智慧工地基于博弈TOPSIS的施工安全风险评价

摘要：针对影响智慧工地施工安全的风险因素的复杂性、模糊性问题，将组合赋权法和TOPSIS法相结合对智慧工地施工安全进行评价。首先，在对智慧工地施工的特征进行分析的基础上，运用WSR方法论，选取“人”“机”“法”“环”“管”5个要素，建立智慧工地施工安全评估指标体系，并对其进行分级。其次，运用博弈理论，将AHP方法求出的主观权重与熵权法求出的客观权值进行最优组合，从而求出综合权值；利用TOPSIS法，将其与组合权值相结合，构建接近度矩阵，对智慧工地的施工安全进行评估，并确定最终评估结果。最后，将评价结果与两个单一权重计算模型——熵权-TOPSIS和AHP-TOPSIS模型相比较。结果表明，利用博弈论方法建立的TOPSIS模型，其计算结果的准确度和有效度都较高，且与智慧工地的实际安全状况具有良好一致性，且与其他模型相比其预测结果更为精确和合理。

随着物联网、云计算、大数据等新信息技术的发展，以及与工程领域的相互渗透，建筑行业发生了巨大的变化，建筑工程的建设速度和智能化水平不断提高。我们正从传统的建筑方式转向集约的、绿色的、科学的现代化建筑模式[1],智慧工地应运而生。作为由智慧城市衍生出的新型建造模式，智慧工地实现了新信息技术同先进建造技术的深度融合，集合了数字化、信息化、协同化、智能化、集成化等特征。但现代化技术与设备的投入会对施工项目的安全性造成重要影响，也将使得影响施工安全的风险因子及其因果关系发生变化。建筑业安全事故频发，施工安全风险的成因复杂，因此安全评估向来是建筑工程建设过程中的一个避不开的重要课题。常春光等[2]运用G1-物元分析方法，利用指标与等级的相关性对其进行安全性评估。付杰[3]利用灰色聚类分析方法，对通过反演和分析出的影响施工安全的主要因素进行了安全性分析。于亚军等[4]将运用BP神经网络，构建了一种三维智能识别和预控模型，并将其运用到高速公路隧道施工安全管理。孟楠等[5]将基于三角模糊数的层次分析法和模糊综合评价法相结合，建立了地铁施工风险评价指标体系，并结合实例验证其可行性。李烨[6]从地铁施工中潜在的危险源着手分析并强调了预防性措施及过程管控的重要性。但是，应用以上方法进行评价时会伴有一定的模糊性以及主观性，且由于计算过程的复杂还会造成计算结果的准确度不够。然而评价智慧工地施工安全会涉及到许多仅靠人为主观无法精确判断和定义界定不清的情况，因此难以准确地进行预测和描述。

通过对国内外有关文献的研究，发现确定指标权重时，往往只采用一种定性或定量方式来进行，如层次分析法、熵值法、灰色聚类等，因此，在相同案例中，采用不同的评估方法，其得到的结果可能天壤之别；少数人考虑多种方法结合计算权重，但大多只考虑2种方法，按一半一半的比重线性组合，但这种简单结合而得到的权重，其意义并不大。唐欣文等[7]通过AHP法和熵权法的加权计算，利用距离函数来确定指标的综合权值，但是在确定系数对两种方法进行权重分配时，采用专家约定的数值，具有一定的主观随意性。因此，如何选择评价方法，确定指标权重，如何更好地反映现实，降低主观性，是未来的一个重要课题。博弈理论在军事战略、经济、国际关系等方面都有着重要的意义，近年来，许多学者将博弈理论灵活应用并扩展到网络安全评价、食品安全分析、环境安全评价等领域。刘欣在层次分析法和TOPSIS法的基础上，从主、客观两方面综合考虑了各指标的权重，给出了一种最优的组合赋权策略，并在此基础上提出了一种新的网络节点价值评估的联合赋权VIKOR法[8]。张俊亮等构建了PPP项目风险分担博弈模型，并确定了各参与方风险分担的比例[9]。曾韬运用博弈论综合权值法和灰色模糊理论，构建了信息系统风险评价的综合评价模型[10]。史超创新地将博弈论的概念引入到食品安全评估问题中[11]。

鉴于此，建立博弈论组合赋权-TOPSIS模型，能够使加权结果充分反映出不同赋权方法的优势，更精确、更客观。首先，以WSR方法论为基础，对智慧工地施工安全有影响的风险因素进行了初步分析。其次，采用AHP与熵权法分别求出各指标的权值，通过优化的线性组合，确定了博弈的权重。再次，运用博弈理论的组合赋权-TOPSIS模型，对安全性进行排序，以求出安全级别。最后，将评估模式运用到实际工程中，并对各个风险因子指数的变动及评估效果的影响进行分析。

一、智慧工地施工安全评价指标体系

施工现场环境复杂，施工技术要求更加精细，人机协同作业的增加，多种因素的交互作用，使施工安全风险因素呈现出多样化、复杂的特点。相比于传统工地施工现场的复杂环境，智慧工地由于同先进生产技术的结合更加紧密，引进的先进生产机械更多，人机协作的工作环境更加复杂难解，因此实际上可能引起安全事故的影响因素更加多变[12,13,14]。基于系统论的观点，WSR方法与智慧工地施工安全风险评估指标的多层次、多维度特点相吻合。故本文主要从环境层面、技术层面等入手，在此基础上，根据已有的研究成果，构建了一个安全评估体系，如表1所示。

表1智慧工地施工安全评价指标体系

二、评价指标权重计算

(一)层次分析法求主观权重

层次分析法(AHP)是美国匹兹堡大学教授A.L.Saaty于1970年提出的一种系统化的分析方法，它能把主观判断转换成定量的数据，通过两两比较的方式来判定各个层面上的各个指标的重要程度，然后用综合的标准来决定各个指标的权重。

对判断矩阵的每一列元素进行归一化处理，其元素的一般项为

(三)博弈论求组合赋值

为了进一步提高权重的准确性，运用博弈论的结合赋权思想，对由AHP和熵权法所确定的主、客观权重进行优化与重组，得出优化后的组合赋权。该方法通过对各种方法所得到的权重进行综合优选，从而得到最优的指标权重，缩小各个权值间的偏差，实现纳什平衡，提高权值的精确度。

1.向量线性组合

首先，根据主、客观两种权值构成基本权重向量集为W(k)={Wk1,Wk2,…,Wkn}(k=1,2,…,m),其中，n为指标数量，m为权重方法的个数，则m此处应设为2。线性组合权重系数γ={γ1,γ2,…,γm}。将基本加权矢量任意组合为一组可能的权值集合：

w=∑mk=1γkwTk,γk>0, k=1,2,…,m (8)

式中，w为加权线性组合；γk为加权系数；wTk为初始加权向量集wk的转置。

2.确定最优组合系数

利用博弈模型的思路，对各权值进行最优组合，使各权值之间达到协调，即以最小偏差为目的，对m个权矢量组合系数γk进行最优组合，从而获得最满意的权值w。

min‖∑mk=1γkwTk-wk‖2, k=1,2,…,m (9)

式中，wk为初始加权向量集。根据矩阵的微分特质，式(9)中最优线性方程组为

⎡⎣⎢⎢w1w1T⋮wmw1T⋯⋱⋯w1wmT⋮wmwmT⎤⎦⎥⎥⎡⎣⎢⎢γ1⋮γm⎤⎦⎥⎥=⎡⎣⎢⎢w1w1T⋮wmwmT⎤⎦⎥⎥

3.赋合权重计算

对优化组合系数γm进行归一化处理得到γ*k=γk/∑mk=1γk,得到博弈组合赋权的权重w*=(w1,w2,…,wn)。

w*=∑nk=1γ*kwTk, k=1,2,…,m (10)

三、建立博弈组合赋权TOPSIS评价模型

第一步：矩阵标准化，得到加权矩阵V,其中Vij=W*jZij。

第四步：计算相对贴近度。

Ci=SiS+i+S−i (16)

显然，0<Ci<1,而Ci越大，表示越接近评估得分的最大值。

四、博弈论组合赋权的TOPSIS混合模型实例应用

选取某试点智慧工地建设项目作为研究对象，选择8栋16～18层的住宅小区中的其中4栋进行了实证研究。该住宅包括地下两层，地上15～17层不等，其中地下单层建筑高度为3.1 m,地上单层建筑高度为2.95 m。为防止工程建设中可能出现的安全事故，采用本文构建的基于博弈和TOPSIS的智慧工地施工安全风险评价方法对该施工项目7#楼、8#楼、10#楼和12#楼共4栋建筑施工进行安全风险评价。

(一)综合权重确定

利用AHP方法，根据公式(1)～(3)得到主观权重αi;利用熵权法，根据公式(4)～(7)表达式求出客观权重βi;最后，根据公式(8)～(10)利用MATLAB得到组合的总权重值w*,其具体权重值如表2所示。

表2各指标权重值

(二)安全评价

将建筑样本数据所组成的决策矩阵与根据表2得出的博弈组合赋权w*相结合，得到权重的标准化决策矩阵。最后，通过公式(11)～(16),求出4栋建筑的安全水平标准的相对贴近度，同时得到各个安全级别标准的相对贴近度。4栋建筑的建筑安全等级及评判等级标准见表3、表4。

表3各建筑相对贴进度

表4各安全等级临界值

同时，利用AHP-TOPSIS和熵权-TOPSIS 2种模型对4栋建筑的安全性进行评估，并给出了3种TOPSIS模型的计算结果，如表5,比较结果见图1。

表5 3种TOPSIS模型的评价结果

图1相对贴进度柱状图  

(三)结果分析

通过对3个混合模型的对比分析，得出：博弈论和层次分析法混合模型的计算结果是一致的；但是，通过熵权法的混合模型得到的计算结果与前两种计算结果并不一致。因此，在TOPSIS评估中，权值的作用尤其突出，尽管利用3种权值计算方法得到的权值差异很小，但是，单个AHP法由于专家的经验而得出的评分差异很大，从而导致权值具有主观的随意性，很难得到原始数据之间的规律性；同时单一熵权法由于对初始数据的过分依赖，导致评估的结果很难反映出其相对重要性。本文运用博弈论方法，综合考虑了专家的经验评分和原始数据，并将其主观、客观相结合，从而使权重值更加合理有效。

二级指标即各评价等级的相对贴近度从大到小顺序是：较高>中等>较低>低，“人的风险因素”A1接近程度最高的级别是“中等”,按照最大从属原则，该智慧工地建设项目的施工人员风险评价为“中等”;这说明该智慧工地建设项目施工人员风险排序虽不高，但不排除有向“较高”风险等级发展的趋势，因此，建筑企业要注重挑选高素质的工程技术人才，并对不同岗位的施工人员进行有针对性的培训，使其能够更好地提高员工的技术素质，提升员工的安全素质，增强员工的安全意识。

“物的风险因素”A5隶属度最大的评价等级为“较低”,表明该智慧工地建设项目物的风险评价等级为“较低”。在安全风险管理方面，企业在进行安全风险评价的基础上，要综合考虑自身的可承受风险等现实条件，应严格遵守相关安全标准，避免发生安全事故，确定相应的安全风险等级。采取相应的加固、施工参数调整、施工进度控制等措施，以达到对施工的监控信息的引导，保证施工的安全。

“技术风险因素”A2的风险评价等级为“较高”,这说明了该智慧工地建设项目的技术风险很大，在技术层面上还存在着不容忽视的问题，必须抓紧时间对其进行风险隐患的识别。在安全等级较低的技术方面，通过对该智慧工地建设项目的施工现场进行安全排查，发现该施工现场的确存在不少问题，如专项施工方案实施不到位、未能严格按照相应技术规范执行施工工艺和部分核心技术不够成熟等。该智慧工地建设项目的施工单位必须对这些问题引起高度重视，坚持问题导向，及早掌握技术风险因素对其进行控制，采取有效防范措施预防事故的发生。并在此基础上，通过对施工过程的仿真，发现施工中的危险区域、空间冲突等，并采取相应的预防措施，以便尽早地发现和消除技术上的安全隐患，使施工方案不断深化，技术不断规范，补齐安全短板，从而减少施工过程中由于“技术”的风险因素导致的施工安全状况。

“管理风险因素”A3和“环境风险因素”A4的风险评估结果等级均为“中等”,仍有进步的余地。管理者必须对工程管理人员进行严格的培训，从而提升其职业素养和管理能力。必须加强管理人员的安全教育，增强其安全意识和安全素质，从而避免 “头痛医头，脚痛医脚”,提高工程管理的效果。项目管理人员必须具有良好的思想品德，才能有效地完成项目的各个环节，并协调各方面的关系，从而使工程顺利进行。同时建议在该智慧工地建设中，通过强化安全监测、强化事故防范与突发事件的应急管理、避免恶劣环境施工等措施，降低环境因素对工程安全的负面影响，使安全水平得到持续改善。

综合以上结论，运用博弈法-TOPSIS综合评价法对智慧工地施工安全进行了评估，从评估结果可以看出，“物”的安全程度属于较为安全的范畴，建议工程项目在“物”的危险问题上进行例行安全管理，确保其安全。“人员”“管理”“环境”是中等级别的，结果与现实相符合，但还有改进的余地。“技术”的风险等级较高，需着重注意。同时，在工程建设中，要加强对各类风险因素的控制，做到及时发现，及时处理，杜绝隐患。在施工过程中，要强化安全管理，严格执行各项安全措施，做到周密部署，勤于检查，发现问题，及时处理，预防各种安全事故，以保证工程运行的安全。

五、结论与建议

智慧工地施工安全风险评价涉及诸多不确定因素，且涵盖诸多方面，是一个复杂多变的问题。本文在已有的基础上，从人、物、技术等传统的角度出发，同时考虑新出现的风险因素，选取评价指标，利用博弈组合赋权法对指标权重进行衡量，尽可能避免过于主观或忽视客观的影响，降低数据的不真实性。

在评价过程中，利用TOPSIS法对专家决策信息进行评价，该方法兼顾了专家的经验判断和客观规律，增强了评价权重的科学性，并对TOPSIS模型进行了优化。

通过建立TOPSIS模型，对现有的安全状况进行评估，计算结果与实际情况相符合，从而验证了所建模型是合理可行的。在此基础上，采用组合赋权-TOPSIS模型，其评估结果较单一赋权法的AHP-TOPSIS和熵权TOPSIS模型具有更高的科学性和准确性，值得推广应用。

通过实证分析发现，智慧工地的施工安全风险为“中等”,其评估结果与工程现场的实际情况相符合，说明所建立的评价模型是科学、实用的，对建筑施工单位在施工安全管理上有一定的参考价值。但是，实证分析部分本文仅对建设住宅项目进行了验证，说明了文中所选风险因素的适用性及该模型的可行性，并不能保证该模型以及文中的风险因素应用在其他项目类型时得到相同的结果，因而对不同建筑类型和结构类型的施工项目并不能一概而论。

本文的不足之处在于指标风险评估与评定全部通过专家打分获得，在某种程度上，由于专家的主观体验，使得评估结果具有主观色彩，所以，必须在实际运用中不断地改进，并将其与经济效益相结合，使其更加完善，这也是今后的研究方向。

参考文献:

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[2]常春光,吴溪,李自浩基于G1-物元分析法的装配式建筑施工安全风险评价[J]沈阳建筑大学学报(社会科学版),2018,20(03) :268-274.

[3]付杰装配式建筑工程施工安全风险评价[D].武汉:武汉理工大学, 2017.

[4]于亚军,贾紫涵,罗丽娇,等:高速公路隧道施工事故三维智能识别与预控技术[J].石家庄铁道大学学报(自然科学版),2021,34(02):80-86.

[5]孟楠,张新宁,段晓晨,等新兴城市地铁施工风险评估研究[J]石家庄铁道大学学报(社会科学版),2018, 12(02):34-40.

[6]李烨地铁车站施工I中安全管控重点分析[J].石家庄铁道大学学报(自然科学版),2018,31(S2):23-26.