鄭逸雪

(中國礦業(yè)大學(xué)(北京)，北京 100083)

0 引言

隨著城市化進程的加快，城鎮(zhèn)人口急劇增長，地面交通的客運量已經(jīng)無法滿足人們的出行需求。為了緩解地面交通壓力，地鐵得到快速發(fā)展。如何最大限度地保證地鐵車站施工安全，避免人員傷亡、經(jīng)濟損失和工期延誤，是該領(lǐng)域重要的關(guān)注點。

學(xué)者們對地鐵車站施工風(fēng)險評價展開了諸多研究。夏潤禾等[1]采用前因-行為-結(jié)果分析法對地鐵車站施工人員不安全行為的形成及影響因素進行分析，構(gòu)建地鐵車站不安全行為風(fēng)險管理模型。郭健等[2]運用模糊綜合評價法進行風(fēng)險評估，得出地鐵車站深基坑施工風(fēng)險等級。郭循杰等[3]采用綜合評價法、模糊層次分析法和定性分析法分別對合肥地鐵車站施工進行風(fēng)險評估。蔣頻等[4]通過矩陣線性變換的原理構(gòu)建主成分分析數(shù)學(xué)模型，計算風(fēng)險類別綜合得分，并通過得分高低反映風(fēng)險大小。潘海澤等[5]將突變級數(shù)法應(yīng)用在地鐵車站基坑施工風(fēng)險分析中，得出基坑施工風(fēng)險發(fā)生概率。

地鐵車站施工風(fēng)險評價的相關(guān)研究以定性分析為主，定量分析不夠深入，且無法準(zhǔn)確分析不確定性因素。貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型是一種不確定性的因果推理模型，在處理不確定性問題上有一定的優(yōu)勢，在醫(yī)療診斷領(lǐng)域[6-7]、生命科學(xué)領(lǐng)域[8-9]、工業(yè)和工程控制領(lǐng)域[10-11]得到了廣泛的應(yīng)用。本文考慮到貝葉斯網(wǎng)絡(luò)能進行雙向推理和較好地解決不確定性問題，提出一種基于事故樹分析法(FTA)和貝葉斯網(wǎng)絡(luò)(BN)的地鐵車站施工風(fēng)險評價模型。結(jié)合實例，通過事故樹向貝葉斯網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)化降低BN模型構(gòu)建的難度，運用BN模型進行地鐵車站施工風(fēng)險推理，預(yù)測地鐵車站施工風(fēng)險發(fā)生的概率，并診斷出造成地鐵車站施工風(fēng)險發(fā)生概率最大的致險因素。

1 FTA-BN模型構(gòu)建

1.1 事故樹分析法

事故樹分析法是一種演繹推理法，通過事故樹進行深入分析，綜合判斷導(dǎo)致事故發(fā)生的直接原因和間接原因[12]。一個完整的事故樹包括頂事件、中間事件和基本事件，事件之間的邏輯關(guān)系由“與”門、“或”門連接?；臼录晚斒录挥袃煞N狀態(tài)，即事件發(fā)生或不發(fā)生。

1.2 貝葉斯網(wǎng)絡(luò)理論

貝葉斯網(wǎng)絡(luò)是基于概率論和圖論的推理模型，是由多個節(jié)點組成的有向無環(huán)圖，節(jié)點間的邏輯關(guān)系用有向箭頭表示，適用于對不確定性概率事件進行推理分析。

1.3 事故樹向貝葉斯網(wǎng)絡(luò)映射

運用事故樹分析法能夠深刻地把握系統(tǒng)內(nèi)各個事件之間的邏輯關(guān)系，并通過計算得出頂事件的發(fā)生概率，但不能進行多態(tài)分析，所有事件只有發(fā)生與不發(fā)生兩種狀態(tài)，而事實上許多事件都存在著多種狀態(tài)。貝葉斯網(wǎng)絡(luò)能夠進行多態(tài)性分析，且推理計算比事故樹簡易，具有更廣泛的適用性，但在模型構(gòu)建上存在一定的難度，因此通過將事故樹向貝葉斯網(wǎng)絡(luò)映射，降低貝葉斯網(wǎng)絡(luò)建模的難度。事故樹向貝葉斯網(wǎng)絡(luò)映射的基本步驟如下：

(1)事故樹中的事件對應(yīng)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點，相同事件歸為一個節(jié)點。

(2)事故樹中事件間的邏輯門對應(yīng)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)節(jié)點間的有向邊。

(3)由事故樹中的邏輯門規(guī)則確定貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的條件概率表。

(4)事故樹中的基本事件發(fā)生概率與貝葉斯網(wǎng)絡(luò)根節(jié)點的先驗概率一一對應(yīng)。

事故樹向貝葉斯網(wǎng)絡(luò)映射過程如圖1所示。

2 工程應(yīng)用

2.1 工程概況

某地鐵車站工程為地下兩層分離島式車站，采用“洞樁法”逆筑施工，每側(cè)為單跨拱形斷面，車站右線主體長度397.5m，左線主體長度350.64m。

2.2 地鐵車站施工風(fēng)險因素分析與事故樹建模

通過大量文獻研究，結(jié)合實際工程概況，得出造成地鐵車站施工風(fēng)險的直接原因包括施工環(huán)境風(fēng)險、施工技術(shù)風(fēng)險、施工人員及管理風(fēng)險、施工機械設(shè)備風(fēng)險、勘察設(shè)計風(fēng)險，并對這些風(fēng)險進行深入分析得到地鐵車站施工風(fēng)險事故樹，如圖2所示，各編號的含義見表1。

表1 地鐵車站施工風(fēng)險事故樹各編號的含義

2.3 地鐵車站施工風(fēng)險FTA-BN模型構(gòu)建

由構(gòu)建的地鐵車站施工風(fēng)險事故樹，可以得到地鐵車站施工風(fēng)險貝葉斯網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

結(jié)合實際工程概況，通過查閱相關(guān)文獻資料及專家打分的方法確定地鐵車站施工風(fēng)險事故樹模型中基本事件發(fā)生概率。依據(jù)事故樹向貝葉斯網(wǎng)絡(luò)映射的原理，得到地鐵車站施工風(fēng)險貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型的先驗概率。地鐵車站施工風(fēng)險因素的先驗概率見表2。

表2 地鐵車站施工風(fēng)險因素的先驗概率

根據(jù)事故樹的邏輯門規(guī)則可以得出貝葉斯網(wǎng)絡(luò)所有非根節(jié)點的條件概率表，由于篇幅有限不一一列出。以A1節(jié)點為例，其對應(yīng)的條件概率見表3。R1、R2、R3節(jié)點狀態(tài)為發(fā)生時表示為Y，節(jié)點狀態(tài)為不發(fā)生時表示為N。

表3 貝葉斯網(wǎng)絡(luò)A1節(jié)點條件概率表

2.4 基于正向推理的風(fēng)險預(yù)測

基于上述構(gòu)建的FTA-BN模型進行正向推理，可以預(yù)測地鐵車站施工風(fēng)險發(fā)生的概率。在貝葉斯網(wǎng)絡(luò)中輸入根節(jié)點的先驗概率和非根節(jié)點的條件概率，概率就會隨著貝葉斯網(wǎng)絡(luò)從根節(jié)點傳遞到葉節(jié)點，從而得出葉節(jié)點的發(fā)生概率。通過正向推理可以得出地鐵車站施工風(fēng)險發(fā)生的概率P(T=Y)=32.2%。

為了更準(zhǔn)確地表述地鐵車站施工風(fēng)險概率大小，假設(shè)概率為P，將概率劃分為5個等級，分別對應(yīng)5個概率區(qū)間[13]，見表4。根據(jù)表4可知，地鐵車站施工風(fēng)險概率等級為Ⅳ級，項目整體風(fēng)險水平低。

表4 風(fēng)險概率等級對應(yīng)的概率區(qū)間

2.5 基于反向推理的風(fēng)險診斷

在施工過程中，觀察到地鐵車站施工風(fēng)險出現(xiàn)時，可以通過將貝葉斯網(wǎng)絡(luò)中葉節(jié)點的狀態(tài)設(shè)置為“發(fā)生”，即葉節(jié)點狀態(tài)為P(T=Y)=1，進行反向診斷推理，得出各個風(fēng)險因素的后驗概率，見表5。在風(fēng)險診斷過程中，后驗概率可以作為風(fēng)險因素重要度的判斷依據(jù)，通常選取后驗概率較大的風(fēng)險因素作為致險因素進行重點防控。

表5 風(fēng)險因素的后驗概率及重要度排序

若在施工過程中發(fā)現(xiàn)地鐵車站施工風(fēng)險發(fā)生，根據(jù)表5的后驗概率和重要度排序可知，R12(施工組織管理不到位)的后驗概率(P(R12=Y)=13.3%)最大、重要度排序最靠前，是導(dǎo)致地鐵車站施工風(fēng)險發(fā)生概率最大的因素，因此優(yōu)先對該風(fēng)險因素進行排查。若排查后發(fā)現(xiàn)R12(施工組織管理不到位)發(fā)生，則該節(jié)點狀態(tài)確認為P(R12=Y)=1，應(yīng)立即采取應(yīng)對措施，防止情況進一步惡化。在R12這一風(fēng)險因素得到有效控制后，應(yīng)再次判斷該項目是否處于風(fēng)險狀態(tài)，若地鐵車站施工風(fēng)險仍然發(fā)生，說明還存在其他造成地鐵車站施工風(fēng)險發(fā)生的因素，應(yīng)重新對該項目進行診斷推理。即在風(fēng)險事件發(fā)生(P(T=Y)=1)和存在施工組織管理不到位(P(R12=Y)=1)的情況下，反向推理計算其他節(jié)點的后驗概率，如圖4所示。從圖4可以看出，此時R18(勘察資料不準(zhǔn)確)的后驗概率最大，為3.9%，則后續(xù)應(yīng)重點排查R18風(fēng)險因素。根據(jù)R18的排查結(jié)果，在貝葉斯網(wǎng)絡(luò)中更新節(jié)點狀態(tài)，再次進行診斷推理，按照這個流程對風(fēng)險因素逐一進行排查，直到地鐵車站施工風(fēng)險得到控制為止。

通過診斷推理可以得出，R12(施工組織管理不到位)、R18(勘察資料不準(zhǔn)確)、R2(周邊構(gòu)筑物管線變形及損壞)、R14(施工人員違規(guī)操作)為導(dǎo)致地鐵車站施工風(fēng)險發(fā)生概率最大的致險因素。因此，在施工過程中要針對這些風(fēng)險因素及時采取相應(yīng)的措施，避免造成更大的損失。在施工人員及管理方面，要制訂完善的施工安全管理方案，落實施工組織管理的控制和監(jiān)督工作；營造良好的安全生產(chǎn)氛圍，對違規(guī)行為進行檢查、評比、公布，對違規(guī)者采取處罰措施。在勘察設(shè)計方面，要加大勘察經(jīng)費和人員的投入力度，保證勘察資料的準(zhǔn)確性，提高勘察調(diào)研質(zhì)量。在施工環(huán)境方面，要合理布置沉降監(jiān)測點，對構(gòu)筑物和管線沉降進行實時監(jiān)測與分析。

3 結(jié)語

地鐵車站項目施工過程受復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境、工程環(huán)境和高密度人員作業(yè)的影響，風(fēng)險因素眾多、不確定性大，而貝葉斯網(wǎng)絡(luò)在解決不確定性上有很大的優(yōu)勢，適用于地鐵車站施工風(fēng)險評估。本文將FTA-BN模型引入地鐵車站施工風(fēng)險評估領(lǐng)域，運用事故樹降低貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的建模難度，建立地鐵車站施工風(fēng)險FTA-BN模型，并結(jié)合實際工程案例，得出以下結(jié)論：

(1)運用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)進行正向推理，可以預(yù)測地鐵車站施工風(fēng)險發(fā)生的概率，有助于施工方直觀了解項目的整體風(fēng)險水平，從而預(yù)防風(fēng)險事件的發(fā)生。

(2)運用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)進行反向推理，可以診斷出地鐵車站施工風(fēng)險發(fā)生的致險因素，以便及時采取應(yīng)對措施，避免造成更大的損失。

(3)該地鐵車站項目施工風(fēng)險發(fā)生的概率為32.2%，項目整體風(fēng)險水平低。施工組織管理不到位、勘察資料不準(zhǔn)確、周邊構(gòu)筑物管線變形及損壞、施工人員違規(guī)操作是地鐵車站施工風(fēng)險發(fā)生的致險因素。因此，在施工過程中要將這些風(fēng)險因素作為地鐵車站施工風(fēng)險管理的重點。