基于改進突變級數法的引水隧洞施工安全綜合評價

張 賀，聶元東

（上海勘測設計研究院有限公司，上海 200335）

引水隧洞是水利工程的重要組成部分， 大型引水工程建設需要穿越山體，且多為隧洞形式［1］。相較于地上空間，其施工環境存在地質和施工條件惡劣，高危作業風險眾多，危險源交叉頻繁等問題，導致不安全事故時有發生［2］。識別并防范引水隧洞施工潛在危險源，提升企業風險管理能力，能夠有效減少事故發生幾率，減少企業損失。因此，應針對引水隧洞施工環境特點，對引水隧洞施工安全進行系統分析和風險評估，以期提升水利施工企業安全管理效率。

近年來， 國內外眾多學者針對水利施工安全風險分析和風險評估方法進行深入研究。 鐘登華等［3］運用改進集對分析方法對高心墻堆石壩填筑工期過程進行了仿真和風險評價， 建立了多元聯系數表達的施工進度網絡計劃模型， 并針對性地提出了基于改進集對分析方法的風險評價蒙特卡洛仿真流程。鄭霞忠等［4］基于D-S 證據理論的方法，對引水隧洞作業人員安全行為水平進行分析， 提出了基于D-S證據理論的作業人員安全行為評價方法。然而，缺乏系統化的評價體系以評估水利工程全過程風險狀態。陳述等［5］基于系統理論的視角，充分分析水利工程施工安全標準化所具備的特點， 系統提出了水利工程施工安全標準化體系。

以上研究對引水隧洞施工提供了理論參考，然而這些研究多基于靜態視角對水利工程進行風險評估，忽略了施工過程的動態風險和風險相關性。此外水利工程和引水隧洞工程施工內容存在一定差異，仍缺乏針對引水隧洞施工風險評估的相關研究。相比靜態風險理論評估過程， 突變理論關注風險動態過程，能夠有效彌補前者在施工風險分析中的不足。鑒于此，本文基于突變理論視角，提出了引水隧洞施工安全評價方法， 以期為水利工程施工風險分析和管理提供新穎的分析模型和理論工具。

1 引水隧洞施工安全評價指標

1.1 引水隧洞施工安全突變特征

突變理論首先由法國數學家Rene Thom 在1974年提出，以拓撲學和奇點理論為工具，研究系統在動態發展過程中的非連續變化和突變現象［6］。在應用突變理論對系統進行分析時， 首先要確定系統在動態的過程中會出現突變， 即受到擾動后系統的穩定狀態會突然轉化為另一種穩定狀態。 引水隧洞施工存在多種風險因素，多種風險因素之間相互影響。因此，在進行引水隧洞的安全評價時，應厘清風險因素之間的相互影響關系，以建立可靠的評價指標體系。本文基于水利工程的引水隧洞施工背景， 對其安全事故的演化過程進行分析， 歸類總結引水隧洞發生安全事故特征，如表1。

表1 引水隧洞工程施工安全突變特征分析

1.2 引水隧洞施工安全評價指標體系構建

由于引水隧洞施工存在多種風險因素， 且多種風險因素之間相互影響。 因此在進行引水隧洞的安全評價時厘清風險因素之間的相互影響關系， 對建立完善的評價體系至關重要。 在篩選引水隧洞突發事故的影響因素時，要堅持科學性、綜合性、系統性和可比性等原則。根據之前的研究，收集了水利工程中引水隧洞安全管理的大量資料［7］，結合以上引水隧洞施工安全突變特征分類和引水隧洞施工現場情況， 共厘清14 個引水隧洞施工安全狀態影響因素，具體的指標體系及突變類型如圖1。

圖1 水利工程引水隧洞安全狀態影響因素指標體系

2 模型構建

2.1 ISM-ANP 組合賦權方法

水利工程引水隧洞施工情況復雜，安全風險因素眾多， 不同風險因素之間相互聯系。ISM 模型能夠分析引水隧洞安全狀態影響因素之間的相互關系，展示各影響因素之間的關聯［8］。網絡層次分析法（ANP）是層次分析法（AHP）的擴展，適用于系統中元素之間、 元素集之間存在相互影響的網絡結構決策問題。 鑒于此， 本文構建ISM-ANP 組合賦權方法，組合賦權模型的步驟如下：

第一步：建立鄰接矩陣。將圖1 的14 個安全狀態影響因素記為Xi（i=1,2,...,14）建立14 階矩陣，若Xi與Xj之間存在相互影響的關系則在14 階矩陣中記Xij=1,若不存在相互影響的關系則記Xij=0。

第二步： 計算可達矩陣并建立ISM 層次結構模型， 設矩陣Y 為矩陣X 和其單位矩陣I 的和，當Y1≠Y2≠...Yr-1≠Yr時，則可達矩陣R=Yr-1。根據可達矩陣R 可求得可達集合R（Xi）的前因集合Y（Xi）。其中，R（Xi）為可達矩陣R 各行元素為“1”時所對應的各行的要素組成的集合，Xi表示能夠影響到的所有因素。Y（Xi）可達矩陣R 各行元素為“1”時所對應列的要素組成的集合， 表示所有Xi能產生的所有因素。 對影響地下施工安全狀態的因素進行層級分類時需滿足如下原則：R（Xi）∩Y（Xi）=R（Xi）。

第三步：構造控制層次和網絡層次。首先界定決策目標，本文中決策目標為引水隧洞施工安全狀態。其次歸類安全狀態影響元素集， 基于ISM 模型分析結果，分析元素集之間的相互關系及其內部關系，即分析一級指標之間的相互關系及一級指標下內部安全狀態影響因素之間的相互關系。

第四步：構造ANP 超矩陣計算安全影響因素權重。首先需在專家意見下使用間接度優勢比較法，對14 個引水隧洞施工安全影響因素進行兩兩比較，運用1～9 標度構造各引水隧洞施工安全狀態影響因素的兩兩比較判斷矩陣, 將判斷結果輸入超級決策軟件（Super Decision）中對判斷矩陣進行歸一化處理和一致性檢驗，最后得到初始超矩陣。然后根據未加權超矩陣—加權超矩陣—極限超矩陣的順序得到影響因素的權重。

2.2 突變模型構建

在突變理論中將勢函數f(x)作為系統的狀態變量，x 作為系統中的控制變量。在實際應用中，首先建立勢函數將其作為確定系統狀態突變臨界點的依據，所有的臨界點集合為一個平衡曲面。對建立的勢函數f(x)進行一階求導得到f(x)'，令f(x)'=0 得到平衡曲面的方程，再對f(x)進行二階求導得到f(x)''，令f(x)''=0 得到平衡曲面的奇點集合。將上述兩個等式聯立和整合就可以得到分解形式的分歧方程，從而得到歸一化公式。在突變系統中當控制變量小于5個時，有7 種基礎突變模型；當狀態變量只有1 個時，有4 種基礎突變模型，分別為折疊型、尖點型、燕尾型和蝴蝶型。 其勢函數公式和歸一公式如表2。

表2 基礎突變模型及其歸一公式

突變級數法避開了人為給指標賦權， 一定程度上減少了評價結果的主觀性， 但是突變級數法中仍然需要對指標進行重要性排序。 除此之外由于歸一公式的聚集特點會使得最后的隸屬值偏高并趨于1。因此為了得到更為準確的評價結果，本研究對傳統的突變級數法進行以下兩個方面的補充和修正，對指標進行權重排序時使用ISM-ANP 組合方法，以期得到較為客觀的權重排序。

2.3 改進的突變級數安全狀態評價

采用突變級數法對引水隧洞施工安全狀態進行評價時，首先要明確發生的突變類型。根據圖1 和表1 可知道影響引水隧洞施工安全狀態的共有人、機、環、管4 個因素，屬于蝴蝶突變；在人員因素這一維度中又有3 個二級影響因素，屬于燕尾突變；在機械因素這一維度中有4 個二級影響因素， 屬于蝴蝶突變；在環境因素這一維度中有3 個二級影響因素，屬于燕尾突變； 在管理因素這一維度中有4 個二級影響因素，屬于蝴蝶突變。

記錄每項指標的均值、最大值與最小值，以此為基礎，然后對評價指標進行標準化處理。根據“互補”和“不互補原則”得到突變級數。采用公式（1）進行標準化處理，z 為指標安全程度分值。

在引水隧洞施工安全狀態等級評價中， 本文采用0-1 等級隸屬評價方法， 引水隧洞施工安全狀態等級分級標準如表3。 當二級指標突變級數隸屬值為0.1 時，每一項影響因素的安全等級是極差的，那么引水隧洞施工安全等級也應為極低。 同樣當每一個二級指標的突變級數隸屬值為0.9 時，每一項影響因素的安全等級都極高，則總體引水隧洞施工安全等級也為極高。

表3 引水隧洞施工安全狀態等級分級標準

3 引水隧洞施工安全狀態評價

3.1 基于ISM-ANP 方法確定指標權重

為提升評價指標賦權有效性， 本次研究以某引水隧洞工程為研究基礎， 采用定性和定量相結合的評價指標方法，評估指標劃分依據如表4。本文對模糊性的評價指標和運營指標設置了1-5 級整數區間級別進行賦值，分別對應1-5 的權重分數。

表4 引水隧洞施工安全評價影響因素指標劃分依據

數據獲取分為專家調研和引水隧洞工程運行數據歸一化分析。其中，專家調研數據由23 位分別來自項目技術人員、科研人員、設計人員和勘察人員等具有多年工作經驗的專家填寫獲得； 引水隧洞工程運行數據選取近3 個月的相關運營管理數據平均值運行數據。經過歸一化處理后，基于ISM 結構模型分析方法， 引水隧洞施工安全狀態影響因素的ISM 結構模型如圖2。

圖2 ISM 模型引水隧洞安全狀態影響因素層級圖

一般元素集內部不存在相互獨立， 是既有依存又有循環的網絡層次結構。 由上一步得到的ISM 模型可構建出引水隧洞施工安全狀態的ANP網絡結構如圖3。

圖3 ANP 網絡結構示意圖

然后根據未加權超矩陣—加權超矩陣—極限超矩陣的順序得到最后引水隧洞施工安全狀態影響因素的權重， 使用超級決策軟件后得到的水利工程引水隧洞施工安全狀態影響因素的權重如表5。

表5 引水隧洞施工安全狀態影響因素權重

由表4 可知， 引水隧洞施工安全狀態二級影響因素在人、機、環、管4 個維度中重要性排序分別為{A3,A2,A1}，{B3,B1,B2,B4}，{C3,C1,C2}，{D1,D2,D4,D3}。 每個維度的權重為其二級影響因素權重指標之和， 分別為：A=0.2832，B=0.1881，C=0.1949，D=0.3338，各維度相對重要性排序為{D,A,C,B}。

3.2 突變級數分析

使用互補原則， 采用xA1～xA3的均值作為人員因素的評價指標值。通過上述步驟計算得到xB1～xB4，xC1～xC3，xD1～xD4，結果如表6。

表6 指標歸一化結果

在評價水利工程引水隧洞的安全狀態時，有A、B、C、D 4 個影響因素，突變類型為蝴蝶突變，且重要性排序為{D,A,C,B}。所以通過歸一化運算后得到：

使用互補原則后得到最后引水隧洞施工安全狀態的突變級數值為x=0.9199， 根據表2 中的安全等級隸屬表可知，某引水隧洞施工安全等級為安全。但由于在突變級數的計算中，歸一化會使得最后評價結果過高且趨于1， 因此需要對突變級數值進行修正，使評價等級更為清晰和準確。同理得到二級指標突變隸屬值為0.2～1 時引水隧洞施工安全狀態突變隸屬值如表7。

表7 設定二級指標隸屬值與最終評價隸屬值對照

將設定二級指標的隸屬值l 與最終評價的隸屬值x 進行擬合，擬合后的公式為l=1.0277·x9.9299，擬合結果如圖4。突變級數值為x=0.9199 帶入可得最終優化后的引水隧洞施工安全狀態突變隸屬值為0.4486。與表2 可知，該引水隧洞施工安全評價等級為一般， 表明該引水隧洞施工中存在一定安全隱患。進一步通過ISM-ANP方法，對影響引水隧洞施工的14 個安全因素進行權重分析，可知人員配置及管理制度完善情況、作業人員安全意識及安全行為、作業人員應急及決策能力、應急預案完備程度和現場作業人員技能是占比較重的安全影響因素。 其次重要的是安全教育與培訓情況、圍巖穩定程度及風化程度、安全隱患排查和治理力度、圍巖等級和施工現場照明通風等作業環境。

圖4 二級指標隸屬值l 與x 擬合曲線

4 結語

（1）提出改進的突變級數引水隧洞施工評價方法，并引用ISM-ANP 組合賦權，能夠有效降低傳統安全評價主觀性影響，更準確地反應了評價結果。

（2）該引水隧洞施工安全評價等級為一般，引水隧洞施工中存在一定安全隱患， 評估結果與實際工程情況相符，驗證了模型的有效性。

（3）研究結果為系統評價引水隧洞施工安全、降低引水隧洞施工發生安全事故的可能性提供了理論參考。