基于貝葉斯網(wǎng)絡的鄰近既有線施工風險分析

田苾，黃健陵，陳輝華，楊丁穎

基于貝葉斯網(wǎng)絡的鄰近既有線施工風險分析

田苾，黃健陵，陳輝華，楊丁穎

(中南大學 土木工程學院，湖南 長沙 410075)

基于鄰近既有線施工風險因素復雜多變且具有不確定性，而傳統(tǒng)風險分析方法很難處理不確定性知識的現(xiàn)狀問題，提出一種基于貝葉斯網(wǎng)絡的鄰近既有線施工風險分析方法。結(jié)合系統(tǒng)安全科學理論基于事故資料統(tǒng)計分析建立鄰近既有線施工風險致因模型，并由專家群決策方法確定風險因素清單，在此基礎上構(gòu)建鄰近既有線施工風險BN結(jié)構(gòu)模型；結(jié)合實際工程案例，利用貝葉斯雙向因果推理原理預測項目鄰近既有線施工風險發(fā)生類型以及不同情況下的風險發(fā)生概率，診斷風險成因機理；通過GeNIe敏感性分析找出敏感致險因素。研究結(jié)果表明：在人、物、環(huán)和管風險因素系統(tǒng)中，管理因素的變化對鄰近既有線施工風險水平的影響較大。模型分析結(jié)果與項目實際情況基本相符。

風險管理；鐵路施工；臨近既有線；貝葉斯網(wǎng)絡；不確定推理；敏感性分析

鄰近既有線施工具有復雜性、不確定性和風險性高等特點[1?2]。近年來，隨著鐵路建設更高更快發(fā)展，既有線和鄰近既有線施工更為頻繁，由此引發(fā)的行車安全事故也頻繁發(fā)生，如膠濟線D59列車撞人重大事故、龍里站觸電事故等。據(jù)統(tǒng)計分析，既有線和鄰近既有線施工事故占了鐵路工程事故總數(shù)的近10%，是鐵路建設工程重大事故易發(fā)類事故之一[3]。分析鄰近既有線施工風險的影響因素和作用機理，尋求合理的方法對風險水平進行評估并提出相應的預防對策已成為鐵路建設安全管理研究領域亟待解決的問題。由于相關信息不夠全面、缺乏數(shù)據(jù)且受人為因素影響，鄰近既有線施工安全風險的定量分析難以開展，目前仍以定性研究為主。而針對此類施工所涉及的復雜性和不確定性，傳統(tǒng)的風險分析方法如層次分析法、神經(jīng)網(wǎng)絡法和FTA等都具有一定局限[4]。為最大程度減少研究過程中的主觀性和人為誤差，需要在綜合考慮施工現(xiàn)場條件和風險管理實施力度的基礎上，采用更加科學的方法對鄰近既有線施工風險進行定量分析。貝葉斯網(wǎng)絡方法(BN)是Pearl于1988年提出的一種非常有代表性的不確定性知識表示和推理方法[5]。已有文獻表明BN能夠融合多領域?qū)＜谊P于具體工程的實踐經(jīng)驗，以有向圖形式直觀表達安全事故致因變量間的不確定關系，在事前或事后根據(jù)需要進行雙向推理和重要度分析，近年來在可靠性評估、風險預測和分析等領域得到了廣泛應用[6?8]。本文擬利用BN模型結(jié)合工程案例，對鄰近既有線施工安全事故的發(fā)生與風險因素之間的關系進行模型構(gòu)建和定量分析，降低評價結(jié)果主觀性。

1 BN基本原理

貝葉斯網(wǎng)絡是含有條件概率表的有向無環(huán)圖，這個圖模型可以表示變量集合的聯(lián)合概率分布，用概率規(guī)則實現(xiàn)預測、診斷等任務[9]。在BN中，沒有任何導入箭頭的結(jié)點為根結(jié)點，這類結(jié)點的概率不以其他結(jié)點為條件，為先驗概率。被箭頭指向的結(jié)點為子結(jié)點，而箭頭的來源結(jié)點為父結(jié)點。每個子結(jié)點都有一個在父結(jié)點的取值狀態(tài)下的條件概率分布。

假設風險事件為子結(jié)點，其父結(jié)點為個風險因素X(=1, 2,…,)，所有結(jié)點均對應“0不發(fā)生”或“1發(fā)生”2種狀態(tài)，則當風險因素X的狀態(tài)可通過專家經(jīng)驗或樣本數(shù)據(jù)獲取的情況下，風險事件的發(fā)生概率為：

反過來，若已知子結(jié)點(風險事件)發(fā)生狀態(tài)，可根據(jù)條件概率公式計算各個父結(jié)點(風險因素)的后驗概率分布。第個父結(jié)點X的后驗概率為：

2 基于BN的鄰近既有線施工風險分析方法

2.1 事故資料統(tǒng)計分析

對我國近10年以來發(fā)生的多起既有線和臨近既有線施工事故進行統(tǒng)計分析[10]，可將臨近既有線施工風險事故的類型大致分為：1) 施工不當造成既有線行車設施的損壞，間接影響既有線正常運營，如既有線路基失穩(wěn)或電纜被挖斷；2) 因人員、機具等異物侵限從而直接影響既有線正常運營，引發(fā)安全事故，典型案例如膠濟線D59列車撞人重大 事故。

2.2 風險因素識別與致因分析

根據(jù)系統(tǒng)安全科學理論的觀點，本文將臨近既有線施工過程中的風險因素歸納為人、物、環(huán)境和管理四大要素。其中，“人”因R指施工管理人員、現(xiàn)場施工工人的不安全行為；“物”因W則對應施工現(xiàn)場內(nèi)大型機械、器具、物料、安全防護設施等的不安全狀態(tài)；“環(huán)境”因素H主要指鄰近既有線條件下人、物共處的特殊施工環(huán)境；“管理”因素G指的是在管理、技術方面不具備相關能力或未完成相關工作，管理因素將影響風險因素系統(tǒng)中的其它因素的不安全行為或狀態(tài)，使得原本的風險水平隨著管理因素效應的不同而改變?；卩徑扔芯€施工風險作用機理的層狀因果關系結(jié)構(gòu)，如圖1所示，即某種或多種風險因素在一定環(huán)境中形成風險隱患，隨著空間和時間的推移最終觸發(fā)風險事故，導致工程發(fā)生風險損失[11]。

2.3 構(gòu)建BN模型

2.3.1 BN網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)

在圖1基礎上，根據(jù)風險因素清單，建立BN網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)。即通過專家群決策并利用事故樹法的邏輯推理過程，以樹狀圖表示頂事件與各風險狀態(tài)、各風險因素之間的因果關系，再將樹狀圖進行貝葉斯網(wǎng)絡化[6, 11]，如圖2所示。

圖1 鄰近既有線施工風險致因模型

圖2 風險貝葉斯網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)示例

2.3.2 網(wǎng)絡參數(shù)

1) 網(wǎng)絡CPT

當子節(jié)點與父節(jié)點之間存在明顯的邏輯“與”或“或”的關系時，本文參照已有文獻對事故樹?貝葉斯網(wǎng)絡轉(zhuǎn)化關系的說明[12]，對一定邏輯關系下的CPT稍作調(diào)整，見圖3。

當子節(jié)點與父節(jié)點之間邏輯關系不明顯，子節(jié)點是在其父節(jié)點的綜合作用下發(fā)生時，考慮到鄰近既有線施工安全領域難以獲得完整的事故數(shù)據(jù)，本文采用專家問卷調(diào)研的方式獲得此類節(jié)點的CPT。為使專家對概率和風險發(fā)生可能性的表述理解統(tǒng)一，問卷參考鐵路建設工程風險管理技術規(guī)范提出的概率等級表述，采用5檔分級的風險發(fā)生概率范圍及語言描述，見表1。

圖3 經(jīng)過修改的邏輯“與/或”的CPT

表1 鄰近既有線施工風險事件發(fā)生概率的定性描述

2) 根結(jié)點先驗概率

通過專家調(diào)查問卷和現(xiàn)場資料查詢確定根節(jié)點的先驗概率。問卷提問中風險因素概率水平的描述與表1一致。將初步確定的網(wǎng)絡參數(shù)輸入BN，得到頂事件和各風險狀態(tài)發(fā)生概率，將結(jié)果反饋給專家或與現(xiàn)場資料統(tǒng)計結(jié)果進行驗證，對初步建立的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)進行相應調(diào)整，并最終確定。

2.4 風險推理及敏感性分析

2.4.1 風險推理

2.4.2 敏感性分析

貝葉斯網(wǎng)絡的敏感性分析表明了模型局部參數(shù)或證據(jù)微小變化對于目標結(jié)點所產(chǎn)生的影響。結(jié)點的敏感性越大則施工安全風險水平對其越敏感，應作為復雜系統(tǒng)的重要參數(shù)和結(jié)構(gòu)對其采取相應措施。

以上推理和敏感性分析過程均可借助軟件完成，本文采用的是GeNIe Version 2.1.1軟件。

3 實例分析

3.1 工程概況

以新建云桂鐵路廣西段2標段為例進行鄰近既有線施工風險BNA方法研究。云桂鐵路廣西段與既有南昆鐵路并行，局部地段緊鄰，并多次與既有線交叉。2標段施工范圍為DK110+700~DK138+ 000，全長27.2 km。沿線與既有南昆線水平距離在13~200 m之間，其中平果三號和四號明洞爆破開挖水平距離在15 m以內(nèi)。沿線施工內(nèi)容主要包括隧道、明洞、路塹爆破開挖、路堤填方以及邊坡防護等。該項目沿線施工環(huán)境復雜，不良地質(zhì)有巖溶、順層、膨脹土等，土方作業(yè)需采用爆破方法。既有南昆線為國家Ⅰ級電氣化鐵路，其各段能力基本處于超飽和狀態(tài)。天窗施工期間，既有線實行封鎖計劃。因此，在確保不影響既有線營運條件下，保證鄰近既有線施工安全并滿足工程進度要求，是此標段施工管理重點。

3.2 鄰近既有線施工風險因素識別

以“鄰近既有線施工安全事故”為頂事件，逐層解析。參考2標段實際工程內(nèi)容和施工條件對此標段風險事故類型進行分析，列出雙層BN風險狀態(tài)結(jié)點，包括：路基失穩(wěn)1，管線挖斷2，異物侵限3，未采取及時有效的應急救援措施4，雨水侵蝕既有線邊坡1，土方開挖不當2，臨近地下管線野蠻施工3，人員侵限4，物料侵限5，大型機械侵限6，高處作業(yè)時構(gòu)件翻轉(zhuǎn)墜落7，山體落石或爆炸飛石侵限8，應急救援不及時9和應急救援措施不恰當10；然后結(jié)合此標段施工風險及安全管理實施細則、安全管理檢查表等現(xiàn)場資料的內(nèi)容，列出可能的風險因素清單[13]，通過調(diào)查問卷和專家經(jīng)驗確定主要風險因素，作為BN風險因素結(jié)點，見表2。

表2 BN風險因素節(jié)點表

3.3 鄰近既有線施工風險BN模型構(gòu)建

本文將危及既有線行車的所有施工過程作為系統(tǒng)考慮，根據(jù)結(jié)點之間的邏輯關系，構(gòu)建BN拓撲結(jié)構(gòu)模型(見圖4)。為了在方便計算的同時，更準確描述項目施工安全管理的現(xiàn)實情況，在劃分結(jié)點取值狀態(tài)時，將“人員操作”設置為三態(tài)“違章/不熟練/正常”、“現(xiàn)場安全文明施工管理”設置為三態(tài)“混亂/一般/正常”、“持證上崗情況”設置為二態(tài)“無證/持證”，其余節(jié)點均設置為二態(tài)“Y和N”。圖4中根節(jié)點的初始概率通過問卷調(diào)查結(jié)合現(xiàn)場資料獲取，網(wǎng)絡CPT根據(jù)節(jié)點類型通過專家群決策的方式進行確定。如子節(jié)點4與父節(jié)點9和10之間為邏輯或關系；子節(jié)點8與父節(jié)點14，15和16之間為邏輯與關系；子節(jié)點1與父節(jié)點9和10之間無明顯邏輯關系，在父節(jié)點綜合作用下產(chǎn)生(見圖5)。

圖4 鄰近既有線施工風險的BN結(jié)構(gòu)模型

圖5 子節(jié)點R1的CPT

3.4 鄰近既有線施工風險分析

3.4.1 風險預測

在BN中輸入所獲取的根結(jié)點先驗概率(表3)，接著再進行概率更新操作，則概率就會沿BN向前傳播，從而自動計算得到各中間節(jié)點和葉節(jié)點(風險事件)的先驗概率。其中(=)=5.048%，根據(jù)表1的分級描述，認為在現(xiàn)有施工技術和管理水平下，該項目鄰近既有線施工過程中有可能發(fā)生行車風險事故，需重視并采取有效預防措施，加強風險監(jiān)測。由風險狀態(tài)結(jié)點先驗概率對比分析可知，3種風險事故類型均可能發(fā)生，但異物侵限可能性最大。進一步分析，大型機械侵限、山體落石或爆炸飛石侵限、人員侵限是異物侵限事故的最可能因素，這一結(jié)果與該項目實際情況基本相符。

當發(fā)生不確定事件導致結(jié)點狀態(tài)改變時，可根據(jù)觀測事件確定某個結(jié)點狀態(tài)后，進行BN概率重新操作，快速推算出風險水平(參表4)。如在該項目鄰近既有線施工風險管理過程中已觀測到1發(fā)生，則輸入證據(jù)(1=)=1，經(jīng)過推理可知此時風險事故發(fā)生概率為5.482%；如果在1發(fā)生同時且伴隨17發(fā)生，則事故發(fā)生概率將大幅度提高至15.595%。

對比分析可知，當風險因素特別是當多個風險因素同時發(fā)生時，施工安全風險水平上升，表明本文BN結(jié)構(gòu)中各風險因素與風險事故之間是正相關的，模型構(gòu)建具有一定的科學性和合理性。

3.4.2 風險診斷

輸入證據(jù)(=)=1經(jīng)過推理得到各結(jié)點后驗概率，見表3。根據(jù)風險狀態(tài)結(jié)點后驗概率排序可知，事故發(fā)生時“未采取及時有效的應急救援措施”有極大可能，另外在41個風險因素結(jié)點中，發(fā)生可能性較大的前10項依次排序為：9，8，2，3，7，14，1，15，6，4和2。施工過程中應對以上最可能致險的因素進行重要防范。

表3 BN節(jié)點基本信息表

表4 不同證據(jù)下鄰近既有線施工風險預測

進一步診斷：假設異物侵限事故發(fā)生，輸入證據(jù)(3=/=)=1對其他結(jié)點進行反向推理。分析可知，人員侵限(4=/3=/=)=43.286%、大型機械侵限(6=/3=/=)=31.511%、山體落石或爆炸飛石侵限(8=/3=/=)=37.431%仍然具有最大可能；若再次輸入證據(jù)(6=/3=/=)=1，則發(fā)現(xiàn)8概率值最大，其次為2。

3.4.3 敏感性分析

采用Rulff等[14]提出針對貝葉斯網(wǎng)絡中各結(jié)點輸出狀態(tài)的敏感性分析。使用GeNIe工具，將結(jié)點設置為目標結(jié)點，執(zhí)行敏感性分析，系統(tǒng)將自動計算靈敏度值，結(jié)果如圖6所示(顏色越深則敏感性越高)。

圖6 BN敏感性分析圖

由圖6靈敏度值排序可知，7對影響最大，其次為3，17，12，8和1等，是該項目鄰近既有線施工安全管理中應重視的敏感致險因素。在排序靠前的12個風險因素中，7個屬于管理因素，3個屬于物因，2個屬于人因，由此可見，鄰近既有線施工作為一個復雜的“人、物、環(huán)、管”系統(tǒng)，管理因素的變化對系統(tǒng)風險水平影響較大，同時與人的行為與狀態(tài)密切相關的因素包括人因和管理因素其敏感性相對較強。這意味著在既有線施工安全管理過程中，要注重提高人員業(yè)務素質(zhì)和水平，不斷強化安全管理，充分發(fā)揮管理機能中的控制機能，有效控制人和物的不安全狀態(tài)，以減少安全事故影響。

4 結(jié)論

1) 在現(xiàn)有施工技術和管理水平下，該項目鄰近既有線施工過程中可能發(fā)生行車風險事故，最可能類型為異物侵限，需重視并采取有效預防措施。隨著環(huán)境的動態(tài)變化以及不確定事件的發(fā)生，風險水平也會不斷變化，應提前做好應對策略。

2) 根據(jù)最可能致險因素診斷結(jié)果，鄰近既有線施工安全管理過程中應注重加強現(xiàn)場關鍵過程的盯控和風險監(jiān)測，以便及時發(fā)現(xiàn)隱患采取應急措施阻止風險事態(tài)進一步惡化。

3) 根據(jù)敏感性分析找出“人、物、環(huán)、管”風險系統(tǒng)中的敏感致險因素，其中管理因素的變化對系統(tǒng)風險水平影響較大，同時與人的行為與狀態(tài)密切相關的因素包括人因和管理因素敏感性相對 較強。

4) 模型分析結(jié)果與實際基本相符，驗證了BN模型在鄰近既有線施工風險管理方面的適用性。未來研究者還應通過進一步調(diào)研和有效事故資料統(tǒng)計分析，結(jié)合風險后果的評價，對模型結(jié)構(gòu)和研究方法不斷改進，以期更滿足工程實踐管理的需要。

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(編輯 蔣學東)

The BN-based risk analysis of railway construction close to existing line

TIAN Bi, HUANG Jianling, CHEN Huihua, YANG Dingying

(School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China)

The risk factors of railway construction close to the existing line is complicated and uncertain. In order to solve the deficiency problem that traditional risk analysis methods have in dealing with uncertainty, a risk analysis method of railway construction adjacent to existing line was proposed. Firstly, a risk causation model was established through System safety science theory and statistical analysis of accident data in railway construction close to existing line, and the list of risk factors was determined by expert group decision making method. On this basis, the BN structure model of construction risk close to existing line was constructed. Then, combined with the actual engineering case, the types of construction risk close to existing line and probabilities under different conditions were predicted using forward causal reasoning, and formation mechanism of construction risk close to existing line was analyzed with reverse diagnoses reasoning. Finally, the sensitive risk factors were found with sensitivity analysis in GeNIe. The results show that the management factors have greater impact on the risk level of construction close to existing line compared to the other risk factors in the system of human, object, environment and management. The analysis results are basically consistent with the actual situation of the project.

risk management; railway construction; close to existing line; Bayesian network (BN); uncertain reasoning; sensitivity analysis

10.19713/j.cnki.43?1423/u.2018.08.033

U25；TU714

A

1672 ? 7029(2018)08 ? 2163 ? 09

2017?06?22

國家自然科學基金資助項目(51378509)

黃健陵(1965?)，男，湖南醴陵人，研究員，從事工程項目組織與實施、項目風險管理和建筑企業(yè)管理研究；E?mail：hjl1201@mail.csu.edu.cn