基于模糊數學方法及層次分析法的水電工程定量綜合風險評價研究及應用

袁東成，張曉光，潘 建，朱 哲

（中國電建集團中南勘測設計研究院有限公司，湖南省長沙市 410014）

0 引言

當前水電工程安全評價基本采用預先危險性分析法和安全檢查表法等定性評價方法以及風險矩陣法和自然災害風險分級方法等半定量評價方法，這些非定量評價方法存在主觀性強、針對性不強、直觀性不強、對工程的指導性不強等問題，因此，實現定量風險評價是水電工程安全評價一直以來的重要目標和夙愿。目前水電工程安全評價也只能針對單一風險進行分級和評價，不能掌握工程整體風險水平。因此，實現水電工程定量風險評價以及綜合風險評價，對于提升水電工程安全評價的科學性、針對性、直觀性和指導性具有重要意義。

1 水電工程安全評價方法現狀及存在的問題

水電工程安全預評價長期采用的評價方法是預先危險性分析法[1]。由于預先危險性分析法在風險等級判定上主要考慮的是風險的后果而未考慮風險發生的可能性[2]，因此，經過多年摸索，引入了風險矩陣法與預先危險性分析法結合[3]。采用預先危險性分析法進行風險辨識與分析，采用風險矩陣法進行風險等級判定，從而發揮了兩種評價方法各自的優勢，使風險等級判定既考慮了風險發生的后果嚴重程度也考慮了風險發生的可能性，風險等級劃分更加合理科學[4]，思維導圖見圖1。同時，對于自然災害的風險評價，引入了半定量的自然災害風險分級方法，也進一步提升了對自然災害風險評價的科學性。

圖1 預先危險性分析法與風險矩陣法相結合的評價方法Figure 1 Evaluation method combining pre hazard analysis method and risk matrix method

水電工程安全驗收評價長期采用的是安全檢查表的定性評價方法[5]。由于安全檢查表只針對已發生的設計、施工階段實際與標準規范的符合性，不能實現驗收時已采取安全設施的情況下對運行期安全風險的預測性評價。因此，通過近年來的摸索，以及水電工程安全驗收相關編制規程的修訂，安全驗收評價引入了風險矩陣法，實現了安全驗收評價對運行期安全風險的預測性評價，也大大拓寬了安全驗收評價的目的和功能。

雖然水電工程安全評價經過多年的摸索，在評價方法上取得了長足的進步，評價方法更加合理科學，也拓寬了評價的目的和功能。但依然存在以下問題：

（1）定性或半定量評價方法存在主觀性強等缺陷。

當前水電工程安全評價依然采用的是定性或半定量評價方法。水電工程定量風險評價的主要難點在于各風險實際發生的可能性和后果嚴重程度很難進行定量判定，尤其是后果嚴重程度。非定量評價方法導致水電工程風險評價的針對性不強、直觀性不強、對工程的指導性不強等問題，尤其是定性評價方法。即使是半定量的風險矩陣法或自然災害風險分級方法，在相關指標的判定上也存在主觀性的缺陷，尤其是風險的后果嚴重程度的判定。因此，實現水電工程安全風險的定量評價是水電工程安全評價一直以來的重要目標和夙愿。

（2）單一風險評價不能反映工程整體風險水平。

目前水電工程安全評價只能實現對各評價單元的單一風險的評價。通過風險矩陣法或自然災害風險分級方法得出各單一風險的風險等級，可以直觀了解水電工程各評價單元存在哪些風險因素及各風險因素的嚴重程度，但是對于工程的整體風險水平卻無法掌控。綜合風險評價實現的主要難點在于水電工程風險種類較多，目前暫未有一種評價方法可以實現對大量風險因素的綜合評價。此外，由于安全預評價的主要目的之一是為工程新建在安全上是否可行得出結論，因此，得出工程施工期和運行期綜合風險等級對于安全預評價作出評價結論具有決定性的意義。對于安全驗收評價，在竣工驗收的關鍵節點上，對工程運行期綜合風險等級的判定也可以為工程運行期的風險評估提供參考，并可以為驗收后續采取相關措施降低綜合風險水平提供直觀、重要的借鑒和參考。

2 水電工程定量綜合風險評價方法研究

針對前述水電工程安全評價存在的非定量評價以及單一風險評價的局限，以及實現定量評價和綜合風險評價存在的難點及重要意義，為實現水電工程定量綜合風險評價，提出以下解決方法和思路。

（1）引入模糊數學方法，并以評價單元為評價對象。

模糊數學方法可以實現對多個因素的綜合評價[6]，但是評價對象不能太多，否則模糊關系矩陣及權重集合的計算量過大[7]。而水電工程安全風險種類較多，直接以各風險為評價對象不太現實[8]。因此，以各評價單元為評價對象可以順利解決這個問題。

（2）巧妙結合風險矩陣法，模糊關系矩陣通過單一風險分級結果求得。

模糊數學方法的模糊關系矩陣一般通過專家打分法求得，但是專家打分法存在主觀性強的缺陷[9]。水電工程安全評價引入模糊數學方法后，以各評價單元為評價對象，而各評價單元通過風險矩陣法等可以求得評價單元各單一風險的風險等級。單一風險的風險等級，可以反映單元各風險等級的占比情況，因此，可以將模糊數學方法與風險矩陣法巧妙結合。模糊關系矩陣可以采用風險矩陣法等求得的單一風險等級結果歸一化求得，這樣不僅解決了模糊關系矩陣常規采用專家打分法的主觀性缺陷，同時充分考慮了單一風險分級結果反映的風險等級占比情況，更貼合實際，也實現了從風險矩陣法的單一風險評價到綜合風險評價的完美銜接。

（3）通過層次分析法求得模糊權重集合。

模糊權重集合需求得各評價單元的權重，常規采用專家打分或者經驗求得，同樣存在主觀性強的缺陷。為解決這個問題，可以采用層次分析法求得各評價單元的權重作為模糊權重集合[10][11]。層次分析法的風險因素互判矩陣可以通過各單一風險等級結果的各風險等級占比進行判斷，也一定程度上解決了風險互判矩陣一般通過經驗求得的主觀性缺陷。

（4）模糊綜合風險評價集合采用單一風險評價的風險接受準則。

通過模糊綜合風險評價集合采用風險矩陣法和自然災害風險分級方法的風險接受準則，可以實現模糊數學方法與風險矩陣法或自然災害風險分級方法的風險評價結果的完美銜接，即模糊綜合風險評價集合的評價指標分別對應風險矩陣法的重大風險、較大風險、一般風險和低風險（自然災害風險分級分別對應極高風險、高風險、中風險、低風險），從而實現模糊數學方法與風險矩陣法或自然災害風險分級方法的風險評價結果的完美結合，攻克評價方法結合的關鍵障礙。

3 水電工程定量綜合風險評價的應用及效果

目前，水電工程定量綜合風險評價在安全預評價和安全驗收評價均得到了應用。

3.1 在安全預評價中的應用——以木蘭抽水蓄能電站工程為例

根據木蘭抽水蓄能電站工程安全預評價報告相關結論，在單一風險等級判定的基礎上，求得的運行期模糊關系矩陣和權重計算及一致性檢驗表見圖2。其中，在求模糊關系矩陣時，進行了一個簡化處理，即各評價單元的各風險因素的內部權重默認相同。求得風險權重集合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}，進而求得模糊綜合評價集合B={0，0.2470，0.3765，0.3765}。若對評價集合進行賦值，假設風險度極值為100，設v1=90，v2=70，v3=50，v4=30，則E=90×0+70×0.2470+50×0.3765+30×0.3765= 47.41 ＜v3，因此，判定本工程運行期綜合風險等級為v4低風險。

圖2 運行期模糊關系矩陣和權重計算及一致性檢驗表Figure2 Fuzzy relationship matrix and weight calculation and consistency check table during operation period

為計算方便，根據施工期風險特點將施工期劃分幾個單元：建構筑物單元［含導流、潰堰、坍塌、涌（透）水、圍巖失穩、邊坡失穩、渣場料場失穩風險］；施工作業單元（含火災、爆炸、爆破、高處墜落、物體打擊、電傷害、機械傷害、車輛傷害、起重傷害、淹溺、作業環境不良風險）；施工工序單元（含水庫蓄水事故、高壓灌漿事、大件運輸事故風險）；自然災害單元（含地震、地質災害、臺風、暴雨、洪水災害、森林火災、雷擊風險）；施工規劃及管理單元（含施工總布置缺陷、施工安全管理缺陷風險）。同理求得施工期的模糊關系矩陣和權重計算及一致性檢驗表見圖3。求得模糊綜合風險評價集合B={0，0.4643，0.4643，0.0714}。對評價集合進行賦值，假設風險度極值為100，設v1=90，v2=70，v3=50，v4=30，則E=90×0+70×0.4643+50×0.4643+30×0.0714=57.858 ＜v2，因此，判定施工期綜合風險等級為v3一般風險。

圖3 施工期模糊關系矩陣和權重計算及一致性檢驗表Figure3 Fuzzy relationship matrix and weight calculation and consistency check table during construction period

由上可見，運行期綜合風險等級為低風險，施工期綜合風險等級為一般風險的評價結論是符合工程實際的，可見方法的應用效果較好。

在安全預評價中應用的評價方法思維導圖見圖4。

圖4 安全預評價方法思維導圖Figure4 Mind map of safety pre evaluation methods

3.2 在安全驗收評價中的應用——以構皮灘水電站通航建筑物工程為例

根據構皮灘水電站通航建筑物工程安全驗收評價報告相關結論，在單一風險等級判定的基礎上，求得的運行期模糊關系矩陣和權重計算及一致性檢驗表見圖5。求得風險權重集合A={0.0814，0.0814，0.0320，0.0814，0.0814，0.2454，0.0320，0.0320，0.3328}，進而求得模糊綜合評價集合B={0，0.1090，0.4455，0.4455}。若對評價集合進行賦值，假設風險度極值為100， 設v1=90，v2=70，v3=50，v4=30， 則E=90×0+70×0.1090+50×0.4455+30×0.4455=43.27 ＜v3，因此，判定運行期綜合風險等級為v4低風險。

圖5 運行期模糊關系矩陣和權重計算及一致性檢驗表Figure5 Fuzzy relationship matrix and weight calculation and consistency check table during operation period

由上可見，運行期綜合風險等級為低風險的評價結論是符合工程實際的，可見方法的應用效果較好。

在安全驗收評價中應用的評價方法思維導圖見圖6。

圖6 安全驗收評價方法思維導圖Figure6 Mind map of safety acceptance evaluation methods

4 結論

本文對當前水電工程安全評價的評價方法現狀及存在的問題進行了深入分析，在此基礎上對水電工程定量風險評價進行了探索和研究。提出了引入模糊數學方法和層次分析法實現定量綜合風險評價的方法和思路，細節上的創造性處理巧妙實現了模糊數學方法與風險矩陣法的單一風險評價的完美銜接，并解決了模糊數學方法及層次分析法相關環節一般通過專家打分法存在的主觀性缺陷。并且在相關工程安全驗收評價中得到了成功應用，對照工程實際，評價結果科學可信，也得到了評審專家的高度認可。

本文通過引入模糊數學方法和層次分析法，并與風險矩陣法創造性的結合，首次實現了水電工程定量綜合風險評價，開啟了水電工程安全評價從定性或半定量風險評價及單一風險評價到定量綜合風險評價的新篇章，對于提升水電工程安全評價的科學性、針對性、直觀性及指導性具有突破性意義。