基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的海上石油吊機作業(yè)風(fēng)險分析

孟于方枝陳叢卓艾唐偉（.中海油能源發(fā)展股份有限公司天津培訓(xùn)分公司，天津 005；.中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）， 湖北 武漢 0000；.中海石油（中國）有限公司天津分公司渤海石油管理局渤西作業(yè)公司， 天津 塘沽 005；.遼河油田分公司鉆采工藝研究院安全環(huán)保技術(shù)研究所， 遼寧 盤錦 00）

?

基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的海上石油吊機作業(yè)風(fēng)險分析

孟于1方枝2陳叢卓3艾唐偉4
（1.中海油能源發(fā)展股份有限公司天津培訓(xùn)分公司，天津 300452；
2.中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）， 湖北 武漢 430000；
3.中海石油（中國）有限公司天津分公司渤海石油管理局渤西作業(yè)公司， 天津 塘沽 300452；
4.遼河油田分公司鉆采工藝研究院安全環(huán)保技術(shù)研究所， 遼寧 盤錦 124010）

摘要：本文以海洋石油作業(yè)為出發(fā)點，充分考慮海洋石油作業(yè)范圍內(nèi)的安全風(fēng)險，分析了海洋平臺吊機承擔(dān)多種任務(wù)的特點，針對其作業(yè)危險性大且安全風(fēng)險不易分析計算的特點，根據(jù)對公司的調(diào)查資料，提出了海洋石油平臺吊機安全風(fēng)險分析貝葉斯網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型，對各種危險有害因素的進行定量計算，找出了風(fēng)險發(fā)生的概率和風(fēng)險影響因素的敏感度。為海上平臺吊機作業(yè)風(fēng)險控制提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：吊機，貝葉斯網(wǎng)絡(luò)，風(fēng)險分析

海洋平臺吊機作為海洋工程和海洋油氣開發(fā)工程的重要裝備之一，在海洋平臺作業(yè)中發(fā)揮重要作用。但由于海上平臺吊機具有結(jié)構(gòu)緊湊、作業(yè)環(huán)境多變、承載狀況不穩(wěn)定等特點，并且承擔(dān)著海洋平臺起吊、移運和人員輸送等多種任務(wù)，因此對安全性和可靠性要求較高。近年來，由于各種原因，國內(nèi)起重吊裝事故時有發(fā)生，輕則造成設(shè)備損壞，重則造成人員傷亡的嚴(yán)重后果。由于事故本身屬于偶然事件發(fā)生次數(shù)少，國家在這方面也缺失基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，對其發(fā)生概率進行計算時，使用經(jīng)典的統(tǒng)計概率計算會因數(shù)據(jù)樣本過少而使統(tǒng)計概率不準(zhǔn)確，如果進行大量的數(shù)據(jù)收集來消除誤差，其工作量巨大。因此，論文利用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)結(jié)模型風(fēng)險分析法綜合分析吊機吊裝作業(yè)的風(fēng)險概率。

1 貝葉斯網(wǎng)絡(luò)

1.1 貝葉斯理論

貝葉斯理論［1］最早由英國數(shù)學(xué)家湯姆斯?貝葉斯提出。貝葉斯算法能夠在一個灰色系統(tǒng)中，對某未知狀態(tài)的事件運用主觀概率進行估算，并且可以利用貝葉斯條件概率修正該事件的發(fā)生概率。其基本表達(dá)式如下：

貝葉斯定理反映的是條件概率，也即后驗概率。貝葉斯理論經(jīng)過不斷發(fā)展，形成了一種與圖形理論相結(jié)合的概率網(wǎng)絡(luò)——貝葉斯網(wǎng)絡(luò)。它是一個有向無環(huán)圖（Directed Acyclic Graph，簡稱DAG），基本組成部分包括若干個代表不同變量的節(jié)點和連接這些節(jié)點的有向邊。

圖1為最基礎(chǔ)的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)，圖中H1—H3表明兩變量直接關(guān)聯(lián)，H1稱為H3的父節(jié)點，H3稱為H1的子節(jié)點［2］。

根據(jù)獨立性假設(shè)和D-分割定理，圖1所示的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)合概率分布函數(shù)為：

貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的推理實際上是進行概率計算，即事先構(gòu)建好一個貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型，根據(jù)已知的先驗概率和條件概率，利用貝葉斯概率中的條件概率的計算方法，計算出任一節(jié)點發(fā)生的概率。貝葉斯網(wǎng)絡(luò)還可以根據(jù)觀測的結(jié)果，很方便地對問題做出推斷，假如已知某個變量的發(fā)生概率，則其他變量的概率分布可以通過后驗概率的計算得到。例如觀測到H2的一個結(jié)果是A，這個信息將通過網(wǎng)絡(luò)進行傳播從而更新先驗的概率，H1 和H3后驗的概率為：

1.2 貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的建立

貝葉斯條件概率公式是貝葉斯整套理論的基礎(chǔ)，條件獨立、D-分割是貝葉斯圖論的基礎(chǔ)，貝葉斯網(wǎng)絡(luò)和貝葉斯網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是貝葉斯層次結(jié)構(gòu)模型的建立原則。

貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建步驟如下。

（1）確定域變量 針對具體的分析領(lǐng)域，選擇合適的變量來描述所分析系統(tǒng)的各個部位，并確定其含義。

（2）建立貝斯網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 通過判斷各個變量間是否存在直接關(guān)系，確定各節(jié)點的層次結(jié)構(gòu)。

（3）條件概率分布的確定 通過歷史數(shù)據(jù)或者對該領(lǐng)域經(jīng)驗豐富的人員的主觀經(jīng)驗來確定節(jié)點的條件概率。

1.3 節(jié)點的后驗概率計算

貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的建立與數(shù)據(jù)輸入完成后，通過后驗概率計算，可以確定出引起某個節(jié)點的幾個主要因素，從而采取相應(yīng)的措施有針對性的控制風(fēng)險因素。利用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)能很方便地對節(jié)點對應(yīng)的底事件發(fā)生概率進行分析計算。

2 貝葉斯網(wǎng)絡(luò)

2.1 確定風(fēng)險指標(biāo)

整個指標(biāo)體系基本包括海上吊機起重中可能出現(xiàn)的因素，為了便于理解各個因素之間的關(guān)系，將各因素按照不安全行為、不安全狀態(tài)兩個方面按層次分析法的形式構(gòu)建層次結(jié)構(gòu)圖。

（1）不安全行為

人的不安全行為是引起事故發(fā)生的一個主要因素。一般來說，引發(fā)人的不安全行為的因素包括違章操作和操作失誤。（見圖2）

圖1 簡單的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)　

圖2 不安全行為引發(fā)因素

（2）不安全狀態(tài)

不安全狀態(tài)指在作業(yè)過程中，各類事物、環(huán)境或人所處的，容易引發(fā)事故或?qū)κ鹿蕠?yán)重程度產(chǎn)生影響一種狀態(tài)，包括人的不安全狀態(tài)、物的不安全狀態(tài)以及環(huán)境條件不良三類（見圖3）。

（3）環(huán)境條件不良

海上吊機起重作業(yè)基本上都是處于露天作業(yè)，環(huán)境復(fù)雜、惡劣，受環(huán)境因素影響大。根據(jù)環(huán)境因素的類型進行分類，環(huán)境因素基本可分為自然條件、現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境等因素（見圖4）。

2.2 建立貝葉斯網(wǎng)絡(luò)

貝葉斯網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建角度眾多，Pearl提出了以因果關(guān)系的角度，按照原因在前，結(jié)果在后的形式?jīng)Q定各變量之間的先后順序建立的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)，其結(jié)構(gòu)簡單、邏輯關(guān)系合理。在進行風(fēng)險評價指標(biāo)的選取時，各指標(biāo)的相互關(guān)系實際上可以看做是以因果關(guān)系建立起來的，和以因果關(guān)系建立貝葉斯網(wǎng)絡(luò)在思想上具有一致性。因此，可以將風(fēng)險評估指標(biāo)體系轉(zhuǎn)化成一個相對應(yīng)的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)。其轉(zhuǎn)化過程如圖5、圖6所示。

2.3 確定貝葉斯網(wǎng)絡(luò)參數(shù)

為了能夠計算頂事件的發(fā)生概率值，需要獲取各個節(jié)點的條件概率和各基本事件的先驗概率。對于所需要的節(jié)點概率和先驗概率可以向施工單位從事安全管理人員、技術(shù)人員和從事該領(lǐng)域的專家發(fā)放問卷調(diào)查。對于條件概率和先驗概率問卷調(diào)查形式以圖6中以A1、A11、A12為例編制以下調(diào)查表。

圖3 不安全狀態(tài)引發(fā)因素　

圖4 環(huán)境條件不良引發(fā)因素

圖5 風(fēng)險評估指標(biāo)體系圖

圖6 風(fēng)險評估指標(biāo)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)圖

表1 先驗概率表

表2 條件概率表

當(dāng)通過問卷調(diào)查得到所有需要的數(shù)據(jù)后，由于調(diào)查人員主觀因素不同，需要對已經(jīng)獲取的各類數(shù)據(jù)均值化處理，然后將各風(fēng)險因素概率輸入到貝葉斯網(wǎng)絡(luò)中。

3 實例分析

圖7 海上石油吊機作業(yè)條件概率計算模型

論文以某公司項目海上浮吊作業(yè)為例，綜合各種文獻(xiàn)及公司歷史資料，為方便數(shù)據(jù)的統(tǒng)計與分類，對于海上吊機起重作業(yè)，選取典型的節(jié)點分析。其中，根據(jù)公司海上石油吊機起重作業(yè)的特點，對圖中的典型節(jié)點進行了歸類［3-5］，比如：起重傷害事故包括對高空墜物、吊機傾覆、物體撞壓、打擊、貨碼倒塌等典型事故的統(tǒng)計；違章操作包括未執(zhí)行行業(yè)規(guī)范、摘鉤時未遵守有關(guān)規(guī)定、用吊機進行撞擊作業(yè)等；操作失誤包括應(yīng)急處置上出現(xiàn)錯誤操作、偶然失誤等；設(shè)備關(guān)鍵處存在故障包括屬索具磨損超限、吊鉤護鉤裝置失效、吊口開口度變形過大、控制器、制動器故障失靈等隱患；作業(yè)區(qū)域有人包括在吊機旁工作、作業(yè)區(qū)域有人通過等；另外，著重考慮了自然條件因素中的溫度和風(fēng)速對作業(yè)的影響。

在進行概率計算時，各底層事件的先驗概率可以通過對項目人員的調(diào)查和公司的安全臺賬進行確定，對于各節(jié)點的條件概率通過專家打分法獲得。其中，概率值通過將所有參與問卷調(diào)查人員的打分進行求平均值得出。

本文采用Netica［6］來構(gòu)建貝葉斯網(wǎng)絡(luò)。將底層事件和各節(jié)點事件的條件概率輸入到貝葉斯網(wǎng)絡(luò)，各節(jié)點事件名稱及計算結(jié)果及如圖7所示。

對海上石油吊機起重作業(yè)風(fēng)險分析結(jié)果看，公司發(fā)生起重傷害事故的風(fēng)險概率為20.7%，其風(fēng)險等級為顯著風(fēng)險，需要采取措施進行整改。

對海上石油吊機起重作業(yè)進行后驗概率計算，設(shè)置發(fā)生起重傷害事件的概率為100%，對海上石油吊機作業(yè)風(fēng)險進行后驗概率計算，結(jié)果如圖8所示。

圖8 海上石油吊機作業(yè)風(fēng)險后驗概率

通過后驗概率對底層事件進行分析，可知、風(fēng)速過大（42.1%）、場地窄亂（27%）、操作失誤（22.3%）、設(shè)備關(guān)鍵處存在隱患（21.4%）是造成事故的發(fā)生的幾個關(guān)鍵節(jié)點，公司須對這幾個節(jié)點存在的風(fēng)險有針對性地加以控制。

4 結(jié)語

由于過多子節(jié)點對父節(jié)點的運算會產(chǎn)生影響，論文設(shè)置的子節(jié)點數(shù)沒有超過三個，因此影響了對吊機作業(yè)事故的進一步詳細(xì)分析。但論文應(yīng)用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)對公司海上石油吊機作業(yè)進行了風(fēng)險分析，將貝葉斯網(wǎng)絡(luò)方法和假設(shè)性分析相結(jié)合，解決了公司在吊機作業(yè)管理中歷史數(shù)據(jù)缺乏的問題。風(fēng)險分析的結(jié)果表明，貝葉斯能夠更直觀清晰地反映風(fēng)險因子之間的相關(guān)性，評估各個因素之間的交叉影響，更容易地評價不確定性因素對風(fēng)險管理的影響程度，有利于公司安全人員制定相應(yīng)的風(fēng)險控制措施。

參考文獻(xiàn)：

［1］鐘文奇.基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的列車故障診斷研究［D］.北京交通大學(xué)，2012.

［2］Straub D. Natural hazards risk assessment using Bayesian networks［C］//Proceedings of the 9th International Conference on Structural Safety and Reliability. Edited by Augusti G， Schueller G I，Ciamp oliM，Millpress，Rotterdam，2005：2509-2516.

［3］鐘烈發(fā).港口起重傷害事故案例剖析［J］.上海勞動保護，1990，Vol.（1）：3-7．

［4］鐘永祺.港口輪胎式起重機的常見事故［J］.起重運輸機械，1992，Vol.3：38-41．

［5］劉建軍，等.港口裝卸作業(yè)的安全性分析［J］．中國安全科學(xué)學(xué)報，2003，Vol.13（1）：26-29．

［6］Norsys and Netica are trademarks of Norsys Software Corp.

作者簡介：孟于（1984- ），碩士研究生，HSE工程師，中海油能源發(fā)展股份有限公司天津培訓(xùn)分公司高級培訓(xùn)師，主要從事海洋石油安全管理、應(yīng)急管理研究和培訓(xùn)。