周劍學(xué) 薛善治 彭益璟

（1.煤炭工業(yè)濟(jì)南設(shè)計(jì)研究院有限公司，山東 濟(jì)南 250000；2.武漢科技大學(xué)管理學(xué)院，湖北 武漢 430000）

1 背景

塔式起重機(jī)是一種具有豎直塔身的全回轉(zhuǎn)動(dòng)臂起重機(jī)，施工過(guò)程中極易造成群死群傷的惡性事故。本文利用故障樹(shù)轉(zhuǎn)化形成的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)與模糊綜合評(píng)判法相結(jié)合，提出基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的塔機(jī)施工風(fēng)險(xiǎn)模糊綜合評(píng)估方法，對(duì)塔機(jī)施工風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估，以期發(fā)現(xiàn)塔機(jī)工程建設(shè)的薄弱環(huán)節(jié)，并為其風(fēng)險(xiǎn)控制和管理提供參考依據(jù)。

2 塔機(jī)施工風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別與評(píng)估方法

2.1 塔機(jī)施工安全事故貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的建立

2.1.1 塔機(jī)施工安全事故事故樹(shù)作圖

事故樹(shù)分析法(FTA)[1]是在事故鏈理論的基礎(chǔ)上發(fā)展而形成的。在事故鏈理論的基礎(chǔ)上，如果將上一環(huán)節(jié)中包含的事故原因和下一環(huán)節(jié)包含的事故原因根據(jù)實(shí)際情況一一對(duì)應(yīng)起來(lái)，就可以得到樹(shù)形的事故樹(shù)。事故樹(shù)分析法是從特定事故或故障開(kāi)始，層層分析其發(fā)生原因，直到找出事故的基本原因?yàn)橹沟姆椒?，可以?duì)事故的原因定性和定量分析。

本文將塔機(jī)施工過(guò)程中發(fā)生的事故作為頂上事件逐層分析事故發(fā)生的原因，建立塔機(jī)施工各種事故的事故樹(shù)。

2.1.2 塔機(jī)施工安全事故貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的建立

貝葉斯網(wǎng)絡(luò)方法具備描述事件多態(tài)性和故障邏輯關(guān)系不確定性的能力，既能用于預(yù)測(cè)，也可用于診斷。貝葉斯網(wǎng)絡(luò)由定性部分(以DAG表示的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu))和定量部分(條件概率表)組成。通過(guò)基本事件的先驗(yàn)概率，通過(guò)各個(gè)節(jié)點(diǎn)間的條件概率可以對(duì)節(jié)點(diǎn)的后驗(yàn)概率進(jìn)行推理運(yùn)算。

2.2 塔機(jī)施工安全事故風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生概率評(píng)價(jià)

為了盡可能對(duì)塔機(jī)施工安全風(fēng)險(xiǎn)作出準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)，需要對(duì)風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的概率和可能性等級(jí)之間建立模糊的對(duì)應(yīng)關(guān)系。通過(guò)德?tīng)柗品梢源_定貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)，進(jìn)而計(jì)算出風(fēng)險(xiǎn)事故和整體塔機(jī)作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)的風(fēng)險(xiǎn)可能性的大小，對(duì)于工程實(shí)際情況，邀請(qǐng)專(zhuān)家組對(duì)風(fēng)險(xiǎn)事故概率區(qū)間作出劃分。如表1所示。

表1 風(fēng)險(xiǎn)概率等級(jí)

2.3 塔機(jī)施工安全事故損失大小的模糊綜合評(píng)價(jià)

風(fēng)險(xiǎn)損失是指塔機(jī)施工中風(fēng)險(xiǎn)事件一旦發(fā)生后所導(dǎo)致的各種損失后果，包括施工人員生命安全、經(jīng)濟(jì)財(cái)產(chǎn)、工程質(zhì)量、施工工期以及自然環(huán)境的影響，表現(xiàn)為各種價(jià)值的損失大小等級(jí)。本文通過(guò)層次分析法的模糊綜合評(píng)價(jià)[2]來(lái)進(jìn)行各個(gè)風(fēng)險(xiǎn)損失值的計(jì)算。

2.3.1 建立因素集

根據(jù)建立起來(lái)的塔機(jī)施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，按照指標(biāo)體系的風(fēng)險(xiǎn)層次結(jié)構(gòu)來(lái)確定所需的因素集，U=（u1，u2，u3，u4，u5），各單因素子集為：U=（u11，u12，……，u1m），m為指標(biāo)個(gè)數(shù)。

2.3.2 建立評(píng)價(jià)集合并量化

對(duì)評(píng)價(jià)對(duì)象即風(fēng)險(xiǎn)損失的評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行模糊化，V=(v1，v2，…，v5))，n為評(píng)價(jià)等級(jí)個(gè)數(shù)，一般根據(jù)實(shí)際情況可以將評(píng)價(jià)等級(jí)劃分為 4 個(gè)或 5個(gè)。本文把風(fēng)險(xiǎn)損失分為5個(gè)等級(jí)，如表2所示。

表2 風(fēng)險(xiǎn)損失分級(jí)

2.3.3 確定需評(píng)價(jià)風(fēng)險(xiǎn)因素對(duì)評(píng)價(jià)對(duì)象的權(quán)重

本文利用AHP法，通過(guò)判別矩陣對(duì)風(fēng)險(xiǎn)因素兩兩比較，求解各個(gè)判別矩陣的特征根λmax及其對(duì)應(yīng)的特征向量，得到各個(gè)準(zhǔn)則層各元素的相對(duì)權(quán)重，并最終得最低層元素對(duì)于總目標(biāo)的排序權(quán)重。然后通過(guò)對(duì)判斷矩陣進(jìn)行必要的一致性檢驗(yàn)，通常用一致性指標(biāo)判別矩陣進(jìn)行檢驗(yàn)，而為了得到不一致程度的允許范圍，

Saaty 又進(jìn)一步引入了隨機(jī)一致性指標(biāo) 。通過(guò)表確定，計(jì)算一致性比率

再次對(duì)矩陣進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，RI如表3所示：

表3 平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RI

當(dāng)CI≤0.1時(shí)，矩陣的一致性可接受；當(dāng)CI＞0.1時(shí)，如果矩陣A的一致性不滿足要求，需重新邀請(qǐng)專(zhuān)家做再次評(píng)價(jià)，直到通過(guò)檢驗(yàn)為止。這樣就可以得出第一級(jí)評(píng)價(jià)因素對(duì)總目標(biāo)的權(quán)重W，第二級(jí)評(píng)價(jià)因素對(duì)第一層中的元素的權(quán)重Wi。

2.3.4 建立單因素評(píng)價(jià)矩陣

在構(gòu)造了等級(jí)模糊子集后，對(duì)每個(gè)因素進(jìn)行量化，即各個(gè)Ri矩陣確定被評(píng)價(jià)對(duì)象對(duì)各等級(jí)模糊子集的隸屬度，并最終得到模糊關(guān)系矩陣R。

2.3.5 模糊綜合評(píng)價(jià)并確定最終評(píng)價(jià)得分

將每個(gè)因素的權(quán)重向量Wi與模糊關(guān)系矩陣合成就可以得到評(píng)價(jià)結(jié)果向量B。

最后可得出風(fēng)險(xiǎn)因素的隸屬矩陣，然后根據(jù)CBi=Bi·VT求得各個(gè)風(fēng)險(xiǎn)事故的損失評(píng)價(jià)值。

2.4 風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

塔機(jī)施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中采用如下公式進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)值計(jì)算：

式中：

R-危險(xiǎn)因素的風(fēng)險(xiǎn)值；

P-風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的概率值；

C-風(fēng)險(xiǎn)后果的損失程度。

實(shí)際的施工情況，通過(guò)定量化的數(shù)據(jù)對(duì)具體塔機(jī)施工風(fēng)險(xiǎn)狀況作出判斷，并確定其風(fēng)險(xiǎn)水平的等級(jí)。如表4所示，在分別確定了風(fēng)險(xiǎn)概率和風(fēng)險(xiǎn)損失的等級(jí)之后，也要對(duì)施工風(fēng)險(xiǎn)作出等級(jí)劃分。

表4 風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)劃分

3 實(shí)例分析

以某工程塔機(jī)施工為例，通過(guò)系統(tǒng)的危險(xiǎn)源辨識(shí)，利用上文的評(píng)價(jià)模型，進(jìn)行基于模糊貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。

3.1 塔吊施工事故故障樹(shù)分析

塔式起重機(jī)施工作業(yè)主要的安全事故類(lèi)型有起吊物墜落傷人、塔吊傾塌、高處墜落、觸電，其余事故類(lèi)型不常見(jiàn)，通過(guò)防范措施可以避免。因此，首先考慮這幾種事故類(lèi)型進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。

圖1 塔機(jī)高處墜落事故樹(shù)

圖2 塔機(jī)吊運(yùn)物傷人墜落事故樹(shù)

圖3 塔機(jī)傾塌事故樹(shù)

圖4 塔機(jī)觸電事故樹(shù)

3.1.1 高處墜落事故樹(shù)的建立

分析高處墜落事故原因建立高處墜落事故樹(shù)，如圖1所示，其中各個(gè)代碼與專(zhuān)家打分后的發(fā)生概率為：T1高處墜落，M1防護(hù)措施失效，M2工人不小心墜落，X1未使用安全帶0.47，X2安全帶連接不牢靠0.49，X3安全帶損壞0.38，X4工人失去平衡0.29，X5作業(yè)面環(huán)境差0.24，X6惡劣天氣0.17。

3.1.2 吊運(yùn)物墜落傷人事故樹(shù)的建立

分析吊運(yùn)物墜落傷人事故原因建立吊運(yùn)物墜落傷人事故樹(shù)，如圖2所示，其中各個(gè)代碼與專(zhuān)家打分后的發(fā)生概率為：T2吊物傷人，M3作業(yè)人員原因，M4塔機(jī)原因，M5吊運(yùn)物原因，X7作業(yè)人員無(wú)資格0.42，X8操作失誤0.49，X9指揮失誤0.34，X10設(shè)備失靈0.27，X11質(zhì)量缺陷0.29，X12鋼絲繩損壞0.43，X13超載0.46，X14吊運(yùn)物鋒利割壞鋼絲繩0.26，X15吊運(yùn)物綁扎不牢0.17，X16大風(fēng)天氣作業(yè)0.12。

3.1.3 塔吊倒塌故障樹(shù)建立

分析塔吊倒塌事故原因建立塔機(jī)倒塌事故樹(shù)，如圖3所示，其中各個(gè)代碼與專(zhuān)家打分后的發(fā)生概率為：T3塔吊傾塌，M6超荷載提升，M7誤操作塔吊脫軌，M8塔吊基礎(chǔ)不合格，X17超負(fù)荷運(yùn)行0.36，X18限制閥失靈0.24，X19人為操作失誤0.39，X20軌道安裝失誤0.37，X21計(jì)算有誤0.22，X22強(qiáng)度不合格0.26。

3.1.4 觸電故障樹(shù)的建立

分析觸電事故原因建立塔機(jī)觸電事故樹(shù)，如圖4所示，其中各個(gè)代碼與專(zhuān)家打分后的發(fā)生概率為：T4觸電，M9人觸及帶電體，M10防護(hù)措施失效，X23違章作業(yè)0.51，X24絕緣體失效0.27，X25作業(yè)環(huán)境不可靠0.21，X26作業(yè)時(shí)突然送電0.48，X27未使用絕緣工器具0.35，X28絕緣工器具質(zhì)量不合格0.31。

3.2 故障樹(shù)向貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)化

根據(jù)故障樹(shù)向貝葉斯網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)化的規(guī)則，借助貝葉斯仿真軟件 Genie2.0建立塔機(jī)事故的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型。如圖5所示。

圖5 塔機(jī)施工作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型

3.3 風(fēng)險(xiǎn)事故的概率評(píng)價(jià)

塔機(jī)施工風(fēng)險(xiǎn)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)中基本事件的概率都可以通過(guò)Genie2.0軟件進(jìn)行線性推理計(jì)算，將表4各個(gè)節(jié)點(diǎn)的連接概率輸入進(jìn)Genie軟件，點(diǎn)擊Update之后Genie就會(huì)自動(dòng)計(jì)算每個(gè)節(jié)點(diǎn)的概率，最終求各類(lèi)風(fēng)險(xiǎn)事件發(fā)生的概率。如表5所示。

表5 塔機(jī)風(fēng)險(xiǎn)事故概率評(píng)價(jià)

3.4 風(fēng)險(xiǎn)事故的損失評(píng)價(jià)

利用上文介紹的模糊綜合評(píng)價(jià)方法根據(jù)每個(gè)風(fēng)險(xiǎn)事件的Ri，Ri通過(guò)專(zhuān)家意見(jiàn)得來(lái)，再由公式CBi=Bi·VT可以求得對(duì)應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)事件的損失評(píng)價(jià)得分，如表6所示。

表6 塔機(jī)風(fēng)險(xiǎn)事故損失評(píng)價(jià)

3.5 塔機(jī)施工作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的確定

根據(jù)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)推理得出的概率與損失得分可以確定塔機(jī)施工的各個(gè)事故類(lèi)型的風(fēng)險(xiǎn)值，然后可以根據(jù)表4確定其風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，如表7所示。

表7 塔機(jī)風(fēng)險(xiǎn)事故風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)

通過(guò)模型分析計(jì)算得出本工程塔機(jī)發(fā)生高處墜落、吊物墜落傷人的風(fēng)險(xiǎn)為Ⅲ級(jí)一般風(fēng)險(xiǎn)，塔機(jī)傾塌、觸電事故的風(fēng)險(xiǎn)為Ⅱ級(jí)稍有危險(xiǎn)，塔機(jī)施工的整體風(fēng)險(xiǎn)水平為Ⅲ級(jí)一般風(fēng)險(xiǎn)，這與本工程塔機(jī)施工的實(shí)際情況相符，需加強(qiáng)對(duì)高處墜落以及吊物墜落傷人事故的預(yù)防和控制。塔式起重機(jī)由于使用和構(gòu)造的待殊性，危險(xiǎn)因素很多，在使用中應(yīng)特別注意遵守相關(guān)的安全操作規(guī)范，對(duì)危險(xiǎn)因素加強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn)檢測(cè)與監(jiān)控，實(shí)行動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)管理。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)塔機(jī)歷史事故的事故樹(shù)分析，充分辨識(shí)了塔機(jī)施工過(guò)程中的重要風(fēng)險(xiǎn)因素，建立了各種事故的故障樹(shù)模型，并將故障樹(shù)模型轉(zhuǎn)化為貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型，在Genie2.0中進(jìn)行概率推理。在實(shí)際實(shí)施過(guò)程中，將相關(guān)數(shù)據(jù)信息與專(zhuān)家組多次反復(fù)交流和反饋修正，保證了數(shù)據(jù)的可靠性。模糊層次分析法具有定性和定量相結(jié)合的處理各種評(píng)價(jià)因素的特點(diǎn)，以及系統(tǒng)、靈活、簡(jiǎn)潔的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛使用在風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估領(lǐng)域。貝葉斯網(wǎng)絡(luò)方法可視性強(qiáng)，貝葉斯節(jié)點(diǎn)變量間的因果關(guān)系與塔機(jī)施工事故故障樹(shù)層次結(jié)構(gòu)具有一致性，通過(guò)故障樹(shù)向貝葉斯網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換，然后通過(guò)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)推理軟件Genie2進(jìn)行概率線性推理，方便快捷準(zhǔn)確。結(jié)合貝葉斯網(wǎng)絡(luò)法和模糊層次分析法，對(duì)塔機(jī)施工進(jìn)行安全評(píng)價(jià)，可以充分考慮影響塔機(jī)施工安全的各風(fēng)險(xiǎn)因素，將定性和定量的分析相結(jié)合，避免主觀錯(cuò)誤，對(duì)復(fù)雜的多因素、較多層次的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估問(wèn)題評(píng)價(jià)效果較好。