張國(guó)華,王金成

(1.寧夏潤(rùn)通公路工程試驗(yàn)檢測(cè)有限公司,寧夏 銀川 750000;2.中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所,吉林 長(zhǎng)春 130033;3.中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京 100039)

1 引 言

高速公路建設(shè)是各地區(qū)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通的重要途徑,也是國(guó)家整體經(jīng)濟(jì)發(fā)展的快車(chē)道。截至2021年底,我國(guó)交通運(yùn)輸部全年在高速公路建設(shè)上總投入高達(dá)2.6萬(wàn)億元,同比增長(zhǎng)6.0%[1]。在擴(kuò)大規(guī)模的同時(shí),各種人為因素、施工因素和環(huán)境因素所帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)也是建設(shè)中必不可少的考慮事項(xiàng),高速公路建設(shè)中對(duì)風(fēng)險(xiǎn)機(jī)制的提前預(yù)警、過(guò)程分析和數(shù)據(jù)評(píng)估已經(jīng)成為相關(guān)技術(shù)人員的研究重點(diǎn)。

為了構(gòu)建更深層次的“多源一體化”動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)系統(tǒng),國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家學(xué)者針對(duì)風(fēng)險(xiǎn)因素的推理模型問(wèn)題,衍生出諸多研究方法。按照對(duì)風(fēng)險(xiǎn)態(tài)勢(shì)衍生級(jí)別的定性與定量分析來(lái)看,主要的研究方法有層次分析法[2],神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)遺傳算法[3],故障樹(shù)分析法(FTA)[4],Meta分析法[5],Apriori算法[6]和貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型[7]等。故障樹(shù)統(tǒng)計(jì)模型和貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型分別從定性和定量的角度來(lái)衡量事故重要度,將高速公路建設(shè)過(guò)程的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)進(jìn)行逐級(jí)排序,但是目前的道路風(fēng)險(xiǎn)研究機(jī)制均是基于單源正向來(lái)構(gòu)建次級(jí)風(fēng)險(xiǎn)的貝葉斯網(wǎng)絡(luò),而且考慮因素不完全,對(duì)于山區(qū)高速的“路-橋-隧”一體化風(fēng)險(xiǎn)機(jī)制有所欠缺。以西部地區(qū)的黎霍高速為例,基于故障樹(shù)轉(zhuǎn)化貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型來(lái)求解高速公路建設(shè)中一些先驗(yàn)事件的風(fēng)險(xiǎn)概率。

2 故障樹(shù)分析模型

2.1 基于故障樹(shù)的風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別分析

為了建立完整的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)體系,構(gòu)建德?tīng)柗品L(fēng)險(xiǎn)識(shí)別機(jī)制可以將致因因素考慮得更全面[8]。根據(jù)德?tīng)柗品▽⑦@種復(fù)雜系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)因素劃定為人為、道路、設(shè)備、環(huán)境和管理五大類(lèi)。但是根據(jù)專(zhuān)家的細(xì)致討論,一致認(rèn)為管理因素是包含在其他四類(lèi)之中的,在構(gòu)建故障樹(shù)時(shí),中間事件就不單獨(dú)考慮管理層面。在原有的德?tīng)柗骑L(fēng)險(xiǎn)識(shí)別方法基礎(chǔ)上將專(zhuān)家調(diào)查研究過(guò)程進(jìn)行了改進(jìn),結(jié)合線上操作平臺(tái)將風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別過(guò)程簡(jiǎn)化,并且能在協(xié)同條件下更快更高效地完成全部工作。

1962年美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室根據(jù)邏輯命題和布爾代數(shù)運(yùn)算首次提出FTA分析方法,該方法可以在任何簡(jiǎn)單或復(fù)雜系統(tǒng)內(nèi)耦合其風(fēng)險(xiǎn)概率和安全性。FTA由頂上事件(T)、中間事件(M)、基本事件(X)等事件和與門(mén)、或門(mén)、非門(mén)、順序與門(mén)、異或門(mén)等邏輯門(mén)構(gòu)成。但是高速公路風(fēng)險(xiǎn)機(jī)制大多用“與”門(mén)和“或”門(mén)來(lái)搭建。通過(guò)改進(jìn)型德?tīng)柗品ǖ挠懻?構(gòu)建了如圖1所示的故障樹(shù)模型,其中T1,T2,T3,T4代表次級(jí)頂事件。

M1—人為主觀因素;M2—人為客觀因素;M3—設(shè)備自身因素;M4—設(shè)備相關(guān)因素;M5—交通環(huán)境因素;M6—自然環(huán)境因素;M7—道路因素;M8—隧道因素;M9—橋梁因素;X1—環(huán)境污染的防范;X2—地方政府的保護(hù)政策;X3—員工對(duì)薪金待遇不滿(mǎn);X4—部分工程技術(shù)難度大員工水平較差;X5—施工現(xiàn)場(chǎng)控制能力差;X6—業(yè)主拖延支付工程款;X7—業(yè)主資金短缺;X8—監(jiān)理的協(xié)調(diào)不到位;X9—監(jiān)理偏袒業(yè)主;X10—施工技術(shù)困難及新工藝的應(yīng)用;X11—地方百姓的干擾;X12—合同管理水平不高;X13—合同工期較短;X14—施工質(zhì)量要求高;X15—材料的短缺或材料不能按時(shí)到貨;X16—材料價(jià)格可能上漲;X17—施工人員年齡大;X18—駕駛?cè)藛T駕齡短;X19—駕駛?cè)藛T疲勞駕駛;X20—施工機(jī)械設(shè)備落后;X21—施工機(jī)械設(shè)備故障;X22—供電供水的不穩(wěn)定;X23—設(shè)備安裝調(diào)試延期;X24—燃油供給不足;X25—工程機(jī)械量大;X26—監(jiān)控、疏導(dǎo)不到位;X27—施工事故隱患;X28—嚴(yán)寒及酷暑降低工作率;X29—陰雨或洪水導(dǎo)致工程暫停;X30—火災(zāi)發(fā)生的概率較大;X31—路面潮濕;X32—夜間無(wú)照明;X33—山路居多易發(fā)生滑坡;X34—運(yùn)輸路面塌陷度高;X35—路面較窄;X36—隧道內(nèi)設(shè)施缺陷;X37—隧道潮濕易坍塌;X38—儀器較大不易展開(kāi)施工;X39—橋梁支柱不穩(wěn);X40—橋面較滑;X41—橋梁與路基銜接不牢。

2.2 故障樹(shù)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)分析

安全工程領(lǐng)域中結(jié)構(gòu)重要度和最小割集重要度算法是對(duì)某一基本事件或其組合(割集)致使頂上事件出現(xiàn)故障的重要度進(jìn)行定性計(jì)算的。最小割集是對(duì)故障樹(shù)進(jìn)行代數(shù)轉(zhuǎn)化的有效途徑,可以通過(guò)演繹的方式對(duì)該故障樹(shù)模型進(jìn)行重要度分析。分析中往往需要逐級(jí)分解,針對(duì)建立的故障樹(shù)模型其結(jié)構(gòu)函數(shù)可用公式(1)表示

(1)

式中:q為基本事件狀態(tài)組合序號(hào),且q=2n;Zi為狀態(tài)分量;φq(X)等于0或1,表示不發(fā)生或發(fā)生。通過(guò)故障樹(shù)的結(jié)構(gòu)函數(shù)式(1)和布爾代數(shù)運(yùn)算可得公式(2)。

T=T1+T2+T3+T4=(M1+M2)+(M3+M4)(M5+M6)+M7·M8·M9·X31·X32·X33=[(X1+…+X10)+(X11·…·X19)]+(X20+X21)+(X22+X23+X24)+X25·X26·X27+(X28+X29+X30)+(X34+X35)·(X36+X37+X38)·(X39+X40+X41)·X31·X32·X33

(2)

從公式(2)可知導(dǎo)致施工風(fēng)險(xiǎn)的途徑有52條,每條途徑基本事件最少1種,最多6種,而且1種的途徑占50.2%,很容易引起事故。為了更清晰地表達(dá)建設(shè)過(guò)程中基本事件與頂事件之間的變化關(guān)系,通過(guò)公式(3)來(lái)表示i個(gè)事件的變化程度對(duì)頂事件變化的影響程度為

(3)

式中:P(T)為頂事件發(fā)生的概率;P(i)為第i個(gè)基本事件發(fā)生的概率假設(shè)頂事件必然發(fā)生概率為1,通過(guò)公式(3)可得各基本事件的概率重要度如表1所示。

表1 基于故障樹(shù)模型的基本事件概率重要度

假設(shè)可以通過(guò)計(jì)算重要度系數(shù)值來(lái)判定,通過(guò)構(gòu)建公式(4)來(lái)表示最小割集重要度。

(4)

式中:N為最小割集總數(shù);Eζ為第ζ個(gè)最小割集,Mζ為第ζ個(gè)最小割集的基本事件總數(shù);i為事件序號(hào)。結(jié)合表中數(shù)據(jù)可知基本事件的重要度排序?yàn)閘K(34)>lK(35)>lK(25)>lK(26)>lK(27)>lK(20)>lK(21)>lK(31)>=lK(32)=lK(33)>lK(28)>lK294)>lK(30)>lK(22)>lK(23)>lK(24)>lK(36)>…>lK(41)>lK(11)>>…>lK(19)>lK(1)>…>lK(10)。

結(jié)合公式(3)進(jìn)行結(jié)構(gòu)重要度分析可知路基情況是主要的風(fēng)險(xiǎn)因素,而且實(shí)際施工過(guò)程中主要應(yīng)用的大型施工設(shè)備考慮的也是路面情況,人為因素和設(shè)備因素造成施工事故風(fēng)險(xiǎn)極低,周?chē)h(huán)境因素在選址勘察時(shí)已經(jīng)盡可能選取了最好的施工地址。

3 基于故障樹(shù)構(gòu)建貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型

貝葉斯網(wǎng)絡(luò)法相對(duì)其他風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估分析模型而言不僅可以結(jié)合其中的某一種或多種方法進(jìn)行綜合評(píng)價(jià),而且其節(jié)點(diǎn)可視化和簡(jiǎn)單操作是別的方法不可比擬的。貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型的工作步驟與故障樹(shù)的工作流程關(guān)聯(lián)度極高,貝葉斯網(wǎng)絡(luò)方法要先確定建設(shè)過(guò)程中的節(jié)點(diǎn)因素,然后分析其風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)(頂事件、中間事件、底事件),緊接著要估計(jì)條件概率,給每個(gè)節(jié)點(diǎn)賦值,這是確定事件間關(guān)聯(lián)度的必要條件,最終進(jìn)行貝葉斯推理。貝葉斯概率表達(dá)式如公式(5)所示。

(5)

式中:P(F=f)稱(chēng)為節(jié)點(diǎn)的先驗(yàn)概率,表示不考慮事件B之前對(duì)事件F的概率進(jìn)行估計(jì),P(B=b|F=f)為條件概率,這里的先驗(yàn)概率由故障樹(shù)基本事件概率確定,中間事件和頂事件的條件概率單獨(dú)輸入。前兩個(gè)步驟正是故障樹(shù)模型構(gòu)建的過(guò)程,最終根據(jù)故障樹(shù)和貝葉斯公式利用GeNIe分析軟件構(gòu)建的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型如圖2所示。圖中Y表示發(fā)生的概率,N表示不發(fā)生的概率,均為百分比。

圖2 基于故障樹(shù)的黎霍高速公路一體化建設(shè)施工事故貝葉斯模型

由基本事件的重要度順序和圖2所示的貝葉斯概率模型可知在正向推理中故障樹(shù)模型和貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的吻合度極高。這種方法將高密度高維度信息融合成多源具體化概率問(wèn)題,以黎霍高速公路案例可知,施工路段的中間事件M4道路因素是最主要的事故致因源,其貝葉斯發(fā)生概率為47.3%,其包含的基本事件X34和X35發(fā)生概率分別為41.7%和39.8%;其次是周邊交通環(huán)境因素,其貝葉斯發(fā)生概率為42.8,其包含的基本事件X25,X26和X27發(fā)生的概率分別為36.2%,34.6%和33.5%;設(shè)備自身因素的發(fā)生概率為39.5%,其包含的基本事件X20和X21的發(fā)生概率分別為31.8%和30.3%。其余基本事件和中間事件的概率均在30%以?xún)?nèi),屬于事故致因理論的安全范圍。

在優(yōu)化德?tīng)柗品ǖ膮f(xié)作下,該方法不僅可以將頂事件和各個(gè)層級(jí)的中間事件以及基本事件建立互聯(lián)關(guān)系,還可以針對(duì)實(shí)際高速公路建設(shè)環(huán)境制定多模態(tài)安全策略。由于該案例中包含道路,橋梁,隧道,多模態(tài)安全策略主要是基于何種施工項(xiàng)目。在修設(shè)道路時(shí)由于道路因素占主要地位,可以針對(duì)該因素按照主次關(guān)系制定安全管理辦法;同理在修設(shè)橋梁時(shí)考慮的主要是道路和設(shè)備因素;在修設(shè)隧道時(shí)主要考慮照明、滑坡、基礎(chǔ)設(shè)施和環(huán)境因素。

4 結(jié) 論

依據(jù)在建的黎霍高速數(shù)據(jù),將路-橋-隧一體化安全風(fēng)險(xiǎn)控制機(jī)制通過(guò)故障樹(shù)模型和貝葉斯網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行概率分析;故障樹(shù)分析和貝葉斯網(wǎng)絡(luò)概率模型的吻合度很高,對(duì)于人為、道路、環(huán)境、設(shè)備、管理等多源高密度安全信息進(jìn)行融合;貝葉斯網(wǎng)計(jì)算簡(jiǎn)便,計(jì)算速度快,可同步更新信息,全局并行計(jì)算。根據(jù)黎霍高速風(fēng)險(xiǎn)機(jī)制,在此提出以下措施:(1)施工前加強(qiáng)基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)。(2)增加對(duì)施工設(shè)備的維護(hù)力度。(3)對(duì)施工人員進(jìn)行定期培訓(xùn)考核。(4)保障供水供電。(5)對(duì)隧道內(nèi)部環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)。(6)提升橋梁施工的安全系數(shù)。(7)健全合同管理機(jī)制。通過(guò)多方的協(xié)調(diào)合作,健全安全風(fēng)險(xiǎn)管理機(jī)制將對(duì)高速公路一體化建設(shè)起到根本的保障作用。