改进GRA-TOPSIS模...式建筑施工风险评估中的应用_辛酉阳.pdf

文章编号:1009-6094(2023)07-2212-11改进 GATOPSIS 模型在装配式建筑施工风险评估中的应用*辛酉阳，杨德磊，方前程(黄淮学院建筑工程学院，河南驻马店 463000)摘要:为使装配式建筑施工风险评估模型更科学，降低装配式建筑施工事故发生率，装配式建筑施工风险评估具有复杂性、随机性、模糊性特点，提出了基于改进 GA TOPSIS的装配式建筑施工风险综合评价模型。首先，从人员、物料、技术、管理和环境 5 个方面，选取了 18 个典型影响因素，构建了装配式建筑施工风险综合评价指标体系，并确定指标分级标准;其次，借助区间层次分析法、改进 CITIC 法和博弈论分别计算指标主观权重、客观权重和综合权重;引入盲数理论，对专家赋值进行处理，合理确定各指标得分，通过计算灰色关联贴近度，实现装配式建筑施工风险综合评价。最后，将建立的综合评价模型应用于 5 个装配式建筑施工风险评估中，得到了各个项目施工风险等级及排名，将评估结果与物元可拓和云模型评估结果对比，并基于雷达图法进行装配式建筑施工风险差异分析。研究表明，评价模型结果合理可靠，为风险评估工作提供了新思路。关键词:安全工程;装配式建筑;施工风险;灰色关联分析(GA);逼近理想解(TOPSIS)中图分类号:X947文献标志码:ADOI:10.13637/j issn 1009-6094.2022.0718*收稿日期:2022 04 20作者简介:辛酉阳，高级实验师，硕士，从事土木工程智能检 测 与 防 灾 减 灾 等 研 究，20070931 huanghuai edu cn;杨德磊(通信作者)，教授，博士，从事土木工程智能检测与防灾减灾等研究，20070916 huanghuai edu cn。基金项目:河南省科技攻关计划项目(222102320320，222102230113，222102320164);河南省高等学校重点科研项目(22B560009)0引言2016 年，国务院办公厅出台了关于大力发展装配式建筑的指导意见，深入推动了我国建筑业的结构升级与调整。装配式建筑具有建造速度快、节能环保等优势，更符合创新、协调、绿色、开放、共享的新发展理念，在各省市得到了快速推广与应用，且显现出较强的发展势头1。但是，与世界上发达国家和地区相比，我国装配式建筑起步稍晚，相应的质量管理体系还不健全，施工工艺发展还不成熟，导致装配式建筑施工存在较大安全隐患，一定程度制约着装配式建筑业健康发展。因此科学准确地进行装配式建筑施工风险评估，及时发现并合理控制施工风险因子，对于降低装配式建筑施工风险、促进装配式建筑可持续发展具有重要的现实意义。目前，装配式建筑施工风险评估和安全管理是建筑领域研究的热点问题之一，取得了一系列科研成果。卢毅等2 在构建装配式建筑施工风险评价指标体系的基础上，采用结构方程模型(StructuralEquation Model，SEM)计算指标权重，建立了装配式建筑施工风险的模糊综合评价模型。方成宽等3 考虑了装配式建筑施工风险评估的模糊性和随机性特点，引入云模型理论，耦合熵权法建立了综合评价模型。Liu 等4 基于熵权法对装配式建筑施工各阶段的重大危险源进行辨识，丰富了装配式建筑安全管理理论。胡庆国等5 基于五元联系数建立了装配式建筑施工风险评估的同异反分析模型，实现了施工风险动态评估。吴溪等6 运用马尔科夫链和贝叶斯网络对装配式建筑施工风险因素发生概率进行估算。Jin 等7 从基坑施工、施工及运输、吊装作业和预制件安装方面建立了装配式建筑施工风险评价指标体系，通过灵敏度函数进行风险发生概率的灵敏度分析，有效识别了风险因素。随着数学评估模型研究的不断深入，诸如熵权 未确知测度理论8、熵权 物元可拓模型9、灰色聚类10、熵权 模糊综合理论11 等逐渐应用到装配式建筑施工风险评估中，一定程度上推动了装配式建筑施工风险评估工作发展。从整体研究现状分析发现，还存在一些不足。一是权重计算不合理。权重计算结果的科学合理性决定评估结果的可靠性。当前，权重计算主要分为主观赋权法和客观赋权法两大类，其中主观赋权法主要依靠评估者主观经验，忽视了对客观事实的真实反映，权重具有较强的主观性;而客观赋权法基于指标数据本身属性，能够全面反映事物本质特征，但忽视了评估者在评价过程中的主观能动性，而上述研究多采用单一赋权法，权重结果或偏于主观或偏于客观，影响评估结果准确性。二是评估过程不科学。由于装配式建筑施工风险评估指标多为定性指标，目前的研究成果主要采取专家打分法进行指标赋值，受专家认知水平的影响，难以准确给出指标具体得分，指标赋值有一定的主观任意性，无法客观反映事物模糊本质和动态变化特性。三是计算过程复杂化。上述评估模型计算量较大，多不能借助数据分析软件提高评估工作效率，可操作性不强。2122第 23 卷第 7 期2023 年 7 月安全 与 环 境 学 报Journal of Safety and EnvironmentVol 23No 7Jul，2023装配式建筑施工风险评估影响因素较多，各因素之间相互交织，关系复杂，是典型的多属性决策问题。逼 近 理 想 解(TechniqueforSequencingbyApproximate Ideal Solution or Technique for OderPreference by Similarity to Ideal Solution，TOPSIS)是一种多属性决策的理想模型，能够将定性概念进行量化分析，实现待评对象的优劣性评价，计算结果可以结合 Excel 快速求解，具有计算简便化、可操作性强等优势。2010 年，张毅军等12 首次将 TOPSIS 模型应用于地铁施工风险评估中。随着 TOPSIS 的应用与发展，常春光等13 和张彦奇等14 以不同的赋权方式改进 TOPSIS，建立了装配式建筑施工风险综合评价模型。王志强等15 建立了失效模式影响分析法(Failure Modes and Effects Analysis，FMEA)模糊 TOPSIS 的装配式混凝土建筑建造质量风险评价，确定了待评对象的风险优先等级。上述研究成果验证了 TOPSIS 在装配式建筑施工风险评估方面的可行性。但是，研究发现，传统的 TOPSIS 法是通过计算待评对象与正负理想解的欧式距离和相对贴近度来确定待评对象的优劣性，在实际应用过程中，当多个待评对象均位于正负理想解中垂线上时，此时基于欧式距离算法得到的相对贴近度相等，评估结果具有模糊性16。鉴于此，考虑到装配式建筑施工风险评估具有复杂性和不确定性特点，本文采用灰色关联分析(Grey elational Analysis，GA)对传统 TOPSIS 进行改进，借助区间层次分析法、改进 CITIC 法(CriteriaImportance Though Intercrieria Correlation)和博弈论分别计算指标主观权重、客观权重和综合权重，并引入盲数理论，对专家赋值进行处理，合理确定各指标得分，降低专家主观因素对评估结果的影响，以提高评估的科学性。最后以 5 个在建装配式建筑施工项目为研究对象，进行施工风险综合评估，验证模型的适用性，以期为装配式建筑施工风险评估提供一种科学可靠的评估模型。1理论基础1.1盲数理论20 世纪 90 年代，中国工程院院士王光远教授基于“未确知”理论首次提出了盲数理论，成为了分析处理具有不确定信息、灰色信息和盲信息问题的理想工具，为多指标模糊性问题的解决提供了新思路，其具体定义为17 假设 G 为区间型灰数集，i G，f(x)为在 G 上的灰函数。若 i 0，1 i=1，2，n，且f(x)=i且 x=i(i=1，2，n)0其他(1)当 ij 时，xixj且ni=1i=1，则称函数f(x)为盲数。用 x1，xn，f(x)表示，其中 x1为 x的下限，xn为 x 的上限，称 i为 x 在 xi的可信度，=ni=1i为 x 的总可信度。1.2博弈论计算指标权重目前，指标权重计算主要包括主观赋权法和客观赋权法两类。其中主观赋权法是专家结合主观经验，根据指标相对重要性程度，给出较为合理的排序来计算权重，但存在对专家主观经验依赖性较强、主观权重随意性较大的缺点，而客观赋权法权重分配客观性强，但忽视了决策者的主观意志。因此，单一的主观或客观赋权法权重结果不尽如人意。博弈论是一种描述客观世界普遍存在的矛盾、冲突、合作和对抗等关系的数学理论，将主观赋权法和客观赋权法计算的权重设置为博弈双方，组成一组博弈双方的策略集，博弈双方根据实现自身利益最大化的原则进行决策，最终寻找实现共同利益最大化的均衡组合，能够体现矛盾和合作的关系。因此，根据博弈论思想，可以获得较为理想的权重分配结果。1.2.1区间层次分析法主观赋权权重结果的可靠性和科学性直接决定了评估结果的准确性。目前，层次分析法(Analytic HierarchyProcess，AHP)是应用最为广泛、理论相对成熟的主观赋权方法。该方法由专家结合自身经验，给出明确的指标相对重要性比值，根据重要性比值构建判断矩阵。但是，在处理指标相对较多、指标之间关系复杂问题时，受限于专家主观经验，往往难以给出确切的重要性比值。1994 年，吴育华教授运用区间算法对传统层次分析法进行改进，在构建判断矩阵时，以数值区间代替点值，解决了指标之间相对重要性程度难以精准把握的问题，进一步降低了人为主观因素对权重结果的影响，研究表明，基于区间层次分析法确定指标权重计算更客观合理18。1)构建区间数判断矩阵。区间层次分析法依然采用 1 9 标度法，给定一个区间 a=aij，aij+，对指标之间相对重要性程度进行量化，aij表示第 i 个指标相对第 j 个指标的相对重要性程度。然后，依据区间数来构建指标判断矩阵 A=(aij)m n。其中，1 9 标度量化规则见表 1。31222023 年 7 月辛酉阳，等:改进 GA TOPSIS 模型在装配式建筑施工风险评估中的应用Jul，2023表 11 9 标度量化判据Table 1Criteria of 1 9 caling method标度含义1两个指标相比，具有相同的重要性3两个指标相比，前者比后者稍重要5两个指标相比，前者比后者明显重要7两个指标相比，前者比后者特别重要9两个指标相比，前者比后者极为重要2、4、6、8两个指标相比，重要性程度处于相邻标度的中间值1/1、1/2、1/9Aji=1/aij说明，在实际判定重要性程度时，可依据主观经验对标度进行再次细化。2)一致性检验。区间判断矩阵经过一致性检验才能计算指标权重，否则需要对区间判断矩阵进行调整，直到通过一致性检验。区间判断矩阵 A 由上、下界判断矩阵A、A+两部分组成，分别计算两个判断矩阵的最大特征值 imax和基础权重向量 w=(w1，w2，wn)和 w+=(w+1，w+2，w+n)，具体计算式为w1=kw，w2=w+(2)imax=ni=1ni=1aijwinwi(3)k=nj=11ni=1a+槡ij(4)=nj=11ni=1a槡ij(5)式中k、均为区间数权系数，约定当 k1 且 1时认为一致性较好，通过检验;当 k 1，1 时，认为一致性较差，不能通过检验。3)计算指标权重。根据基础权重向量计算结果，计算指标权重m(At)，并对指标权重归一化处理，得到最终的权重W，计算式为m(At)=12(kw+w+)(6)W=(w1，w2，wn)(7)1.2.2改进 CITIC 法确定指标客观权重CITIC 法是 Diakoulaki 提出的一种基于数据本身属性的客观赋权法，该方法通过计算指标标准差和相关系数进行权重分配。由于指标量纲和量级不同，数据无法直接比较分析，因此，原有的 CITIC 法计算并不科学。为提高权重结果的可靠性，引入差异系数消除指标量纲量级差异。具体计算过程见文献 19。1.2.3基于博弈论的指标综合权值的确定N 种权重赋权方法，可以得到 N 种权重计算结果，由此可以得到一组权重策略集合 W=(w1，w2，wn)，对