基于模糊概率的水利水電施工安全評估方法研究

張琳琳

(中國水利水電第十一工程局有限公司，河南 鄭州 450001)

自21世紀以來，我國就開始不停的修建水利水電工程，對水利水電建筑的投資也在與日增加。但是很多水力工程在施工時均具備一定的危險性，雖然現(xiàn)在的監(jiān)管力度較以往高出很多，但是仍然存在因監(jiān)管不力造成的施工人員傷亡事件，水利水電施工的監(jiān)管部門依舊擔負著巨大的壓力。導致施工危險的首要因素就是沒有一個準確的施工安全評級制度，以至于在各類施工中監(jiān)管者無法做到有的放矢，難以解決施工過程中大大小小的矛盾。一旦將施工的幾個步驟按照危險性評定等級，就可以有針對性的避免危險事項，或者在其中加大監(jiān)察力度。在現(xiàn)有的幾種安全評估方法中，文獻[1]建立了一種具備多種安全等級的評價指標，并在風險評估模型中使用了層次分析的方法，應(yīng)用于某項輸變電工程。該方法系統(tǒng)性地將施工風險分為人為因素、環(huán)境因素、機械器具因素、管理因素等四個方面，并分別評分。文獻[2]評價了不同地質(zhì)分類下的高速公路施工項目的風險，由于地質(zhì)條件十分復雜，導致該評估方法的評估指標也非常多，甚至其權(quán)重的計算也很困難，但是其中對于評價指標排序與權(quán)重系數(shù)的推薦非常具備代表性，可以在現(xiàn)場實驗中獲取較高的評估精度，該評估方法的缺點是只適用于地質(zhì)分類的評估，對其他分類標準很難具備推廣性。文獻[3]獲取了隧道施工安全性能的評估指標，將抵抗力、適應(yīng)力、恢復力3項重要屬性作為施工的評價體系，基于理想模糊物元，確定了評價等級。該方法將評估參數(shù)分為3個等級，通過等級的分類可以清晰地觀察到不同隧道施工階段的安全與否，是一項極具實用性的評估方法。

1 基于模糊概率算法設(shè)計水利水電施工安全評估方法

1.1 構(gòu)建水利水電施工事故樹

事故樹分析方法是一種可以通過結(jié)果推導過程的演繹方法，可以將具備一定可能性的事故分類通過一層一層的原因，從起始項開始尋找到可能的發(fā)生經(jīng)過，并將這些事故全部在分析中演繹出來，形成一個具備定性與定量分析作用的技術(shù)，可以廣泛地應(yīng)用于工作事故或儀器的故障處理中[4]。在事故樹的構(gòu)成中，通常有幾種符號，如圖1所示。

圖1 事故樹事件符號

矩形符號可以表示某事件的最上層，即需要繼續(xù)向下分析；圓形符號則代表某事件的基本原因，一般用于第二層符號；五邊形符號表示系統(tǒng)處于正常狀態(tài)下的符號，當該符號出現(xiàn)時則說明該階段未發(fā)生安全事故；菱形符號表示可以省略說明的符號，一般為該事件不清晰或難以說明的情況下出現(xiàn)[5]。在這幾個符號的基礎(chǔ)上對事件進行定量與定性的分析，可以通過公式：

(1)

式中，Ud(i)-該事故樹下某事件的定性分析結(jié)果，當Ud(i)大于1時，表明某因素為故障原因，當Ud(i)=0～1之間時，表明該因素不能明確故障原因，當Ud(i)小于0時，表明該因素為非故障原因；Pi(t)-該事故樹下某事件的定量分析結(jié)果，即該事故發(fā)生時，某因素的可用狀態(tài)參量；kp-基本事件k發(fā)生的概率；ni-該事故樹所具備的事故因素數(shù)量；Ui-基本事件的最小割集；Fi(t)-事故樹某零件的失效分布函數(shù)[6]。

通過以上公式，可以明確一個故障樹在水利水電施工安全評估中的根本分析指標。當通過定性方法分析得到該因素為危險因素時，可以直接利用定量分析方法獲取其量化值，量化值與頻度之間的關(guān)系見表1。

表1 事件發(fā)生量化指標

通過表1的量化指標，可以通過量化值加固對事故發(fā)生概率的理解，使只有較少人知道了解的知識可以便捷的傳輸?shù)狡渌四抢?，因此可以實現(xiàn)更為廣泛的應(yīng)用。同時，通過該指標還可以確定事故樹中由果導因的基本路線。

1.2 基于模糊概率獲取施工事故模糊算子

模糊概率算法可以直接將難以定量卻又不可回避的問題以更具權(quán)威性的方法顯示出來，在構(gòu)建比較矩陣的過程中，使用因子分析方法篩選水利水電施工評估指標[7]。這是需要比較所有指標的影響系數(shù)，以此作為每一層級中的比重，并獲取比較尺度計算不同目標的影響結(jié)果，最終獲取比較矩陣：

(2)

式中，當Hij大于0時，該矩陣表示單層次模型，但是當Hij小于0時，該矩陣表示多層次模型。且在通常情況下，i=j。

依據(jù)該比較矩陣，計算幾種模糊數(shù)的隸屬度，可以得到隸屬函數(shù)，如圖2所示。

圖2 隸屬度函數(shù)

由此可見在事故樹分析中，隸屬度函數(shù)在模糊度為0.5時達到最大值。其中存在兩種模糊算子，分別是或門模糊算子和與門模糊算子，用于重大危險事故發(fā)生的概率計算，其表達式分別為：

(3)

式中，Pio、Pan—或門模糊算子、與門模糊算子；pi—某事件發(fā)生的概率[8]。

由于事故樹分析方法難以被模糊化，因此在復雜的系統(tǒng)中需要使用如公式(3)所示的兩種模糊算子作為替代屬性，以得到某事故發(fā)生的真正概率。

1.3 建立施工安全評估模型

(4)

式中，nj、nj+1—兩個相鄰的水利水電施工風險層級；hi-1—評價模型中的危險等級。

根據(jù)以上方法，可以得到水利水電施工安全評估模型，并基于此獲取風險參數(shù)與風險等級。

2 實驗研究

2.1 建立施工危險層次模型

以某水利水電施工工程為例，判斷文中設(shè)計的安全評估方法的有效性。在水利水電施工過程中，如果發(fā)生意外，很容易造成人員傷亡以及巨大的財產(chǎn)損失，為保證施工的安全，需要根據(jù)科學全面的評價標準，制定安全評估指標。能夠?qū)е滤娛┕すこ坛霈F(xiàn)危險的因素有很多，包括施工人員自身的能力水平或機械檢修維護情況等，在結(jié)合實際水力水電施工工作的前提下，可以分層分析評價因素，形成一個梯階狀的層次模型，如圖3所示。

圖3 水利水電施工工程安全風險層次模型

水利水電施工工程安全評估的風險層次模型，在第二階梯主要分為4個分類，如圖3所示，分別是由施工人員帶來的風險、由工程所需物品帶來的風險、由管理漏洞帶來的風險、由自然環(huán)境帶來的風險，這四個風險種類可以基本涵蓋所有可能帶來風險的因素。在人的因素中，主要包括建設(shè)管理人員的管理能力不足、施工項目組的專業(yè)技術(shù)水平不足、施工工作人員身心不健康3項因素。在物的因素中，包括機械設(shè)備性能較差、機械設(shè)備安裝拆卸導致?lián)p壞、機械設(shè)備沒有按時檢修維護、原材料或中間產(chǎn)品沒有經(jīng)過檢驗等4項原因。在管理因素中，包括管理人員沒有制定安全管理制度、工作人員沒有按照規(guī)定的技術(shù)手段工作、施工工人沒有按照安全培育手冊上的過程施工、監(jiān)察者沒有及時現(xiàn)場檢查、事故應(yīng)急處理規(guī)范不準確等5項因素。在環(huán)境因素中，包括水文地質(zhì)條件惡劣、氣候條件不適合施工、施工現(xiàn)場作業(yè)條件不達標、市場經(jīng)濟環(huán)境不好等4項因素。

2.2 構(gòu)造判斷矩陣

結(jié)合本實驗的工程實例，依據(jù)圖3中的層次模型，可以分別得到B1、B2、B3、B44個判斷矩陣，見表2—5。

表2 B1層判斷矩陣

表3 B2層判斷矩陣

表4 B3層判斷矩陣

表5 B4層判斷矩陣

式中，CIn—某層次中數(shù)據(jù)的一致性指標，n—層次數(shù)量。

通過該指標的特征向量(即權(quán)重指標)計算如下：

(5)

式中，ai—下一層次的權(quán)重特征，hij—上一層次的權(quán)重特征。

最后依據(jù)以上兩個公式計算每個矩陣的單層次一致性，在總排序下，計算公式為：

(6)

式中，CRn—矩陣中某個層次的一致性概率，當CRn小于0.1時，表明該層次滿足一致性目標；ai—該層次中某一特征指標；CIn—該層次的一致性指標；RIn—該指標的風險因子。

基于以上方法，檢驗評估權(quán)重是否滿足一致性要求。

2.3 施工風險模糊概率評估

在本施工實例中，該水利水電施工共分為4個階段，在每一個階段中，均可以通過以上方法得到判斷矩陣與權(quán)重指標，并計算風險參數(shù)[10]。風險參數(shù)與風險因子、風險等級之間的關(guān)系如圖4所示。

圖4 風險指標判定

由圖4知，風險因子的區(qū)間為0.6～1.0，風險參數(shù)則主要分為5個等級，分別為[0，0.2]，[0.2，0.4]，[0.4，0.6]，[0.6，0.8]，[0.8，1.0]。通過5個風險參數(shù)的等級，得到相對應(yīng)的5個風險等級，分別為極低、低、中、高、極高。據(jù)此在4個階段的工程中，分別計算16個項目的風險參數(shù)，見表6。

表6 風險指標評價

由表可看出在基于模糊概率的施工安全評估方法中，大多數(shù)的風險參數(shù)均小于0.6，即風險等級處于極低、低、中3個等級中間。只有C5項目的第一階段、C8項目的第二和第三階段、C12項目的第四階段、C14項目的第二階段風險參數(shù)在0.6～0.8之間，其風險等級為高。通過以上數(shù)據(jù)可知，本文設(shè)計的評估方法可以直觀地得到任意階段、任意項目的安全性，工作人員可以據(jù)此完善自身的安全防護工作，極大程度上提升了施工人員的生命安全[11]。

3 結(jié)語

由于近些年來我國水利工程規(guī)模的增大，在水力工程建設(shè)領(lǐng)域的安全問題已經(jīng)刻不容緩，為解決該問題，本文設(shè)計了一種基于模糊概率的水利水電施工安全評估方法，可以較為準確地評估施工過程中的風險因素與風險等級，并使得安全員能夠有意識地進行安全防護工作。在評價與計算指標體系的過程中，驗證了實際工程中的防護問題，提高了施工人員的生命安全。但是在運用過程中存在一些不足之處，比如：對于多因素、多層次的復雜評價其計算比較復雜。建立更加切實可行且有效的水利水電施工安全評估等有待進一步的研究。今后希望能將評估方法進行完善。