流域梯級(jí)電站群運(yùn)行安全風(fēng)險(xiǎn)動(dòng)態(tài)評(píng)估模型研究

王勇飛，吳震宇，張 瀚，張 康

(1.國(guó)電大渡河流域水電開發(fā)有限公司，四川成都610041;2.四川大學(xué)水利水電學(xué)院，四川成都610065)

0 引 言

我國(guó)水電資源主要集中在十三大水電基地，除怒江外均已形成了大規(guī)模的流域梯級(jí)電站群。流域地形地質(zhì)條件復(fù)雜、地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，站群壩高庫(kù)大、裝機(jī)規(guī)模大，其運(yùn)行安全涉及國(guó)計(jì)民生，流域梯級(jí)電站群安全風(fēng)險(xiǎn)管控的重要性日益凸顯。目前安全風(fēng)險(xiǎn)管控研究主要集中在食品[1]、水源[2]、煤礦[3- 5]、鋼鐵[6]、核電[7]和化工[8]等領(lǐng)域，水電行業(yè)主要集中在單站的建設(shè)和運(yùn)行安全方面，流域梯級(jí)電站群安全風(fēng)險(xiǎn)管控研究尚處于起步階段。

1 流域梯級(jí)站群運(yùn)行安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系構(gòu)建

1.1 構(gòu)建方法

流域梯級(jí)站群運(yùn)行安全是多維度多元素的復(fù)雜耦合體系，評(píng)估涉及安全、環(huán)境、健康、社會(huì)等諸多內(nèi)容。通過大數(shù)據(jù)分析電站安全生產(chǎn)過程中能夠?qū)е氯藛T傷亡、設(shè)備設(shè)施破壞、財(cái)產(chǎn)損失及環(huán)境破壞的潛在風(fēng)險(xiǎn)，結(jié)合風(fēng)險(xiǎn)的3個(gè)組成要素(風(fēng)險(xiǎn)、觸發(fā)事件、后果)，從目標(biāo)、原因和后果相統(tǒng)一出發(fā)，構(gòu)建以“過去-現(xiàn)在-將來”為時(shí)間維度，以風(fēng)險(xiǎn)覆蓋所管轄的全部地理區(qū)域和行政轄區(qū)為空間維度，考慮安全隱患、安全風(fēng)險(xiǎn)等外在因素，并以人、機(jī)、料、法為內(nèi)在基本要素的流域梯級(jí)群運(yùn)行安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型。

1.1.1 時(shí)間維度

(1)過去：以前發(fā)生的事故和使用過的設(shè)備材料等的持續(xù)影響。

(2)現(xiàn)在：來自當(dāng)前“人-機(jī)-環(huán)”三方面安全風(fēng)險(xiǎn)所造成的影響。

(3)將來：有計(jì)劃但尚未實(shí)施的活動(dòng)和項(xiàng)目將要造成的影響。

1.1.2 空間維度

流域梯級(jí)電站群所轄范圍內(nèi)的地面、水庫(kù)、大壩、營(yíng)地、廠房等區(qū)域和行政區(qū)域。

1.1.3 外在要素

(1)工程環(huán)境：含庫(kù)壩、機(jī)組等要素的工程安全環(huán)境。

(2)自然環(huán)境：含氣候、地理、災(zāi)害等因素的自然條件。

(3)社會(huì)環(huán)境：含政治、經(jīng)濟(jì)、法制文化環(huán)境等因素的社會(huì)條件。

1.1.4 內(nèi)在因素

(1)人：場(chǎng)所內(nèi)所有人員的活動(dòng)。

(2)機(jī)：區(qū)域內(nèi)的所有基礎(chǔ)設(shè)施、設(shè)備、裝置、工作、材料和廢棄物所具有的風(fēng)險(xiǎn)。

(3)料：流域站群安全建設(shè)、生成、運(yùn)行所使用的原材料。

(4)法：流域站群安全建設(shè)、生成、運(yùn)行所涉及的生產(chǎn)及操作方法。

1.2 構(gòu)建原則

(1)全面性和概括性相結(jié)合。指標(biāo)選擇盡可能涵蓋所有可能出現(xiàn)的問題，風(fēng)險(xiǎn)排查自下而上，涵蓋生產(chǎn)、生活和辦公等所有責(zé)任區(qū)，以及“人、機(jī)、料、法、環(huán)”等所有因素。同時(shí)抓住主要的關(guān)鍵性指標(biāo)，避免指標(biāo)間的交叉、重復(fù)。

(2)系統(tǒng)性和層次性相結(jié)合。建立的指標(biāo)體系充分考慮站群安全多維多元素復(fù)雜模型時(shí)空中各因素間相互影響、制約作用。以及不同層次上進(jìn)行指標(biāo)分類。

(3)定量和定性相結(jié)合。選擇可量化指標(biāo)，難以量化的重要指標(biāo)可進(jìn)行定性分類評(píng)價(jià)。

(4)動(dòng)態(tài)和靜態(tài)相結(jié)合。指標(biāo)體系既要反映流域電站群當(dāng)前的安全狀況，又要反映安全的發(fā)展過程。系統(tǒng)評(píng)價(jià)著眼當(dāng)前，結(jié)合過去，考慮將來，全面準(zhǔn)確度量電站群安全風(fēng)險(xiǎn)。

(5)科學(xué)性與可比性相結(jié)合。注重與國(guó)內(nèi)外、省內(nèi)外、區(qū)域間的可對(duì)比性，以及不同工程之間的比對(duì)。

(6)可行性和可操作性相結(jié)合。充分考慮到數(shù)據(jù)資料的來源，每一項(xiàng)指標(biāo)要有代表性，盡可能采用國(guó)際統(tǒng)一的單位數(shù)據(jù)。同時(shí)，指標(biāo)體系中的指標(biāo)內(nèi)容應(yīng)簡(jiǎn)單明了，容易理解，避免指標(biāo)體系龐雜，無法操作。

1.3 多因子全要素指標(biāo)體系

基于構(gòu)建的多維因素指標(biāo)模型，結(jié)合上述指標(biāo)篩選的方法與評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建原則，考慮事故發(fā)生的可能性、人員暴露于危險(xiǎn)環(huán)境中的頻繁程度、一旦發(fā)生事故可能造成的后果，結(jié)合“人、機(jī)、料、法、環(huán)”全要素進(jìn)行關(guān)聯(lián)疊加，區(qū)分靜、動(dòng)態(tài)變化，建立了建筑物、工器具、設(shè)備、材料與物質(zhì)、工作活動(dòng)、火災(zāi)、環(huán)境、職業(yè)健康、治安九大類風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)，以及其指標(biāo)下的19 674個(gè)刻度指標(biāo)，主要包括建筑物危害因素1 070項(xiàng)，工器具危害因素927項(xiàng)、設(shè)備危害因素2 960項(xiàng)、材料及物質(zhì)危害因素478項(xiàng)、工作活動(dòng)危害因素12 175項(xiàng)、火災(zāi)危害因素1 542項(xiàng)、環(huán)境危害因素170項(xiàng)、職業(yè)健康危害因素308項(xiàng)、治安危害因素44項(xiàng)。

2 多因子全要素安全風(fēng)險(xiǎn)動(dòng)態(tài)評(píng)估模型

2.1 模型構(gòu)建

基于“人、機(jī)、料、法、環(huán)”風(fēng)險(xiǎn)因素，風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)的不確定性熵權(quán)，事故發(fā)生可能性、事故后果嚴(yán)重度、人員在危險(xiǎn)環(huán)境中暴露率等風(fēng)險(xiǎn)因子的動(dòng)態(tài)變化，構(gòu)建了流域梯級(jí)電站群多因子全要素風(fēng)險(xiǎn)動(dòng)態(tài)評(píng)估模型見式(1)。

(1)

式中，t為時(shí)間參數(shù)；wj、wti、wmi、wpij、wqij和wbij為不同類別風(fēng)險(xiǎn)的權(quán)重，采用動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)不確定性熵權(quán)模型獲得(詳見2.2)；Rj為固有風(fēng)險(xiǎn)；α為梯級(jí)電站之間的風(fēng)險(xiǎn)傳遞因子，反映上游梯級(jí)電站發(fā)生的安全事故對(duì)下游梯級(jí)電站建筑物等方面風(fēng)險(xiǎn)的增大效應(yīng)，風(fēng)險(xiǎn)傳遞因子(α≥0)可通過專家估計(jì)賦值；Rti(t)為第i次兩票作業(yè)的工器具類風(fēng)險(xiǎn)；Rmi(t)為第i次兩票作業(yè)的材料與物質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)；Rpi1(t)為第i次兩票作業(yè)的人員因素風(fēng)險(xiǎn)；Rpi2(t)為第i次兩票作業(yè)的設(shè)備設(shè)施造成的人員風(fēng)險(xiǎn)；Rpi3(t)為第i次兩票作業(yè)的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境造成的人員風(fēng)險(xiǎn)；Rpi4(t)為第i次兩票作業(yè)的作業(yè)過程造成的人員風(fēng)險(xiǎn)；Rpi5(t)為第i次兩票作業(yè)的防護(hù)用品降低的人員風(fēng)險(xiǎn)，為負(fù)值；Rqi1(t)為第i次兩票作業(yè)的作業(yè)性質(zhì)類風(fēng)險(xiǎn)；Rqi2(t)為第i次兩票作業(yè)的作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)；Rbij(t)為第i次兩票作業(yè)的第j次安全違章風(fēng)險(xiǎn)；ki為人員數(shù)量加權(quán)值，取值見表1；n為兩票作業(yè)數(shù)；m為違章次數(shù)。式(1)中各項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)值計(jì)算見式(2)。

R=P×S×E

(2)

式中，P為風(fēng)險(xiǎn)事件出現(xiàn)的可能性；S為風(fēng)險(xiǎn)事件出現(xiàn)后造成的有害后果嚴(yán)重程度；E為人、機(jī)和環(huán)境暴露于特定危險(xiǎn)的范圍和程度，具體取值見表2。

表1 人員數(shù)量加權(quán)值

2.2 動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)不確定性熵權(quán)模型

基于專家可信度的不確定性方法，通過相似度和差異度計(jì)算矩陣的可信度，計(jì)算獲取不確定型權(quán)向量[ω1]，利用智能安全風(fēng)險(xiǎn)感知技術(shù)獲取風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估基礎(chǔ)大數(shù)據(jù)，按照梯級(jí)電站群安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系對(duì)信息分類，提取流域電站群風(fēng)險(xiǎn)變化動(dòng)態(tài)信息熵權(quán)向量[ω2(t)]，以動(dòng)態(tài)熵權(quán)向量為驅(qū)動(dòng)，最終確定流域梯級(jí)站群動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)不確定性熵權(quán)[ω]，實(shí)現(xiàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重隨著流域風(fēng)險(xiǎn)安全動(dòng)態(tài)變化而進(jìn)行相應(yīng)的自我迭代演進(jìn)。

其中，[D]={d1,d2,…,dn}=[ω2]tdiag{[ω1]}diag-1{[ω2]t-1}。式中，[ω1]為專家可信度不確定性權(quán)重向量；[ω2]為信息熵權(quán)重，[ω2]t表示指標(biāo)評(píng)價(jià)時(shí)間為t的信息熵權(quán)重；[D]為熵權(quán)動(dòng)態(tài)修正矩陣，該矩陣是綜合考慮層次分析法與信息熵模型之間的片面性、不確定性以及實(shí)時(shí)性之后所得；‖D‖t表示[D]的范數(shù)。

表2 P、S、E取值

目前基于信息熵理論的模型研究很多，但大多數(shù)信息熵僅考慮了信息的波動(dòng)程度，未考慮波動(dòng)范圍，現(xiàn)實(shí)中信息在危險(xiǎn)狀態(tài)變化一般重要于在安全狀態(tài)波動(dòng)，因此提出以e指數(shù)為基數(shù)，相對(duì)最大值的信息熵改進(jìn)計(jì)算模型。

記一級(jí)指標(biāo)為C={c1,c2,…cn}，二級(jí)指標(biāo)記為cij，ci={ci1,ci2,…cin}，指標(biāo)cij下的信息熵按式(4)和式(5)計(jì)算。

(4)

式中，t為指標(biāo)評(píng)價(jià)時(shí)間段數(shù)；Cijk表示二級(jí)指標(biāo)cij的隸屬度值；Yijk(k=1,2,…,m)為原始指標(biāo)數(shù)據(jù)矩陣的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)矩陣；Hij為二級(jí)指標(biāo)cij的熵;Pij為二級(jí)指標(biāo)cij的標(biāo)準(zhǔn)化值在整個(gè)評(píng)價(jià)序列中的比重，并假定當(dāng)Pij=0時(shí)，Pijln(Pij)=0。

由信息熵Hij得到的評(píng)價(jià)指標(biāo)cij的動(dòng)態(tài)熵權(quán)，見式(6)，當(dāng)某指標(biāo)所對(duì)應(yīng)的事故經(jīng)常發(fā)生，或不穩(wěn)定，動(dòng)態(tài)熵權(quán)隨之變大，動(dòng)態(tài)熵權(quán)實(shí)質(zhì)反映了流域安全動(dòng)態(tài)的演進(jìn)過程。

(6)

3 應(yīng) 用

以大渡河流域梯級(jí)電站群為例，分別選取2017年3月21日15時(shí)32人檢修期作業(yè)、2017年8月6日15時(shí)26人運(yùn)行巡回為計(jì)算時(shí)刻，為簡(jiǎn)化計(jì)算演示評(píng)估模型效果，選取瀑布溝、深溪溝兩個(gè)相接的梯級(jí)電站對(duì)一級(jí)指標(biāo)和二級(jí)指標(biāo)進(jìn)行權(quán)重推求。具體見表3～4。

表3 一級(jí)指標(biāo)權(quán)重推求

根據(jù)推求的權(quán)重代入評(píng)估模型，分別得到風(fēng)險(xiǎn)值329.63、278.12。結(jié)果表明：前者安全風(fēng)險(xiǎn)大于后者安全風(fēng)險(xiǎn)，與現(xiàn)場(chǎng)安全風(fēng)險(xiǎn)現(xiàn)狀吻合，驗(yàn)證了模型的可行性與準(zhǔn)確性。

4 結(jié) 論

(1)構(gòu)建了以“過去-現(xiàn)在-將來”為時(shí)間維度，以風(fēng)險(xiǎn)覆蓋所管轄的全部地理區(qū)域和行政轄區(qū)為空間維度，考慮工程、自然、社會(huì)等外在環(huán)境因素，并以人、機(jī)、料、法為內(nèi)在基本要素的流域梯級(jí)群運(yùn)行安全風(fēng)險(xiǎn)管控架構(gòu)模型，建立了含9大類19 674個(gè)刻度指標(biāo)的多維度多因子全要素流域梯級(jí)站群運(yùn)行安全風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)體系。

(2)利用大數(shù)據(jù)技術(shù)提取信息特征，采用群組決策的不確定性模型，結(jié)合信息熵理論聯(lián)合給安全風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)進(jìn)行賦權(quán)的方法，該技術(shù)避免了傳統(tǒng)方法的主觀性強(qiáng)，又因?yàn)橐劳酗L(fēng)險(xiǎn)感知數(shù)據(jù)，因而能反映系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)變化性，使指標(biāo)權(quán)重的計(jì)算更具合理性與可靠性，提高了評(píng)判結(jié)果的可信度，與實(shí)際情況更加吻合。

(3)基于事故發(fā)生可能性、事故后果嚴(yán)重度、人員在危險(xiǎn)環(huán)境中暴露率等風(fēng)險(xiǎn)因子的動(dòng)態(tài)演化機(jī)理，考慮風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)的模糊性和認(rèn)知的不確定性，構(gòu)建了流域梯級(jí)電站群多因子全要素定量化風(fēng)險(xiǎn)動(dòng)態(tài)評(píng)估模型，其成果已在大渡河流域梯級(jí)電站群全面應(yīng)用，截止2018年2月28日實(shí)現(xiàn)大渡河流域梯級(jí)電站群連續(xù)安全生產(chǎn)4 566 d，解決了流域梯級(jí)電站群安全風(fēng)險(xiǎn)動(dòng)態(tài)變化和指標(biāo)存在不確定、模糊性情況下的風(fēng)險(xiǎn)實(shí)時(shí)定量評(píng)估問題，實(shí)現(xiàn)了流域梯級(jí)電站群風(fēng)險(xiǎn)實(shí)時(shí)預(yù)警預(yù)控。

表4 二級(jí)指標(biāo)權(quán)重推求