霍世平 鐘鐵軍 李夏 高金垚 張森

(1.航天工程大學(xué)，北京 102200；2.中國人民解放軍32305部隊(duì)，北京 102202;3.中國人民解放軍32302部隊(duì)50分隊(duì)，北京 101400)

0 引言

工程爆破廣泛應(yīng)用于礦山開采、危險(xiǎn)建筑拆除、坑道施工、炸藥銷毀、大型基建等工程項(xiàng)目，受人員心理狀態(tài)、起爆器材性能、裝藥安定性等因素影響較大，具有風(fēng)險(xiǎn)性高、敏感性強(qiáng)、影響性大等特點(diǎn)。因此，對工程爆破項(xiàng)目進(jìn)行科學(xué)的風(fēng)險(xiǎn)評估具有十分重要的意義。

通常，工程爆破項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)以定性評價(jià)為主，如情景推演、安全檢查表等，較少采用科學(xué)合理的定量評價(jià)方法。因此，急需建立科學(xué)全面的工程爆破項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)指標(biāo)體系。

針對工程爆破項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)定量評價(jià)，很多學(xué)者從不同角度進(jìn)行了研究。張志雄等[1]采用FAHP方法對多跨渡槽爆破拆除過程中的風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行評價(jià)，分析該項(xiàng)目的風(fēng)險(xiǎn)因素排序和風(fēng)險(xiǎn)等級。鄭臻等[2]采用組合賦權(quán)和云模型相結(jié)合的方法建立了爆破削方治理風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)指標(biāo)體系。張黎明等[3]引入模糊綜合評價(jià)法，對巖土爆破項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行綜合評價(jià),可為巖土爆破項(xiàng)目的安全操作提供參考。陳雪鋒等[4]引入集對分析理論，建立了爆破工程安全評價(jià)模型，并以某煙囪拆除項(xiàng)目為例，驗(yàn)證該模型的有效性。何忠明等[5]運(yùn)用集對分析理論和粗糙集方法建立高邊坡爆破作業(yè)安全評價(jià)模型。王丹丹等[6]采用模糊層次分析法對高樓拆除爆破作業(yè)中的風(fēng)險(xiǎn)等級進(jìn)行評價(jià)。葉海旺等[7]基于HAZOP方法和模糊數(shù)學(xué)方法，建立了針對臺階爆破的風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)模型。于秋等[8]采用事故樹分析法識別爆破作業(yè)中的潛在風(fēng)險(xiǎn)因素，但是缺乏對整個(gè)作業(yè)過程的定量評價(jià)。趙珂劼等[9]在模糊綜合評價(jià)法的基礎(chǔ)上，改進(jìn)了傳統(tǒng)的AHP權(quán)重計(jì)算方法，使整個(gè)計(jì)算過程更加簡便，并對某工程爆破項(xiàng)目進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)。

綜上所述，工程爆破項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)主要包括三個(gè)方面的內(nèi)容，即建立評價(jià)指標(biāo)體系、確定指標(biāo)權(quán)重、分層信息集結(jié)和擇優(yōu)排序。其中，確定指標(biāo)權(quán)重十分關(guān)鍵。

確定指標(biāo)權(quán)重的方法主要包括CRITIC法、層次分析法(AHP)、熵權(quán)法、DEMATEL法等。其中，AHP法應(yīng)用廣泛且容易操作，但由于評估過程和結(jié)果具有隨機(jī)性和模糊性，該方法在確定指標(biāo)權(quán)重時(shí)具有一定的局限性?；诖?，本文引入?yún)^(qū)間層次分析法(IAHP)，采用區(qū)間標(biāo)度代替?zhèn)鹘y(tǒng)AHP法中“點(diǎn)”的標(biāo)度，用模糊標(biāo)度代替絕對標(biāo)度，計(jì)算結(jié)果為區(qū)間形式的權(quán)重向量。同時(shí)，結(jié)合云模型理論對項(xiàng)目綜合風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評價(jià)，使評價(jià)結(jié)果更加科學(xué)合理。

1 工程爆破項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建

構(gòu)建工程爆破項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)指標(biāo)體系，不僅要考慮作業(yè)人員在作業(yè)過程中的心理狀態(tài)和安全管理現(xiàn)狀，而且要充分考慮設(shè)備器材運(yùn)行和環(huán)境特征等其他因素。

根據(jù)文獻(xiàn)研究成果及實(shí)際爆破項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，遵循系統(tǒng)、全面、科學(xué)、客觀的原則，邀請5名工程爆破領(lǐng)域?qū)＜液?名長期從事該項(xiàng)工作的操作人員，通過頭腦風(fēng)暴法分析工程爆破項(xiàng)目可能存在的風(fēng)險(xiǎn)因素，并運(yùn)用德爾菲法設(shè)計(jì)專家調(diào)查表，通過三輪意見征詢最終識別出工程爆破項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)因素，共包括5個(gè)一級指標(biāo)和18個(gè)二級指標(biāo)，并建立工程爆破項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)體系，見表1。

表1 工程爆破項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)體系

2 工程爆破項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)方法

2.1 云模型理論概述

2.1.1 云模型定義

云模型基于概率論和模糊數(shù)學(xué)兩種數(shù)學(xué)方法的思想內(nèi)核，能夠解決評價(jià)類問題的模糊性和隨機(jī)性之間的關(guān)聯(lián)性表示問題，最終反映評價(jià)過程產(chǎn)生的不確定性，為定性評價(jià)與定量評價(jià)相互轉(zhuǎn)換提供了新的思路，能夠得到更加直觀的評價(jià)結(jié)果[10]。

云模型的定義[11-12]為：設(shè)U為一個(gè)用數(shù)值區(qū)間表示的定量論域區(qū)間，定量論域區(qū)間U中的一個(gè)定性概念為C。若元素s∈U，且s是概念C的一次隨機(jī)實(shí)現(xiàn)，則s對C的確定度μ(s)∈[0,1]具有穩(wěn)定傾向。

2.1.2 云模型的數(shù)字特征

云模型的數(shù)字特征反映了評價(jià)概念的整體特點(diǎn)。通過云模型的數(shù)字特征，可以定量顯示評價(jià)結(jié)果的理想?yún)^(qū)間和評價(jià)結(jié)果的模糊性與隨機(jī)性。以期望Ex、熵En、超熵He進(jìn)行表示，記為C(Ex,En,He)[11-13]。其中，期望Ex是最能夠反映定性概念的點(diǎn)，在云圖中處于云峰的位置。在該位置，隸屬于這個(gè)定性概念的確定度為1。熵En代表概念的模糊性，數(shù)值越大，說明概念的不確定性與模糊性越大。超熵He表示熵的不確定性，該值越大，說明評價(jià)結(jié)果的不確定性越大。

2.1.3 云發(fā)生器

按照定性定量概念的轉(zhuǎn)化方向，云發(fā)生器可以分為正向云發(fā)生器和逆向云發(fā)生器。正向云發(fā)生器是實(shí)現(xiàn)定性概念向定量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的算法，適用于標(biāo)準(zhǔn)云的生成過程，通過給定的云數(shù)字特征生成大量的二維云滴。由于正態(tài)云具有普適性，本文采用正態(tài)云發(fā)生器生成標(biāo)準(zhǔn)云。正態(tài)云的正向發(fā)生器算法如下[14]：

(4)重復(fù)上述步驟M次，產(chǎn)生M個(gè)云滴。

逆向云發(fā)生器是實(shí)現(xiàn)定量數(shù)據(jù)到定性概念轉(zhuǎn)換的算法。逆向云發(fā)生器運(yùn)算過程如下[14]：

(1)計(jì)算樣本的xi的平均值，即

Ex=Mean(xi)

(2)計(jì)算樣本的一階絕對中心矩和二階中心矩，公式如下

(3)當(dāng)0

2.2 基于可能度改進(jìn)的區(qū)間層次分析法

IAHP方法是在傳統(tǒng)AHP方法的基礎(chǔ)上，運(yùn)用區(qū)間數(shù)學(xué)方法的思想，基于區(qū)間數(shù)構(gòu)造判斷矩陣，再利用判斷矩陣求解權(quán)重。該方法能夠更加客觀地對工程爆破項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)影響因素進(jìn)行比較，得到的指標(biāo)權(quán)重更加客觀科學(xué)。

IAHP求解方法主要有迭代法、隨機(jī)模擬法、區(qū)間特征根方法等。本文基于文獻(xiàn)研究成果，首先，利用區(qū)間特征根法求得區(qū)間向量權(quán)重；其次，利用可能度法代替中心區(qū)間法，得到更加客觀的權(quán)重點(diǎn)值，以解決一級區(qū)間權(quán)重發(fā)散的問題。

基于可能度的IAHP方法計(jì)算步驟如下[15-16]：

(1)采用區(qū)間數(shù)的形式構(gòu)造兩兩判斷矩陣。其中，重要性確定采用1～9標(biāo)度法，1表示同等重要，9表示極端重要。公式如下

即

(3)計(jì)算權(quán)重區(qū)間向量。即w=[kx-,mx+]，其中

(4)定義P(X>Y) 為X≥Y的可能度值。對應(yīng)的區(qū)間數(shù)為x=[x-,x+]，y=[y-,y+]，則可能度的計(jì)算公式[17]為

P(X>Y)=

式中，L(X)=x+-x-；L(Y)=y+-y-。

(5)兩兩比較區(qū)間數(shù)綜合權(quán)重。建立可能度判斷矩陣P=(pij)n×n。通過該矩陣求得綜合權(quán)重向量的點(diǎn)值矩陣，綜合權(quán)重向量W=(w1,w2,…,wn)T由下式確定

2.3 工程爆破項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)流程

基于IAHP-云模型的工程爆破項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)流程如下：

(1)利用基于可能度的IAHP方法分別計(jì)算一級指標(biāo)和二級指標(biāo)的權(quán)重向量。

(2)確定工程爆破項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)等級的評語集和評語范圍，將風(fēng)險(xiǎn)按照低風(fēng)險(xiǎn)[0,20]、較低風(fēng)險(xiǎn)[20,40]、中風(fēng)險(xiǎn)[40,60]、較高風(fēng)險(xiǎn)[60,80]、高風(fēng)險(xiǎn)[80,100]進(jìn)行劃分，利用云模型將評語對應(yīng)的評語區(qū)間轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)云參數(shù)，轉(zhuǎn)換公式如下

(3)邀請專家對二級指標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)等級打分，通過逆向云發(fā)生器生成各二級指標(biāo)的云數(shù)字特征，利用浮動(dòng)云算法生成一級指標(biāo)的數(shù)字特征，進(jìn)而生成整個(gè)工程爆破項(xiàng)目的云數(shù)字特征。云浮動(dòng)公式如下

(4)利用云正向發(fā)生器將云數(shù)字特征生成綜合云圖，將標(biāo)準(zhǔn)云圖與綜合云圖進(jìn)行對比，得到工程爆破項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)等級。

3 案例分析

3.1 風(fēng)險(xiǎn)等級評價(jià)過程

以某工程爆破項(xiàng)目為例，對該項(xiàng)目的風(fēng)險(xiǎn)等級進(jìn)行評價(jià)。以一級指標(biāo)為例，運(yùn)用基于可能度的IAHP方法對一級、二級指標(biāo)權(quán)重進(jìn)行計(jì)算，對指標(biāo)采取區(qū)間數(shù)的形式打分，構(gòu)建一級指標(biāo)權(quán)重判斷矩陣，見表2。

表2 一級指標(biāo)權(quán)重判斷矩陣

運(yùn)用區(qū)間特征根方法得到一級指標(biāo)權(quán)重向量為

x+=(0.394 3, 0.065, 0.042, 0.307 4, 0.191 2),

x-=(0.390 9, 0.066 7, 0.047 5, 0.299 5, 0.195 3)

經(jīng)計(jì)算得到k=0.915 5,m=1.070 7。由此計(jì)算得到權(quán)重向量為

w=(0.357 9 0.422 2,0.061 1 0.069 6,0.043 5 0.045 0,0.274 2 0.329 1,0.178 8 0.204 7)

構(gòu)建可能度判斷矩陣，即

進(jìn)行歸一化處理，得到一級指標(biāo)權(quán)重為

w(A)=(0.29,0.14,0.1,0.24,0.24)

同理，求得其他二級指標(biāo)的權(quán)重分別為

w(A1)=(0.33,0.41,0.15,0.11)

w(A2)=(0.35,0.33,0.11,0.09,0.12)

w(A3)=(0.14,0.35,0.41,0.07)

w(A4)=(0.42,0.23,0.35)

w(A5)=(0.33,0.67)

邀請10名專家和相關(guān)人員組成專家組，其中專業(yè)技術(shù)人員5名、管理人員2名、操作人員3名。采取問卷調(diào)查的形式對人員技能水平等18個(gè)二級指標(biāo)進(jìn)行評分。分值越高，說明該因素的潛在風(fēng)險(xiǎn)越大。利用逆向云發(fā)生器得到云模型各指標(biāo)的數(shù)字特征，見表3。

表3 工程爆破項(xiàng)目云模型各指標(biāo)數(shù)字特征

將綜合權(quán)重w和因素層云數(shù)字特征Ci(Exi,Eni,Hei) 分別代入公式，得到該工程爆破項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)綜合云為C(22.84,8.21,1.96)。同時(shí)，得到一級指標(biāo)的云模型數(shù)字特征分別為：C(A1)(29.196,7.964,1.77),C(A2)(14.05,8.12,2.903),C(A3)(24.56,8.26,1.72),C(A4)(15.71,8.51,2.37),C(A5)(26.705,8.26,1.80)。

運(yùn)用MATLAB軟件生成該項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)綜合評價(jià)云圖，如圖1所示。各一級指標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)云圖如圖2～圖6所示。

圖1 綜合風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)云圖

圖2 人的因素風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)云圖

圖3 設(shè)施因素風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)云圖

圖4 環(huán)境因素風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)云圖

圖5 管理因素風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)云圖

圖6 裝藥特性風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)云圖

3.2 評價(jià)結(jié)果分析

通過IAHP-云模型對某工程爆破項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)水平進(jìn)行評價(jià)，結(jié)果顯示，該項(xiàng)目綜合風(fēng)險(xiǎn)云模型數(shù)字特征為C(22.84,8.21,1.96)。

由圖1可知，綜合風(fēng)險(xiǎn)等級接近于較低風(fēng)險(xiǎn)，說明在較低風(fēng)險(xiǎn)的隸屬度較大。根據(jù)最大相關(guān)性原則可知，該工程爆破項(xiàng)目的風(fēng)險(xiǎn)等級為較低風(fēng)險(xiǎn)。其熵值En為8.21，數(shù)值較小，說明評價(jià)結(jié)果不確定性較低；超熵He為1.96，說明評估結(jié)果穩(wěn)定性較高。根據(jù)云模型的3E原則可知，當(dāng)En/3>He時(shí)，評估結(jié)果更加可靠。該項(xiàng)目綜合云模型為C(22.84,8.21,1.96)，說明評價(jià)結(jié)果較為可靠。

由圖2～圖6可知，人的因素和裝藥特性云期望值比其他因素期望值高，表明人的因素和裝藥特性風(fēng)險(xiǎn)水平較高。因此，需要進(jìn)一步加大培訓(xùn)力度，不斷提高作業(yè)人員技能水平，制訂合理的實(shí)施方案，最大限度地降低風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生概率。

綜上所述，該項(xiàng)目處于較低風(fēng)險(xiǎn)水平。在實(shí)際爆破過程中，應(yīng)加強(qiáng)火花、靜電等相關(guān)防護(hù)措施。同時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)教育管理，常態(tài)化開展操作安全培訓(xùn)，加大隱患排查力度，不斷優(yōu)化安全管理制度。

4 結(jié)語

本文基于IAHP-云模型對工程爆破項(xiàng)目進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)，克服了傳統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)方法的缺陷，降低了主觀風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)的模糊性和隨機(jī)性，為決策者提供了科學(xué)的決策依據(jù)，可為其他項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)提供參考。