基于指数变权的水电站施工安全现状可拓评价*

郑霞忠，朱 炜，张 明

(1.三峡大学 水利与环境学院，湖北 宜昌 443002； 2. 三峡大学 安全生产标准化评审中心，湖北 宜昌 443002)

0 引言

水电站施工环境具有地质条件复杂、施工环境恶劣、危险因素众多等特点，安全事故时有发生[1]。国家对水电工程施工安全越来越重视，要求企业能有效辨识安全隐患、实现环境监察并持续改进[2-3]。因此，开展安全现状评价对于降低水电站施工安全风险、提升安全管理水平具有重要意义。

安全现状研究是建设安全管理的重要部分，国内外学者对安全评价方法进行了系列研究。狄建华等[4]根据安全评价等级之间的模糊性，运用模糊数学理论提出了一种定量化的多级综合评判方法，为建筑工程安全评价提供了参考；Javanbarg等[5]耦合模糊理论与层次分析法，将专家的比较判断转化成模糊数，为多准则决策提出新的研究方法；张炜等[6]基于水电工程施工特点，引入模糊数学理论，建立了水电工程质量评估模型，对堤防加固工程进行了模糊综合评价分析。然而，以上方法在确定评价指标权重时较依赖于专家的主观经验与判断，会影响评判结果的准确性。针对这一现状，郑霞忠等[7]采用结构熵权法降低人为主观性的影响，确定安全指标权重；Zhao等[8]在层次分析法的基础上，引入信息熵理论，综合考虑主客观权重的影响，并结合滑坡灾害风险进行敏感性评价。此类方法虽能在某种程度上增强指标赋权的客观性，但与客观理论的结合还需进一步探讨。

上述研究方法为安全评价提供了参考，但较少考虑评价指标之间的内在联系，且在确定指标权重时如何降低主观性较强的问题还有待论证。鉴于此，笔者在可有效考虑指标间相互作用的物元可拓模型[9]基础上，融合变权理论[10-11]，修正物元可拓法权重，以增强指标赋权的客观性，从而构建基于指数变权的物元可拓的水电站施工安全现状评价模型，运用贴近度准则评判施工安全现状的合格性。

1 水电站施工安全现状评价指标体系及评价标准

水电工程具有项目规模大、施工条件复杂等特征。影响施工安全因素较多，评价指标的选取需要从全面性、科学性、目的性等方面综合考虑。本文将针对水电站施工的安全管理现状，结合水电站施工安全事故实际特点，依据《安全评价通则》(AQ 8001-2007)[12]，并参照相关研究成果[13-15]，建立场址、施工总布置、道路及运输、辅助生产设施、作业安全、施工设备、安全管理行为、职业健康安全8大方面、涵盖47个指标的水电站施工安全现状评价指标体系及安全现状评价等级，指标体系构建如图1所示。

结合构建指标体系的相关研究成果，设置水电站施工安全现状评价的安全等级域U={Uj,j=1,2,3,4}，具体如表1所示。

表1 安全现状评价等级Table 1 Evaluation level of safety status

2 安全现状评价模型构建

2.1 评价权重确定

变权是对立于常权提出的，常权在实际运用中能直接考虑事物之间基本目标的相对优度，具有一定的合理性而被广泛应用。若指标权重向量始终保持固定不变，对目标组态难以确定起到良好的制约效果。水电工程评价指标权重确定过程中多数运用专家打分法，主要根据传统经验意识对安全指标赋予权重，较少考虑客观情况下评价指标之间的相互影响。为此，引入变权理论不仅对各指标间的相对重要程度进行分析，还考虑了目标关于指标向量的一致性组态，避免某一指标状态突变对整体结果的影响，能进一步突出相关因素指标的重要程度。

2.1.1 变权定义

设X=(x1,x2,…xn)表示因素状态向量。

定义1：1组变权是指n个映射wj(j=1,2,…,n):[0,1]n→[0,1]；(x1,x2…,xn)wj(x1,x2…,xn)满足：

2)连续性：wj(x1,x2，…,xn)(j=1,2,…,n)关于每个变元连续；

3)单调性：wj(x1,x2,…,xn)(j=1,2,…,n)关于变元xj单调减少(惩罚性)或增长(激励性)。

记W(X)=(w1(X),w2(X),…,wn(X))称为1组(n维)可变权重向量。

定义2 ：1个n维惩罚型可变权重向量是指映射Si[0,1]n→[0,1]；XS(X)=(S1(X)，S2(X)…,Sn(X))满足：

1)xi≥xj⟹Si(X)≤Sj(X)；

2)Sj(X)对每个变元连续(j=1,2,…,n)；

3)对任何常权向量W=(w1,w2，…,wn)满足定义1中的性质1)～3)如下：

(1)

式中：WS(X)=(w1S1(X),w2S2(X),…,wnSn(X))，称为Hardarmard乘积。由定义2的条件1)可以看出，惩罚型可变权重向量使指标因素的权重因状态值的递增而减少，对低水平因素作出惩罚，反映出因素均衡性在决策时的重要程度。

为减少评价指标权重确定时的主观因素，反映指标在评价中的平等地位，对不变权重变量因素进行一致性处理。运用变权理论时，首先规定每个因素的权重恒定；然后为体现评估对象在综合评估中的积极参与，状态可变权向量由评估指标的测量数据及其对应节域决定，利用各评价指标量值与对应等级区间的离差指数在整个指数和中所占比重确定相应权重。

图1 水电站施工安全现状评价指标体系Fig.1 Evaluation index system of hydropower station construction safety status

2.1.2 构造指数状态变权向量

实现可变权重的核心是状态可变权重向量的选择和构造。应对各种可变向量的特征进行度量，并充分考虑均衡性对评价结果的影响。指数型[16-17]状态变权向量发散程度较大、模型适用能力较强，因此，本文基于变权理论，并参照定义2相关要求，构造状态可变权重向量S(Yi)=(S1(Y1),S2(Y2),…,Sn(Yi))如下：

S(Yi)=exp(αei(k))

(2)

ei(k)=di,max(k)-di,min(k),
i=1,2,…n;k=1,2,…m

(3)

di,max=max{|vi-aip|,|bip-vi|}

(4)

di,min=min{|vi-aip|,|bip-vi|}

(5)

式中：ei(k)为第i指标中第k下级指标与相应等级区间的离差；为使评价效果更好体现各指标要素的实际状况，充分反映人们对指标的均衡性要求，在分析评价指标权重时引入惩罚型因子，取α=-1；aip，bip分别为对应节域的上下限。

2.1.3 计算评价指标权重

依照定义2，通过指标常权向量W和指标的状态变权向量S(Yi)，计算获得评价指标的变权向量W(Yi)：

(6)

即：

(7)

式中：W(Yi)结合了专家对指标的主观评分、评价各指标间的相互联系及客观要求，并随指标值的变化而变化。

2.2 改进的可拓评价模型

传统可拓评价方法中存在主观赋权性较强的问题，在测度评价指标关联函数值时，当重要指标实测数据超出节域规定界限，会引起最大隶属度失效，影响评价结果的准确度[18]。本文基于变权理论确定各指标的权重，减小指标权重赋权时的主观性，并通过贴近度函数修正最大隶属度，最大限度融合考虑待评物元之间内在联系。

2.2.1 经典域、节域及待评物元的确定

为对水电站施工安全现状进行准确评价，按照安全等级区域对具体环境下各经典域和节域进行确立。其中，经典域基于安全水平划分为4个区域。评价物元为：

(8)

(9)

式中：U表示评价等级水平；ajn，bjn与aUn，bUn分别为经典域与节域的上限和下限；Vj和VU表示为C关于等级U所确定的数值范畴。

对于第i个待评的一级指标，其评价物元为：

(10)

式中：vik为N关于cik的数量值，即为分析待估事物的结果。

2.2.2 多级可拓评价

为准确确定待评估对象所属安全等级，引入贴近度公式：

(11)

(12)

式中：Kj(N)为贴近度；Dj(Vi)为第i个评价对象与经典域j的距离；wi(x)为权重。

K(N)=w(i)×Kj(Bi)

(13)

式中：w(i)代表各指标权重行向量；Kj(Bi)代表对应危险等级贴近度。

(14)

(15)

式中：j*为待评对象的等级变量特征值，表示评价对象在相邻等级中的临近程度。

3 模型应用

某水电站位于四川省内，坝高295 m，装机容量300万kW，坝址流域控制面积约6.57万km2，占全部的48%左右。其中流量全年约211亿m3，具有一定的可调节能力。现针对该水电站施工环境的安全现状，进行物元可拓评价，以验证该方法的合理性。

3.1 安全现状指标权重确定

依据变权理论和贴近度原则，利用式(1)～(7)计算水电站施工安全现状的待评指标的相关权重，结果见表2。

据一级指标权重大小排序C8>C5>C1>C6>C7>C4>C3>C2可知，厂址信息(C1)、作业安全(C5)、职业健康安全(C8)为当前影响水电站施工安全现状的主要因素，据二级指标得分结果及相应权重分析，可知交通运输条件(C14)、作业行为(C52)、机构与人员(C82)等安全影响性较高，施工过程中应加强交通小组的管辖以及人员行为的安全教育。

3.2 多级可拓评价

依据公式(11)～(13)计算待评估对象的等级贴近度如表3所示。

表2 待评指标权重Table 2 Weight of evaluation index

表3 各一级指标贴近度Table 3 Close values of level 1 indexes

3.3 对比分析

本文采用指数变权的方式与可拓评价相结合，与传统常权以及熵权法确定权重相比如图2所示。3种权重确定方法对水电站安全现状等级评价结果分别为2.23，2.39，2.42，整体安全等级都为合格，但在具体指标权重赋予方面，熵权法及变权方法都对初始权重进行了调整，考虑了评价指标之间的内在联系。其中，熵权法与变权法的一级指标等级特征值变化规律一致，相比常权法更加反应了重要指标安全影响程度。因此，采用主观和客观相结合的赋权方法可合理评价指标的相关程度，进一步验证指数变权法的有效性。

4 敏感性分析

为具体分析某一指标因素对安全现状等级的影响，调整待评价指标实测值并作敏感性分析，以期为改善水电站施工安全现状提供依据。其变化范围分别为±10%，-20%，-30%，-40%，图2～5表示一级指标变化对指标权重和等级变量特征值的影响。

图2 一级指标等级特征值对比分析Fig.2 Comparison and analysis of the characteristic value of thethe first grade index grade

图3 一级指标得分改变时权重变化Fig.3 Weight change graph of level 1 index change

图4 指标得分同时改变时j*值变化Fig.4 Value of j* vs variation in level indexes

图5 一级指标得分改变时j*值变化Fig.5 Value of j* vs variation in level 1 indexes

图6 重点一级指标中二级指标得分变化时j*值变化Fig.6 Value of j* vs variation in important level 2 indexes

从图3可以看出，C8,C2,C3,C4,C5,C7对指标权重影响较大。在实测值从-40%向10%逐渐变化时，C2,C3,C4,C7的权重呈直线下降，在20%后开始趋于平稳；C8,C5,C1的权重先呈直线上升，再有所下降，后趋于平稳；C6的权重基本保持不变。可见，实测值产生变化后指标权重也会随之改变，进而影响综合评价。从图4可以看出，当所有指标同时增大，j*一直增大，其中在实测值从-10%向10%变化时，j*呈直线上升，表明该水电站施工安全现状具有一定的改善空间。

由图5可知，安全等级特征值j*浮动在2.09到2.87之间，整体变化幅度较大。当C1，C2，C4，C5，C7的值逐渐增大，j*值变化跨度很小；随着C6，C3，C8的值逐渐上升时，等级特征值变化跨度较大，可知C6，C3，C8为该水电站施工安全现状重点考虑因素对象。继续对3个一级指标进行二次分析，从图6可知，随着C31，C32，C62，C61，C81的变化，对应的等级变量特征值j*变化幅度较大；在C32，C62，C61，C63的实测值从0处向10%递增时，对应等级变量特征值上升幅度显著，即可从这4个影响指标着手，对目前水电站施工安全现状水平作进一步改善。

根据以上结果可知，从一级指标分析来看，C6，C3，C8为该水电站安全现状重点考虑因素；从二级指标分析来看，场内运输(C32)、设备使用(C62)、设备基础(C61)、设备安装拆除(C63)为该水电站施工安全现状评价的关键敏感性因素。

5 结论

1)基于变权理论，减少了传统物元可拓评价中指标赋权的主观性。采用贴近度准则替代最大隶属度准则，结合待评估物元指标的贴近度和权重，提出了改进的多级可拓评价方法，进而确定水电站施工安全现状。

2)分析了水电站施工安全现状，计算安全等级为2级，表明此工程在实际情况中安全现状合格。依据敏感性分析，找出道路及运输、施工设备、职业健康安全等3个关键性敏感因素，为当前水电站施工安全现状改善提供参考。

3)项目施工状况是不断持续变化的，本文仅对水电站当前施工环境下的安全现状进行评价，今后将从动态评价方面进行研究，为实时对施工风险管控提供建议。