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第 29 卷第 1 期工程管理学报Vol. 29No. 1 2015 年 02 月Journal of Engineering ManagementFeb. 2015 结合 FAHP 和频率分析的地铁工程 FMEA 风险评价应用研究 周红 1，刘 洋 1，2 （1.厦门大学 建筑与土木工程学院，福建 厦门361005，E-mailmcwangzh； 2.中国对外贸易中心（集团） ，广东 广州510335） 摘要地铁建设周期长、施工技术和工程环境复杂、事故影响大，需要有效合理的风险评价。针对地铁工程的风险评价指 标体系不够完善和专家评分数据处理欠妥的问题，提出了基于专家评分，结合频率分析和FAHP的FMEA风险评价方法。 该方法参考了FMEA的失效分析模式，以“失效状态”为衔接，在“工序分解”和“原因事故关联”这两个维度上构建 风险辨识指标体系，运用改进的模糊层次分析法和频率统计对由专家调查得到的评价数据进行处理，计算出施工风险等级， 并对失效因素和潜在后果排序。 以厦门地铁一号线高殿站为案例， 表明该方法在实际运用中能够更直观全面地进行风险梳理 和量化分析，能够帮助工程建设人员进行快速的风险决策和反应。 关键词FMEA；频率分析；改进模糊层分析法；失效状态；原因事故关联；WBS工序分解 中图分类号U231.3文献标识码A文章编号1674-8859（2015）01-053-06DOI10.13991/ki.jem.2015.01.011 Application of Metro Project Risk uation Based on FMEA Combined with FAHPand Frequency Analysis ZHOU Hong1，LIU Yang1 ，2 （1. School ofArchitecture and Civil Engineering，Xiamen University，Xiamen 361005，China，E-mailmcwangzh； 2. China Foreign Trade Center，Guangzhou 510335，China） AbstractThe subway construction has the features of long cycle，complex construction technology and engineering environment， and significant impact of accident. The ，FMEA（failure mode and effects analysis）combined with FAHP and frequency analysis proposed in this paper mainly aims at solving two problems as weak index system and impropriate data representation on the subway project risk assessment. FMEA as reference，risk index system is built from two dimensions‘WBS（work breakdown structure）’ and ‘inner relevance of cause and accident’. These two dimensions can be connected by ‘failure state’. All assessment data come from expert questionnaire. In the first dimension，risk overall rating of can be determined after the data from expert investigation are analyzed by frequency count and improved fuzzy analytical hierarchy process（F-AHP）. In the second dimension（about cause and accident） ，the reason why some working procedure become invalid and the potential consequence can be learned from statistical analysis of chosen data clearly and directly. Risk analysis of Gaodian station construction in Xiamen Metro Project is selected as an example to demonstrate the effectiveness of proposed ，which make risk reviewed and appraised more intuitively and fully，furthermore help engineers and technicians make risk decisions faster and more exactly. KeywordsFMEA；frequency analysis；improves FAHP；failure state；relevance of cause and accident；work breakdown structure 在地铁工程的风险评价中，风险识别最常用的是专家调查法、AHP（层次分析法）和 FTA（故障 树分析法），在构建风险识别指标上，这些方法都 是基于单一维度的多层次风险识别体系。风险评估 则主要采用模糊综合评判、LEC（作业条件危险性 收稿日期2014-10-11． 基金项目国家自然科学基金项目（71271180） ； 福建省厦门市建设与管理局基金项目（XJK2013-1-1） ． 054工程管理学报第29卷 评价方法）和 FTA。多方法的结合与改进，如 CIM （概率分布的叠加）与模糊数学方法 [1]；粗糙集与 RBF 神经网络方法[2]。上述方法数据来源的主观性 和代表性降低了评价结果的可信度。目前运用 FMEA（失效模式与影响分析）法的研究成果还较 少，现有的研究没有对分析过程进行阐述[3],而且考 虑多工序、多层级的风险，也未对具体风险形成原 因进行分析[4]。本文将 FMEA 思路引入厦门一号线 地铁车站明挖法施工的风险评估，建立了风险因素 与潜在事故之间的关联机制。 1结合 FAHP 和频率分析的 FMEA 构建 1.1构建背景 FMEA（Failure Mode and Effects Analysis）主 要适用于计划实施之前，对构成品的各子系统、构 成过程等各个程序逐一进行分析，找出潜在的失效 模式，评估其出现的原因及后果，从而做到有针对 性地采取预防措施，降低失效状态发生的概率或减 小损失[5]。该方法的传统应用属于定性类的分析工 具，但如果结合故障树、模糊评价等定量方法则可 变为半定量或定量分析。 模糊层次分析法（FAHP）是将层次分析法与 模糊评判的包容性有机结合的多目标、多判据系统 优选排序的常用方法。在具体数据处理中提出并采 用频率分析，一方面为了解决因多位专家意见过于 不集中而失去专家意见权威性的实际问题，另一方 面也作为直接得到“可能性（概率）”这一指标评 分结果的计算方法。 1.2原理与优点 本文提出的风险评价方法，在构建辨识指标体 系时参考了 FMEA 的失效分析模式， 分两个维度进 行，如图 1 所示。 第一个维度是在对已知系统组成、工作模式与 环境分析基础上，通过 WBS（工作分解）一层一层 分解至最末端的工作事件，当该工序出现不达标、 偏离目标的现象时称为出现了一个（工序）失效状 态。采用专家打分法对层级末端的“失效状态”进 行风险评分，数据经过频率分析处理后，运用改进 的模糊层次分析法[6]对多层次指标的风险等级进行 逐级计算确认。 在此之后，以“失效状态”为立足点和衔接点， 向上分析可能造成的后果，向下找出形成原因，建 立第二个维度的风险指标（原因及后果），同样通 过问卷邀请专家勾选，直接对数据进行频率统计分 图1方法结构图 析便可清晰直观地得到造成某工序失效可能性较 大的原因和潜在后果；当末端失效状态的破坏模式 分析出来之后，借助第一个维度已完成的层次递进 的权重分析，可得到上一级工作阶段中值得关注的 风险原因和引致后果的可能性排序。 1.3方法的适用性 该方法在风险识别阶段克服了“WBS-RBS”、 故障树、鱼骨图等单一识别某一维度的局限性，将 工作流程、风险因素、失效状态和风险事故四者有 机地结合为一个体系。以失效状态来进行评价，其 优点一是对接触工程较多、经验丰富的专家和现场 施工人员而言，能更直观地完成风险评价；二是通 过失效状态将事故和风险因素联结在一起，在前后 因果和递进关系梳理更清楚的同时，还对发生的时 点（施工阶段或工序）有了清晰的概念。 在数据处理方面，针对专家问卷打分的数据区 分度不明显的问题，运用频率分析能更真实地还原 专家意愿；另外针对层次分析确定权重时，由于事 物的复杂性和判断的片面性，容易出现一致性不满 足的情况，本文引入加权迭代法对判断矩阵进行修 正，保证了结果的可信度。 2风险识别 2.1利用 WBS 工序分解识别失效状态 根据明挖车站的施工特点，其工程施工可大致 为图 2 所示的 6 个阶段。 图2WBS工序分解 而每个施工阶段下都会有相应的施工工序，以 主体结构施工为例，主要可分为脚手架和模板搭设 第1期周红，等结合FAHP和频率分析的地铁工程FMEA风险评价应用研究055 拆除、钢筋绑扎、混凝土浇筑等工序。根据已有的 施工经验与方案资料，总结出表 1 所示的 8 项可能 会出现的工序失效事件（因为该指标是未经过初级 筛选的，先以 Fa 做编号标识，将完成初筛后的指 标用 F 做编号标识）。 表 1主体结构施工阶段 F6下工序失效状态 指标层编号指标说明 脚手架搭设、拆除不规范 Fa61拆装顺序、位置不符合要求 脚手架超载Fa62脚手架受力大于自身承载力 支模板强度不足Fa63浇灌混凝土时模板抵抗力不足，变形大 钢筋保护层厚度不足Fa64保护层厚度小于设计要求 混凝土质量差Fa65混凝土配合比不满足或出现粉砂 车站结构纵向变形过大Fa66纵向变形值过大，易造成开裂 防水层质量失效Fa67出现渗水漏水 车站整体上浮Fa68抗浮设计失效，车站不足以抵抗水浮力 2.2风险因素和潜在事故类型 风险因素意指失效状态的形成原因，经过大量 的经验总结，地铁工程施工的风险因素主要来自工 程环境、技术水平和组织管理。 （1）工程环境。分为自然环境与人为环境， 自然环境包括地质、水文和气候，不可控性较大， 一旦发生涉及的对象往往很广；人为环境包括散布 在地铁施工影响范围内的地上建（构）筑物例 如房屋、地下管线、桥梁等。对工程本身而言，地 下构筑物和管线的存在会限制施工空间；对建筑物 的安全而言，地铁施工在开挖或大规模降水中破坏 了原有土体相对稳定和平衡的状态，且相互影响相 互制约。 （2）技术风险。涉及到各个工种，如勘察、 设计、施工等在实际操作中，在技术标准与规范、 设计模型采用、安全系数的确定、工艺流程的制订 与执行等出现的偏差。 （3）组织管理风险。来自管理主体，通常是 各参与单位，包括上级主管部门、建设单位、勘察 单位、设计单位、监测单位、监理单位、施工单位 和验收单位等，主要来自内部管理和外部执行两部 分[8]。 基于以上分析，参考丁烈云[9]根据 4M1E 理论 建立的安全评价体系，本文中风险因素可以划分为 4 类技术风险、环境风险、组织管理风险和监控 预警风险。若将各风险再细化展开，以环境风险为 例，逐级分解得到更细化指标如图 3 所示。 图3风险因素指标体系 根据邓小鹏等[8]对国内外 95 个地铁工程事故 的统计， 常见的事故类型包括坍塌、 水害、 机械 （起 重）伤害、火灾、物体打击、爆炸、中毒、触电、 高处坠落和其他伤害共 10 种。 3专家调查 参照指标体系的维度划分，调查同样分为风险 评级和事故原因分析两部分。前者包括风险量级和 权重 （对上一级工程风险的影响程度， 或称重要性） 的确定，风险量级可由发生概率 P、损失程度 C 和 可控性 T[9 ，10]三者的函数表达式 f 求得。 3 , , f P C TP C T（1） 后者则是对造成各失效状态的原因及可能引 致的后果进行概率打分。专家评分标准见表 2。 表 2专家评分标准 标度值重要程度 发生概率 P （） 损失程度 R 可控程度 T 1完全不重要P0.02可忽略很容易控制与解决 3稍显重要0.02≤P0.5 需考虑能够控制与解决 5一般重要0.5≤P5一般严重 控制与解决有一定难度 7强烈重要5≤P0.1 满意一致性不 满足 Fa621/51375351/5 Fa631/71/3153331/7 Fa641/91/71/511/51/51/51/9 Fa651/71/51/3511/331/7 Fa661/71/31/353131/7 Fa671/71/51/351/31/311/7 Fa6815797771 算出权重向量为 Wa{0.3255， 0.1283， 0.0756， 0.0155，0.0410，0.0575，0.0311，0.3255}，一致性 略微不满足，可运用加权迭代法进行调整。初步假 设原矩阵的权重为 0.95，订正公式的权重为 1-0.950.05，则可以得到新的判断矩阵，并重新做 一致性检验；若仍不满足可将原矩阵的权重继续缩 小，调整至一致性恰好满足即可，如表 5 所示。 表 5修正后的判断矩阵及一致性检验 Fa61Fa62Fa63Fa64Fa65Fa66Fa67Fa68 Fa611.004.886.879.607.056.937.171.00 λmax8.96， CI0.1378， CR0.09770.1 一致性满足 Fa620.211.002.937.064.912.964.960.21 Fa630.150.351.004.992.942.922.970.15 Fa640.110.140.201.000.210.200.210.11 Fa650.140.210.344.881.000.352.920.14 Fa660.140.340.354.942.921.002.940.14 Fa670.140.200.344.850.350.341.000.14 Fa681.004.886.879.607.056.937.171.00 此时的权重向量变为 W{0.3255，0.1283， 0.0756，0.0155，0.0410，0.0575，0.0312，0.3255}， 保留 4 位小数情况下与原权重向量基本无差别，结 果可行。定义小于 0.06 的指标为弱权重指标，可删 除。由此保留的 4 个指标为 Fa61、Fa62、Fa63、Fa68。 将这些指标的权重依比例重新归一化后得到新的 权重值，如表 6 所示。 表 6主体结构施工阶段 F6筛选后的失效状态及其权重 原编号新编号失效状态权重值 W Fa61F61脚手架搭设、拆除不规范0.380∑1 Fa62F62脚手架超载0.150 Fa63F63支模板强度不足0.088 Fa68F64车站整体上浮0.381 （3）隶属度确定。依据隶属度概念，若 12 位 专家中有 6 位认为是中级，则中级风险的隶属度为 6/120.5。以此类推知 F61F64的风险隶属度如表 7 所示，以隶属度为权数，对评价估值区间的中值进 行加权平均，计算出每一个失效状态的风险评级。 表 7F6各指标风险评价结果 指标一级二级三级四级加权量值评级 F610.0000.2300.6350.1355.810较高 F620.0000.8760.1340.0004.310中 F630.0001.0000.0000.0004.000中 F640.0000.7240.2760.0004.500中 （4）风险等级确定。F6结构主体施工阶段各 工序的风险隶属度矩阵与表 6 的权重矩阵相乘，可 以得到该施工阶段 F6的风险隶属度和风险等级， 如 表 8 所示。 表 8F6的风险评价结果和等级 一级二级三级四级加权量值评级 0.0000.6000.3520.0484.9中 第1期周红，等结合FAHP和频率分析的地铁工程FMEA风险评价应用研究057 则该阶段风险评价量值为 4.9，处于中级。同 样方法求得上一层次 6 个施工阶段的风险评级隶属 度和风险等级，如表 9 所示。 表 9各施工阶段风险评价结果和等级 评价对象 隶属度 一级二级三级四级加权量值等级 围护桩施工阶段 F10.022 0.809 0.157 0.0004.221中 止水帷幕施工 F20.006 0.411 0.522 0.0565.239较高 降水排水阶段 F30.000 0.478 0.469 0.0555.167较高 土方开挖施工 F40.000 0.883 0.109 0.0084.250中 支撑和锚索系统施工 F50.018 0.615 0.367 0.0004.700中 主体结构施工 F60.000 0.583 0.367 0.0514.946中 依次向上一级计算，可得到该车站自身安全风 险评价隶属度与最终评级，如表 10 所示。 表 10车站自身安全风险评价结果和等级 评价对象 隶属度 一级二级三级四级加权量值评级 施工风险0.0140.6420.3120.0334.73中 经过筛选后的失效状态指标均是在发生概率、 损失程度和可能性三方面的风险表现比较突出，基 本都在中级风险等级。由表 10 看出，止水帷幕施 工 F2和降水排水的阶段 F3风险水平属于较高，说 明与地下水相关的施工处理是最需要重视的。虽然 其他阶段均属于中等风险，但从 F1、F4的等级隶属 度可以看出超过 80都落在了二级风险，但 F5、F6 都有约 37的可能性落在三级风险区间。最终得到 该车站工程施工安全风险属于中等偏上，可以接受 但仍需要强化控制措施。 4.2各施工阶段事故发生统计 当某个失效状态持续时间过长或程度不断累 积到一定界限值时，就会发生较为严重的风险事 故，造成不可逆的伤害。本文对失效状态与事故状 况的研究同样基于专家调查，请专家们勾选出某失 效状态可能导致的事故类型，若超过 60的专家选 择某一类事故，则该事故作为该失效状态优先被考 虑的后果。 当超过一种事故类型被选择， 如 “F61脚手架搭 设拆除”这一项中，有 93的专家均选择了坍塌， 62的专家均选择了物体打击，这两项均作为优先 考虑项，而选择比重为 936264，则重新归一 化后权重为坍塌 60，物体打击 40。 由于风险事故发生的可能性、损失程度、可控 性和重要程度均可以由造成该事故的失效状态来 说明，风险事故可作为该失效状态的结果做一一对 应，即针对上一级风险而言，两者有同样的重要性 权数，因此单项事故类型比重乘以失效状态的权重 W 便得到某失效状态对应的某类风险事故在整个 施工阶段的影响权重 WR。按照不同事故类型进行 汇总，则可对该施工阶段事故类型和可能性有量化 上的概念。按照上述方法，可得到主要事故类型在 F6施工阶段的权重，如表 11 所示。 表 11主要事故类型和在 F6施工阶段的权重 编 号 工序失效状态 权重 W 事故类型 权重 WR WR汇总 F61脚手架搭设、拆除不规范 0.381 （脚手架）坍塌 （0.6） 0.229坍塌 （0.467） 物体打击 （0.153） 其他伤害 （0.381） 物体打击（0.4） 0.153 F62脚手架超载0.150 坍塌0.150 F63支模板强度不足0.088 坍塌0.088 F64车站整体上浮0.381 其他伤害0.381 4.3失效状态的风险因素筛查 除了关注失效状态和损失，还应从源头即风险 因素上进行控制与预防。同样地，将“引致失效的 可能性”分为 19 级别，请专家对每个失效状态关 联的风险因素打分，提取被选择到（打分不为 0） 的因素进行被选频率统计，将超过 70的专家认可 的风险因素提取出来，计算该因素“可能性”打分 的平均值后再与被选频率相乘，得到最终的关联程 度 Qp。 （1）风险因素筛查。造成失效的各种风险因 素，如表 12 所示。 表 12造成失效的各种风险因素 编号工序失效名称风险因素 可能性 QP F61脚手架搭设、 拆除不规范 遵守施工规程4.375 F62脚手架超载监理的专业水平0.602 人员安全意识1.313 F63支模板强度不足施工方案合理性0.394 监理的专业水平0.788 材料质量0.683 F64车站整体上浮勘察、设计单位的施工配合0.856 施工方案的合理性0.665 施工工艺和技术流程0.809 （2）风险因素失效状态风险事故的 关联。在某施工阶段中，以“失效状态”为衔接点 可衡量各个风险因素对某类风险事故的关联度贡 献。以分析 F6结构工程施工阶段的坍塌事故为例， 已知在该施工阶段中可能会发生坍塌事故的工序 失效状态为 F61、F62和 F63，这些工序对该施工阶 段风险的影响程度分别为 0.229、0.15、0.088，而 造成这些失效状态的主要风险因素及影响程度如 表 13 所示。可得到在该施工阶段的某一失效状态， 058工程管理学报第29卷 例如 F61中，可能造成该失效的某一风险因素，例 如是否遵守施工规程，与该失效状态可能导致的某 一风险事故，如坍塌的关联程度 RQpWR4.375 0.2291。 表 13坍塌事故失效状态风险因素的联系 事故类型 事故权 重 WR 工序 失效 失效状态风险因素 可能性 QP （脚手架） 坍塌 0.229F61脚手架搭设、拆 除不规范 遵守施工规程4.375 （脚手架） 坍塌 0.150F62脚手架超载监理的专业水平 0.602 人员安全意识1.313 坍塌0.088F63支模板强度不足 施工方案合理性 0.394 监理的专业水平 0.788 材料质量0.683 将相同因素的关联度 R 进行归类加和，得到在 主体结构施工阶段发生坍塌时主要风险因素及与 风险事故的关联及关联度排序如图 4 和表 14 所示。 图4F6主体结构施工阶段各风险因素与风险事故的关联 表 14各风险因素与坍塌事故的关联度排序 编号风险因素与事故关联度 RL 1遵守施工规程1.000 2人员安全意识0.200 3监理的专业水平0.160 4材料质量0.060 5施工方案合理性0.040 由此可以看出，在结构主体工程施工中，容易 造成的坍塌事故的来源主要是是否遵守施工规程 和人员的安全意识，其他值得考虑的风险因素依次 是监理的专业水平、材料质量和施工方案的合理 性，需要现场管理人员重点关注。 5结语 在本文提出的方法中，对地铁车站施工进行风 险评估时，借助 FMEA 中识别潜在失效模式的理 念、参考现有的研究成果和成熟经验，建立以“失 效状态”为衔接点的双维度风险指标体系；在风险 评级这一维度，运用 WBS（工作分解）逐级建立风 险指标，基于专家调查问卷结果、采用频率分析和 改进模糊层次分析法得到各层级各指标的风险等 级；在失效因素这一维度里同样是通过专家打分和 频率统计筛查出“失效状态”的前因后果，并借助 风险评级维度中的权重结果建立三者的关联度。该 方法既可清晰地看到各工序下需要关注的环节和 风险源，也可以更直接深入地展现工程事故与基本 形成因素之间的关系，另外在实际运用方面也解决 了专家打分法中普遍存在的数据失真和一致性不 满足等问题。 参考文献 [1]李小浩，宋永发．CIM模型在地铁施工安全风险评估中 的应用[J]．工程管理学报，2010，24（5） 513-516． [2]陈帆，谢洪涛．基于粗糙集和RBF 神经网络的地铁 施工安全风险评估[J]．安全与环境学报，2013，13（4） 232-235． [3]周荣义，黎忠文．地铁工程建设施工危险辨识与施工坍 塌事故应急预案的探讨[J]．中国安全科学学报，2005， 15（12） 93-96． [4]余宏亮． 基于 FMEA的地铁盾构始发与到达施工风险识 别及评估[J]．价值工程，2014（10） 123-125． 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