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(jì)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(shí)均具備一定的危險(xiǎn)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(dān)負(fù)著巨大的壓力。導(dǎo)致施工危險(xiǎn)的首要因素就是沒有一個(gè)準(zhǔn)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(gè)步驟按照危險(xiǎn)性評定等級，就可以有針對性的避免危險(xiǎn)事項(xiàng)，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(xiàn)[1]建立了一種具備多種安全等級的評價(jià)指標(biāo)，并在風(fēng)險(xiǎn)評估模型中使用了層次分析的方法，應(yīng)用于某項(xiàng)輸變電工程。該方法系統(tǒng)性地將施工風(fēng)險(xiǎn)分為人為因素、環(huán)境因素、機(jī)械器具因素、管理因素等四個(gè)方面，并分別評分。文獻(xiàn)[2]評價(jià)了不同地質(zhì)分類下的高速公路施工項(xiàng)目的風(fēng)險(xiǎn)，由于地質(zhì)條件十分復(fù)雜，導(dǎo)致該評估方法的評估指標(biāo)也非常多，甚至其權(quán)重的計(jì)算也很困難，但是其中對于評價(jià)指標(biāo)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(shí)驗(yàn)中獲取較高的評估精度，該評估方法的缺點(diǎn)是只適用于地質(zhì)分類的評估，對其他分類標(biāo)準(zhǔn)很難具備推廣性。文獻(xiàn)[3]獲取了隧道施工安全性能的評估指標(biāo)，將抵抗力、適應(yīng)力、恢復(fù)力3項(xiàng)重要屬性作為施工的評價(jià)體系，基于理想模糊物元，確定了評價(jià)等級。該方法將評估參數(shù)分為3個(gè)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(xiàng)極具實(shí)用性的評估方法。

1 基于模糊概率算法設(shè)計(jì)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(dǎo)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(xiàng)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(gè)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(dāng)該符號出現(xiàn)時(shí)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(gè)符號的基礎(chǔ)上對事件進(jìn)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(dāng)Ud(i)大于1時(shí)，表明某因素為故障原因，當(dāng)Ud(i)=0～1之間時(shí)，表明該因素不能明確故障原因，當(dāng)Ud(i)小于0時(shí)，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(shí)，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?cái)?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(gè)故障樹在水利水電施工安全評估中的根本分析指標(biāo)。當(dāng)通過定性方法分析得到該因素為危險(xiǎn)因素時(shí)，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(biāo)

通過表1的量化指標(biāo)，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四抢铮虼丝梢詫?shí)現(xiàn)更為廣泛的應(yīng)用。同時(shí)，通過該指標(biāo)還可以確定事故樹中由果導(dǎo)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(biāo)[7]。這是需要比較所有指標(biāo)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(jì)算不同目標(biāo)的影響結(jié)果，最終獲取比較矩陣：

(2)

式中，當(dāng)Hij大于0時(shí)，該矩陣表示單層次模型，但是當(dāng)Hij小于0時(shí)，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(jì)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(shí)達(dá)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(xiǎn)事故發(fā)生的概率計(jì)算，其表達(dá)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(fù)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(gè)相鄰的水利水電施工風(fēng)險(xiǎn)層級；hi-1—評價(jià)模型中的危險(xiǎn)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(fēng)險(xiǎn)參數(shù)與風(fēng)險(xiǎn)等級。

2 實(shí)驗(yàn)研究

2.1 建立施工危險(xiǎn)層次模型

以某水利水電施工工程為例，判斷文中設(shè)計(jì)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(cái)產(chǎn)損失，為保證施工的安全，需要根據(jù)科學(xué)全面的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，制定安全評估指標(biāo)。能夠?qū)е滤娛┕すこ坛霈F(xiàn)危險(xiǎn)的因素有很多，包括施工人員自身的能力水平或機(jī)械檢修維護(hù)情況等，在結(jié)合實(shí)際水力水電施工工作的前提下，可以分層分析評價(jià)因素，形成一個(gè)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(fēng)險(xiǎn)層次模型

水利水電施工工程安全評估的風(fēng)險(xiǎn)層次模型，在第二階梯主要分為4個(gè)分類，如圖3所示，分別是由施工人員帶來的風(fēng)險(xiǎn)、由工程所需物品帶來的風(fēng)險(xiǎn)、由管理漏洞帶來的風(fēng)險(xiǎn)、由自然環(huán)境帶來的風(fēng)險(xiǎn)，這四個(gè)風(fēng)險(xiǎn)種類可以基本涵蓋所有可能帶來風(fēng)險(xiǎn)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(xiàng)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(xiàng)因素。在物的因素中，包括機(jī)械設(shè)備性能較差、機(jī)械設(shè)備安裝拆卸導(dǎo)致?lián)p壞、機(jī)械設(shè)備沒有按時(shí)檢修維護(hù)、原材料或中間產(chǎn)品沒有經(jīng)過檢驗(yàn)等4項(xiàng)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(shí)現(xiàn)場檢查、事故應(yīng)急處理規(guī)范不準(zhǔn)確等5項(xiàng)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(dá)標(biāo)、市場經(jīng)濟(jì)環(huán)境不好等4項(xiàng)因素。

2.2 構(gòu)造判斷矩陣

結(jié)合本實(shí)驗(yàn)的工程實(shí)例，依據(jù)圖3中的層次模型，可以分別得到B1、B2、B3、B44個(gè)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(biāo)，n—層次數(shù)量。

通過該指標(biāo)的特征向量(即權(quán)重指標(biāo))計(jì)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(gè)公式計(jì)算每個(gè)矩陣的單層次一致性，在總排序下，計(jì)算公式為：

(6)

式中，CRn—矩陣中某個(gè)層次的一致性概率，當(dāng)CRn小于0.1時(shí)，表明該層次滿足一致性目標(biāo)；ai—該層次中某一特征指標(biāo)；CIn—該層次的一致性指標(biāo)；RIn—該指標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)因子。

基于以上方法，檢驗(yàn)評估權(quán)重是否滿足一致性要求。

2.3 施工風(fēng)險(xiǎn)模糊概率評估

在本施工實(shí)例中，該水利水電施工共分為4個(gè)階段，在每一個(gè)階段中，均可以通過以上方法得到判斷矩陣與權(quán)重指標(biāo)，并計(jì)算風(fēng)險(xiǎn)參數(shù)[10]。風(fēng)險(xiǎn)參數(shù)與風(fēng)險(xiǎn)因子、風(fēng)險(xiǎn)等級之間的關(guān)系如圖4所示。

圖4 風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)判定

由圖4知，風(fēng)險(xiǎn)因子的區(qū)間為0.6～1.0，風(fēng)險(xiǎn)參數(shù)則主要分為5個(gè)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(gè)風(fēng)險(xiǎn)參數(shù)的等級，得到相對應(yīng)的5個(gè)風(fēng)險(xiǎn)等級，分別為極低、低、中、高、極高。據(jù)此在4個(gè)階段的工程中，分別計(jì)算16個(gè)項(xiàng)目的風(fēng)險(xiǎn)參數(shù)，見表6。

表6 風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)評價(jià)

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(fēng)險(xiǎn)參數(shù)均小于0.6，即風(fēng)險(xiǎn)等級處于極低、低、中3個(gè)等級中間。只有C5項(xiàng)目的第一階段、C8項(xiàng)目的第二和第三階段、C12項(xiàng)目的第四階段、C14項(xiàng)目的第二階段風(fēng)險(xiǎn)參數(shù)在0.6～0.8之間，其風(fēng)險(xiǎn)等級為高。通過以上數(shù)據(jù)可知，本文設(shè)計(jì)的評估方法可以直觀地得到任意階段、任意項(xiàng)目的安全性，工作人員可以據(jù)此完善自身的安全防護(hù)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(jì)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(zhǔn)確地評估施工過程中的風(fēng)險(xiǎn)因素與風(fēng)險(xiǎn)等級，并使得安全員能夠有意識地進(jìn)行安全防護(hù)工作。在評價(jià)與計(jì)算指標(biāo)體系的過程中，驗(yàn)證了實(shí)際工程中的防護(hù)問題，提高了施工人員的生命安全。但是在運(yùn)用過程中存在一些不足之處，比如：對于多因素、多層次的復(fù)雜評價(jià)其計(jì)算比較復(fù)雜。建立更加切實(shí)可行且有效的水利水電施工安全評估等有待進(jìn)一步的研究。今后希望能將評估方法進(jìn)行完善。