3.4 風險評估

3.4.1 風險評估概述

城市隧道施工風險評估是在充分獲取城市隧道風險清單并對風險因素進行分析的前提下，以確定的風險接受準則為基礎，構建合理的評估模型，測算出隧道施工過程中某一階段、某一風險的發生概率及其后果，進而確定風險等級。簡單地說，隧道風險評估就是要給出下式的結果（或區間）：

隧道風險（R）=發生概率（P）×風險損失（C）

但是，由于隧道風險研究缺乏基礎性數據，具有區域性、時域性、模糊性和關聯性等特點，因此，其風險評估宜用函數的形式表示為

因此，隧道風險研究不能簡單地通過R= PC來分析，應該通過一定的數學模型轉化，依托工程實踐綜合評估。第4章將基于模糊控制理論，用改進的層次分析法建立城市隧道施工風險評估模型，并結合膠州灣隧道青島端接線工程施工狀況進行風險綜合評估。

3.4.2 常用風險評估方法概述

目前，風險分析在銀行、保險等金融行業，物流行業，石油化工行業，工程、制造行業得到廣泛應用。相應的風險分析方法、風險評估模型多達幾十種，主要有定性分析法（包括專家評議法、德爾菲法、失效模式和后果分析法等），定性定量分析法（包括事故樹法、決策樹法、影響圖法、、因果分析法、風險評價指數、矩陣法等），定量分析法（包括模糊矩陣法、蒙特卡羅法、神經網絡法等）[136-140]。

1．定性分析法

在風險評估理論中，定性分析法是發展最早，應用最多的分析方法，該方法主要依賴于參與人員的經驗、技術水平以及理論分析能力，因此該方法的分析結果因人而異，只能作為設計、施工參考。

（1）專家評議法

專家評議法是出現較早且應用較廣的一種評價方法，它是在定量和定性分析的基礎上，以打分等方式做出定量評價，其結果具有數理統計特性。其最大的優點在于能夠在缺乏足夠統計數據和原始資料的情況下，可以做出定量估計。專家評議法的主要步驟是：首先根據評價對象的具體情況選定評價指標，對每個指標均定出評價等級，每個等級的標準用分值表示；然后以此為基準，由專家對評價對象進行分析和評價，確定各個指標的分值，采用加法評分法、乘法評分法或加乘評分法求出各評價對象的總分值，從而得到評價結果。

專家評議的準確程度，主要取決于專家的閱歷經驗以及專業知識的廣度和深度。要求參加評價的專家在所評價的項目領域具有較高的學術水平和豐富的實踐經驗。總之，專家評分法具有使用簡單、直觀性強的特點，但其理論性和系統性尚有欠缺，有時難以保證評價結果的客觀性和準確性。

目前，專家評議法在隧道工程中有廣泛應用，如隧道設計、施工方案論證、工程技術咨詢、工程事故分析處理等。

（2）德爾菲法

德爾菲法又稱專家咨詢法，德爾菲法跟專家評議法類似，但是該方法分析思路更合理，分析結果更可靠，在風險評估分析中有著廣泛的應用。

德爾菲法是為了克服專家評議的缺點而產生的一種改進的專家預測方法。在預測過程中，專家彼此互不相識、互不往來，克服了在專家評議法中經常發生的專家們不能充分發表意見、權威人物的意見左右其他人的意見等弊病。德爾菲法分析流程如圖3-12所示。

但是，德爾菲法也有其缺點，如各專家不能相互交流、信息缺乏溝通等，實際應用中，該方法多與其他方法聯合應用解決現實問題。

（3）失效模式和后果分析法

失效模式和后果分析（FMEA）法廣泛應用于現實生活中，尤其在試驗、測試和機械制造方面。該分析方法始于20世紀50年代美國格魯曼公司的FMEA項目，用于飛機制造業的發動機故障防范。FMEA法通過標準表格進行分析，當構成系統的基本零件或構件發生故障時，上層子系統或系統會受到影響，通過遞階分析，確定系統的可靠性、安全性等，并搜尋出最可能發生重大故障或損失的零部件。FMEA法分析流程如圖3-13所示。

該方法的優點是通過系統分析，對系統的失效原因和失效模式有了詳細的認識，并在此基礎上進行了風險處理；缺點是該方法進行的還是單因素分析，不能進行多因素特別是有交互影響因素的系統分析。

（4）頭腦風暴法

頭腦風暴法又稱智力激勵法、BS法、自由思考法，是由美國創造學家A.F．奧斯本于1939年首次提出的、1953年正式發表的一種激發性思維的方法。此法經各國創造學研究者的實踐和發展，至今已經形成了一個發明技法群，深受眾多企業和組織的青睞。

頭腦風暴法遵循以下原則：

① 對各種意見、方案的評判必須放到最后階段，此前不能對別人的意見提出批評和評價。認真對待任何一種設想，而不管其是否適當和可行。

② 歡迎各抒己見，百家爭鳴，創造一種自由的氣氛，激發參加者提出各種荒誕的想法。

③ 追求數量，意見越多，產生好意見的可能性越大。

④ 探索取長補短和改進辦法，除提出自己的意見外，鼓勵參加者對他人已經提出的設想進行補充、改進和綜合。

這種方法應用簡單，易于集思廣益，匯集群體的建議，對項目或工程給予指導。

（5）預先危險性分析法

預先危險性分析（PHA）法是在方案或工程項目立項初期階段或設計階段對過程中可能存在的危險種類、危險發生條件、影響因素、危險后果等進行概略性分析的方法。PHA法的優點是項目實施前，即項目初期便可以進行風險分析，對項目實施過程中的關鍵環節、薄弱環節進行比較充分的了解，指導設計和施工環節，其基本分析過程如圖3-14所示。

2．定性定量分析法

定性分析與定量分析應該是統一的、相互補充的，定性分析是定量分析的前提，沒有定性的定量是一種盲目的、毫無價值的定量；定量分析使定性分析更加科學、準確，它可以促使定性分析得出廣泛而深入的結論。

（1）事故樹法

事故樹分析（FTA）法源于故障樹分析法，在系統安全工程風險分析中有廣泛應用。事故樹分析首先由美國貝爾電話研究所于1961在研究民兵式導彈發射控制系統時提出來，1974年美國原子能委員會運用FTA對核電站事故進行了風險評價，發表了著名的《拉姆遜報告》。該報告對事故樹分析作了大規模有效的應用。此后，在社會各界引起了極大的反響，受到了廣泛的重視，從而迅速在許多國家和企業應用和推廣。我國開展事故樹分析方法的研究是從1978年開始的。目前已在很多部門和企業進行了普及和推廣，并取得大量成果，促進了企業的安全生產。事故樹法分析流程如圖3-15所示。

事故樹分析法可對各種系統的風險進行辨識和分析，不僅能深層次挖掘出事故的原因，而且能進一步分析事故發生的潛在影響因素。

（2）決策樹法

決策樹法和事故樹法分析流程正好相反，是一種自下而上的分析方法，用樹形圖來描述各方案在未來的收益。

決策樹法分析層次簡單、清楚，可進行多因素、多階段的綜合風險分析，但是這種方法不能用于風險評估詳細分析。

（3）影響圖法

影響圖法由決策樹法發展而來，是一種顯示因果影響，按時間順序排列的事件以及變量與結果之間的其他關系的圖解表示法。這種方法主要用于金融投資領域，是風險管理中常用到的工具。

（4）因果分析法

因果分析法是用因果圖的形式將風險各部分之間的關系表現出來，簡單地說，就是組織專家談看法、作分析，將大家的意見匯總統計的一種方法。這種方法直觀、簡單實用、效果較好。

（5）風險評價指數矩陣法

風險評價指數矩陣法是將風險分析中的風險損失（C）、風險可能性（概率）（P）分別以矩陣的形式表示出來的一種方法，即

風險評價指數矩陣法可將分析系統中的風險類別、風險等級按照一定的邏輯規則進行排序，使其應用更合理、更廣泛，但是該方法對參與人員的理論技術水平要求較高，如果經驗不足，技術水平不高，會造成嚴重的分析偏差。實際應用中，應多與故障樹法或者決策樹法聯合分析。

3．定量分析法

定量分析法是依據統計數據，建立數學模型，并用數學模型計算出分析對象的各項指標及其數值的一種方法。

（1）層次分析法

層次分析法[141-142]（Analytic Hierarchy Process, AHP）是美國匹茨堡大學的運籌學家薩蒂教授于20世紀70年代初，在為美國國防部研究“根據各個工業部門對國家福利的貢獻大小而進行電力分配”課題時，應用網絡系統理論和多目標綜合評價方法，提出的一種層次權重決策分析方法。

所謂層次分析法，是指將一個復雜的多目標決策問題作為一個系統，將目標分解為多個目標或準則，進而分解為多指標（或準則、約束）的若干層次，通過定性指標模糊量化方法算出層次單排序（權數）和總排序，以作為目標（多指標）、多方案優化決策的系統方法。

層次分析法首先將比較對象按照考慮問題的不同做不同層次的劃分，如圖3-16所示。

層次分析法是將決策問題按總目標、各層子目標、評價準則直至具體的備投方案的順序分解為不同的層次結構，然后用求解判斷矩陣特征向量的辦法，求得每一層次的各元素對上一層次某元素的優先權重，最后再用加權求和的方法遞階歸并各備擇方案對總目標的最終權重，此最終權重最大者即為最優方案。這里所謂“優先權重”是一種相對的量度，它表明各備擇方案在某一特點的評價準則或子目標下優越程度的相對量度，以及各子目標對上一層目標而言重要程度的相對量度。層次分析法比較適合于具有分層交錯評價指標的目標系統，而且目標值又難于定量描述的決策問題。其用法是構造比較矩陣，求出其最大特征值及其所對應的特征向量W，歸一化處理后，即為某一層次指標對于上一層次某相關指標的相對重要性權值。

層次分析法的一個重要特點就是用兩兩重要性程度之比的形式表示出兩個方案的相應重要性程度等級。如對某一準則，對其下的多個方案進行兩兩對比，并按其重要性程度評定等級，Saulty提出了矩陣B的標度方法，如表3-3所示。

層次分析法的優點是將研究對象作為一個系統，按照分解、比較判斷、綜合分析的邏輯方式進行決策，能夠把定性和定量的方法結合起來，可以處理很多用傳統的最優化技術無法解決的問題，應用范圍比較廣。但這種方法也有其缺點，從構建層次分析法數學模型到形成比較矩陣，人的因素影響非常大，而且采用兩兩比較方法，過程異常復雜，判斷結果因人而異，比較判斷結果較為粗糙，不適用于分析精度較高的問題。

近年來，層次分析法結合神經網絡預測或模糊分析法綜合應用，在復雜工程項目風險評估中有廣泛應用。

（2）蒙特卡羅法

蒙特卡羅法是20世紀40年代美國在第二次世界大戰中研制原子彈的“曼哈頓計劃”的成員S. M．烏拉姆和J．馮·諾伊曼首先提出的。數學家馮·諾伊曼用馳名世界的賭城—摩納哥的Monte Carlo來命名這種方法。

蒙特卡羅法的基本原理是：由概率定義可知，某事件的概率可以用大量試驗中該事件發生的頻率來估算，當樣本容量足夠大時，可以認為該事件的發生頻率即為其概率。因此，可以先對影響其可靠度的隨機變量進行大量的隨機抽樣，然后把這些抽樣值一組一組地代入功能函數式，確定結構是否失效，最后從中求得結構的失效概率。蒙特卡羅法正是基于此思路進行分析的。

設有統計獨立的隨機變量Xi（i=1, 2, 3, …, k），其對應的概率密度函數分別為fx1, fx2, …, fxk，功能函數式為Z=g(x1, x2, …, xk)。

根據各隨機變量的相應分布，產生N組隨機數x1, x2, …, xk值，計算功能函數值Zi=g(x1, x2, …, xk)（i=1, 2, …, N），若其中有L組隨機數對應的功能函數值Zi≤0，則當N→∞時，根據伯努利大數定律及正態隨機變量的特性有：結構失效概率，可靠指標。

從蒙特卡羅法的思路可看出，該方法回避了風險分析中的數學困難，不管狀態函數是否非線性、隨機變量是否非正態，只要模擬的次數足夠多，就可得到一個比較精確的失效概率和風險指標。特別在巖土體分析中，變異系數往往較大，蒙特卡羅法結果更為精確，并且由于思路簡單易于編制程序。

蒙特卡羅法項目管理風險分析的一般步驟為：

① 對每一項活動，輸入最小、最大和最可能估計數據，并為其選擇一種合適的先驗分布模型；

② 計算機根據上述輸入，利用給定的某種規則，快速實施大量的隨機抽樣；

③ 對隨機抽樣的數據進行必要的數學計算，求出結果；

④ 對求出的結果進行統計學處理，求出最小值、最大值以及數學期望值和單位標準偏差；

⑤ 根據求出的統計學處理數據，讓計算機自動生成概率分布曲線和累積概率曲線（通常是基于正態分布的概率累積S曲線）；

⑥ 依據累積概率曲線進行項目風險分析。

（3）等風險圖法

等風險圖法是根據項目或者工程的特點，用失敗概率和失敗后果將已經識別出的工程項目風險分為低、中、高三檔，如表3-4所示。

等風險圖法用風險系數R來描述項目風險，R可以表示為

Ps和Pf分別為項目失敗、成功的概率值，Cs和Cf分別為項目失敗、成功的效用值，且Ps和Pf滿足關系

Ps+Pf=1,0≤Ps≤1和0≤Pf≤1

根據效用理論，Cs和Cf滿足關系

Cs+Cf=1,0≤Cs≤1和0≤Cf≤1

根據以上的描述，可有0＜R＜1，等風險圖法分析步驟如下：

① 任取R一個值（比如0.1），然后讓Pf和Cf在(0, 1)之間取多種不同值的組合；

② 以Cf為橫軸，以Pf為縱軸，將各點連成一條曲線，得到R值；

③ 重復步驟①和②；

④ 多個R值便組成了等風險圖。

等風險圖法簡單實用，只要有項目風險統計基礎數據，便可進行分析，得到項目風險系數；但是對于隧道地下工程風險分析而言，其應用受到限制，主要原因是隧道、基坑地下工程風險分析缺乏基礎性數據。

（4）神經網絡法

人工神經網絡（Artificial Neural Networks, ANN）也簡稱為神經網絡或連接模型，它是一種模仿動物神經網絡行為特征，進行分布式并行信息處理的算法數學模型。這種網絡依靠系統的復雜程度，通過調整內部大量節點之間相互連接的關系，從而達到處理信息的目的。人工神經網絡具有自學習和自適應的能力，可以通過預先提供的一批相互對應的輸入－輸出數據，分析掌握二者之間潛在的規律，最終根據這些規律，用新的輸入數據來推算輸出結果，這種學習分析的過程被稱為“訓練”，如圖3-17所示。

輸入信息可以表示為行向量X=(x1, x2, x3, …, xn)，其中每一分量通過加權連接到各點，其中每一加權可以表示為加權矩陣W, W可以寫成

輸入信息的加權和可用向量積表示為

人工神經網絡具有自組織、自學習動態處理的特點，可用于地下工程風險評估分析。

4．綜合法

根據上述分析，無論是定性分析法還是定性定量分析法、定量分析法都有其缺點，難以適應當前工程項目復雜體的風險評估工作。國內外學者嘗試綜合應用，取長補短，如信心指數法，模糊事故樹法（將模糊數學原理和事故樹分析相結合），模糊層次分析法（將模糊數學和層次分析法相結合）等，這里不再贅述。

上述風險評估方法優、缺點及適用范圍如表3-5所示。

3.4.3 城市隧道施工風險評估的特點

城市隧道工程施工風險問題是一個具有高度多維不確定性的混合系統，缺少基礎性的統計數據來預測分析風險，同時對于已經識別的部分風險及其風險因素又具有模糊性、不確定性，因此不能用傳統的風險評估方法來預測分析這類工程的風險問題。

要解決這一問題，建立合適的分析模型，須從以下方面入手。

（1）風險及其風險因素具有時空特征，模型應包含時間、空間變量。

（2）風險及其影響因素具有模糊性，應利用模糊數學原理解決這一問題。

（3）應考慮城市隧道工程和一般隧道工程的區別，在風險分級上選取合適的修正系數加以改正。

（4）應考慮城市隧道工程施工風險的動態評估問題。

3.4.4 城市隧道施工風險評估流程

風險評估是在風險指標體系確定的基礎上進行的。指標體系是風險評估流程的關鍵技術之一，建立隧道施工風險評估指標體系需要考慮的因素很多，具有很大的不確定性。在對政府相關部門及工程各方調研的基礎上，通過理論分析、歸納演繹、重組修改，確定評估流程，如圖3-18所示。

實際分析時，從城市隧道工程施工風險因素的時空特征入手，將模糊數學原理嵌入到改進后的層次分析風險評估模型中，以監測資料為基本數據，綜合考慮各種因素的影響，為此類工程的風險評估提供合理的分析方法。