基于IAHP-熵权法和模糊综合评价法的市政有限空间气体安全风险评价

2023-03-15王莉马衔青王涛王云坡

科学技术与工程 2023年3期

王莉,马衔青,王涛,王云坡

(1.河南工业大学电气工程学院，郑州 450001；2.北京中电智网科技有限公司，北京 102200;3.郑州市市政工程勘测设计院，郑州 450000)

由于市政有限空间长期封闭或半封闭，自然通风不佳，普遍存在微生物分解、金属腐蚀、热膨胀等作用，极易形成有毒有害气体、易燃易爆物质积聚和缺氧的环境，有较大的作业安全风险[1]。因此，对市政有限空间气体安全进行作业前风险评价具有重要意义。

随着经济快速发展、工业化进程日益深入，有限空间作业安全问题日益显现。Xia 等[2]对中国2008—2018年涉及密闭空间作业的120起致命事故进行了分析和研究，建立了由5个层次和21个因素组成的人为因素分析和分类系统-改性密闭空间事故模型，总结了密闭空间作业事故的成因和特点。Selman等[3]使用事故统计分析法分析了受限空间作业事故特征和原因，将受限空间工作的吞没和其他物理危害纳入安全立法，为更好地分析和提出改进受限空间工作安全的建议做出了贡献。中国近年来也高度重视有限空间作业安全问题。刘毅等[4]提出一种基于模糊决策与试验评价实验室与优劣解距离法的风险评估模型对地铁深基坑施工进行安全评估。宋思雨等[5]使用德尔菲法分析并确定有限空间作业中毒事故的风险因素，引入解释结构模型对风险因素进行划分并提出了风险管控措施。刘艳等[6]以北京市供热检查室为研究对象探究了市政供热管线有限空间作业危害因素及成因并提出相应的事故预防对策。马莎等[7]提出熵权-层次分析法以实现权重的客观分析计算，并运用模糊综合评判法评价地下空间开发适宜性。刘威等[8]使用层次分析法和熵权法组合赋权的风险评估方法对排水管网风险因素指标赋权，并结合风险矩阵对风险进行评级。徐得潜等[9]探索了合流制污水管道的风险因素，利用层次分析法及灰色关联度法建立风险评估模型得出评价结果。严淳鳀等[10]结合风险矩阵法和层次分析法确定深水测试作业的风险评价指标相对权重，通过计算风险度得到深水气井测试作业风险等级。李欢等[11]分析页岩气井喷事故风险因素，结合多层次结构模型确定风险指标权重，构建模糊综合评价模型对页岩气井喷风险进行评价。张刚[12]使用层次分析法确定废弃油井风险评价指标权重，建立模糊综合评价模型对煤矿废弃油井风险等级分类并制定相应防治方法。汪圣华等[13]应用层次分析法和模糊综合评价法建立有限空间作业风险综合评估模型，并构建危险气体在线监测系统动态评估有限空间作业风险。杨春丽等[14]对市政有限空间气体危害因素进行检测与分析，并使用层次分析法进行作业安全风险评估。

现综合考虑气体窒息中毒风险、热环境因素、作业人员情况、设备及管理情况对市政有限空间气体安全风险的影响，使用改进层次分析法(interval analytic hierarchy process,IAHP)依据专家打分确定评价指标主观权重，使用熵权法依据指标数据变异性的大小确定评价指标客观权重，采用IAHP-熵权法组合赋权计算评价指标主客观优化权重，结合模糊综合评价法对气体安全进行风险评价，得出评价风险等级，并以郑州市航空港区某电力基坑有限空间为例验证评价方法的可行性。

1 评价方法

1.1 IAHP-熵权法组合赋权

1.1.1 改进层次分析法IAHP

层次分析法是一种将与评价和决策有关的因素分解成目标、准则、方案等层次，由此进行定性与定量分析相结合的多属性决策方法。其构造判断矩阵时使用的1～9比率标度法难以严格区分评价指标重要性，易导致判断界限模糊；当决策体系中准则、方案过多时，判断矩阵的一致性检验较为复杂，如出现判断矩阵不一致的情况，要不断地人工重构判断矩阵并重新计算，直到通过一致性检验；这样不仅运算量大，而且有一定的盲目性，违背了专家最初的判断。改进层次分析法引入一种新的标度——三标度法(0，1，2)来构建比较矩阵，使用三标度法易于区分两两因素的重要程度，且无需对计算结果再进行一致性检验，减少了迭代次数，提高了计算速度和精度，该方法具体步骤如下[15]。

(1)建立市政有限空间气体安全风险评价递阶层次结构模型。

(2)构造比较矩阵A。

(1)

(2)

式中：Aij为第i因素与第j因素相对比的重要性，有Aii=1或Ajj=1。

(3)计算重要性排序指数ri。

(3)

式(3)中：ri为矩阵A中第i行元素之和。取rmax=max{ri}，rmin=min{ri}，dm=rmax/rmin。

(4)构造判断矩阵B。

(4)

(5)求判断矩阵B的最优传递矩阵C。

(5)

(6)求判断矩阵B的拟优一致矩阵B′。

B′ij=10Cij

(6)

(7)求B′的最大特征值及其特征向量，并对其特征向量进行归一化处理，可得市政有限空间气体安全风险评价指标的主观权重Sj。

1.1.2 熵权法

熵权法是一种根据指标变异性的大小来确定客观权重的方法，通过调整有差异的数据，使其标准化后计算各指标的熵值，熵值用来衡量指标包含的有效信息，根据每个指标的信息量可以确定市政有限空间气体安全风险评价指标客观权重Oj，具体步骤如下。

(1)各指标数据标准化。

正向指标标准化公式为

(7)

负向指标标准化公式为

(8)

式中：Xij为指标原始数据；X′ij为标准化处理后的各指标值；maxXj、minXj分别为第j项指标的最大值、最小值。

(2)各指标数据归一化处理。

(9)

(3)求各指标信息熵。

(10)

(4)求各指标客观权重。

(11)

1.1.3 IAHP-熵权法计算组合权重

(12)

式(12)中：Fj为市政有限空间气体安全风险评价指标最终组合权重；Sj为改进层次分析法求得各指标主观权重；Oj为熵权法求得各指标客观权重。

1.2 模糊综合评价法

模糊综合评价法在实际中可以对多因素作用的评价问题做出综合评判。使用隶属度描述市政有限空间气体安全风险评价指标的模糊界限，建立模糊关系矩阵，结合各指标权重向量，得出综合评价值，确定市政有限空间气体安全的风险等级，具体步骤如下。

(1)建立因素集。对于多层次指标评价对象，一级评价指标因素集为U={U1，U2，…，Un}，二级评价指标因素集为Ui={u1，u2，…，uni}。

(2)建立评语集。评语集V是对评价指标集U的评判结果的集合为V={v1，v2，…，vm}。

(3)单因素评判。对二级评价指标因素集Ui的ni个因素进行单因素评判，得单因素评判矩阵为

(13)

因素集Ui的权重集为Fi={f1，f2，…，fni}，则对单因素的综合评判为Ei，即

Ei=Fi∘Ri，i=1，2，…，n

(14)

式(14)中：∘为模糊合成算子。

(4)多因素模糊综合评判。对一级评价指标因素集U={U1，U2，…，Un}做综合评判，因素集Ui的权重集为F={f1，f2，…，fn}，综合所有单因素评判结果Ei组成总评判矩阵R，可得综合评判。

(15)

E=F∘R

(16)

(5)按最大隶属度原则得相应评语，评价市政有限空间气体安全风险等级。

2 IAHP-熵权法和模糊综合评价法在电力基坑气体安全风险评价中的应用

2.1 实例分析

以郑州市航空港区某电力基坑有限空间为例，该电力基坑直径约1.2 m，深约8.3 m，位于商登高速与富航路交叉路口西北角。基坑所在位置较为平坦，地面建筑物以高层住宅为主，因周边多为综合区和餐饮区，该电力基坑可能存在有毒有害气体风险。因此使用本文的评价方法对该电力基坑气体安全进行风险评价，以期达到作业前风险预警的目的，为实际工程作业提供参考。

2.2 确定评价指标体系

2.2.1 筛选评价指标

通过调查研究市政电力基坑有限空间人员作业事故原因和预防措施，综合考虑多方面影响因素，确定电力基坑气体安全风险一级评价指标为气体窒息中毒风险(A1)、热环境因素(A2)、作业人员情况(A3)、设备及管理情况(A4)。

2.2.2 气体窒息中毒风险指标

分析我国电力基坑作业事故原因发现窒息、中毒和燃爆事故是高发的事故类型。氧气(A11)和二氧化碳(A12)的气体含量及其变化趋势是气体安全风险的重要指标；甲烷(A13)和一氧化碳(A14)有燃爆风险，且浓度过高可致人员缺氧窒息中毒；硫化氢(A15)气体急性剧毒，低浓度时影响人的黏膜和中枢神经，高浓度时危及生命安全；氨气(A16)对接触的皮肤组织有刺激腐蚀作用，吸入肺后会破坏运氧功能，严重时以致死亡。故选取以上6种气体的含量作为气体窒息中毒风险的二级评价指标。

2.2.3 热环境因素指标

热环境因素是造成电力基坑缺氧的重要原因。温湿度过高的环境利于基坑内好氧微生物生长繁殖，形成缺氧环境；通风情况的优劣对基坑内的温湿度和气体含量也有着重要影响。故选取温度因素(A21)、湿度因素(A22)和通风情况(A23)作为热环境因素的二级评价指标。

2.2.4 作业人员情况指标

在实际作业中，作业人员的安全意识(A31)极为重要，这代表着其能否及时察觉到安全风险以及进行违章作业的可能；作业人员的工作状态(A32)，作业当天的心理和生理状态对作业安全有着很大影响；工作时长(A33)对基坑内氧气含量和作业人员心理生理状况也存在着较大影响；如有气体安全事故风险，作业人员的避难自救能力(A34)对事故形成和发展至关重要。故选取以上4个指标作为作业人员情况的二级评价指标。

2.2.5 设备及管理情况指标

作业前安全教育培训(A41)可有效提高作业人员综合素质，减少人员作业事故；安全防护设备(A42)是否完备有效在作业安全中起着至关重要的作用；作业审批制度(A43)的合理完善和严格遵守可以有效保障作业人员的生命健康；现场监管情况(A44)合理有序有利于加强安全管理和作业安全实施；应急救援系统(A45)的完善可靠可在事故发生时减小事故后果。故选取以上5个指标作为设备及管理情况的二级评价指标。

2.2.6 构建评价层次模型

基于以上分析，电力基坑气体安全风险由固有风险(气体环境、热环境形成的风险)加上作业人员和设备管理情况的影响组成。模型从4个方面选取18个指标，构建三层次的电力基坑气体安全风险评价层次结构模型，如图1所示。

图1 电力基坑气体安全风险评价层次结构模型Fig.1 Hierarchical structure model of gas safety risk assessment for power foundation pit

2.3 计算指标权重

2.3.1 IAHP确定指标主观权重

利用IAHP法确定电力基坑气体安全评价指标主观权重时，采用咨询专家打分法，使用平均值计算郑州市市政工程勘测设计院多位专家评价权重意见值，构造电力基坑气体安全评价指标的比较矩阵。使用IAHP计算各指标分权重及总权重，如表1～表6所示。

表1 一级指标比较矩阵及权重Table 1 First-level index comparison matrix and weight

表2 气体窒息中毒风险指标比较矩阵及权重Table 2 Comparison matrix and weight of gas asphyxiation poisoning risk indicators

表3 热环境因素指标比较矩阵及权重Table 3 Thermal environment factor index comparison matrix and weight

表4 作业人员情况指标比较矩阵及权重Table 4 Comparison matrix and weights of worker status indicators

表5 设备及管理情况指标比较矩阵及权重Table 5 Equipment and management index comparison matrix and weight

表6 IAHP指标主观总权重计算结果Table 6 IAHP total subjective weights calculation results

2.3.2 熵权法确定指标客观权重

利用熵权法确定电力基坑气体安全评价指标客观权重时，基础数据来源于郑州市航空港区某电力基坑有限空间实测信息。气体检测仪选用河南省保时安电子科技有限公司生产的BH-4复合式多气体检测仪。收集整理参考数据，统一将数据标准化和归一化处理，使用熵权法计算各指标信息熵及客观权重结果如表7所示。

表7 熵权法指标客观权重计算结果Table 7 Calculation results of objective weights of indicators by entropy weight method

2.3.3 IAHP-熵权法确定组合权重

根据式(12)求得电力基坑气体安全风险指标的最终组合权重如表8所示。

表8 组合权重计算结果Table 8 Combined weight calculation results

2.4 模糊综合评价

2.4.1 建立因素集

由图1可得一级评价指标因素集A={A1，A2，A3，A4}，二级评价指标因素集U1={A11，A12，A13，A14，A15，A16}、U2={A21，A22，A23}、U3={A31，A32，A33，A34}、U4={A41，A42，A43，A44，A45}。

2.4.2 建立评语集

将电力基坑气体安全风险评价结果分为4个等级，用评语集V={v1，v2，v3，v4}={安全，较安全，较不安全，不安全}表示。其中，v1表示此电力基坑安全，可进行作业；v2表示此电力基坑较安全，作业前可针对潜在风险做出相应措施再进行作业；v3表示此电力基坑较不安全，具有较大安全风险，必需采取手段有效降低风险后才可作业；v4表示此电力基坑不安全，具有极大安全风险，威胁生命，不可作业。

2.4.3 单因素评判

为验证构建模型可行性，各指标采用专家打分法获得不同评价等级隶属度，使用平均值计算郑州市市政工程勘测设计院多位专家评价意见值，各二级评价指标模糊综合评价结果如表9所示。

表9 二级评价指标模糊综合评价结果Table 9 Fuzzy comprehensive evaluation results of secondary evaluation index

2.4.4 多因素模糊综合评判

整理二级评价指标评判结果得一级评判矩阵，一级评价指标模糊综合评价结果如表10所示。

表10 一级评价指标模糊综合评价结果Table 10 Fuzzy comprehensive evaluation results of the first-level evaluation index

2.4.5 按最大隶属度原则得相应评语

模糊综合评判计算结果(0.379，0.125，0.012，0.004)对应评语集V={v1，v2，v3，v4}={安全，较安全，较不安全，不安全}，最大隶属度数值为0.379，按最大隶属度原则，此次实测的电力基坑气体安全风险评价等级为安全。

在实际情况中，此电力基坑存在可检测范围内的甲烷气体，但低于爆炸极限范围，且甲烷含量所占整体权重不高，加之该电力基坑位于综合区和餐饮区附近，所分配作业人员安全意识较高，设备管理情况良好，所以最终气体安全评级等级为安全。因此，尽管某些市政电力基坑有限空间存在固有风险，但其作业人员素质较高，加之严格管理防护设备及现场情况，所以风险可控，可进行安全作业。