王莉,馬銜青,王濤,王云坡

(1.河南工業(yè)大學電氣工程學院，鄭州 450001；2.北京中電智網(wǎng)科技有限公司，北京 102200;3.鄭州市市政工程勘測設(shè)計院，鄭州 450000)

由于市政有限空間長期封閉或半封閉，自然通風不佳，普遍存在微生物分解、金屬腐蝕、熱膨脹等作用，極易形成有毒有害氣體、易燃易爆物質(zhì)積聚和缺氧的環(huán)境，有較大的作業(yè)安全風險[1]。因此，對市政有限空間氣體安全進行作業(yè)前風險評價具有重要意義。

隨著經(jīng)濟快速發(fā)展、工業(yè)化進程日益深入，有限空間作業(yè)安全問題日益顯現(xiàn)。Xia 等[2]對中國2008—2018年涉及密閉空間作業(yè)的120起致命事故進行了分析和研究，建立了由5個層次和21個因素組成的人為因素分析和分類系統(tǒng)-改性密閉空間事故模型，總結(jié)了密閉空間作業(yè)事故的成因和特點。Selman等[3]使用事故統(tǒng)計分析法分析了受限空間作業(yè)事故特征和原因，將受限空間工作的吞沒和其他物理危害納入安全立法，為更好地分析和提出改進受限空間工作安全的建議做出了貢獻。中國近年來也高度重視有限空間作業(yè)安全問題。劉毅等[4]提出一種基于模糊決策與試驗評價實驗室與優(yōu)劣解距離法的風險評估模型對地鐵深基坑施工進行安全評估。宋思雨等[5]使用德爾菲法分析并確定有限空間作業(yè)中毒事故的風險因素，引入解釋結(jié)構(gòu)模型對風險因素進行劃分并提出了風險管控措施。劉艷等[6]以北京市供熱檢查室為研究對象探究了市政供熱管線有限空間作業(yè)危害因素及成因并提出相應(yīng)的事故預防對策。馬莎等[7]提出熵權(quán)-層次分析法以實現(xiàn)權(quán)重的客觀分析計算，并運用模糊綜合評判法評價地下空間開發(fā)適宜性。劉威等[8]使用層次分析法和熵權(quán)法組合賦權(quán)的風險評估方法對排水管網(wǎng)風險因素指標賦權(quán)，并結(jié)合風險矩陣對風險進行評級。徐得潛等[9]探索了合流制污水管道的風險因素，利用層次分析法及灰色關(guān)聯(lián)度法建立風險評估模型得出評價結(jié)果。嚴淳鳀等[10]結(jié)合風險矩陣法和層次分析法確定深水測試作業(yè)的風險評價指標相對權(quán)重，通過計算風險度得到深水氣井測試作業(yè)風險等級。李歡等[11]分析頁巖氣井噴事故風險因素，結(jié)合多層次結(jié)構(gòu)模型確定風險指標權(quán)重，構(gòu)建模糊綜合評價模型對頁巖氣井噴風險進行評價。張剛[12]使用層次分析法確定廢棄油井風險評價指標權(quán)重，建立模糊綜合評價模型對煤礦廢棄油井風險等級分類并制定相應(yīng)防治方法。汪圣華等[13]應(yīng)用層次分析法和模糊綜合評價法建立有限空間作業(yè)風險綜合評估模型，并構(gòu)建危險氣體在線監(jiān)測系統(tǒng)動態(tài)評估有限空間作業(yè)風險。楊春麗等[14]對市政有限空間氣體危害因素進行檢測與分析，并使用層次分析法進行作業(yè)安全風險評估。

現(xiàn)綜合考慮氣體窒息中毒風險、熱環(huán)境因素、作業(yè)人員情況、設(shè)備及管理情況對市政有限空間氣體安全風險的影響，使用改進層次分析法(interval analytic hierarchy process,IAHP)依據(jù)專家打分確定評價指標主觀權(quán)重，使用熵權(quán)法依據(jù)指標數(shù)據(jù)變異性的大小確定評價指標客觀權(quán)重，采用IAHP-熵權(quán)法組合賦權(quán)計算評價指標主客觀優(yōu)化權(quán)重，結(jié)合模糊綜合評價法對氣體安全進行風險評價，得出評價風險等級，并以鄭州市航空港區(qū)某電力基坑有限空間為例驗證評價方法的可行性。

1 評價方法

1.1 IAHP-熵權(quán)法組合賦權(quán)

1.1.1 改進層次分析法IAHP

層次分析法是一種將與評價和決策有關(guān)的因素分解成目標、準則、方案等層次，由此進行定性與定量分析相結(jié)合的多屬性決策方法。其構(gòu)造判斷矩陣時使用的1～9比率標度法難以嚴格區(qū)分評價指標重要性，易導致判斷界限模糊；當決策體系中準則、方案過多時，判斷矩陣的一致性檢驗較為復雜，如出現(xiàn)判斷矩陣不一致的情況，要不斷地人工重構(gòu)判斷矩陣并重新計算，直到通過一致性檢驗；這樣不僅運算量大，而且有一定的盲目性，違背了專家最初的判斷。改進層次分析法引入一種新的標度——三標度法(0，1，2)來構(gòu)建比較矩陣，使用三標度法易于區(qū)分兩兩因素的重要程度，且無需對計算結(jié)果再進行一致性檢驗，減少了迭代次數(shù)，提高了計算速度和精度，該方法具體步驟如下[15]。

(1)建立市政有限空間氣體安全風險評價遞階層次結(jié)構(gòu)模型。

(2)構(gòu)造比較矩陣A。

(1)

(2)

式中：Aij為第i因素與第j因素相對比的重要性，有Aii=1或Ajj=1。

(3)計算重要性排序指數(shù)ri。

(3)

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

(4)構(gòu)造判斷矩陣B。

(4)

(5)求判斷矩陣B的最優(yōu)傳遞矩陣C。

(5)

(6)求判斷矩陣B的擬優(yōu)一致矩陣B′。

B′ij=10Cij

(6)

(7)求B′的最大特征值及其特征向量，并對其特征向量進行歸一化處理，可得市政有限空間氣體安全風險評價指標的主觀權(quán)重Sj。

1.1.2 熵權(quán)法

熵權(quán)法是一種根據(jù)指標變異性的大小來確定客觀權(quán)重的方法，通過調(diào)整有差異的數(shù)據(jù)，使其標準化后計算各指標的熵值，熵值用來衡量指標包含的有效信息，根據(jù)每個指標的信息量可以確定市政有限空間氣體安全風險評價指標客觀權(quán)重Oj，具體步驟如下。

(1)各指標數(shù)據(jù)標準化。

正向指標標準化公式為

(7)

負向指標標準化公式為

(8)

式中：Xij為指標原始數(shù)據(jù)；X′ij為標準化處理后的各指標值；maxXj、minXj分別為第j項指標的最大值、最小值。

(2)各指標數(shù)據(jù)歸一化處理。

(9)

(3)求各指標信息熵。

(10)

(4)求各指標客觀權(quán)重。

(11)

1.1.3 IAHP-熵權(quán)法計算組合權(quán)重

(12)

式(12)中：Fj為市政有限空間氣體安全風險評價指標最終組合權(quán)重；Sj為改進層次分析法求得各指標主觀權(quán)重；Oj為熵權(quán)法求得各指標客觀權(quán)重。

1.2 模糊綜合評價法

模糊綜合評價法在實際中可以對多因素作用的評價問題做出綜合評判。使用隸屬度描述市政有限空間氣體安全風險評價指標的模糊界限，建立模糊關(guān)系矩陣，結(jié)合各指標權(quán)重向量，得出綜合評價值，確定市政有限空間氣體安全的風險等級，具體步驟如下。

(1)建立因素集。對于多層次指標評價對象，一級評價指標因素集為U={U1，U2，…，Un}，二級評價指標因素集為Ui={u1，u2，…，uni}。

(2)建立評語集。評語集V是對評價指標集U的評判結(jié)果的集合為V={v1，v2，…，vm}。

(3)單因素評判。對二級評價指標因素集Ui的ni個因素進行單因素評判，得單因素評判矩陣為

(13)

因素集Ui的權(quán)重集為Fi={f1，f2，…，fni}，則對單因素的綜合評判為Ei，即

Ei=Fi°Ri，i=1，2，…，n

(14)

式(14)中：°為模糊合成算子。

(4)多因素模糊綜合評判。對一級評價指標因素集U={U1，U2，…，Un}做綜合評判，因素集Ui的權(quán)重集為F={f1，f2，…，fn}，綜合所有單因素評判結(jié)果Ei組成總評判矩陣R，可得綜合評判。

(15)

E=F°R

(16)

(5)按最大隸屬度原則得相應(yīng)評語，評價市政有限空間氣體安全風險等級。

2 IAHP-熵權(quán)法和模糊綜合評價法在電力基坑氣體安全風險評價中的應(yīng)用

2.1 實例分析

以鄭州市航空港區(qū)某電力基坑有限空間為例，該電力基坑直徑約1.2 m，深約8.3 m，位于商登高速與富航路交叉路口西北角。基坑所在位置較為平坦，地面建筑物以高層住宅為主，因周邊多為綜合區(qū)和餐飲區(qū)，該電力基坑可能存在有毒有害氣體風險。因此使用本文的評價方法對該電力基坑氣體安全進行風險評價，以期達到作業(yè)前風險預警的目的，為實際工程作業(yè)提供參考。

2.2 確定評價指標體系

2.2.1 篩選評價指標

通過調(diào)查研究市政電力基坑有限空間人員作業(yè)事故原因和預防措施，綜合考慮多方面影響因素，確定電力基坑氣體安全風險一級評價指標為氣體窒息中毒風險(A1)、熱環(huán)境因素(A2)、作業(yè)人員情況(A3)、設(shè)備及管理情況(A4)。

2.2.2 氣體窒息中毒風險指標

分析我國電力基坑作業(yè)事故原因發(fā)現(xiàn)窒息、中毒和燃爆事故是高發(fā)的事故類型。氧氣(A11)和二氧化碳(A12)的氣體含量及其變化趨勢是氣體安全風險的重要指標；甲烷(A13)和一氧化碳(A14)有燃爆風險，且濃度過高可致人員缺氧窒息中毒；硫化氫(A15)氣體急性劇毒，低濃度時影響人的黏膜和中樞神經(jīng)，高濃度時危及生命安全；氨氣(A16)對接觸的皮膚組織有刺激腐蝕作用，吸入肺后會破壞運氧功能，嚴重時以致死亡。故選取以上6種氣體的含量作為氣體窒息中毒風險的二級評價指標。

2.2.3 熱環(huán)境因素指標

熱環(huán)境因素是造成電力基坑缺氧的重要原因。溫濕度過高的環(huán)境利于基坑內(nèi)好氧微生物生長繁殖，形成缺氧環(huán)境；通風情況的優(yōu)劣對基坑內(nèi)的溫濕度和氣體含量也有著重要影響。故選取溫度因素(A21)、濕度因素(A22)和通風情況(A23)作為熱環(huán)境因素的二級評價指標。

2.2.4 作業(yè)人員情況指標

在實際作業(yè)中，作業(yè)人員的安全意識(A31)極為重要，這代表著其能否及時察覺到安全風險以及進行違章作業(yè)的可能；作業(yè)人員的工作狀態(tài)(A32)，作業(yè)當天的心理和生理狀態(tài)對作業(yè)安全有著很大影響；工作時長(A33)對基坑內(nèi)氧氣含量和作業(yè)人員心理生理狀況也存在著較大影響；如有氣體安全事故風險，作業(yè)人員的避難自救能力(A34)對事故形成和發(fā)展至關(guān)重要。故選取以上4個指標作為作業(yè)人員情況的二級評價指標。

2.2.5 設(shè)備及管理情況指標

作業(yè)前安全教育培訓(A41)可有效提高作業(yè)人員綜合素質(zhì)，減少人員作業(yè)事故；安全防護設(shè)備(A42)是否完備有效在作業(yè)安全中起著至關(guān)重要的作用；作業(yè)審批制度(A43)的合理完善和嚴格遵守可以有效保障作業(yè)人員的生命健康；現(xiàn)場監(jiān)管情況(A44)合理有序有利于加強安全管理和作業(yè)安全實施；應(yīng)急救援系統(tǒng)(A45)的完善可靠可在事故發(fā)生時減小事故后果。故選取以上5個指標作為設(shè)備及管理情況的二級評價指標。

2.2.6 構(gòu)建評價層次模型

基于以上分析，電力基坑氣體安全風險由固有風險(氣體環(huán)境、熱環(huán)境形成的風險)加上作業(yè)人員和設(shè)備管理情況的影響組成。模型從4個方面選取18個指標，構(gòu)建三層次的電力基坑氣體安全風險評價層次結(jié)構(gòu)模型，如圖1所示。

圖1 電力基坑氣體安全風險評價層次結(jié)構(gòu)模型Fig.1 Hierarchical structure model of gas safety risk assessment for power foundation pit

2.3 計算指標權(quán)重

2.3.1 IAHP確定指標主觀權(quán)重

利用IAHP法確定電力基坑氣體安全評價指標主觀權(quán)重時，采用咨詢專家打分法，使用平均值計算鄭州市市政工程勘測設(shè)計院多位專家評價權(quán)重意見值，構(gòu)造電力基坑氣體安全評價指標的比較矩陣。使用IAHP計算各指標分權(quán)重及總權(quán)重，如表1～表6所示。

表1 一級指標比較矩陣及權(quán)重Table 1 First-level index comparison matrix and weight

表2 氣體窒息中毒風險指標比較矩陣及權(quán)重Table 2 Comparison matrix and weight of gas asphyxiation poisoning risk indicators

表3 熱環(huán)境因素指標比較矩陣及權(quán)重Table 3 Thermal environment factor index comparison matrix and weight

表4 作業(yè)人員情況指標比較矩陣及權(quán)重Table 4 Comparison matrix and weights of worker status indicators

表5 設(shè)備及管理情況指標比較矩陣及權(quán)重Table 5 Equipment and management index comparison matrix and weight

表6 IAHP指標主觀總權(quán)重計算結(jié)果Table 6 IAHP total subjective weights calculation results

2.3.2 熵權(quán)法確定指標客觀權(quán)重

利用熵權(quán)法確定電力基坑氣體安全評價指標客觀權(quán)重時，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來源于鄭州市航空港區(qū)某電力基坑有限空間實測信息。氣體檢測儀選用河南省保時安電子科技有限公司生產(chǎn)的BH-4復合式多氣體檢測儀。收集整理參考數(shù)據(jù)，統(tǒng)一將數(shù)據(jù)標準化和歸一化處理，使用熵權(quán)法計算各指標信息熵及客觀權(quán)重結(jié)果如表7所示。

表7 熵權(quán)法指標客觀權(quán)重計算結(jié)果Table 7 Calculation results of objective weights of indicators by entropy weight method

2.3.3 IAHP-熵權(quán)法確定組合權(quán)重

根據(jù)式(12)求得電力基坑氣體安全風險指標的最終組合權(quán)重如表8所示。

表8 組合權(quán)重計算結(jié)果Table 8 Combined weight calculation results

2.4 模糊綜合評價

2.4.1 建立因素集

由圖1可得一級評價指標因素集A={A1，A2，A3，A4}，二級評價指標因素集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 建立評語集

將電力基坑氣體安全風險評價結(jié)果分為4個等級，用評語集V={v1，v2，v3，v4}={安全，較安全，較不安全，不安全}表示。其中，v1表示此電力基坑安全，可進行作業(yè)；v2表示此電力基坑較安全，作業(yè)前可針對潛在風險做出相應(yīng)措施再進行作業(yè)；v3表示此電力基坑較不安全，具有較大安全風險，必需采取手段有效降低風險后才可作業(yè)；v4表示此電力基坑不安全，具有極大安全風險，威脅生命，不可作業(yè)。

2.4.3 單因素評判

為驗證構(gòu)建模型可行性，各指標采用專家打分法獲得不同評價等級隸屬度，使用平均值計算鄭州市市政工程勘測設(shè)計院多位專家評價意見值，各二級評價指標模糊綜合評價結(jié)果如表9所示。

表9 二級評價指標模糊綜合評價結(jié)果Table 9 Fuzzy comprehensive evaluation results of secondary evaluation index

2.4.4 多因素模糊綜合評判

整理二級評價指標評判結(jié)果得一級評判矩陣，一級評價指標模糊綜合評價結(jié)果如表10所示。

表10 一級評價指標模糊綜合評價結(jié)果Table 10 Fuzzy comprehensive evaluation results of the first-level evaluation index

2.4.5 按最大隸屬度原則得相應(yīng)評語

模糊綜合評判計算結(jié)果(0.379，0.125，0.012，0.004)對應(yīng)評語集V={v1，v2，v3，v4}={安全，較安全，較不安全，不安全}，最大隸屬度數(shù)值為0.379，按最大隸屬度原則，此次實測的電力基坑氣體安全風險評價等級為安全。

在實際情況中，此電力基坑存在可檢測范圍內(nèi)的甲烷氣體，但低于爆炸極限范圍，且甲烷含量所占整體權(quán)重不高，加之該電力基坑位于綜合區(qū)和餐飲區(qū)附近，所分配作業(yè)人員安全意識較高，設(shè)備管理情況良好，所以最終氣體安全評級等級為安全。因此，盡管某些市政電力基坑有限空間存在固有風險，但其作業(yè)人員素質(zhì)較高，加之嚴格管理防護設(shè)備及現(xiàn)場情況，所以風險可控，可進行安全作業(yè)。

3 結(jié)論

(1)基于市政有限空間人員作業(yè)事故原因和預防措施的分析，結(jié)合專家決策者經(jīng)驗建立了氣體安全風險評價指標體系。使用IAHP-熵權(quán)法和模糊綜合評價法進行風險評價，即三標度法改進的層次分析法和熵權(quán)法確定指標綜合優(yōu)化權(quán)重，模糊綜合評價法進行風險等級評價。

(2)采用IAHP-熵權(quán)法確定權(quán)重不僅避免了人為主觀因素賦權(quán)影響，也避免了因樣本差異性較大而造成的客觀賦權(quán)偏差，使最終得到的權(quán)重更加客觀合理；模糊綜合評價法可反映指標因素的模糊性，更客觀合理地評價模糊性和多因素問題。

(3)將上述方法應(yīng)用于鄭州市航空港區(qū)某電力基坑有限空間氣體安全風險評價中，評價等級為安全，與實際情況吻合程度較高，表明該風險評價方法較為準確可行，可在實際工程作業(yè)中根據(jù)評價結(jié)果對影響作業(yè)安全的因素進行重點防范和調(diào)節(jié)，提高作業(yè)前風險評價水平，降低因氣體安全風險造成作業(yè)事故的概率。

(4)所述方法的關(guān)鍵是計算各風險因素的權(quán)重及隸屬度，對于多因素耦合作用下的各風險因素的權(quán)重計算及分析還需進一步研究，以促進市政有限空間氣體安全風險評價方法的完善。