基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)情景分析的含水土質(zhì)埋壓救援現(xiàn)場監(jiān)測體系研究*

陳長坤，謝明峰

（中南大學(xué)防災(zāi)科學(xué)與安全技術(shù)研究所，湖南 長沙 410075）

0 引言

泥石流滑坡等災(zāi)害可能形成含水土質(zhì)埋壓，造成人員傷亡，因埋壓環(huán)境的復(fù)雜性，很可能引發(fā)二次埋壓等突發(fā)情況。救援現(xiàn)場的安全監(jiān)測可及時掌握現(xiàn)場人員、設(shè)備、環(huán)境狀態(tài)信息，發(fā)現(xiàn)異常可及時預(yù)警并采取應(yīng)對措施，避免二次傷亡事故發(fā)生。因此，針對含水土質(zhì)埋壓救援現(xiàn)場進行安全監(jiān)測十分必要。

目前研究主要以災(zāi)害現(xiàn)場監(jiān)測及消防員狀態(tài)監(jiān)測為主：李劍鋒[1]基于移動端設(shè)計出可實時監(jiān)測空氣呼吸器壓力、脈搏等信息的消防員監(jiān)測系統(tǒng)；劉曉軍[2]針對氣瓶供氣時間、人體姿態(tài)等信息設(shè)計出消防員監(jiān)測系統(tǒng)；姜學(xué)赟等[3]針對滅火救援現(xiàn)場，建立動態(tài)信息采集與實時監(jiān)測系統(tǒng)；劉盛兵等[4]針對油氣事故救援現(xiàn)場構(gòu)建監(jiān)測系統(tǒng)平臺。在針對泥石流滑坡及暴雨災(zāi)害監(jiān)測研究中，陳龍[5]建立集降雨、泥位等參數(shù)的野外監(jiān)測方法；周琬婷等[6]提出采用電學(xué)CT技術(shù)的新型泥石流傳感網(wǎng)絡(luò)；楊超等[7]提出無人機尾礦壩邊坡表面變形監(jiān)測方法；宋常軍等[8]建立以深部位移、滲透壓力、裂縫開合度等為監(jiān)測單元的單體滑坡監(jiān)測系統(tǒng)；解明恩等[9]通過引入?yún)^(qū)域雨澇指數(shù)過程強度算法，客觀監(jiān)測雨澇災(zāi)害強度。

上述研究主要針對單一災(zāi)害特性構(gòu)建新的監(jiān)測方法和指標，沒有建立全面綜合的監(jiān)測體系，在含水土質(zhì)埋壓救援現(xiàn)場，針對多災(zāi)害多因素監(jiān)測具有一定局限性。監(jiān)測體系的建立是確保監(jiān)測工作完成的基礎(chǔ)，部分學(xué)者針對自然災(zāi)害防治提出監(jiān)測采集體系[10]，但由于救援現(xiàn)場較強的不可確定性，導(dǎo)致救援現(xiàn)場安全監(jiān)測體系方面的研究較少。情景分析目前被廣大學(xué)者用于危化品事故[11-12]、飛行沖突[13]、地震次生災(zāi)害[14]等突發(fā)事件風(fēng)險分析。在進行情景分析時，通過運用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)[15-16]構(gòu)建情景推演網(wǎng)絡(luò)模型，能夠直觀表現(xiàn)各情景節(jié)點間的因果關(guān)系，在情景演化路徑分析方面具有明顯優(yōu)勢。

因此，本文基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)（Bayesian network，BN），對含水土質(zhì)埋壓人員救援現(xiàn)場進行情景分析，針對影響救援的典型不利場景，結(jié)合突發(fā)情況演變路徑，劃分救援現(xiàn)場監(jiān)測單元，進而確定各監(jiān)測單元的關(guān)鍵監(jiān)測參數(shù)、監(jiān)測手段以及監(jiān)測技術(shù)要求，構(gòu)建以降雨量等關(guān)鍵參數(shù)監(jiān)測為主的多方位多因素耦合的安全監(jiān)測體系，研究成果可為含水土質(zhì)埋壓救援現(xiàn)場的安全監(jiān)測預(yù)警提供理論支撐。

1 含水土質(zhì)埋壓救援現(xiàn)場BN情景分析

1.1 含水土質(zhì)埋壓救援現(xiàn)場情景要素提取

情景分析實質(zhì)是通過揭示不同情景要素之間的相互作用，得到在多個情景要素耦合作用下的事件演變過程，情景要素提取是進行情景分析的基礎(chǔ)。結(jié)合含水土質(zhì)埋壓現(xiàn)場災(zāi)害特性，針對救援現(xiàn)場埋壓人員被掩埋至埋壓人員被安全救出該情景階段，基于文獻[16]將含水土質(zhì)埋壓現(xiàn)場情景要素劃分為情景狀態(tài)、危害因素、約束條件3 個類別，分別用符號S、M、E表示。構(gòu)建的含水土質(zhì)埋壓救援現(xiàn)場情景要素見表1。

表1 含水土質(zhì)埋壓救援現(xiàn)場情景要素Table 1 On-site scenario elements of burial rescue in water-bear ing soil

1.2 含水土質(zhì)埋壓救援現(xiàn)場BN情景推演

整個埋壓救援行動在危害因素和約束條件共同作用下，隨時間推移由最初情景狀態(tài)向預(yù)期和非預(yù)期2 個方向進行推演，最終得到含水土質(zhì)埋壓救援現(xiàn)場情景推演貝葉斯網(wǎng)絡(luò)，如圖1所示。其中，菱形表示情景狀態(tài)，圓形和六邊形分別表示危害因素和約束條件，用箭頭表示各節(jié)點之間的因果關(guān)系，進而形成不同演化路徑，坐標水平向右表示按預(yù)期救援目標演變，坐標豎直向下表示未按預(yù)期救援目標演變。

圖1 含水土質(zhì)埋壓救援現(xiàn)場情景推演貝葉斯網(wǎng)絡(luò)Fig.1 Deduction network for on-site scenario of burial rescue in water-bearing soil

1.3 含水土質(zhì)埋壓救援現(xiàn)場情景路徑分析

通過上述演化結(jié)果可知，從最初始情景狀態(tài)S0開始向前演化，在理想狀態(tài)下演化出預(yù)期路徑，在預(yù)期路徑演化過程中，不同情景節(jié)點受不同危害因素和約束條件干擾，開始出現(xiàn)情景轉(zhuǎn)折，使演化路徑分叉，出現(xiàn)不同演化路徑。為進一步對情景路徑及其關(guān)鍵節(jié)點進行分析，將情景推演網(wǎng)絡(luò)中主要演化路徑進行匯總，見表2，共有4 條情景路徑，包括1 條預(yù)期演化路徑和3 條非預(yù)期演化路徑。

結(jié)合圖1和表2可知，在路徑1 中，當含水土質(zhì)埋壓形成后，救援隊伍迅速趕往現(xiàn)場，開展傷員搜尋，在沒有受到二次傷害前提下，確保埋壓人員被迅速救出，救援任務(wù)完成。在路徑2 中，救援人員抵達現(xiàn)場后，降雨作用使土體強度較弱，隨埋壓土體顆粒間隙變大，土體含水率增加；在溝壑山坡坡度過大地區(qū)，導(dǎo)致初始埋壓堆積體快速位移，進而發(fā)生二次泥石流滑坡，如果救援指揮人員沒有及時做出正確預(yù)判決策或應(yīng)急響應(yīng)不及時，都可能導(dǎo)致一線救援人員撤離現(xiàn)場不及時，進而引發(fā)二次埋壓。同時，救援設(shè)備故障可能使救援現(xiàn)場發(fā)生機械損傷、物體打擊等傷害事故，最終造成人員傷亡。在路徑3 和路徑4 中，當救援人員實施救援時，埋壓土體內(nèi)有毒有害物質(zhì)可能會使埋壓人員傷情惡化，同時，救援設(shè)備不夠齊全、埋壓傷員失去意識無法配合救援以及救援人員誤操作，均會使救援時間延長，整體救援效率降低，在二次泥石流滑坡發(fā)生前，埋壓人員未被及時救出，進而發(fā)生二次埋壓。

表2 含水土質(zhì)埋壓救援現(xiàn)場情景路徑Table 2 Paths for on-site scenario of bur ial r escue in water-bear ing soil

在4 條情景路徑中，路徑1 具有最理想的預(yù)期演變趨勢，但埋壓救援現(xiàn)場具有較多不確定性和未知性危害因素，使路徑1 在節(jié)點S1，S2，S3發(fā)生分叉，向非預(yù)期方向演變，出現(xiàn)路徑2～4。路徑2 演變過程中，在節(jié)點S7，S8發(fā)生二次分叉，同時與路徑3，4 在節(jié)點S14處交匯，可見路徑2 分叉交匯節(jié)點相對較多，說明其不確定性相對較大，是所有路徑中最快向非預(yù)期方向演變的路徑。此外，路徑3 和路徑4 是2 條不同演變路徑，均在節(jié)點S16處交匯，共同向非預(yù)期趨勢演變，最終在節(jié)點S14與路徑1 交匯，至此，3 條非預(yù)期路徑同時向非預(yù)期結(jié)果演變。所有情景狀態(tài)節(jié)點中，共有7 個分叉交匯點，表征救援現(xiàn)場的不確定性和未知性，是整個情景推演網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵節(jié)點，決定救援情景的實際情景發(fā)展去向。

2 含水土質(zhì)埋壓救援現(xiàn)場監(jiān)測體系構(gòu)建

將前文確定情景狀態(tài)及其危害因素和約束條件的狀態(tài)監(jiān)測，作為現(xiàn)場實際情景預(yù)測及干預(yù)措施依據(jù)。根據(jù)不同情景演化路徑和路徑節(jié)點，明確救援現(xiàn)場可能出現(xiàn)的突發(fā)危險事件和不利情景，劃分監(jiān)測單元。以現(xiàn)有文獻中埋壓救援評價指標與泥石流滑坡相關(guān)監(jiān)測技術(shù)作為參考，明確各監(jiān)測指標的關(guān)鍵監(jiān)測參數(shù)與技術(shù)手段，構(gòu)建多方位多因素耦合的監(jiān)測體系，如圖2所示。

圖2 含水土質(zhì)埋壓救援現(xiàn)場監(jiān)測體系構(gòu)建原理與框架Fig.2 Construction principle and framework of on-site monitor ing system of burial rescue in water-bearing soil

2.1 監(jiān)測單元與監(jiān)測指標

基于情景分析確定的情景路徑及關(guān)鍵節(jié)點，結(jié)合系統(tǒng)安全監(jiān)測思想，將含水土質(zhì)埋壓救援現(xiàn)場監(jiān)測按照不同監(jiān)測對象劃分為災(zāi)害環(huán)境監(jiān)測、救援人員狀態(tài)監(jiān)測、埋壓人員狀態(tài)監(jiān)測、救援設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測、整體救援進展跟蹤5 個監(jiān)測子系統(tǒng)，對各監(jiān)測子系統(tǒng)監(jiān)測單元及監(jiān)測指標進行細分，得到含水土質(zhì)埋壓救援現(xiàn)場監(jiān)測指標體系，見表3。

表3 含水土質(zhì)埋壓救援現(xiàn)場監(jiān)測指標體系Table 3 Index system of on-site monitoring for bur ial r escue in water-bear ing soil

災(zāi)害環(huán)境監(jiān)測主要對埋壓土體等外部環(huán)境進行監(jiān)測，防止次生衍生災(zāi)害出現(xiàn)，是救援活動持續(xù)開展的重要保障。救援人員狀態(tài)監(jiān)測主要針對其生命體征、個體安全防護裝備、定位更新及通信聯(lián)絡(luò)進行監(jiān)測，一方面監(jiān)測救援人員在高強度救援行動中是否出現(xiàn)生理不適，另一方面防止救援人員在救援過程中出現(xiàn)二次傷害或失聯(lián)。埋壓人員狀態(tài)監(jiān)測主要針對其生命體征、傷情程度和位置分布進行監(jiān)測，生命體征和傷情程度監(jiān)測是救援人員采取分級救援的重要參考依據(jù)。救援設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測主要是確保機械挖掘設(shè)備、支護圍擋裝置及其安全防護與隔離裝置能夠正常運行。整體救援進展跟蹤是為了實時掌握現(xiàn)場救援情況、整體救援效率以及后勤保障與物資運輸信息，從宏觀角度把握救援進度，是對救援現(xiàn)場組織管理進行宏觀調(diào)控的重要參考依據(jù)。

2.2 關(guān)鍵監(jiān)測參數(shù)與技術(shù)手段

考慮含水土質(zhì)埋壓現(xiàn)場實際監(jiān)測需求不同，根據(jù)實際情況對上述指標體系進行監(jiān)測指標篩選和監(jiān)測參數(shù)確定。以含水土質(zhì)埋壓救援現(xiàn)場關(guān)鍵情景節(jié)點中危害因素為主要參考依據(jù)，結(jié)合救援現(xiàn)場災(zāi)害事故預(yù)警需求，篩選出關(guān)鍵監(jiān)測指標，確定關(guān)鍵監(jiān)測參數(shù)，借鑒文獻[5]明確其監(jiān)測技術(shù)手段，見表4。

表4 含水土質(zhì)埋壓救援現(xiàn)場關(guān)鍵監(jiān)測參數(shù)與技術(shù)手段Table 4 Key monitoring parameters and technology means of burial rescue site in water-bearing soil

土體強度是對土體位移導(dǎo)致二次埋壓做出預(yù)警的核心監(jiān)測指標，土質(zhì)壓力變化表征救援開挖過程以及外界環(huán)境對土體強度的影響，確定土體堆積深度能夠?qū)Πl(fā)生二次位移時可能波及的范圍做出預(yù)測。土體水理性質(zhì)監(jiān)測主要對土體含水量與地下水位進行監(jiān)測，在含水量達到土體松動并發(fā)生位移的臨界值前做出預(yù)警。降雨強度的監(jiān)測通過單位時間降雨量計算，采用雨量計對降雨量進行自動監(jiān)測，一方面對暴雨災(zāi)害做出預(yù)警，另一方面監(jiān)測降雨對土體水理性質(zhì)的影響。邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測主要對邊坡水平位移以及深部位移變化進行監(jiān)測，對于超過一定速度的位移變化應(yīng)做出預(yù)警。通過地聲監(jiān)測得到泥石流流速，監(jiān)測泥石流與地表之間產(chǎn)生的振動頻率與波形，可及時對泥石流進行識別預(yù)警。其次，在救援行動開展時，還需對現(xiàn)場易燃易爆氣體濃度進行監(jiān)測，在濃度達到爆炸極限前發(fā)出預(yù)警。最后，對安全防護裝置無故障時間、設(shè)備啟用關(guān)閉時間、傷員救出時間進行視頻監(jiān)測，宏觀把握救援整體進展情況。

2.3 監(jiān)測實施機制

含水土質(zhì)埋壓救援現(xiàn)場監(jiān)測實施主體由救援現(xiàn)場指揮中心、專家應(yīng)急組、醫(yī)療救護組、救援搶險組、設(shè)備技術(shù)組以及后勤保障組組成，整個救援現(xiàn)場的監(jiān)測實施運作以該職能主體為核心展開，包括救援安全性評估、監(jiān)測數(shù)據(jù)管理以及監(jiān)測結(jié)果反饋處理3 個實施階段，形成1 個循環(huán)運轉(zhuǎn)的監(jiān)測機制，如圖3所示。

圖3 含水土質(zhì)埋壓救援現(xiàn)場監(jiān)測實施機制Fig.3 Implementation mechanism of on-site monitoring for burial rescue in water-bearing soil

在救援安全性評估階段，以監(jiān)測數(shù)據(jù)分析研判結(jié)果為依據(jù)，結(jié)合現(xiàn)場實際情況，對救援現(xiàn)場進行風(fēng)險實時評估，根據(jù)救援是否可持續(xù)進行，明確不利情景和有利情景，以預(yù)期情景演化結(jié)果導(dǎo)向為目的，對監(jiān)測目標和需求做出實時調(diào)整更新。在監(jiān)測數(shù)據(jù)管理階段，將各監(jiān)測職能負責(zé)主體收集的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行儲存?zhèn)鬏敽脱信蟹治?，為救援安全性評估提供依據(jù)。在監(jiān)測結(jié)果反饋處理階段，如果出現(xiàn)不可控的不利場景，則需要及時發(fā)布預(yù)警信息，由指揮中心進行應(yīng)急決策指揮，其他職能主體做出協(xié)調(diào)聯(lián)動響應(yīng)。

3 結(jié)論

1）通過對含水土質(zhì)埋壓救援現(xiàn)場提取情景要素，構(gòu)建情景推演網(wǎng)絡(luò)，針對典型的不利情景路徑演化趨勢進行分析，明確7 個關(guān)鍵節(jié)點。

2）基于情景分析結(jié)果，構(gòu)建集監(jiān)測單元、監(jiān)測指標、關(guān)鍵參數(shù)、技術(shù)手段、監(jiān)測實施機制于一體的含水土質(zhì)埋壓救援現(xiàn)場監(jiān)測體系，將監(jiān)測單元按災(zāi)害環(huán)境監(jiān)測、救援人員狀態(tài)監(jiān)測、埋壓人員狀態(tài)監(jiān)測、救援設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測、整體救援進展跟蹤監(jiān)測進行細分，建立監(jiān)測指標體系，并確定11 個關(guān)鍵監(jiān)測參數(shù)及其對應(yīng)技術(shù)手段。

3）文中沒有明確關(guān)鍵監(jiān)測參數(shù)的閾值范圍，缺乏對各技術(shù)手段的具體技術(shù)要求分析，下一步研究將對關(guān)鍵參數(shù)的預(yù)警機制和閾值范圍以及技術(shù)要求做出規(guī)定。