因素耦合作用下的三脚架事故致因模型(Tripod-Delta)，构建指标体系。然后，将指标体系转换为施工安全多因素耦合 FPN 网络结构，采用 NCM 确定 FPN 指标初始状态，通过逆向搜索策略约简 FPN 冗余指标节点，并运用模糊推理算法与障碍因子诊断模型得出评价结果。结果表明，实例评价结果与现场情况基本一致，协同管理与材料设备是影响古建筑修缮阶段施工安全的关键因素。所提方法能充分表达古建筑修缮阶段施工安全风险的耦合特性，并确定安全管理的关键因素，评价结果客观准确。关键词:安全工程;古建筑修缮;施工安全;三脚架事故致因模型;正态云模型(NCM);模糊 Petri 网(FPN)中图分类号:X947;TU714文献标志码:ADOI:10.13637/j issn 1009-6094.2021.1797*收稿日期:2021 10 09作者简介:赵平，教授，博士，从事土木工程安全施工管理、工程项目控制与决策研究，。基金项目:陕西省社会科学基金项目(2019S047);陕西省重点研发计划项目(2018SF 385)0引言古建筑修缮对保留历史文明古迹具有重要意义1。近年来，随着文物保护政策、弘扬传统文化的观念逐渐深入人心，古建筑修缮步伐不断加快。古建筑修缮阶段发生人员伤亡，以及在修古建筑发生损坏甚至坍塌、焚毁的事故也愈加频繁，如2019 年4月巴黎圣母院火灾事故、2019 年 5 月平遥古城武庙坊坍塌事故等，给古建筑修缮阶段施工安全管理敲响了警钟。施工安全综合评价作为现阶段预防安全事故的主要手段，能确定古建筑修缮阶段整体施工安全状态，明确影响施工安全的关键因素，对提高古建筑修缮阶段施工安全管理水平具有重要意义。目前对古建筑安全管理的研究主要集中在常态下古建筑结构安全及消防安全上2 3，对修缮阶段的施工安全研究较为不足。2020 年，赵平等1 首次研究了多源信息融合下古建筑修缮阶段火灾监测办法，对古建筑修缮阶段施工安全智能控制进行了初步探讨。2020 年，Wang 等4 以中国郑州一古建筑为例，提出采用集对分析理论研究在修地铁条件下古建筑安全风险评估问题。借鉴其他领域的施工安全评价研究，主要有评价指标体系和评价模型两大研究内容。对于指标选取，大多数学者采用专家访谈等主观性较大的方法5，也有学者使用事故数据挖掘的方法获取安全影响因素以减少主观性6。对于模型选择，大部分学者采用层次分析法及灰色理论等传统方法7，决策实验室 贝叶斯网络分析8、结构熵权 可信性测度9 等组合模型也开始受到广泛关注，还有少数学者将以神经网络为代表的机器学习方法引入安全评价中10。古建筑修缮阶段安全事故数据缺乏，修缮过程中存在大量随机、模糊且耦合复杂的不确定性因素，利用数据挖掘难以获取较为全面的因素体系。而上述评价模型易受主观影响，指标约简效率较低，也无法处理施工安全评价中因素耦合的问题，容易导致评价结果的偏差。1990 年，Wagenaar 等11 首次提出三脚架事故致因模型(Tripod-Delta)，用以“安全检查”。经过不断发展，Tripod-Delta 已成为一种主动识别型安全事故分析管理方法12。结合古建筑修缮阶段施工特点和安全风险特性，建立多因素耦合作用下的Tripod-Delta 模型，可从事故预防控制的角度，图像化表达事故发生的过程及因果路径，全面获取引发施工安全事故的影响因素。1989 年，Valette 等13 首次提出模糊 Petri 网(Fuzzy Petri Net，FPN)，弥补了传统 Petri 网不能处理模糊信息的缺陷，极大提高了Petri 网的应用柔性。FPN 具有良好的图形表述能力，能形象直观地表达因素庞杂、影响机制不明确的复杂结构，并通过较为简便的模糊运算规则便可得出评价结果及因素之间的制约或因果关系，目前已成功应用于安全风险评价领域14。但在应用过程中，FPN 初始状态的确定往往采用专家评判法直接给出评估向量，主观性过强。且当指标较多时，也容易出现评估节点过多、模型计算效率较低的问题。2018 年，姚登凯等15 提出逆向搜索策略约简 FPN节点，提升了 FPN 运行效率，但初始状态仍由专家直接确定。1995 年，李德毅等16 首次提出正态云模2201第 23 卷第 4 期2023 年 4 月安全 与 环 境 学 报Journal of Safety and EnvironmentVol 23No 4Apr，2023型(Normal Cloud Model，NCM)理论，用以处理定性概念与定量数值之间自然转换的问题。NCM 可以很好地处理指标随机、模糊的特点，实现 FPN 初始状态的定量表达，由此削弱专家的主观影响。综上所述，针对古建筑修缮阶段施工安全评价问题，本文通过建立古建筑修缮阶段三脚架事故致因模型构建指标体系，运用融合 NCM 理论及逆向搜索策略的 FPN 模糊推理算法得出评价结果并进行障碍因子诊断，以期找出影响古建筑修缮阶段施工安全的关键因素，并得出整体施工安全状况，为其施工安全管理提供借鉴。1古建筑修缮阶段施工安全综合评价指标体系1.1古建筑修缮阶段施工特点1)待修古建筑脆弱易损。待修古建筑大都年代久远，极易在修缮过程中发生二次损毁，必须做好完备的保障措施。如不得在古建筑本体上留设脚手眼，修缮前需预设临时支撑等。2)修缮方案需严格遵循古建筑修缮原则。方案应以安全第一，预防性修缮为主，能修则不换且尽量使用原材料原工艺，实现风格统一与最小干预。3)修缮现场不确定因素较多，控制难度大。修缮人员素质偏低，专业队伍缺乏;修缮材料以木材为主，运输、贮存及使用风险点较多，且机械操作要求高;修缮涉及大量木作、瓦作等专业性较高的修复工作，技术工艺复杂;修缮场地狭小，现场布置复杂，高处作业及用电动火频率较高，耦合致灾风险巨大。4)施工管理模式不成熟。古建筑修缮施工技术标准尚未统一，管理理念尚不成熟，安全监测及应急管理体系建立仍不完善。1.2古建筑修缮阶段施工安全风险特性古建筑修缮阶段致灾因子错综复杂，随机性与模糊性表现显著，多因素之间相互耦合关联、演化变迁及信息反馈机制也不明确，存在巨大的施工安全风险。由此可将古建筑修缮阶段施工安全风险特性归纳为风险耦合性，具体可表述如下。1)风险复杂性、随机突发性与不确定性。古建筑修缮阶段是一个集古建筑自身结构、修缮人员、修缮环境、施工管理及技术方法等要素的多维复杂系统。任何几个风险因素的随机叠加都可导致事故的突然发生。而风险的不确定性使得风险因素发生的时间、空间及频率难以确定，事故发生更具偶然性。2)风险传导性、可变性与扩散叠加性。古建筑自身结构与外部要素相互关联，事故的链式效应显著。修缮过程中某一个风险因素越过阈值发生变迁，风险扩散叠加速度非常快，若控制不当，极易发生安全事故。1.3综合评价指标体系及量值域依据 Tripod-Delta 理论，综合古建筑修缮阶段施工特点和安全风险特性，建立三脚架耦合事故致因模型，见图 1。从事故、危险源和潜在原因 3 个层级对古建筑修缮阶段复杂的安全耦合影响因素进行梳理，分析出常见施工安全事故类型及其诱因，见图2。通过合并致因模型中相似或重复的因素，最终从人员、材料设备、环境、技术及管理 5 个方面系统构建了含 40 个因素的初始施工安全评价指标体系，见图 3。图 3 中 1 代表定量指标，2 代表定性指标;“+”为正向指标，其特征值越大代表对施工安全状态评价越有利，“”为负向指标，其意义与正向指标相反。古建筑修缮阶段施工安全评价等级划分尚无统一的标准，参考 GB/T 503262017建设工程项目管理规范 和现有研究7 10，并充分考虑古建筑修缮阶段施工安全风险特性和一致性评价要求，将总体评价与指标评价等级均划分为 5 级。其中总体评价等级采用区间 0，10 量化测度，各指标评价等级量值域依据 GBT 501652020古建筑木结构维护与加固技术标准 和 JGJ 592011建筑施工安全检查标准 等相关标准、文献2 4，7 10 查阅、现场调研及专家经验等确定，量化结果见表 1。图 1三脚架耦合事故致因模型Fig 1Tripod-Delta coupling accident cause model2古建筑修缮阶段施工安全综合评价模型FPN 通过图像化结构形象表达古建筑修缮施工多因素耦合作用及反馈机制，引入变迁规则置信度函数、库所可信度函数定量表达风险复杂性、随机突发性与不确定性。采用基于产生式规则的模糊推理算法表现风险传导、变迁与扩散过程，最终得到评价32012023 年 4 月赵平，等:基于 NCM FPN 的古建筑修缮阶段施工安全综合评价Apr，2023图 2古建筑修缮阶段三脚架耦合事故致因模型Fig 2Tripod-Delta coupling accident cause model of ancient building repair stage表 1古建筑修缮阶段施工安全评价指标量化标准(部分)Table 1Quantification standard of construction safety evaluation index of ancient building repair stage(part)安全等级 总测度行动准则P1/aP4/hP10/%P11P21P26/%P28/%P36/%安全(8，10 风险可忽略，无需采取措施(5，10(0，2(60，100(9，10(0，2300(98，100较安全(6，8风险可控制，需加强监控(4，5(2，3(40，60(7，9(2，4(20，30(0，10(95，98基本安全(4，6风险扩大，需采取适当措施(3，4(3，4(30，40(5，7(4，6(5，20(10，20(85，95较危险(2，4 风险较大，立即采取有效措施(1，3(4，4.5(20，30(3，5(6，8(0，5(20，30(80，85危险(0，2 风险过大，需立即排除风险源(0，34.5(0，20(0，3(8，1003080案例特征值4.553.5225.356.342.5112.5215.5685.36矩阵，对古建筑修缮阶段施工安全评价问题具有良好适用性。2.1模糊 Petri 网及模糊规则的表示定义 1:FPN 通常描述为一个 10 元组17。SF=P，T，D，I，O，F，W，f，M(1)式中P=p1，p2，pm是模糊库所的有限集合，即评价指标集合;T=t1，t2，tn为模糊变迁的有限集合;D=d1，d2，dn为命题的有限集合;I:PT 为输入矩阵，当 pi是 tj的输入时，Iij=1，否则 Iij=0;O:PT 为输出矩阵，当 pi是 tj的输出时，Oij=1，否则 Oij=0，其中 i=1，2，m;j=1，2，n;F:T 0，1为变迁置信度函数，F(tj)=uj(j=1，2，n)为变迁规则的置信度集合;W:P 0，1为库所可信度函数，W(pi)=wi(i=1，2，m)为库所可信度集合;:PD 表示库所到命题的映射关系;f=(f1，f2，fm)为风险阈值向量;M(0)为 m q 阶初始状态矩阵，其中 q 为评4201Vol 23No4安全 与 环 境 学 报第 23 卷第 4 期图 3古建筑修缮阶段施工安全评价指标体系Fig 3Construction safety evaluation index syst