基于多元联系数的水电工程高危作业风险态势评估

左恒奕

(贵州水投水务集团有限公司，贵州 贵阳 550002)

水电工程施工环境受水文、地质、地形等条件影响，交叉作业多，施工作业中涉及风险因素不确定且复杂，难以定量分析作业的风险状态，未能及时采取有效预控措施，造成安全事故多而易发。因此，通过定量分析水电工程高危作业的风险状况，预测其变化趋势，指导水电工程高危作业风险管控，对提高水电工程作业安全水平具有重要意义。

水电工程高危作业风险研究是安全管理中的重要内容，国内外学者对此进行系列研究。张静等[1]采用问卷调查和因子分析等方法，归纳影响施工作业非安全行为的关键因素，为施工企业和政府安全管理部门制定安全规章提供科学依据；钟登华等[2]运用网络分析法，建立ANP结构模型，对风险因素影响程度进行排序；郑霞忠等[3]建立水电工程高危作业SEM模型，定量描述了风险因素间的关联程度；徐天宝等[4]引入事故树分析法，构建水电工程建设生态风险事故树模型，计算风险概率值，揭示风险系统内部关联因子间数学关系；肖尧等[5]运用CSRAM法，计算风险因素概率分布，实现施工进度风险的定量分析；Qien.k等[6]考虑在风险变化的影响条件下，进行风险指标分析及风险预警。

上述成果对水电工程高危作业风险因素及因素间相互关系进行了系统研究，为水电工程高危作业风险评估提供了参考。但在风险评估过程中未能同时考虑评估系统中确定和不确定特性；同时，风险评估结果多为静态现状分析，对风险动态变化的研究相对单一。风险态势评估的研究中，集对分析理论的多元联系数已在煤矿、航空等学科领域中初步应用，但在水电工程领域研究应用的报道相对较少。郑侨宏等[7]通过五元联系数建立矿工不安全行为风险态势评估模型；施志坚等[8]对航空维修系统进行风险分析时，引入多元联系数，利用集对势评判系统风险态势；万俊强等[9]建立基于博弈论和多元联系数SPA风险评估模型，评估分析空中管制安全系统的风险等级及趋势变化。上述研究工作中验证了多元联系数在风险态势评估中应用的可行性，为后续研究提供了参考依据。

鉴于此，本文引入集对分析理论，运用组合赋权法和五元联系数建立风险态势评估模型，通过态势函数对水电工程高危作业风险态势进行静态分析，同时，综合正向演化和负向演化得到全偏联系数，对风险发展趋势进行动态预测，结合水电工程高危作业风险的静态和动态分析，以期为风险预控提供理论依据。

1 多元联系数集对分析

1.1 集对分析与联系度

集对分析是通过联系数分析处理研究系统中确定和不确定问题的数学方法[10]。实际应用建立待评价对象和理想方案的2个集合并构成集对，分别从同异反角度计算联系度，定量分析不确定系统的同一性、差异性、对立性。

设定待评价对象和理想方案为集合A、B并构成集对H，即H=(A,B)。若集对H中存在N个特征总数，其中集合间共有特性数为S，对立特性数为P,F为既不共有也不对立的特性数，即F=N-S-P，集对的联系度μ表示为：

(1)

式中S/N——集合间的同一度，记作a；F/N——集合间的差异度，记作b；P/N——集合间的对立度，记作c；∀a,b,c∈[0，1]，且a+b+c=1；i，j——标记符号，其中i为差异标记符号，i∈[-1,1]，j为对立标记符号，j=-1。

1.2 五元联系数与偏联系数

联系数是定量分析研究系统中评估对象在联系状态下的数学函数。联系数μ中，a,b,c,j为宏观参数，i为微观参数，扩展bi部分，即可表示多元联系数。

μ=a+b1i1+b2i2+…+bnin+cj

(2)

当n=3时，即为五元联系数表达式，一般简记为：

μ=a+bi+cj+dk+el

(3)

式中 ∀a,b,c,d,e∈[-1，1]；i∈[0,1]；j=0；k∈[-1,0]；l=-1；a+b+c+d+e=1。

多元联系数的偏联系数为联系数表达式的求导形式，定量刻画了联系数的变化趋势，其中五元联系数的偏联系数为：

∂μ=∂a+i∂b+j∂c+k∂d

(4)

2 基于多元联系数的水电工程高危作业风险态势分析模型

2.1 水电施工企业高危作业风险评估指标体系

为了解水电工程高危作业的安全现状，加强水电工程高危作业的风险管控，针对水电工程施工条件复杂、事故多发易发、高危作业影响因素多等特征，结合GB/T 33000—2016《企业安全生产标准化基本规范》[11]，通过现场调研和问卷调查，分析总结水电工程高危作业风险构成因素，建立企业影响、安全管理、施工人员行为、现场作业相关因素四大方面、包含20个二级风险指标的水电工程高危作业风险评估指标体系，评估体系见图1。

图1 水电工程高危作业风险评估指标体系

2.2 指标组合权重的确定

2.2.1熵值法计算权重

熵值法通过衡量评价指标系统中各指标因素所包含有效信息量大小，以此为依据确立指标的权值[12]。熵值法中熵值的大小表明事件发生的概率和有序程度，事件发生概率和有序度越大则系统的熵值越大，熵值越大包含的有效信息量越少，权重也越小；反之，熵值越小权重越大。

根据熵的计算原理，在水电工程高危作业风险评估指标体系中，一级指标层j下的二级评价指标i的熵值表达式为：

(5)

评估指标i的权值计算式为：

(6)

2.2.2序关系分析(G1)法计算权重

专家对评价指标集{a1,a2,…am}进行分析时，依据相关评价准则进行指标间重要度比较，若认为某一评价指标ai在评价体系中的重要度大于aj时，记作ai>aj。利用G1法对水电工程高危作业风险评估因素集{x1,x2,…xm}进行序关系排列，即

(7)

(8)

(9)

2.2.3组合赋权法确立权重

结合熵值法和G1法对水电工程高危作业风险分析指标进行赋权，综合考虑了权重确立的主观性和客观性，既发挥了专家的知识经验，又可以充分利用客观的数据信息。因此，本文将融合熵值法和G1法，确立水电工程高危作业风险分析指标组合权重。

(10)

式中θ——G1法确立的权重在组合权重中的比重。

为保证参数θ选取的客观性，本文利用变异系数法[13]求解，计算公式为：

(11)

2.3 风险评估的同异反评估模型

考虑到水电工程高危作业风险评估的复杂性与不确定性，在构建水电工程高危作业风险评语集过程中，参考已有文献的研究[14]，将风险评语集U分为低风险、较低风险、中等风险、较高风险、高风险五类状态等级。

根据上述风险等级划分标准，由N位风险评估专家对评估指标进行风险等级划分，风险评估结果记作R=Nij/N(Nij表示风险评估中将风险因素i划分为等级j的专家人数)。考虑评估过程中的不确定性，引入评估指标的五元联系数系数，建立基于五元联系数的水电工程高危作业风险评估同异反评估模型，识别各评估指标与风险等级的相符程度。

μ+=a+bi+cj+dk+el

(12)

式中∀a,b,c,d,e∈[-1，1]，且a+b+c+d+e=1，依次为五元联系数的同分量、偏同分量、临界分量、偏反分量、反分量，依次对应上述水电工程高危作业不安全行为风险等级标准；i∈[0,1]；j=0；k∈[-1,0]；l=-1。

考虑到水电工程高危作业风险评估因素权值对评估结果的影响，根据本文建立的风险因素指标权重计算方法，式(12)可表示为：

μ+=wj·R·ET=

(13)

2.4 风险的态势及趋势分析

2.4.1水电工程高危作业风险态势分析

为进一步分析水电工程高危作业实际风险状况与理想参照集间的相互关系，根据集对势的定义，确立水电工程高危作业风险评估的五元联系数集对势：

shi(μ+)=a/c(c≠0)

(14)

当风险等级处于同势区，表明水电工程高危作业实际风险程度与理想风险参照集间态势一致；当风险等级处于均势区，表明水电工程高危作业实际风险程度与理想风险参照集处于“势均力敌”的态势，风险处于“低风险”和“高风险”相互变化阶段中；当风险等级处于反势区，表明水电工程高危作业实际风险程度与理想风险参照集处于对立态势，此时，管理部门立即采取措施，加大风险控制力度，降低风险等级，并促使风险态势向同势区变化。

通过比较五元联系数中联系分量大小关系，同时对比五元联系数系统同势态势表，确定水电工程高危作业风险态势势级。基于篇幅，本文给出部分相关同势态势，见表2。

表2 部分五元联系数同势态势

基于五元联系数的系统同势态势表中，同势势级共分为65级别[15]，势级的大小表明实际风险与风险等级中“低风险”的相符程度，势级越小则水电工程高危作业风险评估越接近理想评估标准等级，同时，指标体系中处于同势区的风险指标越多表明系统处于同势区的程度越高。

2.4.2水电工程高危作业风险趋势预测

根据集对分析理论，集对势实现了水电工程高危作业风险在宏观层次上的风险评估，而偏联系数刻画了微观层面上评估系统的发展趋势，两者共同组成了对研究对象在宏观与微观层次上的数学描述。在微观层次上，水电工程高危作业风险状况会同时存在趋向正方向发展和负方向发展的矛盾运动，偏联系数中偏正联系数和偏负联系数的实现了对态势发展的定量分析。

偏正联系数刻画了评估系统中态势向较高层次演化的过程，体现了联系数的正向变化趋势，其计算式为：

∂+μ=∂+a+i+∂+b+j+∂+c+k+∂+d

(15)

偏负联系数刻画了评估系统中态势向较低层次演化的过程，体现了联系数的负向变化趋势，其计算式为：

∂-μ=∂-a+i-∂-b+j-∂-c+k-∂-d

(16)

全偏联系数是综合了联系数正向和负向变化，反映了系统中矛盾运动的发展趋势，其计算式为：

∂μ=∂+μ+∂-μ

(17)

3 实例分析

3.1 工程资料

以四川省某水电工程为例，该水电工程坝高295 m，装机容量300万kW。现对该水电工程施工作业的安全现状，进行风险态势评估，以验证本文所提出方法的有效性。根据所建立的风险指标体系设计调查问卷，向一线作业人员、技术人员、安全管理人员、安全管理方面专家四类人员共发放35份问卷。考虑到四类人员的学术水平、工作经验等影响评估条件的差异，结合评估者的工作年限、职称、对安全理论的熟悉程度及对该水电项目的了解程度等情况，对四类评估人员赋权：

3.2 评估风险态势及趋势

根据各类人员对本水电工程高危作业风险程度的五级风险评语集，结合熵值法和G1法计算得到各指标组合权重，利用式(5)—(14)计算水电工程高危作业五元联系数表达式并进行态势分析，结果见表3。

表3 水电工程高危作业风险联系数及计算

各类评价指标的五元联系数中的联系分量a、b、d、c、e大小关系见表3，结合五元联系数系统态势表，综合各类评价指标后的水电工程高危作业总风险的态势关系μ+=0.329+0.223i+0.214j+0.132k+0.102l，其中a>e，a>b，b>c，c>d，d>e，为同势1级，处于强同势区，风险等级为低风险状态。各类一级指标中，“安全管理”“施工人员行为”“现场作业相关因素”风险等级均为低风险，态势结果分别为：同势19级、同势3级、同势1级，均为强同势，表明实际风险状态较好；“企业影响”风险等级为中等风险，态势为同势61级，为微同势，表明风险状态一般，管理者应该针对企业影响层面采取有效措施，保证本水电工程高危作业风险程度维持在较低水平。

利用式(15)—(17)计算水电工程高危作业风险趋势分析中的正偏联系数、负偏联系数、全偏联系数，结果见表4。

表4 水电工程高危作业风险偏联系数值

结合偏联系数的计算结果，整体系统处于负向发展趋势，且四类一级指标均处于负向发展趋势，表明本水电工程高危作业系统存在变差、风险不断增加的情况。

综合表3、4计算结果，着重分析反势区、均势区、同势区末端的风险指标。“安全文化氛围”和“操作违规”处于反势区，发展趋势分别呈正向和负向趋势，“操作违规”存在变差的情况，管理者应针对这两项指标立即组织人手，采取措施，降低其风险程度；“知觉与决策能力”处于均势区，呈正向发展趋势，管理者应采取必要措施，促使这些指标向同势区转化；“安全生产投入”“施工作业安全”“技术保障措施”态势结果分别为同势62级、同势65级、同势50级，均处于同势区末端，发展趋势中三者分别呈正向、负向、负向发展趋势，管理者也应重视同势区末端的这些指标，采取措施促使其向同势区的前端转换。

4 结论

a)本文通过五元联系数建立水电工程高危作业风险态势评估模型，全面剖析风险的动静情况，静态分析水电工程高危作业风险程度，动态预测水电工程高危作业的变化趋势。同时考虑到仅在正向演化假设下系统态势评估的片面性，综合正向和负向偏联系数，综合评估预测风险态势，为水电工程高危作业风险管控提供理论指导。

b)通过实例分析，研究的水电工程高危作业风险评估等级为较低风险，评估系统整体呈负向发展趋势，存在情况变差的风险。二级风险指标中“操作违规”“施工作业安全”和“技术保障措施”情况较为突出，风险程度较高且风险状态呈负向发展趋势，后续水电工程高危作业的风险管控措施编制中需重点关注。