基于多元聯系數的水電工程高危作業風險態勢評估

左恒奕

(貴州水投水務集團有限公司，貴州 貴陽 550002)

水電工程施工環境受水文、地質、地形等條件影響，交叉作業多，施工作業中涉及風險因素不確定且復雜，難以定量分析作業的風險狀態，未能及時采取有效預控措施，造成安全事故多而易發。因此，通過定量分析水電工程高危作業的風險狀況，預測其變化趨勢，指導水電工程高危作業風險管控，對提高水電工程作業安全水平具有重要意義。

水電工程高危作業風險研究是安全管理中的重要內容，國內外學者對此進行系列研究。張靜等[1]采用問卷調查和因子分析等方法，歸納影響施工作業非安全行為的關鍵因素，為施工企業和政府安全管理部門制定安全規章提供科學依據；鐘登華等[2]運用網絡分析法，建立ANP結構模型，對風險因素影響程度進行排序；鄭霞忠等[3]建立水電工程高危作業SEM模型，定量描述了風險因素間的關聯程度；徐天寶等[4]引入事故樹分析法，構建水電工程建設生態風險事故樹模型，計算風險概率值，揭示風險系統內部關聯因子間數學關系；肖堯等[5]運用CSRAM法，計算風險因素概率分布，實現施工進度風險的定量分析；Qien.k等[6]考慮在風險變化的影響條件下，進行風險指標分析及風險預警。

上述成果對水電工程高危作業風險因素及因素間相互關系進行了系統研究，為水電工程高危作業風險評估提供了參考。但在風險評估過程中未能同時考慮評估系統中確定和不確定特性；同時，風險評估結果多為靜態現狀分析，對風險動態變化的研究相對單一。風險態勢評估的研究中，集對分析理論的多元聯系數已在煤礦、航空等學科領域中初步應用，但在水電工程領域研究應用的報道相對較少。鄭僑宏等[7]通過五元聯系數建立礦工不安全行為風險態勢評估模型；施志堅等[8]對航空維修系統進行風險分析時，引入多元聯系數，利用集對勢評判系統風險態勢；萬俊強等[9]建立基于博弈論和多元聯系數SPA風險評估模型，評估分析空中管制安全系統的風險等級及趨勢變化。上述研究工作中驗證了多元聯系數在風險態勢評估中應用的可行性，為后續研究提供了參考依據。

鑒于此，本文引入集對分析理論，運用組合賦權法和五元聯系數建立風險態勢評估模型，通過態勢函數對水電工程高危作業風險態勢進行靜態分析，同時，綜合正向演化和負向演化得到全偏聯系數，對風險發展趨勢進行動態預測，結合水電工程高危作業風險的靜態和動態分析，以期為風險預控提供理論依據。

1 多元聯系數集對分析

1.1 集對分析與聯系度

集對分析是通過聯系數分析處理研究系統中確定和不確定問題的數學方法[10]。實際應用建立待評價對象和理想方案的2個集合并構成集對，分別從同異反角度計算聯系度，定量分析不確定系統的同一性、差異性、對立性。

設定待評價對象和理想方案為集合A、B并構成集對H，即H=(A,B)。若集對H中存在N個特征總數，其中集合間共有特性數為S，對立特性數為P,F為既不共有也不對立的特性數，即F=N-S-P，集對的聯系度μ表示為：

(1)

式中S/N——集合間的同一度，記作a；F/N——集合間的差異度，記作b；P/N——集合間的對立度，記作c；?a,b,c∈[0，1]，且a+b+c=1；i，j——標記符號，其中i為差異標記符號，i∈[-1,1]，j為對立標記符號，j=-1。

1.2 五元聯系數與偏聯系數

聯系數是定量分析研究系統中評估對象在聯系狀態下的數學函數。聯系數μ中，a,b,c,j為宏觀參數，i為微觀參數，擴展bi部分，即可表示多元聯系數。

μ=a+b1i1+b2i2+…+bnin+cj

(2)

當n=3時，即為五元聯系數表達式，一般簡記為：

μ=a+bi+cj+dk+el

(3)

式中 ?a,b,c,d,e∈[-1，1]；i∈[0,1]；j=0；k∈[-1,0]；l=-1；a+b+c+d+e=1。

多元聯系數的偏聯系數為聯系數表達式的求導形式，定量刻畫了聯系數的變化趨勢，其中五元聯系數的偏聯系數為：

?μ=?a+i?b+j?c+k?d

(4)

2 基于多元聯系數的水電工程高危作業風險態勢分析模型

2.1 水電施工企業高危作業風險評估指標體系

為了解水電工程高危作業的安全現狀，加強水電工程高危作業的風險管控，針對水電工程施工條件復雜、事故多發易發、高危作業影響因素多等特征，結合GB/T 33000—2016《企業安全生產標準化基本規范》[11]，通過現場調研和問卷調查，分析總結水電工程高危作業風險構成因素，建立企業影響、安全管理、施工人員行為、現場作業相關因素四大方面、包含20個二級風險指標的水電工程高危作業風險評估指標體系，評估體系見圖1。

圖1 水電工程高危作業風險評估指標體系

2.2 指標組合權重的確定

2.2.1熵值法計算權重

熵值法通過衡量評價指標系統中各指標因素所包含有效信息量大小，以此為依據確立指標的權值[12]。熵值法中熵值的大小表明事件發生的概率和有序程度，事件發生概率和有序度越大則系統的熵值越大，熵值越大包含的有效信息量越少，權重也越小；反之，熵值越小權重越大。

根據熵的計算原理，在水電工程高危作業風險評估指標體系中，一級指標層j下的二級評價指標i的熵值表達式為：

(5)

評估指標i的權值計算式為：

(6)

2.2.2序關系分析(G1)法計算權重

專家對評價指標集{a1,a2,…am}進行分析時，依據相關評價準則進行指標間重要度比較，若認為某一評價指標ai在評價體系中的重要度大于aj時，記作ai>aj。利用G1法對水電工程高危作業風險評估因素集{x1,x2,…xm}進行序關系排列，即

(7)

(8)

(9)

2.2.3組合賦權法確立權重

結合熵值法和G1法對水電工程高危作業風險分析指標進行賦權，綜合考慮了權重確立的主觀性和客觀性，既發揮了專家的知識經驗，又可以充分利用客觀的數據信息。因此，本文將融合熵值法和G1法，確立水電工程高危作業風險分析指標組合權重。

(10)

式中θ——G1法確立的權重在組合權重中的比重。

為保證參數θ選取的客觀性，本文利用變異系數法[13]求解，計算公式為：

(11)

2.3 風險評估的同異反評估模型

考慮到水電工程高危作業風險評估的復雜性與不確定性，在構建水電工程高危作業風險評語集過程中，參考已有文獻的研究[14]，將風險評語集U分為低風險、較低風險、中等風險、較高風險、高風險五類狀態等級。

根據上述風險等級劃分標準，由N位風險評估專家對評估指標進行風險等級劃分，風險評估結果記作R=Nij/N(Nij表示風險評估中將風險因素i劃分為等級j的專家人數)。考慮評估過程中的不確定性，引入評估指標的五元聯系數系數，建立基于五元聯系數的水電工程高危作業風險評估同異反評估模型，識別各評估指標與風險等級的相符程度。

μ+=a+bi+cj+dk+el

(12)

式中?a,b,c,d,e∈[-1，1]，且a+b+c+d+e=1，依次為五元聯系數的同分量、偏同分量、臨界分量、偏反分量、反分量，依次對應上述水電工程高危作業不安全行為風險等級標準；i∈[0,1]；j=0；k∈[-1,0]；l=-1。

考慮到水電工程高危作業風險評估因素權值對評估結果的影響，根據本文建立的風險因素指標權重計算方法，式(12)可表示為：

μ+=wj·R·ET=

(13)

2.4 風險的態勢及趨勢分析

2.4.1水電工程高危作業風險態勢分析

為進一步分析水電工程高危作業實際風險狀況與理想參照集間的相互關系，根據集對勢的定義，確立水電工程高危作業風險評估的五元聯系數集對勢：

shi(μ+)=a/c(c≠0)

(14)

當風險等級處于同勢區，表明水電工程高危作業實際風險程度與理想風險參照集間態勢一致；當風險等級處于均勢區，表明水電工程高危作業實際風險程度與理想風險參照集處于“勢均力敵”的態勢，風險處于“低風險”和“高風險”相互變化階段中；當風險等級處于反勢區，表明水電工程高危作業實際風險程度與理想風險參照集處于對立態勢，此時，管理部門立即采取措施，加大風險控制力度，降低風險等級，并促使風險態勢向同勢區變化。

通過比較五元聯系數中聯系分量大小關系，同時對比五元聯系數系統同勢態勢表，確定水電工程高危作業風險態勢勢級。基于篇幅，本文給出部分相關同勢態勢，見表2。

表2 部分五元聯系數同勢態勢

基于五元聯系數的系統同勢態勢表中，同勢勢級共分為65級別[15]，勢級的大小表明實際風險與風險等級中“低風險”的相符程度，勢級越小則水電工程高危作業風險評估越接近理想評估標準等級，同時，指標體系中處于同勢區的風險指標越多表明系統處于同勢區的程度越高。

2.4.2水電工程高危作業風險趨勢預測

根據集對分析理論，集對勢實現了水電工程高危作業風險在宏觀層次上的風險評估，而偏聯系數刻畫了微觀層面上評估系統的發展趨勢，兩者共同組成了對研究對象在宏觀與微觀層次上的數學描述。在微觀層次上，水電工程高危作業風險狀況會同時存在趨向正方向發展和負方向發展的矛盾運動，偏聯系數中偏正聯系數和偏負聯系數的實現了對態勢發展的定量分析。

偏正聯系數刻畫了評估系統中態勢向較高層次演化的過程，體現了聯系數的正向變化趨勢，其計算式為：

?+μ=?+a+i+?+b+j+?+c+k+?+d

(15)

偏負聯系數刻畫了評估系統中態勢向較低層次演化的過程，體現了聯系數的負向變化趨勢，其計算式為：

?-μ=?-a+i-?-b+j-?-c+k-?-d

(16)

全偏聯系數是綜合了聯系數正向和負向變化，反映了系統中矛盾運動的發展趨勢，其計算式為：

?μ=?+μ+?-μ

(17)

3 實例分析

3.1 工程資料

以四川省某水電工程為例，該水電工程壩高295 m，裝機容量300萬kW。現對該水電工程施工作業的安全現狀，進行風險態勢評估，以驗證本文所提出方法的有效性。根據所建立的風險指標體系設計調查問卷，向一線作業人員、技術人員、安全管理人員、安全管理方面專家四類人員共發放35份問卷。考慮到四類人員的學術水平、工作經驗等影響評估條件的差異，結合評估者的工作年限、職稱、對安全理論的熟悉程度及對該水電項目的了解程度等情況，對四類評估人員賦權：

3.2 評估風險態勢及趨勢

根據各類人員對本水電工程高危作業風險程度的五級風險評語集，結合熵值法和G1法計算得到各指標組合權重，利用式(5)—(14)計算水電工程高危作業五元聯系數表達式并進行態勢分析，結果見表3。

表3 水電工程高危作業風險聯系數及計算

各類評價指標的五元聯系數中的聯系分量a、b、d、c、e大小關系見表3，結合五元聯系數系統態勢表，綜合各類評價指標后的水電工程高危作業總風險的態勢關系μ+=0.329+0.223i+0.214j+0.132k+0.102l，其中a>e，a>b，b>c，c>d，d>e，為同勢1級，處于強同勢區，風險等級為低風險狀態。各類一級指標中，“安全管理”“施工人員行為”“現場作業相關因素”風險等級均為低風險，態勢結果分別為：同勢19級、同勢3級、同勢1級，均為強同勢，表明實際風險狀態較好；“企業影響”風險等級為中等風險，態勢為同勢61級，為微同勢，表明風險狀態一般，管理者應該針對企業影響層面采取有效措施，保證本水電工程高危作業風險程度維持在較低水平。

利用式(15)—(17)計算水電工程高危作業風險趨勢分析中的正偏聯系數、負偏聯系數、全偏聯系數，結果見表4。

表4 水電工程高危作業風險偏聯系數值

結合偏聯系數的計算結果，整體系統處于負向發展趨勢，且四類一級指標均處于負向發展趨勢，表明本水電工程高危作業系統存在變差、風險不斷增加的情況。

綜合表3、4計算結果，著重分析反勢區、均勢區、同勢區末端的風險指標。“安全文化氛圍”和“操作違規”處于反勢區，發展趨勢分別呈正向和負向趨勢，“操作違規”存在變差的情況，管理者應針對這兩項指標立即組織人手，采取措施，降低其風險程度；“知覺與決策能力”處于均勢區，呈正向發展趨勢，管理者應采取必要措施，促使這些指標向同勢區轉化；“安全生產投入”“施工作業安全”“技術保障措施”態勢結果分別為同勢62級、同勢65級、同勢50級，均處于同勢區末端，發展趨勢中三者分別呈正向、負向、負向發展趨勢，管理者也應重視同勢區末端的這些指標，采取措施促使其向同勢區的前端轉換。

4 結論

a)本文通過五元聯系數建立水電工程高危作業風險態勢評估模型，全面剖析風險的動靜情況，靜態分析水電工程高危作業風險程度，動態預測水電工程高危作業的變化趨勢。同時考慮到僅在正向演化假設下系統態勢評估的片面性，綜合正向和負向偏聯系數，綜合評估預測風險態勢，為水電工程高危作業風險管控提供理論指導。

b)通過實例分析，研究的水電工程高危作業風險評估等級為較低風險，評估系統整體呈負向發展趨勢，存在情況變差的風險。二級風險指標中“操作違規”“施工作業安全”和“技術保障措施”情況較為突出，風險程度較高且風險狀態呈負向發展趨勢，后續水電工程高危作業的風險管控措施編制中需重點關注。