基于模糊層次分析法的電力基坑氣體環境安全風險評估

宋曉燕，崔鳳慶，陳家聰，夏源利

(1.國網河南省電力公司電力科學研究院，河南 鄭州 450001；2.鄭州大學，河南 鄭州 450001)

0 引言

電力基坑作為輸電線路施工的基礎工程,長期處于半封閉狀態,自然通風不良,在微生物分解、氧化等作用下,極易造成有毒有害氣體積聚和缺氧,進而導致安全事故。由于電力基坑的內部環境復雜,安全風險因素眾多且大多無法量化,因此,采用模糊層次分析法對各種因素進行量化處理以取得電力基坑環境風險與各因素的耦合關系,在此基礎上提出基于大數據分析的機器學習法對各種影響因素進行有效評估。

1 評價指標

電力基坑作為半封閉空間,坑內的不良氣體環境是基坑作業面臨的固有風險。除此之外,地質環境、大氣環境、工作人員作業狀態、設備使用狀況以及企業施工管理情況,都會對電力基坑內的作業帶來不同程度的影響。

1.1 氣體環境因素

對于氣體環境風險,作業前主要從有限空間內部存在或產生、作業時產生和外部環境影響三個方面進行辨識；作業中則以燃爆、氣體中毒、缺氧窒息三種主要風險為對象進行評價。

1.2 人為因素

對于人為因素造成的風險,主要從作業人員(包括人員的健康狀況、參與緊急救援培訓及考核情況、人員資質情況等)、設備設施(包括個體安全防護、緊急救援、安全器具等設備設施)以及企業的施工管理流程及執行情況三個方面進行評價,以一票否決項的形式除去人為因素的干擾,確保對氣體環境分析的客觀性。

2 電力基坑施工作業前、作業中風險評估

2.1 評估指標與權重

2.1.1 作業前風險預測模型

根據作業前風險預測模型,對周邊環境、地質特點、基坑尺寸、作業內容、作業間隔時長以及天氣情況等指標進行綜合評估。結合專家經驗法及相關資料構造出風險指標判斷矩陣,計算得到每個指標的綜合權重(見表1)。

表1 作業前風險預估模型指標與綜合權重

在所有指標的權重中,地質特點占比最高(0.472),其次為周邊環境(0.235),因此,在電力基坑施工前需要對施工地點及周邊環境進行詳細的地質勘查和環境調研,最大限度地減少施工風險。在天氣情況中,特殊天氣和空氣溫度兩項占比較高,因此,在電力基坑施工過程中需要密切注意施工作業當天的極端天氣情況和溫度情況。

2.1.2 作業中風險實時評估模型

作業中風險實時評估模型主要考慮電力基坑內常見的燃爆、氣體中毒、缺氧窒息三種風險。經模糊層次分析法確定的作業中風險實時評估模型指標與綜合權重見表2。

表2 作業中風險實時評估模型指標與綜合權重

作業中,上述風險因素中起主要作用的都是相應氣體的體積分數,綜合權重占比約50 %,因此,在實際工作過程中對基坑內的氣體實施監測是重中之重。作業行為和作業人數在各種風險因素中權重也較大,說明在施工階段規范施工行為、限制施工人數、做好監管措施和防護措施,能夠較大程度避免事故發生。

2.2 模糊綜合評價

以層次分析法中確立的評價指標和其綜合權重作為模糊綜合評價的因素集合,并在此基礎上建立備擇集和隸屬度矩陣。將備擇集分為四項,將基坑內的安全風險劃分為低風險、較低風險、較高風險、高風險四個等級。建立隸屬度矩陣,將每個指標與備擇集一一對應,并確定該指標所屬安全風險等級。在定性指標中,通過典型案例并設置隸屬度表進行定性評價；定量的指標則采用線性分布的方式確定安全風險等級隸屬度。

3 評估實施

以某220 kV線路工程為例進行風險評估,該工程項目相關資料見表3、表4。

表3 作業前工程項目資料

表4 作業中項目資料

3.1 作業前風險預估

根據項目資料對比定性評價隸屬表得到評判矩陣S、R。

作業前風險D=S×R=[0.071,0.330,0.023,0.612]

根據最大隸屬度原則,該工程日風險評估結果對高風險等級的隸屬度最大,為0.612,因此,該風險評估結果為高風險。

3.2 作業中風險實時評估

根據各項指標建立隸屬度評判矩陣S1、S2、S3、R1、R2、R3。

燃爆風險D1=S1×R1=[0.752,0.096,0.152,0]

氣體中毒風險D2=S2×R2=[0,0.17,0.137,0.693]

缺氧窒息風險D3=S3×R3=[0,0.5908,0.1772,0.232]

計算結果顯示,該工程實時風險評價結果為低燃爆風險、高氣體中毒風險、低缺氧窒息風險。該評價結果與實際專家打分法得到的情況一致,說明該評價模型具有相當的可信度。

4 作業后風險評估反饋

作業前、作業中采取模糊層次分析法對風險等級進行了評估,由于定量數據較少,定性評價較多,受評判者的主觀經驗影響較大。因此,作業后采用機器學習法對作業前、作業中的風險評價模型進行校正。

作業前以預測基坑內部氣體環境為主,可采用多元線性回歸算法,計算得到各個指標對氣體環境影響的權重后,對作業前模型內的參數進行調整。作業中采用支持向量機算法得到分類規律,以判斷實際案例所屬風險區間,結合作業中評價結果共同指導現場工作。

5 結論

該研究立足于電力基坑有限空間風險與基坑內氣體環境的耦合關系,基于模糊層次分析法對各種影響因素進行評估,主要結論如下。

1) 作業前風險影響因素中,地質特點權重為0.472,周邊環境為0.235。因此,在項目施工時,進行全面的地質勘查和合理的線路規劃是消除施工過程潛在風險的重要手段。

2) 作業風險影響因素中各種氣體的體積分數綜合權重占比約50 %,因此,要保證基坑內部的安全,關鍵是要采取不間斷空氣質量監測措施和合適的通風措施。

3) 作業后需要對數據庫進行更新,去除無效信息,標記特殊情況信息,進一步提升模型的準確性。為了保持評價模型的先進性,采用機器學習法優化已有模型,并在實際施工作業過程中充分落實基坑內實時氣體信息收集方案,實時監控風險評估結果。