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第 １２ 卷 第 ４ 期 ２０１６ 年 ８ 月 Ｖｏｌ １２ Ａｕｇ ２０１６ 地下空间与工程学报 Ｃｈｉｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ Ｓｐａｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ 一种基于 ＱＦＤ 的地铁施工风险评估方法 张明媛 刘超 袁永博 大连理工大学 建设工程学部 辽宁 大连 １１６０２３ 摘 要 地铁施工过程中一旦发生事故 会带来严重的经济损失和人员伤亡 而对地铁项 目的风险评估和有针对性的预防措施能有效提高施工过程中的抗风险能力 文章以质量功能 展开 ＱＦＤ 为分析工具进行地铁风险评估 通过构建二阶质量屋模型来表达分析对象之间的 影响关系 并采用相对具有区域规律性的事故类型的相对风险权重作为输入以及以非归一化 处理的方式解决了输入点改变带来的不同作业活动下事故类型的权重求和问题 以获得作业 活动和风险因素的相对风险权重 最后将理论应用于钻眼破开挖作业下的事故类型与风险 因素风险分析 计算结果与实际分析相符 关键词 风险评估 质量功能展开 质量屋 中图分类号 Ｘ９４７ 文献标识码 Ａ 文章编号 １６７３ ０８３６ ２０１６ ０４ １０２７ ０６ Ａ ＱＦＤ Ｂａｓｅｄ Ｒｉｓｋ Ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ Ａｐｐｒｏａｃｈ ｆｏｒ ｔｈｅ Ｓｕｂｗａｙ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ Ｚｈａｎｇ Ｍｉｎｇｙｕａｎ Ｌｉｕ Ｃｈａｏ Ｙｕａｎ Ｙｏｎｇｂｏ Ｆａｃｕｌｔｙ ｏｆ Ｉｎｆｒａｓｔｒｕｃｔｕｒｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｄａｌｉａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｄａｌｉａｎ Ｌｉａｏｎｉｎｇ １１６０２４ Ｐ Ｒ Ｃｈｉｎａ Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｔｈｅ ｈａｚａｒｄｓ ｔｅｎｄ ｔｏ ｃａｕｓｅ ｓｅｖｅｒｅ ｆｉｎａｎｃｉａｌ ｌｏｓｅｓ ａｎｄ ｐｅｒｓｏｎｎｅｌ ｃａｓｕａｌｔｉｅｓ ｄｕｒｉｎｇ ｔｈｅ ｓｕｂｗａｙ ｃｏｎｓｔｒｕｃ ｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｈｅ ｒｉｓｋ ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ ａｎｄ ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ ｐｒｅｃａｕｔｉｏｎｓ ｃａｎ ｅｎｈａｎｃｅ ｔｈｅ ａｂｉｌｉｔｙ ｔｏ ｒｅｓｉｓｔ ｒｉｓｋｓ Ｔｈｅ ｑｕａｌｉｔｙ ｆｕｎｃ ｔｉｏｎ ｄｅｐｌｏｙｍｅｎｔ ｔｏｏｌ ｗａｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ａｓｓｅｓｓ ｔｈｅ ｓｕｂｗａｙ ｒｉｓｋｓ ａ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ａ ｔｗｏ ｓｔａｇｅ ｈｏｕｓｅ ｏｆ ｑｕａｌｉｔｙ ＨＯＱ ｗａｓ ｅｓｔａｂ ｌｉｓｈｅｄ ｔｏ ｒｅｐｒｅｓｅｎｔ ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｈａｚａｒｄ ｔｙｐｅｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｈａｚａｒｄ ｃａｕｓｅｓ ｉｎ ｏｎｅ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ａｃｔｉｖｉｔｙ ａｎｄ ｔｈｅ ｏｎｅ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｔｏｔａｌ ｈａｚａｒｄ ｔｙｐｅｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ａｃｔｉｖｉｔｉｅｓ ａｎｄ ｔｈｅｎ ｔｈｅ ＨＯＱ ｍｏｄｅｌ ｃａｎ ｔｕｒｎ ｉｎｔｏ ａｎ ａｎａｌｙｔｉｃ ｎｅｔ ｗｏｒｋ ｐｒｏｃｅｓｓ ＡＮＰ ｍｏｄｅｌ ｗｈｉｃｈ ｔａｋｅ ｔｈｅ ｍｕｔｕａｌ ｒｅｌｅｖａｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｉｎｎｅｒ ｆａｃｔｏｒｓ ｔｈｅ ｈａｚａｒｄ ｔｙｐｅｓ ｃａｕｓｅｓ ｏｒ ｔｈｅ ｏｐ ｅｒａｔｉｏｎ ａｃｔｉｖｉｔｉｅｓ ｉｎｔｏ ｃｏｎｓｉｄｅｒａｔｉｏｎ ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｖｅ ｒｉｓｋ ｗｅｉｇｈｔ ｏｆ ｔｈｅ ｈａｚａｒｄ ｔｙｐｅｓ ｉｎ ａ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ａｃｔｉｖｉｔｙ ｗｈｉｃｈ ｈａｖｅ ａｎ ｒｅｇｉｏｎａｌ ｒｅｇｕｌａｒｉｔｙ ｗａｓ ｉｎｐｕｔ ｔｏ ｃａｌｃｕｌａｔｅ ｔｈｅ ｗｅｉｇｈｔ ｏｆ ｈａｚａｒｄ ｃａｕｓｅｓ ａｎｄ ａ ｎｏｎ ｕｎｉｔａｒｙ ｍｅｔｈｏｄ ｗａｓ ａｄｏｐｔｅｄ ｔｏ ｔｕｒｎ ｔｈｅ ｓｉｎｇｌｅ ｒｅｌａｔｉｖｅ ｗｅｉｇｈｔ ｏｆ ｈａｚａｒｄ ｔｙｐｅｓ ｉｎ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ａｃｔｉｖｉｔｉｅｓ ｉｎｔｏ ａ ｔｏｔａｌ ｒｅｌａｔｉｖｅ ｗｅｉｇｈｔ ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔ ｗａｓ ｏｂ ｔａｉｎｉｎｇ ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｖｅ ｒｉｓｋ ｗｅｉｇｈｔ ｏｆ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ａｃｔｉｖｉｔｉｅｓ Ｆｉｎａｌｌｙ ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ ｗａｓ ａｄｏｐｔｅｄ ｉｎ ａ ｃａｓｅ ｏｆ ｔｈｅ ｄｒｉｌｌｉｎｇ ａｎｄ ｂｌａｓｔｉｎｇ ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ ａｃｔｉｖｉｔｙ ａｎｄ ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ ｐｒｏｖｉｄｅ ｓａｔｉｓｆａｃｔｏｒｙ ｒｉｓｋ ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ ｖａｌｕｅｓ ｏｆ ｈａｚａｒｄ ｃａｕｓｅｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｃｏｍ ｐｕｔｅｄ ｒｅｓｕｌｔ ｉｓ ｒｅａｓｏｎａｂｌｅ Ｋｅｙｗｏｒｄｓ ｒｉｓｋ ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ ＱＦＤ ＨＯＱ １ 引 合症 在地铁项目的建设中 风险因素较多 因 言 此引发的事故类型也较多 一旦发生事故 将会带 地铁项目的普及 不但丰富了城市现代交通体 来严重的经济损失和人员伤亡 因此 建立施工项 系 而且有助于缓解城市化过程中形成的 城市综 目的风险评估 查找 分析和预测项目存在的危险 收稿日期 ２０１５ ０９ ２２ 修改稿 作者简介 张明媛 １９８１ 女 辽宁抚顺人 博士 副教授 主要从事工程系统安全评估及生命线系统工程研究工作 Ｅ ｍａｉｌ ｍｙｚｈａｎｇ ｄｌｕｔ ｅｄｕ ｃｎ 基金项目 辽宁省自然科学基金 ２０１５０２０６１１ 辽宁省教育厅一般项目 Ｌ２０１４０３４

1028 地下空间与工程学报第 12 卷 因素 可能导致的事故及严重程度, 并基于此提出 相应的预防或解决方案, 是十分有必要的 [1 3] 因为地铁项目建设情况的复杂性, 完全定量 化地分析风险因素对事故的影响是非常困难的 ( 如故障树分析 决策树分析等 ), 而仅仅依靠定 性分析 ( 如风险因素清单 ) 又很难保证风险分析 的精确性, 因此, 半定量化 ( 如 FMEA) 成为风险 研究的重要方式 台湾学者 Liu.H.T. 和 Y.T. 在对 半定量分析工具研究的基础上, 将 QFD 分析结果 与 FMEA 方法进行比较, 证明了方法的可 靠性 [4] 将 QFD 分析工具应用于地铁风险分析, 并以 半定量化的方法表达作业活动 事故与风险因素的 联系, 提高了风险分析的精确性 而且 QFD 分析 是基于模糊网络层次分析法 ( ANP) 的工具, 由于 地铁项目各因素之间关联性较强, 所以相对于传统 的把风险因素视为独立性的研究要素来讲, 更具有 优势 但是应用于地铁风险分析尚存在以下问题 : 一是文献 [4] 输入向量选择作业活动的相对风险 权重向量, 但在实际情况中, 事故发生往往具有一 定的区域性规律 [5,6], 对于事故类型的风险判断较 作业活动更为准确 ; 二是事故类型与事故原因的划 分并不完全适用于地铁事故 因此, 针对以上不足, 本文着重从以下方面入 手 : 首先将 QFD 工具应用于地铁风险分析, 并在阅 [7 9] 读有关文献的基础上, 选取了适宜地铁风险分 析的事故类型与事故原因划分方式 ; 改变了传统 QFD 分析的输入顺序, 通过选择更适宜地铁分析 的事故类型的相对风险权重向量作为输入, 并采用 非归一化处理的方法解决了用事故类型反推作业 活动权重时, 不同作业活动下事故类型权重的求和 问题 通过建立二阶质量屋模型, 构建了作业活动 与事故类型 事故类型与风险因素的关联模型, 以 事故类型的相对风险权重作为输入向量, 得到了作 业活动与风险因素的相对风险权重向量, 并将该评 估方法应用于钻眼破开挖过程中的事故和风险 因素分析 2 QFD 风险评估模型 质量功能展开 ( Quality Function Deployment, QFD) 是日本学者赤尾洋二于 1996 年首次提出的, 并于 1972 年在日本三菱重工神户造船厂首次应 用 QFD 的设计一般从用户需求开始, 以市场调 查或问卷的形式获得 然后用户需求被转换成一 系列的产品工程特征, 产品开发者需要决定用户需 求与产品工程特征之间的联系 不同用户需求以及 不同产品工程特征之间的内部关系 最后根据以 上获得的信息来计算产品工程特征的相对重要性, 并以此来指导产品的设计过程 [10 12] 质量屋是驱 动整个 QFD 过程的核心, 其本质是关系矩阵形式 的信息模型, 用以量化分析客户需求和产品工程特 征之间的关系度 同时, 其作为一种分析工具, 可 以为质量屋赋予不同的指标, 将其运用于多个 领域 [13] 2.1 计算各个作业活动下事故类型与风险因素的 [14] 相对风险权重 2.1.1 各作业活动下事故类型 风险因素的识别 首先, 可利用 WBS [15] 将地铁项目施工工作分 解结构, 以获得便于进行风险分析的作业活动 地 铁施工现场情况复杂, 事故类型多样, 一般来讲, 主 要有坍塌 高处坠落 物体打击 火灾 触电 机械伤 害 水害 炸 中毒等 而对于风险因素的识别方 法则有很多, 其中, 陈宝智根据能量意外释放理论 将危险因素分为两类 [9] 2.1.2 建立二阶质量屋 ( House of Quality,HOQ) 模型 对于一个地铁项目, 其施工过程可以分为许多 作业活动, 而每种作业活动又面临着不同的风险事 故类型, 每种风险事故是由潜在的风险因素引起 的 它们这种相互关系可以由质量屋信息模型来 表示 如图 1( a) 中一阶事故类型 风险因素质量 屋所示, 将事故类型视为 客户需求, 而将风险因 素视为工程特征 ; 而在二阶作业活动 事故类型质 量屋中, 如图 1( d) 所示, 将作业活动视为客户需 求, 而将事故类型视为工程特征 2.1.3 利用相邻模糊标度法确定各事故类型的相 对风险权重 相邻模糊标度法是确定指标相对权重的一种 方法 [16], 它通过把人的经验知识对决策集中定性 目标的相对优越性排序, 将定性的经验知识量化, 得到重要性有序二元比较矩阵, 并对其进行一致性 检验, 再结合模糊语气算子与模糊标度 相对隶属 度关系表, 确定指标的相对重要性模糊标度值, 最 后进行规格化处理, 得到指标权重 由于目前对于事故类型的统计研究工作比较 多, 区域性的事故类型发生具有一定的规律 性 [5,6], 因此, 选择以事故类型的相对风险权重作 为输入有助于提高分析的精确性

2016 年第 4 期张明媛, 等 : 一种基于 QFD 的地铁施工风险评估方法 1029 2.1.4 建立网络层次分析模型 Fig.1 图 1 QFD 分析过程可被看作一个决策问题 为了 强调 QFD 中各部分的相互联系以及内在联系, QFD 分析可表示为一个 ANP 模型 通常,ANP 模 型的决策过程分为 3 个阶段 : 构建网络层次分析模 型, 建立超级矩阵和计算因素的优先权 [4] 如图 1 所示的质量屋可表示为一个考虑了内部和相互关 联性且无反馈的线性层次的网络层次分析模型, 可 用作处理系统内元素的权重问题 [17] 一阶事故类型 风险因素质量屋表可表示成如 图 2( a) 所示的 ANP 模型, 而二阶作业活动 事故 类型质量屋可表示为如图 2(b) 所示的 ANP 模型 所不同的是, 二阶事故类型 风险因素质量屋由于 选择 产品工程特征 事故类型作为输入, 而 期望获得 客户需求 作业活动的相对风险权 重, 因此在计算时是一个正常 QFD 分析的逆向 过程 2.1.5 建立超级矩阵 图 2 中的网络图可转换为相应的超级矩阵 : 图 2(a) 所对应的超级矩阵为 : S Ai = 识别重要风险因素 (G) 事故类型 (HT) 风险因素 (HC) é G HT HC ù 0 0 0 ω Ti W Ti 0 ë 0 W CTi W Ci û (1) 式中 :ω Ti 表示作业活动 i 下事故类型的相对风 二阶质量屋模型 Two stage HOQ models 险权重向量 ;W Ti 表示作业活动 i 下事故类型的自 相关矩阵 ;W Ci 表示作业活动 i 下风险因素的自相 关矩阵 ;W CTi 表示作业活动 i 下风险因素对事故类 型的影响矩阵 S B 同理, 图 2(b) 所对应的超级矩阵为 : é G CI HTù 识别重要的事故类型 (G) 0 0 0 = 作业活动 (CI) ω I W I 0 事故类型 (HT) ë 0 W TI W T û Fig.2 图 2 网络层次分析模型 ANP model of the Two stage HOQ models 2.1.6 计算风险因素的相对风险权重 (2) 以超级矩阵 S Ai 为例, 作业活动 i 下事故类型 在考虑内部关联性情况下的风险权重向量 ω ITi 为 :

1030 地下空间与工程学报第 12 卷 ω ITi = W Ti ω Ti (3) 作业活动 i 下事故原因考虑内部关联性情况 下的风险权重矩阵 W ICi 为 : ω Ci 为 : W ICi = W Ci W CTi (4) 最后, 作业活动 i 下事故原因的相对风险权重 ω Ci = W ICi ω ITi (5) 2.2 计算作业活动的相对风险权重 2.2.1 计算总体事故类型的相对风险权重 设某一施工过程包含 n 项作业活动,k 种事故 类型, 则总体事故类型的相对风险权重矩阵为 R = é ω 11 ω 12 ω 1,k -1 ω 1,k ù ω 21 ω 22 ω 2,k -1 ω 2,k ω n-1,1 ω n-1,2 ω n-1,k -1 ω n-1,k ë ω n,1 ω n,2 ω n,k -1 ω n,k û (6) 在不考虑作业活动的重要性权重情况下, 对各 个作业活动下事故类型的相对风险权重值进行非 归一化处理 [7], 则总体事故类型的相对风险权重 向量为 æ ç è n i = 1 ω i1 max(ω ij ) n i = 1 ω ik ö (7) max(ω ij ) ø 2.2.2 计算作业活动的相对风险权重 作业活动的相对风险权重的计算可视为一个 逆向的 QFD 分析过程 超级矩阵 S B 与 S Ai 类似, 计算过程如下 : ω T = (W T W TI ) (W I ω I ) (8) 则作业活动的相对风险权重 ω I : 3 算例 ω I = W -1 I (W T W TI ) -1 ω T (9) 以中铁二局第二工程有限公司大连地铁项目 某施工段暗挖隧道施工过程中的钻眼破开挖作 业为例, 说明根据事故类型确定风险因素风险权重 的 QFD 计算过程 3.1 事故类型与风险因素的识别 根据其危险因素清单, 可能导致的事故类型有 K 1 地面沉降 K 2 水害 K 3 中毒 K 4 物体打击和 K 5 炸事故 风险因素按照能量意外释放理论 [7], 人的 不安全行为有 C 1 人员未撤离到安全区域,C 2 施工 人员违规操作 装药量超标 ; 物的不安全状态有 C 3 破造成破飞石,C 4 拒 早 迟,C 5 破产 生有害气体 ; 环境影响有 C 6 破引发含水层破坏 3.2 建立质量屋模型 图 3 Fig.3 3.3 利用相邻模糊标度法确定事故类型的相对风 险权重 ω T = [ 0.509 0.218 0.056 0.127 0.09] 钻眼破作业下事故类型与风险因素的质量屋模型 The HOQ model of the hazard types and hazard causes in the drilling and blasting activity 3.4 确定事故类型和风险因素的内相关矩阵以及 风险因素对事故类型的影响矩阵 以风险因素的内相关矩阵为例 : 步骤一 : 定性确定风险因素的相互影响

2016 年第 4 期张明媛, 等 : 一种基于 QFD 的地铁施工风险评估方法 1031 图 4 风险因素的内部相互影响示意图 Fig.4 The diagram of the mutual affected hazard causes 步骤二 : 利用相邻模糊标度法定量确定风险因 素的相互影响矩阵 W T 破, 如表 1 表 1 风险因素的相互影响矩阵 Table 1 The inner dependence matrix of hazard causes W C C 1 C 2 C 3 C 4 C 5 C 6 C 1 0.632 0.2 0 0 0 0 C 2 0.184 0.6 0.2 0.2 0.2 0.2 C 3 0 0 0.8 0 0 0 C 4 0.184 0.2 0 0.8 0 0 C 5 0 0 0 0 0.8 0 C 6 0 0 0 0 0 0.8 同理可得事故类型的内相关矩阵以及风险因 素对事故类型的影响矩阵, 如表 2 和表 3 表 2 事故类型的内部相互影响矩阵 Table 2 The inner dependence matrix of hazard types W T T 1 T 2 T 3 T 4 T 5 T 1 0.6 0 0 0 0 T 2 0.2 0.75 0 0 0 T 3 0 0 0.75 0 0 T 4 0 0 0 0.75 0 T 5 0.2 0.25 0.25 0.25 1 表 3 风险因素对事故类型的影响矩阵 Table 3 The matrix that indicated the impact of hazard causes on hazard types W CT T 1 T 2 T 3 T 4 T 5 C 1 0 0 0 0.5 0 C 2 0.4 0 0 0 0.45 C 3 0 0 0 0.5 0 C 4 0 0 0 0 0.55 C 5 0 0 1 0 0 C 6 0.6 1 0 0 0 3.5 计算风险因素的相对风险权重向量 根据式 (3) ~ (5), 风险因素的相对风险权重 向量 ω C 为 : ω C = ( W C W CT ) ( W T ω T ) = ( 0.080 0.301 0.038 0.188 0.034 0.359) 通过计算结果可知, 风险权重较大的风险因素 主要为破引发含水层破坏, 施工人员违规操作 装药量超标和拒 早 迟 因为在钻眼破 的过程中, 地面沉降与水害分别是风险性最大和第 二的事故类型, 可是由于水害同时也会引发地面沉 降, 因此由风险因素 C 6 破引发含水层破坏的风 险权重要略大于 C 2 施工人员违规操作 装药量超 标引发的地面沉降 ; 而在分析危险因素 C 1 人员未 撤离到安全区域与 C 4 拒 早 迟时, 实际情 况是人员未撤离到安全区域多是由于拒 早 迟引起的, 因此 C 4 的权重要大于 C 1 ; 而相对于 地面沉降引起的风险, 由于炸直接引发的事故明 显比较少, 因此 C 1 C 4 的风险权重要小于 C 2 C 6, 这与实际情况是相符的, 从而说明以上分析结果是 有效的 4 结语 本文以地铁施工为研究对象, 以 QFD 为分析 工具, 构建二阶质量屋信息模型, 通过实例说明如 何应用 QFD 在地铁施工中进行事故与风险因素分 析的过程, 以及理论说明如何应用 QFD 进行事故 类型和作业活动风险评估 QFD 应用于地铁施工 风险评估, 不但可以从宏观上分析个事故类型和作 业活动的风险权重, 而且可以深入研究其影响因 素, 量化影响大小, 系统性地分析地铁施工中的各 层次的风险因素, 为风险决策提供参考 本文选择以事故类型作为输入向量, 是基于调 查人对于事故类型严重程度的判断得出的结论, 同 时也可以选择风险因素作为输入向量 对于不同 的项目, 可以根据不同信息获取的难易程度作为输 入向量 两种方式的差别可以作为进一步的研究 内容 参考文献 (References) [1] 陈桂香, 黄宏伟, 尤建新. 对地铁项目全寿命周期风险 管理的研究 [J]. 地下空间与工程学报, 2006, 2(1): 47 51. ( Chen Guixiang, Huang Hongwei, You Jianxin. Study on life cycle risk management of metro[ J], Chi nese Journal of Underground Space and Engineering,

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