溫欣嵐，羅占業(yè)，樊美娜，肖汝誠，張 兵，莊冬利

(1.中國路橋工程有限責(zé)任公司，北京 100011; 2.中交第二公路局工程有限公司，陜西 西安 710065;3.同濟大學(xué) 土木工程學(xué)院，上海 200092)

0 引言

隨著工程規(guī)模的擴大，設(shè)計施工方法的復(fù)雜性不斷提高、工程造價和施工機械日益昂貴，工程中蘊含的風(fēng)險也越來越難以把控。因此，對風(fēng)險科學(xué)合理的評估與控制變得愈加重要。國內(nèi)外對工程項目中獨立風(fēng)險事件的評估已有深入的研究，在風(fēng)險評估方法和風(fēng)險決策工具等方面有了一定的積累，如層次分析法[1]、模糊綜合評判法[2]、風(fēng)險矩陣法[3]、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法[4]等。這些方法雖從不同角度解決了工程中風(fēng)險評估的問題[5-6]，但大多沒有考慮各風(fēng)險事件間的關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)和耦合關(guān)系。對于復(fù)雜的大型工程項目而言，風(fēng)險事件間往往存在關(guān)聯(lián)情形。因此，研究考慮風(fēng)險鏈式關(guān)聯(lián)關(guān)系的風(fēng)險評估方法具有學(xué)術(shù)價值和廣泛的應(yīng)用前景。

曹吉鳴等[7]利用解釋結(jié)構(gòu)模型[8]提出了將風(fēng)險關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)分割為獨立風(fēng)險鏈的方法；張磊等[9]針對存在關(guān)聯(lián)現(xiàn)象的風(fēng)險評估問題，通過構(gòu)建綜合關(guān)聯(lián)矩陣識別風(fēng)險之間的影響關(guān)系；李存斌等[10]闡述了工程項目中風(fēng)險元傳遞的理論。這些研究雖涉及了風(fēng)險事件間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，但并未提出適于工程應(yīng)用的、考慮風(fēng)險關(guān)聯(lián)的評估流程與方法。

基于此，本文從風(fēng)險事件的關(guān)聯(lián)機理出發(fā)，將風(fēng)險事件間的關(guān)聯(lián)關(guān)系提煉為鏈式結(jié)構(gòu)，并進一步給出了工程鏈式風(fēng)險的評估流程和方法。同時，以內(nèi)羅畢國家公園特大橋施工期生態(tài)、災(zāi)害、安全風(fēng)險全過程風(fēng)險評估為例，闡明了該方法的應(yīng)用過程，并驗證了其合理性和適用性。

1 風(fēng)險事件關(guān)聯(lián)機理

風(fēng)險事件的發(fā)生是某一孕險環(huán)境中的風(fēng)險源與承載體發(fā)生相互作用的過程[11-12]。風(fēng)險源為風(fēng)險作用的主體，如橋梁安全風(fēng)險中的起重設(shè)備失靈、災(zāi)害風(fēng)險中的滑坡災(zāi)害；承載體為風(fēng)險作用的受體，如橋梁、人員、環(huán)境；孕險環(huán)境為風(fēng)險源與承載體所處的外部環(huán)境，如已發(fā)生某種風(fēng)險事件的外部環(huán)境、無任何其他風(fēng)險源的外部環(huán)境；相互作用形式用于描述風(fēng)險源與承載體之間的關(guān)系。相同風(fēng)險源與承載體處于不同環(huán)境時， 造成的后果可能完全不同，這就是風(fēng)險事件間關(guān)聯(lián)的本質(zhì)。

很多情況下風(fēng)險源與承載體間并非一對一的關(guān)系，為了便于工程評價，假定不同風(fēng)險源對承載體的作用存在先后關(guān)系。即對于多風(fēng)險源作用于同一承載體的情況，認為其發(fā)生機理為：1個風(fēng)險源與1個承載體發(fā)生1種相互作用后，產(chǎn)生新的風(fēng)險源，作用于新的承載體，從而導(dǎo)致新的次生、衍生風(fēng)險事件發(fā)生，形成風(fēng)險鏈。

風(fēng)險鏈可以由多級風(fēng)險事件構(gòu)成，如圖1所示，即由原生風(fēng)險事件和一級或多級次生、衍生風(fēng)險事件構(gòu)成。而對于實際工程風(fēng)險來說，可能存在網(wǎng)狀或?qū)蛹壍娘L(fēng)險關(guān)聯(lián)關(guān)系。此時，可認為該關(guān)聯(lián)關(guān)系由多個簡單鏈式風(fēng)險結(jié)構(gòu)疊加形成，故也將其稱為復(fù)合鏈式風(fēng)險結(jié)構(gòu)。由此可知，考慮風(fēng)險間關(guān)聯(lián)關(guān)系的工程風(fēng)險評估方法的核心，即為針對簡單鏈式結(jié)構(gòu)的鏈式風(fēng)險評估方法。

圖1 簡單鏈式風(fēng)險結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of simple chain risk

2 鏈式風(fēng)險評估方法

鏈式風(fēng)險評估方法的主要流程為：①采用傳統(tǒng)的頭腦風(fēng)暴法對各關(guān)鍵風(fēng)險源進行識別；②利用專家調(diào)查法獲得各風(fēng)險因素間的關(guān)聯(lián)關(guān)系和關(guān)聯(lián)程度、各風(fēng)險因素的發(fā)生概率(獨立、條件風(fēng)險概率)、風(fēng)險產(chǎn)生的損失(獨立發(fā)生時的損失、特殊條件下發(fā)生時的損失)等信息；③通過綜合關(guān)聯(lián)矩陣法對各風(fēng)險事件的關(guān)聯(lián)關(guān)系進行辨識，并關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)提取為鏈式風(fēng)險結(jié)構(gòu)(簡單鏈式風(fēng)險結(jié)構(gòu)或復(fù)合鏈式風(fēng)險結(jié)構(gòu))；④結(jié)合貝葉斯統(tǒng)計及貝葉斯網(wǎng)絡(luò)知識[13]，對最終的鏈式風(fēng)險體系進行評估。本文僅就鏈式風(fēng)險評估中具有特異性的方法步驟進行介紹。

2.1 風(fēng)險關(guān)聯(lián)的評級

圖3 簡單鏈式結(jié)構(gòu)分解Fig.3 Decomposition diagram of simple chain risk

圖2 簡單鏈式結(jié)構(gòu)
Fig.2 Simplified diagram of simple chain risk

進一步可知，風(fēng)險事件A的發(fā)生與否對風(fēng)險事件B的發(fā)生或未發(fā)生概率、發(fā)生或未發(fā)生時的損失值均有影響，故需定義1個相關(guān)指標對影響程度的大小進行度量。

(1)

(2)

在上述關(guān)聯(lián)影響程度指數(shù)定義的基礎(chǔ)上，給出關(guān)聯(lián)影響程度等級判斷標準，如表1所示。

表1 關(guān)聯(lián)影響程等級判斷標準Table 1 Standard of correlation impact level

由于鏈式風(fēng)險結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，對其風(fēng)險概率和風(fēng)險損失分別進行評估的結(jié)果并無實際意義，更具價值的評估結(jié)果為風(fēng)險損失的期望值。故在與現(xiàn)行的獨立風(fēng)險等級標準(風(fēng)險概率與風(fēng)險損失均為5級制)保持一致的基礎(chǔ)上，將風(fēng)險損失期望值EL定義為風(fēng)險概率等級與風(fēng)險損失等級的乘積，取值范圍為 [1，25]。根據(jù)現(xiàn)階段普遍使用的風(fēng)險等級表[14]對風(fēng)險事件的評判準則，對鏈式結(jié)構(gòu)的風(fēng)險等級評價給出相應(yīng)的、以EL為評估指標的量化標準，如表2所示。

2.2 關(guān)聯(lián)關(guān)系的識別

根據(jù)關(guān)聯(lián)影響程度指數(shù)F的計算結(jié)果，依照表1中的等級判斷標準，對各風(fēng)險事件間的關(guān)聯(lián)影響程度進行

表2 鏈式風(fēng)險風(fēng)險等級Table 2 Standard of chain risk level

分級，并形成群體風(fēng)險關(guān)聯(lián)矩陣X=[aij]n×n，其中aij表示風(fēng)險Ri對風(fēng)險Rj的關(guān)聯(lián)影響程度等級值。將群體風(fēng)險關(guān)聯(lián)矩陣X轉(zhuǎn)化為規(guī)范化群體風(fēng)險關(guān)聯(lián)矩陣Y=[bij]n×n，其中bij的計算如式(3)所示：

(3)

根據(jù)矩陣Y構(gòu)建具有間接關(guān)聯(lián)性質(zhì)的風(fēng)險綜合關(guān)聯(lián)矩陣D=[dij]n×n，其計算公式為：D=Y(1-Y)-1。

為了抓住實際工程主要風(fēng)險事件間的關(guān)聯(lián)關(guān)系、忽略次要風(fēng)險事件間的微弱關(guān)聯(lián)，并考慮可行性，可根據(jù)實際風(fēng)險偏好和評估要求給出綜合關(guān)聯(lián)程度的閾值。此閾值既可由評估小組給定，也可請專家小組給出，記為λ。當專家小組的綜合關(guān)聯(lián)評價小于這個界限時，可忽略不計風(fēng)險之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。將綜合關(guān)聯(lián)矩陣D=[dij]n×n轉(zhuǎn)化為λ-截矩陣Dλ=[αij]n×n，i，j=1，2，…，n，其中：

(4)

對Dλ的處理保證了將各風(fēng)險間的關(guān)聯(lián)關(guān)系提取為復(fù)合鏈式風(fēng)險結(jié)構(gòu)。得到0-1綜合關(guān)聯(lián)矩陣E=[eij]m×m，其中：

(5)

綜合關(guān)聯(lián)矩陣反映了專家小組對于各風(fēng)險之間關(guān)聯(lián)程度的評判，并認為風(fēng)險Ri對自身的影響為1。綜合關(guān)聯(lián)矩陣中不為0的元素eij表明風(fēng)險Ri對風(fēng)險Rj的發(fā)生存在鏈式關(guān)聯(lián)關(guān)系。

2.3 關(guān)聯(lián)模型的建立

將風(fēng)險關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)提取為復(fù)合鏈式風(fēng)險關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)：取Li={Rj|eji=1}，表示矩陣E第i列中取值為1的元素所對應(yīng)的風(fēng)險集合；取Hi={Rj|eij=1}，表示矩陣E的第i行中取值為1的元素所對應(yīng)的風(fēng)險集合。

根據(jù)定義，逐一對等式Ri=Li(i=1，2，…，n)進行判別。若等式對于某個i來說成立，進而判別對應(yīng)的矩陣Hi是否滿足Hi=?，若滿足，認為Ri為獨立風(fēng)險元素；否則認為Ri為復(fù)合鏈式風(fēng)險結(jié)構(gòu)中的頂層風(fēng)險元素，且Hi′={Rj|eij=1且j≠i}中的元素即為風(fēng)險Ri的后緣影響風(fēng)險事件。隨后將矩陣E中對應(yīng)的第i行和第i列劃去，形成新的部分的0-1綜合關(guān)聯(lián)矩陣E′；并對E′重復(fù)進行上述操作，繼續(xù)尋找新矩陣中的新頂層元素，即次頂層元素。依此步驟循環(huán)往復(fù)，直至矩陣中所有元素均被劃去，便可按照元素被劃去的順序建立起復(fù)合鏈式風(fēng)險結(jié)構(gòu)。

2.4 鏈式風(fēng)險的估測

由于對復(fù)合鏈式結(jié)構(gòu)中各風(fēng)險事件發(fā)生概率及損失的評估甚為復(fù)雜，專家調(diào)查結(jié)果的主觀性和不確定性較大，難以對實際工程中各分支間存在關(guān)聯(lián)關(guān)系的復(fù)合鏈式風(fēng)險結(jié)構(gòu)進行準確的風(fēng)險評估，需對復(fù)合鏈式風(fēng)險結(jié)構(gòu)進行簡化。

將復(fù)合鏈式結(jié)構(gòu)分解為多條可能的簡單鏈式結(jié)構(gòu)。當分解所得的各條簡單鏈式結(jié)構(gòu)中存在相同的次生或衍生風(fēng)險事件元素時，在偏安全考慮的情況下，對相關(guān)的簡單風(fēng)險鏈進行風(fēng)險期望估計，最終選取風(fēng)險等級最高的結(jié)果作為相關(guān)簡單風(fēng)險鏈風(fēng)險等級的代表結(jié)果；對于不存在相同次生或衍生風(fēng)險事件元素(可存在相同的原生風(fēng)險事件)的各條簡單鏈式結(jié)構(gòu)，在獨立對各條鏈式結(jié)構(gòu)進行評估后，對其進行疊加以得到復(fù)合鏈式結(jié)構(gòu)的等效風(fēng)險評價結(jié)果。

如圖4所示，R為風(fēng)險事件。圖4(a)的復(fù)合鏈式風(fēng)險結(jié)構(gòu)可分解為圖4(b)的3條簡單風(fēng)險鏈，只需在第1，2條之間比較選擇出更為重要的風(fēng)險鏈式關(guān)系，第3條風(fēng)險鏈則始終用于風(fēng)險評估計算。因此，最終的評價結(jié)構(gòu)為2種：第1條風(fēng)險鏈-第3條風(fēng)險鏈復(fù)合鏈式結(jié)構(gòu)和第2條風(fēng)險鏈-第3條風(fēng)險鏈復(fù)合鏈式結(jié)構(gòu)。

圖4 復(fù)合鏈式結(jié)構(gòu)分解示例Fig.4 Decomposition of compound chain risk

2.4.1 關(guān)鍵風(fēng)險事件的概率

在進行概率估計時，只考慮產(chǎn)生直接影響的前緣風(fēng)險事件對概率的影響，不考慮間接影響。例如，對于簡單鏈式風(fēng)險結(jié)構(gòu)“A→B→C”而言，在對風(fēng)險事件C進行概率估計時，只考慮風(fēng)險事件B發(fā)生狀態(tài)對其概率的影響，而不考慮風(fēng)險事件A的影響。

同時，為了進一步減小主觀性和偶然性的影響，應(yīng)盡可能采用更多的專家調(diào)查結(jié)果。故可對條件概率的計算采用如下處理：在對風(fēng)險事件A發(fā)生情況下風(fēng)險事件B發(fā)生的條件概率進行評價時，直接采用P(B |A)的調(diào)查結(jié)果均值；在對風(fēng)險事件A發(fā)生情況下風(fēng)險事件B不發(fā)生的條件概率進行計算時，采用P(A |B)的調(diào)查結(jié)果進行間接計算，即：

(6)

在對風(fēng)險事件A不發(fā)生情況下風(fēng)險事件B發(fā)生的條件概率進行評價時，采用P(B |A)的調(diào)查結(jié)果均值進行計算：

(7)

對風(fēng)險事件A不發(fā)生情況下風(fēng)險事件B也不發(fā)生的條件概率進行評價時，采用P(A |B)的調(diào)查結(jié)果均值進行計算：

(8)

綜上，在進行風(fēng)險鏈概率計算的時候，分別利用了P(B |A)和P(A |B)的調(diào)查結(jié)果，進一步減小了評估結(jié)果的不確定性。

2.4.2 關(guān)鍵風(fēng)險事件的損失

對于關(guān)鍵風(fēng)險事件的損失評估，由于缺乏可靠的歷史測量數(shù)據(jù)及評價方法，暫時無法對非疊加性風(fēng)險影響的大小進行評估。故在鏈式風(fēng)險評估中，忽略不同關(guān)聯(lián)情況下風(fēng)險損失的非疊加性影響，認為只要風(fēng)險發(fā)生，其損失值即為某一固定值，且當多個風(fēng)險事件同時發(fā)生時，其風(fēng)險損失值滿足疊加性影響。

3 內(nèi)羅畢國家公園大橋施工期鏈式風(fēng)險評估實例

內(nèi)羅畢國家公園特大橋具有如下突出特點：橋梁穿越內(nèi)羅畢國家公園，內(nèi)羅畢國家公園屬于生態(tài)環(huán)境敏感區(qū)，施工期生態(tài)環(huán)保要求高；地質(zhì)情況復(fù)雜，地震烈度高；橋梁長度大、墩高。故該工程施工期面臨諸多挑戰(zhàn)，本文以此工程為例，進行施工期生態(tài)、災(zāi)害、安全風(fēng)險全過程評估，分別采用針對獨立風(fēng)險的評估方法和本文提出的鏈式風(fēng)險評估方法，并對結(jié)果進行比較驗證。

風(fēng)險源辨識及風(fēng)險評估層次模型具體內(nèi)容如圖5所示。通過風(fēng)險源辨識，共識別出橋梁安全風(fēng)險源3大類(包括下部結(jié)構(gòu)施工風(fēng)險、上部結(jié)構(gòu)施工風(fēng)險、施工管理控制風(fēng)險)、災(zāi)害風(fēng)險源和生態(tài)風(fēng)險源各1大類。

圖5 風(fēng)險評估層次模型Fig.5 AHP Hierarchy of the construction

3.1 模糊層次分析法評估結(jié)果

采用專家調(diào)查法對內(nèi)羅畢國家公園特大橋風(fēng)險事故發(fā)生概率及事故損失等級進行打分，采用模糊層次分析法[15]分析結(jié)合專家調(diào)查結(jié)果，對風(fēng)險層次模型(風(fēng)險事件間相互獨立)進行風(fēng)險估測，確定橋梁安全、災(zāi)害風(fēng)險、生態(tài)風(fēng)險的風(fēng)險水平，評估結(jié)果如表3所示。

表3 獨立風(fēng)險評估結(jié)果Table 3 Assessment results of the independent risk

3.2 鏈式風(fēng)險結(jié)構(gòu)模型

鏈式風(fēng)險結(jié)構(gòu)模型以圖5為基礎(chǔ)，認為每1類風(fēng)險中各風(fēng)險源之間存在關(guān)聯(lián)關(guān)系。在風(fēng)險關(guān)聯(lián)關(guān)系識別的過程中，根據(jù)實際風(fēng)險偏好和評估要求，針對不同的風(fēng)險事件給出綜合關(guān)聯(lián)程度的閾值λ，見表4。

表4 關(guān)聯(lián)關(guān)系閾值Table 4 Threshold of correlation

利用本文提出的風(fēng)險關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)提取方法，可得到部分工程風(fēng)險的復(fù)合鏈式風(fēng)險結(jié)構(gòu)，如表5所示。其中，Ri代表風(fēng)險評估層次模型中每類風(fēng)險中第i個風(fēng)險事件，風(fēng)險源內(nèi)容詳見圖5，此處為便于描述僅以符號代替。

3.3 鏈式風(fēng)險方法評估結(jié)果

評估得到最終各類風(fēng)險的風(fēng)險等級評估結(jié)果，如表6所示。其中，各風(fēng)險大類的風(fēng)險水平評價，采用其所有風(fēng)險子類中風(fēng)險等級的最大值作為代表值。

3.4 鏈式風(fēng)險方法評估結(jié)果

針對本工程而言，獨立風(fēng)險評估方法和鏈式風(fēng)險評估方法得出的風(fēng)險水平估測結(jié)果基本相同(各風(fēng)險大類的綜合風(fēng)險水平評價結(jié)果相同，但各風(fēng)險子類的風(fēng)險概率等級和綜合風(fēng)險等級評價結(jié)果存在差異)，說明鏈式風(fēng)險評估方法具有合理性和可靠性。相較而言：

1)獨立風(fēng)險評估方法可以對各個風(fēng)險大類的發(fā)生概率風(fēng)險等級、損失風(fēng)險等級分別進行評價；而鏈式風(fēng)險評估方法只可得到各風(fēng)險的綜合風(fēng)險水平。

2)獨立風(fēng)險評估方法無法對各項風(fēng)險因素的發(fā)生結(jié)構(gòu)及相互影響關(guān)系進行考慮，但評估步驟相對簡單，操作方便；而鏈式風(fēng)險評估方法考慮了各風(fēng)險間的相關(guān)關(guān)系及鏈式效應(yīng)，更符合實際情況，但評估步驟較為繁雜。

3)兩者對于各風(fēng)險大類的綜合風(fēng)險水平評價結(jié)果基本相同，但其中各風(fēng)險子類的風(fēng)險等級評價結(jié)果存在差異。如僅關(guān)心工程幾大總體風(fēng)險的綜合評價結(jié)果，可采用更為簡便的獨立風(fēng)險評估方法；但若關(guān)注工程中某幾個極為重要的子類風(fēng)險的評估結(jié)果，則采用鏈式風(fēng)險評估方法進行評估可得到更為科學(xué)的評估結(jié)果。

表5復(fù)合鏈式風(fēng)險結(jié)構(gòu)
Table5Structureofthecompoundchainrisk

4 結(jié)論

1)對于工程風(fēng)險評估而言，可將其相互關(guān)聯(lián)的風(fēng)險網(wǎng)絡(luò)簡化為由多條獨立風(fēng)險鏈式結(jié)構(gòu)疊加而成的復(fù)合鏈式風(fēng)險結(jié)構(gòu)。

2)以復(fù)合鏈式風(fēng)險結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，給出了考慮不同風(fēng)險間關(guān)聯(lián)情形的鏈式風(fēng)險評估方法，并以內(nèi)羅畢國家公園特大橋為背景進行算例分析。結(jié)果表明，該方法所得的評估結(jié)果合理可信，對于復(fù)雜工程的風(fēng)險評估而言具有一定的應(yīng)用價值。

表6 鏈式風(fēng)險評估結(jié)果Table 6 Assessment results of the chain risk

3)鏈式風(fēng)險評估方法計算量較大，評估步驟較為繁雜，當風(fēng)險事件數(shù)量較大時其可操作性較差；但在工程項目中，當對某幾項風(fēng)險極為關(guān)注時，對其進行小范圍的鏈式風(fēng)險分析可使評估結(jié)果更加真實全面。