吳何碧，曹繼翔，張凌寒，周向東，李 園，陳慧敏

(1.云南衛(wèi)士盾科技有限公司,昆明 650500；2.中鐵一局集團第四工程有限公司,陜西 咸陽 610400;3.昆明理工大學 理學院,昆明 650500)

近年來，隨著中國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的逐步完善，山陵地區(qū)越發(fā)重視公路鐵路等的開發(fā)。其中，瓦斯隧道工程項目的數(shù)量也不容小覷，正呈現(xiàn)逐年增加的趨勢，已成為交通運輸體系中至關(guān)重要的一環(huán)。然而，由于中國瓦斯隧道起步晚、體制不完善、人員安全意識不到位、地質(zhì)條件復(fù)雜等原因，瓦斯隧道施工的安全問題一直是安全領(lǐng)域研究的重點問題。因此，進行施工風險等級評估顯得尤為重要。

目前，國內(nèi)外學者對瓦斯隧道施工安全風險等級的評估做了大量研究。Alexander等[1]首先提出層次分析法，該方法主要通過咨詢該領(lǐng)域的專家進行權(quán)重打分，但最終得到的結(jié)果存在較強的主觀性，不具有嚴密性。張鳳毛等[2]在1998年提出模糊數(shù)學法，首先對單個指標分別進行評價，然后賦予權(quán)重，最后用模糊矩陣復(fù)合運算得出風險排序情況。馬莎等[3]利用熵權(quán)法對傳統(tǒng)的層次分析法進行了改進，可靠地分析了地下空間的適應(yīng)性。蔣曉檳等[4]運用將蒙德法與瓦斯隧道特點相結(jié)合的方式，對穿煤層瓦斯隧道進行了定量化的風險評估。王子超等[5]使用模糊層次分析法，結(jié)合專家打分與層次分析法確定權(quán)重，建立模糊數(shù)學評價模型，定量分析施工風險，使評估結(jié)果更加合理和準確。王勇勝等[6]、Wang等[7]運用模糊綜合評價方法將地理信息與模糊數(shù)學理論相結(jié)合，解決了評估指標與風險水平之間的多重非線性關(guān)系，得出了直觀的風險評估圖。蘭明慧等[8]基于城市開發(fā)建設(shè)提出了定性、定量、定位、定策4個方面相結(jié)合的分析方法，實現(xiàn)了從單純評估向精細化評估的轉(zhuǎn)變。林志等[9]提出了一種基于8個因子的安全評估方法，為公路隧道的安全評估提供了強有力的技術(shù)支持。

然而，上述多種評估方法在決策時仍存在一定的主觀性。即在這些評估模型中，決策者處于完全理性的狀態(tài)，而在實際過程中，決策者的理性狀態(tài)會受到多種因素的干擾，難以達到完全理性。因此，本文引入了前景理論與后悔理論。

前景理論由Tversky等[10]基于期望值理論、期望效用理論提出，解釋了影響決策者行為的主觀因素，反映了人們在決策中存在著有限理性。朱興林等[11]基于前景理論制定了合理的應(yīng)急預(yù)案，馮煥煥等[12]利用前景理論與乘客最優(yōu)理論構(gòu)建了公交出行選擇模型，程苑等[13]利用前景理論構(gòu)建了疫情下的公交選擇機制，均體現(xiàn)了前景理論對決策行為的影響。

Bell[14]提出的后悔理論是與前景理論相對的一種行為決策理論，主要是考慮了決策者的主觀心理以刻畫其后悔規(guī)避的行為。敖翔龍等[15]考慮了人的后悔心理，對擁擠收費后的再分配效率問題進行了探究。于曉娟等[16]基于后悔理論-隨機Logit模型，研究了瓶頸路段的拼車決策問題。

本文建立了將前景理論與后悔理論相結(jié)合的評估模型，并以山西黎霍高速公路隧道為例，對該路段瓦斯隧道的施工風險等級進行評估，驗證該方法的科學性與有效性。

1 前景-后悔理論

1.1 前景理論

前景理論提出決策者對風險的態(tài)度是由價值函數(shù)與權(quán)重函數(shù)共同決定的，可修正主觀期望，其具體形式表現(xiàn)為

(1)

式中：v(Δξ)為價值函數(shù)；π(pij)為決策權(quán)重函數(shù)。

1.1.1 專家打分評價指標選擇

在選擇瓦斯隧道施工風險的評價指標時，通常需要考慮環(huán)境、人員、機器設(shè)備等因素，綜合市場調(diào)研與人員咨詢，可考慮以下評價指標：

1)工程環(huán)境。施工條件與環(huán)境是施工風險等級評價指標的重要考慮因素，能直接影響到施工的正常展開。主要從自然災(zāi)害、巖土地質(zhì)條件和水溫地質(zhì)條件、氣象條件和引起火災(zāi)和爆炸的因素進行考慮。例如：對瓦斯?jié)舛鹊膶崟r監(jiān)測，若濃度達到2%時，人員必須撤出；針對煤塵爆炸做好相對的措施，煤塵注水、噴霧灑水等；加強施工通風，降低突發(fā)事故概率。

2)材料與報告。施工材料與報告是施工風險等級評價指標的重要指標之一，它決定了該工程的產(chǎn)品質(zhì)量，嚴格對材料進行質(zhì)量把關(guān)，避免出現(xiàn)因材料而存在的安全隱患，也是對整個工程的負責。評價時主要從施工材料獲取的難度、設(shè)備潛在的使用風險、施工材料是否齊全、施工材料是否符合質(zhì)量要求、有無質(zhì)量檢測報告與圖紙、手續(xù)是否齊全等方面進行考慮。

3)人員素質(zhì)。人員素質(zhì)是風險等級情況需要重點考慮的內(nèi)容之一，為保證工程的質(zhì)量，確保施工正常、安全、有效率地開展，應(yīng)著重考慮承包商管理人員、一般技工和施工機械操作人員的技術(shù)水平、管理能力、身體素質(zhì)、職業(yè)道德等方面，綜合考慮并擇優(yōu)選擇質(zhì)量意識高的工程參與人員。

1.1.2 參考點設(shè)計

前景理論的第一步，首先確定固定的參考點，也稱為準則值。常用的參考點確定方法包括期望值法、正負理想點法、零點法[17]。為了對施工項目風險等級進行有效的評估分析，通常需要對其進行風險等級劃分，根據(jù)風險等級發(fā)生的可能性和風險損失、社會影響等，將風險等級劃分為4類，即Ⅳ級風險(略有風險)、Ⅲ級風險(一般風險)、Ⅱ級風險(顯著風險)、Ⅰ級風險(高度風險)。考慮到?jīng)Q策者對于不同風險等級的期望不同，為規(guī)范專家打分和防止取值偏差較大，本文使用極值法確定決策者的期望參數(shù)區(qū)間，給出不同風險等級下的決策期望參考區(qū)間和準則值。

1.1.3 價值函數(shù)

價值函數(shù)v(Δξ)體現(xiàn)的是人們對未來收益的提前感知，具體表現(xiàn)形式為

(2)

式中：α與β分別表示決策者對收益和對損失的敏感程度；Δξ=ξ-ξij，ξ是決策的準則值，具體值見表1，ξij為決策者根據(jù)心理而做出判斷的期望值；λ為決策者對于損失的厭惡程度(λ>1)。當 Δξ<0 時，v″(Δξ)>0，圖形表現(xiàn)為凹形，此時表現(xiàn)為風險規(guī)避；當Δξ>0 時，v″(Δξ)<0，圖形表現(xiàn)為凸形，此時表現(xiàn)為風險偏好。文獻[18]表明，α=β=0.88，λ=2.25時與實際決策經(jīng)驗相符合。現(xiàn)實中，人們在面臨獲得時往往是小心翼翼，不愿冒風險，偏向于風險規(guī)避的；而在面對失去時會很不甘心，變成“風險追求者”；就敏感程度而言，對損失時痛苦的敏感程度要遠大于獲得時快樂的敏感程度。

1.1.4 決策權(quán)重函數(shù)

在風險決策中，決策價值存在的概率對風險決策主體具有特殊的意義，前景理論將其稱為決策權(quán)重。當決策者進行概率推理時，概率會發(fā)生非線性轉(zhuǎn)化，比如存在低概率事件被高估、低概率事件直接降為0、高概率事件被低估、高概率事件升為1的情況，導致所做的主觀判斷概率與事件發(fā)生的真實概率產(chǎn)生偏離。

決策權(quán)重函數(shù)π(pi)體現(xiàn)的是該決策的重要程度，具體表現(xiàn)形式為

(3)

式中：pij為該決策價值發(fā)生的概率；σ、δ分別表示對決策收益和損失的估計系數(shù)(0<σ<1,0<δ<1)，根據(jù)文獻[19]，取σ=0.61，δ=0.69。為評估多個指標對同一風險等級的貢獻程度，利用式(4)將其歸一化，得到最終權(quán)重函數(shù)。

(4)

1.2 后悔理論

后悔理論認為決策者在決策過程中會綜合對比其選擇的方案獲得的結(jié)果與其他方案所獲得的結(jié)果。后悔理論使用正負理想點法，結(jié)合Hamming距離函數(shù)計算欣喜值Rij和后悔值Gij，具體表現(xiàn)形式為

(5)

(6)

欣喜-后悔值為

(7)

最后一步，對欣喜-后悔值Zi進行排序，值越大，說明越符合此時的風險等級狀況。

2 施工安全風險等級評估

以山西黎霍高速公路隧道施工情況為例，通過現(xiàn)場實際調(diào)研和咨詢，從工程環(huán)境、材料與報告、人員素質(zhì)3個指標判斷瓦斯隧道施工風險狀態(tài)。第一步，綜合考慮經(jīng)驗、權(quán)威性等選取4位專家，確定他們對各指標在不同風險等級下的決策期望值；第二步，運用極值法綜合確定 4 位專家的期望參數(shù)區(qū)間，并取 4 位專家期望值的均值作為基準值，具體見表1；第三步，將判定施工風險狀態(tài)的4個指標按1∶1∶1∶1的比例，計算得出綜合打分表，見表2。

表1 風險等級評分期望及準則值

表2 專家綜合打分

2.1 價值函數(shù)矩陣

根據(jù)專家對不同風險等級下各指標的期望值，判定價值收益或損失，且可求得益損失價值矩陣為

依據(jù)式(2)計算價值函數(shù)，則價值函數(shù)矩陣v(Δξ)為

2.2 決策權(quán)重值函數(shù)

計算決策函數(shù)權(quán)重矩陣之前，需明確決策事件出現(xiàn)的概率。通過現(xiàn)場實際調(diào)研和專家咨詢，采集相關(guān)領(lǐng)域的4位專家對于不同風險等級可能性的意見如下：

將pij代入式(3)計算得到?jīng)Q策權(quán)重函數(shù)π(pi)為

將π(pi)代入式(4) 歸一化后得到最終的決策權(quán)重函數(shù)π′(pij)為

2.3 前景值計算

將上述得到的價值函數(shù)和決策權(quán)重矩陣代入式(1)，即可計算決策事物的前景值矩陣：

2.4 欣喜-后悔值計算

專家對于不同風險等級評價的后悔程度不同，具體取值見表3。

表3 專家對不同風險等級的后悔程度

基于前景值矩陣確定最大前景值和最小前景值，利用式(5)和式(6)計算欣喜值矩陣欣喜值Rij和后悔值Gij分別為

得到欣喜值矩陣和后悔值矩陣后，將它們代入式(7)，從而分別計算出各風險等級所對應(yīng)的欣喜-后悔值Zi分別為ZⅣ=-4.740 8，ZⅢ=-3.137 7，ZⅡ=-0.593 2，ZⅠ=2.145 2。

根據(jù)所得欣喜-后悔值對各風險等級進行排序，其排序結(jié)果為ZⅠ>ZⅡ>ZⅢ>ZⅣ，則此時風險等級為Ⅰ級高度風險狀態(tài)，隧道施工隊伍需立即撤離，待情況好轉(zhuǎn)后才能繼續(xù)施工。

2.5 現(xiàn)場總體風險評估

現(xiàn)場總體風險評估指開工前根據(jù)隧道工程的地質(zhì)環(huán)境條件、建設(shè)規(guī)模、結(jié)構(gòu)特點等影響因子，評估隧道工程整個風險，估測其安全風險等級。首先，建立總體風險評估指標體系與總體風險分級標準，見表4、表5。

其次，根據(jù)實際情況，可知左線洞體中V2級圍巖累計長度640 m，占21.6%；V1級圍巖累計長度1 055 m，占35.6%；IV3級圍巖累計長度1 270 m，占42.8%；右線洞體中其中V2級圍巖累計長度590 m，占20.0%；V1級圍巖累計長度1 025 m，占34.7%；IV3級圍巖累計長度1 340 m，占45.3%。由表4可知，a分值為5分。問腰隧道穿越含煤地層，6#煤層瓦斯含量為1.73～7.73 m3/t，所在區(qū)域煤礦均為高瓦斯煤礦，瓦斯含情況b分值為2分。隧址區(qū)及其附近未見地表水，地下水類型主要為碳酸鹽巖裂隙巖溶水。隧道在洞身中前段部分段落處于地下水位線以下，附近還可能有采空區(qū)積水，富水情況，有部分可能發(fā)生涌水突泥的地質(zhì)，c分值為1分。開挖斷面A為中斷面，分值為2分。隧道左線長2 965 m，右線長2 955 m，隧道長度大于1 000 m，小于3 000 m，隧道全長L分值為3分。隧道洞口選用水平洞，S分值為1分。洞口為V級圍巖，采用CD法施工，進口施工難度較易，洞口特征C分值為1分。因此，隧道工程施工安全風險總得分R=G(A+L+S+C)=(a+b+c)(A+L+S+C)=56。

表4 總體風險評估指標體系

表5 總體風險分級標準

最后，根據(jù)表5，依據(jù)風險可接受準則可確定該隧道的施工風險為Ⅰ級(高度風險)，處于非安全范圍內(nèi)，原施工進程需暫且擱置，隨后需采取相應(yīng)的措施(如加強通風)，降低隧道施工風險等級，直到風險等級降至安全范圍內(nèi)時才可再次施工。由此可知，本文結(jié)果與實際情況相符合，可認為本文評估隧道施工風險等級的方法基本正確。

3 結(jié)論

1)針對決策者在決策過程中的心理會極大地影響最終的決策行為這一問題，從規(guī)避與偏好兩方面提出了基于前景-后悔理論的評估方法。

2)對山西黎霍高速公路隧道做實例分析，通過基于前景-后悔理論的評估方法得出其風險等級為Ⅰ級(高風險狀態(tài))。評估結(jié)果與現(xiàn)場瓦斯隧道施工風險等級評估所得到的結(jié)果一致，說明了本文方法的正確性與可靠性。

3)結(jié)合了專家打分法與前景-后悔理論，并驗證該方法的正確性，為有效地進行瓦斯隧道施工風險等級評估提供新思考。