胡述筌 李海鋒 劉婉怡

(1.同濟大學(xué)道路與交通工程教育部重點實驗室， 201804， 上海； 2.上海市軌道交通結(jié)構(gòu)耐久與系統(tǒng)安全重點實驗室， 201804， 上海； 3.同濟大學(xué)浙江學(xué)院交通運輸工程系, 314051， 嘉興； 4.上海市隧道工程軌道交通設(shè)計研究院, 200235, 上海∥第一作者， 碩士研究生)

為了制定軌道交通土建設(shè)施合理的養(yǎng)護作業(yè)計劃，需要評估各類傷損發(fā)生后的系統(tǒng)風(fēng)險等級。目前針對軌道交通線路土建系統(tǒng)風(fēng)險評估的相關(guān)研究較多，但大多僅對單一的橋梁[1]、隧道[2]、軌道[3]等設(shè)施進行風(fēng)險評估，缺乏對各類設(shè)施整合的評價模型。若軌道、隧道、橋梁結(jié)構(gòu)同時發(fā)生傷損，現(xiàn)有的風(fēng)險評估體系無法判明這些病害對于整體運營風(fēng)險的危害程度，也無法為其養(yǎng)護順序提供合理建議。

由于軌道交通線路上各設(shè)備的傷損數(shù)據(jù)性質(zhì)不同，具有離散性質(zhì)的指標(如鋼軌傷損等)的主要評價方式為扣分，具有連續(xù)性質(zhì)的指標(如沉降量等)的主要評價方式為計算平均值、標準差等數(shù)學(xué)特征值。文獻[1-2]、文獻[4]對各種數(shù)據(jù)進行整合后，用以對土建設(shè)施的運營安全性進行評估，但這些研究對不同土建設(shè)施間的數(shù)據(jù)整合和風(fēng)險分析仍較少。本文綜合考慮軌道、隧道、橋梁子結(jié)構(gòu)中不同類別、不同性質(zhì)的傷損指標，以期建立較為完善的適用于軌道交通土建系統(tǒng)的風(fēng)險評價模型。

1 軌道交通土建系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)風(fēng)險因素分析

目前部分軌道交通項目建有完善的土建系統(tǒng)傷損數(shù)據(jù)庫[5-6]，因此本文依照現(xiàn)有的設(shè)備檢查方式，直接采用這些數(shù)據(jù)庫中各類傷損的年度統(tǒng)計數(shù)據(jù)，并建立其風(fēng)險評估體系。

如表1所示，軌道交通土建系統(tǒng)的風(fēng)險評估體系在第一層次上分為軌道、隧道、橋梁3個評估子結(jié)構(gòu)，各子結(jié)構(gòu)下設(shè)第二層次的評估項目和第三層次的評估指標。

表1 軌道交通土建系統(tǒng)的風(fēng)險評估體系指標Tab.1 Risk assessment system index of rail transit civil infrastructure system multivariate data fusion

本文采用的病害數(shù)據(jù)庫記錄了表1中各種設(shè)備病害、幾何形位改變、設(shè)備位移與沉降的頻次及程度。在此基礎(chǔ)上，本文參考了JGJ 8—2007《建筑變形測量規(guī)范》、GB 50157—2013《地鐵設(shè)計規(guī)范》、DB11/T 718—2016《城市軌道交通設(shè)施養(yǎng)護維修技術(shù)規(guī)范》、DG/TJ 08-109—2017《城市軌道交通設(shè)計規(guī)范》、GB/T 50299—2018《地下鐵道工程施工質(zhì)量驗收標準》、CJJ/T 289—2018《城市軌道交通隧道結(jié)構(gòu)養(yǎng)護技術(shù)標準》等規(guī)范，制定了相關(guān)的病害扣分標準。其中：橋梁與隧道沉降數(shù)據(jù)、隧道內(nèi)徑變化的扣分標準需根據(jù)現(xiàn)場實際監(jiān)測的數(shù)據(jù)變化趨勢進行調(diào)整，應(yīng)將采集到的所有監(jiān)測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計后，剔除其極端值，并取上四分位數(shù)作為扣分標準，建立了基于AHP(層次分析法)-熵權(quán)法的軌道交通土建系統(tǒng)風(fēng)險評估體系。

2 AHP-熵權(quán)法風(fēng)險分析體系建立

2.1 AHP-熵權(quán)法風(fēng)險分析的計算流程

目前評估軌道交通土建設(shè)備系統(tǒng)的運營風(fēng)險分析大多采用AHP及相關(guān)理論的延伸[7-9]，其優(yōu)點為考慮了不同指標間評價基準的差異性，其缺點為不能充分描述評估指標間統(tǒng)計性質(zhì)的差異性，易受主觀性影響等。若改為采用結(jié)合熵值計算權(quán)重的AHP進行分析，可充分考慮各評價指標的統(tǒng)計特征，相關(guān)文獻亦表明該方法具有較好的可靠性[10]。因此，本文建立了軌道交通土建系統(tǒng)的AHP-熵權(quán)法風(fēng)險分析體系，其計算流程如圖1所示。

1)根據(jù)表1，參考相關(guān)規(guī)范制定設(shè)備的傷損扣分標準，并計算各層次評估項目和評估指標的權(quán)重。其中，第一層次不計算權(quán)重，3個子結(jié)構(gòu)視為同等重要。

2)將第二層次評估項目、第三層次評估指標按其對土建系統(tǒng)安全性的影響進行排序，在參考專家意見后確定第二層次各評估項目的相對重要性，其權(quán)重值采用AHP進行計算。

3)第三層次評估指標采用綜合集成賦權(quán)法計算權(quán)重。對于具有連續(xù)性的評估指標，用熵值法提取相應(yīng)的信息特征，最后取AHP、熵值法權(quán)重的加權(quán)平均數(shù)。

注：α——綜合集成賦權(quán)法中基于AHP的權(quán)重占比；ωh,i——i基于AHP的權(quán)重；ωh,ij——i下的j基于AHP的權(quán)重；ωe,ij——i下的j基于熵值法的權(quán)重；ωi——i的最終計算權(quán)重；ωij——j的最終計算權(quán)重。圖1 基于AHP-熵值法的軌道交通土建系統(tǒng) 風(fēng)險體系計算流程Fig.1 Calculation process of rail transit civil infrastructure risk assessment system based on AHP-entropy method

4)評估指標的扣分值乘以對應(yīng)的評估指標j權(quán)重ωij，再乘以該指標所對應(yīng)的上一個層次評估項目i的權(quán)重ωi，可得到該評估指標的加權(quán)扣分值。將子結(jié)構(gòu)內(nèi)所有評估指標的加權(quán)扣分進行累加，可得到該子結(jié)構(gòu)的加權(quán)扣分值，進而得到軌道交通土建系統(tǒng)的總扣分值，通過總扣分值的變化趨勢來評估該土建系統(tǒng)的風(fēng)險等級。

2.2 權(quán)重計算

2.2.1 基于AHP的權(quán)重計算

AHP屬于主觀賦權(quán)法，其原理為將復(fù)雜的評估對象排列成遞階層次結(jié)構(gòu)，對評估因素兩兩比較后給定相對重要性標度，并據(jù)此計算權(quán)重。本文中各評估因素相對重要性標度的確定采用比例標度法，其標度范圍為1～9。若i下的指標j比指標k極端重要，則標度為9；若指標j和指標k同等重要，則標度為1。相對重要性標度完成后，依照指標編號進行排序，分別建立對應(yīng)的判斷矩陣A，并設(shè)同一層次項目對應(yīng)的A為AI、同一層次指標對應(yīng)的A為AF。按照式(1)～(6)，將AI轉(zhuǎn)換為量綱一化矩陣BI、AF轉(zhuǎn)換為量綱一化矩陣BF，并計算ωh,i及其特征值λi，以及ωh,ij及其特征值λij。

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

式中：

m——同一層級的評估項目總數(shù)；

aip——AI中第i行第p列的元素；

bip——BI中第i行和第p列的元素；

n——同一層次的評估指標總數(shù)；

ajk——AF中第j行第k列的元素；

bjk——BF中第j行第k列的元素。

由于相對重要性標度可能會相互矛盾，因此需進行一致性檢驗。若一致性檢驗未通過，需要重新調(diào)整相對重要性標度?？赏ㄟ^式(7)～(10)進行一致性檢驗。

(7)

(8)

(9)

(10)

式中：

ICI,i——i對應(yīng)的一致性指標；

ICI,ij——i下的j對應(yīng)的一致性指標；

IRI,i——i對應(yīng)的平均隨機一致性指標；

IRI,ij——i下的j對應(yīng)的平均隨機一致性指標；

ICRR,i——i的一致性比值；

ICRR,ij——i下的j的一致性比值。

當ICRR,i<0.1時，代表對應(yīng)判斷矩陣AI的不一致程度可接受，一致性檢驗通過。ICRR,ij判別方式亦同。

IRI,i和IRI,ij統(tǒng)稱為IRI，其取值可參照表2。將各評估項目判斷矩陣AI中所有特征值的平均值設(shè)為avg(λi)，各評估指標判斷矩陣AF所有特征值的平均值設(shè)為avg(λij)。avg(λi)和avg(λij)統(tǒng)稱為avg(λ)，ICI,i和ICI,ij統(tǒng)稱為ICI，ICRR,i和ICRR,ij統(tǒng)稱為ICRR，則基于AHP的權(quán)重檢驗結(jié)果如表3所示。

表2 不同m、n對應(yīng)的IRI值Tab.2 IRI values with different m,n

表3 基于AHP的權(quán)重檢驗結(jié)果Tab.3 Inspection result of weight values based on AHP method

2.2.2 基于熵值法的權(quán)重計算

熵值法屬于客觀賦權(quán)法，其原理為通過計算熵值來判斷各指標的離散程度。離散程度越大，則該指標對綜合評價的影響越大。該法可充分利用數(shù)據(jù)的統(tǒng)計特征，具有較高的精確度，但對樣本的依賴性比較大，若無豐富現(xiàn)場工務(wù)經(jīng)驗的專家或技術(shù)人員對權(quán)重值的設(shè)定進行指導(dǎo)，可能會導(dǎo)致熵值法權(quán)重計算結(jié)果無法真實反映評估指標的重要性。因此，本文僅使用熵值法對第三層中具有數(shù)據(jù)連續(xù)性的評估指標進行權(quán)重計算，如隧道結(jié)構(gòu)沉降A(chǔ)2-B2-C2、A2-B2-C3、A2-B2-C4及A2-B3-C5，以及橋梁結(jié)構(gòu)沉降B2下的評估指標A3-B2-C2、A3-B2-C3。

2.2.2.1 去除極端值

為了減少極端數(shù)據(jù)對熵計算的影響，在參考現(xiàn)場調(diào)研報告后，確定篩選極端值準則為：若單一樣本的數(shù)據(jù)值在整體數(shù)據(jù)求和后總值中的占比超過20%，則該數(shù)據(jù)值被視為極端值并去除。此外，去除極端值的樣本總數(shù)需不高于樣本總數(shù)的2%。

2.2.2.2 數(shù)據(jù)標準化

熵值需要進行對數(shù)計算，故在去除極端值后參照式(11)采用臨界值法將數(shù)據(jù)進行標準化。

(11)

式中：

xj——原始評估指標j的監(jiān)測數(shù)據(jù)集；

xj,l——監(jiān)測數(shù)據(jù)集xj內(nèi)的第l個數(shù)據(jù)；

yj,l——去除極端值后的評估指標j數(shù)據(jù)集yj內(nèi)的第l個數(shù)據(jù)。

2.2.2.3 熵值計算

將去除了極端值后的標準化數(shù)據(jù)集代入式(12)～(13)，可計算得到ωe,ij。

(12)

(13)

式中：

L——yj,l去除極端值后的樣本總數(shù)；

Hj——評估指標j對應(yīng)的熵值。

2.2.3 最終計算權(quán)重確定

根據(jù)上文AHP、熵值法計算得到的權(quán)重結(jié)果，第二層次各評估項目最終計算權(quán)重ωi直接采用AHP權(quán)重，第三層次各評估指標最終計算權(quán)重ωij利用綜合集成賦權(quán)法進行計算。其計算式如圖1所示。

本文以現(xiàn)有軌道交通土建系統(tǒng)的數(shù)據(jù)標定熵值法權(quán)重，并結(jié)合樣本數(shù)據(jù)可信度情況和專家建議，確定α取0.4，最終得到的權(quán)重計算結(jié)果如表4～5所示。

表4 第二層次各評估項目的最終計算權(quán)重Tab.4 Final calculated weight values of second layer assessment items

3 軌道交通土建系統(tǒng)風(fēng)險評估體系的應(yīng)用案例分析

本文以某地鐵線路2013年、2016年的檢測數(shù)據(jù)為例，利用上文構(gòu)建的軌道交通土建系統(tǒng)風(fēng)險評估體系對這兩個年度的風(fēng)險趨勢變化進行分析。將該線路分為3個區(qū)段，各區(qū)段的長度及需評估的子結(jié)構(gòu)如表6所示。

表5 第三層次各評估指標的最終計算權(quán)重Tab.5 Final calculated weight values of third layer assessment index

表6 評估案例線路各區(qū)段長度及涵蓋的子結(jié)構(gòu)Tab.6 Length and substructure of assessment case line sections

將3個區(qū)段內(nèi)各區(qū)間子結(jié)構(gòu)第二層次評估項目、第三層次評估指標進行扣分，分別乘以相應(yīng)的權(quán)重后再進行求和，最終得到各區(qū)間各類子結(jié)構(gòu)的風(fēng)險評估加權(quán)總扣分值，其計算式為：

(14)

式中：

Ds——某個區(qū)間子結(jié)構(gòu)s的加權(quán)總扣分；

ds,ij——子結(jié)構(gòu)s下的評估項目i評估指標j的扣分值。

基于得到的總扣分值劃分各區(qū)段線路區(qū)間的風(fēng)險等級。 參照現(xiàn)有評估規(guī)范，本文的風(fēng)險等級劃分按照以下原則實施：各線路區(qū)段按扣分情況將線路區(qū)間劃分為Ⅲ級、Ⅱ級、Ⅰ級。其中：①Ⅲ級區(qū)間為風(fēng)險評估加權(quán)總扣分不小于40分或單項評估子結(jié)構(gòu)的扣分大于25分的評估區(qū)間；②Ⅱ級區(qū)間為風(fēng)險評估總扣分小于40分且不小于25分的評估區(qū)間；③Ⅰ級區(qū)間為風(fēng)險評估總扣分小于25分的評估區(qū)間。

該線路各區(qū)間的風(fēng)險評估結(jié)果如圖2所示。由圖2可以看出，該線橋梁區(qū)段的風(fēng)險源主要來自于軌道子結(jié)構(gòu)，其加權(quán)扣分值也高于隧道區(qū)段軌道子結(jié)構(gòu)的加權(quán)扣分值；隧道區(qū)段的風(fēng)險源則較平均。由此可知，橋梁區(qū)段應(yīng)針對軌道子結(jié)構(gòu)強化監(jiān)控、養(yǎng)護作業(yè)，隧道區(qū)段的軌道子結(jié)構(gòu)、隧道子結(jié)構(gòu)皆應(yīng)強化監(jiān)控、養(yǎng)護作業(yè)。

圖2 案例線路各線路區(qū)間的風(fēng)險評估結(jié)果(2013年、2016年)Fig.2 Risk assessment result of case line intervals in 2013 and 2016

如表7所示，對該線路2013年、2016年Ⅲ級、Ⅱ級、Ⅰ級區(qū)間個數(shù)進行統(tǒng)計后可知：2013年Ⅰ級區(qū)間的占比為62.5%，2016年Ⅰ級區(qū)間的占比下降至33.3%；Ⅲ級區(qū)間的占比則由2013年的20.8%上升到2016年的33.3%。這表明了在常年運營下，該線土建系統(tǒng)的風(fēng)險有逐年升高的趨勢，建議強化全線的養(yǎng)護作業(yè)。

表7 案例線路區(qū)間的風(fēng)險等級統(tǒng)計(2013年、2016年)Tab.7 Statical result of case line intervals at different risk grades in 2013 and 2016

4 結(jié)語

本文所建立的軌道交通土建系統(tǒng)風(fēng)險評估模型可同時用于評估軌道、隧道、橋梁等線路土建設(shè)施的運營風(fēng)險。結(jié)合現(xiàn)有的工務(wù)設(shè)備傷損扣分標準及線路上的監(jiān)測數(shù)據(jù)，先以AHP量化專家群確定的不同傷損類別相對重要性并計算得到主觀權(quán)重，再以熵值法將線路上連續(xù)監(jiān)測數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為部分評估指標的客觀權(quán)重，最后結(jié)合兩者的計算結(jié)果，采用綜合集成賦權(quán)法計算出各評估項目和評估指標的最終權(quán)重。

采用本文提出的風(fēng)險評價模型對案例線路進行整體風(fēng)險評估，比對案例線路評估期間土建設(shè)施性能惡化的具體狀況，提出了相應(yīng)的養(yǎng)護建議。對案例線路的應(yīng)用分析結(jié)果表明，該評估體系具有一定的合理性和工程可用性，可為其他軌道交通項目土建系統(tǒng)的運營安全風(fēng)險評估提供參考。