胡佳佳， 陳玉斌

(1.湖南省醴婁高速公路建設(shè)開發(fā)有限公司， 湖南 湘潭 411100；2.長(zhǎng)沙理工大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院， 湖南 長(zhǎng)沙 410114)

由于地下空間存在巨大的不確定性和風(fēng)險(xiǎn)，地鐵隧道施工中坍塌事故時(shí)有發(fā)生。事故發(fā)生后，應(yīng)急處置是挽救生命、財(cái)產(chǎn)安全的重要環(huán)節(jié)。由于管理者管理水平、經(jīng)驗(yàn)和制度的差異及項(xiàng)目資料和應(yīng)急預(yù)案完備性、針對(duì)性不足等，有些事故應(yīng)急處置效果不佳，進(jìn)而引起次生、衍生事故。針對(duì)地鐵隧道施工坍塌事故的應(yīng)急處置，現(xiàn)有研究主要從實(shí)際狀態(tài)考量決策和歷史經(jīng)驗(yàn)輔助決策兩方面展開。在實(shí)際狀態(tài)考量決策方面，文獻(xiàn)[2-4]主要通過事故機(jī)理分析、趨勢(shì)預(yù)測(cè)分析和風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別控制等設(shè)計(jì)應(yīng)急機(jī)制或制訂應(yīng)急方案，未能充分利用歷史事故的應(yīng)急處置經(jīng)驗(yàn)。在歷史經(jīng)驗(yàn)輔助決策方面，文獻(xiàn)[5-6]引入知識(shí)圖譜、本體、案例推理等對(duì)地鐵施工坍塌事故應(yīng)急知識(shí)匹配、應(yīng)急處置經(jīng)驗(yàn)檢索等展開研究，未能對(duì)歷史事故應(yīng)急處置的實(shí)施效果進(jìn)行深入分析，未對(duì)不當(dāng)應(yīng)急處置進(jìn)行優(yōu)化。隨著認(rèn)知水平的提高和技術(shù)的發(fā)展，歷史經(jīng)驗(yàn)的可靠性和適用性亦存在一定局限。因此，在利用歷史事故經(jīng)驗(yàn)輔助決策前，需對(duì)歷史事故的應(yīng)急處置進(jìn)行優(yōu)化，提高應(yīng)急決策的科學(xué)性和合理性。對(duì)于突發(fā)事件的應(yīng)急處置，考慮當(dāng)前的應(yīng)急能力、資源條件、認(rèn)知水平和技術(shù)水平，通過分析既有歷史事故的初期狀態(tài)在不同應(yīng)急干預(yù)活動(dòng)下的發(fā)展趨勢(shì)和實(shí)施效果，可更高效、準(zhǔn)確地抉擇較優(yōu)應(yīng)急處置方案。文獻(xiàn)[7-8]引入情景分析法和貝葉斯網(wǎng)絡(luò)(Bayesian Network，BN)進(jìn)行突發(fā)事件情景狀態(tài)預(yù)測(cè)和分析，取得了顯著成果。考慮到地鐵隧道施工坍塌事故的動(dòng)態(tài)性和不穩(wěn)定性，引入動(dòng)態(tài)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)(Dynamic Bayesian Network,DBN)對(duì)事故的情景狀態(tài)進(jìn)行推演可獲取多方向的應(yīng)急處置路徑，結(jié)合路徑發(fā)展概率分析較優(yōu)應(yīng)急處置方案，從而實(shí)現(xiàn)應(yīng)急處置的優(yōu)化。該文采用情景分析法表示歷史事故情景狀態(tài)，采用DBN對(duì)事故情景進(jìn)行推演，分析在不同干預(yù)活動(dòng)和資源約束條件下應(yīng)急處置過程中事故的動(dòng)態(tài)發(fā)展趨勢(shì)和干預(yù)活動(dòng)的實(shí)施效果，提出應(yīng)急處置優(yōu)化建議，為地鐵隧道施工坍塌事故應(yīng)急處置提供參考。

1 地鐵隧道施工坍塌事故情景表示

事故情景是事故在某個(gè)時(shí)空下所有關(guān)鍵要素的狀態(tài)和關(guān)系共同構(gòu)成的集合。文獻(xiàn)[13]提出情景元C由災(zāi)情D、承災(zāi)體B、致災(zāi)因子R和孕災(zāi)環(huán)境E等4類因素組成。

在事故情景推演過程中，災(zāi)情和孕災(zāi)環(huán)境是事故發(fā)展?fàn)顟B(tài)、環(huán)境狀態(tài)的直觀描述，可作為事故應(yīng)急處置決策的主要依據(jù)。致災(zāi)因子和承災(zāi)體是事故發(fā)生后調(diào)查分析的關(guān)鍵，但無法直觀反映事故狀態(tài)和發(fā)展趨勢(shì)。結(jié)合文獻(xiàn)[14-16]的研究，考慮到地鐵隧道施工坍塌事故的演化是一個(gè)動(dòng)態(tài)過程，探討其演化過程需考慮事故所有客觀實(shí)體和外部環(huán)境的變化和相互影響，同時(shí)需考慮應(yīng)急處置對(duì)事故系統(tǒng)狀態(tài)的干預(yù)。地鐵隧道坍塌事故存在地下空間不確定，近鄰基礎(chǔ)設(shè)施、構(gòu)筑物、建筑物繁多且事故發(fā)展過程不穩(wěn)定等特性。因此，選取事故情景狀態(tài)S(事故發(fā)展的階段性描述)、應(yīng)急處置活動(dòng)A(事故發(fā)生后采取的應(yīng)急救援活動(dòng)和為控制事故危險(xiǎn)源的干預(yù)活動(dòng))、外部環(huán)境E(事故系統(tǒng)所處的自然環(huán)境狀態(tài))、應(yīng)急資源M(應(yīng)急處置活動(dòng)涉及的救援人員、裝備、機(jī)械、設(shè)施、通道及其他救援條件)作為基本情景因素。任一時(shí)空約束下第i個(gè)地鐵隧道施工坍塌事故情景元Ci可表示為：

Ci={Si,Ai,Ei,Mi}

(1)

當(dāng)Ci表示消失情景元時(shí)，Ai、Ei、Mi為空集。

某一時(shí)空約束下第k個(gè)事故情景元Ck演化為另一時(shí)空約束下第k+1個(gè)事故情景元Ck+1可表示為：

Ck→Ck+1

{Sk,Ak,Ek,Mk}→{Sk+1,Ak+1,Ek+1,Mk+1}

Sk,Ak,Ek,Mk∈Ck;Sk+1,Ak+1,Ek+1,Mk+1∈

Ck+1

(2)

2 地鐵隧道施工坍塌事故情景演化規(guī)律和路徑分析

2.1 情景演化規(guī)律分析

地鐵隧道施工坍塌事故情景演化表現(xiàn)為事故情景狀態(tài)S在應(yīng)急處置活動(dòng)A的作用、外部環(huán)境E的影響和應(yīng)急資源M的約束下發(fā)生改變，其基本單元見圖1。

Sk表示第k個(gè)事故情景狀態(tài)

以事故狀態(tài)變化的主要轉(zhuǎn)折點(diǎn)作為關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，將事故動(dòng)態(tài)發(fā)展過程以情景片段的形式進(jìn)行劃分，分析事故關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，假定各節(jié)點(diǎn)獨(dú)立以簡(jiǎn)化分析過程，同時(shí)保留事故演變分析的動(dòng)態(tài)性。將情景片段與時(shí)序一一對(duì)應(yīng)展開分析。假設(shè)事故發(fā)生情景狀態(tài)為S0，對(duì)應(yīng)時(shí)間點(diǎn)為t0；事故發(fā)展情景狀態(tài)為S1，S2，…，Sn-1，對(duì)應(yīng)時(shí)間點(diǎn)分別為t1，t2，…，tn-1；消失情景狀態(tài)為Sn，對(duì)應(yīng)時(shí)間點(diǎn)為tn。n+1個(gè)情景片段共同構(gòu)成事故的演化過程(見圖2)。

圖2 地鐵隧道施工坍塌事故情景演化規(guī)律

2.2 情景演化路徑分析

地鐵隧道施工坍塌事故發(fā)展過程中，事故情景狀態(tài)變化受到外部環(huán)境的持續(xù)影響。事故發(fā)生后，現(xiàn)場(chǎng)管理人員、相關(guān)責(zé)任主體及其他人員采取的應(yīng)急處置活動(dòng)可能是持續(xù)或間斷的，目的是削弱或消滅事故的負(fù)面作用，挽救生命安全，降低財(cái)產(chǎn)損失。

應(yīng)急處置活動(dòng)的預(yù)期是對(duì)事故產(chǎn)生積極影響，但受到外部環(huán)境的影響和應(yīng)急資源的約束，處置活動(dòng)可能產(chǎn)生兩種效果：一種是事故負(fù)面作用減弱或消失，即積極效果，在事故演化中定義為應(yīng)急處置活動(dòng)達(dá)到預(yù)期；另一種是事故負(fù)面作用不變或加強(qiáng)，即消極效果，在事故演化中定義為應(yīng)急處置活動(dòng)未達(dá)到預(yù)期。情景演化路徑也形成樂觀路徑和悲觀路徑2個(gè)方向(見圖3)。

在S1情景狀態(tài)下，若采取應(yīng)急處置活動(dòng)A1達(dá)到預(yù)期，則演化至事故情景狀態(tài)S2；若采取應(yīng)急處置活動(dòng)A1未達(dá)到預(yù)期，則演化至S6情景。以此類推。圖3向右的情景演化為A達(dá)到預(yù)期的樂觀路徑，向下的情景演化為A未達(dá)到預(yù)期的悲觀路徑。由于事故的復(fù)雜性和差異性，該情景演化路徑網(wǎng)絡(luò)具有唯一性。

圖3 地鐵隧道施工坍塌事故情景演化路徑

但各情景演化節(jié)點(diǎn)均存在達(dá)到預(yù)期和未達(dá)到預(yù)期2個(gè)結(jié)果，則n個(gè)情景片段構(gòu)成的事故演化路徑網(wǎng)絡(luò)共有2n條路徑。以圖3為例，該演化路徑網(wǎng)絡(luò)共17個(gè)節(jié)點(diǎn)，代表17個(gè)情景，其中包含1個(gè)發(fā)生情景、10個(gè)中間情景、6個(gè)消失情景。S1—S2—S3—S4—S5路徑為最樂觀路徑，該路徑下一系列應(yīng)急處置活動(dòng)能產(chǎn)生最大正面效應(yīng)；S1—S6—S10—S14—S17路徑為最悲觀路徑，該路徑下一系列應(yīng)急處置活動(dòng)可能產(chǎn)生最大負(fù)面效應(yīng)。

3 基于DBN的情景推演和應(yīng)急處置優(yōu)化

3.1 DBN簡(jiǎn)介

BN是一種有向鏈概率圖模型，可有效解決信息不完全、表達(dá)不具體的問題。DBN是BN在時(shí)間領(lǐng)域的拓展，可提高情景推演過程中在不同發(fā)展階段演化概率的準(zhǔn)確性，更符合地鐵隧道施工坍塌事故動(dòng)態(tài)發(fā)展過程和規(guī)律。

BN采用有向無環(huán)圖。在情景推演中，BN的各節(jié)點(diǎn)代表不同的情景因素，節(jié)點(diǎn)間的有向鍵線代表情景因素間的影響關(guān)系。影響關(guān)系的強(qiáng)度由條件概率表示，概率值為節(jié)點(diǎn)狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率。記BN中對(duì)其他節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生影響的父節(jié)點(diǎn)為mi(i=1,2,3,…)，受到其他節(jié)點(diǎn)影響的子節(jié)點(diǎn)為n。根據(jù)貝葉斯公式，任一父節(jié)點(diǎn)mi的概率為：

(3)

對(duì)于任一BN，記所有節(jié)點(diǎn)xi形成的集合為X，X={xi}(i=1,2,3,…)，定義xi的父節(jié)點(diǎn)集合為Mi，則BN所有節(jié)點(diǎn)集的聯(lián)合概率分布為：

P(X)=P(x1|x2,x3,…,xn)P(x2|x1,x3,…,

xn)…P(xn|x1,x2,…,xn-1)=

(4)

在DBN中，引入時(shí)間指標(biāo)t，t=1,2,…,T(T為情景片段數(shù)量)。將節(jié)點(diǎn)xi與t相關(guān)聯(lián)，表示為xi[t]。定義一個(gè)先驗(yàn)網(wǎng)B0為初始狀態(tài)xi[1]上的聯(lián)合概率分布、轉(zhuǎn)移網(wǎng)B→為中間狀態(tài)xi[t]轉(zhuǎn)移到xi[t+1]上的轉(zhuǎn)移概率P(xi[t+1]|xi[t])，則任一DBN在xi[1],xi[2],…,xi[t]上的聯(lián)合概率分布為：

P(xi[1],xi[2],…,xi[t])=

(5)

(6)

3.2 DBN構(gòu)建

基于DBN的情景網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建包括網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)變量確定、變量因果關(guān)系確定和節(jié)點(diǎn)條件概率估計(jì)，步驟如下：

(1) 確定網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)變量。對(duì)于要分析的地鐵隧道施工坍塌事故，搜集事故調(diào)查報(bào)告及新聞報(bào)道等佐證材料和信息，基于事故致因分析和專家經(jīng)驗(yàn)對(duì)不同應(yīng)急處置活動(dòng)的正面影響或負(fù)面影響進(jìn)行預(yù)設(shè)，提取事故情景狀態(tài)S、應(yīng)急處置活動(dòng)A、外部環(huán)境E和應(yīng)急資源M等情景因素信息作為情景推演的基礎(chǔ)。節(jié)點(diǎn)變量類型及取值見表1。

表1 節(jié)點(diǎn)變量類型及取值

(2) 確定變量間的因果關(guān)系。對(duì)于已確定的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)變量，根據(jù)情景演化基本單元和情景演化順序判斷所有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的父節(jié)點(diǎn)，用有向不循環(huán)箭線相連，構(gòu)建變量因果關(guān)系網(wǎng)絡(luò)。該因果關(guān)系包括A、E、M對(duì)S的影響作用和S的演化關(guān)系。

(3) 估計(jì)各節(jié)點(diǎn)條件概率。為減少單一方法的誤差和部分方法的主觀性，通過案例分析、專家打分、文獻(xiàn)分析等多種方法，根據(jù)情景因素的變量類型、數(shù)據(jù)來源、數(shù)據(jù)樣本空間大小等選用不同方法，綜合確定節(jié)點(diǎn)與父節(jié)點(diǎn)間影響程度的條件概率，從而計(jì)算各節(jié)點(diǎn)的條件概率。

3.3 DBN計(jì)算和應(yīng)急處置優(yōu)化分析

利用構(gòu)建的DBN計(jì)算不同發(fā)展路徑的發(fā)生概率，根據(jù)計(jì)算結(jié)果篩選最樂觀路徑、最悲觀路徑、最可能路徑，分析三者與實(shí)際應(yīng)急處置路徑的差異，將4條路徑應(yīng)急處置過程作為相似事故應(yīng)急處置的參考并提出優(yōu)化建議。4條路徑的分析方法如下：

(1) 對(duì)于實(shí)際應(yīng)急處置路徑，充分考慮其應(yīng)急處置過程采取的應(yīng)急處置活動(dòng)對(duì)事故產(chǎn)生的正面影響和負(fù)面影響，同時(shí)考慮即時(shí)環(huán)境狀態(tài)和資源約束。其實(shí)施效果已得到實(shí)際驗(yàn)證，可作為應(yīng)急處置的主要參考資料。

(2) 對(duì)于最樂觀路徑，重點(diǎn)關(guān)注其應(yīng)急處置活動(dòng)對(duì)事故產(chǎn)生的負(fù)面作用，判斷最優(yōu)應(yīng)急處置過程的損失并力求進(jìn)一步對(duì)應(yīng)急處置對(duì)策選擇和資源調(diào)配進(jìn)行優(yōu)化。

(3) 對(duì)于最悲觀路徑，在相似事故應(yīng)急處置過程中盡量避免選用該路徑下應(yīng)急處置對(duì)策和資源調(diào)配方案，同時(shí)關(guān)注其應(yīng)急處置活動(dòng)對(duì)事故產(chǎn)生的正面效果，以期在不得已的情況下能快速評(píng)估其損益進(jìn)而進(jìn)行決策。

(4) 對(duì)于最可能路徑，充分分析路徑的實(shí)現(xiàn)過程并作為相似事故應(yīng)急處置參考的主要資料，從而在應(yīng)急處置對(duì)策選擇和資源調(diào)配上不斷糾偏。

4 案例分析

4.1 事故情景元表示

2018年1月，某軌道交通線路施工過程中發(fā)生較大坍塌事故，導(dǎo)致3人死亡，直接經(jīng)濟(jì)損失1 009萬元。根據(jù)事故調(diào)查報(bào)告和新聞報(bào)道梳理事故發(fā)生過程和應(yīng)急處置情況，界定分析范圍為事故征兆事件發(fā)生至被困人員脫離被困環(huán)境的事故發(fā)展全過程?？紤]專家意見和事故狀態(tài)顯著變化節(jié)點(diǎn)，篩選7個(gè)關(guān)鍵發(fā)展情景(S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7)。結(jié)合類似事件對(duì)事故良好干預(yù)和不當(dāng)干預(yù)引起的其他可能的發(fā)展情景展開分析，得到4個(gè)假設(shè)情景(S8、S9、S10、S11)。提取事故情景狀態(tài)S、外部環(huán)境E、應(yīng)急處置活動(dòng)A和應(yīng)急資源M信息，結(jié)果見表2。

表2 某軌道交通線路施工坍塌事故情景元信息

4.2 DBN構(gòu)建與情景推演

假定情景演化中各情景因素變量對(duì)事故情景狀態(tài)的影響是獨(dú)立的。根據(jù)事故過程和事故應(yīng)急救援過程的情景因果關(guān)系構(gòu)建DBN，采用貝葉斯軟件GeNIe進(jìn)行計(jì)算，其節(jié)點(diǎn)概率在考慮時(shí)間因素影響下由歷史事故數(shù)據(jù)和相似工程評(píng)估資料確定。計(jì)算結(jié)果見圖4，其中S12、S13、S14、S15、S16為事故消失節(jié)點(diǎn)，以被困人員脫離被困環(huán)境、損害事件基本結(jié)束或不再延續(xù)為劃分依據(jù)，事故消失節(jié)點(diǎn)不考慮其事故情景狀態(tài)受到其他情景因素的影響。

圖4 某軌道交通線路施工坍塌事故情景推演GeNIe實(shí)現(xiàn)

4.3 結(jié)果分析和決策建議

根據(jù)情景推演結(jié)果，結(jié)合事故實(shí)際處置效果，可從如下方向?qū)?yīng)急處置進(jìn)行優(yōu)化：1) 事故最優(yōu)演化路徑為S1—S8—S12，該路徑應(yīng)急處置關(guān)鍵點(diǎn)在于在不良事件發(fā)生后對(duì)事件采取強(qiáng)干預(yù)策略，對(duì)不良事件環(huán)境進(jìn)行全面檢查并加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)。在應(yīng)急處置時(shí)這些措施可最大程度降低損失，但會(huì)產(chǎn)生一定的管理成本和工期延誤。2) 事故最劣演化路徑為S1—S2—S4—S5—S6—S10—S16，它是在諸多不可抗力和不當(dāng)處置手段綜合影響下導(dǎo)致的事故負(fù)面影響最大化演化路徑。由于應(yīng)急處置效果未達(dá)到預(yù)期而導(dǎo)致衍生、次生事故，實(shí)際應(yīng)急處置過程中應(yīng)采取更嚴(yán)密的監(jiān)控量測(cè)措施，更合理地選擇應(yīng)急處置手段，降低衍生、次生事故發(fā)生的可能性。3) 事故實(shí)際發(fā)展路徑為S1—S2—S4—S5—S6—S7，該路徑應(yīng)急處置過程前期錯(cuò)過了強(qiáng)干預(yù)應(yīng)急處置關(guān)鍵點(diǎn)，但在后期事故應(yīng)急處置中現(xiàn)場(chǎng)救援處置措施得當(dāng)，未發(fā)生衍生、次生事故，對(duì)于相似事故應(yīng)急決策具有較好的參考價(jià)值。4) 事故最可能發(fā)展路徑為S1—S2—S4—S5—S6—S7，該路徑與事故實(shí)際發(fā)展路徑一致，說明事故實(shí)際應(yīng)急處置符合事故實(shí)際發(fā)展規(guī)律要求，可為相似事故應(yīng)急決策提供重要參考。

綜上，該事故情景狀態(tài)在不良事件前期采取強(qiáng)干預(yù)策略可有效降低事故不良發(fā)展的可能性，事故發(fā)生后迅速采取合理的應(yīng)急處置措施可有效降低事故損失。在與該事故初始情景狀態(tài)相似的事故決策過程中，借鑒該事故輔助應(yīng)急決策的方式如下：1) 在事故事態(tài)發(fā)展前期加大對(duì)主要安全控制點(diǎn)的監(jiān)控，及時(shí)檢查故障點(diǎn)，判斷排煙不良原因并及時(shí)采取處理措施；2) 在事態(tài)發(fā)展的不同階段，充分考慮事故應(yīng)急處置過程中2個(gè)方向的演化路徑，結(jié)合參考事故在某一節(jié)點(diǎn)的發(fā)展概率，研判需采取的應(yīng)急處置方法及強(qiáng)度，進(jìn)而合理利用應(yīng)急資源高效地應(yīng)對(duì)事故；3) 在事故終止時(shí)，根據(jù)事故終止節(jié)點(diǎn)的發(fā)展概率判斷次生、衍生事故發(fā)生的可能性，進(jìn)而采取相應(yīng)事故修復(fù)措施。

5 結(jié)語

該文基于情景元理論探討地鐵隧道施工坍塌事故情景元表示方法，提出由事故情景狀態(tài)、外部環(huán)境、應(yīng)急處置活動(dòng)和應(yīng)急資源4項(xiàng)情景因素組成的情景元，分析地鐵隧道施工坍塌事故的情景演化規(guī)律和演化路徑，為情景推演奠定基礎(chǔ)，為情景理論的應(yīng)用提供新的視角；引入DBN討論情景推演和應(yīng)急處置優(yōu)化方法，通過網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)選取、關(guān)系分析和概率估計(jì)進(jìn)行推演，結(jié)合推演結(jié)果對(duì)事故應(yīng)急處置方案進(jìn)行優(yōu)化；從最優(yōu)路徑、最劣路徑、最可能路徑和實(shí)際路徑分析應(yīng)急處置優(yōu)化方法，不同的演化路徑對(duì)于事故應(yīng)急處置有不同的指導(dǎo)意義，可為相似事故應(yīng)急決策提供參考。在工程實(shí)踐中，亦可將其應(yīng)用于風(fēng)險(xiǎn)管理和應(yīng)急管理全過程，為相關(guān)工作開展提供便利。地鐵隧道施工中，對(duì)重點(diǎn)隱患事件采取強(qiáng)干預(yù)策略可有效控制風(fēng)險(xiǎn)演化為事故，對(duì)事故采取充分的處置措施可有效降低事故損失。需加強(qiáng)對(duì)關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)的控制和隱患排查，建立健全的事故應(yīng)對(duì)機(jī)制，并采取針對(duì)性的強(qiáng)干預(yù)策略和應(yīng)急處置措施減少其負(fù)面影響，為生產(chǎn)安全提供保障。但在情景劃分和情景推演節(jié)點(diǎn)概率確定的過程中主要依賴決策者經(jīng)驗(yàn)，有待進(jìn)一步改進(jìn)，后續(xù)研究中可采取更客觀的概率確定方法進(jìn)一步提高決策的合理性。