基于BN-FCEM的航道整治施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

譚 鈺，游 濤，潘 鋒，曹周紅

(1.長(zhǎng)沙理工大學(xué) 水利與環(huán)境工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410114; 2.中交水利水電建設(shè)有限公司，浙江 寧波 310000)

水運(yùn)工程施工環(huán)境條件復(fù)雜，施工組織實(shí)施困難，作業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)居高不下，一直以來是行業(yè)安全管理的重點(diǎn)。在工程實(shí)施前，開展定性或定量的施工安全風(fēng)險(xiǎn)估測(cè)，能夠有效降低施工安全風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的概率，保證項(xiàng)目施工順利進(jìn)行。

目前，風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估理論在水運(yùn)工程領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。Huang J C等[1]結(jié)合交叉線法和蒙特卡洛法來評(píng)估自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)在船舶進(jìn)港和內(nèi)航道航行的擱淺風(fēng)險(xiǎn)。Emre ?zaydn等[2]建立了貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型分析海上運(yùn)輸事故的潛在因素、主動(dòng)故障和操作條件，利用Apriori預(yù)測(cè)算法關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘的方法建立了漁船作業(yè)事故損失性準(zhǔn)則。朱元章等[3]針對(duì)長(zhǎng)江航道整治工程的安全管理難點(diǎn)，提出了8個(gè)方面的安全管理措施。張文君等[4]提出HHM-RFRM理論來識(shí)別智能船舶航行的風(fēng)險(xiǎn)因素，結(jié)合貝葉斯方法的多判據(jù)評(píng)估模型識(shí)別出智能船舶航行過程中的關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)因素。何眾穎等[5]基于事故樹法對(duì)船舶通航風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行定性和定量的分析。鄧君等[6]建立模糊層次分析模型對(duì)荊江航道整治水下拋石施工風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了評(píng)估。王忠岱等[7]采用層次分析法識(shí)別長(zhǎng)江航道整治工程武安段的重大風(fēng)險(xiǎn)源。齊芳[8]和易義禮[9]采用定性的方法分析航道整治過程中的施工風(fēng)險(xiǎn)，建立IWRAP風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型對(duì)航道整治施工期間船舶通航的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)。李文杰等[10]建立模糊貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)長(zhǎng)江上游航道整治建筑物的技術(shù)狀況進(jìn)行了量化的評(píng)估分析。劉建華等[11]采用多層次模糊分析法對(duì)株洲二線船閘基坑施工風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了評(píng)估。呂永興等[12]采用指標(biāo)體系法對(duì)長(zhǎng)江干線武安段航道整治施工安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估。

國內(nèi)外對(duì)于水運(yùn)工程風(fēng)險(xiǎn)管理的研究已取得一定成果，可是交通運(yùn)輸部尚未發(fā)布針對(duì)內(nèi)河航道施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的標(biāo)準(zhǔn)文件，安全風(fēng)險(xiǎn)管理理論尚未在航道整治施工風(fēng)險(xiǎn)管理中得到普遍應(yīng)用。模糊綜合貝葉斯網(wǎng)絡(luò)法將貝葉斯網(wǎng)絡(luò)(Bayesian network，BN)與模糊綜合評(píng)價(jià)法(Fuzzy comprehensive evaluation method，F(xiàn)CEM)相結(jié)合，可以更全面地對(duì)施工安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估。本文建立模糊綜合貝葉斯網(wǎng)絡(luò)(BN-FCEM)模型對(duì)航道整治施工安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估，為防范航道整治工程施工安全風(fēng)險(xiǎn)提供參考依據(jù)。

1 評(píng)估指標(biāo)體系的建立

航道整治工程施工安全風(fēng)險(xiǎn)主要包括技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)、管理風(fēng)險(xiǎn)、環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)包含地質(zhì)勘探、設(shè)計(jì)技術(shù)、施工方案、機(jī)械設(shè)備、原材料等技術(shù)原因引起的風(fēng)險(xiǎn)。管理風(fēng)險(xiǎn)是由于管理不當(dāng)產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)。環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)包含自然環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)和施工作業(yè)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。參考交通運(yùn)輸部在2019年《公路水運(yùn)工程建設(shè)項(xiàng)目生產(chǎn)安全重大事故隱患判定指南》(征求意見稿)和《港口工程施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指南》等規(guī)范從技術(shù)、管理、環(huán)境三方面識(shí)別安全風(fēng)險(xiǎn)因素，并根據(jù)安全風(fēng)險(xiǎn)因素之間的因果關(guān)系建立航道整治土方工程施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系如圖1所示。

圖1 安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系

2 BN-FCEM模型構(gòu)建

BN-FCEM法將BN與FCEM相結(jié)合，對(duì)安全風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的可能性和嚴(yán)重程度進(jìn)行綜合評(píng)估，其本質(zhì)目的是通過對(duì)給定網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的前驗(yàn)概率和后驗(yàn)概率的計(jì)算來探討參數(shù)優(yōu)化問題[13]。

2.1 基于BN的安全風(fēng)險(xiǎn)概率評(píng)估

BN由節(jié)點(diǎn)、有向邊組成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和條件概率表組成，是不確定性條件下知識(shí)表示和推理的有力工具，以有向邊的形式來表達(dá)安全風(fēng)險(xiǎn)因果變量之間的不確定關(guān)系，根據(jù)有向圖的邏輯關(guān)系逐層計(jì)算各安全風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的概率[14]。在BN中，沒有輸入的節(jié)點(diǎn)稱為根節(jié)點(diǎn)，其余的節(jié)點(diǎn)為非根節(jié)點(diǎn)。貝葉斯公式可表示為：

P(Y=yi|X=xi)=

(1)

式中：P(Y=yi|X=xi)為在X=xi發(fā)生的條件下Y=yi發(fā)生的概率，P(X=xi)為X=xi發(fā)生的先驗(yàn)概率，P(X=xi|Y=yi)為在Y=yi發(fā)生的條件下X=xi發(fā)生的概率。

2.1.1 根節(jié)點(diǎn)的先驗(yàn)概率確定

機(jī)器學(xué)習(xí)是一種獲得BN節(jié)點(diǎn)的先驗(yàn)概率的科學(xué)方法，但這種方法通常需要大量的事故統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，然而在實(shí)際中又難以獲得足夠多的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，此方法很難實(shí)施，故本文采用專家經(jīng)驗(yàn)法確定根節(jié)點(diǎn)的先驗(yàn)概率。引入模糊集理論，將專家對(duì)風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的可能性等級(jí)判斷轉(zhuǎn)化為概率描述，從而獲得根節(jié)點(diǎn)的先驗(yàn)概率。結(jié)合本行業(yè)的相關(guān)規(guī)范，將風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生概率劃分為五個(gè)等級(jí)如表1所示。

表1 風(fēng)險(xiǎn)事件可能性等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

2.1.2 非根節(jié)點(diǎn)的條件概率確定

采用層次分析法確定BN結(jié)構(gòu)非根節(jié)點(diǎn)的條件概率，用求解判斷矩陣和矩陣特征向量的辦法求得安全風(fēng)險(xiǎn)層次結(jié)構(gòu)中每一層的元素對(duì)上一層元素的優(yōu)先權(quán)重，從而確定BN結(jié)構(gòu)中間節(jié)點(diǎn)的條件概率。利用層次分析法確定土方工程BN結(jié)構(gòu)中間節(jié)點(diǎn)條件概率的步驟如下：

(1) 構(gòu)造各層次中的所有判斷矩陣。根據(jù)1-9標(biāo)度法對(duì)判斷矩陣元素aij的重要性程度進(jìn)行兩兩比較，并賦予一定的分值，利用比較的結(jié)果構(gòu)造判斷矩陣Am。

(2)

(m=1,2,3,…，n=1,2,3,…)

(2) 計(jì)算節(jié)點(diǎn)條件概率。判斷矩陣的最大特征值及最大特征值對(duì)應(yīng)的特征向量即為隸屬于同一個(gè)上層節(jié)點(diǎn)的多個(gè)節(jié)點(diǎn)的條件概率[15]。采用幾何平均法計(jì)算條件概率的步驟如下：

① 將判斷矩陣Am的各行相乘得到行乘向量Bi:

(3)

② 將向量Bi中的元素開n次方得到向量bi:

(4)

③ 將向量bi進(jìn)行歸一化處理得到wi:

(5)

W=(w1,w2,…,wn)T(i=1,2,3,…,n)即為判斷矩陣的特征向量，也是隸屬同一個(gè)上層節(jié)點(diǎn)的多個(gè)節(jié)點(diǎn)的條件概率分布。

2.2 基于FCEM的風(fēng)險(xiǎn)事故損失評(píng)估

航道整治工程的施工安全風(fēng)險(xiǎn)事故的損失性包括多個(gè)方面，對(duì)其進(jìn)行損失評(píng)估時(shí)不應(yīng)只評(píng)估某一方面，故從安全風(fēng)險(xiǎn)事件發(fā)生后果的嚴(yán)重程度、人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失三個(gè)方面對(duì)安全風(fēng)險(xiǎn)事故的損失性進(jìn)行評(píng)估。

采用FCEM對(duì)施工風(fēng)險(xiǎn)事故損失進(jìn)行評(píng)估，具體步驟如下：

(1) 確定評(píng)價(jià)對(duì)象因素集U=(u1,u2,…un)，評(píng)價(jià)因素為ui，i=1，2，…，其中n為各種施工安全風(fēng)險(xiǎn)因素。基于圖1中的安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，根據(jù)其層次結(jié)構(gòu)建立評(píng)價(jià)因素集。

(2) 建立評(píng)價(jià)集V=(V1,V2,…Vm)，評(píng)價(jià)等級(jí)為Vj，j=1，2，…，m。航道整治施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)分為五個(gè)等級(jí)，即m取5，V={小，一般，較大，重大，特大}

(3) 構(gòu)建模糊綜合權(quán)重向量

通常可根據(jù)專家問卷調(diào)查打分的形式得到單因素評(píng)價(jià)矩陣：

(6)

(i=1,2,…k,j=1,2,…,m)

式中：rkm表示第k個(gè)第二級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)Vm的隸屬度。

利用層次分析法可求得各因素的權(quán)重值：

W=(w1,w2,w3,…wn)(i=1,2,…k,j=1,2,…,m)

(7)

(4) 計(jì)算最終綜合評(píng)價(jià)向量B:

B=W·R

(8)

式中：B為評(píng)價(jià)向量，W為權(quán)重向量，R為按因素評(píng)價(jià)矩陣。

多層模糊綜合評(píng)價(jià)的原則是先從最低層開始進(jìn)行評(píng)價(jià)，并將每層的評(píng)價(jià)結(jié)果視為上一層的單因素評(píng)價(jià)集，組成高一級(jí)的單因素評(píng)價(jià)矩陣，再對(duì)高一層的進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，直到達(dá)到最高層的評(píng)價(jià)結(jié)果。對(duì)最終得到的評(píng)價(jià)向量進(jìn)行歸一化處理，根據(jù)最大隸屬度原則確定風(fēng)險(xiǎn)損失的等級(jí)，風(fēng)險(xiǎn)事故損失等級(jí)表見表2。

表2 風(fēng)險(xiǎn)事故損失等級(jí)表

2.3 施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

將風(fēng)險(xiǎn)事件的可能性和嚴(yán)重程度進(jìn)行組合，航道整治施工的安全風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)可分為四級(jí)：較小風(fēng)險(xiǎn)(Ⅰ級(jí))、一般風(fēng)險(xiǎn)(Ⅱ級(jí))、較大風(fēng)險(xiǎn)(Ⅲ級(jí))、重大風(fēng)險(xiǎn)(Ⅳ級(jí))如表3所示。

表3 航道整治施工安全風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

3 實(shí)例研究

3.1 工程背景

京杭運(yùn)河M航段三級(jí)航道整治工程采用限制性Ⅲ級(jí)航道標(biāo)準(zhǔn)，開挖土方1 099.3萬m3。沿線與工程關(guān)系較密切的地下水主要為第四系松散巖類孔隙潛水，主要含水介質(zhì)為沖海(湖)積的黏性土、粉土層，一般透水性較差。工程不良地質(zhì)主要為飽和砂土、粉土地震液化、區(qū)域地面沉降，特殊性巖土主要為填土、軟土。項(xiàng)目地面高程為4.1 m～5.6 m，河面較窄，常水位一般要超出運(yùn)河水位1.5 m左右，其本身蓄水能力較差，受外界來水影響較大，易旱不易澇，水量靠水利工程調(diào)節(jié)。

3.2 施工安全風(fēng)險(xiǎn)的概率評(píng)估

3.2.1 BN模型

根據(jù)已建立的土方工程指標(biāo)評(píng)估體系，用BN將各安全風(fēng)險(xiǎn)因素之間的因果關(guān)系進(jìn)行表達(dá)，得到BN結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

3.2.2 確定根節(jié)點(diǎn)的先驗(yàn)概率

依據(jù)表1，將多位專家對(duì)X111—X523等28個(gè)根節(jié)點(diǎn)發(fā)生的可能性等級(jí)判斷轉(zhuǎn)化為概率中心值，得到根節(jié)點(diǎn)的先驗(yàn)概率如表4所示，其中“T”表示該安全風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生，“N”表示該安全風(fēng)險(xiǎn)不發(fā)生。

表4 根節(jié)點(diǎn)先驗(yàn)概率調(diào)查表

圖2 土方工程BN圖

3.2.3 確定非根節(jié)點(diǎn)的條件概率

整理專家問卷調(diào)查的結(jié)果并計(jì)算得到各安全風(fēng)險(xiǎn)因素權(quán)重值如表5所示。

表5 非根節(jié)點(diǎn)的權(quán)重表

3.2.4 施工安全風(fēng)險(xiǎn)的概率評(píng)估

將根節(jié)點(diǎn)的先驗(yàn)概率與非根節(jié)點(diǎn)的條件概率導(dǎo)入NETICA軟件中，計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

3.3 施工安全風(fēng)險(xiǎn)的損失評(píng)估

3.3.1 確定各因素的隸屬度

評(píng)價(jià)矩陣中的數(shù)值即為各因素對(duì)評(píng)價(jià)集中元素的隸屬度，本文采用問卷調(diào)查和專家經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合的方式確定各因素的隸屬度，將24份問卷調(diào)查的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后得到表6模糊綜合評(píng)價(jià)表。

3.3.2 計(jì)算評(píng)價(jià)向量

以評(píng)價(jià)向量Eu2的計(jì)算為例論述計(jì)算過程。

(1) 根據(jù)表5的數(shù)據(jù)獲取權(quán)重向量W1

W1=(0.1047 0.6370 0.2583)

W2=(0.2000 0.8000)

(2) 依據(jù)表6中u21、u22、u211、u212和u213的隸屬度值建立評(píng)價(jià)矩陣R1、R2

(3) 計(jì)算評(píng)價(jià)向量

首先，計(jì)算第2層的評(píng)價(jià)向量Bu21：

Bu21=W1·R1=(0.1047 0.6370 0.2583)×

然后將向量Bu21進(jìn)行歸一化處理后得到：

圖3 土方工程BN模型計(jì)算結(jié)果圖

表6 模糊綜合評(píng)價(jià)表

圖4 u2節(jié)點(diǎn)的層次結(jié)構(gòu)圖

同理，通過計(jì)算可得到整個(gè)評(píng)價(jià)因素集歸一化后的評(píng)價(jià)向量集。

3.4 施工安全風(fēng)險(xiǎn)的總體評(píng)估

由BN模型的概率評(píng)估可得到安全風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的概率等級(jí)，根據(jù)最大隸屬度原則，可確定主要安全風(fēng)險(xiǎn)的損失等級(jí)。

3.5 結(jié)果分析

結(jié)果表明，航道整治土方工程總體施工安全風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為Ⅲ級(jí)，風(fēng)險(xiǎn)不期望。

土體穩(wěn)定性不足風(fēng)險(xiǎn)(X1)發(fā)生的率評(píng)估等級(jí)都為3級(jí)，損失評(píng)估等級(jí)都為2級(jí)，綜合施工安全風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為Ⅱ級(jí)，風(fēng)險(xiǎn)可接受。影響土體穩(wěn)定性不足的主要因素為土體抗剪強(qiáng)度下降，需要及時(shí)處理并加強(qiáng)土坡周邊交通和基坑周邊的機(jī)械設(shè)備管理。

機(jī)械傷害風(fēng)險(xiǎn)(X2)和船舶傷害風(fēng)險(xiǎn)(X3)的概率評(píng)估等級(jí)都為2級(jí)，損失評(píng)估等級(jí)都為3級(jí)，綜合施工安全風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為Ⅱ級(jí)，風(fēng)險(xiǎn)可接受。導(dǎo)致機(jī)械傷害的主要風(fēng)險(xiǎn)因素為違章作業(yè)和機(jī)械超載，導(dǎo)致船舶傷害的主要風(fēng)險(xiǎn)因素為船舶超載，需要加強(qiáng)施工作業(yè)監(jiān)督管理。

防護(hù)安全性不足風(fēng)險(xiǎn)(X4)的概率評(píng)估等級(jí)為3級(jí)，損失評(píng)估等級(jí)為2級(jí)，綜合施工安全風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為Ⅱ級(jí)，風(fēng)險(xiǎn)可接受。導(dǎo)致防護(hù)安全性不足風(fēng)險(xiǎn)的主要因素為人員管理不當(dāng)，需對(duì)作業(yè)人員進(jìn)行培訓(xùn)，開展施工作業(yè)安全意識(shí)教育。

周邊環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)(X5)的概率評(píng)估等級(jí)為3級(jí)，損失評(píng)估等級(jí)為3級(jí)，綜合施工安全風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為Ⅲ級(jí)，風(fēng)險(xiǎn)不期望。導(dǎo)致周邊環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的主要因素為地表沉降，在施工前需對(duì)工程不良地質(zhì)進(jìn)行處理，密切關(guān)注水文條件變化，做好應(yīng)急預(yù)案。

4 結(jié) 論

本文提出BN-FCEM模型對(duì)航道整治工程施工安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了評(píng)估，具體結(jié)論如下：

(1) 將BN-FCEM模型應(yīng)用于京杭運(yùn)河M航段航道整治土方工程施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，結(jié)果表明，該土方工程施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等級(jí)為Ⅲ級(jí)，風(fēng)險(xiǎn)不期望。其中，土體穩(wěn)定性不足風(fēng)險(xiǎn)的損失性最大，機(jī)械傷害風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的可能性最大，需要加強(qiáng)防護(hù)。評(píng)估結(jié)果與工程實(shí)際相符合，這論證了模糊貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型有很好的適用性。

(2) BN-FCEM模型不僅能對(duì)總體安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估，還能判斷出對(duì)總體安全風(fēng)險(xiǎn)影響較大的安全風(fēng)險(xiǎn)因素，克服了一般評(píng)估方法不能判斷影響總體安全風(fēng)險(xiǎn)的主要因素的缺點(diǎn)。