南水北調工程輸水渠道運行安全風險評價

馬力　劉漢東

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

中圖分類號：TV91 文獻標志碼：A doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2022.03.027

引用格式：馬力，劉漢東.南水北調工程輸水渠道運行安全風險評價[J].人民黃河，2022，44（3）：138-143.

南水北調工程對緩解中國南部和北部地區水資源分布不均、促進區域經濟和生活協調發展具有突出貢獻[1]，然而其具有調水距離長、范圍廣、地質情況復雜、不確定因素眾多等特點，使得其安全運行存在風險。因此，識別南水北調工程運行中的故障模式，有效開展安全評價工作，對工程安全高效運行、保障供水安全意義重大[2]。

近年來，長距離輸水工程風險識別和評估研究受到國內學者的高度關注。熊雁暉等[3]系統分析了南水北調中線系統失事模式全集，從風險誘因角度和風險失效模式分別識別了人為因素和主要風險類型，為南水北調中線工程大型串聯復雜性系統的定量風險分析提供研究基礎;耿雷華等[4]采用層次模糊分析法計算了輸水河道運行綜合風險概率，通過聚類分析計算了各輸水河道的風險等級;馮平等[5]在風險理論的基礎上建立二維復合事件風險組合模型，針對南水北調中線總干渠提出引水工程防洪風險估算方法;聶相田等[6]在考慮風險因子的模糊性和隨機性的基礎上，構建了基于云模型理論的長距離引水工程安全運行風險評價模型，對南水北調工程運行安全進行了全面而客觀的評價。Wang等[7]建立了基于等權重的子約束綜合評價模型，基于相關理論和歸納有序加權平均法確定指標權重，實現了引水工程長距離運行安全風險綜合評價。Zhao等[8]針對南水北調工程供水安全，采用檢查表法對事故風險進行識別，運用模糊意見集中決策法和AHP建立風險評價模型，對山東省南水北調的事故風險和各類事故的影響程度進行了評價。Long等[9]針對調水工程中發生的突發性水污染事故，采用AHP與協調發展度模型相結合的方法建立了一個具有應急風險評估和應急控制的環境影響評價系統。

綜上所述，已有研究大都為定性分析或針對特定故障模式進行定量評估，而對于考慮環境風險、工程技術風險、運行管理風險和社會風險的綜合風險評估研究較為罕見。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，確定工程運行安全的故障模式，通過模糊推理系統（FIS）對南水北調工程輸水渠道運行安全風險進行了評價。

1故障模式的確定

針對南水北調工程特點，分析渠道的故障模式，對文獻[1-11]進行分析的基礎上，從環境風險、工程技術風險、運行管理風險及社會風險4個方面構建工程運行風險故障模式，如圖1所示。

2評價模型構建

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判的模糊性和不確定性[12]。模糊集的元素取值區間為[0，1]，模糊化過程是將準確的變量x轉化為模糊集合A，通過隸屬度函數來表示論域U向模糊集合A的映射關系：

2.2模糊評語集與隸屬函數的建立

（1）建立模糊評語集。每個變量即發生頻度（O）、嚴重度（S）、不易探測度（D）的評分為0～10分，對應5個評價術語，分別為很低（R）的模糊數為（0，0，2.5）、低（L）的模糊數為（0，2.5，5）、中等（M）的模糊數為（2.5，5，7.5）、高（H）的模糊數為（5，7.5，10）、很高（VH）的模糊數為（7.5，10，10），這3個變量具體歸為5個等級，即很低（R）、低（L）、中（M）、高（H）、很高（VH）。3個變量的評價標準見表1。

（2）建立隸屬函數。隸屬函數的輸出值被稱為風險優先數。進一步在模糊推理的輸出端定義了5個語言優先級術語，即很低（N）、低（Mi）、中（Co）、高（Ma）、很高（C）。風險優先數的評價標準及語義變量函數分別見表2和圖2。

2.3風險因素的評估

針對不同故障模式的3個變量的評估數據主要通過工程檢測數據和專家評估獲得。對于具有檢測數據的工程，首先根據工程質量評估規范、工程運行管理規范等，結合構建的三角模糊隸屬函數，確定其風險評估等級。對于無法通過工程檢測獲得評估數據的工程，則通過邀請行業內設計、施工和運行管理單位的專家進行評估，獲得相應評分數據，評估過程如下：專家參考表1對O、S、D進行評估，按照專家在崗工作時間為其分配權重Wi，工作3～5、6～10、11～20a及20a以上權重分別為0.1、0.2、0.3及0.4，利用式（2）計算不同權重專家問卷分數。

2.5風險評估步驟

（1）步驟1，確定南水北調工程輸水渠道風險因子的O、S、D分值。收集O、S、D初始評價數據，通過整理分析初始評價數據，得到故障模式風險因子最終的O、S、D分值。

（2）步驟2，模糊化。根據專家知識定義語言變量，分別為O、S、D確定5個語言變量，輸入/輸出變量的語言表達式采用三角隸屬函數表示。

（3）步驟3，構建規則庫。基于模糊推理系統FMEA方法構建規則庫。IF-THEN規則的一般形式為

為了與模糊處理前的“清晰風險順序數”對應，本文將經過重心法處理后的數值定義為“模糊風險順序數”，即模糊RPN。根據模糊RPN對該數值進行重新排序，得到最終的風險因子排序。

3案例分析

3.1工程概況

南水北調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48.951km，渠道開挖方式中全挖方斷面約占渠道總長度的63%，其中1.5km的渠道挖深超過15m，半挖半填段約占37%。渠段氣候屬暖溫帶大陸性季風型，年度降水量變幅大，且多集中于夏季，年均降水量達589.1mm。

3.2數據收集與分析

本次共收回問卷24份，經過處理后風險因子的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個等級。根據模糊數學原理定義的式（1），得出R、L、M、H、VH對應風險因子的隸屬度。

模糊推理的輸出端定義了5個語言優先級術語，即很低（N）、低（Mi）、中（Co）、高（Ma）、很高（C）。根據模糊數學原理定義的公式（1），得出N、Mi、Co、Ma、C對應風險因子的隸屬度。

3.4模糊規則庫的建立

確定輸入、輸出等級及隸屬度函數之后，基于專家知識及經驗的方法確定模糊規則。將模糊規則庫中的“關注優先度”定義為“風險優先等級”，作為風險因子隸屬函數對應的輸出值，即模糊結論。對“風險優先等級”同樣定義5個語言優先級術語，本文的規則總數為125（5×5×5），具體規則庫見表4。

3.5風險評價及去模糊化

以地基缺陷為例介紹具體計算過程。經過模糊推理機制得到地基缺陷不同風險等級下隸屬度中最小值。結合模糊規則庫得到地基缺陷隸屬函數值的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）兩個風險等級，然后確定地基缺陷不同等級下隸屬度的最大值：

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，可得南水北調中線工程輝縣段渠道運行風險評價最終結果及風險因子排序，見圖3（圖中數值為“風險優先數/排序”）。

3.6結果分析

根據圖3，風險故障模式中暴雨洪水風險最為重要，主要原因是輝縣市西部緊鄰太行山脈，地勢由西北向東南呈階梯形下降，匯水迅速，暴雨洪水可能會引起渠堤塌陷、滑坡，必須重點防護;其次排序為地基缺陷風險、填筑質量風險、異常滲流風險、設備維護風險、渠坡失效風險等;而排序的最后3個為交通事故風險、堤頂超高風險、水事糾紛風險。可以發現，工程技術風險因子排序靠前，應重點加強對工程質量的把控，做好工程建設遺留問題的排查，同時運行管理中及時發現風險源頭，而對于其他風險，也應該因地、因時制宜，制定相應的管理制度進行防范。

4結論

本文從環境風險、工程技術風險、運行管理風險以及社會風險4個方面全面識別了南水北調中線工程輸水渠道運行安全故障模式。使用三角模糊數代替清晰數有助于更準確地轉化專家認知信息，更好地描述評價信息的多樣性和不確定性;運用模糊邏輯進一步避免了風險優先數（RPN）的重復，在識別故障模式的基礎上進一步對其重要程度進行了排序。結合案例進一步分析了基于模糊推理系統的FMEA風險評價模型用于評估渠道工程風險的適用性，為大型引水工程的風險評估提供了新的研究思路。

【責任編輯 張華巖】