应用信息化手段实现工程建设安全动态监控

◎ 住房和城乡建设部标准定额研究所 王 芬

国内外建筑业都是事故多发的行业。世界大多数国家，建筑业是重要的国民经济生产部门。但是由于建筑业的特殊性，其安全形势一直不能令人满意，并且严重制约了建筑业劳动生产率和工程质量的改善与提高，影响了建筑业的可持续发展。有数据显示，我国建筑行业工伤事故发生频率很高，居非矿山企业首位，占35%左右。又值我国应对金融危机的大规模建设投资时期，必将带来工程建设高速发展，这样，施工现场积聚、汇集了大量的安全隐患。各种不安全因素和潜在的职业危害，随时都有可能引发各类事故，危及作业人员生命安全，引起职业病，损害人身健康，造成火灾和爆炸，给国家财产和人民的生命安全造成损害。因此，建筑施工企业安全生产工作是一项非常重要的工作。

建筑施工企业如何高效省时地开展安全评价，长期以来是困扰大家的难题。一般来讲，这些企业是运用科学、规范的评价指标体系和评价方法，对企业安全管理水平和施工现场的安全现状作出真实、客观、公正的综合评判，但经过广泛调研，安全评价方法多停滞在定性的层面上，如何应用定量评价方法，进而应用信息化手段，实现工程建设安全动态监控是本文关注的焦点问题。

1 安全评价专家系统设计基础

影响施工现场安全状况的因素是多方面的，按照目标层、准则层、指标层设计出递阶层次结构施工现场安全评价指标体系，该指标体系呈现出多目标性，多层次性的特点，此特点决定评价方法应选择综合评判的方法。综合评判方法有许多种，但都离不开确定各指标对目标的权重问题。通常采用AHP法来确定权重，进行方案比较与选择。

AHP法作为一种定性与定量相结合的决策工具，在经济、社会、政治等诸系统中得到了广泛应用。但是，由于客观事物的复杂性和人们认识的模糊性，如何更加客观、确切地反映问题，一直备受关注。传统的AHP法两两重要性的比较、判断赋值时，即构造判断矩阵时指派1－9之间整数及其倒数做为标度值，此标度值不考虑人的判断的模糊性，并且其在方案比较重要性的赋值时只考虑了人的判断的两种可能的极端的情况：以隶属度1选择某个标度值，同时又以隶属度1否定（或以隶属度0选择）其它标度值。这样，虽然使本来模糊的量明确化了，但把它变成毫无弹性的硬指标的作法是不尽合理的。

有研究提出用三角模糊数表示Fuzzy比较判断的方法，并利用模糊数比较大小的方法进行排序，形成了Fuzzy AHP法，比较好地解决了上述问题。本文采用Fuzzy AHP法求得各层指标对目标的综合权重。

决策者实际操作过程中，如何使用三角模糊数，即三角模糊数中的三个数各代表什么含义，是正确运用三角模糊数的关键。如果不能较好地解释这一关键概念，那么决策者将无法做出判断。简单地讲，即怎样使决策者明白打分含义。

在将各因素两两进行比较时，首先请一位专家给出一个比较区间，以100分制为例，区间最大不可超过20，即｜l-u｜≤20，以此确定l和u，比较区间确定依据可以参照表5-1；再请第二位专家打在此区间内给出比较得分，即确定隶属度为1时的m值。因此，三角模糊数M（l,m,u）得以确定，也就得到了由决策者给出各层指标间的相对模糊判断矩阵。

2 理论应用示范

这里以评价指标体系中的某层四因素为例。

首先，由各位专家给出相对模糊判断矩阵，其中打分结果已转换成5分制，如图1所示。图1由三位专家，四个因素给出了相对模糊判断矩阵。如专家1将因素1与因素2比较，用三角模糊数表示为（1.33，2，2.63），见图中第3行，第6，7，8列。而专家1将因素2与因素1比较，用三角模糊数表示为（0.38，0.5，0.75），见图中第6行，第3，4，5列。可见，因素1与因素2的比较和因素2与因素1的比较互为倒数，实际应用时给出一种即可，另一个可计算得到。另外因素自身比较恒为1，所以对角线元素为1，不需给出。

表1 比较区间参照表

图1

图2

其次，计算模糊判断矩阵，即对所有专家的判断进行平均。所得4*4的矩阵如图2所示。

接下来，计算各因素间的相对重要性程度，如图3所示。如V(S2>=S1)=0.347，见图中第3行，第2列。

最后计算权重并归一化，结果如图4所示。

3 安全评价专家系统设计

无论是层次分析法还是三角模糊数层次分析法，都存在一个问题，即专家数量较少，其打分具有片面性和模糊性，因此小样本量专家打分是模糊不精确的，针对这一问题，我们可以应用专家系统来解决。

专家系统(Expert System,ES)是人工智能(Artificial Intelligence,AI)的一个最为重要的应用领域，在特殊的专业任务方面具有人类专家的效能。ES把AI的程序设计技术与特定的、较窄领域的专家知识结合起来，把专家的启发式知识同他们的非形式化推理风格结合起来，力图模仿专家们的思维、技术和直觉，重复专家们的决策过程。ES的应用，使得处理以上问题具有了新的思路。

图3

图4

基于数据库的专家系统以成熟的数据库技术为载体，利用专家系统的思想方法来进行推理演绎，充分利用专家系统和关系数据库技术两者所具有的优点，以数据库为基础，易于通过人机对话实现简单的学习功能，以关联建立知识库，引导推理，以过滤机制和索引技术加快搜索，使推理更加简单、高效。

本文使用VB6设计出施工安全评价专家系统框架，该系统可对施工安全进行评价、打分，可用于各类建设工程，具有广泛的应用前景。下面我们以路基工程为例介绍知识库的建立和推理机的设计。

以路基工程部分指标内容为例。指标体系如下：

3.1 安全评价专家系统的组成

专家系统具有记忆性，联想性的特点，应用数据库可以实现对多个专家打分的积累，建立相应的数学模型，使新的专家打分与模型进行拟合，其结果则更符合实际。

基于计算机的专家系统中储存着大量的专家知识和经验，该程序系统应用了人工智能技术来模仿人的决策行为，通过比较由一个或多个专家提供的某专业领域内的知识和经验进行推理和判断。因此，这种方法适用于解决由专家来决策的复杂问题。

实际操作的结果显示这个系统的决定过程类似于有关的领域的专家。专家系统的结构如图5。

3.2 知识库的建立

这里所谈的知识概念是知识处理的特殊对象，与日常生活中所谈的知识有较大的区别。为此，将“知识”定义为：“知识是以各种不同方式把多个信息关联在一起的信息结构”。知识库概念是数据库概念在知识处理领域的拓广和延伸。在知识库中可存放各种数据，组织、管理和维护数据库的方法对知识库来说可以继续使用。但是，知识库的主要任务还是存储大量的知识，因此，可将知识库定义为经过分类组织的“知识的一个集合”。

由于access具有较强的数据库维护与管理功能，故暂可使用access对知识库的维护与管理。

在本系统中，用access建立数据库safety.mdb

其中包括: lib0RB2.def，用来存贮RB21、RB22…RB25权重；

lib0RB21.def，用来存贮RB211、RB212、RB213的权重；

lib0RB22.def，用来存贮RB221、RB222、RB223的权重；

lib0RB23.def，用来存贮RB231、RB232、RB233的权重；

然而access功能强大，但操作复杂，在日后的程序完善过程中，应添加一个模块，在本系统中实现对知识库维护的日常工作，包括修改、查询工作。

此模块应界面简单、明了，易于使用。

知识库的建立与维护见图6。

用VB编程实现对知识库查询，并可读取知识库中的权重值，在后续完善工作中，应加入专家姓名等查询功能。

用VB语言实现人机交互界面，分别将专家对RB21…RB25等给出的相对比较得分及评分结果录入知识库中，并将结果进行存储。

路基工程部分指标内容

图5 专家系统结构图

3.3 推理机的设计

在知识集合上进行各种推理是知识运用最重要的一种形式。它的主要特征表现为前提与结论之间的逻辑关系，前提给结论提供理由或证据。从已有的知识前提出发，根据各种推理法则，可以推出种种新知识，是开拓知识领域的重要方法。在专家系统中，除了研究推理的理论与方法外，更重要的是研究如何在计算机上实现推理。推理机就是基于知识推理的计算机实现。它的主要任务是选择知识和应用知识。

本系统的推理过程如所设计的推理机所示：

（1）由知识库中取出RB21到RB23的相对权重。

（2）可由现场专家确定RB21到RB23的相对权重是否符合当前工程施工现状，如符合或无专家在场可直接进行第8步。

（3）由专家按APH方法给出RB21到RB23的比较得分。

（4）将此得分存入知识库中。

（5）计算RB21到RB23的相对权重。

（6）显示此权重，并将此相对权重存入知识库中。

（7）采用遗产算法或神经网络等优化算法将以前存储的所以权重做优化，得出一个合理的相对权重。当无专家在场时可使用此相对权重。

（8）由知识库中取出RB211到RB213的相对权重。

（9）可由现场专家确定RB211到RB213的相对权重是否符合当前工程施工现状，如符合或无专家在场可直接进行第15步。

（10）由专家按APH方法给出RB211到RB213的比较得分。

（11）将此得分存入知识库中。

（12）计算RB211到RB213的相对权重。

（13）显示此权重，并将此相对权重存入知识库中。

（14）采用遗产算法或神经网络等优化算法将以前存储的所以权重做优化，得出一个合理的相对权重。当无专家在场时可使用此相对权重。

（15）请专家或进行安全评价的人员对RB211到RB213评分。

（16）计算加权平均分数。

（17）重复此过程，分别计算RB22、RB23等的加权平均分数。

（18）从知识库中取出RB21到RB23的权重，计算加权平均分数。

（19）将此结果输出，完成此次推理运算。

该系统的优点在于可以对多个专家打分进行模型拟合，达到与实际更接近的目的。该系统经过对路基工程安全评价测试，证明系统是有效的。

4 小结

本文首次成功尝试运用三角模糊数层次分析法模型在安全评价领域的应用，拓展了安全评价的定量化研究方法。针对层次分析法中的普遍问题，利用信息化手段，建立了施工现场安全评价专家系统，该系统对工业企业的管理现代化、经营决策的科学化具有重要意义，但今后还有待于对该系统做进一步的完善，增加模型库中的模型，进一步改善信息输出方式和功能。总之，从工程建设行业管理的角度，建立了覆盖面全的建设工程施工现场安全评价专家系统，为施工企业高效省时地开展安全评价，为工程建设安全的动态监控提供了更科学的方法和手段。