張 琪，黃衛(wèi)東，聶俊瓏，姜 明，李 劍，高 喆

（北京市建設(shè)工程安全質(zhì)量監(jiān)督總站，北京 101100）

0 引言

隨著全球城市化進程的加速，城市公共交通得到快速的發(fā)展。其中軌道交通作為城市中的大型交通設(shè)施，具有運量大、速度快、舒適高效等特點，已經(jīng)成為城市發(fā)展中緩解交通擁擠的重要工具。因為城市軌道交通的車站設(shè)計通常集中在地面以下，出入口人員流動量較大且通行數(shù)量有限，當發(fā)生火災(zāi)、地震、暴雨等突發(fā)性自然災(zāi)害時，將會造成嚴重的人員傷亡和經(jīng)濟損失?；馂?zāi)事故高居軌道交通災(zāi)難之首，占全球軌道交通事故總數(shù)的近 30 %。尤其是近些年由于電氣原因引發(fā)的火災(zāi)越來越多，直接對乘客的生命安全帶來巨大威脅。軌道交通電氣火災(zāi)的主要特征是破壞力強、觸發(fā)原因復(fù)雜，在技術(shù)防控和綜合管理上都缺乏全面系統(tǒng)的措施，使得軌道交通電氣火災(zāi)的風險控制難度非常大。因此，對軌道交通電氣火災(zāi)風險的評價研究，將會為有效控制火災(zāi)蔓延、降低火災(zāi)發(fā)生概率、減少乘客傷亡具有十分重要的意義。

綜合總結(jié)近年研究成果，對軌道交通電氣火災(zāi)的風險研究主要有兩種方法，定性和定量分析方法。其中，定性分析法主要有因素分析法、層次分析法和綜合模糊評價法等；定量分析法主要有決策樹分析法、蒙特卡洛模擬法等。大量學(xué)者基于這些方法開展了軌道交通火災(zāi)風險分析與評價，主要是通過對研究對象和已有方法的分析，構(gòu)建了針對性的風險評估方法，但是這些研究方法主要是以專家經(jīng)驗為主，通過靜態(tài)風險分析研究對象。隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的進步和人工智能方法的發(fā)展，貝葉斯網(wǎng)絡(luò)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法得到了風險評估的應(yīng)用和推廣［1-8］。

本文提出了一種基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的軌道交通電氣火災(zāi)風險評價研究方法，首先分析軌道交通電氣火災(zāi)的影響因素，構(gòu)建軌道交通電氣火災(zāi)故障樹，再通過構(gòu)建軌道交通電氣火災(zāi)風險評價模型，利用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)得到事件的前驗概率和后驗概率，以及事件的重要度分析值［9-11］。從而采取有針對性的措施預(yù)防或減少電氣火災(zāi)風險發(fā)生的可能性，具有一定的現(xiàn)實指導(dǎo)意義。

1 貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)概念

1.1 故障樹分析法

故障樹分析法是安全系統(tǒng)工程中較重要的一種方法，通過已知事件的結(jié)果前向?qū)ふ沂录l(fā)生的直接原因和間接原因，并用邏輯樹狀圖將這些事件發(fā)生的邏輯關(guān)系表示出來。通過故障樹分析法，用邏輯樹狀圖構(gòu)建軌道交通電氣火災(zāi)風險因素模型，利用定性分析得到各事件間的邏輯關(guān)系。

1.2 貝葉斯網(wǎng)絡(luò)

貝葉斯網(wǎng)絡(luò)是一種基于概率推理的數(shù)學(xué)模型，其基本結(jié)構(gòu)是由一個有向無環(huán)圖，每個節(jié)點代表變量，節(jié)點之間的聯(lián)絡(luò)線代表有向邊的關(guān)系。其中每個節(jié)點受其父節(jié)點所影響，即父節(jié)點代表原因，子節(jié)點表示結(jié)果。子節(jié)點的先驗概率可以通過對發(fā)生事件進行前向推理，父節(jié)點的后驗概率可以通過后向推理得到，從而得到各事件發(fā)生情況下的條件概率。對于任一事件A，若存在互不相容的事件B，其相關(guān)數(shù)學(xué)表達式為：

1）全概率公式。假設(shè)事件B1，B2，…，Bn構(gòu)成了事件E的一個完備事件，其中事件都是互補集合，p（Bi）＞0。其中，A是E的一個事件，全概率公式如式（1）所示。

2）貝葉斯公式。通過全概率公式的變形，可以求出貝葉斯公式如式（2）所示。

式中：p（Bi|A）表示在事件A發(fā)生的條件下，事件Bi發(fā)生的概率，被稱為事件Bi的后驗概率；p（A|Bi）表示在事件Bi發(fā)生的條件下，事件A發(fā)生的概率，被稱為事件A的后驗概率；p（Bi）表示事件Bi發(fā)生的概率，被稱為事件Bi的先驗概率。

1.3 故障樹模型轉(zhuǎn)換為貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型

構(gòu)建貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型最有效而直接的方法是，通過將故障樹模型轉(zhuǎn)化為貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型。在貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型中，有向無環(huán)圖的節(jié)點與故障樹中事件相互對應(yīng)，存在一定的映射關(guān)系。利用映射關(guān)系的轉(zhuǎn)化，將故障樹的基本事件轉(zhuǎn)換為貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型，如果存在多個相同事件，可以通過在網(wǎng)絡(luò)圖中增加節(jié)點。故障樹中的基本事件對應(yīng)于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)中的根節(jié)點，中間事件對應(yīng)于中間節(jié)點，頂事件對應(yīng)于葉節(jié)點。故障樹中事件的輸出輸入聯(lián)系代表著貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型中的父子節(jié)點。葉節(jié)點和中間節(jié)點的條件概率由故障樹中邏輯門轉(zhuǎn)化規(guī)則以及歷史數(shù)據(jù)、問卷調(diào)查、專家經(jīng)驗等方式來確定。故障樹轉(zhuǎn)化貝葉斯網(wǎng)絡(luò)流程圖如圖1 所示。

圖1 故障樹轉(zhuǎn)化貝葉斯網(wǎng)絡(luò)流程圖

1.4 重要度分析

貝葉斯網(wǎng)絡(luò)分析方法主要通過基本事件的發(fā)生概率正向推得頂事件的發(fā)生概率。先驗概率是根據(jù)以往經(jīng)驗和分析得到的概率，即在事情發(fā)生之前事情發(fā)生的概率。后驗概率是在頂事件發(fā)生時基本事件最有可能發(fā)生的概率，即電氣火災(zāi)風險發(fā)生時調(diào)整的發(fā)生概率。后驗概率是依據(jù)先驗概率為基礎(chǔ)，如果只根據(jù)基本事件的后驗概率去評價研究還不精準。因此，本文引入概率重要度和關(guān)鍵重要度的概念，來反映基本事件對頂事件的影響程度，并驗證后驗概率的可靠性。

貝葉斯公式如式（3）所示。

式中：Xi為基本事件；Xi為 0-1 變量，“基本事件發(fā)生”為 1，“基本事件不發(fā)生”為 0；T為頂事件；p（Xi=1）為基本事件Xi的先驗概率；p（T=1|Xi=1）為頂事件發(fā)生的條件概率。

概率重要度是指基本事件發(fā)生概率的單位變化量所導(dǎo)致頂事件發(fā)生概率的變化值。其概率重要度如式（4）所示。

關(guān)鍵重要度是指頂事件發(fā)生概率的變化率和基本事件發(fā)生概率的變化率之比。其關(guān)鍵重要度如式（5）所示。

2 基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的軌道交通電氣火災(zāi)風險評價模型

2.1 構(gòu)建軌道交通電氣火災(zāi)故障樹

本文以北京市某地鐵為例，對其電氣火災(zāi)風險進行評價。按照“人-機-環(huán)”的安全系統(tǒng)工程學(xué)原理，根據(jù) GB 51298－2018《地鐵設(shè)計防火標準》，從電氣系統(tǒng)、環(huán)境、人員、管理等四方面分析造成軌道交通電氣火災(zāi)的因素，經(jīng)先驗分析和分類歸納，構(gòu)建該故障樹模型，包括頂事件 1 個、中間事件 4 個、基本事件 21 個。軌道交通電氣火災(zāi)故障樹事件類型和編號如表1 所示。

表1 軌道交通電氣火災(zāi)故障樹事件類型和編號

在故障樹的基本事件、中間事件和頂事件間的邏輯關(guān)系分析時，需要通過邏輯門聯(lián)接構(gòu)成故障樹模型，同時從下而上核查故障樹的正確性和合理性。在關(guān)系轉(zhuǎn)換時，故障樹中的頂事件、中間事件和基本事件分別對對應(yīng)著貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型中的葉節(jié)點、中間節(jié)點和根節(jié)點，事件的輸出、出入關(guān)系對應(yīng)著父節(jié)點和子節(jié)點的邏輯關(guān)系。邏輯關(guān)系用條件概率表示，基本事件的先驗概率直接轉(zhuǎn)換為根節(jié)點的先驗概率。

2.2 軌道交通電氣火災(zāi)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)

通過全概率公式來計算軌道交通電氣火災(zāi)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型的基本事件先驗概率，如表2 所示。本文使用GeNIe 軟件來建立貝葉斯網(wǎng)絡(luò)并進行仿真，如圖2 所示。得出中間事件和頂事件的發(fā)生概率如表3 所示。

表2 基本事件的先驗概率

表3 中間層事件及頂層事件發(fā)生的概率

圖2 軌道交通電氣火災(zāi)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型

通過仿真計算得出結(jié)果，如圖3 所示。軌道交通電氣火災(zāi)風險評價值為 20.8 %，即為可能發(fā)生火災(zāi)的概率。該結(jié)果說明對軌道交通電氣火災(zāi)防范措施需要重點加強。通過貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的反向推理能力，得到各基本事件發(fā)生的概率，具體結(jié)果如表4 所示。

表4 基本事件的后驗概率

圖3 貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型仿真結(jié)果

由表4數(shù)據(jù)可以看出，當頂層事件發(fā)生時，各個基本事件發(fā)生的概率較大為 X16、X18、X4、X19、X1 等 5 個基本事件，說明管理因素中的人員操作情況和人員應(yīng)急自救能力、人員因素中的管理人員監(jiān)管能力以及電氣系統(tǒng)因素中的過負荷和短路等對軌道交通電氣火災(zāi)的影響較大，存在一定的風險隱患。

2.3 基本事件重要度分析

通過貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型得到頂層事件和基本事件發(fā)生的后驗概率，對于軌道交通電氣火災(zāi)風險的評價是必要不充分的。因為不同風險因素先驗概率的變動對結(jié)果概率變化大小的影響不同，還需要對所有基本事件的重要度和敏感性進行計算分析，有效量化概率變化所引起的結(jié)果變化程度，更好地采取措施有效降低軌道交通電氣火災(zāi)風險的發(fā)生。對該貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型進行重要度和敏感性分析，結(jié)果如表5 所示。

表5 部分基本事件重要度計算結(jié)果 %

概率重要度結(jié)果排序X3＞X10＞X19＞X2＞X12＞X16＞X18＞X1，概率重要度值越高，則采取相應(yīng)措施降低風險發(fā)生的可能性越大，也會及時減小電氣火災(zāi)發(fā)生的概率。所以，保證接觸電阻不超過限值能有效降低軌道交通電氣火災(zāi)風險發(fā)生的概率。關(guān)鍵重要度越大，說明采取措施降低該風險因素的概率越容易。關(guān)鍵重要度結(jié)果排序 X19＞X16＞X3＞X18＞X10＞X12＞X1＞X2，因此，加強管理人員監(jiān)管能力和提高人員操作能力是更容易實現(xiàn)的措施。

3 改進措施及建議

本文通過對北京市某地鐵的電氣火災(zāi)風險進行評價，綜合考慮基本事件節(jié)點的后驗概率和重要度分析發(fā)現(xiàn)，X3、X10、X19 的基本事件對軌道交通電氣火災(zāi)風險影響較大，對其采取相應(yīng)的措施能夠有效提高其安全水平。為了進一步提升軌道交通電氣火災(zāi)風險的可控性，降低火災(zāi)發(fā)生的概率，確保生命人身和公共財產(chǎn)安全，針對在軌道交通的監(jiān)督管理等方面提出相關(guān)改進建議。

1）是加強風險評價的安全質(zhì)量監(jiān)督總體應(yīng)用。本文提出的基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的軌道交通電氣火災(zāi)風險的評價方法，可以得到影響因素的關(guān)鍵點和薄弱環(huán)節(jié)。從而采取有針對性的措施預(yù)防或減少電氣火災(zāi)風險發(fā)生的可能性，具有一定的現(xiàn)實指導(dǎo)意義。在安全質(zhì)量監(jiān)督中提前針對影響火災(zāi)發(fā)生的關(guān)鍵點進行重點關(guān)注，提高監(jiān)管的針對性和有效性。同時，結(jié)合不同工程特點和不同階段監(jiān)管重點，有效預(yù)判項目難點，審查施工方案的合理性，提高軌道交通電氣火災(zāi)風險評價的有效性。

2）提高關(guān)鍵環(huán)節(jié)、重點區(qū)域的質(zhì)量監(jiān)管力度。加強對電氣不同環(huán)節(jié)和建設(shè)不同區(qū)域的監(jiān)管力度，提高電氣系統(tǒng)的安全性和降低地下空間的火災(zāi)荷載，能從源頭控制電氣火災(zāi)發(fā)生的可能。針對各級配電裝置和設(shè)備，重點監(jiān)管漏電、過負荷、過壓、欠壓等保護電路及裝置；針對運行車輛上的電氣設(shè)備和線路，重點監(jiān)管電纜電線、導(dǎo)電體，受流器等裝置；針對用電設(shè)施，重點監(jiān)管宣傳牌、廣告欄以及自動售貨機等。

3）創(chuàng)新傳統(tǒng)監(jiān)管模式，優(yōu)化監(jiān)管關(guān)鍵流程。開展建筑施工安全專項整治，狠抓重點領(lǐng)域風險防控，深入排查治理建筑施工領(lǐng)域生產(chǎn)安全事故隱患，健全完善隱患治理長效工作機制。強化現(xiàn)場監(jiān)督管理，加強事前研判、事中監(jiān)督、事后追蹤的全方位管理體系，確保質(zhì)量監(jiān)督規(guī)范有序，提升監(jiān)管效能。加強重點風險防控，采取全面督查、重點巡查、典型抽查等方式，建立全方位、多層次的現(xiàn)場質(zhì)量監(jiān)督工作模式，積極構(gòu)建工程質(zhì)量監(jiān)管常態(tài)化制度化。

4 結(jié)語

1）本文提出了一種基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的軌道交通電氣火災(zāi)風險評價方法。并以某地鐵為實例，按照“人－機－環(huán)”安全系統(tǒng)工程原理，分析軌道交通電氣火災(zāi)影響因素，建立故障樹模型，并向貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的映射轉(zhuǎn)換。

2）通過 GeNIe2.0 軟件構(gòu)建軌道交通電氣火災(zāi)風險評價模型，利用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的正反推理計算能力得到基本事件的前驗概率和后驗概率，以及各項基本事件的重要度分析值。并依照重要度得到影響因素的關(guān)鍵點和薄弱環(huán)節(jié)。

3）基于分析可以得到軌道交通電氣火災(zāi)風險的評價方法，采取有針對性的措施預(yù)防或減少電氣火災(zāi)風險發(fā)生的可能性，具有一定的現(xiàn)實指導(dǎo)意義，加強風險評價的安全質(zhì)量監(jiān)督總體應(yīng)用，提高關(guān)鍵環(huán)節(jié)、重點區(qū)域的質(zhì)量監(jiān)管力度，為軌道交通安全運行和管理提供客觀、科學(xué)的依據(jù)。