王 杰
(三峽大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院,湖北 宜昌 443002)
2017—2021年全國房屋市政工程生產(chǎn)安全事故平均每年723.4起,平均每年死亡人數(shù)831.6人,安全生產(chǎn)形勢依然嚴(yán)峻[1]。從事故類型看,2017—2019年全國房屋市政工程生產(chǎn)安全較大及以上事故中,坍塌事故占比最大[2-4]。研究坍塌事故發(fā)生機(jī)理,控制事故致因因素,對于預(yù)防坍塌事故,減少傷亡人數(shù)具有重要意義。
目前,許多學(xué)者對事故致因進(jìn)行了相關(guān)研究。陳文瑛等(2020)構(gòu)建生產(chǎn)安全事故復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)模型,研究生產(chǎn)安全事故的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[5];花玲玲等(2019)統(tǒng)計(jì)中國鐵路事故案例,構(gòu)建鐵路事故致因網(wǎng)絡(luò),基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論研究致因網(wǎng)絡(luò)特性[6];魯義等(2022)通過貝葉斯網(wǎng)絡(luò)建立?;返缆愤\(yùn)輸事故推理模型,預(yù)測事故發(fā)展趨勢[7];葉子陽等(2022)以蕪湖海事局內(nèi)河航運(yùn)事故船舶數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),建立內(nèi)河船舶交通事故的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型,進(jìn)行正向推理和反向診斷[8]。
上述研究中,使用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)無法對網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行概率推理,使用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)呈現(xiàn)節(jié)點(diǎn)間的關(guān)系過于主觀。本文通過統(tǒng)計(jì)分析坍塌事故調(diào)查報(bào)告,構(gòu)建坍塌事故致因網(wǎng)絡(luò),基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論,研究網(wǎng)絡(luò)特性,得到致因網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵因素,并以坍塌事故致因網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ),建立坍塌事故貝葉斯網(wǎng)絡(luò),對坍塌事故安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行逆向推理,預(yù)測各個(gè)坍塌事故類型致因因素發(fā)生概率,為預(yù)防施工時(shí)發(fā)生坍塌事故提供參考。
復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)是描述系統(tǒng)元素間復(fù)雜關(guān)系的重要工具,其以節(jié)點(diǎn)代表系統(tǒng)元素,以邊表示系統(tǒng)元素間的關(guān)系。坍塌事故是多因素之間相互作用、相互影響的結(jié)果,使用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò),能夠很好地描述事故風(fēng)險(xiǎn)因素間的復(fù)雜關(guān)系,并定量研究坍塌事故風(fēng)險(xiǎn)演化復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)模型。
(1)節(jié)點(diǎn)度。節(jié)點(diǎn)i的節(jié)點(diǎn)度表示與節(jié)點(diǎn)i直接相連的所有節(jié)點(diǎn)數(shù)目或邊的數(shù)目,節(jié)點(diǎn)度反映了節(jié)點(diǎn)i的重要性,節(jié)點(diǎn)度越大,表明該節(jié)點(diǎn)越重要。在有向網(wǎng)絡(luò)中,節(jié)點(diǎn)度包括入度、出度和總度。入度是指向該節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)總數(shù),出度是從該節(jié)點(diǎn)指出的節(jié)點(diǎn)總數(shù),總度是出度和入度的和,即
式(1)中,Di為節(jié)點(diǎn)的總度,為節(jié)點(diǎn)的出度,為節(jié)點(diǎn)的入度。
(2)網(wǎng)絡(luò)直徑和平均路徑。網(wǎng)絡(luò)直徑為任意兩點(diǎn)間路徑的最大距離。最短路徑為連接兩節(jié)點(diǎn)的最少邊數(shù),平均路徑是所有節(jié)點(diǎn)對的最短路徑平均值。平均路徑L反映網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間的分離程度,計(jì)算式如下:
式(2)中,dij表示節(jié)點(diǎn)i和節(jié)點(diǎn)j之間的路徑,表示最短路徑,表示網(wǎng)絡(luò)直徑,N表示網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的數(shù)量。
(3)聚類系數(shù)。聚類系數(shù)是用來衡量網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)聚集程度的指標(biāo),指節(jié)點(diǎn)的兩個(gè)隨機(jī)選擇的鄰居彼此連接的概率。
(4)中介中心性。節(jié)點(diǎn)的中介中心性用來表示節(jié)點(diǎn)的“媒介作用”,指網(wǎng)絡(luò)中所有最短路徑中經(jīng)過該節(jié)點(diǎn)的數(shù)量比例。
住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部2019年房屋市政工程生產(chǎn)安全事故情況的通報(bào)中,較大及以上事故類型方面,坍塌事故占比56.52%,說明坍塌事故易造成人員傷亡、財(cái)產(chǎn)損失,對坍塌事故進(jìn)行預(yù)防整治,有助于降低較大及以上事故發(fā)生概率。
收集2017—2021年政府發(fā)布的坍塌事故調(diào)查報(bào)告55份,根據(jù)事故坍塌結(jié)果,將坍塌事故分為墻體坍塌、土方坍塌、房屋坍塌、腳手架坍塌、橋梁坍塌、邊坡坍塌、鋼結(jié)構(gòu)坍塌共7類,如圖1所示。
圖1 坍塌事故分類統(tǒng)計(jì)
基于安全管理理論,將坍塌事故致因因素分為人、物、管理、環(huán)境4個(gè)方面,從調(diào)查報(bào)告中的直接原因、間接原因中識別歸納出24個(gè)致因因素,形成125條不重復(fù)的致因鏈,如表1所示。
基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論,將24個(gè)致因因素和7個(gè)事故類型作為31個(gè)節(jié)點(diǎn),將節(jié)點(diǎn)之間的關(guān)系形成81條有向邊,構(gòu)建由31個(gè)節(jié)點(diǎn)、81條邊組成的有向無權(quán)網(wǎng)絡(luò),即坍塌事故致因網(wǎng)絡(luò),如圖2所示。
圖2 坍塌事故致因網(wǎng)絡(luò)
節(jié)點(diǎn)的度代表著節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中的中心性和重要程度,該致因網(wǎng)絡(luò)中致因因素的平均節(jié)點(diǎn)度是5.22,表明每個(gè)致因因素平均影響5.22個(gè)致因因素。如圖3所示,在所有致因因素中,總度數(shù)大于6的分別是違章作業(yè)(H1)、安全監(jiān)管不到位(M2)、安全技術(shù)交底缺失或不到位(M4)、施工單位無資質(zhì)(H4)、安全培訓(xùn)缺失或不到位(M3)、未按照施工方案施工(M6)、未進(jìn)行支護(hù)或支護(hù)強(qiáng)度不足(M12),其總度數(shù)分別是28、16、9、8、8、7、7。總度數(shù)較大,說明這些節(jié)點(diǎn)是致因網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn),易受其他致因因素影響或影響其他致因因素,對于坍塌事故的發(fā)生具有重要作用。
圖3 節(jié)點(diǎn)的度
坍塌事故致因網(wǎng)絡(luò)的直徑為5,平均路徑長度L=1.918。平均路徑長度是表征網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)分離程度的指標(biāo),即網(wǎng)絡(luò)中一個(gè)節(jié)點(diǎn)平均經(jīng)過1.918條邊,就可以影響另一個(gè)節(jié)點(diǎn)。坍塌事故致因網(wǎng)絡(luò)的直徑和平均路徑長度均較小,表明網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)分離程度較低,致因因素之間聯(lián)系緊密,一個(gè)因素狀態(tài)變化,很快在網(wǎng)絡(luò)中傳播,進(jìn)而導(dǎo)致事故的發(fā)生。
聚類系數(shù)反映網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的聚集程度。坍塌事故致因網(wǎng)絡(luò)平均聚類系數(shù)為0.23,圖4所示為節(jié)點(diǎn)聚類系數(shù)大于0的因素。各節(jié)點(diǎn)聚類系數(shù)在0~0.5范圍,其中邊坡坍塌(A6)、風(fēng)險(xiǎn)辨識能力弱(H3)、違章指揮(H5)、安全制度不健全(M1)、未編制設(shè)計(jì)方案(M11)、大風(fēng)(E1)的聚類系數(shù)最大,表明它們與周圍致因因素有較強(qiáng)的關(guān)聯(lián)。坍塌事故致因網(wǎng)絡(luò)聚類系數(shù)為0.23,平均路徑長為1.918,該致因網(wǎng)絡(luò)聚類系數(shù)大,平均路徑小,具有典型的小世界網(wǎng)絡(luò)特征,解釋了坍塌事故風(fēng)險(xiǎn)傳播速度快,傳播路徑多,難以控制的原因。
圖4 坍塌事故致因網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)聚類系數(shù)
中介中心性較大的節(jié)點(diǎn)在風(fēng)險(xiǎn)傳播中起著關(guān)鍵作用。如圖5所示,違章作業(yè)(H1)、安全監(jiān)管不到位(M2)、施工單位無資質(zhì)(H4)是中介中心性最大的3個(gè)節(jié)點(diǎn),這3個(gè)致因因素同時(shí)也是度數(shù)較大的節(jié)點(diǎn),說明這3個(gè)節(jié)點(diǎn)在致因網(wǎng)絡(luò)的風(fēng)險(xiǎn)傳播中起著關(guān)鍵作用,使得風(fēng)險(xiǎn)能夠快速傳播。因此,有效控制這3個(gè)節(jié)點(diǎn),可以切斷風(fēng)險(xiǎn)在網(wǎng)絡(luò)中的傳播,避免事故發(fā)生。
圖5 坍塌事故致因網(wǎng)絡(luò)中介中心性值
貝葉斯網(wǎng)絡(luò)將定量分析和定性分析結(jié)合,由有向無環(huán)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和條件概率表組成。有向無環(huán)圖用來表示節(jié)點(diǎn)間的關(guān)系,包括節(jié)點(diǎn)、節(jié)點(diǎn)之間的邊,是貝葉斯網(wǎng)絡(luò)定性分析的部分。條件概率表用來計(jì)算節(jié)點(diǎn)間的網(wǎng)絡(luò)參數(shù),是貝葉斯網(wǎng)絡(luò)定量分析的部分。在貝葉斯網(wǎng)絡(luò)中,節(jié)點(diǎn)A指向節(jié)點(diǎn)B,則A是B的父節(jié)點(diǎn)。以Xi表示第i個(gè)節(jié)點(diǎn),表示Xi的父節(jié)點(diǎn)集,貝葉斯網(wǎng)絡(luò)聯(lián)合概率分布為
以建立的坍塌事故致因網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ),對55份坍塌事故報(bào)告進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,獲得致因因素頻率及節(jié)點(diǎn)關(guān)系。為簡化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),提高概率運(yùn)算效率,剔除頻率較低、風(fēng)險(xiǎn)較小的致因因素;為避免成環(huán),將邏輯性不強(qiáng)的節(jié)點(diǎn)關(guān)系刪除,將特征相似的致因因素融合。利用GeNIe 2.0軟件繪制貝葉斯網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖,如圖6所示。
圖6 坍塌事故貝葉斯網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖
圖6所示網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中,根節(jié)點(diǎn)先驗(yàn)概率由統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)所得,其余節(jié)點(diǎn)條件概率表由父節(jié)點(diǎn)計(jì)算所得。以未編制施工方案(M9)為例,安全監(jiān)管不到位(M2)、施工單位無資質(zhì)(H4)是未編制施工方案(M9)的父節(jié)點(diǎn),通過統(tǒng)計(jì)在不同條件下M9發(fā)生的頻數(shù),即可得到M9的條件概率表,如表2所示。如“4”和“7”表示M2、H4同時(shí)發(fā)生的條件下,M9發(fā)生了4次,M9未發(fā)生有7次。歸一化處理后,即在M2、H4同時(shí)發(fā)生的條件下,M9發(fā)生的概率為0.364,M9未發(fā)生的概率為0.634。通過類似的處理方式,即可得到圖6所示網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中所有節(jié)點(diǎn)的條件概率表,從而得到貝葉斯網(wǎng)絡(luò)參數(shù)模型,如圖7所示。
表2 未編制施工方案(M9)條件概率表
圖7 坍塌事故貝葉斯網(wǎng)絡(luò)參數(shù)模型
分別調(diào)整7種坍塌事故的發(fā)生概率,分析特定事故條件下致因因素的變化情況,可得到不同事故類型的主要影響因素。如將邊坡坍塌事故的發(fā)生概率設(shè)置為1,其他事故設(shè)置為0,如圖8所示,概率差值絕對值最大的前3項(xiàng)是違章作業(yè)、未進(jìn)行支護(hù)或支護(hù)強(qiáng)度不足、安全意識淡薄,其中違章作業(yè)概率減小37%,未進(jìn)行支護(hù)或支護(hù)強(qiáng)度不足概率增大30%,安全意識淡薄概率減小14%,表明未進(jìn)行支護(hù)或支護(hù)強(qiáng)度不足極其容易造成邊坡坍塌事故。后驗(yàn)概率值的前3項(xiàng)是安全監(jiān)管不到位、未進(jìn)行支護(hù)或支護(hù)強(qiáng)度不足、安全培訓(xùn)缺失或不到位,表明安全監(jiān)管工作和安全培訓(xùn)工作沒有做好,使得工人在施工時(shí)容易忽視邊坡施工的安全問題,從而降低對邊坡支護(hù)的重視程度,沒有做好邊坡支護(hù)工作。同理,可以預(yù)測墻體坍塌、土方坍塌、房屋坍塌等事故類型的主要影響因素,如表3所示。
表3 各類型坍塌事故主要影響因素
圖8 邊坡坍塌事故的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型
本文收集2017—2021年政府發(fā)布的坍塌事故調(diào)查報(bào)告,基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)和貝葉斯網(wǎng)絡(luò),建立坍塌事故網(wǎng)絡(luò)模型,分析了坍塌事故的發(fā)生機(jī)理及風(fēng)險(xiǎn)演化過程,計(jì)算了各類型坍塌事故的發(fā)生概率,得到以下結(jié)論:
(1)坍塌事故致因網(wǎng)絡(luò)具有典型的小世界網(wǎng)絡(luò)特征,解釋了坍塌事故風(fēng)險(xiǎn)傳播速度快,傳播路徑多,難以控制的原因。
(2)違章作業(yè)(H1)、安全監(jiān)管不到位(M2)、施工單位無資質(zhì)(H4)是中介中心度最大的3個(gè)節(jié)點(diǎn),同時(shí)也是度數(shù)較大的節(jié)點(diǎn),說明這3個(gè)節(jié)點(diǎn)在致因網(wǎng)絡(luò)的風(fēng)險(xiǎn)傳播中起著關(guān)鍵作用,有效控制這3個(gè)節(jié)點(diǎn),可以切斷風(fēng)險(xiǎn)在網(wǎng)絡(luò)中的傳播,避免事故的發(fā)生。
(3)各類型坍塌事故有相同的致因因素,也有不同的致因因素。對施工現(xiàn)場進(jìn)行安全檢查,可以通過發(fā)現(xiàn)的致因因素預(yù)測各類型事故的發(fā)生概率,進(jìn)而采取針對性的措施預(yù)防事故發(fā)生。