馮繼偉 孫開暢 顏鑫

摘要：確定各種人為因素對水利工程風險系統(tǒng)的影響可降低水利工程風險率。根據(jù)已有事故數(shù)據(jù)，采用模糊認知圖理論建立水利工程事故風險致因網(wǎng)絡(luò)模型，確定各個風險因素之間的關(guān)系，并利用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論中節(jié)點的度、路徑的平均長度、網(wǎng)絡(luò)模型的直徑、聚類系數(shù)、中介中心性等網(wǎng)絡(luò)分析指標分析整個風險網(wǎng)絡(luò)，確定風險系統(tǒng)中的關(guān)鍵因素及各因素的影響關(guān)系。結(jié)果表明：直覺與決策差錯、人員素質(zhì)、操作違規(guī)是影響整個水利工程風險系統(tǒng)主要的因素;直覺與決策差錯因素受到水利工程風險因素系統(tǒng)中多個風險因素的影響，在整個水利工程中致因網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中風險率較高，應(yīng)從源頭上防范該因素在水利工程風險體系中的影響;復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論可以有效地對水利工程建設(shè)過程整個風險系統(tǒng)進行分析，具有一定的適用性。

關(guān) 鍵 詞：水利工程; 人為風險; 復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論; 模糊認知圖; 因素分析; 致因網(wǎng)絡(luò)模型

中圖法分類號： ?TV513

文獻標志碼： ?A

DOI： 10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.03.024

?? 0 引 言

近年來，隨著生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展以及人們對安全生產(chǎn)的重視，各種安全事故逐漸減少，但是由于事故原因的復(fù)雜性及多樣性，將事故發(fā)生的可能性降低為零幾乎很難實現(xiàn)。因此，研究整個工程風險系統(tǒng)，找出影響系統(tǒng)風險的關(guān)鍵因素，分析風險因素之間的關(guān)聯(lián)一直是水利工程風險分析的研究重點? [1] 。

基于此，近年來出現(xiàn)了利用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論? [2-3] （Complex Networks Theory，CNT）的拓撲特征揭示系統(tǒng)因素的方法。其中，花玲玲等? [4] 利用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論對263份鐵路事故數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進行分析，構(gòu)建了影響鐵路事故的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖模型，找出了各個風險因素之間的相互作用關(guān)系并分析了影響整個鐵路事故風險系統(tǒng)中的關(guān)鍵因素。汪送? [5] 對決策試驗評價實驗室方法（DEMATEL）進行了改進，建立了基于改進DEMATEL方法的復(fù)雜系統(tǒng)下事故致因網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，確定了影響航空飛行安全的關(guān)鍵性因素。徐青等? [6] 將復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論與DEMATEL相結(jié)合，構(gòu)建了影響鐵路施工事故的結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)模型，對網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型進行了分析，計算出了影響事故因素的分類分層模型。

上述研究表明，復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論對于網(wǎng)絡(luò)風險因素的分析有較好的效果，但將復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論與模糊認知圖下水利工程致因網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的研究不夠深入。本研究將復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)分析方法引入到模糊認知圖下的網(wǎng)絡(luò)致因結(jié)構(gòu)分析中，結(jié)合修訂的人為因素分析與分類系統(tǒng)? [1] （HFACS），旨在找出影響水利工程的關(guān)鍵風險因素和各因素的影響關(guān)系，為水利工程事故風險系統(tǒng)分析提供理論依據(jù)。

1 復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論

復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論是一種基于圖論的圖形理論，利用它能夠?qū)?fù)雜因素關(guān)系進行抽象、建模、分析? [7] ，復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)用節(jié)點表示網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)內(nèi)部的各個因素，用邊表示各個元素之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。水利工程風險是多種因素相互作用共同影響的結(jié)果，因此，可以將水利工程風險抽象為一個復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，利用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)理論對水利工程風險系統(tǒng)進行分析，可以得到各因素之間的關(guān)系，復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論分析指標包括：

（1） 節(jié)點的度。與該風險因素節(jié)點相連接的邊的條數(shù)。一般的有向網(wǎng)絡(luò)圖中包括因素的入度和出度。

（2） 網(wǎng)絡(luò)直徑（network diameter）和平均路徑長度（average path length）。網(wǎng)絡(luò)直徑表示整個網(wǎng)絡(luò)分析體系中任意兩個節(jié)點間距離的最大值;平均路徑長度表示網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的所有節(jié)點對沿最短路徑的平均步數(shù)的數(shù)值大小。

（3） 聚類系數(shù)（clustering coefficient）。用于描述復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)圖中的節(jié)點之間集結(jié)程度的系數(shù);局部節(jié)點聚類系數(shù)則是表示單個節(jié)點附近的點的集聚狀態(tài)。

（4） 中介中心性（betweeness centrality）。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖形結(jié)構(gòu)中經(jīng)過某兩個點并連接這兩點的最短路徑與這兩點之間的最短路徑線總數(shù)之比。

2 水利工程風險網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

2.1 人為風險因素識別

從水利工程安全管理的角度進行分析，人是影響水利工程安全風險系統(tǒng)的第一因素? [8] 。為保障水利工程的系統(tǒng)安全，降低人為影響因素風險概率，必須對影響水利工程事故風險系統(tǒng)的人為因素進行分析和辨別，其中人為因素分析與分類系統(tǒng)（HFACS）方法是一種專門用來處理人為因素數(shù)據(jù)之間關(guān)系的工具，它能夠相對較好地挖掘出各個因素之間的外在和內(nèi)在的聯(lián)系。

水利工程風險體系框架以《水利水電工程施工安全風險管理》? [1] 為依據(jù)，利用HFACS風險分析框架，根據(jù)水利工程實際情況進行修訂。本文中，指標依據(jù)前期成果，形成過程如下：借鑒HFACS模型中對民航及航空航天事故層次分析框架，水利工程HFACS模型將導(dǎo)致最終結(jié)果的因素按照不安全行為、不安全行為前提、不安全監(jiān)督以及組織管理4個層次結(jié)構(gòu)進行劃分，從企業(yè)組織影響、安全監(jiān)管、不安全行為的前提條件、施工人員的不安全行為4個層面對水利工程事故進行分析，然后根據(jù)美國運籌學家T.L.Saaty提出的層次分析法中的目標層、準則層、底層，對各個準則層細分出底層影響因素。

首先通過數(shù)據(jù)搜集、專家論證、調(diào)查問卷等方式將實際的風險確定為雙層4類68個指標。之后利用分析工具對指標進行修訂，包括利用貝葉斯理論、卡方檢驗、結(jié)構(gòu)方程等方法對水利工程案例進行分析，最終將68個指標修正到12個，形成最終的指標體系，如圖1所示。

2.2 事故致因網(wǎng)絡(luò)模型構(gòu)建

利用模糊認知理論? [9-11] 對風險因素體系進行構(gòu)建。模糊認知圖的拓撲結(jié)構(gòu)由三元組合而成? U ={C，V，W}。其中： C ={c 1，c 2，c 3，…c n}是概念節(jié)點的集合，表示為整個水利工程風險系統(tǒng)因素。 V ={（c i，c j）|c i，c j∈C}是所有概念節(jié)點弧的集合，（c i，c j）表示節(jié)點c i和c j之間有邏輯關(guān)系上的影響或者因果關(guān)系。W：（c i，c j）→ω? ij 為因素之間的相互影響關(guān)系，即因素c i對因素c j的關(guān)聯(lián)關(guān)系。ω? ij >0，表示c i和c j的邏輯關(guān)系是正相關(guān);ω? ij =0，代表c i和c j之間無任何影響關(guān)系。 W ?指整個系統(tǒng)的權(quán)重值，可以用式（1） 表示整個水利工程風險系統(tǒng)的因果權(quán)重關(guān)系。

W =? ω? 11? … ω? 1n? ω? 21? … ω? 2n? ? ω? n1 ?… ω? nn

=? 0 ω? 12? 0 0 0 ω? 23? ω? 31? 0 0?? （1）

在構(gòu)建風險因素的關(guān)聯(lián)關(guān)系模型前，對節(jié)點間的因果邏輯關(guān)系? [12-13] 進行判斷。本文根據(jù)Kosk的理論? [14] ，在歷史案例的基礎(chǔ)上，邀請專家對兩個節(jié)點之間的相伴關(guān)系進行判斷，如果80%的專家認為一個節(jié)點隨著另一個節(jié)點變化或者兩個節(jié)點之間存在時間的先后順序，則認為兩者存在因果關(guān)系。

針對每一條有向弧的影響權(quán)重 ω? ij? ，專家對各個因素關(guān)系進行打分，利用打分權(quán)重函數(shù)計算公式（2），得出最終的權(quán)重：

F N=e 1s 1+e 2s 2+…+e is i （2）

式中： F N表示第N條有向弧;e i表示整體的權(quán)重值;s i表示第i個 專家對給出的具體數(shù)值歸一化后的結(jié)果，整合得到兩個節(jié)點最終的影響權(quán)重。

利用模糊認知圖理論中特定的推理機制? [15-16] ，通過前一個時刻點的風險因素狀態(tài)對下一個時刻點的風險因素狀態(tài)進行分析，進而可以明確風險因素的狀態(tài)變化情況。事故風險因素系統(tǒng)的狀態(tài)變化是由各個風險因素的狀態(tài)變化引起的;同時，每個風險因素的變化也受到其他因素的影響，是各種條件共同作用的結(jié)果。利用演化機制模型對整個風險因素網(wǎng)絡(luò)進行演化分析，風險原因節(jié)點的狀態(tài)通過有向權(quán)重弧對結(jié)果風險節(jié)點的狀態(tài)產(chǎn)生影響進而實現(xiàn)演化過程。在有向弧的權(quán)重為確定的情況下，某一個時刻的風險因素狀態(tài)由上一刻該風險因素節(jié)點的狀態(tài)和對影響該節(jié)點的原因節(jié)點的狀態(tài)值共同決定，通過對各個節(jié)點進行演化計算，水利工程事故風險系統(tǒng)中的各個節(jié)點狀態(tài)最終會趨于穩(wěn)定，則整個風險因素網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)達到最終相對穩(wěn)定模式。

3 水利工程風險案例分析

3.1 水利工程事故致因網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

以長江干流3個大型水利工程（三峽、向家壩、溪洛渡）在2009～2014年發(fā)生的32起水利工程事故作為依據(jù)，表1對部分事故案例進行了簡要描述。

利用模糊認知理論? [13] 對風險因素進行構(gòu)建，根據(jù)影響因素之間的關(guān)系可以得到基于32起輕傷以上事故的模糊認知圖，如圖2所示。影響權(quán)重如式（3）所示。根據(jù)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論，將各個因素視為獨立的節(jié)點，節(jié)點間的連線表示節(jié)點的相關(guān)關(guān)系，最終得到的事故風險致因網(wǎng)絡(luò)模型包括12個節(jié)點、24條邊。

3.2 復(fù)雜理論風險因素分析

針對施工網(wǎng)絡(luò)中的安全影響因素風險率進行動態(tài)演變分析。通過調(diào)查歷史案例、匯集專家意見等手段將水利施工系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)化為風險因素關(guān)聯(lián)模型，即完成水利施工網(wǎng)絡(luò)經(jīng)典認知圖向模糊認知圖的轉(zhuǎn)換。根據(jù)水利工程人為因素致因網(wǎng)絡(luò)圖，利用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論? [17] 進行分析，大多數(shù)風險因素會受到其他多個因素的影響，證明了事故發(fā)生是多個因素相互耦合作用的結(jié)果。同時，各個風險 因素之間也存在相互影響的關(guān)? 系，它們共同構(gòu)成了整個水利工程的人為風險系統(tǒng)，利用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論對人為風險系統(tǒng)進行分析，能夠明確風險之間的關(guān)系，采取一定的手段，可以降低事故發(fā)生的概率進而增強整個系統(tǒng)的抗風險能力。

3.3 節(jié)點的度

復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)體系下各個節(jié)點的度如圖3所示。由圖3可知，影響因素 c 6，c 9，c 8，c? 11? 具有較大的度，分別為6，6，5，5， 說明這些因素容易受到其他因素的影響;同?W =? 0 0 0 0 0.550 0 0 0.566 0 0 0.728 0 0 0 0 0 0 0.792 0.572 0 0.540 0 0.372 0 0 0 0 0.348 0 0 0 0.202 0.434 0 0 0 0 0 0 0 0 0.376 0.400 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0.388 0.490 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0.450 0.576 0.436 0 0.416 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0.640 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0.384 0.166 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0.530 0.594 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0.412 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0?? （3）

時也說明這些因素對整個水利工程風險系統(tǒng)的影響較大，即作業(yè)計劃和人員素質(zhì)是對整個風險系統(tǒng)影響最大的因素，與它們相關(guān)聯(lián)的風險因素多且復(fù)雜，可能存在因為某個因素的變動導(dǎo)致整個系統(tǒng)的崩潰。

3.4 網(wǎng)絡(luò)直徑和平均路徑長度

本文構(gòu)建的水利工程致因網(wǎng)絡(luò)的直徑為3，平均路徑長度為1.5，表明每個事故發(fā)生通過2步就可以連接到事故，說明各個因素之間緊密聯(lián)系，因此，需要整體地考慮各個因素之間的關(guān)系，建立其科學有效的應(yīng)急救援機制，才能有效控制事故的發(fā)生。

3.5 聚類系數(shù)

聚類系數(shù)表現(xiàn)水利工程網(wǎng)絡(luò)中的各個風險因素節(jié)點的聚集程度的量，構(gòu)建水利工程致因網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的平均聚類系數(shù)為0.097。各個節(jié)點的聚類系數(shù)如圖4所示，從圖4中可以看出， c 1，c 5，c? 11 ，c? 12? 的聚類系數(shù)最大，表明這幾個節(jié)點與周圍節(jié)點的聯(lián)系比較密切，所以，在對這幾個事故因素進行處理的時候需要特別注意它們與相鄰節(jié)點可能存在的聯(lián)系，否則，可能會因為一個節(jié)點發(fā)生變化而導(dǎo)致一連串的連鎖反應(yīng)，影響整個風險系統(tǒng)。

3.6 中介中心性

根據(jù)水利工程致因網(wǎng)絡(luò)圖，可以得出影響各個風險因素的中介中心度如圖5所示，其中節(jié)點 c 1，c 5，c 9，c? 11 ，c? 12? 的中心中介中心度為0，說明這幾個節(jié)點沒有在其他節(jié)點的交互中作為中間節(jié)點。6和8節(jié)點具有較高的中介中心度，說明這兩個節(jié)點對整個網(wǎng)路的影響較大，要重點地切斷風險在這兩個因素間的傳播，避免事故的發(fā)生。

4 結(jié) 論

（1） 通過復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論對水利工程致因網(wǎng)絡(luò)模型進行了分析。其中，平均路徑長度和聚類系數(shù)的數(shù)值相對較小，表明一旦該風險系統(tǒng)中的某些風險因素發(fā)生變化，可能將很快影響到整個水利工程系統(tǒng)體系。

（2） 作業(yè)計劃安排、人員素質(zhì)對整個水利工程風險系統(tǒng)影響較大，需要特別注意這些因素;控制中介中心性大的因素（作業(yè)計劃安排和技術(shù)措施）可以有效切斷風險在整個水利工程系統(tǒng)中的傳播。

（3） 利用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論對水利工程風險體系進行分析，能夠有效地確定整個風險體系的關(guān)鍵因素，確定風險關(guān)系，進而采取針對性措施降低水利工程系統(tǒng)風險。

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（編輯：黃文晉）

Human risk analysis of water conservancy projects based on complex network theory

FENG Jiwei 1，SUN Kaichang 1，YAN Xin? 1，2

（ 1.School of Hydraulic & Environmental Engineering，China Three Gorges University，Yichang 443002，China; 2.China Water Resources and Hydropower Eleventh Engineering Bureau Co.，Ltd.，Zhengzhou 450001，China ）

Abstract：

In order to determine the impact of various human factors on the overall water conservancy project risk system，and reduce the risk rate of water conservancy projects，based on the existing accident data，the fuzzy cognitive graph theory was adopted to establish a network model of risk causes of water conservancy project accidents，and the relationship between each risk factor was determined.In complex network theory，network analysis indices such as node degree，average length of path，diameter of network model，clustering coefficient and intermediary centrality were used to analyze the whole risk network and determine the key factors in the risk system and the influence relationship of each factor.The results show that intuition and decision errors，personnel quality and operational violations are the most important factors affecting the entire water conservancy project risk system.Intuition and decision errors factor is affected by multiple risk factors in the water conservancy project risk factor system.The risk rate in the network structure is high in the entire water conservancy project，and the influence of this factor should be prevented from the source.The complex network theory can effectively analyze the entire risk system of the water conservancy project construction process and has certain applicability.

Key words：

water conservancy project;human risk;complex network theory;fuzzy cognitive graph;factor analysis;network model of risk causes