基于最小鉴别信息原理的幕墙工程施工安全模糊综合评价

童张俊，姚传勤，江婷婷

(安徽理工大学 土木建筑学院，安徽 淮南 232001)

0 引言

近年来城市建筑群对幕墙装饰的需求量逐步增加，建筑幕墙作为新型现代装饰技术得以迅猛发展。随着建筑幕墙日益广泛的应用，尤其是在高层建筑上的大量使用，有关建筑幕墙安全方面的问题逐渐显露出来。

在幕墙工程的安全评价方面，王骅等[1]对既有幕墙建筑的管理隐患、理顺管理机制、法规体系完善三个方面研究，结合各地区出台的相关政策法规对幕墙安全管理进行评价；金巾等[2]采用模糊数学与应用突变理论相结合的方法对幕墙安全可靠性进行了评价，使用理论分析的方法对幕墙稳定性评判上给出了一种评判方法的基本框架；刘军进等[3]通过对既有建筑幕墙安全性检测的内容及方法进行了研究，结合国内外有关建筑幕墙安全性检测及评价的最新研究成果，探讨了今后研究中需要考虑和解决的关键问题；付树壮[4]从全生命周期角度，对建筑幕墙的安全问题进行了成因分析，主要包含幕墙材料性质、安装技术、结构连接等安全因素。高旭[5]通过实际调研，总结了近几年常见公共建筑幕墙形式及相关的设计、施工特点，总结了幕墙施工各环节主要的质量问题，从施工组织管理、材料采购和进场、隐蔽工程、面板安装等重点环节，进行研究分析建筑幕墙的质量问题、质量控制要点，并且提出相应的质量控制措施。

综上所述，在关于幕墙工程安全的结构设计、施工技术、既有幕墙的安全使用与维护方面都有了深入探索，但是在幕墙工程施工安全管理评价方面缺乏进一步研究探索。为了提高政府安全监管部门对幕墙工程施工的监管效率和幕墙施工现场安全管理人员的管理效率，本文在调查幕墙工程施工安全影响因素的基础上，结合层次分析法和熵权法分别确定主观权重与客观权重，使用最小信息鉴别理论进行权重组合，利用改进的隶属度确定原则确定最终评价等级[6]。克服各个影响因素权重确定时主观性大的缺点，保证评价结果的科学可靠，期望在今后的幕墙施工安全管理过程中提供参考。

1 幕墙工程施工安全评价指标体系的建立

基于人、机、物、法、环(4M1E)现场管理五大要素对建筑工程的施工安全影响因素进行分析整理，着重分析幕墙工程施工安全管理的人为活动、管理体系、机械设备和材料、施工环境等影响因素。根据住房和城乡建设部批准的JGJ59-2011《建筑施工安全检查标准》，构建了幕墙工程施工安全评价指标体系[7]。该评价指标体系的准则层包括人为因素、管理因素、材料设备因素和环境因素四个方面的内容，方案层是将各准则层的影响要素细分为17个具体可量化的评价指标。幕墙工程施工安全生产评价指标体系如图1所示。

2 幕墙工程施工安全评价指标模型的构建

根据建立的幕墙工程施工安全生产评价指标体系，基于模糊综合评价法现行的方法和步骤，应用隶属度函数概念，将各因素指标映射到评价集区间上，使用改进的隶属原则确定综合评判等级值，以构建幕墙工程施工安全相对隶属度模糊优化评价模型[8]。

2.1 确定安全评价的因素集合

根据幕墙工程施工安全生产评价指标要素，确定如下的模糊综合评价因素集：

一级因素集：U={U1,U2,U3,U4}

二级因素集：U1={U11，U12,U13}

U2={U21，U22,U23，U24，U25，U26，U27}

U3={U31，U32,U33，U34}

U4={U41，U42,U43}

2.2 建立安全等级评价集

制定评价的标准对各评价指标进行量化评定确定评价集V，通过百分制分数区间将幕墙工程施工安全评价等级分为优秀、良好、合格和不合格4个等级见表1。

安全等级评价集：V={v1,v2,v3,v4}={优秀，良好，合格，不合格}

图1 幕墙工程施工安全生产评价指标体系

表1 评分等级标准对照表

2.3 确定安全评价指标权重

指标的赋权方法多种多样，大致可分为以下三大类：主观赋权法、客观赋权法以及组合赋权法[9]。主观赋权法依赖于决策者主观的意图，具有较强的主观性；客观赋权法更着重于客观数据，但无法反映出决策者对不同指标的重视程度，可能会存在权重与实际指标重要程度相悖的情况。因此，结合上述主客观赋权法的优缺点，本研究在对评价指标进行权重分配时，采用层次分析法进行主观权重的计算，熵值法确定客观权重，再通过最小鉴别信息原理将主客观权重进行组合，以弥补单一赋权的不足。力求将主观的随机性控制在一定范围内，实现了主客观赋权的内在统一和均衡，使得评价结果更加真实可靠。

2.3.1 主观权重的确定

本文使用层次分析法确定幕墙工程施工安全指标主观权重，将归属于同一层级的影响因素采用1-9标度两两对比进行评分。分析系统中各因素之间的关系以建立系统的递阶层次结构，通过邀请幕墙工程施工管理方面专家进行打分，得到了一级指标和对应的二级指标判断矩阵：

一级指标判断矩阵为

二级指标判断矩阵为

通过计算上述判断矩阵对应的最大特征根的特征向量λmax，经归一化处理后得到Wa，Wa即同一层次元素对应于上一层次元素相对重要性的排序权值。通过式(1)计算得出相应判断矩阵的一致性指标CI。

(1)

其中，CI=0时矩阵有完全一致性；CI越大矩阵的不一致性越大。

(2)

引入一致性指标RI来衡量的大小，通过式(2)得出一致性比率CR。一般认为一致性比率CR<0.1时，Ai的不一致程度在容许范围内，即通过一致性检验。若一致性比率CR≥0.1时,说明判断矩阵不符合一致性。

通过YAAHP软件的计算得到判断矩阵的一致性比率皆满足条件，故判断矩阵满足一致性要求，进而计算得到一级指标和二级指标的权重为：

Wa={0.2400，0.6006， 0.0989，0.0605}

Wa1={0.6232,0.1373,0.2395}

Wa2={0.1049,0.1215,0.3438,0.2462,0.0864,0.0498,0.0475}

Wa3={0.5317,0.1856,0.0972,0.1856}

Wa4={0.0824,0.6025,0.3151}

由一级指标权重再次进行归一化处理，得出主观权重向量。

WA={0.1496， 0.0330，0.0575， 0.0630， 0.0730， 0.2064， 0.1478， 0.0519，

0.0299， 0.0285， 0.0526， 0.0184， 0.0096， 0.0184， 0.0050， 0.0365，0.0191}

2.3.2 客观权重的确定

熵权法是依据指标变异性程度大小来确定客观权重的一种客观赋权法。某项指标的熵值越小,其变异程度越大，相应的熵权越大。在综合评价中，该项指标所能提供的信息量越多，能起到更加重要的作用。

(3)

接着计算指标的特征权重以及安全评价指标的熵值Hj，见式(4)～(6)。

(4)

(5)

(6)

其中pij为指标比重式，n评分专家数量，再通过式(7)将熵权Ws算出，完成客观权重的计算。

(7)

2.3.3 组合权重的确定

当决策者只控制先验概率分布，或者仅掌握部分统计分布信息时，可采用最小鉴别信息原理对已有数据进行分析加以整合，从而对整体分布做出判断。

本文首先将层次分析法确定的主观权重和熵权法计算的客观权重代入式(8)中，分别求出幕墙工程施工安全评价指标的主观与客观鉴别信息，再运用最小鉴别信息原理进行主客观综合赋权计算。建立目标函数式(9)进行判断，当两个鉴别信息的和最小时，综合权重最接近主客观组合权重。

(8)

minF=I(WZ,WA)+I(WZ,WS)

(9)

其中，综合权重WZ满足W1+W2+…+Wn=1，且W1,W2,…Wn>0。

通过构造拉格朗日函数来对目标函数进行求解。

(10)

当极值存在时，有：

(11)

故最终可以解得Wz。

(12)

2.4 确定模糊关系矩阵

一般情况下，在模糊评价过程中获得的统计数据皆是精确值，而进行模糊评判时使用的控制规则往往需要模糊的语言量。为了更加有效地利用这些数据，展开进一步的处理，需要通过确定输入精确值所对应的模糊集的隶属函数，来对准确数据进行输入的模糊化。隶属函数的形状以及它在模糊子集论域内的分布状况应该趋于大致相同，本文采用常规的梯型模糊分布，其中分为偏大型、中间型和偏小型。分别采用式(13)表示偏大型，式(14)、(15)代表中间型以及式(16)表示偏小型。

(13)

(14)

(15)

(16)

上述式中的a,b,c,d值对应的为评价集中的节点分数值，数值见表1。

将专家对幕墙工程施工安全评价体系中的17个评价指标的评分值带入上述隶属度函数式中，计算出指标评价因素对应的隶属度，得出安全评价模糊关系矩阵如下：

2.5 模糊综合判断

将得到的指标权重向量W和安全评价模糊关系矩阵R进行加权平均计算，如下列式(17)。二者利用M=(·,⊕)型加权平均矩阵合成得到最终的总评价向量B[10]。在模糊评价的实例中，最大隶属度原则被到处套用，但是很少有人注意最大隶属度的有效性问题，在判断结果向量B中，如果有两元素数值相差很小时，使用最大隶属度原则武断划分会影响评价的准确性，故本文引进的评判原则进行评判，评判的基本过程用图2流程表示：

B=W∘R

(17)

其中，bi指的是最终的总评价指标内的数值，当B中的各元素相等时，bi就为常数，使用简单平均原则评价。α和β的计算方法见式(18)、(19)和(20)。

(19)

图2 模糊综合判断隶属度原则流程

3 案例分析

3.1 工程概况

某生物医药基地建设项目二标段工程，总建筑面积117283.39 m2，其中四栋建筑外墙采用幕墙结构进行外围装饰，幕墙工程施工的总工期为150 d。该幕墙工程包含的四栋建筑结构类型存在差异，幕墙施工工艺各有不同，多支劳务队伍同时施工，需要项目管理人员重点分析判断工程自身的危险性因素，做好施工现场的安全管理工作。

3.2 评价过程及结果

邀请10名幕墙工程方面专家学者对照图1所示的幕墙工程施工安全指标体系中的17个具体的评价指标进行评分。具体评分经过加权平均计算后见表2。

表2 某幕墙工程建设项目安全评分

将专家对各个指标的评分数值代入隶属度函数式(13)、(14)、(15)和(16)中得到二级指标模糊评价的评价矩阵

通过收集的专家评分数据，将数据由式(3)标准化处理后，再通过式(4)计算得到熵值，最终代入式(7)中得到熵权

Ws={0.070,0.053,0.039,0.042,0.064,0.081,0.073,0.045,0.089,0.064,0.067,0.056,0.045,0.036,0.070,0.050,0.056}

将已经计算出的客观权重和主观权重通过式(8)、(9)组合得到式(10)最终计算得到组合权重，通过归一化处理后得到各个一级指标权重Wi(i=1,2,3,4)。

Wz={0.1113,0.0455,0.0515,0.0560,0.0744,0.1407,0.1130,0.0526,0.0561,0.0465,0.0646,0.0349,0.0226,0.0280,0.0204,0.0465,0.0356}

W1={0.5343,0.2184,0.2472}

W2={0.1038,0.1380,0.2609,0.2095,0.0975,0.1040,0.0862}

W3={0.4304,0.2325,0.1506,0.1865}

W4={0.1990,0.4537,0.3473}

将组合权重Wi与模糊评价关系矩阵Ri代入式(11)中，采用M=(·,⊕)型的算法得到总评价向量Bi(i=1,2,3,4)。

B1={0,0,0.4558,0.5442}

B2={0,0.1191,0.7725，0.1084}

B3={0,0.1493,0.6679，0.1828}

B4={0,0.1231,0.8179，0.0590}

对所求出的总评价向量Bi(i=1,2,3,4)通过改进的模糊评判原则流程进行评判。经过图2的流程判断B1符合加权平均原则评判，对应的安全等级为优秀；B2符合最大隶属度原则评判，对应的安全等级为良好；B3符合加权平均原则评判，对应的安全等级为良好；B4符合最大隶属度原则评判，对应的安全等级为良好。

从评判结果中得到人为因素对应优秀的安全等级，说明现场的施工人员和管理人员的安全意识水平较高，有着较强的安全风险防范意识，生产技术水平满足一定的要求；同时，设备与材料因素的安全等级为良好，符合日常施工安全的需要，但仍需加强有关幕墙材料可靠性的验收检查；管理因素和环境因素并未达到优秀，满足良好水平的安全等级，基本符合施工的安全状况，仍然需要加强有关人员安全教育和安全事故的预防演练，确保幕墙施工过程中人员的安全状况。

4 结论

(1) 本文从4M1E五大生产要素出发，分析了幕墙工程施工过程中安全生产的影响因素，构建了幕墙工程施工安全生产评价指标体系，为今后幕墙工程施工过程的安全管理提供了借鉴参考。

(2) 通过最小鉴别信息原理将层次分析法和熵权法确定的主客观权重结合起来，既规避了主观赋权中的人为倾向造成的数据偏差，又能够补充客观赋权中无法体现参与决策者对不同指标重视程度的弊端。采用最小鉴别信息原理进行组合赋权后再进行模糊综合评价，可以有效提高对相关幕墙工程施工的实例进行安全评价的科学性与准确性。

(3) 相较于大多数采用模糊综合评价的实例，直接套用最大隶属度原则不够严谨，本文通过引入改进的模糊评价评判原则，控制隶属原则的使用，使得模糊综合安全评价结果更加真实可靠，同时也提高了本文安全评价模型的实用性。