基于模糊层次分析法的电力基坑气体环境安全风险评估

宋晓燕，崔凤庆，陈家聪，夏源利

(1.国网河南省电力公司电力科学研究院，河南 郑州 450001；2.郑州大学，河南 郑州 450001)

0 引言

电力基坑作为输电线路施工的基础工程,长期处于半封闭状态,自然通风不良,在微生物分解、氧化等作用下,极易造成有毒有害气体积聚和缺氧,进而导致安全事故。由于电力基坑的内部环境复杂,安全风险因素众多且大多无法量化,因此,采用模糊层次分析法对各种因素进行量化处理以取得电力基坑环境风险与各因素的耦合关系,在此基础上提出基于大数据分析的机器学习法对各种影响因素进行有效评估。

1 评价指标

电力基坑作为半封闭空间,坑内的不良气体环境是基坑作业面临的固有风险。除此之外,地质环境、大气环境、工作人员作业状态、设备使用状况以及企业施工管理情况,都会对电力基坑内的作业带来不同程度的影响。

1.1 气体环境因素

对于气体环境风险,作业前主要从有限空间内部存在或产生、作业时产生和外部环境影响三个方面进行辨识；作业中则以燃爆、气体中毒、缺氧窒息三种主要风险为对象进行评价。

1.2 人为因素

对于人为因素造成的风险,主要从作业人员(包括人员的健康状况、参与紧急救援培训及考核情况、人员资质情况等)、设备设施(包括个体安全防护、紧急救援、安全器具等设备设施)以及企业的施工管理流程及执行情况三个方面进行评价,以一票否决项的形式除去人为因素的干扰,确保对气体环境分析的客观性。

2 电力基坑施工作业前、作业中风险评估

2.1 评估指标与权重

2.1.1 作业前风险预测模型

根据作业前风险预测模型,对周边环境、地质特点、基坑尺寸、作业内容、作业间隔时长以及天气情况等指标进行综合评估。结合专家经验法及相关资料构造出风险指标判断矩阵,计算得到每个指标的综合权重(见表1)。

表1 作业前风险预估模型指标与综合权重

在所有指标的权重中,地质特点占比最高(0.472),其次为周边环境(0.235),因此,在电力基坑施工前需要对施工地点及周边环境进行详细的地质勘查和环境调研,最大限度地减少施工风险。在天气情况中,特殊天气和空气温度两项占比较高,因此,在电力基坑施工过程中需要密切注意施工作业当天的极端天气情况和温度情况。

2.1.2 作业中风险实时评估模型

作业中风险实时评估模型主要考虑电力基坑内常见的燃爆、气体中毒、缺氧窒息三种风险。经模糊层次分析法确定的作业中风险实时评估模型指标与综合权重见表2。

表2 作业中风险实时评估模型指标与综合权重

作业中,上述风险因素中起主要作用的都是相应气体的体积分数,综合权重占比约50 %,因此,在实际工作过程中对基坑内的气体实施监测是重中之重。作业行为和作业人数在各种风险因素中权重也较大,说明在施工阶段规范施工行为、限制施工人数、做好监管措施和防护措施,能够较大程度避免事故发生。

2.2 模糊综合评价

以层次分析法中确立的评价指标和其综合权重作为模糊综合评价的因素集合,并在此基础上建立备择集和隶属度矩阵。将备择集分为四项,将基坑内的安全风险划分为低风险、较低风险、较高风险、高风险四个等级。建立隶属度矩阵,将每个指标与备择集一一对应,并确定该指标所属安全风险等级。在定性指标中,通过典型案例并设置隶属度表进行定性评价；定量的指标则采用线性分布的方式确定安全风险等级隶属度。

3 评估实施

以某220 kV线路工程为例进行风险评估,该工程项目相关资料见表3、表4。

表3 作业前工程项目资料

表4 作业中项目资料

3.1 作业前风险预估

根据项目资料对比定性评价隶属表得到评判矩阵S、R。

作业前风险D=S×R=[0.071,0.330,0.023,0.612]

根据最大隶属度原则,该工程日风险评估结果对高风险等级的隶属度最大,为0.612,因此,该风险评估结果为高风险。

3.2 作业中风险实时评估

根据各项指标建立隶属度评判矩阵S1、S2、S3、R1、R2、R3。

燃爆风险D1=S1×R1=[0.752,0.096,0.152,0]

气体中毒风险D2=S2×R2=[0,0.17,0.137,0.693]

缺氧窒息风险D3=S3×R3=[0,0.5908,0.1772,0.232]

计算结果显示,该工程实时风险评价结果为低燃爆风险、高气体中毒风险、低缺氧窒息风险。该评价结果与实际专家打分法得到的情况一致,说明该评价模型具有相当的可信度。

4 作业后风险评估反馈

作业前、作业中采取模糊层次分析法对风险等级进行了评估,由于定量数据较少,定性评价较多,受评判者的主观经验影响较大。因此,作业后采用机器学习法对作业前、作业中的风险评价模型进行校正。

作业前以预测基坑内部气体环境为主,可采用多元线性回归算法,计算得到各个指标对气体环境影响的权重后,对作业前模型内的参数进行调整。作业中采用支持向量机算法得到分类规律,以判断实际案例所属风险区间,结合作业中评价结果共同指导现场工作。

5 结论

该研究立足于电力基坑有限空间风险与基坑内气体环境的耦合关系,基于模糊层次分析法对各种影响因素进行评估,主要结论如下。

1) 作业前风险影响因素中,地质特点权重为0.472,周边环境为0.235。因此,在项目施工时,进行全面的地质勘查和合理的线路规划是消除施工过程潜在风险的重要手段。

2) 作业风险影响因素中各种气体的体积分数综合权重占比约50 %,因此,要保证基坑内部的安全,关键是要采取不间断空气质量监测措施和合适的通风措施。

3) 作业后需要对数据库进行更新,去除无效信息,标记特殊情况信息,进一步提升模型的准确性。为了保持评价模型的先进性,采用机器学习法优化已有模型,并在实际施工作业过程中充分落实基坑内实时气体信息收集方案,实时监控风险评估结果。