基于模糊数学方法及层次分析法的水电工程定量综合风险评价研究及应用

袁东成，张晓光，潘 建，朱 哲

（中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司，湖南省长沙市 410014）

0 引言

当前水电工程安全评价基本采用预先危险性分析法和安全检查表法等定性评价方法以及风险矩阵法和自然灾害风险分级方法等半定量评价方法，这些非定量评价方法存在主观性强、针对性不强、直观性不强、对工程的指导性不强等问题，因此，实现定量风险评价是水电工程安全评价一直以来的重要目标和夙愿。目前水电工程安全评价也只能针对单一风险进行分级和评价，不能掌握工程整体风险水平。因此，实现水电工程定量风险评价以及综合风险评价，对于提升水电工程安全评价的科学性、针对性、直观性和指导性具有重要意义。

1 水电工程安全评价方法现状及存在的问题

水电工程安全预评价长期采用的评价方法是预先危险性分析法[1]。由于预先危险性分析法在风险等级判定上主要考虑的是风险的后果而未考虑风险发生的可能性[2]，因此，经过多年摸索，引入了风险矩阵法与预先危险性分析法结合[3]。采用预先危险性分析法进行风险辨识与分析，采用风险矩阵法进行风险等级判定，从而发挥了两种评价方法各自的优势，使风险等级判定既考虑了风险发生的后果严重程度也考虑了风险发生的可能性，风险等级划分更加合理科学[4]，思维导图见图1。同时，对于自然灾害的风险评价，引入了半定量的自然灾害风险分级方法，也进一步提升了对自然灾害风险评价的科学性。

图1 预先危险性分析法与风险矩阵法相结合的评价方法Figure 1 Evaluation method combining pre hazard analysis method and risk matrix method

水电工程安全验收评价长期采用的是安全检查表的定性评价方法[5]。由于安全检查表只针对已发生的设计、施工阶段实际与标准规范的符合性，不能实现验收时已采取安全设施的情况下对运行期安全风险的预测性评价。因此，通过近年来的摸索，以及水电工程安全验收相关编制规程的修订，安全验收评价引入了风险矩阵法，实现了安全验收评价对运行期安全风险的预测性评价，也大大拓宽了安全验收评价的目的和功能。

虽然水电工程安全评价经过多年的摸索，在评价方法上取得了长足的进步，评价方法更加合理科学，也拓宽了评价的目的和功能。但依然存在以下问题：

（1）定性或半定量评价方法存在主观性强等缺陷。

当前水电工程安全评价依然采用的是定性或半定量评价方法。水电工程定量风险评价的主要难点在于各风险实际发生的可能性和后果严重程度很难进行定量判定，尤其是后果严重程度。非定量评价方法导致水电工程风险评价的针对性不强、直观性不强、对工程的指导性不强等问题，尤其是定性评价方法。即使是半定量的风险矩阵法或自然灾害风险分级方法，在相关指标的判定上也存在主观性的缺陷，尤其是风险的后果严重程度的判定。因此，实现水电工程安全风险的定量评价是水电工程安全评价一直以来的重要目标和夙愿。

（2）单一风险评价不能反映工程整体风险水平。

目前水电工程安全评价只能实现对各评价单元的单一风险的评价。通过风险矩阵法或自然灾害风险分级方法得出各单一风险的风险等级，可以直观了解水电工程各评价单元存在哪些风险因素及各风险因素的严重程度，但是对于工程的整体风险水平却无法掌控。综合风险评价实现的主要难点在于水电工程风险种类较多，目前暂未有一种评价方法可以实现对大量风险因素的综合评价。此外，由于安全预评价的主要目的之一是为工程新建在安全上是否可行得出结论，因此，得出工程施工期和运行期综合风险等级对于安全预评价作出评价结论具有决定性的意义。对于安全验收评价，在竣工验收的关键节点上，对工程运行期综合风险等级的判定也可以为工程运行期的风险评估提供参考，并可以为验收后续采取相关措施降低综合风险水平提供直观、重要的借鉴和参考。

2 水电工程定量综合风险评价方法研究

针对前述水电工程安全评价存在的非定量评价以及单一风险评价的局限，以及实现定量评价和综合风险评价存在的难点及重要意义，为实现水电工程定量综合风险评价，提出以下解决方法和思路。

（1）引入模糊数学方法，并以评价单元为评价对象。

模糊数学方法可以实现对多个因素的综合评价[6]，但是评价对象不能太多，否则模糊关系矩阵及权重集合的计算量过大[7]。而水电工程安全风险种类较多，直接以各风险为评价对象不太现实[8]。因此，以各评价单元为评价对象可以顺利解决这个问题。

（2）巧妙结合风险矩阵法，模糊关系矩阵通过单一风险分级结果求得。

模糊数学方法的模糊关系矩阵一般通过专家打分法求得，但是专家打分法存在主观性强的缺陷[9]。水电工程安全评价引入模糊数学方法后，以各评价单元为评价对象，而各评价单元通过风险矩阵法等可以求得评价单元各单一风险的风险等级。单一风险的风险等级，可以反映单元各风险等级的占比情况，因此，可以将模糊数学方法与风险矩阵法巧妙结合。模糊关系矩阵可以采用风险矩阵法等求得的单一风险等级结果归一化求得，这样不仅解决了模糊关系矩阵常规采用专家打分法的主观性缺陷，同时充分考虑了单一风险分级结果反映的风险等级占比情况，更贴合实际，也实现了从风险矩阵法的单一风险评价到综合风险评价的完美衔接。

（3）通过层次分析法求得模糊权重集合。

模糊权重集合需求得各评价单元的权重，常规采用专家打分或者经验求得，同样存在主观性强的缺陷。为解决这个问题，可以采用层次分析法求得各评价单元的权重作为模糊权重集合[10][11]。层次分析法的风险因素互判矩阵可以通过各单一风险等级结果的各风险等级占比进行判断，也一定程度上解决了风险互判矩阵一般通过经验求得的主观性缺陷。

（4）模糊综合风险评价集合采用单一风险评价的风险接受准则。

通过模糊综合风险评价集合采用风险矩阵法和自然灾害风险分级方法的风险接受准则，可以实现模糊数学方法与风险矩阵法或自然灾害风险分级方法的风险评价结果的完美衔接，即模糊综合风险评价集合的评价指标分别对应风险矩阵法的重大风险、较大风险、一般风险和低风险（自然灾害风险分级分别对应极高风险、高风险、中风险、低风险），从而实现模糊数学方法与风险矩阵法或自然灾害风险分级方法的风险评价结果的完美结合，攻克评价方法结合的关键障碍。

3 水电工程定量综合风险评价的应用及效果

目前，水电工程定量综合风险评价在安全预评价和安全验收评价均得到了应用。

3.1 在安全预评价中的应用——以木兰抽水蓄能电站工程为例

根据木兰抽水蓄能电站工程安全预评价报告相关结论，在单一风险等级判定的基础上，求得的运行期模糊关系矩阵和权重计算及一致性检验表见图2。其中，在求模糊关系矩阵时，进行了一个简化处理，即各评价单元的各风险因素的内部权重默认相同。求得风险权重集合A={0.0322，0.1502，0.0691，0.1502，0.0691，0.0322，0.0162，0.1502，0.0162，0.0162，0.0691，0.2290}，进而求得模糊综合评价集合B={0，0.2470，0.3765，0.3765}。若对评价集合进行赋值，假设风险度极值为100，设v1=90，v2=70，v3=50，v4=30，则E=90×0+70×0.2470+50×0.3765+30×0.3765= 47.41 ＜v3，因此，判定本工程运行期综合风险等级为v4低风险。

图2 运行期模糊关系矩阵和权重计算及一致性检验表Figure2 Fuzzy relationship matrix and weight calculation and consistency check table during operation period

为计算方便，根据施工期风险特点将施工期划分几个单元：建构筑物单元［含导流、溃堰、坍塌、涌（透）水、围岩失稳、边坡失稳、渣场料场失稳风险］；施工作业单元（含火灾、爆炸、爆破、高处坠落、物体打击、电伤害、机械伤害、车辆伤害、起重伤害、淹溺、作业环境不良风险）；施工工序单元（含水库蓄水事故、高压灌浆事、大件运输事故风险）；自然灾害单元（含地震、地质灾害、台风、暴雨、洪水灾害、森林火灾、雷击风险）；施工规划及管理单元（含施工总布置缺陷、施工安全管理缺陷风险）。同理求得施工期的模糊关系矩阵和权重计算及一致性检验表见图3。求得模糊综合风险评价集合B={0，0.4643，0.4643，0.0714}。对评价集合进行赋值，假设风险度极值为100，设v1=90，v2=70，v3=50，v4=30，则E=90×0+70×0.4643+50×0.4643+30×0.0714=57.858 ＜v2，因此，判定施工期综合风险等级为v3一般风险。

图3 施工期模糊关系矩阵和权重计算及一致性检验表Figure3 Fuzzy relationship matrix and weight calculation and consistency check table during construction period

由上可见，运行期综合风险等级为低风险，施工期综合风险等级为一般风险的评价结论是符合工程实际的，可见方法的应用效果较好。

在安全预评价中应用的评价方法思维导图见图4。

图4 安全预评价方法思维导图Figure4 Mind map of safety pre evaluation methods

3.2 在安全验收评价中的应用——以构皮滩水电站通航建筑物工程为例

根据构皮滩水电站通航建筑物工程安全验收评价报告相关结论，在单一风险等级判定的基础上，求得的运行期模糊关系矩阵和权重计算及一致性检验表见图5。求得风险权重集合A={0.0814，0.0814，0.0320，0.0814，0.0814，0.2454，0.0320，0.0320，0.3328}，进而求得模糊综合评价集合B={0，0.1090，0.4455，0.4455}。若对评价集合进行赋值，假设风险度极值为100， 设v1=90，v2=70，v3=50，v4=30， 则E=90×0+70×0.1090+50×0.4455+30×0.4455=43.27 ＜v3，因此，判定运行期综合风险等级为v4低风险。

图5 运行期模糊关系矩阵和权重计算及一致性检验表Figure5 Fuzzy relationship matrix and weight calculation and consistency check table during operation period

由上可见，运行期综合风险等级为低风险的评价结论是符合工程实际的，可见方法的应用效果较好。

在安全验收评价中应用的评价方法思维导图见图6。

图6 安全验收评价方法思维导图Figure6 Mind map of safety acceptance evaluation methods

4 结论

本文对当前水电工程安全评价的评价方法现状及存在的问题进行了深入分析，在此基础上对水电工程定量风险评价进行了探索和研究。提出了引入模糊数学方法和层次分析法实现定量综合风险评价的方法和思路，细节上的创造性处理巧妙实现了模糊数学方法与风险矩阵法的单一风险评价的完美衔接，并解决了模糊数学方法及层次分析法相关环节一般通过专家打分法存在的主观性缺陷。并且在相关工程安全验收评价中得到了成功应用，对照工程实际，评价结果科学可信，也得到了评审专家的高度认可。

本文通过引入模糊数学方法和层次分析法，并与风险矩阵法创造性的结合，首次实现了水电工程定量综合风险评价，开启了水电工程安全评价从定性或半定量风险评价及单一风险评价到定量综合风险评价的新篇章，对于提升水电工程安全评价的科学性、针对性、直观性及指导性具有突破性意义。