水電廠突發(fā)事件應急能力的二元語義度量模型

鄭霞忠，邵 波，陳 玲，胡宇峰，陳 述

(1.三峽大學水利與環(huán)境學院,湖北 宜昌 443002；2.三峽地區(qū)地質(zhì)災害與生態(tài)環(huán)境湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心,湖北 宜昌 443002)

近些年，水電廠單機容量和裝機規(guī)模越來越大，自動化程度越來越高[1]，然而受諸多不安全因素影響，水電廠電力生產(chǎn)突發(fā)事件時有發(fā)生，且危害程度大。同時，水電廠運行管理人員呈現(xiàn)精簡化、年輕化趨勢，工作經(jīng)驗和突發(fā)事故處理經(jīng)驗不足[2]，加之水電廠地理位置特殊，大部分廠址位于高山峽谷之中，交通不便，突發(fā)事件處理困難[3]；一旦發(fā)生事故，若沒有及時有效地應急救援，輕則影響水電廠生產(chǎn)設備正常運轉(zhuǎn)，重則致使人員傷亡或電網(wǎng)大范圍停電，更可能造成電網(wǎng)瓦解等災難性后果。因此，開展水電廠突發(fā)事件應急能力度量研究對提高水電廠運行人員突發(fā)事件處理能力、保障水電廠安全高效運行具有重要意義。

目前，眾多學者開展關于如何應對水電廠突發(fā)事件的研究，提出了相應的水電廠突發(fā)事件應對措施和建議[4,5]，但大多針對具體的突發(fā)事件或是宏觀上的統(tǒng)籌，缺乏系統(tǒng)地分析水電廠突發(fā)事件應急能力，同時也較少考慮影響水電廠突發(fā)事件應急能力因素之間的內(nèi)在聯(lián)系。鑒于此，本文從安全系統(tǒng)學理論出發(fā)，建立科學全面的水電廠突發(fā)事件應急能力評價指標體系，構建水電廠突發(fā)事件應急能力的二元語義度量模型，旨在科學系統(tǒng)地刻畫水電廠突發(fā)事件應急能力，以期為提高水電廠突發(fā)事件應急能力提供理論依據(jù)。

1 指標體系

水電廠突發(fā)事件應急能力度量是一個涉及眾多環(huán)節(jié)和諸多因素的復雜系統(tǒng)工作，為了客觀真實地刻畫水電廠突發(fā)事件應急能力，根據(jù)國家有關法律法規(guī)、水電廠突發(fā)事件應急管理程序及其應急能力特性，結合水電廠運行管理專家建議，從多層次和多角度加以考慮和設計，綜合考慮各因素間的科學性、獨立性、可操作性，建立了包括預防與應急準備、應急監(jiān)測與預警、應急處置與救援和應急恢復與重建等4個一級指標及17個二級指標的水電廠突發(fā)事件應急能力指標體系。指標體系由目標層、準則層和子準則層(指標層)三部分組成，其遞階層次結構見圖1。

圖1 水電廠突發(fā)事件應急能力評價指標體系Fig.1 Evaluation index system of hydropower emergency response capacity

2 應急能力的二元語義度量模型

2.1 二元語義及其集結算子

二元語義是一種基于符號轉(zhuǎn)移概念、采用二元組(sk,αk)表示專家語言評價信息的方法[6]，其中sk為預先定義好的語言評價集S中的語言短語，αk稱為符號轉(zhuǎn)移值，表示評價結果與sk的偏差，且滿足αk∈[-0.5,0.5)。

語言評價集S是一個預先定義好的由奇數(shù)個語言短語構成的有序集合，即S={sk|k=0,1,…,g}，g+1為語言評價集中元素的個數(shù)，其中語言短語sk可以通過轉(zhuǎn)換函數(shù)θ得到相應的二元語義形式：

θ:S→S×[-0.5,0.5)

θ(sk)=(sk,0),sk∈S

(1)

設β∈[0,g]為語言評價短語集結運算的數(shù)值結果，則可由函數(shù)Δ得到與之相對應的二元語義形式：

(2)

式中：round為取整函數(shù)。

同時，存在一個逆函數(shù)Δ-1使二元語義(sk,αk)轉(zhuǎn)化為相應的數(shù)值β∈[0,g]：

Δ-1:S×[-0.5,0.5)→[0,g]

Δ-1(sk,αk)=k+αk=β

(3)

若ST={(s1,α1),(s2,α2),…,(sT,αT)}為一組二元語義，W=(w1,w2,…,wT)是與之對應的權重向量，則二元語義的加權算術平均算子

(4)

2.2 指標賦權

指標權重的確定客觀與否直接關系到度量結果的優(yōu)劣。由于度量信息的不完備和專家經(jīng)驗判斷的模糊性，水電廠突發(fā)事件應急能力度量具有很大的模糊性；在評價指標重要性的兩兩比較中，若采用傳統(tǒng)AHP方法往往會出現(xiàn)不太確定或不太合適的主觀判斷，若采用區(qū)間數(shù)來描述評價指標相對重要性，能夠充分考慮應急能力度量的模糊性，大大減少人為主觀判斷的影響[7]。因此，本文采用區(qū)間層次分析法(IAHP)確定評價指標權重，以期盡可能得到客觀合理的指標權重。具體步驟如下：

(1)形成區(qū)間判斷矩陣。參照指標體系層次結構，采用表1中互反性1～9標度對層次結構中逐層指標進行區(qū)間標量化判斷，形成圖1中目標層與準則層、準則層與子準則層之間的區(qū)間判斷矩陣。

(2)矩陣一致性檢驗。在專家經(jīng)驗判斷時, 可能會有自相矛盾的現(xiàn)象，因此需對區(qū)間判斷矩陣進行一致性檢驗；若不滿足一致性要求，運用一致性修正算法進行校正或讓專家重新判斷，直至判斷結果一致[8]。

表1 互反性1～9標度Tab.1 Reciprocal 1～9 scalar system

(3)確定指標權重。判斷矩陣元素均為區(qū)間數(shù)，采用區(qū)間特征根法進行權重求解。以區(qū)間數(shù)為元素的向量或矩陣稱為區(qū)間數(shù)向量或區(qū)間數(shù)矩陣，它們的運算通常按照向量或數(shù)字矩陣的運算定義。設B=(bth)l×l(t=1,2,…,l;h=1,2,…,l)為區(qū)間判斷矩陣，記B=[B-,B+]，有B-=(b-th)l×l，B+=(b+th)l×l，bth=[b-th,b+th]；同樣，對區(qū)間向量v=(v1,v2,…,vl)，記vt=[v-t,v+t]，有v-=(v-1,v-2,…,v-l)T，v+=(v+1,v+2,…,v+l)T。按照以上定義，先計算B-和B+的最大特征值所對應的具有正分量的歸一化特征向量v-、v+，之后根據(jù)式(5)、(6)計算各層次指標權重向量，確定指標權重。

(6)

2.3 應急能力度量模型構建

根據(jù)圖1記水電廠突發(fā)事件應急能力度量的評價指標集為A={aj|j=1,2,…,n;n=17}，則與之對應的指標權重集為WA={wj|j=1,2,…,n;n=17}；假設有m位專家對各評價指標進行語言評價，記專家集為E={ei|i=1,2,…,m}，專家權重集為WE={wi|i=1,2,…,m}；記語言評價集S={sk|k=0,1,…,6}={極差，很差，差，一般，好，很好，極好}，且rij∈S表示專家ei對指標Aj的評價結果，并將其轉(zhuǎn)化為二元語義形式(rij,0)，則可以得到專家關于評價指標的二元語義評價矩陣：

(7)

根據(jù)式(8)對專家給出的評價值進行集結，得到指標Aj的加權平均評價值：

(8)

集結指標Aj的加權平均評價值和指標權重wj，按照式(9)計算層次結構各層綜合評價值：

(9)

最后將目標層即應急能力度量綜合評價值與最近評價語言等級相比，得出應急能力度量最終結果。

3 算 例

3.1 工程資料

某水電廠是一座以發(fā)電為主，兼顧航運、灌溉、供水等綜合利用的大型水利工程，總裝機容量104萬kW，年均發(fā)電量27.54 億kWh，在電力系統(tǒng)中主要承擔調(diào)峰、調(diào)頻、事故和負荷備用，同時可以提高流域干流的水能調(diào)節(jié)能力，增加下游梯級電站的發(fā)電效益。該水電廠位于深山峽谷，遠離城市，交通不便，受人、機、環(huán)、管等諸多因素的影響，廠區(qū)安全隱患多、涉及面廣而復雜，突發(fā)事件發(fā)生后往往危害嚴重，其中任何一個環(huán)節(jié)發(fā)生故障，都會帶來一系列突發(fā)事件連鎖反應。為降低突發(fā)事件危害影響、保障水電廠正常安全運行，以水電廠基層、中層和高層管理者作為專家團對該水電廠突發(fā)事件應急能力進行評價。

3.2 指標權重確定

采用IAHP方法確定各評價指標權重，限于篇幅，僅以目標層與準則層為例進行權重求解。專家按照表1對準則層指標重要性進行判斷，經(jīng)過一致性檢驗后，得到目標層與準則層形成的區(qū)間判斷矩陣見表2。

表2 區(qū)間判斷矩陣Tab.2 Interval judgment matrix

由表2可知：

然后，運用matlab計算B-和B+的最大特征值及其所對應的具有正分量的歸一化特征向量v-和v+，即v-=(0.361,0.131,0.415,0.093)，v+=(0.331,0.141,0.438,0.090)；再根據(jù)式(5)得出ε=0.859，η=1.119；最后根據(jù)式(6)，得出權重向量m(Bt)=(0.340,0.135,0.423,0.102)。同理可得其他子準則層各指標關于準則層的權重，見表3。

表3 指標權重值Tab.3 Index weight values

3.3 應急能力度量

為方便信息的統(tǒng)計和分析，將專家團分為基層管理專家組e1、中層管理專家組e2和高層管理專家組e3三組，即m=3，設定專家權重集為{0.4,0.3,0.3}。根據(jù)客觀實際，各專家組采用語言評價集{極差，很差，差，一般，好，很好，極好}對該水電廠突發(fā)事件應急能力指標進行評價。限于篇幅，僅以準則層預防與應急準備Y1及其指標為例，專家組對其語言評價結果見表4。

表4 預防與應急準備Y1的語言評價結果Tab.4 Language evaluation results of prevention andemergency preparedness(Y1)

根據(jù)式(1)將語言評價信息轉(zhuǎn)換成二元語義形式，得到各專家組的評價矩陣R36：

首先根據(jù)式(8)對專家組的評價值進行集結，得到預防與應急準備Y1各指標的加權平均評價值分別為(s5,0.3)、(s5,-0.3)、(s4,-0.3)、(s5,0)、(s4,0.3)和(s4,-0.3)；再根據(jù)式(9)，計算得出準則層預防與應急準備Y1的綜合評價值為Δ(4.338)=(s4,0.338)，同理可得Y2、Y3和Y4的綜合評價值分別為(s3,0.083)、(s5,-0.360)和(s5,0.223)；最后結合準則層各指標權重及其綜合評價值，計算目標層即該水電廠突發(fā)事件應急能力綜合評價值：

4.460+0.102×5.223)=Δ(4.387)=(s4,0.387)

從數(shù)據(jù)分析可以得出，該水電廠突發(fā)事件應急能力整體水平為好。經(jīng)進一步分析，預防與應急準備能力為好、應急監(jiān)測與預警能力一般、應急處置與救援和應急恢復與重建能力很好。因此，該水電廠管理人員應加大應急監(jiān)測與預警方面的資源投入，提高應急監(jiān)測與預警能力，同時也應持續(xù)保持預防與應急準備、應急處置與救援和應急恢復與重建等方面的資源投入，保障水電廠突發(fā)事件應急能力更上一層樓。

4 結 論

本文根據(jù)國家法律法規(guī)，結合相關資料和實踐經(jīng)驗，建立了水電廠突發(fā)事件應急能力評價指標體系，并將區(qū)間層次分析法運用于指標賦權中，充分考慮了專家經(jīng)驗判斷的模糊性，使指標權重確定更加科學合理。同時，為解決水電廠突發(fā)事件應急能力度量中存在的模糊性問題，本文構建了水電廠突發(fā)事件應急能力的二元語義度量模型，該模型能夠系統(tǒng)刻畫水電廠突發(fā)事件應急能力，具有很好的適用性和可操作性，為水電廠運行管理人員及時發(fā)現(xiàn)應急能力薄弱環(huán)節(jié)提供了一種科學有效的方法。

□

[1] 江學文.水輪發(fā)電機組振動保護工程應用研究[J]. 中國農(nóng)村水利水電, 2012,(6):128-131.

[2] 張冬生,虎 勇,劉廣斌,等. 探究提高水電站事故應急處置能力的方法與途徑[J]. 水電能源科學, 2013,31(3):69-73.

[3] 鄭霞忠,邵 波,陳 玲,等.基于Euclid理論的水電工程施工安全熵評價[J].中國安全科學學報, 2014,24(6):38-43.

[4] 何曉紅. 應急體系建設在水電廠安全生產(chǎn)管理中的運用[J].電力安全技術, 2010,12(2):1-4.

[5] 鄭 琳. 高壩大庫水電站地震應急預案及亟待解決的問題[J].水力發(fā)電, 2014,40(5):73-76.

[6] 姜艷萍, 樊治平. 二元語義信息集結算子的性質(zhì)分析[J]. 控制與決策, 2003,18(6):754-757.

[7] 王 振, 劉 茂. 應用區(qū)間層次分析法(IAHP)研究高層建筑火災安全因素[J].安全與環(huán)境學報, 2006,6(1):12-15.

[8] 李繼乾,蘇 醒,魏翠萍.區(qū)間數(shù)判斷矩陣的排序及一致性改進算法[J].數(shù)學的實踐與認識, 2008,38(22):147-153.