基于改進(jìn)突變級(jí)數(shù)法的引水隧洞施工安全綜合評(píng)價(jià)

張 賀，聶元東

（上海勘測設(shè)計(jì)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(shè)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(huán)境存在地質(zhì)和施工條件惡劣，高危作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)眾多，危險(xiǎn)源交叉頻繁等問題，導(dǎo)致不安全事故時(shí)有發(fā)生［2］。識(shí)別并防范引水隧洞施工潛在危險(xiǎn)源，提升企業(yè)風(fēng)險(xiǎn)管理能力，能夠有效減少事故發(fā)生幾率，減少企業(yè)損失。因此，應(yīng)針對(duì)引水隧洞施工環(huán)境特點(diǎn)，對(duì)引水隧洞施工安全進(jìn)行系統(tǒng)分析和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，以期提升水利施工企業(yè)安全管理效率。

近年來， 國內(nèi)外眾多學(xué)者針對(duì)水利施工安全風(fēng)險(xiǎn)分析和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法進(jìn)行深入研究。 鐘登華等［3］運(yùn)用改進(jìn)集對(duì)分析方法對(duì)高心墻堆石壩填筑工期過程進(jìn)行了仿真和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)， 建立了多元聯(lián)系數(shù)表達(dá)的施工進(jìn)度網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃模型， 并針對(duì)性地提出了基于改進(jìn)集對(duì)分析方法的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)蒙特卡洛仿真流程。鄭霞忠等［4］基于D-S 證據(jù)理論的方法，對(duì)引水隧洞作業(yè)人員安全行為水平進(jìn)行分析， 提出了基于D-S證據(jù)理論的作業(yè)人員安全行為評(píng)價(jià)方法。然而，缺乏系統(tǒng)化的評(píng)價(jià)體系以評(píng)估水利工程全過程風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)。陳述等［5］基于系統(tǒng)理論的視角，充分分析水利工程施工安全標(biāo)準(zhǔn)化所具備的特點(diǎn)， 系統(tǒng)提出了水利工程施工安全標(biāo)準(zhǔn)化體系。

以上研究對(duì)引水隧洞施工提供了理論參考，然而這些研究多基于靜態(tài)視角對(duì)水利工程進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，忽略了施工過程的動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)和風(fēng)險(xiǎn)相關(guān)性。此外水利工程和引水隧洞工程施工內(nèi)容存在一定差異，仍缺乏針對(duì)引水隧洞施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的相關(guān)研究。相比靜態(tài)風(fēng)險(xiǎn)理論評(píng)估過程， 突變理論關(guān)注風(fēng)險(xiǎn)動(dòng)態(tài)過程，能夠有效彌補(bǔ)前者在施工風(fēng)險(xiǎn)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(píng)價(jià)方法， 以期為水利工程施工風(fēng)險(xiǎn)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(píng)價(jià)指標(biāo)

1.1 引水隧洞施工安全突變特征

突變理論首先由法國數(shù)學(xué)家Rene Thom 在1974年提出，以拓?fù)鋵W(xué)和奇點(diǎn)理論為工具，研究系統(tǒng)在動(dòng)態(tài)發(fā)展過程中的非連續(xù)變化和突變現(xiàn)象［6］。在應(yīng)用突變理論對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析時(shí)， 首先要確定系統(tǒng)在動(dòng)態(tài)的過程中會(huì)出現(xiàn)突變， 即受到擾動(dòng)后系統(tǒng)的穩(wěn)定狀態(tài)會(huì)突然轉(zhuǎn)化為另一種穩(wěn)定狀態(tài)。 引水隧洞施工存在多種風(fēng)險(xiǎn)因素，多種風(fēng)險(xiǎn)因素之間相互影響。因此，在進(jìn)行引水隧洞的安全評(píng)價(jià)時(shí)，應(yīng)厘清風(fēng)險(xiǎn)因素之間的相互影響關(guān)系，以建立可靠的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。本文基于水利工程的引水隧洞施工背景， 對(duì)其安全事故的演化過程進(jìn)行分析， 歸類總結(jié)引水隧洞發(fā)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(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建

由于引水隧洞施工存在多種風(fēng)險(xiǎn)因素， 且多種風(fēng)險(xiǎn)因素之間相互影響。 因此在進(jìn)行引水隧洞的安全評(píng)價(jià)時(shí)厘清風(fēng)險(xiǎn)因素之間的相互影響關(guān)系， 對(duì)建立完善的評(píng)價(jià)體系至關(guān)重要。 在篩選引水隧洞突發(fā)事故的影響因素時(shí)，要堅(jiān)持科學(xué)性、綜合性、系統(tǒng)性和可比性等原則。根據(jù)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(jié)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(xiàn)場情況， 共厘清14 個(gè)引水隧洞施工安全狀態(tài)影響因素，具體的指標(biāo)體系及突變類型如圖1。

圖1 水利工程引水隧洞安全狀態(tài)影響因素指標(biāo)體系

2 模型構(gòu)建

2.1 ISM-ANP 組合賦權(quán)方法

水利工程引水隧洞施工情況復(fù)雜，安全風(fēng)險(xiǎn)因素眾多， 不同風(fēng)險(xiǎn)因素之間相互聯(lián)系。ISM 模型能夠分析引水隧洞安全狀態(tài)影響因素之間的相互關(guān)系，展示各影響因素之間的關(guān)聯(lián)［8］。網(wǎng)絡(luò)層次分析法（ANP）是層次分析法（AHP）的擴(kuò)展，適用于系統(tǒng)中元素之間、 元素集之間存在相互影響的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)決策問題。 鑒于此， 本文構(gòu)建ISM-ANP 組合賦權(quán)方法，組合賦權(quán)模型的步驟如下：

第一步：建立鄰接矩陣。將圖1 的14 個(gè)安全狀態(tài)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(guān)系則在14 階矩陣中記Xij=1,若不存在相互影響的關(guān)系則記Xij=0。

第二步： 計(jì)算可達(dá)矩陣并建立ISM 層次結(jié)構(gòu)模型， 設(shè)矩陣Y 為矩陣X 和其單位矩陣I 的和，當(dāng)Y1≠Y2≠...Yr-1≠Yr時(shí)，則可達(dá)矩陣R=Yr-1。根據(jù)可達(dá)矩陣R 可求得可達(dá)集合R（Xi）的前因集合Y（Xi）。其中，R（Xi）為可達(dá)矩陣R 各行元素為“1”時(shí)所對(duì)應(yīng)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(dá)矩陣R 各行元素為“1”時(shí)所對(duì)應(yīng)列的要素組成的集合， 表示所有Xi能產(chǎn)生的所有因素。 對(duì)影響地下施工安全狀態(tài)的因素進(jìn)行層級(jí)分類時(shí)需滿足如下原則：R（Xi）∩Y（Xi）=R（Xi）。

第三步：構(gòu)造控制層次和網(wǎng)絡(luò)層次。首先界定決策目標(biāo)，本文中決策目標(biāo)為引水隧洞施工安全狀態(tài)。其次歸類安全狀態(tài)影響元素集， 基于ISM 模型分析結(jié)果，分析元素集之間的相互關(guān)系及其內(nèi)部關(guān)系，即分析一級(jí)指標(biāo)之間的相互關(guān)系及一級(jí)指標(biāo)下內(nèi)部安全狀態(tài)影響因素之間的相互關(guān)系。

第四步：構(gòu)造ANP 超矩陣計(jì)算安全影響因素權(quán)重。首先需在專家意見下使用間接度優(yōu)勢比較法，對(duì)14 個(gè)引水隧洞施工安全影響因素進(jìn)行兩兩比較，運(yùn)用1～9 標(biāo)度構(gòu)造各引水隧洞施工安全狀態(tài)影響因素的兩兩比較判斷矩陣, 將判斷結(jié)果輸入超級(jí)決策軟件（Super Decision）中對(duì)判斷矩陣進(jìn)行歸一化處理和一致性檢驗(yàn)，最后得到初始超矩陣。然后根據(jù)未加權(quán)超矩陣—加權(quán)超矩陣—極限超矩陣的順序得到影響因素的權(quán)重。

2.2 突變模型構(gòu)建

在突變理論中將勢函數(shù)f(x)作為系統(tǒng)的狀態(tài)變量，x 作為系統(tǒng)中的控制變量。在實(shí)際應(yīng)用中，首先建立勢函數(shù)將其作為確定系統(tǒng)狀態(tài)突變臨界點(diǎn)的依據(jù)，所有的臨界點(diǎn)集合為一個(gè)平衡曲面。對(duì)建立的勢函數(shù)f(x)進(jìn)行一階求導(dǎo)得到f(x)'，令f(x)'=0 得到平衡曲面的方程，再對(duì)f(x)進(jìn)行二階求導(dǎo)得到f(x)''，令f(x)''=0 得到平衡曲面的奇點(diǎn)集合。將上述兩個(gè)等式聯(lián)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(tǒng)中當(dāng)控制變量小于5個(gè)時(shí)，有7 種基礎(chǔ)突變模型；當(dāng)狀態(tài)變量只有1 個(gè)時(shí)，有4 種基礎(chǔ)突變模型，分別為折疊型、尖點(diǎn)型、燕尾型和蝴蝶型。 其勢函數(shù)公式和歸一公式如表2。

表2 基礎(chǔ)突變模型及其歸一公式

突變級(jí)數(shù)法避開了人為給指標(biāo)賦權(quán)， 一定程度上減少了評(píng)價(jià)結(jié)果的主觀性， 但是突變級(jí)數(shù)法中仍然需要對(duì)指標(biāo)進(jìn)行重要性排序。 除此之外由于歸一公式的聚集特點(diǎn)會(huì)使得最后的隸屬值偏高并趨于1。因此為了得到更為準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)結(jié)果，本研究對(duì)傳統(tǒng)的突變級(jí)數(shù)法進(jìn)行以下兩個(gè)方面的補(bǔ)充和修正，對(duì)指標(biāo)進(jìn)行權(quán)重排序時(shí)使用ISM-ANP 組合方法，以期得到較為客觀的權(quán)重排序。

2.3 改進(jìn)的突變級(jí)數(shù)安全狀態(tài)評(píng)價(jià)

采用突變級(jí)數(shù)法對(duì)引水隧洞施工安全狀態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)，首先要明確發(fā)生的突變類型。根據(jù)圖1 和表1 可知道影響引水隧洞施工安全狀態(tài)的共有人、機(jī)、環(huán)、管4 個(gè)因素，屬于蝴蝶突變；在人員因素這一維度中又有3 個(gè)二級(jí)影響因素，屬于燕尾突變；在機(jī)械因素這一維度中有4 個(gè)二級(jí)影響因素， 屬于蝴蝶突變；在環(huán)境因素這一維度中有3 個(gè)二級(jí)影響因素，屬于燕尾突變； 在管理因素這一維度中有4 個(gè)二級(jí)影響因素，屬于蝴蝶突變。

記錄每項(xiàng)指標(biāo)的均值、最大值與最小值，以此為基礎(chǔ)，然后對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。根據(jù)“互補(bǔ)”和“不互補(bǔ)原則”得到突變級(jí)數(shù)。采用公式（1）進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，z 為指標(biāo)安全程度分值。

在引水隧洞施工安全狀態(tài)等級(jí)評(píng)價(jià)中， 本文采用0-1 等級(jí)隸屬評(píng)價(jià)方法， 引水隧洞施工安全狀態(tài)等級(jí)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)如表3。 當(dāng)二級(jí)指標(biāo)突變級(jí)數(shù)隸屬值為0.1 時(shí)，每一項(xiàng)影響因素的安全等級(jí)是極差的，那么引水隧洞施工安全等級(jí)也應(yīng)為極低。 同樣當(dāng)每一個(gè)二級(jí)指標(biāo)的突變級(jí)數(shù)隸屬值為0.9 時(shí)，每一項(xiàng)影響因素的安全等級(jí)都極高，則總體引水隧洞施工安全等級(jí)也為極高。

表3 引水隧洞施工安全狀態(tài)等級(jí)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

3 引水隧洞施工安全狀態(tài)評(píng)價(jià)

3.1 基于ISM-ANP 方法確定指標(biāo)權(quán)重

為提升評(píng)價(jià)指標(biāo)賦權(quán)有效性， 本次研究以某引水隧洞工程為研究基礎(chǔ)， 采用定性和定量相結(jié)合的評(píng)價(jià)指標(biāo)方法，評(píng)估指標(biāo)劃分依據(jù)如表4。本文對(duì)模糊性的評(píng)價(jià)指標(biāo)和運(yùn)營指標(biāo)設(shè)置了1-5 級(jí)整數(shù)區(qū)間級(jí)別進(jìn)行賦值，分別對(duì)應(yīng)1-5 的權(quán)重分?jǐn)?shù)。

表4 引水隧洞施工安全評(píng)價(jià)影響因素指標(biāo)劃分依據(jù)

數(shù)據(jù)獲取分為專家調(diào)研和引水隧洞工程運(yùn)行數(shù)據(jù)歸一化分析。其中，專家調(diào)研數(shù)據(jù)由23 位分別來自項(xiàng)目技術(shù)人員、科研人員、設(shè)計(jì)人員和勘察人員等具有多年工作經(jīng)驗(yàn)的專家填寫獲得； 引水隧洞工程運(yùn)行數(shù)據(jù)選取近3 個(gè)月的相關(guān)運(yùn)營管理數(shù)據(jù)平均值運(yùn)行數(shù)據(jù)。經(jīng)過歸一化處理后，基于ISM 結(jié)構(gòu)模型分析方法， 引水隧洞施工安全狀態(tài)影響因素的ISM 結(jié)構(gòu)模型如圖2。

圖2 ISM 模型引水隧洞安全狀態(tài)影響因素層級(jí)圖

一般元素集內(nèi)部不存在相互獨(dú)立， 是既有依存又有循環(huán)的網(wǎng)絡(luò)層次結(jié)構(gòu)。 由上一步得到的ISM 模型可構(gòu)建出引水隧洞施工安全狀態(tài)的ANP網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖3。

圖3 ANP 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖

然后根據(jù)未加權(quán)超矩陣—加權(quán)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(tài)影響因素的權(quán)重， 使用超級(jí)決策軟件后得到的水利工程引水隧洞施工安全狀態(tài)影響因素的權(quán)重如表5。

表5 引水隧洞施工安全狀態(tài)影響因素權(quán)重

由表4 可知， 引水隧洞施工安全狀態(tài)二級(jí)影響因素在人、機(jī)、環(huán)、管4 個(gè)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(gè)維度的權(quán)重為其二級(jí)影響因素權(quán)重指標(biāo)之和， 分別為：A=0.2832，B=0.1881，C=0.1949，D=0.3338，各維度相對(duì)重要性排序?yàn)閧D,A,C,B}。

3.2 突變級(jí)數(shù)分析

使用互補(bǔ)原則， 采用xA1～xA3的均值作為人員因素的評(píng)價(jià)指標(biāo)值。通過上述步驟計(jì)算得到xB1～xB4，xC1～xC3，xD1～xD4，結(jié)果如表6。

表6 指標(biāo)歸一化結(jié)果

在評(píng)價(jià)水利工程引水隧洞的安全狀態(tài)時(shí)，有A、B、C、D 4 個(gè)影響因素，突變類型為蝴蝶突變，且重要性排序?yàn)閧D,A,C,B}。所以通過歸一化運(yùn)算后得到：

使用互補(bǔ)原則后得到最后引水隧洞施工安全狀態(tài)的突變級(jí)數(shù)值為x=0.9199， 根據(jù)表2 中的安全等級(jí)隸屬表可知，某引水隧洞施工安全等級(jí)為安全。但由于在突變級(jí)數(shù)的計(jì)算中，歸一化會(huì)使得最后評(píng)價(jià)結(jié)果過高且趨于1， 因此需要對(duì)突變級(jí)數(shù)值進(jìn)行修正，使評(píng)價(jià)等級(jí)更為清晰和準(zhǔn)確。同理得到二級(jí)指標(biāo)突變隸屬值為0.2～1 時(shí)引水隧洞施工安全狀態(tài)突變隸屬值如表7。

表7 設(shè)定二級(jí)指標(biāo)隸屬值與最終評(píng)價(jià)隸屬值對(duì)照

將設(shè)定二級(jí)指標(biāo)的隸屬值l 與最終評(píng)價(jià)的隸屬值x 進(jìn)行擬合，擬合后的公式為l=1.0277·x9.9299，擬合結(jié)果如圖4。突變級(jí)數(shù)值為x=0.9199 帶入可得最終優(yōu)化后的引水隧洞施工安全狀態(tài)突變隸屬值為0.4486。與表2 可知，該引水隧洞施工安全評(píng)價(jià)等級(jí)為一般， 表明該引水隧洞施工中存在一定安全隱患。進(jìn)一步通過ISM-ANP方法，對(duì)影響引水隧洞施工的14 個(gè)安全因素進(jìn)行權(quán)重分析，可知人員配置及管理制度完善情況、作業(yè)人員安全意識(shí)及安全行為、作業(yè)人員應(yīng)急及決策能力、應(yīng)急預(yù)案完備程度和現(xiàn)場作業(yè)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(xùn)情況、圍巖穩(wěn)定程度及風(fēng)化程度、安全隱患排查和治理力度、圍巖等級(jí)和施工現(xiàn)場照明通風(fēng)等作業(yè)環(huán)境。

圖4 二級(jí)指標(biāo)隸屬值l 與x 擬合曲線

4 結(jié)語

（1）提出改進(jìn)的突變級(jí)數(shù)引水隧洞施工評(píng)價(jià)方法，并引用ISM-ANP 組合賦權(quán)，能夠有效降低傳統(tǒng)安全評(píng)價(jià)主觀性影響，更準(zhǔn)確地反應(yīng)了評(píng)價(jià)結(jié)果。

（2）該引水隧洞施工安全評(píng)價(jià)等級(jí)為一般，引水隧洞施工中存在一定安全隱患， 評(píng)估結(jié)果與實(shí)際工程情況相符，驗(yàn)證了模型的有效性。

（3）研究結(jié)果為系統(tǒng)評(píng)價(jià)引水隧洞施工安全、降低引水隧洞施工發(fā)生安全事故的可能性提供了理論參考。