譚 鈺，游 濤，潘 鋒，曹周紅

(1.長沙理工大學 水利與環(huán)境工程學院，湖南 長沙 410114; 2.中交水利水電建設有限公司，浙江 寧波 310000)

水運工程施工環(huán)境條件復雜，施工組織實施困難，作業(yè)安全風險居高不下，一直以來是行業(yè)安全管理的重點。在工程實施前，開展定性或定量的施工安全風險估測，能夠有效降低施工安全風險發(fā)生的概率，保證項目施工順利進行。

目前，風險評估理論在水運工程領域應用廣泛。Huang J C等[1]結合交叉線法和蒙特卡洛法來評估自動識別系統(tǒng)在船舶進港和內航道航行的擱淺風險。Emre ?zaydn等[2]建立了貝葉斯網絡模型分析海上運輸事故的潛在因素、主動故障和操作條件，利用Apriori預測算法關聯(lián)規(guī)則挖掘的方法建立了漁船作業(yè)事故損失性準則。朱元章等[3]針對長江航道整治工程的安全管理難點，提出了8個方面的安全管理措施。張文君等[4]提出HHM-RFRM理論來識別智能船舶航行的風險因素，結合貝葉斯方法的多判據評估模型識別出智能船舶航行過程中的關鍵風險因素。何眾穎等[5]基于事故樹法對船舶通航風險進行定性和定量的分析。鄧君等[6]建立模糊層次分析模型對荊江航道整治水下拋石施工風險進行了評估。王忠岱等[7]采用層次分析法識別長江航道整治工程武安段的重大風險源。齊芳[8]和易義禮[9]采用定性的方法分析航道整治過程中的施工風險，建立IWRAP風險評價模型對航道整治施工期間船舶通航的風險進行評價。李文杰等[10]建立模糊貝葉斯網絡模型對長江上游航道整治建筑物的技術狀況進行了量化的評估分析。劉建華等[11]采用多層次模糊分析法對株洲二線船閘基坑施工風險進行了評估。呂永興等[12]采用指標體系法對長江干線武安段航道整治施工安全風險進行評估。

國內外對于水運工程風險管理的研究已取得一定成果，可是交通運輸部尚未發(fā)布針對內河航道施工安全風險評估的標準文件，安全風險管理理論尚未在航道整治施工風險管理中得到普遍應用。模糊綜合貝葉斯網絡法將貝葉斯網絡(Bayesian network，BN)與模糊綜合評價法(Fuzzy comprehensive evaluation method，F(xiàn)CEM)相結合，可以更全面地對施工安全風險進行評估。本文建立模糊綜合貝葉斯網絡(BN-FCEM)模型對航道整治施工安全風險進行評估，為防范航道整治工程施工安全風險提供參考依據。

1 評估指標體系的建立

航道整治工程施工安全風險主要包括技術風險、管理風險、環(huán)境風險。技術風險包含地質勘探、設計技術、施工方案、機械設備、原材料等技術原因引起的風險。管理風險是由于管理不當產生的風險。環(huán)境風險包含自然環(huán)境風險和施工作業(yè)環(huán)境風險。參考交通運輸部在2019年《公路水運工程建設項目生產安全重大事故隱患判定指南》(征求意見稿)和《港口工程施工安全風險評估指南》等規(guī)范從技術、管理、環(huán)境三方面識別安全風險因素，并根據安全風險因素之間的因果關系建立航道整治土方工程施工安全風險評估指標體系如圖1所示。

圖1 安全風險評估指標體系

2 BN-FCEM模型構建

BN-FCEM法將BN與FCEM相結合，對安全風險發(fā)生的可能性和嚴重程度進行綜合評估，其本質目的是通過對給定網絡結構中的前驗概率和后驗概率的計算來探討參數優(yōu)化問題[13]。

2.1 基于BN的安全風險概率評估

BN由節(jié)點、有向邊組成的網絡結構和條件概率表組成，是不確定性條件下知識表示和推理的有力工具，以有向邊的形式來表達安全風險因果變量之間的不確定關系，根據有向圖的邏輯關系逐層計算各安全風險發(fā)生的概率[14]。在BN中，沒有輸入的節(jié)點稱為根節(jié)點，其余的節(jié)點為非根節(jié)點。貝葉斯公式可表示為：

P(Y=yi|X=xi)=

(1)

式中：P(Y=yi|X=xi)為在X=xi發(fā)生的條件下Y=yi發(fā)生的概率，P(X=xi)為X=xi發(fā)生的先驗概率，P(X=xi|Y=yi)為在Y=yi發(fā)生的條件下X=xi發(fā)生的概率。

2.1.1 根節(jié)點的先驗概率確定

機器學習是一種獲得BN節(jié)點的先驗概率的科學方法，但這種方法通常需要大量的事故統(tǒng)計數據，然而在實際中又難以獲得足夠多的統(tǒng)計數據，此方法很難實施，故本文采用專家經驗法確定根節(jié)點的先驗概率。引入模糊集理論，將專家對風險發(fā)生的可能性等級判斷轉化為概率描述，從而獲得根節(jié)點的先驗概率。結合本行業(yè)的相關規(guī)范，將風險發(fā)生概率劃分為五個等級如表1所示。

表1 風險事件可能性等級標準

2.1.2 非根節(jié)點的條件概率確定

采用層次分析法確定BN結構非根節(jié)點的條件概率，用求解判斷矩陣和矩陣特征向量的辦法求得安全風險層次結構中每一層的元素對上一層元素的優(yōu)先權重，從而確定BN結構中間節(jié)點的條件概率。利用層次分析法確定土方工程BN結構中間節(jié)點條件概率的步驟如下：

(1) 構造各層次中的所有判斷矩陣。根據1-9標度法對判斷矩陣元素aij的重要性程度進行兩兩比較，并賦予一定的分值，利用比較的結果構造判斷矩陣Am。

(2)

(m=1,2,3,…，n=1,2,3,…)

(2) 計算節(jié)點條件概率。判斷矩陣的最大特征值及最大特征值對應的特征向量即為隸屬于同一個上層節(jié)點的多個節(jié)點的條件概率[15]。采用幾何平均法計算條件概率的步驟如下：

① 將判斷矩陣Am的各行相乘得到行乘向量Bi:

(3)

② 將向量Bi中的元素開n次方得到向量bi:

(4)

③ 將向量bi進行歸一化處理得到wi:

(5)

W=(w1,w2,…,wn)T(i=1,2,3,…,n)即為判斷矩陣的特征向量，也是隸屬同一個上層節(jié)點的多個節(jié)點的條件概率分布。

2.2 基于FCEM的風險事故損失評估

航道整治工程的施工安全風險事故的損失性包括多個方面，對其進行損失評估時不應只評估某一方面，故從安全風險事件發(fā)生后果的嚴重程度、人員傷亡和經濟損失三個方面對安全風險事故的損失性進行評估。

采用FCEM對施工風險事故損失進行評估，具體步驟如下：

(1) 確定評價對象因素集U=(u1,u2,…un)，評價因素為ui，i=1，2，…，其中n為各種施工安全風險因素。基于圖1中的安全風險評價指標體系，根據其層次結構建立評價因素集。

(2) 建立評價集V=(V1,V2,…Vm)，評價等級為Vj，j=1，2，…，m。航道整治施工安全風險評價分為五個等級，即m取5，V={小，一般，較大，重大，特大}

(3) 構建模糊綜合權重向量

通?？筛鶕＜覇柧碚{查打分的形式得到單因素評價矩陣：

(6)

(i=1,2,…k,j=1,2,…,m)

式中：rkm表示第k個第二級評價指標對Vm的隸屬度。

利用層次分析法可求得各因素的權重值：

W=(w1,w2,w3,…wn)(i=1,2,…k,j=1,2,…,m)

(7)

(4) 計算最終綜合評價向量B:

B=W·R

(8)

式中：B為評價向量，W為權重向量，R為按因素評價矩陣。

多層模糊綜合評價的原則是先從最低層開始進行評價，并將每層的評價結果視為上一層的單因素評價集，組成高一級的單因素評價矩陣，再對高一層的進行綜合評價，直到達到最高層的評價結果。對最終得到的評價向量進行歸一化處理，根據最大隸屬度原則確定風險損失的等級，風險事故損失等級表見表2。

表2 風險事故損失等級表

2.3 施工安全風險評估等級標準

將風險事件的可能性和嚴重程度進行組合，航道整治施工的安全風險等級可分為四級：較小風險(Ⅰ級)、一般風險(Ⅱ級)、較大風險(Ⅲ級)、重大風險(Ⅳ級)如表3所示。

表3 航道整治施工安全風險等級標準

3 實例研究

3.1 工程背景

京杭運河M航段三級航道整治工程采用限制性Ⅲ級航道標準，開挖土方1 099.3萬m3。沿線與工程關系較密切的地下水主要為第四系松散巖類孔隙潛水，主要含水介質為沖海(湖)積的黏性土、粉土層，一般透水性較差。工程不良地質主要為飽和砂土、粉土地震液化、區(qū)域地面沉降，特殊性巖土主要為填土、軟土。項目地面高程為4.1 m～5.6 m，河面較窄，常水位一般要超出運河水位1.5 m左右，其本身蓄水能力較差，受外界來水影響較大，易旱不易澇，水量靠水利工程調節(jié)。

3.2 施工安全風險的概率評估

3.2.1 BN模型

根據已建立的土方工程指標評估體系，用BN將各安全風險因素之間的因果關系進行表達，得到BN結構圖如圖2所示。

3.2.2 確定根節(jié)點的先驗概率

依據表1，將多位專家對X111—X523等28個根節(jié)點發(fā)生的可能性等級判斷轉化為概率中心值，得到根節(jié)點的先驗概率如表4所示，其中“T”表示該安全風險發(fā)生，“N”表示該安全風險不發(fā)生。

表4 根節(jié)點先驗概率調查表

圖2 土方工程BN圖

3.2.3 確定非根節(jié)點的條件概率

整理專家問卷調查的結果并計算得到各安全風險因素權重值如表5所示。

表5 非根節(jié)點的權重表

3.2.4 施工安全風險的概率評估

將根節(jié)點的先驗概率與非根節(jié)點的條件概率導入NETICA軟件中，計算結果如圖3所示。

3.3 施工安全風險的損失評估

3.3.1 確定各因素的隸屬度

評價矩陣中的數值即為各因素對評價集中元素的隸屬度，本文采用問卷調查和專家經驗相結合的方式確定各因素的隸屬度，將24份問卷調查的數據進行處理后得到表6模糊綜合評價表。

3.3.2 計算評價向量

以評價向量Eu2的計算為例論述計算過程。

(1) 根據表5的數據獲取權重向量W1

W1=(0.1047 0.6370 0.2583)

W2=(0.2000 0.8000)

(2) 依據表6中u21、u22、u211、u212和u213的隸屬度值建立評價矩陣R1、R2

(3) 計算評價向量

首先，計算第2層的評價向量Bu21：

Bu21=W1·R1=(0.1047 0.6370 0.2583)×

然后將向量Bu21進行歸一化處理后得到：

圖3 土方工程BN模型計算結果圖

表6 模糊綜合評價表

圖4 u2節(jié)點的層次結構圖

同理，通過計算可得到整個評價因素集歸一化后的評價向量集。

3.4 施工安全風險的總體評估

由BN模型的概率評估可得到安全風險發(fā)生的概率等級，根據最大隸屬度原則，可確定主要安全風險的損失等級。

3.5 結果分析

結果表明，航道整治土方工程總體施工安全風險等級為Ⅲ級，風險不期望。

土體穩(wěn)定性不足風險(X1)發(fā)生的率評估等級都為3級，損失評估等級都為2級，綜合施工安全風險等級為Ⅱ級，風險可接受。影響土體穩(wěn)定性不足的主要因素為土體抗剪強度下降，需要及時處理并加強土坡周邊交通和基坑周邊的機械設備管理。

機械傷害風險(X2)和船舶傷害風險(X3)的概率評估等級都為2級，損失評估等級都為3級，綜合施工安全風險等級為Ⅱ級，風險可接受。導致機械傷害的主要風險因素為違章作業(yè)和機械超載，導致船舶傷害的主要風險因素為船舶超載，需要加強施工作業(yè)監(jiān)督管理。

防護安全性不足風險(X4)的概率評估等級為3級，損失評估等級為2級，綜合施工安全風險等級為Ⅱ級，風險可接受。導致防護安全性不足風險的主要因素為人員管理不當，需對作業(yè)人員進行培訓，開展施工作業(yè)安全意識教育。

周邊環(huán)境風險(X5)的概率評估等級為3級，損失評估等級為3級，綜合施工安全風險等級為Ⅲ級，風險不期望。導致周邊環(huán)境風險的主要因素為地表沉降，在施工前需對工程不良地質進行處理，密切關注水文條件變化，做好應急預案。

4 結 論

本文提出BN-FCEM模型對航道整治工程施工安全風險進行了評估，具體結論如下：

(1) 將BN-FCEM模型應用于京杭運河M航段航道整治土方工程施工安全風險評估，結果表明，該土方工程施工安全風險評估等級為Ⅲ級，風險不期望。其中，土體穩(wěn)定性不足風險的損失性最大，機械傷害風險發(fā)生的可能性最大，需要加強防護。評估結果與工程實際相符合，這論證了模糊貝葉斯網絡模型有很好的適用性。

(2) BN-FCEM模型不僅能對總體安全風險進行評估，還能判斷出對總體安全風險影響較大的安全風險因素，克服了一般評估方法不能判斷影響總體安全風險的主要因素的缺點。