泵站工程風(fēng)險評估輔助系統(tǒng)開發(fā)及應(yīng)用

曹邱林,王興華,周逢強

(1.揚州大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇揚州 225009;2.無錫市水利設(shè)計研究院有限公司,江蘇無錫 214000)

泵站工程風(fēng)險評估輔助系統(tǒng)開發(fā)及應(yīng)用

曹邱林1,王興華2,周逢強2

(1.揚州大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇揚州 225009;2.無錫市水利設(shè)計研究院有限公司,江蘇無錫 214000)

針對泵站工程風(fēng)險分析的需要,采用層次分析法(AHP)和事故樹分析法(FTA),以Visual Basic程序設(shè)計語言開發(fā)了泵站工程風(fēng)險評估輔助系統(tǒng)。系統(tǒng)由泵站運行風(fēng)險事故樹分析模型、底事件風(fēng)險度計算、泵站各組成部分的權(quán)重計算以及計算結(jié)果輸出4個模塊組成,可直觀、方便、快捷地計算泵站運行風(fēng)險概率及判定風(fēng)險等級。將系統(tǒng)應(yīng)用于大套第一抽水站的風(fēng)險評估,得出大套第一抽水站運行風(fēng)險概率為74.921％,風(fēng)險等級為Ⅰ級,與實際計算結(jié)果一致,表明該系統(tǒng)具有可應(yīng)用性。

泵站;風(fēng)險評估;風(fēng)險概率;風(fēng)險等級;系統(tǒng)開發(fā);大套第一抽水站

泵站工程擔(dān)負(fù)著區(qū)域性的防洪、除澇、灌溉、調(diào)水和供水的重任,為合理調(diào)度和管理水資源發(fā)揮了巨大功效。由于我國大中型泵站大多數(shù)運行時間較長,經(jīng)長期運行后出現(xiàn)較多問題[1],可能導(dǎo)致工程事故的發(fā)生,因此有必要對在役泵站工程進行風(fēng)險分析,為管理人員判斷病險泵站工程的風(fēng)險程度提供依據(jù),以便采取相應(yīng)的處理方案或工程措施。

隨著風(fēng)險評估理論方法的不斷發(fā)展,風(fēng)險評估輔助系統(tǒng)在信息、電力、災(zāi)害、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用,而在泵站工程方面的研究及應(yīng)用較少。泵站工程風(fēng)險分析涉及多種方法及較多數(shù)據(jù),計算過程較為繁瑣,為更方便地對泵站工程進行風(fēng)險分析,提高泵站工程運行風(fēng)險概率計算效率,本文在對泵站工程風(fēng)險分析方法、內(nèi)容等風(fēng)險評估關(guān)鍵問題進行研究的基礎(chǔ)上,結(jié)合目前泵站工程安全評價需求,以計算泵站運行風(fēng)險概率及判定風(fēng)險等級為目標(biāo),利用Visual Basic 6.0開發(fā)了泵站工程風(fēng)險評估輔助系統(tǒng),并將其應(yīng)用于大套第一抽水站的風(fēng)險評估。

1 泵站工程風(fēng)險分析方法

風(fēng)險分析是指對給定系統(tǒng)進行危險辨識、概率計算、后果估計的全過程,是一種基于數(shù)據(jù)資料、運行經(jīng)驗、直觀認(rèn)識的科學(xué)方法[2]。通過將風(fēng)險量化,便于進行分析比較,可為泵站工程管理的科學(xué)決策提供可靠的依據(jù),以便能夠合理運用有限的人力、物力和財力等資源條件,采取最為適當(dāng)?shù)拇胧?達(dá)到徹底消除風(fēng)險的最終目的。風(fēng)險分析方法有多種,本文應(yīng)用層次分析法和事故樹分析法對泵站工程進行病險識別及風(fēng)險分析。

1.1 層次分析法

層次分析法(analytic hierarchy process,AHP)是一種簡便、靈活而又實用的多準(zhǔn)則決策方法,它將決策者的經(jīng)驗判斷進行量化,在目標(biāo)因素結(jié)構(gòu)復(fù)雜并且缺乏必要數(shù)據(jù)的情況下更便于使用,在實踐中得到了廣泛應(yīng)用[3-4]。根據(jù)層次分解法的基本原理,按照病險發(fā)生的部位、性質(zhì)及病因之間的相互關(guān)系,對泵站工程病險進行劃分歸類,形成一個遞階層次結(jié)構(gòu),利用AHP中規(guī)定的比例標(biāo)度對同一層次有關(guān)的因素的相對重要性進行比較,按從上到下的順序,依據(jù)遞階層次結(jié)構(gòu)對測度進行組合,以獲得各個組成部分相對于決策目標(biāo)的測度,即各組成部分的組合排序權(quán)值。

以江蘇省大套第一抽水站為例,其病險識別模型見表1。

表1 大套第一抽水站病險識別模型

1.2 事故樹分析法

事故樹分析法(fault tree analysis,FTA)也稱為失效樹分析法或故障樹分析法,是安全系統(tǒng)工程中的重要分析方法之一,是一種定性和定量相結(jié)合的分析方法[5-7]。它是從要分析的特定事故或故障開始,層層分析其發(fā)生原因,一直分析到不能再分解為止;將特定的事故和各層原因(風(fēng)險因素)之間用邏輯門符號連接起來,得到形象、簡潔地表達(dá)其邏輯關(guān)系(因果關(guān)系)的邏輯圖形,即事故樹;通過對事故樹簡化、計算達(dá)到分析、評價的目的。事故樹分析的程序常因評價對象、分析目的、粗細(xì)程度不同而不同,但一般可按以下程序進行:①確定分析對象系統(tǒng)和要分析的各對象事件(頂事件);②調(diào)查原因事件;③構(gòu)建事故樹;④定性分析;⑤定量分析;⑦得出結(jié)論。

江蘇省大套第一抽水站運行風(fēng)險事故樹分析模型見圖1。

為便于對事故樹作定性分析和定量計算,通常采用結(jié)構(gòu)函數(shù)對事故樹進行數(shù)學(xué)描述?？紤]由n個不同的獨立底事件所構(gòu)成的事故樹,引入二值變量xi表示第i個底事件ei的狀態(tài),xi僅取0或1兩種狀態(tài),并定義:

同樣引入二值變量Φ(X)表示頂事件T的狀態(tài),并定義:

因為頂事件的狀態(tài)完全由底事件的狀態(tài)所決定,所以頂事件的狀態(tài)變量也完全由底事件的狀態(tài)變量取值所決定,則有:

稱函數(shù)Φ(X)為事故樹的結(jié)構(gòu)函數(shù)。

任何已知事故樹都可以找到其結(jié)構(gòu)函數(shù),而且可以看成與門(并聯(lián))和或門(串聯(lián))的組合。如用xi表示底事件Mi發(fā)生的概率,PTOR表示或門頂事件發(fā)生概率,PTAND表示與門頂事件發(fā)生概率,則有

圖1 大套第一抽水站運行風(fēng)險事故樹分析模型

利用式(4)和式(5)依照已建成的事故樹邏輯結(jié)構(gòu)即可計算任何已知事故樹頂事件的發(fā)生概率。

2 系統(tǒng)設(shè)計

基于層次分析法和事故樹分析法,泵站工程風(fēng)險評估輔助系統(tǒng)的總體目標(biāo)為計算事故樹各底事件風(fēng)險度,先計算泵站各組成部分的權(quán)重,在此基礎(chǔ)上確定各底事件的發(fā)生概率,并且計算頂事件(泵站運行風(fēng)險)加權(quán)發(fā)生概率,判定風(fēng)險等級。

基于對在役泵站工程主要失效途徑的研究,遵循盡可能全面涵蓋泵站工程風(fēng)險分析的主要影響因素的原則,得到引起泵站不能正常運行的13種中間事件及29種可能的底事件,用戶可根據(jù)具體工程實際情況確定主要的影響因素和評價指標(biāo),采用層次分析法和事故樹分析法進行評估,系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)見圖2,以大套第一抽水站為例,由表1可知影響該泵站不能正常運行的主要有11種中間事件及18種底事件,用戶即可在系統(tǒng)界面內(nèi)進行相應(yīng)選擇及輸入,進行風(fēng)險評估。由于目前泵站工程還沒有統(tǒng)一的風(fēng)險分級劃分標(biāo)準(zhǔn),可借鑒堤防工程的劃分方法[8-9],泵站工程風(fēng)險分級見表2。

圖2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

表2 泵站工程風(fēng)險分級

3 系統(tǒng)功能實現(xiàn)

泵站工程風(fēng)險評估輔助系統(tǒng)采用可視化程序設(shè)計語言Visual Basic編程,由泵站運行風(fēng)險事故樹分析模型、底事件風(fēng)險度計算、泵站各組成部分的權(quán)重計算以及計算結(jié)果輸出4個模塊組成。通過各個模塊功能的實現(xiàn),該系統(tǒng)為用戶提供了能夠輔助風(fēng)險等級判別工作的軟件平臺,系統(tǒng)界面見圖3。

圖3 系統(tǒng)界面

3.1 泵站運行風(fēng)險事故樹分析模型模塊

該模塊包含事故樹模型選定、底事件名稱及數(shù)量統(tǒng)計兩項功能,模塊界面見圖4,其功能實現(xiàn)方法如下:

a.事故樹模型選定。根據(jù)事故樹法相關(guān)內(nèi)容在設(shè)計界面內(nèi)繪制出泵站運行風(fēng)險事故樹分析模型,共分為4層,第1層為事故樹的頂事件,第2、3層為事故樹的中間事件,第4層為事故樹的底事件,分別以A、B1、B2、B3、C1、C2…C10、D1、D2…D29表示。除第1層外其他各層組成元素均對應(yīng)一個CheckBox,單擊時表示“選中”,再次單擊時表示“未選中”。在代表字母(Label)的Click事件中設(shè)置相關(guān)Label的BackColor屬性值及CheckBox的Value 值,用戶通過單擊界面代表字母即可實現(xiàn)事故樹中各風(fēng)險因素的選定及其他模塊中相關(guān)內(nèi)容的自動選定。

b.底事件名稱及數(shù)量統(tǒng)計。點擊圖4中的“計算”和“重置”按鈕,通過在Click事件中使用IF選擇語句和For/Next循環(huán)等實現(xiàn)底事件名稱及數(shù)量統(tǒng)計。

3.2 底事件風(fēng)險度計算模塊

以泵站工程站身建筑物對應(yīng)的底事件xi(i=1, 2,3)為例,底事件xi分別為站身抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)計算值kc、滲徑系數(shù)計算值C、計算配筋面積As計算, 當(dāng)[kc]＞kc、[C]＞C、As計算＞As實配時,可以認(rèn)為其發(fā)生異常(失效),則定義底事件xi的風(fēng)險度RIi(即風(fēng)險度值越大越危險)為

圖4 泵站運行風(fēng)險事故樹分析模型界面

式中:[kc]為抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)允許值;[C]為滲徑系數(shù)允許值;As實配為實配鋼筋面積。底事件風(fēng)險度計算模塊包含泵站各主要組成部分的風(fēng)險度(如站身建筑物的風(fēng)險度、水泵的風(fēng)險度、電機的風(fēng)險度、拍門的風(fēng)險度等),每個風(fēng)險度下設(shè)有相應(yīng)的底事件指標(biāo),風(fēng)險度值越大越危險,因此用戶在進行底事件相應(yīng)指標(biāo)輸入時應(yīng)取各工況下使指標(biāo)值最大的數(shù)據(jù)。同理,其他風(fēng)險度可以類似求取。界面說明中變形程度、銹蝕程度分別根據(jù)輕微變形(銹蝕)、一般變形(銹蝕)、較重變形(銹蝕)、嚴(yán)重變形(銹蝕)、銹損給出了風(fēng)險度范圍;啟閉機閉門力計算值大于0時,風(fēng)險度為1,閉門力計算值小于0時,風(fēng)險度為0;用戶根據(jù)泵站工程實際情況按界面說明中的范圍和判斷標(biāo)準(zhǔn)進行拍門的變形及銹蝕程度,啟閉機閉門力、變形及銹蝕程度,閘門的銹蝕程度和攔污柵的銹蝕及變形程度的數(shù)據(jù)輸入。點擊“計算”按鈕,通過在Click事件中使用IF選擇語句實現(xiàn)底事件風(fēng)險度計算。

3.3 泵站各組成部分的權(quán)重計算模塊

根據(jù)層次分析法進行權(quán)重的計算,用戶根據(jù)泵站運行風(fēng)險事故樹分析模型和判斷矩陣標(biāo)度值,確定實際工程中各組成部分的重要程度并完成判斷矩陣的相關(guān)輸入(只能以整數(shù)及小數(shù)形式輸入)。點擊“計算”按鈕,通過在Click事件中使用IF選擇語句和For/Next循環(huán)等實現(xiàn)權(quán)重計算并進行判斷矩陣一致性檢驗。由于考慮到泵站工程中一般不會出現(xiàn)“強烈重要”和“極端重要”這些情況,判斷矩陣標(biāo)度取用T.L.Saaty教授的“1～9標(biāo)度法”的部分標(biāo)度值,具體含義見表3。

3.4 計算結(jié)果輸出模塊

該模塊由泵站運行風(fēng)險事故樹分析模型各組成部分的權(quán)重及組合權(quán)重值、底事件概率值、頂事件概率值和風(fēng)險等級4個部分組成,圖4界面中字母與泵站運行風(fēng)險事故樹分析模型中各組成元素的字母相對應(yīng)。界面內(nèi)名稱及字母為Label,對應(yīng)的數(shù)值為TextBox。點擊“計算”按鈕,通過在Click事件中使用數(shù)學(xué)函數(shù)等實現(xiàn)組合權(quán)重值、底事件概率值、頂事件概率值的計算和風(fēng)險等級的判別。

表3 判斷矩陣標(biāo)度值及其含義

4 工程應(yīng)用實例

以大套第一抽水站為例,根據(jù)大套第一抽水站工程安全復(fù)核分析報告與機電設(shè)備及金屬結(jié)構(gòu)檢測報告等相關(guān)資料,完成對泵站運行風(fēng)險事故樹分析模型的選定及底事件風(fēng)險度計算模塊、泵站各組成部分的權(quán)重計算模塊的數(shù)據(jù)輸入。進入計算結(jié)果輸出模塊后,泵站各組成部分的權(quán)重計算值將顯示在界面上,單擊“計算”按鈕,系統(tǒng)自動計算組合權(quán)重、底事件概率、頂事件概率并判別泵站風(fēng)險等級,同時顯示其計算和判別結(jié)果,計算結(jié)果輸出模塊界面見圖5。由圖5可知,大套第一抽水站運行風(fēng)險概率為74.921％,風(fēng)險等級為Ⅰ級。

按照層次分析法和事故樹分析法基本原理及公式對大套第一抽水站進行風(fēng)險分析,經(jīng)計算得到大套第一抽水站運行風(fēng)險概率為74.89％,大于60％,風(fēng)險等級為Ⅰ級,與系統(tǒng)計算結(jié)果相差甚微(計算精度達(dá)10萬分之一),表明系統(tǒng)分析與處理結(jié)果滿足使用要求。根據(jù)大套第一抽水站安全鑒定結(jié)果,綜合評定大套第一抽水站為四類泵站,系統(tǒng)計算結(jié)果表明大套第一抽水站風(fēng)險等級為Ⅰ級,處于危險狀態(tài),與安全鑒定結(jié)論一致。

圖5 計算結(jié)果輸出

5 結(jié) 語

通過泵站運行風(fēng)險事故樹分析模型、底事件風(fēng)險度計算、泵站各組成部分的權(quán)重計算以及計算結(jié)果輸出4個模塊來實現(xiàn)泵站工程風(fēng)險評估輔助系統(tǒng)的開發(fā),達(dá)到獲得頂事件發(fā)生概率及判定風(fēng)險等級的最終目標(biāo)。以大套第一抽水站為例,運用所開發(fā)的系統(tǒng),通過人機交互方式錄入相關(guān)數(shù)據(jù)后,對該泵站的風(fēng)險水平做出了較客觀的評價。該系統(tǒng)包含了泵站工程各主要組成部分,用戶可根據(jù)工程實際情況進行選擇性輸入,具有較好的通用性;計算精度可達(dá)10萬分之一,能滿足泵站工程風(fēng)險評估需求,在取得基本資料后,能較快地實現(xiàn)泵站工程的風(fēng)險評估。系統(tǒng)頂事件概率計算和風(fēng)險等級判別結(jié)果與實際計算結(jié)果一致,表明該系統(tǒng)具有可應(yīng)用性。

[1]逄輝,高永昕.分析我國大型灌溉排水泵站存在的主要問題和更新改造的必要性[J].黑龍江水利科技,2010, 38(1):135-136.(Hui Pang.Analysis of main problems and renovation necessity in large irrigation and drainage pumping station in China[J].Heilongjiang Science and Technology of Water Conservancy,2010,38(1):135-136. (in Chinese))

[2]余建星.工程風(fēng)險評估與控制[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2009.

[3]郝祥琪,黨志良,楊世雷.層次分析法在建筑熱水供應(yīng)系統(tǒng)評價中的應(yīng)用[J].西南給水,2008,30(2):28-29. (HAO Xiangqi,DANG Zhiliang,YANG Shilei.Analytic hierarchy process in building hot water supply system of the application of the evaluation[J].Southwest Water＆ Wastewater,2008,30(2):28-29.(in Chinese))

[4]凡勇.層次分析法在飛機維修不安全事件影響因素評價中的應(yīng)用[J].航空維修與工程,2012(1):91-92.(FAN Yong.Evaluation of unsafe incidents influence factors in aircraft maintenance based on analytic hierarchy process [J].Aviation Maintenance＆Engineering,2012,(1):91-92.(in Chinese))

[5]王文才,岑旺,巴蕾.礦山冒頂片幫災(zāi)害事故樹分析[J].金屬礦山,2010(3):142.(WANG Wencai,CEN Wang, BA Lei.Fault tree analysis of Roof falling accident in Mine [J].Metal Mine,2010(3):142.(in Chinese))

[6]BOSSCHE A.Computer-aided fault tree synthesis[J]. Reliability Engineering and System Safety,1991,33:217-241.

[7]ENGELHARDT M,BAIN L J.On the mean time between failure for repairable system[J].IEEE Transactions on Reliability,1986,35(4):419-422.

[8]曹云.堤防風(fēng)險分析及其在板橋河堤防中的應(yīng)用[D].南京:河海大學(xué),2005.

[9]梅亞東,談廣鳴.大壩防洪安全評價的風(fēng)險標(biāo)準(zhǔn)[J].水電能源科學(xué),2002,20(4):8-9.(MEI Yadong,TAN Guangming.Risk criteria for assessment of dam hydrological safety[J].International Journal Hydroelectric Energy, 2002,20(4):8-10.(in Chinese))

Development and application of a risk assessment system for pumping stations

//CAO Qiulin1,WANG Xinghua2, ZHOU Fengqiang2(1.College of Hydraulic Science and Engineering,Yangzhou University,Yangzhou225009,China; 2.Wuxi Hydraulic Engineering Design and Research Institute Co.Ltd.,Wuxi214000,China)

To satisfy the needs of risk analysis for pumping stations,a risk assessment system for pumping stations was developed based on Visual Basic programming language by adopting the methods of analytic hierarchy process(AHP)and the fault tree analysis(FTA).The system consists of four modules,the FTA model of running risk,the risk degree analysis of basic events,the weighting calculation for each part of the pumping station,and the output of the calculated results.The intuitive,convenient and efficient calculation of pumping station running risk probability as well as determination of the risk level can be realized by this system.The system was applied to the risk assessment of the Datao First Pumping Station.The results suggest that the operating risk probability of the pumping station is 74.921％,and its risk degree is I-level.The results agree with the computed results which indicate that the system has good applicability.

pumping station;risk assessment;risk probability;risk degree;system development;the Datao Fist Pumping Station

10.3880/j.issn.10067647.2013.05.018

TV675

A

10067647(2013)05007705

20121012 編輯:熊水斌)

江蘇省高校自然科學(xué)研究基金(10KJD57001)

曹邱林(1965—),男,江蘇南通人,副教授,博士,主要從事水工建筑物安全評價與計算分析研究。E-mail:cqlshy@163.com