基于全寿命期风险分析的路堑与隧道方案决策模型 【技术领域】
本发明涉及一种基于全寿命期风险分析的路堑与隧道方案决策模型。
背景技术
深路堑与浅埋隧道方案之间的可替代性竞争普遍存在于山岭重丘区公路的建设中。在工程规划设计决策中，一般首先是计算各方案的工程量，通过造价计算得出工程建设成本，估算出运营期预计消耗的费用，通过对比不同方案间的净效益选择方案。实际应用过程中，在工程技术均可行的前提下，工程可替代方案的比选主要是考察经济的合理性及营运成本。在营运成本相差不大的情况下，以建设成本决定方案的优越性。因而，在实际中，多数工程方案决策实际上只考虑了工程的建设成本，对方案的运营成本考虑甚少。然而，工程项目建设是一个周期长、投资多、技术要求高、系统复杂的生产消费过程，在建设过程中及运营期间会受到各种各样的不确定因素的干扰。工程成本的预算以及运营期间的费用估计，都会受到许多风险因素的影响。
【发明内容】
本发明的目的在于提供一种基于全寿命期风险分析的路堑与隧道方案决策模型。
本发明中，浅埋隧道方案与深挖路堑方案的工程造价和运营成本受到不同风险因素的影响，为了更加合理的对隧道及路堑方案进行决策，提出基于全寿命期风险分析的路堑与隧道方案决策模型具有十分重要的意义。将风险的理念和全寿命期概念结合起来，并考虑不同方案的可靠性程度以及对环境的影响程度，引入工程方案决策中，将会使公路工程中典型方案的决策更加合理，工程的建设以及寿命期的服务水平和长期投资控制得到更有力和更全面的保证。符合工程建设以人为本、节约资源的科学发展要求，因而有长远的理论和工程价值。
本发明提出的基于全寿命期风险分析的路堑与隧道方案决策模型，可以通过以下技术方案来实现：
(1)对工程施工期常规工期风险、常规成本风险、施工偶然风险导致的人员伤亡、工期拖延以及经济损失5项指标进行计算分析：
①常规工期风险
采用规划评审技术PERT，用传统的“三点”法估计工期的期望均值和方差，并假设工期服从β分布、正态分布或三角分布，用Monte-Carlo方法进行模拟仿真，分析可能的工期范围；
②常规成本
用工作包模型计算常规成本，将常规成本分为时间相关成本、数量相关成本和固定成本，然后计算出每个工作的成本，最后得到整个项目的成本；针对工程量来计算工程的可能成本范围，通过Monte-Carlo方法来求取成本的概率分布；对工程的常规成本进行分析主要过程如下：
a.选择成本控制要素，建立工程费用清单；
b.规定关于概率变量的假设，根据历史数据统计或经验值判断方法，分别对各子项进行概率变量分布假设，选取正态分布、三角分布、均匀分布、对数分布作为各子项的分布假设；
c.设定迭代次数。一般而言，迭代次数越多，模拟结果越精确；
d.运行模拟，并进行结果分析；
③人员伤亡
将人员伤亡程度分为死亡或失踪、重伤、轻伤三种损伤程度，并分别用Vf、Vs和Vl表示各伤亡程度的易损性建议平均值，定义死亡i个，重伤j个、轻伤k个的人员伤亡综合指标为：
Ihi＝iVf+jVs+kVl(i+j+k＝n) (1)
式中，n为受到影响的总人数，其最终人员伤亡指标事件树分析原理如图1所示。同时，若已知施工人员在不同区域的概率以及在场总人数，就可以求得不同伤亡程度人数的概率，可用二项分布来描述：
pi(k)=nkpik(1-pi)n-k---(2)]]>
表示组合数，即从n个事物中取出k个的方法数，
假设偶然风险发生时，现场人员个数为n，施工人员在死亡失踪区I、重伤区II和轻伤区III的概率分别为p1、p2和p3，则死亡i个，重伤j个、轻伤k个施工人员的场景概率为：
p=nin-ijn-i-jkp1ip2jp3k,(i+j+k=n)---(3)]]>
式(3)所得结果即为图1中“场景及概率”一项中的概率结果。
根据Monte-Carlo方法，基于图1所示的事件树分析原理得到施工现场施工人员个数以及场景情况，从而得到人员伤亡综合指标的分布情况；
④工期拖延
将滑坡导致的工期拖延主要分为两部分：清除滑坡体时间和相关损毁工程的复旧时间。清除滑坡体的时间主要取决于滑坡地规模，也受到工程各方人为因素的影响，如果施工方在施工前已经建立了滑坡塌方应急预案，一旦滑坡发生，将会以很快的速度决策并快速有效的处理事故，如果没有任何防范措施，工期拖延的时间将会大幅增加。相关损坏结构的重新建设，可根据传统的工期预测方法获得。
将隧道塌方导致的工期拖延主要分为两部分：清除塌方体时间和塌方加固处理时间。清除塌方体的时间主要取决于塌方的规模，也受到工程各方人为因素的影响。塌方加固处理可根据一般的工程进度预测来进行分析，可根据传统的工期预测方法获得。
⑤经济损失
经济损失计算中包括施工机械的损失、破坏先前结构损失、清除塌方体的损失以及时间拖延导致的损失。对于可移动物体的经济损失与人员伤亡风险定量分析方法相似，见图3。严重损坏i台，中度损坏j台、轻微损坏k台施工机械的概率为：
p=nin-ijn-i-jkp1ip2jp3k,(i+j+k=n)---(4)]]>
式(4)所得结果即为图2中“场景及概率”一项中的概率结果。对施工机械等可移动物体的经济损失预测，若假定施工机械的损坏程度分为严重损坏、中度损坏、轻微损坏三个等级，并分别用Vsd、Vmd和Vld表示各损坏程度的易损性建议平均值，NV为市场平均净值，则其经济损失综合指标可表示为：
LEhi＝(iVsd+jVmd+kVsd)·NV (i+j+k＝n) (5)
式中，i、j、k分别为处于三种损坏程度的个数。
(2)对工程运营期的运营维护费用、工程可靠性指标及环境影响评价指标进行风险计算分析：
①运营维护费用
运营维护费用可用以下公式计算：
CO=Σi=1nOCi(1+r)iΣj=N1,N2,N3,···IMC01+α(jMc-1)(1+r)j---(5)]]>
CO是维修养护总费用，OCi是第i年的运营费用，OMCi是第i年的维护费用，IMC0是初始维修养护费用，α是维修养护费用增长率，Mc是为维修周期；N1，N2，N3，...是进行维护时的年份；r是分析时的贴现率，n是设计使用年限。
②工程可靠性指标
使用模糊综合评价法对路堑和隧道方案可靠性进行评价，得到可靠性指标。路堑方案和隧道方案可靠性的层次划分见表1、表2。具体步骤如下：
a.首先用表1-9或0.1-0.9的标度构造基本地质地形特征(U1)下5个分支因素的两两比较判断矩阵；
b.同理可以获得气候水文特征(U2)、其他因素特征(U3)的两两比较判断矩阵；
c.对于特征层(基本层)，也可构造基本层两两比较判断矩阵。
d.根据层次分析法(AHP)或模糊层次分析法(FAHP)求出各个判断矩阵的权重。并进行一致性检验，即可获得各层及各分层不同影响因素指标的权重分析表。
表1路堑方案可靠性影响因素及层次划分表
表2隧道方案可靠性影响因素及层次划分表
③环境影响评价指标。使用模糊综合评价法对路堑和隧道方案环境影响进行评价。环境影响层次划分见表3。具体步骤可参照路堑和隧道方案可靠性评价分析。
表3环境影响因素及层次划分表
(3)基于步骤(1)施工期的5个风险评价指标，可以给施工方进行风险决策提出理论基础，确定最优的施工方案；基于步骤(1)、(2)寿命期的8个指标，可给投资方或政府部门选择最优方案提出理论依据。决策过程中，可采用个体决策或群决策。个体决策中采用WGA加权几何平均算子对各评价指标进行集结；群决策中，对每个决策者的信息基于CWGA组合加权几何平均算子对各决策者的信息进行集结。
本发明中，所述路堑是指全部在原地面开挖而成的路基或低于原地面的挖方路基。
本发明中，所述全寿命期是指建设施工期与运营期的总合。
本发明中，所述规划评审技术PERT是指用于解决某一项目有各项活动组成，每项活动时间错综复杂，但又需要合理确定项目完成时间的场合。这种进度计划技术，具有原理简单、使用方便等特点，一直都是项目工期估算的有效工具。
本发明中，所述Monte-Carlo方法又称随机模拟法，是一种通过对每一随机变量进行抽样，将其代入数据模型中，确定函数值的模拟技术。
本发明中，所述工作包模型是指首先确定工作分解结构下各工作对应的成本项及各成本项对应的成本要素，然后计算出每个工作的成本，最后得到整个项目的成本。
本发明中，所述模糊综合评判法是指在考虑多种因素影响下对评价对象作出合理评判的一种数学方法，它是应用模糊变换原理和最大隶属度原则，考虑各种因素后作出的综合评价。
本发明技术方案具有以下优点：
(1)应用风险的理念来分析路堑及隧道方案的各种不确定性问题，能够对不同方案中不确定性因素的影响进行定量分析和评判，从而得出更合理的方案。
(2)将风险的理念和全寿命期成本的概念结合起来，使公路工程中典型方案的决策更加合理，工程的建设以及寿命期的服务水平和长期投资控制得到更有力和更全面的保证。
【附图说明】
图1是人员伤亡指标事件树分析原理。
图2是施工机械经济损失事件树分析原理。
图3(a)是实施例1浅埋隧道方案施工网络图，(b)是实施例1路堑边坡方案施工网络图。
图4(a)是实施例1浅埋隧道方案工期可能范围，(b)是实施例1路堑边坡方案工期可能范围。
图5(a)是实施例1浅埋隧道方案常规成本范围，(b)是实施例1路堑边坡方案常规成本范围。
图6是实施例1浅埋隧道方案人员伤亡分析。
图7是实施例1路堑边坡方案人员伤亡分析。
图8(a)是实施例1浅埋隧道方案塌方导致的工期损失范围，(b)是路堑边坡方案滑坡导致的工期损失范围。
图9(a)是实施例1浅埋隧道方案塌方经济损失范围，(b)是路堑边坡方案滑坡产生的经济损失范围。
【具体实施方式】
基于以上风险定量分析方法，在Matlab平台开发了“基于全寿命期风险分析的工程方案决策系统”。包括四个菜单：施工期风险分析、运营期风险分析、决策分析和帮助。
施工期风险分析菜单中，对工程方案的常规风险和偶然风险进行了定量的分析。常规风险工期或成本为工程方案顺利实施的情况下工期或成本的可能范围。偶然风险主要分析路堑方案中的滑坡风险和浅埋隧道中的塌方及冒顶风险，从人员伤亡风险、工期损失风险和经济损失风险方面定量分析了偶然风险的后果。
运营期风险分析菜单中，对工程方案的常规运营成本、工程方案的可靠性以及环境影响进行了定量的分析。运营成本主要包括运营成本和维修养护成本。方案可靠性评价主要通过对方案的长期稳定性、可维修(护)性以及变异病害及其它影响因素的评价，利用模糊层次分析法和模糊综合评判法对不同的方案的可靠性给出定量的评价指标。环境影响评价通过对不同方案对生态环境的影响、社会环境的影响以及自然环境的影响进行评价，给出定量的环境影响评价指标。
决策分析菜单下包括方案结果数据保存、施工期决策和寿命期决策3个下拉菜单。施工期和全寿命期决策又包含了个体决策和群决策两种方法。
下面通过实施例结合附图进一步说明本发明。
实施例1：
云南某高速公路在通过一矮山时，可选择两种工程方案：浅埋隧道方案和深挖路堑方案。原设计方案为明挖路堑方案，经过本发明计算分析后，推荐并最终采用了浅埋隧道方案。
首先根据两种方案的一般施工计划，描绘出了两种方案的网络施工计划进度图(图3)。
1.对工程施工期常规工期风险、常规成本风险、施工偶然风险导致的人员伤亡、工期拖延以及经济损失等5项指标进行计算分析：
①常规工期。以浅埋隧道方案为例，对该方案的常规工期风险进行预测。并认为各工序工期符合经典PERT-β分布。
该方案工序总数为13，路径总数为6。最终得到浅埋隧道方案的工期范围及其概率分布。同样可得，路堑方案的工期范围及其概率分布。如图4所示。
②常规成本。将每一个工序的成本分为三部分：固定成本、数量相关成本、时间相关成本。其中时间相关成本为时间相关成本单价乘以上一阶段获得的各工序的时间长度。数量相关成本和时间相关成本的种类个数可由模型使用者定义，如时间相关成本在某工序中包括工人工资、机械租赁费用、管理费用等，数量相关成本有混凝土、木材、钢角架等。数量和单价的分布情况有不同类型可供选择，包括常数、正态分布、均匀分布、三角形分布、Gamma分布、Weibull分布等。得到浅埋隧道方案和路堑方案工程总成本柱状图(图5)。
③人员伤亡损失。人员伤亡的概率分析可借助于事件树的原理。对于隧道方案，根据数据统计和数值模拟结果，确定塌方规模后，设定施工人员处在死亡失踪区、重伤区、轻伤区的概率分别为p1＝0.2、p2＝0.3、p3＝0.5，且一天内工作时段分为3段，分别为6小时、8小时和10小时。并在灾害影响区域的人的个数范围符合三角形分布，如工作时间段1内，处在浅埋隧道塌方影响区域内的人数最小值为0，最可能值为1，最大值为2。认为死亡或失踪的易损性为1.0，重伤者的易损性为0.8，轻伤者的易损性为0.2。最终得到，采用浅埋隧道方案并产生塌方灾害时人员遭受不同程度伤害的个数及概率和人员伤亡综合性指标最终概率分布柱状图(图6)。
对于深挖路堑方案，根据数值模拟结构确定滑坡规模后，确定施工人员处在死亡失踪区、重伤区、轻伤区的概率分别为p1＝0.7、p2＝0.2、p3＝0.1，且一天内工作时段分为3段，分别为7小时、8小时和9小时。并在灾害影响区域的人的个数范围符合三角形分布，如工作时间段1内，处在浅埋隧道塌方影响区域内的人数最小值为7，最可能值为8，最大值为10。认为死亡或失踪的易损性为1.0，重伤者的易损性为0.8，轻伤者的易损性为0.2。最终得到，路堑方案产生滑坡发生人员遭受不同程度伤害的个数及概率和人员伤亡综合性指标最终概率分布柱状图(图7)。
④工期拖延。对于浅埋隧道方案，根据围岩的级别以及隧道区域附近有无较大断层或破碎带情况，预测塌方体积。利用根据塌方体积可预测除渣所需时间。输入可能的影响工序以及其影响工序工期的百分比后，最终得到浅埋隧道塌方的工期损失范围以及概率。同样可获得路堑方案产生滑坡后的工期损失范围。如图8所示。
⑤经济损失。经济损失计算中包括施工机械的损失、破坏先前结构损失、清除塌方体损失以及时间拖延导致的损失。施工机械的损失预测与人员伤亡预测方法类似，不同的是需要输入施工机械的种类个数，以及每种施工机械的市场平均净值，以便计算经济损失。图9为隧道塌方和路堑滑坡导致的经济损失结果。
2.对工程运营期的运营维护费用、工程可靠性指标、环境影响评价指标进行风险计算分析。
①运营维护费用。设定隧道的运营费用为照明费用，设计年限为50年，维修周期为5年一次，贴现率为0.05，初始维护费用为5万元，并假设维护费用增长率为0.02，最终获得浅埋隧道方案的维护成本为约126万元。
同理可获得路堑的养护费用为39万元。
②工程可靠性指标。隧道运营期间的可靠性不仅与岩石的性质、岩体结构、地质构造、地下水等地质因素有关，还与运营期环境有关。最终确定其评价指标包括地质地形特征、气候水文特征、其他因素影响。使用模糊综合评价法，得到浅埋隧道方案的定量指标值为3.538，可靠性较好；深挖路堑方案的可靠性指标值为2.812，可靠性一般。
③环境影响评价指标。使用模糊综合评价法，得到浅埋隧道环境影响指标值为1.771，环境影响轻微。同样可获得深挖路堑的环境影响指标为3.291，环境影响较严重。
(3)决策。
①基于施工期风险分析的群决策
若有一个5人专家小组对最终方案进行决策，且五位专家的权重为(0.30.20.10.10.3)。令CWGA算子相对应的权向量为(0.10.20.40.20.1)。首先由每一个专家对五个属性的权重进行评价。本发明技术方案所用的方法为模糊层次分析法。
最终，五位专家获得的五个权重向量如表4所示：
表4专家权重及各专家对五项指标的权重评价
专家 专家权重 正常工期 正常成本 人员伤亡 工期拖延 经济损失 1 0.3 0.27 0.32 0.16 0.13 0.12 2 0.2 0.31 0.32 0.12 0.10 0.15 3 0.1 0.30 0.35 0.13 0.10 0.12 4 0.1 0.27 0.33 0.15 0.15 0.10 5 0.3 0.25 0.29 0.17 0.15 0.14
经过决策计算，其中选择第一方案(深挖路堑方案)的概率为0.1803；选择第二方案(浅埋连拱隧道)的概率为0.8197。因而，根据施工期的风险定量分析，最终确定应该选取浅埋隧道方案。
②基于寿命期风险分析的方案决策
若有5人专家小组对最终方案进行决策。五位专家的权重为(0.30.20.10.10.3)，且令CWGA算子相对应的权向量为(0.10.20.40.20.1)。首先由每一位专家对八项属性的权重进行评价。
最终，五位专家获得的八个权重向量如表5所示。
表5专家权重及各专家对八项指标的权重评价
专 家 专家 权重 正常 工期 正常 成本 人员 伤亡 工期 拖延 经济 损失 维护 费用 可靠 性 环境 影响 1 0.3 0.18 0.21 0.11 0.07 0.11 0.08 0.13 0.11 2 0.2 0.21 0.24 0.12 0.09 0.13 0.05 0.08 0.08
专 家 专家 权重 正常 工期 正常 成本 人员 伤亡 工期 拖延 经济 损失 维护 费用 可靠 性 环境 影响 3 0.1 0.22 0.25 0.06 0.08 0.08 0.12 0.09 0.1 4 0.1 0.19 0.23 0.13 0.11 0.12 0.06 0.09 0.07 5 0.3 0.28 0.28 0.1 0.08 0.08 0.05 0.06 0.07
经过决策计算，其中选择第一方案(深挖路堑方案)的概率为0.0127；选择第二方案(浅埋连拱隧道)的概率为0.9873。因而，根据寿命期的风险定量分析，最终确定应该选取浅埋隧道方案。