基于AHP和VPRS建筑施工安全风险评价体系及其权重

翟 瑞， 张云宁， 仲 冉

(1. 河海大学 商学院， 江苏 南京 211100； 2.东南大学 土木工程学院， 江苏 南京 210096)

基于AHP和VPRS建筑施工安全风险评价体系及其权重

翟 瑞1， 张云宁1， 仲 冉2

(1. 河海大学 商学院， 江苏 南京 211100； 2.东南大学 土木工程学院， 江苏 南京 210096)

建筑施工过程中安全事件多发情况不仅会对企业的信誉、盈利能力和社会稳定带来负面影响，也对施工人员的人身安全和财产损失带来极大伤害。保证建筑施工安全氛围是我国建筑企业发展的重要条件。本文以准确、科学、简洁为目标构建了三层次建筑施工安全风险评价指标体系，综合利用层次分析法和变精度粗糙集对风险指标权重进行计算。最终结合实际案例，对风险指标权重进行排序，结果表明该方法具有一定实用性和有效性，可致力于减少安全事故的发生。

建筑施工； 安全评价； AHP； 变精度粗糙集

经济体制改革以来我国经济保持快速发展，未来较长的时间内全社会固定资产投资仍将保持稳定增长，我国建筑业正处于较快发展进程之中，为国民经济发展带来巨大贡献。伴随着建筑工程的复杂性和多样性提高，施工过程中不确定的安全风险因素数量和影响程度也逐渐增加。建筑工程施工现场作业环境复杂，人、机流动性大，生产条件恶劣，施工周期较长，危险源多且不确定，施工过程中存在的许多不安全因素直接关系到人员的生命财产安全，有必要对这些安全风险因素进行精确的识别和分析，并制定相应的应对和防范措施，争取将工程项目的风险损失降到最低水平。

安全风险研究起源于20世纪90年代。国外学者Eybpoosh等[1]利用解释结构模型分析了土耳其项目的36个安全风险之间的相互关系及影响路径；Schatteman 等[2]建立了风险记录数据库系统，以此来分析和量化项目全寿命周期过程中的主要风险因素和发生概率；Maria-Sanchez[3]利用 Neural-Risk Assessment System 对项目中常见的安全风险因素进行量化，并以此来分析该风险因素对承包商利润的影响大小；文献[4]通过“Universal Risk Project”项目建立了一个适用于多数项目的安全领域风险清单，为政府机构、工业和商业等企业进行风险管理提供了参考；国内祝迪飞[5]等对2008奥运场馆建设目标，进行了风险识别并建立风险分解结构；赵挺生[6]等利用分层分析方法计算各安全风险因素对施工伤害事故的影响频率。但目前的指标评价和计算方法缺少主客观指标的划分，指标的说服力较低。本文在采用多位专家进行打分的基础上，结合AHP和VPRS模型对指标进行权重计算，建立一种更为科学可靠的评价数学模型，对建筑企业安全进行综合评价。

1 建筑施工安全风险评价体系构建

在对相关建筑企业安全评价指标研究成果[7,8]分析的基础上，本文以准确、科学和简洁为目标建立了一个初始的建筑施工安全风险评价指标体系，如表1所示。

表1 建筑施工安全风险评价指标体系

为防止由于各安全风险指标间存在相互性而降低评价结果的真实有效性，可以通过SPSS分析软件分析计算以上指标之间的相关性，删除相互性较强的安全指标，从而提高指标体系的准确性和科学性。

使用SPSS软件对从90家上市建筑企业相关年报所采集的指标体系数据进行相关性分析，临界值取0.65[9]。在相关系数矩阵中共有7个评价指标相关系数大于0.65，如表2所示。通过表2可以分析出每个指标与其他指标之间的相关系数大小，删除系数值相对较大的安全风险指标，得到最终科学合理的安全风险评价指标见图1所示。

图1 建筑施工安全评价指标体系

2 建筑施工安全评价指标综合权重确定

2.1 变精度粗糙集理论简介

在粗糙集[10,11]模型的基础上进行扩充可得到变精度粗糙集，通过预置取值介于0.5与1之间的近似精度因子β(0.5<β≤1)，使得粗糙集严格的边界定义得到一定程度的放松，从而赋予了该模型抗噪声能力[12]，有利于解决属性间无函数或不确定关系的数据分类问题。由于变精度粗糙集特有的抗噪声能力可以有效消除安全风险指标之间的分类误差，而此能力正好可以消除专家在打分决策时存在的主观误差，从而提高对安全风险指标重要性排序的科学合理性。

变精度粗糙集计算过程中假设C为条件属性集，D为决策属性集，且C,D⊆A，条件属性集和决策属性集都隶属于有限属性集A。如果U是所有评分对象的集合，那么当集合Z和集合P分别隶属于集合U和集合C时，可将Z划分为三个区间：

(1)

(2)

(3)

式中：E(P)是基于P的条件类，且表示的是一个等价类集合。P相对于D的QoC定义为：

表2 相关系数矩阵

(4)

式中：card(U)为被打分对象(建筑企业项目)的数量，利用变精度粗糙集分类质量(Quality of Classification,QoC)数值大小体现了条件属性间的重要性，此重要性大小可用来构建判断矩阵，进一步确定各风险要素在项目整体风险中的重要度[13]；γβ(P,D)为P在正确分类率β的条件下，划入决策属性D的数量，而且γβ(P,D)数值大小与D对于P的重要性程度成正比，根据此属性可推测QoC也可用于表示条件类P相对决策属性D的重要性[14]。

2.2 建筑施工安全评价指标综合权重确定

2.2.1 评价指标权重确定

利用变精度粗糙集理论可将QoC概念运用到对建筑施工安全评价指标权重的确定上。在对建筑施工的安全评价过程中涉及到以上几方面，Pi表示体系中第i(i=1,2,3,4,5)个指标，且各个指标之间具有相对独立性；群决策Pki相对于Dk的重要性可以通过专家对各个样本建筑企业及其相关指标进行打分获得，具体如下：

(5)

构造基于AHP方法的矩阵集合B={B1,B2,…,Bk,…,Bm}，其中Bk是判断矩阵，决定于第k个评估专家对建筑企业的打分。

式中：bk,ij为第k个专家确定出的指标体系Pi相对于Pj的重要程度，即

(6)

因为bk,ij×bk,jh=bk,ih，所以bk为完全一致判断矩阵。变精度粗糙集计算过程中的此判断结果可以有效解决判断矩阵不一致的问题。条件属性Pki特征值可以通过几何平均法得到：

(7)

(8)

归一化处理后可得出判断矩阵Bk中指标权重向量如下：

(9)

(10)

2.2.2 专家权重确定

2.2.1节对各安全风险指标权重进行了计算，本节将对建筑施工安全评价指标从客观和主观两方面评价，各角度对应权重分别用Ok和Sk表示。在群决策表基础上，结合AHP和VPRS方法来确定专家对建筑企业安全评价指标中要素的权重，从而有效消除专家打分中存在一定的主观性和随意性。

m个专家判断矩阵的集合用B来表示；Bk与其他判断矩阵之间的相似性可反映第k个专家的客观权重大小，相似性越低则该专家权重越低，反之亦然。判断矩阵Bk定义如下：

bk,j=(bk,1j,bk,2j,…,bk,nj)

(11)

vec(Bk)=(bk,1,bk,2,…,bk,j,…,bk,n),j=1,2,…,n

(12)

专家i和专家j之间的相似性定义如下：

(13)

式中：0

(14)

Bk的可信度随着bk单调递增，所以对第k个专家的客观权重作如下定义：

可得出结论，杉木样品包括未处理在内，在热处理过程中，样品表面的裂缝因为热处理的原因而逐渐变小，样品表面层次感变低，纹理也越来越清晰。即随着热处理时间的增加，样品表面越光滑。即未处理、热处理1 h、热处理2 h、热处理4 h的粗糙度逐渐变小。

(15)

专家权重可以定义为：

γk=cSk+dOk

(16)

(17)

3 建筑施工安全评价指标权重算例

某建筑企业主要从事住宅小区和商业项目的开发，现对其安全评价指标及其指标权重进行打分计算。经过专家组(4人组成)现场对15个安全评价指标要素重要程度进行打分，1为较为重要；2为重要；3为很重要；4为非常重要，得到建筑企业安全体系要素评价决策表，见表3所示。

表3 由属性组成的决策表

对R4、R5、R6和C2，R7、R8、R9和C3，R10、R11、R12和C4，R13、R14、R15和C5，以及C1、C2、C3、C4、C5和G等5个组分别进行评估，得到如表4～8所示的决策表。

表4 由属性R4、R5、R6、C2组成的决策表

表5 由属性R7、R8、R9、C3组成的决策表

表6 由属性R10、R11、R12、C4组成的决策表

表7 由属性R13、R14、R15、C5组成的决策表

表8 由属性C1、C2、C3、C4、C5、G组成的决策表

本文基于VPRS模型的分类质量提出了一种判断矩阵构造方法，它不需要对各判断对象直接进行成对比较，而是由专家组的决策方案来确定判断矩阵。设Ei的分类精度为βk(Ei表示第i个专家组，i=1,2,3,4)，由公式(5)可得Cki相对于G的重要度为：

(18)

式中：Gkj为U/Gk的一个决策类，U/Gk={Gk1,Gk2,…,Gkp},p=card(U/Gk)。

式中：bk,it表示Cki相对于C的重要度。

取β=0.2，通过上层要素、下层要素以及同层要素之间的相对重要度的计算来建立判断矩阵。由表3可得判断矩阵为：

由B1可得，特征向量W1=(0.12,0.23,0.05)。同理，对E2、E3、E4求解判断矩阵可得对应特征向量分别为：

W2=(0.31,0.18,0.43)；W3=(0.08,0.62,0.23)；W4=(0.56,0.07,0.30)。

因此可以得到分析对象集U中各样本安全评估指标综合重要度见表9所示。

表9 建筑企业施工安全指标要素综合重要度

通过表9计算出的各安全风险指标要素的最后综合重要度结果，按各安全风险指标重要度从大到小排序可得到排序如下：

R13≻R14≻R1≻R3≻R7≻R9≻R8≻R15≻R2≻R6≻R10≻R5≻R4≻R12≻R11

从排序结果二级指标可以看出，管理、环境、技术、设备、人五大管理要素中，最重要的是人的因素，人的技术水平对于建筑施工这样复杂系统的重要性不言而喻，这表明涉及到人的安全因素都需要高度重视，这是保障建筑施工安全的前提。AHP和VPRS算法结合计算最终二级指标重要度排序为人员因素≻管理因素≻技术因素≻环境因素≻设备因素，此二级指标排序与贾旭阳[15]、宋飞[16]、杨莉琼[17]等文献中对于施工安全因素排序一致，排序结果符合实际认知且科学可靠。

各大因素包含指标内部排序重要度也不尽相同。人员因素中，操作层安全技术水平是最重要指标，提高施工人员操作能力对提高施工安全至关重要；管理因素中，安全检查占首要位置，安全检查的重点是劳动条件、机械设备、现场管理、安全卫生设施以及人的工作状态等等。通过查思想、查管理、查制度、查现场、查隐患、查危险源、查事故处理、使安全管理自始自终贯穿在整个工程施工过程中；技术因素中施工组织设计权重高达0.0713，因为良好的施工组织设计可以有效地避免很多建筑施工安全事故的发生；环境因素中三要素重要性相当，自然环境无法改变，但是要做好项目前期气候以及地质条件的勘察，做好充分应对准备避免出现安全事故；施工设备因素中相对重要的是设备安全管理因素，它直接影响工程的施工质量以及施工进度，必须把控好工程机械设备的使用、维修和保养，保障设备正常运行，安全高效地完成建筑工程施工任务。

4 模型讨论

本文综合利用层次分析法和变精度粗糙集方法对建筑施工安全风险体系各指标要素重要度进行排序分析，此排序分析建立在多位相关专家对指标评价结果平衡分析基础之上。结合AHP和VPRS方法，可有效消除评分过程中主观因素影响，使得计算结果更为科学精确。本节将以AHP和VPRS的计算过程为依据对模型进行讨论分析。

(1)AHP和VPRS结合应用。在本文分析过程中，将建筑施工安全风险评价体系分为三个层次指标，在利用AHP方法分析出各下层指标要素对上层指标要素的相对重要性基础上，通过算术平均值得出各指标重要程度。

由于常用的层次分析法习惯仅仅将相对重要度划分成1、3、5、7、9五个不同等级，而没有将其再继续细分。本文的数据均利用VPRS方法进行过预处理，除了可以简化整个计算过程之外，还可以有效提升重要度计算结果的精确性，具有较强的实践指导性，可为决策者提供一定的参考价值。

(2)多专家评估。当建筑企业安全评级体系指标较多时，个别专家在评价某些评价要素时可能会产生判断偏差，这些偏差很多是由专业性限制导致。本文采用多专家评价的方法，为了减少因专家主观性而带来的负面影响，对专家的评价结果取均值计算。每个专家的打分最后结果为专家决策打分数值与专家重要权数相乘的结果，专业能力认定更强，其赋予的专家重要权数更大，此方法可有效增加专家组打分的科学合理性，各指标重要程度得分最终由各专家打分加权平均值计算得出。本文评价的前提是每个专家的能力相同，所以他们的权数也都是相同取值。

(3)β值的选取。将AHP和VPRS模型相结合可有效减少由于专家行业的片面性而带来的计算结果误差。VPRS算法计算过程中最终结果计算精确度也与β值的取值大小有关，若取值不当同样也会影响最终计算结果的准确性。因此，β值的选取要结合实际计算过程决策表中的数据情况。当数据分布较为均匀且系统并不完备时，取较大的β值，相反取较小的β值。

(4)数据的处理。当变精度粗糙集在计算各安全风险指标要素相对于上层指标存在依赖性，全部打分专家对其取值打分均为零时，该项指标依赖性数值计算结果为零。值得注意的是，在VPRS模型求解判断矩阵过程中，所有要素的取值均应为正数且服从一定的取值要求。为避免出现依赖性取值为零情况的发生，在构建判断矩阵之前就应将此类安全风险要素指标删除。但如果此要素因其重要度无法将其删除，则说明各专家在打分决策过程中的计算结果存在误差，需要对此要素对上层指标依赖性以及重要性重新进行打分评价。

5 结 语

建筑施工过程安全体系评价由于主观性的因素，存在许多不确定性的问题，将AHP模型和VPRS模型相结合可有效合理地解决不精确的信息分类问题，有效消除数据噪声。最终计算出的指标重要程度对项目决策者有一定的参考价值。

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Construction Safety Risk Evaluation System and Its’ Weight Based on AHP and VPRS

ZHAIRui1,ZHANGYun-ning1,ZHONGRan2

(1.Business School, Hohai University, Nanjing 211100, China;2.School of Civil Engineering, Southeast University, Nanjing 210096, China)

Construction process multiple cases of security incidents would not only corporate reputation, profitability and adversely affect social stability, but also the safety of construction workers and property damage caused great harm.Ensure construction safety climate is an important condition for the development of our enterprise architecture. Based on the accurate, scientific and simple as the goal to build a three level building construction safety risk evaluation index system, comprehensive use of analytic hierarchy process and variable precision rough set of risk index weight to calculate. Finally combining with actual cases, the risk rank index weight, the results show that the method has a certain practicality and effectiveness, which can be committed to reducing the occurrence of safety accidents.

building construction; safety evaluation; AHP; VPRS

2016-03-23

2016-06-03

翟 瑞(1993-)，女，安徽芜湖人，硕士研究生，研究方向为工程项目管理与项目安全评价 (Email: hehaidaxuezr@163.com)

TU714

A

2095-0985(2016)06-0109-06