基于粗糙集-属性综合评价的钻爆法地铁车站工程施工安全管理研究

赵金先，刘 敏，李 帆，范 轲（青岛理工大学管理学院，山东　青岛266520）

基于粗糙集-属性综合评价的钻爆法地铁车站工程施工安全管理研究

赵金先，刘 敏，李 帆，范 轲
（青岛理工大学管理学院，山东青岛266520）

地铁车站工程作为地铁建设中最重要的环节对其进行安全管理研究有其必要性和迫切性。根据钻爆法地铁车站的施工工艺和施工流程中所涉及的因素，从安全环境管理、安全技术管理、安全计划管理、安全组织管理四个方面建立地铁车站工程施工项目安全管理评价指标体系；将粗糙集与先验知识相结合对指标体系中各级指标进行赋权，并在车站工程安全管理测度的基础上运用属性综合评价方法对钻爆法地铁车站工程施工的安全管理水平进行评价；根据评价结果提出安全管理改进建议，以期提高钻爆法地铁车站工程施工的安全管理水平。

钻爆法；地铁车站施工；安全管理；粗糙集；属性综合评价

城市化进程的加快推动了城市轨道交通建设的迅速崛起，地铁以其高效、准时、环保、安全等优点成为城市交通运输方式的最佳选择。地铁车站是地铁建设项目中最重要的环节，且多设在热闹繁华的市区，水文地质条件、周边建构筑物、交通状况及地下管线的复杂性使得工程施工难度增大，引发地铁工程安全事故的概率较大，这就迫切需要对地铁车站施工进行科学的安全管理研究。

安全管理涉及有关安全方面的决策、计划、组织、指挥、协调、控制等行为，国内外众多学者对地铁工程项目的安全管理进行了深入的研究，主要集中在以下四个方面:①安全组织管理研究，如吴贤国等［1］利用因子分析提炼出地铁施工安全组织管理的主要影响因素；②安全风险管理研究，如解东升等［2］根据海因里希法则对地铁工程建设中的安全风险进行了研究，并提出研究的重点和难点，吴贤国等［3］运用贝叶斯网络分析了地铁施工中的风险因素，骆建军等［4］着重分析了暗挖法地铁车站施工对地下管线的各种影响，陈帆等［5］将粗糙集与RBE神经网络相结合评估施工风险；③安全技术管理研究，如王梦恕［6］对隧道及地下工程的修建技术做了深入的研究和系统概述；④安全应急管理研究，如佟瑞鹏等［7］运用“天平原则”从多方视角对地铁工程建设的安全应急管理进行了探讨。

上述研究主要是学者们在实践经验的基础上从定性分析的角度对地铁施工技术及风险进行论述，定量研究相对匮乏。鉴于此，本文以钻爆法地铁车站工程施工为研究对象，从安全环境管理、安全技术管理、安全计划管理、安全组织管理四个方面构建钻爆法地铁车站工程施工项目安全管理评价指标体系，运用粗糙集对各指标进行赋权，并引入属性综合评价对车站工程施工的安全管理水平进行评估，根据评价结果制定管理决策，以期钻爆法地铁车站施工的安全管理水平。

1　研究方法

1.1粗糙集理论

粗糙集（Rough Set）理论［8-14］是Pawlak教授于1982年提出的一种可以用于定量分析模糊、不完整、有分歧知识的数学工具。该方法主要是将原始数据进行离散化处理，分析、推理并解释数据之间的关系，从中发现潜在信息，指出其隐含规律。粗糙集理论中的属性赋权是根据各属性的相对重要度来决定的，因此利用粗糙集理论进行指标赋权避免了专家评议法、层次分析法等传统赋权方法中人为因素的干扰，提高了评估结果的客观性。

1.2属性综合评价

属性综合评价［15-17］基于已构建的指标体系，利用数学算法或数学模型分别对单指标和多指标进行属性分类，将指标体系中的多个评价指标值转换成一个全面的综合评价值，最后根据置信度准则判定级别，可以解决具有多个模糊属性系统的综合评价问题。该评价方法主要分为三个步骤:①确定单指标属性测度；②确定多指标属性综合测度；③确定置信度准则，进行属性识别。

2　钻爆法地铁车站工程施工项目安全管理评价指标体系

2.1指标体系构建

本文以地铁车站工程建设项目为背景，结合钻爆法地铁车站工程的施工工艺和施工流程，从环境、技术、计划、组织四个方面对影响钻爆法地铁车站施工安全管理的各个环节进行研究，构建了包含4个二级指标和23个三级指标的钻爆法地铁车站工程施工项目安全管理评价指标体系［18-19］，具体详见图1。

图1　钻爆法地铁车站工程施工项目安全管理评价指标体系Eig.1 Evaluation system of safety management in drillingblasting metro station construction project

2.2基于粗糙集和经验因子的赋权方法

粗糙集属性赋权仅客观反映了现阶段决策数据环境下指标对整体评估的影响，它体现不出决策者的先验知识。因此，本文将粗糙集与决策者的先验知识相结合进行指标赋权，实现了主观先验知识和客观实际的统一［20］。具体方法如下:

（2）大量收集历史决策数据，构成信息系统，计算指标cij对于指标体系Ci的属性重要度:

（3）将属性重要度SigCi（cij）进行归一化处理，得到指标的客观权重:

（4）根据决策者的不同决策背景和偏好，确定经验因子α，并计算指标的综合权重:

3　钻爆法地铁车站工程施工安全管理的属性综合评价

3.1钻爆法地铁车站工程施工安全管理水平的综合测度

假设属性空间F=｛钻爆法地铁车站工程施工的安全管理水平｝，将其分为四个等级:B1=｛优｝，B2=｛良｝，B3=｛合格｝，B4=｛差｝，则（B1，B2，B3，B4）组成F的一个有序分割类，且满足B1＞B2＞B3＞B4，其综合测度取值范围为［0，10］，具体分类见表1。

表1　钻爆法地铁车站工程施工安全管理水平不同等级的综合测度Table 1 Comprehensive measures of safety management levels in drilling-blasting metro station construction

3.2基于属性综合评价的钻爆法地铁车站工程施工安全管理评价模型

属性综合评价方法首先确定下层指标的属性测度，然后结合相应指标权重将下层指标属性综合成上层指标的属性测度，最后利用置信度准则判定评价系统的评价类。

3.2.1单指标属性测度的确定

为保证评价的公正性和客观性，邀请从事地铁车站施工相关专业的专家、学者和施工管理人员对指标体系中的三级指标cij进行打分得到分值xij，指标的属性测度μijk=μ（xij∈Bk）。这里B1＞B2＞B3＞B4，取其区间中间值，则有:

当xij≥B1时，μij1=1，μij2=μij3=μij4=0；

当xij≤B4时，μij4=1，μij1=μij2=μij3=0；

3.2.2多指标属性测度的确定

（1）二级指标Ci隶属于级别Bk的属性测度为μik，其计算式如下:式中:ki为二级指标Ci下三级指标cij的个数；ωij为三级指标cij的权重。

（2）μk为地铁车站工程施工的安全管理水平隶属于级别Bk的综合属性测度，则有

3.2.3地铁车站工程施工安全管理水平的属性识别

（B1，B2，B3，B4）为属性空间F的一个有序分割类，这里通过置信度准则来判定地铁车站工程施工安全管理水平的评价类别，取λ=0.6，有

则钻爆法地铁车站工程施工的安全管理水平隶属于Bk类。

3.2.4钻爆法地铁车站工程施工安全管理水平的评价分数

为了使评估结果简单明了，本文将钻爆法地铁车站工程施工的安全管理水平转换成一个综合分值，用q表示，则有

式中:rk为指标综合测度Bk的中值。

最后可根据评分准则来确定钻爆法地铁车站工程施工中需要改进的地方。

4　实例分析

本文选取青岛市某地铁车站工程项目为研究对象，首先邀请6位钻爆法地铁车站工程施工安全管理领域的专家及学者提供决策数据，并运用粗糙集与经验因子相结合的数学方法计算各级指标的权重；然后邀请8位从事地铁车站施工现场安全管理工作的工程师和专家对各项指标进行打分，运用属性综合评价方法进行数据处理，并对对应评价模型中的评价等级进行属性识别；最后得到整个评价系统的评价类和评价分值。具体过程如下:

4.1粗糙集和经验因子相结合确定指标权重

以二级指标安全组织管理C4的下层指标c41～c44为例，进行权重计算。

（1）根据专家评分进行数据处理，以各指标评分中间值为阈值进行指标离散化处理，设决策属性D表示含义为系统安全1、系统危险0，具体见表2。

表2　钻爆法地铁车站工程施工安全管理系统数据信息表Table 2 Data information table of drilling-blasting metro station construction safety management system

该信息系统中，评价对象的有限论域为U= ｛u1，u2，…，u6｝，指标体系C4=｛c41，c42，c43，c44｝，评价结果集为D，V=｛0，1｝。假定X1=｛c42，c43，c44，D｝，则指标c41的重要度计算如下:

因此P41=0.444，P42=0，P43=0.278，P44= 0.278，则指标c41～c44的客观权重为:P4=（0.444，0，0.278，0.278）。

（2）由6位专家根据其实践经验和知识直接对指标c41～c44进行主观赋权，归一化处理后得到主观权重为Q4=（0.571，0.009，0.246，0.174）。

（3）一般情况下，主观赋权与客观赋权比重相当，但是由于地铁车站工程施工的复杂性，且鉴于该钻爆法地铁车站工程的施工背景，结合以往施工经验发现在权重赋值过程中对专家的依赖性比较大，在此对主观权重与客观权重的比重做一定调整，故取经验因子α=0.65，并根据公式（3）计算出指标c41～c44的综合权重ω4:

ω4=αQ4+（1-α）P4=（0.527，0.006，0.257，0.21）

其他权重的确定与上述步骤相同，在此不再赘述，其计算结果如下:

ω0=（0.154，0.173，0.198，0.475）

ω1=（0.118，0.231，0.199，0.214，0.238）

ω2=（0.109，0.112，0.136，0.111，0.129，0.118，0.103，0.094，0.088）

ω3=（0.216，0.209，0.131，0.187，0.257）

4.2属性综合评价

以安全组织管理评价为例，将8位专家和工程师打分进行均值处理，其结果见表3。

表3　专家打分平均值Table 3 Average value of experts scoring

将评价结果隶属等级取区间中值，得到r= （9.5，8，6，2.5），并结合上述专家打分平均值，可得到二级指标的属性测度μijk，详见表4。

表4　指标c41～c44的属性测度μijkTable 4 Attribute measureμijkof index c41～c44

则根据公式（4），可以求出安全组织管理的综合属性测度μ4=（0.017，0.458，0.525，0），评价分数q4=6.976。根据置信度准则，可知安全组织管理水平隶属于“合格”。

同理可知，多指标属性测度计算结果如下:

μ1=（0.783，0.198，0.011，0.008）

μ2=（0.265，0.497，0.196，0.042）

μ3=（0.796，0.162，0.056，0.004）

由此可得，该指标体系的综合属性测度μ0= （0.389，0.394，0.192，0.025）；评价分数分别为q0= 8.062，q1=9.109，q2=7.775，q3=9.204。

由评价结果可知，其评价分数由大到小的排序为:q3＞q1＞q2＞q4，且安全环境管理、安全技术管理、安全计划管理、安全组织管理分别隶属于“优”、“良”、“优”、“合格”。

5　结 论

（1）基于安全管理的视角对钻爆法地铁车站工程施工项目进行研究，从环境、技术、计划、组织四个方面构建了地铁车站施工安全管理综合评价指标体系。

（2）粗糙集与属性综合评价相结合的评价模型可以有效解决地铁车站工程安全管理灰色系统中数据模糊的难题，量化最终评价结果，使评价更科学合理。

（3）由粗糙集与属性综合评价相结合的评价模型计算可知，该地铁车站工程项目安全管理水平经量化由高到低依次为安全计划管理、安全环境管理、安全技术管理、安全组织管理，可见其安全组织管理和安全技术管理的综合评分值较低，因此应首先针对这两方面改进对其下属指标的管理，以期提高项目整体安全管理水平。

［1］吴贤国，刘惠涛.地铁施工安全组织管理影响因素分析［J］.土木工程与管理学报，2012，29（4）:79-93.

［2］解东升，钱七虎.地铁工程建设安全风险管理研究［J］.土木工程与管理学报，2012，29（1）:61-67.

［3］吴贤国，丁保军，张立茂.基于贝叶斯网络的地铁施工风险管理研究［J］.中国安全科学学报，2014，24（1）:84-88.

［4］骆建军，张顶立，王梦恕，等.北京地铁暗挖车站施工对管线的影响分析［J］.铁道学报，2007，29（5）:127-132.

［5］陈帆，谢洪涛.基于粗糙集和RBE神经网络的地铁施工安全风险评估［J］.安全与环境学报，2013，13（4）:232-235.

［6］王梦恕.中国隧道及地下工程修建技术［M］.北京:人民交通出版社，2010.

［7］佟瑞鹏，丁健，方东平.地铁工程建设应急管理评估体系的构建［J］.中国安全科学学报，2009，19（11）:132-138.

［8］Jensen R.Rough Sets，their extensions and applications［J］.International Journal of Automation&Computing，2007，4（3）: 217-228.

［9］袁宁，杨立兵.基于粗糙集-人工神经网络的建筑施工安全评价及应用［J］.安全与环境工程，2012，19（1）:60-64.

［10］Liu E，Hu B Q.Euzziness in rough fuzzy sets and fuzzy rough Sets［C］//Proceedings of the Second Conference on Fuzzy Information&Engineering.California:Polytechnic State University，2006.

［11］Pawlak Z.Rough set theory and its applications to data analysis ［J］.Cybernetics and Systems:An International Journal，1998，29（1）:661-688.

［12］张文修，仇国芳.基于粗糙集理论的不确定性决策［M］.北京:清华大学出版社，2005.

［13］李远远.基于粗糙集的指标体系构建及综合评价方法研究［D］.湖北:武汉理工大学，2009.

［14］王国胤，姚一豫，于洪.粗糙集理论与应用研究综述［J］.计算机学报，2009，32（7）:1229-1246.

［15］李远远，云俊.多属性综合评价指标体系理论综述［J］.武汉理工大学学报，2009，31（2）:305-309.

［16］郭亚军.综合评价理论、方法及应用［M］.北京:科学出版社，2007.

［17］Meng S W.Linitations and necessary conditions of applying principal component analysis to comprehensive evaluation［J］. Bulletin of International Statistical Institute，1995，5（2）:813-814.

［18］Levine P，Pomerol JC.PRIAM，an interactive program for choosing among mutiple attribute alternatives［J］.European Journal of Operations Research，1986，25（2）:272-280.

［19］Zhao J X，Liu M，Li E.The study on safety management of drilling-blasting metro station construction based on OWA operator and gray theory［J］.Applied Mechanics and Materials，2015，744/745/746:997-1000.

［20］叶军，陈学嘉.组合权重法在建筑施工企业安全评价中的应用［J］.安全与环境工程，2013，20（6）:130-136.

Research on Safety Management of Drilling-blasting Metro Station Construction Based on Rough Set and Attribute Comprehensive Evaluation

ZHAO Jinxian，LIU Min，LI Ean，EAN Ke
（School of Management，Qingdao Technological University，Qingdao 266520，China）

It is necessary and urgent to conduct safety management study on metro station project which is the most important part of subway construction.Based on factors involved in the construction techniques and process of drilling-blasting metro station，this paper proposes a safety management evaluation index system of metro station construction project from four aspects as safety environmental management，safety technology management，safety program management and safety organizational management.Then the paper combines the rough set with prior knowledge to determine the weights of the index at all levels and adopts property evaluation to evaluate safety of drilling-blasting metro station construction based on the measures of metro station project safety management.Einally，the paper puts forward recommendations on safety management to improve the safety management level of drilling-blasting metro station construction.

drilling-blasting method；metro station construction；safety management；rough set；property comprehensive evaluation

X92；X948；TU71

A

10.13578/j.cnki.issn.1671-1556.2015.05.020

1671-1556（2015）05-0113-05

2015-05-26

2015-06-10

山东省自然科学基金项目（ZR2012GQ005）

赵金先（1964—），男，硕士，教授，主要从事工程建设项目安全管理等方面的研究。E-mail:zhjxqdsd@163.com