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均具備一定的危險性，雖然現在的監管力度較以往高出很多，但是仍然存在因監管不力造成的施工人員傷亡事件，水利水電施工的監管部門依舊擔負著巨大的壓力。導致施工危險的首要因素就是沒有一個準確的施工安全評級制度，以至于在各類施工中監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。一旦將施工的幾個步驟按照危險性評定等級，就可以有針對性的避免危險事項，或者在其中加大監察力度。在現有的幾種安全評估方法中，文獻[1]建立了一種具備多種安全等級的評價指標，并在風險評估模型中使用了層次分析的方法，應用于某項輸變電工程。該方法系統性地將施工風險分為人為因素、環境因素、機械器具因素、管理因素等四個方面，并分別評分。文獻[2]評價了不同地質分類下的高速公路施工項目的風險，由于地質條件十分復雜，導致該評估方法的評估指標也非常多，甚至其權重的計算也很困難，但是其中對于評價指標排序與權重系數的推薦非常具備代表性，可以在現場實驗中獲取較高的評估精度，該評估方法的缺點是只適用于地質分類的評估，對其他分類標準很難具備推廣性。文獻[3]獲取了隧道施工安全性能的評估指標，將抵抗力、適應力、恢復力3項重要屬性作為施工的評價體系，基于理想模糊物元，確定了評價等級。該方法將評估參數分為3個等級，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，是一項極具實用性的評估方法。

1 基于模糊概率算法設計水利水電施工安全評估方法

1.1 構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果推導過程的演繹方法，可以將具備一定可能性的事故分類通過一層一層的原因，從起始項開始尋找到可能的發生經過，并將這些事故全部在分析中演繹出來，形成一個具備定性與定量分析作用的技術，可以廣泛地應用于工作事故或儀器的故障處理中[4]。在事故樹的構成中，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處于正常狀態下的符號，當該符號出現時則說明該階段未發生安全事故；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[5]。在這幾個符號的基礎上對事件進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果，當Ud(i)大于1時，表明某因素為故障原因，當Ud(i)=0～1之間時，表明該因素不能明確故障原因，當Ud(i)小于0時，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果，即該事故發生時，某因素的可用狀態參量；kp-基本事件k發生的概率；ni-該事故樹所具備的事故因素數量；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[6]。

通過以上公式，可以明確一個故障樹在水利水電施工安全評估中的根本分析指標。當通過定性方法分析得到該因素為危險因素時，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系見表1。

表1 事件發生量化指標

通過表1的量化指標，可以通過量化值加固對事故發生概率的理解，使只有較少人知道了解的知識可以便捷的傳輸到其他人那里，因此可以實現更為廣泛的應用。同時，通過該指標還可以確定事故樹中由果導因的基本路線。

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威性的方法顯示出來，在構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[7]。這是需要比較所有指標的影響系數，以此作為每一層級中的比重，并獲取比較尺度計算不同目標的影響結果，最終獲取比較矩陣：

(2)

式中，當Hij大于0時，該矩陣表示單層次模型，但是當Hij小于0時，該矩陣表示多層次模型。且在通常情況下，i=j。

依據該比較矩陣，計算幾種模糊數的隸屬度，可以得到隸屬函數，如圖2所示。

圖2 隸屬度函數

由此可見在事故樹分析中，隸屬度函數在模糊度為0.5時達到最大值。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，用于重大危險事故發生的概率計算，其表達式分別為：

(3)

式中，Pio、Pan—或門模糊算子、與門模糊算子；pi—某事件發生的概率[8]。

由于事故樹分析方法難以被模糊化，因此在復雜的系統中需要使用如公式(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—兩個相鄰的水利水電施工風險層級；hi-1—評價模型中的危險等級。

根據以上方法，可以得到水利水電施工安全評估模型，并基于此獲取風險參數與風險等級。

2 實驗研究

2.1 建立施工危險層次模型

以某水利水電施工工程為例，判斷文中設計的安全評估方法的有效性。在水利水電施工過程中，如果發生意外，很容易造成人員傷亡以及巨大的財產損失，為保證施工的安全，需要根據科學全面的評價標準，制定安全評估指標。能夠導致水利水電施工工程出現危險的因素有很多，包括施工人員自身的能力水平或機械檢修維護情況等，在結合實際水力水電施工工作的前提下，可以分層分析評價因素，形成一個梯階狀的層次模型，如圖3所示。

圖3 水利水電施工工程安全風險層次模型

水利水電施工工程安全評估的風險層次模型，在第二階梯主要分為4個分類，如圖3所示，分別是由施工人員帶來的風險、由工程所需物品帶來的風險、由管理漏洞帶來的風險、由自然環境帶來的風險，這四個風險種類可以基本涵蓋所有可能帶來風險的因素。在人的因素中，主要包括建設管理人員的管理能力不足、施工項目組的專業技術水平不足、施工工作人員身心不健康3項因素。在物的因素中，包括機械設備性能較差、機械設備安裝拆卸導致損壞、機械設備沒有按時檢修維護、原材料或中間產品沒有經過檢驗等4項原因。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定的技術手段工作、施工工人沒有按照安全培育手冊上的過程施工、監察者沒有及時現場檢查、事故應急處理規范不準確等5項因素。在環境因素中，包括水文地質條件惡劣、氣候條件不適合施工、施工現場作業條件不達標、市場經濟環境不好等4項因素。

2.2 構造判斷矩陣

結合本實驗的工程實例，依據圖3中的層次模型，可以分別得到B1、B2、B3、B44個判斷矩陣，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—某層次中數據的一致性指標，n—層次數量。

通過該指標的特征向量(即權重指標)計算如下：

(5)

式中，ai—下一層次的權重特征，hij—上一層次的權重特征。

最后依據以上兩個公式計算每個矩陣的單層次一致性，在總排序下，計算公式為：

(6)

式中，CRn—矩陣中某個層次的一致性概率，當CRn小于0.1時，表明該層次滿足一致性目標；ai—該層次中某一特征指標；CIn—該層次的一致性指標；RIn—該指標的風險因子。

基于以上方法，檢驗評估權重是否滿足一致性要求。

2.3 施工風險模糊概率評估

在本施工實例中，該水利水電施工共分為4個階段，在每一個階段中，均可以通過以上方法得到判斷矩陣與權重指標，并計算風險參數[10]。風險參數與風險因子、風險等級之間的關系如圖4所示。

圖4 風險指標判定

由圖4知，風險因子的區間為0.6～1.0，風險參數則主要分為5個等級，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個風險參數的等級，得到相對應的5個風險等級，分別為極低、低、中、高、極高。據此在4個階段的工程中，分別計算16個項目的風險參數，見表6。

表6 風險指標評價

由表可看出在基于模糊概率的施工安全評估方法中，大多數的風險參數均小于0.6，即風險等級處于極低、低、中3個等級中間。只有C5項目的第一階段、C8項目的第二和第三階段、C12項目的第四階段、C14項目的第二階段風險參數在0.6～0.8之間，其風險等級為高。通過以上數據可知，本文設計的評估方法可以直觀地得到任意階段、任意項目的安全性，工作人員可以據此完善自身的安全防護工作，極大程度上提升了施工人員的生命安全[11]。

3 結語

由于近些年來我國水利工程規模的增大，在水力工程建設領域的安全問題已經刻不容緩，為解決該問題，本文設計了一種基于模糊概率的水利水電施工安全評估方法，可以較為準確地評估施工過程中的風險因素與風險等級，并使得安全員能夠有意識地進行安全防護工作。在評價與計算指標體系的過程中，驗證了實際工程中的防護問題，提高了施工人員的生命安全。但是在運用過程中存在一些不足之處，比如：對于多因素、多層次的復雜評價其計算比較復雜。建立更加切實可行且有效的水利水電施工安全評估等有待進一步的研究。今后希望能將評估方法進行完善。