基于指數變權的水電站施工安全現狀可拓評價*

鄭霞忠，朱 煒，張 明

(1.三峽大學 水利與環境學院，湖北 宜昌 443002； 2. 三峽大學 安全生產標準化評審中心，湖北 宜昌 443002)

0 引言

水電站施工環境具有地質條件復雜、施工環境惡劣、危險因素眾多等特點，安全事故時有發生[1]。國家對水電工程施工安全越來越重視，要求企業能有效辨識安全隱患、實現環境監察并持續改進[2-3]。因此，開展安全現狀評價對于降低水電站施工安全風險、提升安全管理水平具有重要意義。

安全現狀研究是建設安全管理的重要部分，國內外學者對安全評價方法進行了系列研究。狄建華等[4]根據安全評價等級之間的模糊性，運用模糊數學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化成模糊數，為多準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，引入模糊數學理論，建立了水電工程質量評估模型，對堤防加固工程進行了模糊綜合評價分析。然而，以上方法在確定評價指標權重時較依賴于專家的主觀經驗與判斷，會影響評判結果的準確性。針對這一現狀，鄭霞忠等[7]采用結構熵權法降低人為主觀性的影響，確定安全指標權重；Zhao等[8]在層次分析法的基礎上，引入信息熵理論，綜合考慮主客觀權重的影響，并結合滑坡災害風險進行敏感性評價。此類方法雖能在某種程度上增強指標賦權的客觀性，但與客觀理論的結合還需進一步探討。

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之間的內在聯系，且在確定指標權重時如何降低主觀性較強的問題還有待論證。鑒于此，筆者在可有效考慮指標間相互作用的物元可拓模型[9]基礎上，融合變權理論[10-11]，修正物元可拓法權重，以增強指標賦權的客觀性，從而構建基于指數變權的物元可拓的水電站施工安全現狀評價模型，運用貼近度準則評判施工安全現狀的合格性。

1 水電站施工安全現狀評價指標體系及評價標準

水電工程具有項目規模大、施工條件復雜等特征。影響施工安全因素較多，評價指標的選取需要從全面性、科學性、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狀，結合水電站施工安全事故實際特點，依據《安全評價通則》(AQ 8001-2007)[12]，并參照相關研究成果[13-15]，建立場址、施工總布置、道路及運輸、輔助生產設施、作業安全、施工設備、安全管理行為、職業健康安全8大方面、涵蓋47個指標的水電站施工安全現狀評價指標體系及安全現狀評價等級，指標體系構建如圖1所示。

結合構建指標體系的相關研究成果，設置水電站施工安全現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 安全現狀評價等級Table 1 Evaluation level of safety status

2 安全現狀評價模型構建

2.1 評價權重確定

變權是對立于常權提出的，常權在實際運用中能直接考慮事物之間基本目標的相對優度，具有一定的合理性而被廣泛應用。若指標權重向量始終保持固定不變，對目標組態難以確定起到良好的制約效果。水電工程評價指標權重確定過程中多數運用專家打分法，主要根據傳統經驗意識對安全指標賦予權重，較少考慮客觀情況下評價指標之間的相互影響。為此，引入變權理論不僅對各指標間的相對重要程度進行分析，還考慮了目標關于指標向量的一致性組態，避免某一指標狀態突變對整體結果的影響，能進一步突出相關因素指標的重要程度。

2.1.1 變權定義

設X=(x1,x2,…xn)表示因素狀態向量。

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

2)連續性：wj(x1,x2，…,xn)(j=1,2,…,n)關于每個變元連續；

3)單調性：wj(x1,x2,…,xn)(j=1,2,…,n)關于變元xj單調減少(懲罰性)或增長(激勵性)。

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

定義2 ：1個n維懲罰型可變權重向量是指映射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(j=1,2,…,n)；

3)對任何常權向量W=(w1,w2，…,wn)滿足定義1中的性質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，懲罰型可變權重向量使指標因素的權重因狀態值的遞增而減少，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。

為減少評價指標權重確定時的主觀因素，反映指標在評價中的平等地位，對不變權重變量因素進行一致性處理。運用變權理論時，首先規定每個因素的權重恒定；然后為體現評估對象在綜合評估中的積極參與，狀態可變權向量由評估指標的測量數據及其對應節域決定，利用各評價指標量值與對應等級區間的離差指數在整個指數和中所占比重確定相應權重。

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

2.1.2 構造指數狀態變權向量

實現可變權重的核心是狀態可變權重向量的選擇和構造。應對各種可變向量的特征進行度量，并充分考慮均衡性對評價結果的影響。指數型[16-17]狀態變權向量發散程度較大、模型適用能力較強，因此，本文基于變權理論，并參照定義2相關要求，構造狀態可變權重向量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指標中第k下級指標與相應等級區間的離差；為使評價效果更好體現各指標要素的實際狀況，充分反映人們對指標的均衡性要求，在分析評價指標權重時引入懲罰型因子，取α=-1；aip，bip分別為對應節域的上下限。

2.1.3 計算評價指標權重

依照定義2，通過指標常權向量W和指標的狀態變權向量S(Yi)，計算獲得評價指標的變權向量W(Yi)：

(6)

即：

(7)

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

2.2 改進的可拓評價模型

傳統可拓評價方法中存在主觀賦權性較強的問題，在測度評價指標關聯函數值時，當重要指標實測數據超出節域規定界限，會引起最大隸屬度失效，影響評價結果的準確度[18]。本文基于變權理論確定各指標的權重，減小指標權重賦權時的主觀性，并通過貼近度函數修正最大隸屬度，最大限度融合考慮待評物元之間內在聯系。

2.2.1 經典域、節域及待評物元的確定

為對水電站施工安全現狀進行準確評價，按照安全等級區域對具體環境下各經典域和節域進行確立。其中，經典域基于安全水平劃分為4個區域。評價物元為：

(8)

(9)

式中：U表示評價等級水平；ajn，bjn與aUn，bUn分別為經典域與節域的上限和下限；Vj和VU表示為C關于等級U所確定的數值范疇。

對于第i個待評的一級指標，其評價物元為：

(10)

式中：vik為N關于cik的數量值，即為分析待估事物的結果。

2.2.2 多級可拓評價

為準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個評價對象與經典域j的距離；wi(x)為權重。

K(N)=w(i)×Kj(Bi)

(13)

式中：w(i)代表各指標權重行向量；Kj(Bi)代表對應危險等級貼近度。

(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 模型應用

某水電站位于四川省內，壩高295 m，裝機容量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，具有一定的可調節能力。現針對該水電站施工環境的安全現狀，進行物元可拓評價，以驗證該方法的合理性。

3.1 安全現狀指標權重確定

依據變權理論和貼近度原則，利用式(1)～(7)計算水電站施工安全現狀的待評指標的相關權重，結果見表2。

據一級指標權重大小排序C8>C5>C1>C6>C7>C4>C3>C2可知，廠址信息(C1)、作業安全(C5)、職業健康安全(C8)為當前影響水電站施工安全現狀的主要因素，據二級指標得分結果及相應權重分析，可知交通運輸條件(C14)、作業行為(C52)、機構與人員(C82)等安全影響性較高，施工過程中應加強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 待評指標權重Table 2 Weight of evaluation index

表3 各一級指標貼近度Table 3 Close values of level 1 indexes

3.3 對比分析

本文采用指數變權的方式與可拓評價相結合，與傳統常權以及熵權法確定權重相比如圖2所示。3種權重確定方法對水電站安全現狀等級評價結果分別為2.23，2.39，2.42，整體安全等級都為合格，但在具體指標權重賦予方面，熵權法及變權方法都對初始權重進行了調整，考慮了評價指標之間的內在聯系。其中，熵權法與變權法的一級指標等級特征值變化規律一致，相比常權法更加反應了重要指標安全影響程度。因此，采用主觀和客觀相結合的賦權方法可合理評價指標的相關程度，進一步驗證指數變權法的有效性。

4 敏感性分析

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

圖2 一級指標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 一級指標得分改變時權重變化Fig.3 Weight change graph of level 1 index change

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

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

圖6 重點一級指標中二級指標得分變化時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對指標權重影響較大。在實測值從-40%向10%逐漸變化時，C2,C3,C4,C7的權重呈直線下降，在20%后開始趨于平穩；C8,C5,C1的權重先呈直線上升，再有所下降，后趨于平穩；C6的權重基本保持不變。可見，實測值產生變化后指標權重也會隨之改變，進而影響綜合評價。從圖4可以看出，當所有指標同時增大，j*一直增大，其中在實測值從-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C1，C2，C4，C5，C7的值逐漸增大，j*值變化跨度很小；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狀重點考慮因素對象。繼續對3個一級指標進行二次分析，從圖6可知，隨著C31，C32，C62，C61，C81的變化，對應的等級變量特征值j*變化幅度較大；在C32，C62，C61，C63的實測值從0處向10%遞增時，對應等級變量特征值上升幅度顯著，即可從這4個影響指標著手，對目前水電站施工安全現狀水平作進一步改善。

根據以上結果可知，從一級指標分析來看，C6，C3，C8為該水電站安全現狀重點考慮因素；從二級指標分析來看，場內運輸(C32)、設備使用(C62)、設備基礎(C61)、設備安裝拆除(C63)為該水電站施工安全現狀評價的關鍵敏感性因素。

5 結論

1)基于變權理論，減少了傳統物元可拓評價中指標賦權的主觀性。采用貼近度準則替代最大隸屬度準則，結合待評估物元指標的貼近度和權重，提出了改進的多級可拓評價方法，進而確定水電站施工安全現狀。

2)分析了水電站施工安全現狀，計算安全等級為2級，表明此工程在實際情況中安全現狀合格。依據敏感性分析，找出道路及運輸、施工設備、職業健康安全等3個關鍵性敏感因素，為當前水電站施工安全現狀改善提供參考。

3)項目施工狀況是不斷持續變化的，本文僅對水電站當前施工環境下的安全現狀進行評價，今后將從動態評價方面進行研究，為實時對施工風險管控提供建議。