城市軌道交通工程安全隱患網(wǎng)絡特征分析

陸 微，董 超，張 攀，董依夢，郭聖煜

（1. 中國地質(zhì)大學（武漢）經(jīng)濟管理學院，湖北 武漢 430074，E-mail：guoshy@cug.edu.cn；2. 武漢理工大學 土木工程與建筑學院，湖北 武漢 430074；3. 香港城市大學 建筑與土木工程系，香港 999077）

城市軌道交通工程是重要的民生工程，近幾年來進入高速發(fā)展的階段，2016~2020年累計建設里程達31956.5km，年均建設里程約6391.3km[1]。高速的工程建設易誘發(fā)安全事故，加上施工場地狹窄及復雜的地質(zhì)和水文條件等不利因素的疊加影響[2]。如2008~2014在地鐵工程中公布了1731例安全事故[3]，其中不乏一些重大事故，包括杭州地鐵1號線基坑坍塌事故、天津地鐵2號線盾構(gòu)透水事故等。事故的根源在于安全隱患[4]，近些年來，有部分研究從事故成因隱患特征、隱患排查治理和隱患傳播特征等方面對城市軌道交通工程展開分析[5~7]。但是，除了隱患事件本身外，結(jié)合施工過程中其余工程要素（如工種等）開展分析的研究相對較少。城市軌道交通工程安全隱患事件的發(fā)生和發(fā)展以工程要素為載體，不同類型的安全隱患事件與工種、施工階段和施工地點等工程要素產(chǎn)生復雜的交疊關系[8，9]。厘清這些關系，找出重點隱患事件的工程要素情境，有利于避免事故發(fā)生，提高安全管理績效[10]。因此，結(jié)合工程要素分析和揭示城市軌道交通工程的安全隱患特征具有重要意義。

復雜網(wǎng)絡能夠以網(wǎng)絡的形式描述真實系統(tǒng)中各部分之間的關系[11]，利用各種拓撲參數(shù)揭示復雜系統(tǒng)的特征，被廣泛應用于交通[12]、社交[13]、工程[14]、生物[15]等多個領域。在工程隱患分析上，Zhou等[16]利用復雜網(wǎng)絡對地鐵施工中隱患事件的時間序列進行分析，得出網(wǎng)絡具有無標度、小世界和分層的特征。譚章祿等[17]通過復雜網(wǎng)絡分析煤礦工程安全隱患數(shù)據(jù)，明確了網(wǎng)絡中核心的隱患要素。Hou等[18]根據(jù)地鐵施工數(shù)據(jù)建立了定向加權(quán)網(wǎng)絡，揭示了地鐵施工中隱患和事故的內(nèi)在聯(lián)系和演化特征。Zhang等[19]以194例塔吊事故報告作為實證數(shù)據(jù)建立了塔機事故成因網(wǎng)絡模型，確定了造成塔機事故的7個關鍵因素和3個關鍵路徑。反映出復雜網(wǎng)絡的方法能夠用于揭示工程中隱患事件之間，以及與其余要素（如事故）之間的關系。但是，對于隱患事件與工程要素之間的關系上探討尚不充分。因此，本文擬以某城市2016~2020城市軌道交通工程8條施工線路的3822條安全隱患排查數(shù)據(jù)為來源，構(gòu)建以隱患事件、工種、施工階段和施工地點為節(jié)點的無向加權(quán)網(wǎng)絡模型，綜合計算和分析總網(wǎng)絡和施工階段子網(wǎng)絡的多項拓撲參數(shù)，揭示城市軌道交通工程的安全隱患特征。

1 數(shù)據(jù)來源和信息提取

1.1 數(shù)據(jù)來源

選取某城市2016~2020年城市軌道交通工程8條施工線路的3822條安全隱患排查數(shù)據(jù)，其中包括施工階段、隱患位置、隱患類型等多個字段（見表1），數(shù)據(jù)詳細記錄了具體的隱患事件和相應的工程要素情景。其中，施工階段代表隱患事件發(fā)生時所處的施工階段，隱患位置代表隱患事件發(fā)生時現(xiàn)場的大致區(qū)域，隱患部位代表隱患事件發(fā)生時的具體地點，隱患類型代表隱患事件的性質(zhì)，隱患描述代表安全管理人員對隱患事件直觀且詳細的描述，隱患名稱代表該隱患事件所屬的隱患大類。

表1 部分城市軌道交通安全隱患排查數(shù)據(jù)

1.2 信息提取

按照隱患事件、工種、施工階段和施工地點4個維度提取和分類隱患排查數(shù)據(jù)。將隱患事件和3類工程要素（工種、施工階段和施工地點）定義為城市軌道交通工程的隱患要素，便于后續(xù)研究中的表達與分析。參考地鐵施工中的不安全行為、工種和施工階段的定義和分類[3]，再結(jié)合住房與城鄉(xiāng)建設部發(fā)布的《城市軌道交通工程質(zhì)量安全檢查要點》[20]中提出的分類標準，初步分類并編碼隱患要素。后續(xù)又根據(jù)收集到的安全隱患排查數(shù)據(jù)進行修改，最終確定城市軌道交通工程的隱患要素分類及編碼。

（1）隱患事件。最終形成22個大類，198個具體隱患事件。22個大類包括忽視安全警告（Da）、造成安全裝置失效（Db）、機械和設備（Dc）、物品放置不當（Dd）、處于不安全位置（De）、吊裝作業(yè)（Df）、個人防護用品使用（Dg）、不安全裝束（Dh）、防護措施不到位（Dj）、特種作業(yè)（Dk）、安裝拆除作業(yè)（Dl）、其余違規(guī)作業(yè)（Dm）、隧道作業(yè)（Dn）、爆破作業(yè)（Dp）、施工用電（Dq）、消防安全（Dr）、文明施工（Ds）、其余施工管理（Dt）、施工質(zhì)量（Du）、其它（Dv）。每一個大類下包含若干個具體的隱患事件，增加2位序號編碼，如“基坑溝槽支護不及時或不符合要求”這一隱患事件屬于基坑溝槽作業(yè)（Do）中的第一個隱患事件，因此其編號為Do01。

（2）工種。分為19類，其中包括安全員（A1）、電工（A2）、電焊工（A3）、鋼筋工（A4）、盾構(gòu)機操作工（A5）、防水工（A6）、架子工（A7）、混凝土工（A8）、模板工（A9）、高處作業(yè)吊籃操作工（A10）、高處作業(yè)吊籃安裝拆卸工（A11）、機械操作人員（A12）、司索工（A13）、信號工（A14）、通風工（A15）、砌筑工（A16）、油漆工（A17）、裝飾裝修工（A18）和普工（A19）共19類，其中普工為非專業(yè)工種，機械操作人員包含起重機駕駛員、挖掘機駕駛員、推土機駕駛員等。因數(shù)據(jù)中許多隱患事件涉及到安全員，因此將安全員（A1）也列入到該部分中。

（3）施工階段。分為8類，包括防水施工（B1）、附屬結(jié)構(gòu)施工（B2）、高架基礎施工（B3）、高架主體施工（B4）、基坑開挖施工（B5）、基坑圍護和支撐施工（B6）、基坑主體施工（B7）、隧道施工（B8）。

（4）施工地點。分為8類，包括車輛段（C1）、高架（C2）、基坑內(nèi)（C3）、基坑外（C4）、隧道軌行區(qū)（C5）、隧道豎井（C6）、隧道作業(yè)面（C7）、停車場（C8）。

確定了隱患要素的分類和編碼后，依次整理收集到的安全隱患排查數(shù)據(jù)，形成隱患要素匯總表，表2中列舉了部分內(nèi)容。

表2 部分隱患要素匯總表

2 網(wǎng)絡構(gòu)建和分析方法

2.1 城市軌道交通工程安全隱患網(wǎng)絡的構(gòu)建

復雜網(wǎng)絡由節(jié)點和節(jié)點間的連接所構(gòu)成[21]。根據(jù)隱患要素匯總表，建立以隱患事件、工種、施工階段和施工地點等隱患要素為節(jié)點的無向加權(quán)網(wǎng)絡。依據(jù)數(shù)據(jù)的共現(xiàn)關系建立隱患事件與工種、施工階段和施工地點的連接，以表2中第一行數(shù)據(jù)為例，可以得出3條邊：Ds01和A19，Ds01和B7，Ds01和C4。邊的權(quán)重由兩端節(jié)點共現(xiàn)的頻次確定，另由于隱患要素的連接不存在時序關系，因此是無向邊。然后，通過Gephi軟件實現(xiàn)城市軌道交通工程安全隱患網(wǎng)絡模型的可視化和分析，構(gòu)建的網(wǎng)絡模型如圖1所示。

圖1中節(jié)點標簽表明節(jié)點代表的隱患要素，節(jié)點的大小反映節(jié)點度值，節(jié)點越大，度值越高。同理，節(jié)點標簽的大小反映節(jié)點強度的大小，邊的粗細程度反映邊的權(quán)重大小。

圖1 城市軌道交通工程安全隱患網(wǎng)絡模型示意圖

2.2 分析方法

復雜網(wǎng)絡通過觀察網(wǎng)絡圖并結(jié)合分析拓撲參數(shù)揭示其重要特征。根據(jù)研究目的，本文選取累積度分布、累積強度分布、網(wǎng)絡密度和度數(shù)中心勢分析網(wǎng)絡的整體特征；可視化圖結(jié)合度和強度分析網(wǎng)絡的局部特征。

2.2.1 度和累積度分布

節(jié)點i的度ki表示與該節(jié)點直接相連的邊的數(shù)量，定義為[1]：

式中，ki代表節(jié)點i的度值；aij代表節(jié)點i和節(jié)點j的邊；N代表節(jié)點的數(shù)量。

因文中數(shù)據(jù)量有限，為了減少尾部噪點，采用累積度分布代替度分布，表示度不小于k的節(jié)點概率分布，累積度分布p(k)定義為[1]：

式中，p(k)代表節(jié)點度值為不小于k的概率。

2.2.2 強度和累積強度分布

節(jié)點強度si在度的基礎上考慮了加權(quán)網(wǎng)絡邊的權(quán)重，其定義為[11]：

式中，si代表節(jié)點強度；wij代表節(jié)點i和節(jié)點j的邊權(quán)重；N代表節(jié)點的數(shù)量。

同上，采用累積強度分布代替強度分布，表示強度不小于s的節(jié)點概率分布，累積度分布p(s)定義為[11]：

式中，p(s)代表節(jié)點強度為不小于s的概率。

2.2.3 網(wǎng)絡密度

網(wǎng)絡密度是衡量復雜網(wǎng)絡節(jié)點間聯(lián)系的緊密程度，節(jié)點間聯(lián)系越緊密，密度越大[17]。網(wǎng)絡密度D定義為：

式中，D代表網(wǎng)絡密度；M代表實際擁有的連邊數(shù)；N(N-1)/2代表理論上擁有的連邊數(shù)。

2.2.4 度數(shù)中心勢

度數(shù)中心勢用來衡量一個網(wǎng)絡是否存在中心點集合的趨勢[17]，度數(shù)中心勢越大，表明度高的節(jié)點越集中。度數(shù)中心勢CAD定義為：

式中，CAD代表網(wǎng)絡的度數(shù)中心勢；CADmax代表網(wǎng)絡中最高的度值；CADi代表節(jié)點i的度值；N代表節(jié)點數(shù)量。

3 結(jié)果分析

網(wǎng)絡可視化圖雖然可以直觀地展示各類節(jié)點的連接情況及重要程度，但網(wǎng)絡的整體特征及更為詳細的信息難以直接看出，各類節(jié)點的區(qū)別與聯(lián)系還有待進一步探討。因此，將城市軌道交通工程安全隱患網(wǎng)絡作為總網(wǎng)絡，在分析總網(wǎng)絡特征的基礎上，從施工階段的維度，將總網(wǎng)絡分解成8個子網(wǎng)絡進行對比分析。

3.1 總網(wǎng)絡特征分析

從累積度分布和累積強度分布兩個方面對總網(wǎng)絡進行比較分析，揭示總網(wǎng)絡的特征[20]。累積度分布、累積強度分布散點圖如圖2所示。其中，橫軸分別表明節(jié)點度值大小和強度值大小，縱軸分別表明累積度分布和累積強度分布。同時，為了更直觀地體現(xiàn)累積度分布和累積強度分布的特征，根據(jù)累積度分布散點圖和累積強度分布散點圖擬合出各自的近似曲線，分別為P(k)~3.7059k-1.089（R2=0.8969）、P(s)~3.9053s-0.636（R2=0.8678）。說明無論是考慮累積度分布還是累積強度分布，城市軌道交通工程安全隱患網(wǎng)絡都具有無標度網(wǎng)絡的特性。即該網(wǎng)絡具有嚴重的異質(zhì)性，存在少部分重要節(jié)點擁有大部分的連接和權(quán)重。反映的現(xiàn)實意義是應協(xié)同控制高度值和高強度節(jié)點，從而降低網(wǎng)絡的連通性，降低隱患事件的發(fā)生，提高安全隱患管理的效率。

圖2 總網(wǎng)絡中節(jié)點累計度和累積強度分布

3.2 施工階段子網(wǎng)絡對比分析

由上述分析可知，總網(wǎng)絡中存在重要的隱患要素節(jié)點，確定隱患事件與其余要素之間的關系，仍需要對網(wǎng)絡展開進一步的分析。考慮到施工階段子網(wǎng)絡的節(jié)點數(shù)量和邊數(shù)量相對較少，因此從施工階段的維度，將總網(wǎng)絡分解成8個子網(wǎng)絡，進一步探討城市軌道交通工程安全隱患的特征。

3.2.1 網(wǎng)絡密度和度數(shù)中心勢

網(wǎng)絡密度越大，施工階段子網(wǎng)絡中隱患事件節(jié)點與非隱患事件節(jié)點關系越密切，即每個隱患事件節(jié)點可能會涉及該施工階段中的大部分工種和施工地點。度數(shù)中心勢反映了子網(wǎng)絡中是否存在部分隱患事件頻繁發(fā)生、部分工種和施工地點較容易發(fā)生隱患的特征。兩者結(jié)合起來，即能從節(jié)點聯(lián)系程度和節(jié)點重要性兩方面，綜合分析各施工階段子網(wǎng)絡的特征。施工階段子網(wǎng)絡的密度和度數(shù)中心勢如圖3所示。

圖3 各施工階段子網(wǎng)絡的網(wǎng)絡密度和度數(shù)中心勢

（1）子網(wǎng)絡的密度分布在0.06~0.22之間，反映在各施工階段中，節(jié)點間的聯(lián)系并不緊密。度數(shù)中心勢分布在0.24~0.82之間，表明大部分施工階段子網(wǎng)絡中的節(jié)點有向中心節(jié)點集中的趨勢，即在這些網(wǎng)絡中，存在部分隱患事件、工種和施工地點較為關鍵。

（2）相比于其他網(wǎng)絡，B1（防水工程）子網(wǎng)絡的網(wǎng)絡密度較高但度數(shù)中心勢較低，這也符合防水工程的工作特點。防水工程主要涉及到防水工，工種單一，施工地點局限，涉及的隱患事件較少，因此各節(jié)點之間的聯(lián)系較為緊密，節(jié)點重要性相差不大。在防水施工過程中，可以針對單一工種（防水工）展開具體的安全管理措施。

3.2.2 子網(wǎng)絡圖

施工階段子網(wǎng)絡中節(jié)點i的度ki表示與該隱患要素節(jié)點直接相連的邊的數(shù)量，節(jié)點度值越大，表明該節(jié)點關聯(lián)的隱患要素越多，該隱患要素節(jié)點在網(wǎng)絡中更重要。施工階段子網(wǎng)絡中節(jié)點i的強度si在考慮邊數(shù)量的基礎上，還考慮了邊的權(quán)重。節(jié)點強度越大，表明該節(jié)點不僅與許多隱患要素有關，且關聯(lián)程度更好，反映該隱患要素節(jié)點在網(wǎng)絡中也很重要。兩者相結(jié)合，能夠更加全面地識別網(wǎng)絡中的重要節(jié)點。復雜網(wǎng)絡圖能夠呈現(xiàn)這兩類重要隱患事件節(jié)點與非隱患事件節(jié)點的相關關系。分析施工階段子網(wǎng)絡圖，能夠確定不同施工階段的重點隱患事件，以及與工種、施工地點之間的相互關系。因此，對施工階段子網(wǎng)絡圖開展對比分析。

通過上述分析可知，B1（防水工程）子網(wǎng)絡的節(jié)點重要性差距不明顯，分析意義不大。因此僅對其余7個子網(wǎng)絡的局部特征展開分析。另外，為了增強網(wǎng)絡圖的可視化效果及突出圖中的重要節(jié)點，圖中部分非重要節(jié)點不顯示，最終呈現(xiàn)出的施工階段子網(wǎng)絡圖如圖4所示。

圖4 B2~B8施工階段子網(wǎng)絡圖

經(jīng)過初步分析后，得到度值最大和強度值最大的隱患事件節(jié)點及相關的工種和施工地點如表3、表4所示。其中，度值最大的隱患事件節(jié)點有Dg05、Do01、Dq01和Dj04，強度最大的隱患事件節(jié)點有Dl02、Do01、Dj01和Dn12，部分節(jié)點在多個子網(wǎng)絡中都屬于重要節(jié)點，其中一些隱患事件節(jié)點涉及多個工種和施工地點。

表3 度值最大的隱患事件節(jié)點及相關工種和地點信息

表4 強度最大的隱患事件節(jié)點及相關工種和地點信息

進一步分析可得：

（1）A7（架子工）、C4（基坑外）出現(xiàn)重點隱患事件的頻率較高，在多個子網(wǎng)絡中涉及重要隱患事件Do01、Dg05、Dj01等。因此，在城市軌道交通工程中，需強化面向架子工和基坑外的安全監(jiān)管工作，減少安全隱患的發(fā)生。

（2）在B3（高架基礎施工）和B6（基坑圍護和支撐施工）中，Do01（基坑溝槽支護不及時或不符合要求）的度值和強度值均最大，表明在高架基礎和基坑圍護支撐施工中，基坑溝槽支護類隱患涉及多個工種和施工地點且發(fā)生率較高，因此，需要對該類型的隱患開展重點控制。

（3）Dg05（未佩戴安全帶、安全繩）個人防護類隱患在多個子網(wǎng)絡中度值最高，表明這類安全隱患的發(fā)生具有普遍性，應在施工過程中強調(diào)個人防護用品的正確佩戴和使用。

（4）Dj01（“四口”“五臨邊”防護措施不到位）防護措施類隱患在多個子網(wǎng)絡中強度值最高，表明此類隱患事件屬于“頑疾”，易重復發(fā)生，但該類隱患僅涉及A9（模板工）C3（基坑內(nèi)）和C4（基坑外）等，在日常安全管理中，可以面向主要工種和重點區(qū)域開展更有針對性的預防措施。

4 結(jié)語

本文通過3822條隱患數(shù)據(jù)構(gòu)建了城市軌道交通工程安全隱患無向加權(quán)網(wǎng)絡模型，從總網(wǎng)絡和施工階段子網(wǎng)絡兩方面，對城市軌道交通工程安全隱患特征展開了詳細的分析。通過累積度分布和累積強度分布揭示了總網(wǎng)絡具有無標度的特性。另外，發(fā)現(xiàn)了大部分施工階段子網(wǎng)絡雖然節(jié)點間聯(lián)系不緊密，但存在中心節(jié)點。其中架子工這一專業(yè)工種和基坑外這一施工地點在多個子網(wǎng)絡中處于重要地位，涉及未佩戴安全帶安全繩、“四口”“五臨邊”防護措施不到位、基坑溝槽支護不及時或不符合要求等多個重要隱患事件。從理論角度來說，找出了重點隱患事件與工種、施工階段和施工地點之間的相互關系，揭示了城市軌道交通工程安全隱患的分布規(guī)律，促進了工程安全管理的研究。另外，豐富了復雜網(wǎng)絡理論的實際應用，拓展了復雜網(wǎng)絡在解決工程安全管理問題上的思路和視角。從實際角度來說，結(jié)合多個隱患要素探討了城市軌道交通工程的隱患特征，分析了不同隱患要素的重要程度和相互關系，可以輔助確定安全隱患管理的工作重點，有利于提升城市軌道交通工程安全管理水平。