桥梁工程风险分析研究综述

桥梁工程风险分析研究综述

高 翔，王有志，张 雪
山东大学 土建与水利学院，山东 济南 250061

Summary of Research on Risk Analysis of Bridge Engineering

0 引言

近年来，中国基础设施建设取得了巨大成果，作为其重要组成部分的桥梁工程在设计和施工管理上也得到了长足的进步。但是，一方面桥梁跨径越来越大，施工技术越来越复杂，另一方面施工单位和施工人员鱼龙混杂，水平参差不齐，这使得桥梁施工的安全问题越来越突出。如果对这些风险没有足够重视并及时采取措施，极可能发生安全事故，带来的经济损失和人员伤亡将无法弥补。

1 桥梁风险分析研究现状

1.1 国外研究现状

第一次把风险评估和桥梁联系起来的是1983年在丹麦哥本哈根召开的“船只与桥梁和离岸结构的撞击”学术会议。2001年3月，在马耳他进行了题为“Safety，Risk and Reliability-Trends in Engineering”的学术研讨会，该会议极大地促进了桥梁风险评估的发展，使其在工程领域达到一个新高度。学者们对桥梁工程其他方面的风险也做了研，如Koelz[1]提出一个多阶段的地震风险评估流程；Kaneyoshi[2]介绍了关于桥梁结构地震风险评估的评估系统；在火灾问题上，Schleich[3]研究了国际标准火灾曲线并修改了ISO曲线；在车桥撞击问题上，Das[4]详细介绍了车桥相撞的风险问题。W illiamson[5]总结了如何降低重要桥梁遭受恐怖袭击的风险概率。

1.2 国内研究现状

中国桥梁风险研究起步较晚。1987年，清华大学郭仲伟教授撰写的《风险分析与决策》开启了中国的风险分析研究。马耳他国际会议后，中国桥梁工程风险研究步入新的领域。在船桥撞击方面，中国船桥撞击事故数据库由戴彤宇[6]建立，提出后果当量概念。在桥梁风灾方面，王爱勤等[7]提出公路大跨度桥梁抗风性能评价方法。在地震灾害方面，吴振营[8]运用可靠度方法计算了整个桥梁体系的可靠指标。同济大学阮欣[9-10]在专著《桥梁工程风险评估》中对桥梁风险评估进行了详细的研究，提出了基于风险评估的桥梁施工期间强健性分析方法和风险对策，建立了桥梁风险评估的理论框架。

2 工程风险分析概述

2.1 工程风险的特性

工程风险的特性有不确定性、相对性、渐进性、多样性和多层次性、可变性、可测性。

2.2 桥梁工程风险的分类

桥梁工程风险的分为成桥前期阶段和桥梁运营阶段。成桥前期阶段包括建设方案风险、试验风险、施工风险[11]。桥梁运营阶段包括船撞风险、车撞风险、地震风险、抗风风险、超载风险、洪灾风险、火灾风险、恐怖袭击风险。

3 工程风险分析基本内容

3.1 风险识别

风险识别是工程风险分析的第一步，是对工程生命周期内可能产生的风险进行分析和判断。各种各样的风险都可能存在于工程项目中，包括外部和内部、技术和非技术的。这些风险存在于何处、发生的条件、产生的主要因素在风险识别中均应有初步的分析和判断，对风险进行定性分析是这一阶段的主要任务。在辨识风险时要解决好2个问题：识别出来的风险因素必须全面、可靠，包含关键风险因素；处理好偏差，例如在专家调查法中，专家的主观因素会使结果与实际情况出现偏差。

3.2 风险分析评价

风险分析的方法有很多，但是每种方法都有其局限性，应该针对不同问题选择最佳的分析方法。在风险分析中，多学科交叉融汇成为一种发展趋势，有选择地运用多种分析方法也越来越重要。常用的风险分析方法如下。

（1）蒙特卡罗模拟技术。它利用计算机模拟概率过程，在后期对统计结果进行处理。对随机变量进行随机模拟统计试验，以求得近似解，基本原理：设函数y=f（X1、 X2…Xn），变量已知，由于现实中函数是未知或一系列极其复杂的函数关系，因此很难求解y的概率分布和数学特征；蒙特卡罗用一个随机数发生器直接或间接对每一组随机变量进行抽样，这样反复模拟多次就得到一批数据yn；当模拟次数达到一定量时，由大数定律可知，此时的试验数据与实际情况已经很接近。蒙特卡罗模拟技术通过模拟各变量间的关系，有效地解决了复杂不确定性问题，是当今风险分析的主要工具之一。

（2）头脑风暴法。这种方法解除了对创造性思维的束缚，同时鼓励提出任何想法和方案，并禁止对其进行批评压制。

（3）德尔菲法。被调查的专家匿名提出意见与调查人员进行交流，专家之间不能互相交换意见和发生横向关系，多轮调查之后对问卷进行综合、反复归纳、修改，直至专家看法基本达成一致，结果较为可靠。

（4）WBS工作分解结构。这种方法将工程项目层层分解并逐层定义工作，使整个项目被分成一系列小的工作，达到每一个小工作都可关注和操作的目的，也可以清楚地看到工作的完成程度。

（5）财务报表分析法。工程项目涉及货币和工程质量进度等，对财务报表进行分析，结合财务预算，可以发现未来将会面临的风险以及会发生的损失。

（6）现场考察法。工程现场存在很多客观的不确定性因素，实地考察可以预测这些因素，这对于风险识别特别重要。

（7）事故树法。按照树状结构将影响因素逐层细化，由总体到部分进行分析，演绎地表示事故的逻辑关系，可以进行定性和定量分析。

（8）模糊数学法。模糊数学可以准确地描述风险因素的影响，通过建立数学评价模型求出精确解，因此，工程风险分析中大量采用此方法。

（9）灰色理论。华中科技大学邓聚龙教授于1982年首次提出了灰色理论，把客观对象现在和过去状态的时间序列数据按某种方式组合，作为白色数据，再把需要预测的时间序群作为灰色数据，最后找出这两种数据的内在联系和发展规律。

（10）敏感分析法。通过敏感分析，找出主要风险因素，这样可以缩小考虑范围，不用对风险进行定量。

（11）风险评审技术。美国数学家G.L.Moelldy发明的一种网络分析法，它利用计算机模拟风险决策，同时考虑时间、花费和效果3个参数，用数学关系式把事件之间的关系反映出来，这种全程分析预测可以提供成功和失败的可能性。

（12）马尔可夫链分析。该方法通过对现在状态和状态转移的分析预测未来状态。优点是不需要连续的历史资料，仅用现在的动态资料就可以预测。

以上方法是风险管理最常用的方法，可以用来判断工程项目可能面临的风险，但要注意的问题有：参与人员组成成分的不科学会导致结论的偏差，因此产生误导；仔细甄别统计结果，认真剔除和筛选。

3.3 风险指标权重的确定及评判矩阵的建立

3.3.1 模糊集合的基本概念

模糊性是指边界不清楚，即在质上没有确切的含义，在量上没有明确的界限。这种边界不清的模糊是事物的一种客观属性，并非人的主观认识达不到客观实际。从集合论的观点来看，在普通集合中，任何元素都是属于或不属于此集合，二者必占其一。但对于一个模糊集合来说，就很难确定某一元素是属于该集合或者不属于该集合。利用数学概念隶属函数和隶属度作为桥梁量化标准，对模糊性量化，进而用传统数学方法进行分析处理。因此，隶属函数和隶属度是模糊集合建立的基础和前提，也为模糊综合评判方法提供了理论支撑 。

3.3.2 隶属函数和隶属度的定义及计算

在普通集合论中通常将被考虑对象的全体这个集合称为论域，用U，V或X，Y等来表示，元素x和集合A的关系是且只能是x∈A或xA，特征函数可以完全描述集合。

A为U中的一个集合，对任意的x∈U，令

此时，λA(x)是集合A的特征函数，λA(x)表示x对A的隶属程度，简称隶属度，这里的隶属度只能取0和1，反映了x绝对属于A或绝对不属于A。模糊集合则是打破隶属度只取0和1的限制，将取值范围扩大到[0，1]上任意多个值，这样便可体现“亦此亦彼”的模糊概念，因此模糊集合的隶属函数是特征函数的适当推广。

模糊数学就是用精确的方法去表现和处理客观存在的模糊现象，因此首先要确定隶属函数。隶属函数的建立主要根据实际经验对应法则的探求，本文中应用模糊统计法，即通过模糊统计试验来确定u0∈U对模糊集A的隶属度。

式中：λA是u0对A的隶属频率；m为x0∈A的次数，n为总次数。

3.3.3 风险指标权重的确定

指标权重的确定是模糊综合评判方法非常关键的一个环节。权重的确定方法有许多种：专家调查打分法、层次分析法、德尔菲法等，应用最广泛的当属层次分析法（AHP）。

在传统的AHP中，判断矩阵的作用是将决策判断定量化，构造判断矩阵时，先用T.L.Saaty提出的“1-9”标度确定2个指标间的重要性，然后构造判断矩阵，这样得到的结果介于1/9与9之间。专家和决策者很难掌握标度，所以做出的判断经常不能满足一致性检验，甚至达不到可接受的一致性检验，这直接导致了幂迭代特征值法求解权向量收敛缓慢，迭代次数多，计算量大大增加。

针对上述实际情况，本文采用二阶段法构造判断矩阵。第一阶段用（0，1，2）三标度法将各元素两两比较，建立比较矩阵并算出各元素的排序指数；第二阶段把比较矩阵变换为判断矩阵，可以证明其满足一致性要求。这样做可以避免九标度法判断矩阵的不一致性，而且有关专家很容易作出正确判断，减少了计算量，使决策者容易接受AHP。

3.3.4 各专家判断矩阵相似系数计算

层次分析法计算出的权重矩阵如式（3）所示，Wij表示第i位专家对第j个指标判断后经层次分析法计算得到的权重。m为专家人数，n为指标个数。

相似系数Rij和相似矩阵R是用来判断各专家所得权重的离散程度，Rij表示专家i和专家j权重结果的相似程度，Rij越小，则相似程度越小。n为指标权重的维数（所评价指标的个数），m为专家意见的总数（专家总人数），Rij= Rji，Rij=1(i=j)。

聚类分析常用的直接聚类法和间接聚类法计算非常复杂，本文并未采用聚类法剔除离异点集离异程度大的权重，而是提出了一种简化方法，在保证精度的前提下计算简单、原理直观，在实践领域可以更好地被应用。

Pi为相似系数矩阵每行之和，表示第i个专家判断得出的权重意见和专家群体（包括自己）权重意见的偏离程度，相似系数之和越小，偏离程度越大，说明此专家意见与其他专家意见相差越大。P为相似系数对行求和形成的一列，并确定偏离程度。

式中：Di为第i个专家的相似系数和最大相似系数的偏离程度；Pmax为相似系数矩阵每行之和中的最大值。当Di大于某一阀值时，删掉该意见。

3.3.5 建立多因素综合评判矩阵

因素集U中的n个因素对风险的影响程度各不相同，为了能够确切地描述风险，应根据每个因素的重要程度，由层次分析法得到n个要素相应的权重向量，并对模糊参数进行模糊综合评判，使其定量化后，完整地将风险表征出来，这样得到相对确切合理的结论，为决策提供科学依据。

4 工程风险管理对策

在进行项目风险识别、分析和评价的基础上，工程管理人员应根据项目风险的性质和潜在影响，依据项目总体目标，来规划、选择合理的风险处置对策，将项目风险潜在损失降到最低，提高承包商对项目风险的控制能力。

4.1 风险处置策略

根据风险评估及风险分析结果采取相应的措施为风险处置，也就是制定并实施风险处置计划。风险的处置与防范主要包括4个方面的内容：首先是回避，避开风险可能发生的场所和路径；第二是及时止损，一旦发生风险，尽量将损失降到最低；第三是转移，选择合适的途径将风险转移出去；最后是自担风险，做好抵御一切风险的准备。在实际情况中应综合应用这些策略，坚决不接受风险太大的项目，而在被接受的项目中，回避、自担、止损、转移等策略都应随时间、环境和条件的不同而被用于不同的组合策略中。

4.2 风险管理对策实施要点

做好风险控制，应从以下7个方面着手：从建设工程整体利益角度出发，最大限度发挥各方积极性；建设工程责、权、利均衡；建设工程应采取先进的技术措施和完善的组织措施；建设工程应回避大的风险，选择相对小的或适当的风险；建设工程的业主应要求对方担保并购买保险；建设工程应加强风险的预警工作；建设工程在风险状态下应实施危机管理。

5 结语

工程风险管理的目的是避免和消除工程实现过程中可能遭遇的风险和干扰因素，减少损失，做到防患于未然。虽然与风险有关的信息永远不可能被完全掌握，但是却可以应用各种信息收集技术，在工程发展过程中使有关风险的信息逐步完备起来。所以采用适当的风险识别方法，工程项目中存在的风险就可以被识别出来，从而掌握这些风险发展进程的规律和可能后果。客观地对影响施工质量的因素作出科学评价，不但可以在施工队伍中引进优胜劣汰的竞争机制，增强施工企业的质量意识，而且有利于业主对投资过程中可能出现的种种风险因素做出科学的分析。

在一般的工程项目管理中，由于风险识别和分析技术的原因，风险管理很难开展，工程风险的定量评估方法研究还未成熟，离实际应用还有一定的距离，但可以从以下方面做进一步研究和探讨。

（1）利用计算机能够大批量处理、存储、转移数据的功能，实现数据共享；开发设计风险评价软件，能够系统地评价风险体系；拥有清晰易懂的界面，简单易行、方便操作，有利于风险评价方法的推广和应用。

（2）风险评估应进一步从动态系统风险评估的观点出发，运用动态控制的原理，考虑在施工过程中采取控制和防范措施后对风险的削减，项目进程中应不断反复迭代这一过程，体现项目风险管理的过程性和动态性，使风险管理与项目本身的生命周期有机结合，进行面向过程的项目风险动态管理研究。

（3）工程风险预警对提高工程项目的管理水平有推动作用，根据项目规模、类别的不同，如何选择合理的预警指标，制定合理的风险警戒线，有待深入探讨。

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