南水北調(diào)工程輸水渠道運(yùn)行安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

馬力　劉漢東

關(guān)鍵詞：輸水渠道;故障模式與影響分析（FMEA）;模糊推理系統(tǒng)（FIS）;南水北調(diào)工程

中圖分類號(hào)：TV91 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2022.03.027

引用格式：馬力，劉漢東.南水北調(diào)工程輸水渠道運(yùn)行安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)[J].人民黃河，2022，44（3）：138-143.

南水北調(diào)工程對(duì)緩解中國南部和北部地區(qū)水資源分布不均、促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)和生活協(xié)調(diào)發(fā)展具有突出貢獻(xiàn)[1]，然而其具有調(diào)水距離長(zhǎng)、范圍廣、地質(zhì)情況復(fù)雜、不確定因素眾多等特點(diǎn)，使得其安全運(yùn)行存在風(fēng)險(xiǎn)。因此，識(shí)別南水北調(diào)工程運(yùn)行中的故障模式，有效開展安全評(píng)價(jià)工作，對(duì)工程安全高效運(yùn)行、保障供水安全意義重大[2]。

近年來，長(zhǎng)距離輸水工程風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別和評(píng)估研究受到國內(nèi)學(xué)者的高度關(guān)注。熊雁暉等[3]系統(tǒng)分析了南水北調(diào)中線系統(tǒng)失事模式全集，從風(fēng)險(xiǎn)誘因角度和風(fēng)險(xiǎn)失效模式分別識(shí)別了人為因素和主要風(fēng)險(xiǎn)類型，為南水北調(diào)中線工程大型串聯(lián)復(fù)雜性系統(tǒng)的定量風(fēng)險(xiǎn)分析提供研究基礎(chǔ);耿雷華等[4]采用層次模糊分析法計(jì)算了輸水河道運(yùn)行綜合風(fēng)險(xiǎn)概率，通過聚類分析計(jì)算了各輸水河道的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí);馮平等[5]在風(fēng)險(xiǎn)理論的基礎(chǔ)上建立二維復(fù)合事件風(fēng)險(xiǎn)組合模型，針對(duì)南水北調(diào)中線總干渠提出引水工程防洪風(fēng)險(xiǎn)估算方法;聶相田等[6]在考慮風(fēng)險(xiǎn)因子的模糊性和隨機(jī)性的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了基于云模型理論的長(zhǎng)距離引水工程安全運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型，對(duì)南水北調(diào)工程運(yùn)行安全進(jìn)行了全面而客觀的評(píng)價(jià)。Wang等[7]建立了基于等權(quán)重的子約束綜合評(píng)價(jià)模型，基于相關(guān)理論和歸納有序加權(quán)平均法確定指標(biāo)權(quán)重，實(shí)現(xiàn)了引水工程長(zhǎng)距離運(yùn)行安全風(fēng)險(xiǎn)綜合評(píng)價(jià)。Zhao等[8]針對(duì)南水北調(diào)工程供水安全，采用檢查表法對(duì)事故風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行識(shí)別，運(yùn)用模糊意見集中決策法和AHP建立風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型，對(duì)山東省南水北調(diào)的事故風(fēng)險(xiǎn)和各類事故的影響程度進(jìn)行了評(píng)價(jià)。Long等[9]針對(duì)調(diào)水工程中發(fā)生的突發(fā)性水污染事故，采用AHP與協(xié)調(diào)發(fā)展度模型相結(jié)合的方法建立了一個(gè)具有應(yīng)急風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和應(yīng)急控制的環(huán)境影響評(píng)價(jià)系統(tǒng)。

綜上所述，已有研究大都為定性分析或針對(duì)特定故障模式進(jìn)行定量評(píng)估，而對(duì)于考慮環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)、工程技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)、運(yùn)行管理風(fēng)險(xiǎn)和社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)的綜合風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究較為罕見。因此，本文在故障模式與影響分析（FMEA）原始模型中引入模糊推理理論，確定工程運(yùn)行安全的故障模式，通過模糊推理系統(tǒng)（FIS）對(duì)南水北調(diào)工程輸水渠道運(yùn)行安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了評(píng)價(jià)。

1故障模式的確定

針對(duì)南水北調(diào)工程特點(diǎn)，分析渠道的故障模式，對(duì)文獻(xiàn)[1-11]進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，從環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)、工程技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)、運(yùn)行管理風(fēng)險(xiǎn)及社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)4個(gè)方面構(gòu)建工程運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)故障模式，如圖1所示。

2評(píng)價(jià)模型構(gòu)建

2.1模糊集合基本理論

模糊集合用于處理決策過程中專家評(píng)判的模糊性和不確定性[12]。模糊集的元素取值區(qū)間為[0，1]，模糊化過程是將準(zhǔn)確的變量x轉(zhuǎn)化為模糊集合A，通過隸屬度函數(shù)來表示論域U向模糊集合A的映射關(guān)系：

2.2模糊評(píng)語集與隸屬函數(shù)的建立

（1）建立模糊評(píng)語集。每個(gè)變量即發(fā)生頻度（O）、嚴(yán)重度（S）、不易探測(cè)度（D）的評(píng)分為0～10分，對(duì)應(yīng)5個(gè)評(píng)價(jià)術(shù)語，分別為很低（R）的模糊數(shù)為（0，0，2.5）、低（L）的模糊數(shù)為（0，2.5，5）、中等（M）的模糊數(shù)為（2.5，5，7.5）、高（H）的模糊數(shù)為（5，7.5，10）、很高（VH）的模糊數(shù)為（7.5，10，10），這3個(gè)變量具體歸為5個(gè)等級(jí)，即很低（R）、低（L）、中（M）、高（H）、很高（VH）。3個(gè)變量的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)見表1。

（2）建立隸屬函數(shù)。隸屬函數(shù)的輸出值被稱為風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)。進(jìn)一步在模糊推理的輸出端定義了5個(gè)語言優(yōu)先級(jí)術(shù)語，即很低（N）、低（Mi）、中（Co）、高（Ma）、很高（C）。風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)及語義變量函數(shù)分別見表2和圖2。

2.3風(fēng)險(xiǎn)因素的評(píng)估

針對(duì)不同故障模式的3個(gè)變量的評(píng)估數(shù)據(jù)主要通過工程檢測(cè)數(shù)據(jù)和專家評(píng)估獲得。對(duì)于具有檢測(cè)數(shù)據(jù)的工程，首先根據(jù)工程質(zhì)量評(píng)估規(guī)范、工程運(yùn)行管理規(guī)范等，結(jié)合構(gòu)建的三角模糊隸屬函數(shù)，確定其風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等級(jí)。對(duì)于無法通過工程檢測(cè)獲得評(píng)估數(shù)據(jù)的工程，則通過邀請(qǐng)行業(yè)內(nèi)設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)行管理單位的專家進(jìn)行評(píng)估，獲得相應(yīng)評(píng)分?jǐn)?shù)據(jù)，評(píng)估過程如下：專家參考表1對(duì)O、S、D進(jìn)行評(píng)估，按照專家在崗工作時(shí)間為其分配權(quán)重Wi，工作3～5、6～10、11～20a及20a以上權(quán)重分別為0.1、0.2、0.3及0.4，利用式（2）計(jì)算不同權(quán)重專家問卷分?jǐn)?shù)。

2.5風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估步驟

（1）步驟1，確定南水北調(diào)工程輸水渠道風(fēng)險(xiǎn)因子的O、S、D分值。收集O、S、D初始評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)，通過整理分析初始評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)，得到故障模式風(fēng)險(xiǎn)因子最終的O、S、D分值。

（2）步驟2，模糊化。根據(jù)專家知識(shí)定義語言變量，分別為O、S、D確定5個(gè)語言變量，輸入/輸出變量的語言表達(dá)式采用三角隸屬函數(shù)表示。

（3）步驟3，構(gòu)建規(guī)則庫?；谀：评硐到y(tǒng)FMEA方法構(gòu)建規(guī)則庫。IF-THEN規(guī)則的一般形式為

為了與模糊處理前的“清晰風(fēng)險(xiǎn)順序數(shù)”對(duì)應(yīng)，本文將經(jīng)過重心法處理后的數(shù)值定義為“模糊風(fēng)險(xiǎn)順序數(shù)”，即模糊RPN。根據(jù)模糊RPN對(duì)該數(shù)值進(jìn)行重新排序，得到最終的風(fēng)險(xiǎn)因子排序。

3案例分析

3.1工程概況

南水北調(diào)中線工程輝縣段位于一期工程總干渠Ⅳ渠段中部。渠道總長(zhǎng)48.951km，渠道開挖方式中全挖方斷面約占渠道總長(zhǎng)度的63%，其中1.5km的渠道挖深超過15m，半挖半填段約占37%。渠段氣候?qū)倥瘻貛Т箨懶约撅L(fēng)型，年度降水量變幅大，且多集中于夏季，年均降水量達(dá)589.1mm。

3.2數(shù)據(jù)收集與分析

本次共收回問卷24份，經(jīng)過處理后風(fēng)險(xiǎn)因子的O、S、D初始分值見表3。

3.3模糊化

O、S、D劃分為很低（R）、低（L）、中等（M）、高（H）、很高（VH）5個(gè)等級(jí)。根據(jù)模糊數(shù)學(xué)原理定義的式（1），得出R、L、M、H、VH對(duì)應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)因子的隸屬度。

模糊推理的輸出端定義了5個(gè)語言優(yōu)先級(jí)術(shù)語，即很低（N）、低（Mi）、中（Co）、高（Ma）、很高（C）。根據(jù)模糊數(shù)學(xué)原理定義的公式（1），得出N、Mi、Co、Ma、C對(duì)應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)因子的隸屬度。

3.4模糊規(guī)則庫的建立

確定輸入、輸出等級(jí)及隸屬度函數(shù)之后，基于專家知識(shí)及經(jīng)驗(yàn)的方法確定模糊規(guī)則。將模糊規(guī)則庫中的“關(guān)注優(yōu)先度”定義為“風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先等級(jí)”，作為風(fēng)險(xiǎn)因子隸屬函數(shù)對(duì)應(yīng)的輸出值，即模糊結(jié)論。對(duì)“風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先等級(jí)”同樣定義5個(gè)語言優(yōu)先級(jí)術(shù)語，本文的規(guī)則總數(shù)為125（5×5×5），具體規(guī)則庫見表4。

3.5風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)及去模糊化

以地基缺陷為例介紹具體計(jì)算過程。經(jīng)過模糊推理機(jī)制得到地基缺陷不同風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)下隸屬度中最小值。結(jié)合模糊規(guī)則庫得到地基缺陷隸屬函數(shù)值的8種情況組合：

如果O=0.92（M），S=0.16（M），D=0.96（M），那么“模糊RPN”=Co;

如果O=0.92（M），S=0.84（H），D=0.96（M），那么“模糊RPN”=Ma;

如果O=0.92（M），S=0.16（M），D=0.04（H），那么“模糊RPN”=Co;

如果O=0.92（M），S=0.84（H），D=0.04（H），那么“模糊RPN”=Ma;

如果O=0.08（H），S=0.16（M），D=0.96（M），那么“模糊RPN”=Co;

如果O=0.08（H），S=0.84（H），D=0.96（M），那么“模糊RPN”=Ma;

如果O=0.08（H），S=0.16（M），D=0.04（H），那么“模糊RPN”=Ma;

如果O=0.08（H），S=0.84（H），D=0.04（H），那么“模糊RPN”=Ma。

地基缺陷隸屬于中（Co）和高（Ma）兩個(gè)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，然后確定地基缺陷不同等級(jí)下隸屬度的最大值：

Co：max（0.16，0.04，0.08）=0.16

Ma：max（0.84，0.04，0.08，0.04，0.04）=0.84

按照式（7）去模糊化處理，得到模糊RPN為6.45。按照相同步驟，可得南水北調(diào)中線工程輝縣段渠道運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)最終結(jié)果及風(fēng)險(xiǎn)因子排序，見圖3（圖中數(shù)值為“風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)/排序”）。

3.6結(jié)果分析

根據(jù)圖3，風(fēng)險(xiǎn)故障模式中暴雨洪水風(fēng)險(xiǎn)最為重要，主要原因是輝縣市西部緊鄰太行山脈，地勢(shì)由西北向東南呈階梯形下降，匯水迅速，暴雨洪水可能會(huì)引起渠堤塌陷、滑坡，必須重點(diǎn)防護(hù);其次排序?yàn)榈鼗毕蒿L(fēng)險(xiǎn)、填筑質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)、異常滲流風(fēng)險(xiǎn)、設(shè)備維護(hù)風(fēng)險(xiǎn)、渠坡失效風(fēng)險(xiǎn)等;而排序的最后3個(gè)為交通事故風(fēng)險(xiǎn)、堤頂超高風(fēng)險(xiǎn)、水事糾紛風(fēng)險(xiǎn)。可以發(fā)現(xiàn)，工程技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)因子排序靠前，應(yīng)重點(diǎn)加強(qiáng)對(duì)工程質(zhì)量的把控，做好工程建設(shè)遺留問題的排查，同時(shí)運(yùn)行管理中及時(shí)發(fā)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)源頭，而對(duì)于其他風(fēng)險(xiǎn)，也應(yīng)該因地、因時(shí)制宜，制定相應(yīng)的管理制度進(jìn)行防范。

4結(jié)論

本文從環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)、工程技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)、運(yùn)行管理風(fēng)險(xiǎn)以及社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)4個(gè)方面全面識(shí)別了南水北調(diào)中線工程輸水渠道運(yùn)行安全故障模式。使用三角模糊數(shù)代替清晰數(shù)有助于更準(zhǔn)確地轉(zhuǎn)化專家認(rèn)知信息，更好地描述評(píng)價(jià)信息的多樣性和不確定性;運(yùn)用模糊邏輯進(jìn)一步避免了風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)（RPN）的重復(fù)，在識(shí)別故障模式的基礎(chǔ)上進(jìn)一步對(duì)其重要程度進(jìn)行了排序。結(jié)合案例進(jìn)一步分析了基于模糊推理系統(tǒng)的FMEA風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型用于評(píng)估渠道工程風(fēng)險(xiǎn)的適用性，為大型引水工程的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估提供了新的研究思路。

【責(zé)任編輯 張華巖】