基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的機(jī)器全生命周期安全性評(píng)估模型

涂俊翔

TU Jun-xiang1,2

（1.福州大學(xué) 機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院，福州 350108；2.福建海源自動(dòng)化機(jī)械股份有限公司，閩侯 350100）

0 引言

隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，機(jī)器的復(fù)雜程度越來越高，機(jī)器的安全問題越來越受到人們重視[1]。在企業(yè)生產(chǎn)中，機(jī)器安全問題非常突出。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全世界機(jī)械事故約占事故總數(shù)的1/3左右[2]。從統(tǒng)計(jì)的重傷和死亡事故傷害類型來看，機(jī)器傷害是制造企業(yè)中最主要的傷害類型，占傷害事件總數(shù)45%，其他事故如車間交通事故和起重傷害事故等分別占傷害事件總數(shù)18%和11%[3]。機(jī)器傷害與機(jī)器的安全性密切相關(guān)，對(duì)機(jī)器進(jìn)行安全性評(píng)估對(duì)于防止以上事故的發(fā)生有著重要意義。對(duì)機(jī)器的設(shè)計(jì)而言，機(jī)器的安全性評(píng)估對(duì)所設(shè)計(jì)機(jī)器可能造成的危險(xiǎn)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，方便對(duì)消除或減少危險(xiǎn)的措施進(jìn)行探討，保障設(shè)計(jì)出安全性高的機(jī)器；對(duì)機(jī)器的使用而言，機(jī)器安全性評(píng)估模型用于評(píng)價(jià)機(jī)器的安全狀態(tài)，便于企業(yè)管理部門采取相應(yīng)的防護(hù)措施保障工人生產(chǎn)的安全。

目前有許多學(xué)者針對(duì)機(jī)器安全性評(píng)估提出了各種方法，其中比較典型的有故障類型與影響分析模型（ FMEA ）[4]和故障樹分析 （ FTA ）[5]方法，這些方法從可靠性分析技術(shù)衍生而來，以定量分析為主，適合對(duì)機(jī)械部件故障所導(dǎo)致的事故進(jìn)行分析。與可靠性分析不同，一些學(xué)者依據(jù)安全評(píng)估的特點(diǎn)提出更有針對(duì)性的安全檢查表[6]、風(fēng)險(xiǎn)矩陣[7]和等風(fēng)險(xiǎn)圖法[8]等評(píng)估模型，這些模型則以定性分析為主，適合對(duì)機(jī)器特定類別的安全事故風(fēng)險(xiǎn)做出評(píng)估。目前在這些方法的應(yīng)用中，主要關(guān)注機(jī)器使用時(shí)的安全性，而鮮有考慮機(jī)器在運(yùn)輸、安裝和維護(hù)等生命周期中的機(jī)器安全性因素。由于機(jī)器在各生命周期都可能產(chǎn)生不同類別的事故，因此有必要構(gòu)建面向機(jī)器完整生命周期的安全性評(píng)估模型，以對(duì)機(jī)器的整體安全性做出更科學(xué)的評(píng)價(jià)。本文基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)推理技術(shù)構(gòu)建一種新的評(píng)估模型，對(duì)機(jī)器完整生命周期的安全性進(jìn)行評(píng)估。

貝葉斯網(wǎng)絡(luò)能很好地表示隨機(jī)變量的不確定性和相關(guān)性，并在不確定性推理方面有很好的優(yōu)勢[9]，將貝葉斯網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于機(jī)器的安全性評(píng)估中，能很好地刻畫不同安全風(fēng)險(xiǎn)因素關(guān)聯(lián)關(guān)系中的不確定性。本文以復(fù)合材料液壓機(jī)為例，對(duì)機(jī)器在各生命周期階段的安全風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行跟蹤和分類，利用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)刻畫各種風(fēng)險(xiǎn)因素間的復(fù)雜依賴關(guān)系，構(gòu)建定性分析和定量計(jì)算結(jié)合的安全性評(píng)估模型，為機(jī)器的安全設(shè)計(jì)、操作和維護(hù)等整個(gè)生命周期的安全性能改進(jìn)提供方向和建議。

1 貝葉斯網(wǎng)絡(luò)

貝葉斯網(wǎng)絡(luò)理論將先驗(yàn)知識(shí)與樣本信息相結(jié)合、變量依賴關(guān)系與概率表示相結(jié)合，是不確定知識(shí)表示和推理的理想模型。貝葉斯網(wǎng)絡(luò)是一系列變量的聯(lián)合概率分布的圖形表示，它包含兩個(gè)部分。一部分是由節(jié)點(diǎn)、有向弧所組成的有向無環(huán)圖（Directed Acyclic Graph , DAG），網(wǎng)絡(luò)中每一節(jié)點(diǎn)代表研究領(lǐng)域中的變量，節(jié)點(diǎn)之間的連接關(guān)系代表變量間的條件獨(dú)立語義；另一部分是節(jié)點(diǎn)和節(jié)點(diǎn)之間的條件概率表（Conditional Probability Table, CPT），它量化了各變量間的相互依賴關(guān)系。假設(shè)貝葉斯網(wǎng)中任意節(jié)點(diǎn)xi的直接雙親節(jié)點(diǎn)集為Pai，xi的條件概率為 P( xi|Pai)。對(duì)于頂點(diǎn)集合 X =(x1, x2,...,xn)的聯(lián)合概率分布可由下式計(jì)算：

2 面向生命周期的機(jī)器安全性評(píng)估模型

2.1 安全性評(píng)估的建模過程

面向機(jī)器生命周期的安全性評(píng)估模型的建模主要包括機(jī)器各生命周期的任務(wù)分析及其安全風(fēng)險(xiǎn)因素識(shí)別、貝葉斯網(wǎng)絡(luò)推理模型構(gòu)建和貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的推理等部分組成，詳細(xì)如圖1所示。

圖1 面向機(jī)器生命周期的安全性評(píng)估模型的建模

2.2 機(jī)器生命周期中的安全影響因素

美國國家標(biāo)準(zhǔn)學(xué)會(huì)（American National Standards Institute, ANSI）在ANSI B11.TR3中對(duì)涉及機(jī)器整個(gè)生命周期各階段的安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和措施提供了指南，認(rèn)為安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型包括四個(gè)階段，分別為：1）確定機(jī)器的詳細(xì)參數(shù)；2）確定機(jī)器生命周期的相關(guān)任務(wù)；3）識(shí)別任務(wù)相關(guān)的安全影響因素；4）評(píng)估風(fēng)險(xiǎn)。為識(shí)別機(jī)器的任務(wù)及其相關(guān)安全風(fēng)險(xiǎn)，本文將機(jī)器生命周期劃分為運(yùn)輸、安裝、操作、維護(hù)和拆解等階段。機(jī)器在生命周期的不同階段，具有不同的典型任務(wù)，例如在運(yùn)輸階段主要有包裝、裝卸和途中運(yùn)輸?shù)热蝿?wù)；在機(jī)器操作中主要包括啟動(dòng)機(jī)器、工件裝卸、機(jī)器調(diào)整、加工操作、測量、配套操作等任務(wù)。依據(jù)任務(wù)的不同，對(duì)可能影響機(jī)器安全的風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行識(shí)別。以一款大噸位的三梁四柱式大型復(fù)合材料壓機(jī)為例，機(jī)器在不同生命周期不同任務(wù)中的典型安全風(fēng)險(xiǎn)如表1所示。

2.3 貝葉斯網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

貝葉斯網(wǎng)絡(luò)能對(duì)機(jī)器的安全風(fēng)險(xiǎn)因素及其相互關(guān)系進(jìn)行直觀描述。本文把機(jī)器可能帶來的傷害事故如銳邊尖角傷害、墜落等稱之為安全風(fēng)險(xiǎn)因素。影響機(jī)器安全性的眾多安全風(fēng)險(xiǎn)因素與機(jī)器的不同生命周期互相關(guān)聯(lián)，形成風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估周期要素，如運(yùn)輸、安裝、操作等。把安全風(fēng)險(xiǎn)因素、周期要素及其相互關(guān)系以貝葉斯網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的形式表達(dá)出來就形成了機(jī)器安全性評(píng)估的全生命周期模型（如圖1所示）。該結(jié)構(gòu)包含若干個(gè)典型周期要素如T（運(yùn)輸）、I（安裝）、O（操作）、M（維護(hù)）、D（拆解）等，這些周期要素可以是獨(dú)立的，也可以相互關(guān)聯(lián)，它們共同決定了機(jī)器全生命周期的安全性能，安全性能通過貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的ME_Risk節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)來表達(dá)。網(wǎng)絡(luò)中的安全風(fēng)險(xiǎn)因素AF（銳邊尖角傷害）、SF（壓傷）、IF（壓力液體噴射）、CF（運(yùn)動(dòng)件碰撞）等直接與周期要素連接，表明周期要素與安全風(fēng)險(xiǎn)因素之間存在關(guān)聯(lián)關(guān)系。每個(gè)周期要素可以與多個(gè)安全風(fēng)險(xiǎn)因素連接，而每個(gè)安全風(fēng)險(xiǎn)因素又可以與多個(gè)周期要素相連。對(duì)于具有n個(gè)節(jié)點(diǎn)的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)而言， 有n(n-1)/2個(gè)存在相互關(guān)系的節(jié)點(diǎn)對(duì)。為簡化網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜度，可基于安全風(fēng)險(xiǎn)因素的特征及其相互因果關(guān)系，做出以下一些假設(shè)：

表1 壓機(jī)在各生命周期不同任務(wù)中的典型安全風(fēng)險(xiǎn)

假設(shè)1 機(jī)器生命周期的不同階段（T、I、O、M、D）的安全事故具有相互獨(dú)立的關(guān)系。

假設(shè)2 機(jī)器生命周期中不同安全風(fēng)險(xiǎn)因素具有相互獨(dú)立關(guān)系。

依據(jù)上述的假設(shè)和表1的數(shù)據(jù)，最終構(gòu)建的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 貝葉斯網(wǎng)絡(luò)安全性評(píng)估模型

2.4 貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)模型

在確定貝葉斯網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)后，需確定網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)狀態(tài)事件發(fā)生的概率，即構(gòu)造出貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)模型。在識(shí)別網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)事件的基礎(chǔ)上，對(duì)各節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)進(jìn)行分級(jí)處理，即對(duì)節(jié)點(diǎn)取值進(jìn)行離散化處理。在有大規(guī)模的樣本數(shù)據(jù)情況下，這一過程可以通過數(shù)據(jù)訓(xùn)練并利用有效的離散化方法實(shí)現(xiàn)。在數(shù)據(jù)無積累或數(shù)據(jù)不充分的情形時(shí)，可通過領(lǐng)域?qū)＜业慕?jīng)驗(yàn)來確定。針對(duì)機(jī)器的安全風(fēng)險(xiǎn)因素，可按風(fēng)險(xiǎn)程度劃分為高（H）、中（M）、低（L）三種狀態(tài)，類似的，對(duì)周期要素也可作同樣的劃分。這樣，對(duì)每一個(gè)安全風(fēng)險(xiǎn)因素及周期要素都有具體的狀態(tài)劃分及其描述。如果節(jié)點(diǎn)狀態(tài)多，可依據(jù)領(lǐng)域?qū)＜业囊庖姴⒉捎脙蓛杀容^的方式建立比較矩陣（pair-wise comparison matrix），然后通過計(jì)算來確定節(jié)點(diǎn)的概率。由于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型包含機(jī)器安全性評(píng)價(jià)中的諸多不確定性，機(jī)器的安全狀態(tài)并不是一個(gè)具體的數(shù)值，而是一個(gè)概率事件，概率值的大小反映了機(jī)器處于該安全狀態(tài)的可能性程度。

2.5 推理過程

在貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型中，機(jī)器安全性（ME_Risk）作為概率事件，它的各個(gè)狀態(tài)取值以離散化形式存在，對(duì)其進(jìn)行評(píng)估即是在給定證據(jù)節(jié)點(diǎn)（Evidence）條件下（如安全風(fēng)險(xiǎn)因素根節(jié)點(diǎn)的先驗(yàn)概率和以根節(jié)點(diǎn)為父節(jié)點(diǎn)的周期要素條件概率等），計(jì)算ME_Risk各種狀態(tài)發(fā)生的概率。如果機(jī)器具有多種設(shè)計(jì)，這時(shí)可依據(jù)模型的評(píng)估結(jié)果優(yōu)先選擇具有較低安全風(fēng)險(xiǎn)的設(shè)計(jì)方案。另一方面，若已知機(jī)器處于某種安全狀態(tài)，可依據(jù)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行反向推理，找出影響機(jī)器安全的關(guān)鍵要素，形成相應(yīng)的診斷結(jié)果，為機(jī)器設(shè)計(jì)的安全優(yōu)化提供指導(dǎo)。

3 應(yīng)用實(shí)例

液壓機(jī)屬于一種壓制成型設(shè)備，在國防、采礦、冶金、航空航天、建材生產(chǎn)等行業(yè)有著廣泛的應(yīng)用。隨著液壓機(jī)向大噸位，長行程、寬臺(tái)面方向發(fā)展，機(jī)器的安全性日益受到人們重視。某壓機(jī)企業(yè)是一家上市公司，目前正研制節(jié)能型復(fù)合材料壓機(jī)，為保障設(shè)備的安全性，需對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行安全性評(píng)估。

現(xiàn)基于前述的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)安全性評(píng)估模型，對(duì)該壓機(jī)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行安全性評(píng)價(jià)。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，設(shè)網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)按風(fēng)險(xiǎn)程度劃分為高（H）、中（M）、低（L）三種狀態(tài)，用2，1，0表示。接下來需確定各節(jié)點(diǎn)參數(shù)，它包括以下兩個(gè)步驟：第一，確定非根節(jié)點(diǎn)的條件概率。這些概率反映了對(duì)設(shè)備特定生命周期要素的安全風(fēng)險(xiǎn)，各安全風(fēng)險(xiǎn)因素的比重及其影響程度等，這里采用比較矩陣的方法確定。表2中列出了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)T的條件概率分布；第二，確定根節(jié)點(diǎn)的先驗(yàn)概率。這些概率與機(jī)器的設(shè)計(jì)參數(shù)密切相關(guān)。對(duì)于不同的設(shè)計(jì)，概率的取值會(huì)有很大變化。表3中列出了依據(jù)領(lǐng)域?qū)＜医?jīng)驗(yàn)所確定的根節(jié)點(diǎn)先驗(yàn)概率分布。

表2 貝葉斯網(wǎng)絡(luò)中T節(jié)點(diǎn)的條件概率

表3 貝葉斯網(wǎng)絡(luò)中根節(jié)點(diǎn)的先驗(yàn)概率

對(duì)設(shè)計(jì)方案的安全性評(píng)價(jià)過程即是計(jì)算ME_Risk節(jié)點(diǎn)概率值的過程，即在給定的各生命周期安全風(fēng)險(xiǎn)因素狀態(tài)及其概率取值的條件下，求該機(jī)器機(jī)械安全風(fēng)險(xiǎn)（ME_Risk）各狀態(tài)的發(fā)生概率。結(jié)合前面確定的根節(jié)點(diǎn)先驗(yàn)概率和非根節(jié)點(diǎn)的條件概率，通過Hugin軟件進(jìn)行推理，結(jié)果如表4所示。

表4 安全性評(píng)估結(jié)果

從這里可以看到，貝葉斯網(wǎng)絡(luò)安全性評(píng)估模型返回的不是安全性評(píng)價(jià)的一個(gè)特定值，而是ME_Risk節(jié)點(diǎn)每個(gè)狀態(tài)的概率。把后驗(yàn)概率最高的狀態(tài)作為對(duì)機(jī)器安全性評(píng)估的類別。從結(jié)果可以看出，P(ME_Risk =1)=0.69，為最高的后驗(yàn)概率，因此機(jī)器的安全性為M。由于已生產(chǎn)的某型普通復(fù)合材料壓機(jī)的安全性評(píng)估結(jié)果為L（基于同樣的模型進(jìn)行評(píng)估），可知該節(jié)能型壓機(jī)安全風(fēng)險(xiǎn)偏高。這時(shí)，可依據(jù)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行反向診斷推理，以判斷ME_Risk節(jié)點(diǎn)安全風(fēng)險(xiǎn)偏高的癥結(jié)所在。對(duì)于節(jié)能型復(fù)合材料壓機(jī)，依據(jù)其安全性為M，即ME_Risk=1，并假設(shè)已知IF、EF和DF的狀態(tài)，即證據(jù)節(jié)點(diǎn)變量IF=0、EF=0、DF=0，通過貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的反向推理，計(jì)算可得表5的診斷結(jié)果。

由表5可知，在已知壓力液體噴射（IF）、觸電（EF）、墜落（DF）等處于低風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)的不完備信息下，節(jié)能型復(fù)合材料壓機(jī)的安全性風(fēng)險(xiǎn)偏高的癥結(jié)在于壓傷（SF）、運(yùn)動(dòng)件碰撞（CF）處于高風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)，這是由于節(jié)能裝置中新增的曲肘機(jī)構(gòu)引起，因此應(yīng)針對(duì)曲肘機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)陌踩O(shè)施和可靠的自鎖裝置以降低壓傷（SF）、運(yùn)動(dòng)件碰撞（CF）風(fēng)險(xiǎn)，從而提高該設(shè)備的安全性。

4 結(jié)論

本文將貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的不確定性推理技術(shù)引入到機(jī)器的安全性評(píng)估模型中，能實(shí)現(xiàn)面向機(jī)器完整生命周期的安全性評(píng)價(jià)，并能夠?qū)υu(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行反向的診斷推理，找到影響安全性的主要安全風(fēng)險(xiǎn)因素，為優(yōu)化新機(jī)器的安全性設(shè)計(jì)提供決策依據(jù)。對(duì)機(jī)器使用而言，使用該模型能有效評(píng)價(jià)機(jī)器的安全狀態(tài)，方便企業(yè)對(duì)機(jī)器實(shí)現(xiàn)全生命周期的安全管理。

表5 基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的反向推理結(jié)果

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