水電廠突發事件應急能力的二元語義度量模型

鄭霞忠，邵 波，陳 玲，胡宇峰，陳 述

(1.三峽大學水利與環境學院,湖北 宜昌 443002；2.三峽地區地質災害與生態環境湖北省協同創新中心,湖北 宜昌 443002)

近些年，水電廠單機容量和裝機規模越來越大，自動化程度越來越高[1]，然而受諸多不安全因素影響，水電廠電力生產突發事件時有發生，且危害程度大。同時，水電廠運行管理人員呈現精簡化、年輕化趨勢，工作經驗和突發事故處理經驗不足[2]，加之水電廠地理位置特殊，大部分廠址位于高山峽谷之中，交通不便，突發事件處理困難[3]；一旦發生事故，若沒有及時有效地應急救援，輕則影響水電廠生產設備正常運轉，重則致使人員傷亡或電網大范圍停電，更可能造成電網瓦解等災難性后果。因此，開展水電廠突發事件應急能力度量研究對提高水電廠運行人員突發事件處理能力、保障水電廠安全高效運行具有重要意義。

目前，眾多學者開展關于如何應對水電廠突發事件的研究，提出了相應的水電廠突發事件應對措施和建議[4,5]，但大多針對具體的突發事件或是宏觀上的統籌，缺乏系統地分析水電廠突發事件應急能力，同時也較少考慮影響水電廠突發事件應急能力因素之間的內在聯系。鑒于此，本文從安全系統學理論出發，建立科學全面的水電廠突發事件應急能力評價指標體系，構建水電廠突發事件應急能力的二元語義度量模型，旨在科學系統地刻畫水電廠突發事件應急能力，以期為提高水電廠突發事件應急能力提供理論依據。

1 指標體系

水電廠突發事件應急能力度量是一個涉及眾多環節和諸多因素的復雜系統工作，為了客觀真實地刻畫水電廠突發事件應急能力，根據國家有關法律法規、水電廠突發事件應急管理程序及其應急能力特性，結合水電廠運行管理專家建議，從多層次和多角度加以考慮和設計，綜合考慮各因素間的科學性、獨立性、可操作性，建立了包括預防與應急準備、應急監測與預警、應急處置與救援和應急恢復與重建等4個一級指標及17個二級指標的水電廠突發事件應急能力指標體系。指標體系由目標層、準則層和子準則層(指標層)三部分組成，其遞階層次結構見圖1。

圖1 水電廠突發事件應急能力評價指標體系Fig.1 Evaluation index system of hydropower emergency response capacity

2 應急能力的二元語義度量模型

2.1 二元語義及其集結算子

二元語義是一種基于符號轉移概念、采用二元組(sk,αk)表示專家語言評價信息的方法[6]，其中sk為預先定義好的語言評價集S中的語言短語，αk稱為符號轉移值，表示評價結果與sk的偏差，且滿足αk∈[-0.5,0.5)。

語言評價集S是一個預先定義好的由奇數個語言短語構成的有序集合，即S={sk|k=0,1,…,g}，g+1為語言評價集中元素的個數，其中語言短語sk可以通過轉換函數θ得到相應的二元語義形式：

θ:S→S×[-0.5,0.5)

θ(sk)=(sk,0),sk∈S

(1)

設β∈[0,g]為語言評價短語集結運算的數值結果，則可由函數Δ得到與之相對應的二元語義形式：

(2)

式中：round為取整函數。

同時，存在一個逆函數Δ-1使二元語義(sk,αk)轉化為相應的數值β∈[0,g]：

Δ-1:S×[-0.5,0.5)→[0,g]

Δ-1(sk,αk)=k+αk=β

(3)

若ST={(s1,α1),(s2,α2),…,(sT,αT)}為一組二元語義，W=(w1,w2,…,wT)是與之對應的權重向量，則二元語義的加權算術平均算子

(4)

2.2 指標賦權

指標權重的確定客觀與否直接關系到度量結果的優劣。由于度量信息的不完備和專家經驗判斷的模糊性，水電廠突發事件應急能力度量具有很大的模糊性；在評價指標重要性的兩兩比較中，若采用傳統AHP方法往往會出現不太確定或不太合適的主觀判斷，若采用區間數來描述評價指標相對重要性，能夠充分考慮應急能力度量的模糊性，大大減少人為主觀判斷的影響[7]。因此，本文采用區間層次分析法(IAHP)確定評價指標權重，以期盡可能得到客觀合理的指標權重。具體步驟如下：

(1)形成區間判斷矩陣。參照指標體系層次結構，采用表1中互反性1～9標度對層次結構中逐層指標進行區間標量化判斷，形成圖1中目標層與準則層、準則層與子準則層之間的區間判斷矩陣。

(2)矩陣一致性檢驗。在專家經驗判斷時, 可能會有自相矛盾的現象，因此需對區間判斷矩陣進行一致性檢驗；若不滿足一致性要求，運用一致性修正算法進行校正或讓專家重新判斷，直至判斷結果一致[8]。

表1 互反性1～9標度Tab.1 Reciprocal 1～9 scalar system

(3)確定指標權重。判斷矩陣元素均為區間數，采用區間特征根法進行權重求解。以區間數為元素的向量或矩陣稱為區間數向量或區間數矩陣，它們的運算通常按照向量或數字矩陣的運算定義。設B=(bth)l×l(t=1,2,…,l;h=1,2,…,l)為區間判斷矩陣，記B=[B-,B+]，有B-=(b-th)l×l，B+=(b+th)l×l，bth=[b-th,b+th]；同樣，對區間向量v=(v1,v2,…,vl)，記vt=[v-t,v+t]，有v-=(v-1,v-2,…,v-l)T，v+=(v+1,v+2,…,v+l)T。按照以上定義，先計算B-和B+的最大特征值所對應的具有正分量的歸一化特征向量v-、v+，之后根據式(5)、(6)計算各層次指標權重向量，確定指標權重。

(6)

2.3 應急能力度量模型構建

根據圖1記水電廠突發事件應急能力度量的評價指標集為A={aj|j=1,2,…,n;n=17}，則與之對應的指標權重集為WA={wj|j=1,2,…,n;n=17}；假設有m位專家對各評價指標進行語言評價，記專家集為E={ei|i=1,2,…,m}，專家權重集為WE={wi|i=1,2,…,m}；記語言評價集S={sk|k=0,1,…,6}={極差，很差，差，一般，好，很好，極好}，且rij∈S表示專家ei對指標Aj的評價結果，并將其轉化為二元語義形式(rij,0)，則可以得到專家關于評價指標的二元語義評價矩陣：

(7)

根據式(8)對專家給出的評價值進行集結，得到指標Aj的加權平均評價值：

(8)

集結指標Aj的加權平均評價值和指標權重wj，按照式(9)計算層次結構各層綜合評價值：

(9)

最后將目標層即應急能力度量綜合評價值與最近評價語言等級相比，得出應急能力度量最終結果。

3 算 例

3.1 工程資料

某水電廠是一座以發電為主，兼顧航運、灌溉、供水等綜合利用的大型水利工程，總裝機容量104萬kW，年均發電量27.54 億kWh，在電力系統中主要承擔調峰、調頻、事故和負荷備用，同時可以提高流域干流的水能調節能力，增加下游梯級電站的發電效益。該水電廠位于深山峽谷，遠離城市，交通不便，受人、機、環、管等諸多因素的影響，廠區安全隱患多、涉及面廣而復雜，突發事件發生后往往危害嚴重，其中任何一個環節發生故障，都會帶來一系列突發事件連鎖反應。為降低突發事件危害影響、保障水電廠正常安全運行，以水電廠基層、中層和高層管理者作為專家團對該水電廠突發事件應急能力進行評價。

3.2 指標權重確定

采用IAHP方法確定各評價指標權重，限于篇幅，僅以目標層與準則層為例進行權重求解。專家按照表1對準則層指標重要性進行判斷，經過一致性檢驗后，得到目標層與準則層形成的區間判斷矩陣見表2。

表2 區間判斷矩陣Tab.2 Interval judgment matrix

由表2可知：

然后，運用matlab計算B-和B+的最大特征值及其所對應的具有正分量的歸一化特征向量v-和v+，即v-=(0.361,0.131,0.415,0.093)，v+=(0.331,0.141,0.438,0.090)；再根據式(5)得出ε=0.859，η=1.119；最后根據式(6)，得出權重向量m(Bt)=(0.340,0.135,0.423,0.102)。同理可得其他子準則層各指標關于準則層的權重，見表3。

表3 指標權重值Tab.3 Index weight values

3.3 應急能力度量

為方便信息的統計和分析，將專家團分為基層管理專家組e1、中層管理專家組e2和高層管理專家組e3三組，即m=3，設定專家權重集為{0.4,0.3,0.3}。根據客觀實際，各專家組采用語言評價集{極差，很差，差，一般，好，很好，極好}對該水電廠突發事件應急能力指標進行評價。限于篇幅，僅以準則層預防與應急準備Y1及其指標為例，專家組對其語言評價結果見表4。

表4 預防與應急準備Y1的語言評價結果Tab.4 Language evaluation results of prevention andemergency preparedness(Y1)

根據式(1)將語言評價信息轉換成二元語義形式，得到各專家組的評價矩陣R36：

首先根據式(8)對專家組的評價值進行集結，得到預防與應急準備Y1各指標的加權平均評價值分別為(s5,0.3)、(s5,-0.3)、(s4,-0.3)、(s5,0)、(s4,0.3)和(s4,-0.3)；再根據式(9)，計算得出準則層預防與應急準備Y1的綜合評價值為Δ(4.338)=(s4,0.338)，同理可得Y2、Y3和Y4的綜合評價值分別為(s3,0.083)、(s5,-0.360)和(s5,0.223)；最后結合準則層各指標權重及其綜合評價值，計算目標層即該水電廠突發事件應急能力綜合評價值：

4.460+0.102×5.223)=Δ(4.387)=(s4,0.387)

從數據分析可以得出，該水電廠突發事件應急能力整體水平為好。經進一步分析，預防與應急準備能力為好、應急監測與預警能力一般、應急處置與救援和應急恢復與重建能力很好。因此，該水電廠管理人員應加大應急監測與預警方面的資源投入，提高應急監測與預警能力，同時也應持續保持預防與應急準備、應急處置與救援和應急恢復與重建等方面的資源投入，保障水電廠突發事件應急能力更上一層樓。

4 結 論

本文根據國家法律法規，結合相關資料和實踐經驗，建立了水電廠突發事件應急能力評價指標體系，并將區間層次分析法運用于指標賦權中，充分考慮了專家經驗判斷的模糊性，使指標權重確定更加科學合理。同時，為解決水電廠突發事件應急能力度量中存在的模糊性問題，本文構建了水電廠突發事件應急能力的二元語義度量模型，該模型能夠系統刻畫水電廠突發事件應急能力，具有很好的適用性和可操作性，為水電廠運行管理人員及時發現應急能力薄弱環節提供了一種科學有效的方法。

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[1] 江學文.水輪發電機組振動保護工程應用研究[J]. 中國農村水利水電, 2012,(6):128-131.

[2] 張冬生,虎 勇,劉廣斌,等. 探究提高水電站事故應急處置能力的方法與途徑[J]. 水電能源科學, 2013,31(3):69-73.

[3] 鄭霞忠,邵 波,陳 玲,等.基于Euclid理論的水電工程施工安全熵評價[J].中國安全科學學報, 2014,24(6):38-43.

[4] 何曉紅. 應急體系建設在水電廠安全生產管理中的運用[J].電力安全技術, 2010,12(2):1-4.

[5] 鄭 琳. 高壩大庫水電站地震應急預案及亟待解決的問題[J].水力發電, 2014,40(5):73-76.

[6] 姜艷萍, 樊治平. 二元語義信息集結算子的性質分析[J]. 控制與決策, 2003,18(6):754-757.

[7] 王 振, 劉 茂. 應用區間層次分析法(IAHP)研究高層建筑火災安全因素[J].安全與環境學報, 2006,6(1):12-15.

[8] 李繼乾,蘇 醒,魏翠萍.區間數判斷矩陣的排序及一致性改進算法[J].數學的實踐與認識, 2008,38(22):147-153.