基于IAHP-云模型的工程爆破項目風險評價研究

霍世平 鐘鐵軍 李夏 高金垚 張森

(1.航天工程大學，北京 102200；2.中國人民解放軍32305部隊，北京 102202;3.中國人民解放軍32302部隊50分隊，北京 101400)

0 引言

工程爆破廣泛應用于礦山開采、危險建筑拆除、坑道施工、炸藥銷毀、大型基建等工程項目，受人員心理狀態(tài)、起爆器材性能、裝藥安定性等因素影響較大，具有風險性高、敏感性強、影響性大等特點。因此，對工程爆破項目進行科學的風險評估具有十分重要的意義。

通常，工程爆破項目風險評價以定性評價為主，如情景推演、安全檢查表等，較少采用科學合理的定量評價方法。因此，急需建立科學全面的工程爆破項目風險評價指標體系。

針對工程爆破項目風險定量評價，很多學者從不同角度進行了研究。張志雄等[1]采用FAHP方法對多跨渡槽爆破拆除過程中的風險因素進行評價，分析該項目的風險因素排序和風險等級。鄭臻等[2]采用組合賦權和云模型相結合的方法建立了爆破削方治理風險評價指標體系。張黎明等[3]引入模糊綜合評價法，對巖土爆破項目風險因素進行綜合評價,可為巖土爆破項目的安全操作提供參考。陳雪鋒等[4]引入集對分析理論，建立了爆破工程安全評價模型，并以某煙囪拆除項目為例，驗證該模型的有效性。何忠明等[5]運用集對分析理論和粗糙集方法建立高邊坡爆破作業(yè)安全評價模型。王丹丹等[6]采用模糊層次分析法對高樓拆除爆破作業(yè)中的風險等級進行評價。葉海旺等[7]基于HAZOP方法和模糊數(shù)學方法，建立了針對臺階爆破的風險評價模型。于秋等[8]采用事故樹分析法識別爆破作業(yè)中的潛在風險因素，但是缺乏對整個作業(yè)過程的定量評價。趙珂劼等[9]在模糊綜合評價法的基礎上，改進了傳統(tǒng)的AHP權重計算方法，使整個計算過程更加簡便，并對某工程爆破項目進行了風險評價。

綜上所述，工程爆破項目風險評價主要包括三個方面的內(nèi)容，即建立評價指標體系、確定指標權重、分層信息集結和擇優(yōu)排序。其中，確定指標權重十分關鍵。

確定指標權重的方法主要包括CRITIC法、層次分析法(AHP)、熵權法、DEMATEL法等。其中，AHP法應用廣泛且容易操作，但由于評估過程和結果具有隨機性和模糊性，該方法在確定指標權重時具有一定的局限性。基于此，本文引入?yún)^(qū)間層次分析法(IAHP)，采用區(qū)間標度代替?zhèn)鹘y(tǒng)AHP法中“點”的標度，用模糊標度代替絕對標度，計算結果為區(qū)間形式的權重向量。同時，結合云模型理論對項目綜合風險進行評價，使評價結果更加科學合理。

1 工程爆破項目風險評價指標體系構建

構建工程爆破項目風險評價指標體系，不僅要考慮作業(yè)人員在作業(yè)過程中的心理狀態(tài)和安全管理現(xiàn)狀，而且要充分考慮設備器材運行和環(huán)境特征等其他因素。

根據(jù)文獻研究成果及實際爆破項目經(jīng)驗，遵循系統(tǒng)、全面、科學、客觀的原則，邀請5名工程爆破領域專家和5名長期從事該項工作的操作人員，通過頭腦風暴法分析工程爆破項目可能存在的風險因素，并運用德爾菲法設計專家調查表，通過三輪意見征詢最終識別出工程爆破項目風險因素，共包括5個一級指標和18個二級指標，并建立工程爆破項目風險指標體系，見表1。

表1 工程爆破項目風險指標體系

2 工程爆破項目風險評價方法

2.1 云模型理論概述

2.1.1 云模型定義

云模型基于概率論和模糊數(shù)學兩種數(shù)學方法的思想內(nèi)核，能夠解決評價類問題的模糊性和隨機性之間的關聯(lián)性表示問題，最終反映評價過程產(chǎn)生的不確定性，為定性評價與定量評價相互轉換提供了新的思路，能夠得到更加直觀的評價結果[10]。

云模型的定義[11-12]為：設U為一個用數(shù)值區(qū)間表示的定量論域區(qū)間，定量論域區(qū)間U中的一個定性概念為C。若元素s∈U，且s是概念C的一次隨機實現(xiàn)，則s對C的確定度μ(s)∈[0,1]具有穩(wěn)定傾向。

2.1.2 云模型的數(shù)字特征

云模型的數(shù)字特征反映了評價概念的整體特點。通過云模型的數(shù)字特征，可以定量顯示評價結果的理想?yún)^(qū)間和評價結果的模糊性與隨機性。以期望Ex、熵En、超熵He進行表示，記為C(Ex,En,He)[11-13]。其中，期望Ex是最能夠反映定性概念的點，在云圖中處于云峰的位置。在該位置，隸屬于這個定性概念的確定度為1。熵En代表概念的模糊性，數(shù)值越大，說明概念的不確定性與模糊性越大。超熵He表示熵的不確定性，該值越大，說明評價結果的不確定性越大。

2.1.3 云發(fā)生器

按照定性定量概念的轉化方向，云發(fā)生器可以分為正向云發(fā)生器和逆向云發(fā)生器。正向云發(fā)生器是實現(xiàn)定性概念向定量數(shù)據(jù)轉換的算法，適用于標準云的生成過程，通過給定的云數(shù)字特征生成大量的二維云滴。由于正態(tài)云具有普適性，本文采用正態(tài)云發(fā)生器生成標準云。正態(tài)云的正向發(fā)生器算法如下[14]：

(4)重復上述步驟M次，產(chǎn)生M個云滴。

逆向云發(fā)生器是實現(xiàn)定量數(shù)據(jù)到定性概念轉換的算法。逆向云發(fā)生器運算過程如下[14]：

(1)計算樣本的xi的平均值，即

Ex=Mean(xi)

(2)計算樣本的一階絕對中心矩和二階中心矩，公式如下

(3)當0

2.2 基于可能度改進的區(qū)間層次分析法

IAHP方法是在傳統(tǒng)AHP方法的基礎上，運用區(qū)間數(shù)學方法的思想，基于區(qū)間數(shù)構造判斷矩陣，再利用判斷矩陣求解權重。該方法能夠更加客觀地對工程爆破項目風險影響因素進行比較，得到的指標權重更加客觀科學。

IAHP求解方法主要有迭代法、隨機模擬法、區(qū)間特征根方法等。本文基于文獻研究成果，首先，利用區(qū)間特征根法求得區(qū)間向量權重；其次，利用可能度法代替中心區(qū)間法，得到更加客觀的權重點值，以解決一級區(qū)間權重發(fā)散的問題。

基于可能度的IAHP方法計算步驟如下[15-16]：

(1)采用區(qū)間數(shù)的形式構造兩兩判斷矩陣。其中，重要性確定采用1～9標度法，1表示同等重要，9表示極端重要。公式如下

即

(3)計算權重區(qū)間向量。即w=[kx-,mx+]，其中

(4)定義P(X>Y) 為X≥Y的可能度值。對應的區(qū)間數(shù)為x=[x-,x+]，y=[y-,y+]，則可能度的計算公式[17]為

P(X>Y)=

式中，L(X)=x+-x-；L(Y)=y+-y-。

(5)兩兩比較區(qū)間數(shù)綜合權重。建立可能度判斷矩陣P=(pij)n×n。通過該矩陣求得綜合權重向量的點值矩陣，綜合權重向量W=(w1,w2,…,wn)T由下式確定

2.3 工程爆破項目風險評價流程

基于IAHP-云模型的工程爆破項目風險評價流程如下：

(1)利用基于可能度的IAHP方法分別計算一級指標和二級指標的權重向量。

(2)確定工程爆破項目風險等級的評語集和評語范圍，將風險按照低風險[0,20]、較低風險[20,40]、中風險[40,60]、較高風險[60,80]、高風險[80,100]進行劃分，利用云模型將評語對應的評語區(qū)間轉化為標準云參數(shù)，轉換公式如下

(3)邀請專家對二級指標的風險等級打分，通過逆向云發(fā)生器生成各二級指標的云數(shù)字特征，利用浮動云算法生成一級指標的數(shù)字特征，進而生成整個工程爆破項目的云數(shù)字特征。云浮動公式如下

(4)利用云正向發(fā)生器將云數(shù)字特征生成綜合云圖，將標準云圖與綜合云圖進行對比，得到工程爆破項目風險等級。

3 案例分析

3.1 風險等級評價過程

以某工程爆破項目為例，對該項目的風險等級進行評價。以一級指標為例，運用基于可能度的IAHP方法對一級、二級指標權重進行計算，對指標采取區(qū)間數(shù)的形式打分，構建一級指標權重判斷矩陣，見表2。

表2 一級指標權重判斷矩陣

運用區(qū)間特征根方法得到一級指標權重向量為

x+=(0.394 3, 0.065, 0.042, 0.307 4, 0.191 2),

x-=(0.390 9, 0.066 7, 0.047 5, 0.299 5, 0.195 3)

經(jīng)計算得到k=0.915 5,m=1.070 7。由此計算得到權重向量為

w=(0.357 9 0.422 2,0.061 1 0.069 6,0.043 5 0.045 0,0.274 2 0.329 1,0.178 8 0.204 7)

構建可能度判斷矩陣，即

進行歸一化處理，得到一級指標權重為

w(A)=(0.29,0.14,0.1,0.24,0.24)

同理，求得其他二級指標的權重分別為

w(A1)=(0.33,0.41,0.15,0.11)

w(A2)=(0.35,0.33,0.11,0.09,0.12)

w(A3)=(0.14,0.35,0.41,0.07)

w(A4)=(0.42,0.23,0.35)

w(A5)=(0.33,0.67)

邀請10名專家和相關人員組成專家組，其中專業(yè)技術人員5名、管理人員2名、操作人員3名。采取問卷調查的形式對人員技能水平等18個二級指標進行評分。分值越高，說明該因素的潛在風險越大。利用逆向云發(fā)生器得到云模型各指標的數(shù)字特征，見表3。

表3 工程爆破項目云模型各指標數(shù)字特征

將綜合權重w和因素層云數(shù)字特征Ci(Exi,Eni,Hei) 分別代入公式，得到該工程爆破項目風險評價綜合云為C(22.84,8.21,1.96)。同時，得到一級指標的云模型數(shù)字特征分別為：C(A1)(29.196,7.964,1.77),C(A2)(14.05,8.12,2.903),C(A3)(24.56,8.26,1.72),C(A4)(15.71,8.51,2.37),C(A5)(26.705,8.26,1.80)。

運用MATLAB軟件生成該項目風險綜合評價云圖，如圖1所示。各一級指標的風險評價云圖如圖2～圖6所示。

圖1 綜合風險評價云圖

圖2 人的因素風險評價云圖

圖3 設施因素風險評價云圖

圖4 環(huán)境因素風險評價云圖

圖5 管理因素風險評價云圖

圖6 裝藥特性風險評價云圖

3.2 評價結果分析

通過IAHP-云模型對某工程爆破項目風險水平進行評價，結果顯示，該項目綜合風險云模型數(shù)字特征為C(22.84,8.21,1.96)。

由圖1可知，綜合風險等級接近于較低風險，說明在較低風險的隸屬度較大。根據(jù)最大相關性原則可知，該工程爆破項目的風險等級為較低風險。其熵值En為8.21，數(shù)值較小，說明評價結果不確定性較低；超熵He為1.96，說明評估結果穩(wěn)定性較高。根據(jù)云模型的3E原則可知，當En/3>He時，評估結果更加可靠。該項目綜合云模型為C(22.84,8.21,1.96)，說明評價結果較為可靠。

由圖2～圖6可知，人的因素和裝藥特性云期望值比其他因素期望值高，表明人的因素和裝藥特性風險水平較高。因此，需要進一步加大培訓力度，不斷提高作業(yè)人員技能水平，制訂合理的實施方案，最大限度地降低風險發(fā)生概率。

綜上所述，該項目處于較低風險水平。在實際爆破過程中，應加強火花、靜電等相關防護措施。同時，應加強教育管理，常態(tài)化開展操作安全培訓，加大隱患排查力度，不斷優(yōu)化安全管理制度。

4 結語

本文基于IAHP-云模型對工程爆破項目進行了風險評價，克服了傳統(tǒng)風險評價方法的缺陷，降低了主觀風險評價的模糊性和隨機性，為決策者提供了科學的決策依據(jù)，可為其他項目風險評價提供參考。