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        基于知識圖譜的地鐵施工安全事故原因及安全對策分析

        2025-03-02 00:00:00鄧韞璇陸瑩遲澤勛屠晨旸秦斌斌
        項目管理技術(shù) 2025年2期
        關(guān)鍵詞:工程施工

        摘要:隨著地鐵基礎(chǔ)設(shè)施的發(fā)展和壯大,施工安全事故會造成一定的經(jīng)濟損失,并且嚴(yán)重威脅人員安全。從事故報告中探索經(jīng)驗教訓(xùn),有利于推進地鐵施工安全管理。通過建立知識圖譜,演繹與分析地鐵施工安全風(fēng)險。收集2014—2023年我國地鐵施工事故報告,采用扎根理論提取風(fēng)險因素,并構(gòu)建地鐵施工安全事故知識圖譜,揭示各知識實體之間的層級關(guān)系。運用知識圖譜分析指標(biāo),揭示網(wǎng)絡(luò)特征,并提出地鐵施工過程中的安全對策和建議。研究結(jié)果可為地鐵施工安全風(fēng)險預(yù)防與管控提供理論依據(jù)與決策參考。

        關(guān)鍵詞:地鐵施工;知識圖譜;安全管理;事故致因分析

        0 引言

        近年來,隨著城市化建設(shè)進程的推進,居民出行交通需求不斷提高,地鐵因準(zhǔn)時、便捷、舒適、高密度的優(yōu)勢而廣受歡迎。由于地鐵建設(shè)規(guī)模大、施工環(huán)境復(fù)雜、專業(yè)技術(shù)要求高等[1],施工階段經(jīng)常發(fā)生各類安全事故,造成嚴(yán)重的人員傷亡和財產(chǎn)損失。例如,2020年9月,深圳市地鐵20號線一期工程發(fā)生了嚴(yán)重傷害事故,損失嚴(yán)重;2021年10月,天津地鐵4號線工程發(fā)生坍塌事故,造成了嚴(yán)重的經(jīng)濟損失。因此,確保地鐵施工安全對于保護人民的生命和財產(chǎn)安全至關(guān)重要。

        學(xué)習(xí)安全知識和積累事故經(jīng)驗是提高安全意識,防止類似事故再次發(fā)生的有效途徑。事故分析已成為提高建筑業(yè)安全管理績效最有效的方法之一[2]。已有研究基于收集的334份建筑施工安全事故報告,采用文本挖掘技術(shù)探索了工人的不安全行為及其影響因素。例如,李鈺等[3]針對建筑坍塌事故,收集了事故報告,采用STAMP-HFACS法進行風(fēng)險因素分析。劉平等[4]采用灰色管理分析法,對217起地鐵施工安全事故進行了統(tǒng)計分析。與基于文獻(xiàn)研究[5]、專家經(jīng)驗[6]等方法相比,基于事故報告的研究提高了研究數(shù)據(jù)的客觀性。因此,亟須構(gòu)建基于事故案例報告的地鐵施工安全事故致因分析方法。

        知識圖譜(Knowledge Graph)是Google在2012年提出的用于知識存儲和信息搜索的典型多維網(wǎng)絡(luò)。它通過節(jié)點和邊來表示現(xiàn)實世界中的各種對象及其相互聯(lián)系。知識圖譜具有能將數(shù)據(jù)進行結(jié)構(gòu)化存儲,便于對數(shù)據(jù)進行深度分析和挖掘的特點,已成為人工智能領(lǐng)域的重要研究范疇,并應(yīng)用于醫(yī)療健康[7]、金融風(fēng)控[8]、證券投研[9]等領(lǐng)域。將知識圖譜引入安全管理領(lǐng)域,可以豐富和擴展安全風(fēng)險分析方法。一些學(xué)者針對建設(shè)安全管理進行了相關(guān)研究。例如,王茹等[10]針對建筑施工安全問題,采用知識圖譜改進LEC法,實現(xiàn)了安全風(fēng)險定量計算。張萌[11]針對城市軌道交通運營安全問題,開發(fā)了知識圖譜應(yīng)用系統(tǒng)。羅麗[12]構(gòu)建了地鐵運營安全事故知識圖譜網(wǎng)絡(luò),并進一步挖掘了各因素間的潛在關(guān)聯(lián)。

        然而,與建筑施工不同,地鐵施工涉及大量地下作業(yè),包含區(qū)間隧道工程、軌道工程等單位工程?,F(xiàn)有研究缺少將知識圖譜引入地鐵施工安全風(fēng)險的分析,且多集中于探索不同類別風(fēng)險的影響,不同單位工程中的風(fēng)險因素及其相關(guān)關(guān)系仍不明確。因此,本研究從地鐵施工安全事故報告中分析安全風(fēng)險因素,構(gòu)建地鐵施工安全事故知識圖譜,分析地鐵施工安全風(fēng)險耦合機制及事故成因,提出相應(yīng)的安全風(fēng)險管理策略。

        1 基于扎根理論的地鐵施工安全風(fēng)險識別

        扎根理論是一種定性研究方法,旨在從原始材料中建立理論。其是在數(shù)據(jù)研究中發(fā)展理論,而不是從現(xiàn)有理論中推導(dǎo)出可驗證的假設(shè)[13]。通過數(shù)據(jù)收集、編碼和比較,提取概念和類別,從而發(fā)展新的理論。扎根理論有一個系統(tǒng)的研究過程,包括數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)整理、三級編碼、理論建立和飽和測試,扎根理論過程如圖1所示。

        開放編碼要求研究人員以開放的心態(tài)對70%的原始數(shù)據(jù)進行深入分析,主要分為概念分析和分類分析兩個階段。概念分析是將事故報告的內(nèi)容分解,用更精煉的句子將原文數(shù)據(jù)概念化。但通過概念分析獲得的結(jié)果是分散的,還需要將相似的概念聚類,以建立類別。因此,分類分析旨在找出概念之間的關(guān)系,并進一步歸納為類別。

        軸向編碼是將開放編碼產(chǎn)生的類別聚類,建立不同類別之間的相關(guān)性,形成一個更大的類別,即主類別。本研究通過軸向編碼,可以得到地鐵施工安全風(fēng)險因素。

        選擇性編碼是基于軸向編碼,明確主要類別之間的關(guān)系,抽象出可以概括所有類別的核心類別,通過描述現(xiàn)象的故事情節(jié),來梳理核心類別與主要類別之間的關(guān)系。本研究基于4M1E模型,將軸向編碼得出的安全風(fēng)險因素抽象為人(Men)、物(Material)、設(shè)備(Machine)、管理(Method)和環(huán)境(Environment)5個核心風(fēng)險類別。

        理論飽和指用新的資料對確定的范疇進行檢驗,直到不再出現(xiàn)新的代碼和類屬,它是扎根理論停止采樣的標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)過對剩余30%的地鐵施工安全事故案例進行編碼,檢驗時未發(fā)現(xiàn)新的重要范疇,各主范疇之間也未發(fā)現(xiàn)新的范疇,證明已達(dá)到理論飽和性檢驗的目的。

        2 地鐵施工安全事故知識圖譜構(gòu)建

        2.1 知識圖譜建立流程

        知識圖譜的本質(zhì)是由“實體”節(jié)點和有向邊組成的有向圖結(jié)構(gòu)知識庫。本研究中,“實體”節(jié)點代表地鐵建設(shè)施工安全風(fēng)險事件,有向邊則代表施工安全風(fēng)險事件之間的因果關(guān)系,即由知識三元組〈實體-關(guān)系-實體〉,聯(lián)合構(gòu)成地鐵施工安全事故知識圖譜。知識圖譜的構(gòu)建過程主要包括數(shù)據(jù)收集、實體、關(guān)系提取和知識圖譜存儲管理,地鐵施工安全事故知識圖譜構(gòu)建流程如圖2所示。

        2.1.1知識實體的識別

        本研究基于收集的安全事故案例報告及過往研究,考慮了風(fēng)險因素、風(fēng)險類型、安全事故類型、單位工程4類知識實體。風(fēng)險因素通過扎根理論分析獲得,將風(fēng)險類型劃分為人(R-type)、設(shè)備(S-type)、物(W-type)、管理(F-type)及環(huán)境(H-type)。參考《企業(yè)職工傷亡事故分類標(biāo)準(zhǔn)(UDC658.382 GB6441—86)》,將事故類型知識實體劃分為高處墜落(A1)、車輛傷害(A2)、機械傷害(A3)、起重傷害(A4)、物體打擊(A5)、坍塌(A6)、透水(A7)、觸電(A8)、火災(zāi)(A9)、中毒和窒息(A10)、瓦斯爆炸(A11)、其他傷害(A12)。針對地鐵施工特征將單位工程實體分為4類:車站工程(C1)、區(qū)間工程(C2)、軌道工程(C3)及車輛基地綜合工程(C4)。

        2.1.2 知識實體間關(guān)系構(gòu)建

        知識圖譜建模的第三步需確定知識實體之間的關(guān)系。根據(jù)事故報告中的文本描述,可以定義知識實體間的關(guān)系。本研究構(gòu)建了三類知識實體間的關(guān)系,包括風(fēng)險因素與其他風(fēng)險因素或事故類型間的因果關(guān)系、風(fēng)險因素與風(fēng)險類型間的關(guān)系、風(fēng)險因素與單位工程間的關(guān)系,即因果關(guān)系、隸屬關(guān)系、關(guān)聯(lián)關(guān)系,用三個關(guān)鍵詞表示“CauseEffect”“TypeIs”和“LocationIs”。

        2.1.3 知識圖譜構(gòu)建

        最后需將知識實體及其關(guān)系映射到知識圖譜中,并進行知識存儲管理。根據(jù)地鐵施工安全風(fēng)險因素之間的關(guān)系,本研究定義了三個相應(yīng)的矩陣以描述知識實體之間的關(guān)系。

        2.1.3.1 因果關(guān)系矩陣

        因果關(guān)系矩陣(CEM)可表示風(fēng)險因素之間、風(fēng)險因素與事故類型之間的因果關(guān)系,CEMij公式如下

        CEMij=αlt;i,Cause Effect,jgt;∈KTs

        0lt;i,Cause Effect,jgt;KTs(1)

        式中,i表示風(fēng)險因素;j表示風(fēng)險因素或事故類型;KTs表示所識別的所有知識三元組;α表示知識實體i與j之間邊的數(shù)量。

        2.1.3.2 類型矩陣

        類型矩陣(TM)旨在分析包含關(guān)鍵詞TypeIs的知識三元組,TMij公式如下

        TMij=1lt;i,TypeIs,jgt;∈KTs

        0lt;i,TypeIs,jgt;KTs(2)

        式中,i表示風(fēng)險因素;j表示風(fēng)險類型;KTs表示所有的知識三元組。如果風(fēng)險因素i屬于風(fēng)險類型j,則TMij=1。

        2.1.3.3 單位工程矩陣

        單位工程矩陣(LM)是表示風(fēng)險因素與單位工程位置間的相關(guān)關(guān)系矩陣,公式如下

        LMij=αlt;i,LocationIs,jgt;∈KTs0lt;i,LocationIs,jgt;KTs(3)

        式中,i表示造成事故發(fā)生的事故鏈末端風(fēng)險因素;j表示單位工程;α表示對應(yīng)風(fēng)險因素在單位工程j的發(fā)生頻次,構(gòu)建加權(quán)邊描述相關(guān)關(guān)系。

        2.2 知識圖譜分析指標(biāo)構(gòu)建

        為了對地鐵施工安全事故知識圖譜進行較全面分析,以便更深入地了解地鐵施工安全事故知識圖譜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特征。參考Liu等[14]的研究,本研究引入相關(guān)指標(biāo)進行知識圖譜網(wǎng)絡(luò)分析。

        為實現(xiàn)圖譜分析,需要構(gòu)建未加權(quán)因果關(guān)系矩陣和最短路徑矩陣。未加權(quán)因果關(guān)系矩陣(CUM)是在所構(gòu)建的CEM矩陣的基礎(chǔ)上,不考慮邊的權(quán)重,只考慮知識實體間是否存在因果關(guān)系而構(gòu)建的矩陣,CUMij公式如下

        CUMij=1,CEMijgt;00,CEMij=0(4)

        最短路徑矩陣(SP)表示節(jié)點之間的最短路徑。該矩陣可以展示出知識圖譜中因果關(guān)系(CauseEffect)類型的因果路徑的長度特征,SPij公式如下

        SPij=∑p, q∈NCUMpq(5)

        式中,SPij指從風(fēng)險因素i到風(fēng)險因素或事故類型j之間的最短路徑的長度;p和q指是這條最短路徑上經(jīng)過的節(jié)點。

        2.2.1聚類系數(shù)和介數(shù)中心性指標(biāo)

        本研究引入聚類系數(shù)和介數(shù)中心性這兩個指標(biāo),識別本研究構(gòu)建的有向網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵節(jié)點。聚類系數(shù)測量的是一個節(jié)點與相鄰節(jié)點之間的連通程度,取值范圍為[0,1]。聚類系數(shù)的大小影響了網(wǎng)絡(luò)上的傳播效率,聚類系數(shù)接近1的節(jié)點表明其與相鄰節(jié)點之間幾乎完全相連,形成了一個緊密的團體。

        介數(shù)中心性考量了一個節(jié)點在網(wǎng)絡(luò)中所有最短路徑上出現(xiàn)的頻率。高介數(shù)中心性的節(jié)點在網(wǎng)絡(luò)中擔(dān)任“橋梁”或“關(guān)鍵點”的角色,它們連接了網(wǎng)絡(luò)中不同的部分,對維持網(wǎng)絡(luò)的連通性具有重要影響。通過Python加載NetworkX可以計算出本研究所構(gòu)建的地鐵施工安全事故知識圖譜中,各風(fēng)險因素的聚類系數(shù)和介數(shù)中心性。

        2.2.2 主動致因和被動致因指標(biāo)

        本研究引入主動致因和被動致因這兩個指標(biāo),探索風(fēng)險因素之間和風(fēng)險因素與事故之間的因果關(guān)系(CauseEffect),探索知識圖譜網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部耦合關(guān)系。主動致因指標(biāo)可衡量給定風(fēng)險因素r造成其他風(fēng)險發(fā)生的難易度,公式如式(6)。主動致因的值越高,表示該風(fēng)險因素越容易引起其他風(fēng)險或事故的發(fā)生。被動致因指標(biāo)是指給定風(fēng)險r由其他風(fēng)險引起的難易度。被動致因的值越高,該風(fēng)險就越容易由其他風(fēng)險引起。主動致因指標(biāo)CAr和被動致因指標(biāo)CPr公式如下

        CAr=∑i∈RNCAMri∑i∈RNSPri(6)

        CPr=∑i∈RNCAMir∑i∈RNSPir(7)

        式中,RN表示風(fēng)險因素節(jié)點;CAMri表示指定風(fēng)險r到另一個風(fēng)險或事故i的可達(dá)數(shù)量;SPri表示指定風(fēng)險r到另一個風(fēng)險或事故i的最短路徑;CAMir表示某個風(fēng)險或事故i到指定風(fēng)險r的可達(dá)數(shù)量;SPir表示某個風(fēng)險或事故i到指定風(fēng)險r的最短路徑。

        2.2.3 直接可達(dá)性指標(biāo)

        為了進一步探究風(fēng)險類型與單位工程之間的關(guān)系,本文采用直接可達(dá)性指標(biāo),揭示不同單位工程中風(fēng)險類型分布比例。本研究提出的直接可達(dá)性指標(biāo)是指給定風(fēng)險因素r直接引起單位工程發(fā)生施工安全事故的占比。PTr公式如下

        PTr=∑i∈RN(LMCir×TMiT)∑i∈RNLMCir(8)

        式中,PTr指直接引發(fā)單位工程發(fā)生事故的風(fēng)險類型所占比例,該指標(biāo)有助于探索造成單位工程發(fā)生事故的每種風(fēng)險類型的比例,RN表示風(fēng)險因素節(jié)點;C表示一種單位工程。

        3 實例分析

        3.1 數(shù)據(jù)收集

        本研究數(shù)據(jù)來源分為三個方面:一是政府公布的事故調(diào)查報告;二是報社、新聞網(wǎng)站的公開報道;三是會議和期刊論文。收集2014—2023年我國地鐵施工安全事故報告,剔除信息重復(fù)或缺失的事故報告后,共收集237份有效報告,作為數(shù)據(jù)來源。涉及的地區(qū)為我國內(nèi)陸地區(qū)(包括19個省、4個自治區(qū)和3個直轄市)。

        3.2 扎根理論提取結(jié)果

        通過對收集的237份安全事故報告逐一進行文本分析,采用扎根理論最終識別了來自人、設(shè)備、物、管理和環(huán)境5個風(fēng)險類別的風(fēng)險因素,共29個,構(gòu)建地鐵施工安全風(fēng)險因素體系如圖3所示。

        3.3 知識圖譜構(gòu)建結(jié)果

        本研究提取的安全風(fēng)險因素及其類型,包括來自人、設(shè)備、物、環(huán)境和管理5個類別,共29個風(fēng)險因素,關(guān)系類型為TypeIs。與安全風(fēng)險相關(guān)的知識實體及關(guān)系見表1。

        隨后構(gòu)建知識實體之間的相關(guān)關(guān)系,本研究所構(gòu)建的知識實體間關(guān)系包含“CauseEffect”“TypeIs”和“LocationIs”三大類。以兩起事故為例,提取知識實體及其相關(guān)關(guān)系,構(gòu)建知識三元組KTs,安全事故中提取的知識實體及其相關(guān)關(guān)系見表2。

        通過對237個案例逐一進行文本分析,構(gòu)建知識三元組,并依據(jù)式(1)~式(3),最終在Neo4j數(shù)據(jù)庫中構(gòu)建地鐵施工安全事故知識圖譜,實現(xiàn)對知識實體、實體屬性、實體相關(guān)關(guān)系的存儲,并可實現(xiàn)查詢功能。本研究構(gòu)建的地鐵施工安全事故知識圖譜共包含50個節(jié)點,251條有向邊,地鐵施工安全事故知識圖譜如圖4所示。

        3.4 知識圖譜指標(biāo)分析及對策建議

        通過NetworkX對本研究構(gòu)建的地鐵施工安全事故知識圖譜進行聚類系數(shù)和介數(shù)中心性計算。各風(fēng)險因素的聚類系數(shù)值和介數(shù)中心性值如圖5所示。由圖5可以看出,設(shè)備使用不合規(guī)(S3)、施工質(zhì)量或工程設(shè)計缺陷(W2)、土體穩(wěn)定性不足(W3)、無警告標(biāo)識或安全防護設(shè)施(W4)、靠近湖泊和河流等水源(H3)節(jié)點的聚類系數(shù)較高。這些節(jié)點是知識圖譜中緊密相關(guān)的風(fēng)險因素,意味著在進行安全風(fēng)險管理時,針對其中單一風(fēng)險的干預(yù)措施都可能顯著影響其他因素,從而有效降低整體風(fēng)險,因此,在地鐵施工過程中應(yīng)對這些因素加以關(guān)注,確保相關(guān)人員能夠及時識別和應(yīng)對同時發(fā)生的多個風(fēng)險。

        工人違章作業(yè)或操作不當(dāng)(R2)、危險因素辨別能力不足(R3)、未使用安全防護用具(R4)、設(shè)施設(shè)備故障或維護不到位(S1)、應(yīng)急設(shè)備缺失(S4)是網(wǎng)絡(luò)中介數(shù)中心性較高的節(jié)點。這些節(jié)點是地鐵施工安全事故知識圖譜中的關(guān)鍵風(fēng)險因素,它們連接了不同的安全風(fēng)險因素和事故類型,在地鐵施工過程中,必須加強對節(jié)點的關(guān)注,確保這些風(fēng)險因素得到有效控制。

        通過式(7)和式(8),計算各風(fēng)險因素的主動致因和被動致因指標(biāo),各風(fēng)險因素的主動致因和被動致因指標(biāo)值如圖6所示。主動致因指標(biāo)值高且被動致因指標(biāo)值低的風(fēng)險因素,可以視為造成安全事故發(fā)生的風(fēng)險源頭;而被動致因指標(biāo)值低且主動致因指標(biāo)值低的因素,可以視為易被影響的因素。其他因素則在致因鏈中起到過渡作用。由圖6可知,現(xiàn)有設(shè)施設(shè)備無法識別隱患(S5)、身體疾病和健康狀況不佳(R6)和邊坡堆土坍塌(H4)主動致因遠(yuǎn)大于被動致因,這些因素造成安全事故發(fā)生的路徑短,一旦引發(fā),將直接造成安全事故。這些因素難以實時監(jiān)測或現(xiàn)有技術(shù)無法解決,因此必須合理制定完善的應(yīng)急方案,并布設(shè)好應(yīng)急設(shè)備,以最限度地減輕事故后果。

        此外,管理人員的失職容易造成一系列管理方面的風(fēng)險因素,這些因素間關(guān)聯(lián)緊密,因此,被動致因值高的因素主要集中于管理因素,主要包括管理人員配置不合理(F8)、安全生產(chǎn)教育和培訓(xùn)不到位(F2)、現(xiàn)場安全管理不到位(F6)。因此,在施工過程中必須推進企業(yè)構(gòu)建界限明確、分工合理的安全生產(chǎn)制度,加強安全生產(chǎn)主體的責(zé)任劃分與落實。

        各單位工程的直接可達(dá)性指標(biāo)結(jié)果如圖7所示。由圖7可以看出,造成車站工程(C1)、區(qū)間工程(C2)、車輛基地綜合工程(C4)施工安全事故的因素涵蓋所有風(fēng)險類別。對于軌道工程(C3)而言,施工活動相對簡單,直接造成軌道工程事故發(fā)生的因素來自人和設(shè)備兩個類別。

        總體來看,人的因素、設(shè)備和物的因素,是造成地鐵施工安全事故發(fā)生的最主要因素,這也與Heinrich的觀點一致[15]。因此,必須加強對工人的安全培訓(xùn)教育,嚴(yán)格要求施工人員持證上崗,建立嚴(yán)格的施工安全技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),杜絕工人的不安全行為。在施工過程中,定期檢修設(shè)備設(shè)施,且密切關(guān)注工人的身體狀況和情緒,及時排查安全隱患。

        4 結(jié)語

        本研究緊密結(jié)合地鐵施工特點,基于過往安全事故案例,提出采用知識圖譜的方法,分析地鐵施工安全風(fēng)險的耦合機制。針對收集到的237事故報告,提取了知識實體,并識別了實體間的相關(guān)關(guān)系,基于Neo4j數(shù)據(jù)庫構(gòu)建了地鐵施工安全事故知識圖譜,并通過聚類系數(shù)、介數(shù)中心性、主動致因和被動致因指標(biāo)、直接可達(dá)性指標(biāo),分析了網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)部特征。這些指標(biāo)可以有效揭示風(fēng)險因素間、風(fēng)險因素與事故類型間,以及風(fēng)險因素與單位工程間的內(nèi)在聯(lián)系,可以為地鐵施工過程中的管理工作提供參考。但本研究在案例收集過程中仍具有一些局限性,未來可進一步擴展案例庫數(shù)量,并可結(jié)合不同地區(qū)特點進行針對性分析。

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        收稿日期:2024-09-26

        作者簡介:

        鄧韞璇(1998—),女,博士研究生,研究方向:安全管理、風(fēng)險管理。

        陸瑩(通信作者)(1984—),女,副教授,博士研究生導(dǎo)師,研究方向:安全風(fēng)險管理、BIM技術(shù)與安全管理、突發(fā)事件應(yīng)急管理。

        遲澤勛(1990—),男,高級工程師,研究方向:建筑科學(xué)與工程。

        屠晨旸(1995—),男,助理工程師,研究方向:地鐵施工安全風(fēng)險。

        秦斌斌(1987—),男,高級工程師,研究方向:建筑科學(xué)與工程。

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