曹春玲，張娜齊，李夢雨，邵 楊

(西安科技大學(xué) 機械工程學(xué)院，陜西 西安 710054)

煤礦提升運輸系統(tǒng)是井下生產(chǎn)系統(tǒng)和地面作業(yè)相連接的樞紐，提升運輸過程中發(fā)生的各類事故嚴重制約著礦井的生產(chǎn)，甚至對人員安全構(gòu)成威脅[1]。對井下提升運輸系統(tǒng)進行風(fēng)險分析并提出相應(yīng)的控制策略，對煤礦的安全高效開采有著重要意義。

目前關(guān)于煤礦提升運輸系統(tǒng)的風(fēng)險分析，多是簡單地定性或是定量分析，缺少科學(xué)系統(tǒng)的分析方法[2]。貝葉斯網(wǎng)絡(luò)具有雙向推理的能力，在風(fēng)險分析領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用[3]。例如，Li[4]等提出了一種基于模糊層次分析法和貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的煤礦井下瓦斯爆炸風(fēng)險分析方法，實時計算風(fēng)險事件發(fā)生概率及風(fēng)險因素概率分布，改善了傳統(tǒng)方法在定量分析及動態(tài)控制方面的不足；Zhu[5]等利用多米諾效應(yīng)和DBN分析與貝葉斯網(wǎng)絡(luò)集成，提供了可靠的化工廠爆炸事故風(fēng)險分析方法；Bilal[6]等基于蝴蝶結(jié)法和模糊貝葉斯網(wǎng)絡(luò)提出了一種液化天然氣儲罐火災(zāi)爆炸風(fēng)險分析方法。由此可知，貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的故障診斷和風(fēng)險預(yù)測雙重功能可以清晰客觀的展現(xiàn)風(fēng)險因素間的因果關(guān)系，適用于煤礦提升運輸系統(tǒng)風(fēng)險分析這樣的不確定性問題。

在貝葉斯網(wǎng)絡(luò)定量分析辨識出風(fēng)險因素，計算出風(fēng)險事件發(fā)生概率后，需要結(jié)合其他方法提供相應(yīng)的控制預(yù)防措施。預(yù)先危險性分析可確定事故產(chǎn)生的原因及產(chǎn)生的影響，并進行安全等級評價，提出消除或控制風(fēng)險源的措施[7]。鑒于此，本文基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)引入預(yù)先危險性分析方法，提出一種可以辨識事故節(jié)點，提供有效預(yù)防措施的煤礦提升運輸系統(tǒng)風(fēng)險分析方法。最后在煤礦提升運輸系統(tǒng)中進行實際應(yīng)用，提高風(fēng)險控制水平，可為今后相關(guān)系統(tǒng)的風(fēng)險分析提供參考意義。

1 相關(guān)理論

1.1 事故樹與貝葉斯網(wǎng)絡(luò)

事故樹分析(Fault Tree Analysis，F(xiàn)TA)，是進行安全評價和風(fēng)險分析的重要分析方法之一。事故樹分析法能對各系統(tǒng)的危險性因素進行辨識，分析這些因素之間的邏輯關(guān)系，并用圖形演繹的模式將其邏輯關(guān)系表現(xiàn)出來[8]。

貝葉斯網(wǎng)絡(luò)(Bayesian Network，BN)是一種以貝葉斯公式和圖論為基礎(chǔ)的概率模型，由聯(lián)合概率 即條件概率(CPT)和有向無環(huán)圖(DAG)組成，由表示變量的節(jié)點和連接節(jié)點的有向邊組成[9]。貝葉斯公式的表達式見式(1)。

式中，P(A)為先驗概率；P(A|B)后驗概率；P(B)為證據(jù)因子；P(B|A)為似然函數(shù)。

貝葉斯網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)包括兩部分：通過結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)找尋最優(yōu)有向無環(huán)圖，本文選用故障樹構(gòu)造貝葉斯網(wǎng)絡(luò)；貝葉斯網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)確定后，根據(jù)指定的條件概率進行參數(shù)學(xué)習(xí)[10]。

1.2 預(yù)先危險性分析

預(yù)先危險性分析(Preliminary Hazard Analysis，PHA)是一種定性安全評價方法，可以在生產(chǎn)活動之前將系統(tǒng)中潛藏風(fēng)險的具體類型、源頭以及事故后果等進行定性分析，并提出相應(yīng)的預(yù)防措施，有效阻止風(fēng)險發(fā)展成為事故[11]。為評判風(fēng)險因素對系統(tǒng)破壞性的嚴重性，預(yù)先危險性分析法將風(fēng)險因素的危險性等級劃分為4個級別[12]，見表1。

表1 危險性等級劃分

2 基于BN-PHA模型的風(fēng)險分析過程

根據(jù)上述理論方法提出煤礦提升運輸系統(tǒng)風(fēng)險分析方法，其主要步驟如下：

1)收集所需數(shù)據(jù)，根據(jù)事故報告及相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，編制事故樹。將事故樹映射為風(fēng)險貝葉斯網(wǎng)絡(luò)，利用GeNle軟件進行基本事件后驗概率的計算以及事故發(fā)生概率的確定，找出最容易引起煤礦提升運輸事故的風(fēng)險因素為風(fēng)險貝葉斯事故節(jié)點。

2)對風(fēng)險貝葉斯事故節(jié)點進行預(yù)先危險性分析，通過案例報告分析找出風(fēng)險因素起因，即誘發(fā)條件；根據(jù)相關(guān)經(jīng)驗和數(shù)據(jù)推斷可能產(chǎn)生的后果；評定危險性等級，最后給出相應(yīng)的防范措施。

3 實例分析

3.1 事故樹與貝葉斯網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

煤礦提升運輸系統(tǒng)工作環(huán)境復(fù)雜，涉及的風(fēng)險因素眾多，本文根據(jù)事故報告及相關(guān)的研究結(jié)果，確定了煤礦提升運輸系統(tǒng)的事故樹，如圖1所示。

圖1 煤礦提升運輸事故故障樹

其中，T為頂事件即煤礦提升運輸事故。中間事件Ai與底事件Xi，見表2。

表2 煤礦提升運輸系統(tǒng)風(fēng)險事件

將故障樹映射為貝葉斯網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其映射關(guān)系為：基本事件對應(yīng)根節(jié)點、中間事件對應(yīng)子節(jié)點、頂事件對應(yīng)葉節(jié)點、邏輯門則對應(yīng)條件概率表，映射后的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 煤礦提升運輸事故貝葉斯網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

3.2 確定貝葉斯網(wǎng)絡(luò)節(jié)點概率

找出最可能引起煤礦提升運輸事故的風(fēng)險因素，首先要確定根節(jié)點的先驗概率。以國家煤礦安全監(jiān)察局和中華人民共和國應(yīng)急管理部的事故調(diào)查報告為數(shù)據(jù)來源，收集獲取2001—2020年79起煤礦提升運輸較大及以上事故分析調(diào)查報告。采取數(shù)據(jù)驅(qū)動思想，并以風(fēng)險因素為關(guān)鍵詞提取了25個風(fēng)險因素Xi出現(xiàn)的頻次，利用先驗概率計算公式，即式(2)，得出煤礦提升運輸系統(tǒng)各個風(fēng)險因素的先驗概率P(A)，風(fēng)險因素頻次及先驗概率結(jié)果見表3。

表3 煤礦提升運輸系統(tǒng)風(fēng)險因素的先驗概率

P(A)=n/N(2)

式中，n為風(fēng)險因素Xi發(fā)生的頻次；N為煤礦運輸事故發(fā)生的總次數(shù)。

借助GeNle2.1軟件，將根節(jié)點的先驗概率和節(jié)點間的邏輯關(guān)系在貝葉斯網(wǎng)絡(luò)中更新，利用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的正向推理功能計算出葉節(jié)點的先驗概率，利用其反向推理功能得到根節(jié)點的后驗概率，計算結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知各根節(jié)點的后驗概率，其中X3、X6、X11、X13、X25的后驗概率較大，分別為0.453、0.371、0.312、0.227、0.206。由此可知，工作人員違規(guī)通行、信號裝置故障、司機違章駕駛、超重和超速以及連接件故障這5項風(fēng)險因素是引起煤礦提升運輸事故的最可能風(fēng)險因素。

圖3 煤礦提升運輸系統(tǒng)風(fēng)險因素后驗概率分布

3.3 預(yù)先危險性分析

在利用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)對煤礦提升運輸系統(tǒng)進行分析的基礎(chǔ)上，運用預(yù)先危險性分析法進行詳細風(fēng)險分析，得出分析結(jié)果見表4。

表4 煤礦提升運輸系統(tǒng)預(yù)先危險性分析一覽表

1)熟悉煤礦提升運輸系統(tǒng)，識別風(fēng)險因素。根據(jù)上一小節(jié)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的計算結(jié)果，得出5項后驗概率較高的風(fēng)險因素。

2)識別轉(zhuǎn)化條件，參照已有的事故資料，分析研究事故的起因和形成事故的原因。

3)根據(jù)相關(guān)事故報告及案例分析，確定風(fēng)險因素會造成的破壞后果及危害程度。

4)根據(jù)事故的危害后果，對照表1給出的危險性等級劃分標(biāo)準(zhǔn)，確定危害后果的危險等級。

5)針對分析得出的事故起因和后果，制定相應(yīng)的安全措施。

4 結(jié) 論

1)根據(jù)煤礦提升運輸系統(tǒng)的風(fēng)險特征和事故分析報告編制煤礦提升運輸系統(tǒng)事故故障樹，利用GeNle軟件建立了煤礦提升運輸系統(tǒng)事故風(fēng)險分析貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型。

2)根據(jù)建立的煤礦提升運輸系統(tǒng)事故風(fēng)險分析的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型，利用其故障診斷功能計算出各基本事件的后驗概率，得出導(dǎo)致煤礦提升運輸事故發(fā)生的關(guān)鍵因素，即工作人員違規(guī)通行、信號裝置故障、司機違章駕駛、超重和超速和連接件故障。

3)采用預(yù)先危險性分析法對確定的關(guān)鍵風(fēng)險因素進行了詳細分析，找出了風(fēng)險因素導(dǎo)致事故的起因及可能產(chǎn)生的危害后果，并從人員和設(shè)備兩方面出發(fā)提出了相應(yīng)的措施。