基于指數(shù)變權(quán)的水電站施工安全現(xiàn)狀可拓評價*

鄭霞忠，朱 煒，張 明

(1.三峽大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院，湖北 宜昌 443002； 2. 三峽大學(xué) 安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化評審中心，湖北 宜昌 443002)

0 引言

水電站施工環(huán)境具有地質(zhì)條件復(fù)雜、施工環(huán)境惡劣、危險因素眾多等特點(diǎn)，安全事故時有發(fā)生[1]。國家對水電工程施工安全越來越重視，要求企業(yè)能有效辨識安全隱患、實(shí)現(xiàn)環(huán)境監(jiān)察并持續(xù)改進(jìn)[2-3]。因此，開展安全現(xiàn)狀評價對于降低水電站施工安全風(fēng)險、提升安全管理水平具有重要意義。

安全現(xiàn)狀研究是建設(shè)安全管理的重要部分，國內(nèi)外學(xué)者對安全評價方法進(jìn)行了系列研究。狄建華等[4]根據(jù)安全評價等級之間的模糊性，運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)理論提出了一種定量化的多級綜合評判方法，為建筑工程安全評價提供了參考；Javanbarg等[5]耦合模糊理論與層次分析法，將專家的比較判斷轉(zhuǎn)化成模糊數(shù)，為多準(zhǔn)則決策提出新的研究方法；張煒等[6]基于水電工程施工特點(diǎn)，引入模糊數(shù)學(xué)理論，建立了水電工程質(zhì)量評估模型，對堤防加固工程進(jìn)行了模糊綜合評價分析。然而，以上方法在確定評價指標(biāo)權(quán)重時較依賴于專家的主觀經(jīng)驗(yàn)與判斷，會影響評判結(jié)果的準(zhǔn)確性。針對這一現(xiàn)狀，鄭霞忠等[7]采用結(jié)構(gòu)熵權(quán)法降低人為主觀性的影響，確定安全指標(biāo)權(quán)重；Zhao等[8]在層次分析法的基礎(chǔ)上，引入信息熵理論，綜合考慮主客觀權(quán)重的影響，并結(jié)合滑坡災(zāi)害風(fēng)險進(jìn)行敏感性評價。此類方法雖能在某種程度上增強(qiáng)指標(biāo)賦權(quán)的客觀性，但與客觀理論的結(jié)合還需進(jìn)一步探討。

上述研究方法為安全評價提供了參考，但較少考慮評價指標(biāo)之間的內(nèi)在聯(lián)系，且在確定指標(biāo)權(quán)重時如何降低主觀性較強(qiáng)的問題還有待論證。鑒于此，筆者在可有效考慮指標(biāo)間相互作用的物元可拓模型[9]基礎(chǔ)上，融合變權(quán)理論[10-11]，修正物元可拓法權(quán)重，以增強(qiáng)指標(biāo)賦權(quán)的客觀性，從而構(gòu)建基于指數(shù)變權(quán)的物元可拓的水電站施工安全現(xiàn)狀評價模型，運(yùn)用貼近度準(zhǔn)則評判施工安全現(xiàn)狀的合格性。

1 水電站施工安全現(xiàn)狀評價指標(biāo)體系及評價標(biāo)準(zhǔn)

水電工程具有項(xiàng)目規(guī)模大、施工條件復(fù)雜等特征。影響施工安全因素較多，評價指標(biāo)的選取需要從全面性、科學(xué)性、目的性等方面綜合考慮。本文將針對水電站施工的安全管理現(xiàn)狀，結(jié)合水電站施工安全事故實(shí)際特點(diǎn)，依據(jù)《安全評價通則》(AQ 8001-2007)[12]，并參照相關(guān)研究成果[13-15]，建立場址、施工總布置、道路及運(yùn)輸、輔助生產(chǎn)設(shè)施、作業(yè)安全、施工設(shè)備、安全管理行為、職業(yè)健康安全8大方面、涵蓋47個指標(biāo)的水電站施工安全現(xiàn)狀評價指標(biāo)體系及安全現(xiàn)狀評價等級，指標(biāo)體系構(gòu)建如圖1所示。

結(jié)合構(gòu)建指標(biāo)體系的相關(guān)研究成果，設(shè)置水電站施工安全現(xiàn)狀評價的安全等級域U={Uj,j=1,2,3,4}，具體如表1所示。

表1 安全現(xiàn)狀評價等級Table 1 Evaluation level of safety status

2 安全現(xiàn)狀評價模型構(gòu)建

2.1 評價權(quán)重確定

變權(quán)是對立于常權(quán)提出的，常權(quán)在實(shí)際運(yùn)用中能直接考慮事物之間基本目標(biāo)的相對優(yōu)度，具有一定的合理性而被廣泛應(yīng)用。若指標(biāo)權(quán)重向量始終保持固定不變，對目標(biāo)組態(tài)難以確定起到良好的制約效果。水電工程評價指標(biāo)權(quán)重確定過程中多數(shù)運(yùn)用專家打分法，主要根據(jù)傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)意識對安全指標(biāo)賦予權(quán)重，較少考慮客觀情況下評價指標(biāo)之間的相互影響。為此，引入變權(quán)理論不僅對各指標(biāo)間的相對重要程度進(jìn)行分析，還考慮了目標(biāo)關(guān)于指標(biāo)向量的一致性組態(tài)，避免某一指標(biāo)狀態(tài)突變對整體結(jié)果的影響，能進(jìn)一步突出相關(guān)因素指標(biāo)的重要程度。

2.1.1 變權(quán)定義

設(shè)X=(x1,x2,…xn)表示因素狀態(tài)向量。

定義1：1組變權(quán)是指n個映射wj(j=1,2,…,n):[0,1]n→[0,1]；(x1,x2…,xn)wj(x1,x2…,xn)滿足：

2)連續(xù)性：wj(x1,x2，…,xn)(j=1,2,…,n)關(guān)于每個變元連續(xù)；

3)單調(diào)性：wj(x1,x2,…,xn)(j=1,2,…,n)關(guān)于變元xj單調(diào)減少(懲罰性)或增長(激勵性)。

記W(X)=(w1(X),w2(X),…,wn(X))稱為1組(n維)可變權(quán)重向量。

定義2 ：1個n維懲罰型可變權(quán)重向量是指映射Si[0,1]n→[0,1]；XS(X)=(S1(X)，S2(X)…,Sn(X))滿足：

1)xi≥xj?Si(X)≤Sj(X)；

2)Sj(X)對每個變元連續(xù)(j=1,2,…,n)；

3)對任何常權(quán)向量W=(w1,w2，…,wn)滿足定義1中的性質(zhì)1)～3)如下：

(1)

式中：WS(X)=(w1S1(X),w2S2(X),…,wnSn(X))，稱為Hardarmard乘積。由定義2的條件1)可以看出，懲罰型可變權(quán)重向量使指標(biāo)因素的權(quán)重因狀態(tài)值的遞增而減少，對低水平因素作出懲罰，反映出因素均衡性在決策時的重要程度。

為減少評價指標(biāo)權(quán)重確定時的主觀因素，反映指標(biāo)在評價中的平等地位，對不變權(quán)重變量因素進(jìn)行一致性處理。運(yùn)用變權(quán)理論時，首先規(guī)定每個因素的權(quán)重恒定；然后為體現(xiàn)評估對象在綜合評估中的積極參與，狀態(tài)可變權(quán)向量由評估指標(biāo)的測量數(shù)據(jù)及其對應(yīng)節(jié)域決定，利用各評價指標(biāo)量值與對應(yīng)等級區(qū)間的離差指數(shù)在整個指數(shù)和中所占比重確定相應(yīng)權(quán)重。

圖1 水電站施工安全現(xiàn)狀評價指標(biāo)體系Fig.1 Evaluation index system of hydropower station construction safety status

2.1.2 構(gòu)造指數(shù)狀態(tài)變權(quán)向量

實(shí)現(xiàn)可變權(quán)重的核心是狀態(tài)可變權(quán)重向量的選擇和構(gòu)造。應(yīng)對各種可變向量的特征進(jìn)行度量，并充分考慮均衡性對評價結(jié)果的影響。指數(shù)型[16-17]狀態(tài)變權(quán)向量發(fā)散程度較大、模型適用能力較強(qiáng)，因此，本文基于變權(quán)理論，并參照定義2相關(guān)要求，構(gòu)造狀態(tài)可變權(quán)重向量S(Yi)=(S1(Y1),S2(Y2),…,Sn(Yi))如下：

S(Yi)=exp(αei(k))

(2)

ei(k)=di,max(k)-di,min(k),
i=1,2,…n;k=1,2,…m

(3)

di,max=max{|vi-aip|,|bip-vi|}

(4)

di,min=min{|vi-aip|,|bip-vi|}

(5)

式中：ei(k)為第i指標(biāo)中第k下級指標(biāo)與相應(yīng)等級區(qū)間的離差；為使評價效果更好體現(xiàn)各指標(biāo)要素的實(shí)際狀況，充分反映人們對指標(biāo)的均衡性要求，在分析評價指標(biāo)權(quán)重時引入懲罰型因子，取α=-1；aip，bip分別為對應(yīng)節(jié)域的上下限。

2.1.3 計算評價指標(biāo)權(quán)重

依照定義2，通過指標(biāo)常權(quán)向量W和指標(biāo)的狀態(tài)變權(quán)向量S(Yi)，計算獲得評價指標(biāo)的變權(quán)向量W(Yi)：

(6)

即：

(7)

式中：W(Yi)結(jié)合了專家對指標(biāo)的主觀評分、評價各指標(biāo)間的相互聯(lián)系及客觀要求，并隨指標(biāo)值的變化而變化。

2.2 改進(jìn)的可拓評價模型

傳統(tǒng)可拓評價方法中存在主觀賦權(quán)性較強(qiáng)的問題，在測度評價指標(biāo)關(guān)聯(lián)函數(shù)值時，當(dāng)重要指標(biāo)實(shí)測數(shù)據(jù)超出節(jié)域規(guī)定界限，會引起最大隸屬度失效，影響評價結(jié)果的準(zhǔn)確度[18]。本文基于變權(quán)理論確定各指標(biāo)的權(quán)重，減小指標(biāo)權(quán)重賦權(quán)時的主觀性，并通過貼近度函數(shù)修正最大隸屬度，最大限度融合考慮待評物元之間內(nèi)在聯(lián)系。

2.2.1 經(jīng)典域、節(jié)域及待評物元的確定

為對水電站施工安全現(xiàn)狀進(jìn)行準(zhǔn)確評價，按照安全等級區(qū)域?qū)唧w環(huán)境下各經(jīng)典域和節(jié)域進(jìn)行確立。其中，經(jīng)典域基于安全水平劃分為4個區(qū)域。評價物元為：

(8)

(9)

式中：U表示評價等級水平；ajn，bjn與aUn，bUn分別為經(jīng)典域與節(jié)域的上限和下限；Vj和VU表示為C關(guān)于等級U所確定的數(shù)值范疇。

對于第i個待評的一級指標(biāo)，其評價物元為：

(10)

式中：vik為N關(guān)于cik的數(shù)量值，即為分析待估事物的結(jié)果。

2.2.2 多級可拓評價

為準(zhǔn)確確定待評估對象所屬安全等級，引入貼近度公式：

(11)

(12)

式中：Kj(N)為貼近度；Dj(Vi)為第i個評價對象與經(jīng)典域j的距離；wi(x)為權(quán)重。

K(N)=w(i)×Kj(Bi)

(13)

式中：w(i)代表各指標(biāo)權(quán)重行向量；Kj(Bi)代表對應(yīng)危險等級貼近度。

(14)

(15)

式中：j*為待評對象的等級變量特征值，表示評價對象在相鄰等級中的臨近程度。

3 模型應(yīng)用

某水電站位于四川省內(nèi)，壩高295 m，裝機(jī)容量300萬kW，壩址流域控制面積約6.57萬km2，占全部的48%左右。其中流量全年約211億m3，具有一定的可調(diào)節(jié)能力?，F(xiàn)針對該水電站施工環(huán)境的安全現(xiàn)狀，進(jìn)行物元可拓評價，以驗(yàn)證該方法的合理性。

3.1 安全現(xiàn)狀指標(biāo)權(quán)重確定

依據(jù)變權(quán)理論和貼近度原則，利用式(1)～(7)計算水電站施工安全現(xiàn)狀的待評指標(biāo)的相關(guān)權(quán)重，結(jié)果見表2。

據(jù)一級指標(biāo)權(quán)重大小排序C8>C5>C1>C6>C7>C4>C3>C2可知，廠址信息(C1)、作業(yè)安全(C5)、職業(yè)健康安全(C8)為當(dāng)前影響水電站施工安全現(xiàn)狀的主要因素，據(jù)二級指標(biāo)得分結(jié)果及相應(yīng)權(quán)重分析，可知交通運(yùn)輸條件(C14)、作業(yè)行為(C52)、機(jī)構(gòu)與人員(C82)等安全影響性較高，施工過程中應(yīng)加強(qiáng)交通小組的管轄以及人員行為的安全教育。

3.2 多級可拓評價

依據(jù)公式(11)～(13)計算待評估對象的等級貼近度如表3所示。

表2 待評指標(biāo)權(quán)重Table 2 Weight of evaluation index

表3 各一級指標(biāo)貼近度Table 3 Close values of level 1 indexes

3.3 對比分析

本文采用指數(shù)變權(quán)的方式與可拓評價相結(jié)合，與傳統(tǒng)常權(quán)以及熵權(quán)法確定權(quán)重相比如圖2所示。3種權(quán)重確定方法對水電站安全現(xiàn)狀等級評價結(jié)果分別為2.23，2.39，2.42，整體安全等級都為合格，但在具體指標(biāo)權(quán)重賦予方面，熵權(quán)法及變權(quán)方法都對初始權(quán)重進(jìn)行了調(diào)整，考慮了評價指標(biāo)之間的內(nèi)在聯(lián)系。其中，熵權(quán)法與變權(quán)法的一級指標(biāo)等級特征值變化規(guī)律一致，相比常權(quán)法更加反應(yīng)了重要指標(biāo)安全影響程度。因此，采用主觀和客觀相結(jié)合的賦權(quán)方法可合理評價指標(biāo)的相關(guān)程度，進(jìn)一步驗(yàn)證指數(shù)變權(quán)法的有效性。

4 敏感性分析

為具體分析某一指標(biāo)因素對安全現(xiàn)狀等級的影響，調(diào)整待評價指標(biāo)實(shí)測值并作敏感性分析，以期為改善水電站施工安全現(xiàn)狀提供依據(jù)。其變化范圍分別為±10%，-20%，-30%，-40%，圖2～5表示一級指標(biāo)變化對指標(biāo)權(quán)重和等級變量特征值的影響。

圖2 一級指標(biāo)等級特征值對比分析Fig.2 Comparison and analysis of the characteristic value of thethe first grade index grade

圖3 一級指標(biāo)得分改變時權(quán)重變化Fig.3 Weight change graph of level 1 index change

圖4 指標(biāo)得分同時改變時j*值變化Fig.4 Value of j* vs variation in level indexes

圖5 一級指標(biāo)得分改變時j*值變化Fig.5 Value of j* vs variation in level 1 indexes

圖6 重點(diǎn)一級指標(biāo)中二級指標(biāo)得分變化時j*值變化Fig.6 Value of j* vs variation in important level 2 indexes

從圖3可以看出，C8,C2,C3,C4,C5,C7對指標(biāo)權(quán)重影響較大。在實(shí)測值從-40%向10%逐漸變化時，C2,C3,C4,C7的權(quán)重呈直線下降，在20%后開始趨于平穩(wěn)；C8,C5,C1的權(quán)重先呈直線上升，再有所下降，后趨于平穩(wěn)；C6的權(quán)重基本保持不變。可見，實(shí)測值產(chǎn)生變化后指標(biāo)權(quán)重也會隨之改變，進(jìn)而影響綜合評價。從圖4可以看出，當(dāng)所有指標(biāo)同時增大，j*一直增大，其中在實(shí)測值從-10%向10%變化時，j*呈直線上升，表明該水電站施工安全現(xiàn)狀具有一定的改善空間。

由圖5可知，安全等級特征值j*浮動在2.09到2.87之間，整體變化幅度較大。當(dāng)C1，C2，C4，C5，C7的值逐漸增大，j*值變化跨度很??；隨著C6，C3，C8的值逐漸上升時，等級特征值變化跨度較大，可知C6，C3，C8為該水電站施工安全現(xiàn)狀重點(diǎn)考慮因素對象。繼續(xù)對3個一級指標(biāo)進(jìn)行二次分析，從圖6可知，隨著C31，C32，C62，C61，C81的變化，對應(yīng)的等級變量特征值j*變化幅度較大；在C32，C62，C61，C63的實(shí)測值從0處向10%遞增時，對應(yīng)等級變量特征值上升幅度顯著，即可從這4個影響指標(biāo)著手，對目前水電站施工安全現(xiàn)狀水平作進(jìn)一步改善。

根據(jù)以上結(jié)果可知，從一級指標(biāo)分析來看，C6，C3，C8為該水電站安全現(xiàn)狀重點(diǎn)考慮因素；從二級指標(biāo)分析來看，場內(nèi)運(yùn)輸(C32)、設(shè)備使用(C62)、設(shè)備基礎(chǔ)(C61)、設(shè)備安裝拆除(C63)為該水電站施工安全現(xiàn)狀評價的關(guān)鍵敏感性因素。

5 結(jié)論

1)基于變權(quán)理論，減少了傳統(tǒng)物元可拓評價中指標(biāo)賦權(quán)的主觀性。采用貼近度準(zhǔn)則替代最大隸屬度準(zhǔn)則，結(jié)合待評估物元指標(biāo)的貼近度和權(quán)重，提出了改進(jìn)的多級可拓評價方法，進(jìn)而確定水電站施工安全現(xiàn)狀。

2)分析了水電站施工安全現(xiàn)狀，計算安全等級為2級，表明此工程在實(shí)際情況中安全現(xiàn)狀合格。依據(jù)敏感性分析，找出道路及運(yùn)輸、施工設(shè)備、職業(yè)健康安全等3個關(guān)鍵性敏感因素，為當(dāng)前水電站施工安全現(xiàn)狀改善提供參考。

3)項(xiàng)目施工狀況是不斷持續(xù)變化的，本文僅對水電站當(dāng)前施工環(huán)境下的安全現(xiàn)狀進(jìn)行評價，今后將從動態(tài)評價方面進(jìn)行研究，為實(shí)時對施工風(fēng)險管控提供建議。