劉 新

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 運(yùn)輸及經(jīng)濟(jì)研究所，北京 100081)

0 引言

經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，我國(guó)鐵路已初步建成了人防、物防、技防“三位一體”的安全保障體系，確保我國(guó)鐵路運(yùn)輸安全、持續(xù)、穩(wěn)定。尤其是近年來(lái)隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，大量應(yīng)用先進(jìn)的技防、物防手段，以技術(shù)促安全取得明顯效果。但相對(duì)于技術(shù)而言，人為因素更為復(fù)雜，人為因素對(duì)安全的影響在某種程度上不可控，或者不完全可控。因此，加強(qiáng)對(duì)人為因素的研究，了解鐵路現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)過(guò)程中存在的主要問(wèn)題，把握整體的安全形勢(shì)，對(duì)于安全決策具有重要意義。

為減少人為因素對(duì)運(yùn)營(yíng)安全的影響，我國(guó)鐵路總結(jié)出了很多行之有效的方法。其中，安全管理人員下現(xiàn)場(chǎng)檢查，及時(shí)發(fā)現(xiàn)、反饋、整改問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)安全問(wèn)題的閉環(huán)管理，就是目前鐵路現(xiàn)場(chǎng)廣泛采用的一種管理方式。尤其是近年來(lái)，各鐵路局集團(tuán)公司根據(jù)各自的需求自行建設(shè)了不同的問(wèn)題庫(kù)管理系統(tǒng)，將現(xiàn)場(chǎng)檢查過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的安全問(wèn)題及時(shí)錄入到系統(tǒng)中，并跟蹤問(wèn)題的整改情況。經(jīng)過(guò)多年積累，這些安全問(wèn)題數(shù)據(jù)量已達(dá)到一定的規(guī)模。如果能夠?qū)Υ思右跃C合分析和應(yīng)用，將能較好地反映現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)安全的整體狀況和安全趨勢(shì)，為安全決策提供輔助支持。

貝葉斯網(wǎng)絡(luò)(Bayesian Network)又稱(chēng)為有向無(wú)環(huán)圖模型，是將概率、統(tǒng)計(jì)應(yīng)用于復(fù)雜系統(tǒng)的不確定性推理和數(shù)據(jù)分析的一種有效工具，起源于20世紀(jì)80年代中期對(duì)人工智能中的不確定性問(wèn)題的研究，隨著其影響不斷擴(kuò)大，已逐步成為將概率、統(tǒng)計(jì)應(yīng)用于復(fù)雜系統(tǒng)的不確定性推理和數(shù)據(jù)分析的一種有效工具，可以從不完全、不精確或不確定的知識(shí)或信息中做出推理[1-2]。在軌道交通安全領(lǐng)域，已有學(xué)者將貝葉斯網(wǎng)絡(luò)理論應(yīng)用于可靠性和風(fēng)險(xiǎn)分析等方面，如徐敏等應(yīng)用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)研究各種因素對(duì)接發(fā)列車(chē)、施工、貨物運(yùn)輸?shù)鹊陌踩绊慬3-6]，江磊等應(yīng)用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行設(shè)備設(shè)施可靠性的研究。

據(jù)此，以某安全問(wèn)題庫(kù)數(shù)據(jù)為例，應(yīng)用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)理論對(duì)安全檢查大數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和研究，構(gòu)建基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的鐵路安全預(yù)警模型。

1 鐵路安全問(wèn)題分類(lèi)

1.1 安全問(wèn)題分類(lèi)原則

（1）結(jié)合問(wèn)題場(chǎng)景和問(wèn)題性質(zhì)對(duì)安全問(wèn)題進(jìn)行分類(lèi)。某些問(wèn)題涉及多個(gè)作業(yè)崗位，但反映的是同一種作業(yè)類(lèi)型，如接發(fā)列車(chē)作業(yè)，這種情況下應(yīng)以場(chǎng)景作為問(wèn)題分類(lèi)的維度。消防安全問(wèn)題與此相類(lèi)似，如私拉電線問(wèn)題可能出現(xiàn)在任何場(chǎng)所、涉及所有單位，但問(wèn)題性質(zhì)相同，統(tǒng)一分類(lèi)能更為準(zhǔn)確地反映該類(lèi)問(wèn)題的整體安全狀況。

（2）以后果為導(dǎo)向?qū)Π踩珕?wèn)題進(jìn)行分類(lèi)。安全問(wèn)題并不必然導(dǎo)致安全事故，但事故通常是由于安全問(wèn)題長(zhǎng)期得不到解決或控制而造成的，問(wèn)題與事故之間存在著一定的轉(zhuǎn)化關(guān)系，因而在對(duì)安全問(wèn)題進(jìn)行分類(lèi)時(shí)，應(yīng)盡可能與事故原因結(jié)合起來(lái)統(tǒng)一考慮。

1.2 安全問(wèn)題分類(lèi)

以某安全問(wèn)題庫(kù)數(shù)據(jù)為例，根據(jù)對(duì)抽樣數(shù)據(jù)的人工處理結(jié)果，結(jié)合專(zhuān)家意見(jiàn)，選取部分安全問(wèn)題進(jìn)行歸并處理，劃分為14項(xiàng)具體分類(lèi)。安全問(wèn)題分類(lèi)如表1所示。

表1 安全問(wèn)題分類(lèi)Tab.1 Classification of safety problems

安全問(wèn)題是鐵路安全管理人員在鐵路現(xiàn)場(chǎng)的日常安全檢查中發(fā)現(xiàn)的，不可避免地受到觀察視角、檢查頻度、關(guān)注點(diǎn)等因素的影響，為簡(jiǎn)化模型構(gòu)建，假定所有安全檢查人員均為自主判斷且學(xué)識(shí)、素養(yǎng)沒(méi)有較大的差異，檢查頻度沒(méi)有較大的變化，對(duì)所有站段的檢查沒(méi)有顯著的差異性。

2 基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的鐵路安全預(yù)警模型構(gòu)建

貝葉斯網(wǎng)絡(luò)由代表隨機(jī)變量的節(jié)點(diǎn)和連接節(jié)點(diǎn)，以及描述2個(gè)節(jié)點(diǎn)之間相互關(guān)系的有向邊組成。在安全預(yù)警模型中，隨機(jī)變量就是日常安全檢查中發(fā)現(xiàn)的安全問(wèn)題及發(fā)生的各類(lèi)事故，安全問(wèn)題之間以及安全問(wèn)題與事故之間存在著一定的因果關(guān)系。

例如，D21事故包括行車(chē)設(shè)備故障耽誤本列旅客列車(chē)1h以上或耽誤本列貨物列車(chē)2 h以上，固定設(shè)備故障延時(shí)影響正常行車(chē)2 h以上(僅指正線)；導(dǎo)致D21事故的直接原因有可能是施工安全問(wèn)題、基礎(chǔ)設(shè)施維護(hù)問(wèn)題、移動(dòng)設(shè)備維護(hù)問(wèn)題、應(yīng)急處置問(wèn)題；施工安全問(wèn)題可能是由于安全管理和培訓(xùn)工作不到位引起的；設(shè)備管理不善、檢測(cè)計(jì)量設(shè)備管理不規(guī)范有可能導(dǎo)致基礎(chǔ)設(shè)施出現(xiàn)不應(yīng)有的問(wèn)題；檢測(cè)計(jì)量設(shè)備管理不規(guī)范還可能導(dǎo)致移動(dòng)設(shè)備維護(hù)問(wèn)題；而教育培訓(xùn)不充分、規(guī)章制度缺漏和安全管理不到位又有可能導(dǎo)致應(yīng)急處置工作出現(xiàn)疏漏。通過(guò)分析，形成D21事故致因鏈如圖1所示。

圖1 D21事故致因鏈Fig.1 D21 accident cause chain

在安全問(wèn)題分類(lèi)和涉及的事故類(lèi)型基礎(chǔ)上，根據(jù)事故報(bào)告及專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)對(duì)事故致因鏈進(jìn)行分析，最終形成由安全問(wèn)題指向其他安全問(wèn)題或事故的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)?；谪惾~斯網(wǎng)絡(luò)的安全預(yù)警模型如圖2所示。圖2中，左側(cè)節(jié)點(diǎn)為安全問(wèn)題，右側(cè)節(jié)點(diǎn)為安全問(wèn)題可能導(dǎo)致的事故類(lèi)型；問(wèn)號(hào)表示未計(jì)算或未更新計(jì)算結(jié)果。

根據(jù)建立的模型和安全問(wèn)題分類(lèi)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，計(jì)算各節(jié)點(diǎn)的先驗(yàn)概率。以基礎(chǔ)設(shè)施維護(hù)問(wèn)題節(jié)點(diǎn)為例，需要計(jì)算設(shè)備管理問(wèn)題和檢測(cè)計(jì)量設(shè)備同時(shí)發(fā)生、任一問(wèn)題發(fā)生及2個(gè)問(wèn)題均未發(fā)生情況下，發(fā)生基礎(chǔ)設(shè)施維修問(wèn)題的概率，可以分別表示如下。

3 鐵路安全預(yù)警模型試算

3.1 各類(lèi)安全問(wèn)題發(fā)生概率

按上述方法構(gòu)建預(yù)警模型并輸入網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)先驗(yàn)概率數(shù)據(jù)后，運(yùn)算得到各類(lèi)安全問(wèn)題及事故的發(fā)生概率，各節(jié)點(diǎn)發(fā)生概率如圖3所示。圖中State1和State0分別表示問(wèn)題或事故發(fā)生和不發(fā)生的概率。

圖2 基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的安全預(yù)警模型 Fig.2 Safety early warning model based on Bayesian network

各類(lèi)問(wèn)題的發(fā)生概率如表2所示。

根據(jù)計(jì)算得到的各類(lèi)安全問(wèn)題發(fā)生概率，比較多發(fā)的安全問(wèn)題包括移動(dòng)設(shè)備維護(hù)問(wèn)題、勞動(dòng)紀(jì)律問(wèn)題、基礎(chǔ)設(shè)施維護(hù)問(wèn)題等，提示在日常安全檢查中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注這幾類(lèi)問(wèn)題，通過(guò)持續(xù)的檢查、整改，逐步減少或避免這些問(wèn)題的發(fā)生。

圖3 各節(jié)點(diǎn)發(fā)生概率Fig.3 Occurrence probability in each node

表2 各類(lèi)問(wèn)題的發(fā)生概率 %Tab.2 Occurrence probability of various problems

3.2 事故預(yù)測(cè)

以施工安全問(wèn)題為例，使用構(gòu)建的安全預(yù)警模型進(jìn)行事故預(yù)測(cè)的驗(yàn)算。

根據(jù)先驗(yàn)概率及構(gòu)建的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)安全預(yù)警模型，與施工安全問(wèn)題相關(guān)的事故類(lèi)型包括C13，C14，C24，D9，D16和D21，對(duì)應(yīng)的事故發(fā)生概率分別為0.22%，0.14%，0.22%，0.18%，0.22%和2.69%。其他條件不變，當(dāng)施工安全問(wèn)題的發(fā)生概率設(shè)定為100%時(shí)，施工安全問(wèn)題相關(guān)各類(lèi)事故的發(fā)生概率如表3所示。

從模型計(jì)算結(jié)果可以看出，與初始狀態(tài)相比，假設(shè)發(fā)生施工安全問(wèn)題，則除D21事故以外，其他相關(guān)事故的發(fā)生概率均大幅度增加，表明這些類(lèi)型的事故與施工安全問(wèn)題具有較大的相關(guān)性，因此加大力度解決施工或維修各環(huán)節(jié)中存在的問(wèn)題，將能夠有效地降低各類(lèi)事故的發(fā)生概率。D21事故發(fā)生概率下降的原因與構(gòu)建模型時(shí)使用的數(shù)據(jù)和計(jì)算的先驗(yàn)概率有關(guān)。

3.3 事故原因分析

基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的安全預(yù)警模型同樣能夠用于事故原因的輔助分析。假定在其他條件不變的情況下發(fā)生D21事故，即設(shè)置D21節(jié)點(diǎn)State1的概率為100%，則從模型計(jì)算結(jié)果中可以看出，最可能的事故原因是基礎(chǔ)設(shè)施維護(hù)問(wèn)題(概率為99.57%)，其次是移動(dòng)設(shè)備維護(hù)問(wèn)題(概率為85.64%)，表明加強(qiáng)基礎(chǔ)設(shè)施和移動(dòng)設(shè)備的維護(hù)工作，減少這2類(lèi)問(wèn)題的發(fā)生概率，能有效減少D21事故的發(fā)生。發(fā)生D21事故時(shí)的各類(lèi)安全問(wèn)題發(fā)生概率如圖4所示。

4 結(jié)束語(yǔ)

基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的鐵路安全預(yù)警模型是以安全問(wèn)題大數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進(jìn)行的一個(gè)初步嘗試，通過(guò)日常安全檢查發(fā)現(xiàn)的安全問(wèn)題結(jié)合上報(bào)的事故數(shù)據(jù)，可以預(yù)測(cè)某些安全問(wèn)題可能導(dǎo)致某類(lèi)事故的概率，或者反向分析導(dǎo)致某類(lèi)事故的原因，為相關(guān)安全決策提供輔助支持。但是，模型的適用程度受到安全問(wèn)題分類(lèi)及分類(lèi)統(tǒng)計(jì)結(jié)果等諸多因素的影響。一方面，由于安全問(wèn)題涉及到鐵路運(yùn)營(yíng)的各個(gè)方面，為簡(jiǎn)化計(jì)算，本次研究?jī)H選擇了部分問(wèn)題作為模擬數(shù)據(jù)，安全問(wèn)題及其分類(lèi)方法無(wú)法完全覆蓋鐵路安全運(yùn)營(yíng)的各個(gè)層面，未來(lái)應(yīng)對(duì)所有安全問(wèn)題進(jìn)行全面分析，并且在此基礎(chǔ)上進(jìn)行更科學(xué)、合理的分類(lèi)；另一方面，由于安全問(wèn)題數(shù)據(jù)量大，并且全部為非結(jié)構(gòu)化的文本描述，完全由人工進(jìn)行分類(lèi)統(tǒng)計(jì)并不現(xiàn)實(shí)，需要借助于機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果的準(zhǔn)確性同樣受到機(jī)器學(xué)習(xí)模型的制約，仍有進(jìn)一步優(yōu)化的 空間。

表3 施工安全問(wèn)題相關(guān)各類(lèi)事故的發(fā)生概率 %Tab.3 Probability of various accidents related to construction safety problems

圖4 發(fā)生D21事故時(shí)的各類(lèi)安全問(wèn)題發(fā)生概率Fig.4 Occurrence probability of various safety problems in the event of D21 accident