基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的工程風(fēng)險(xiǎn)管理研究
——以港珠澳大橋主體工程設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)為例

丁斅，徐峰

（1.南京大學(xué) 工程管理學(xué)院，南京 210046；2.社會(huì)科學(xué)計(jì)算實(shí)驗(yàn)中心，南京 210046）

重大基礎(chǔ)設(shè)施工程（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“重大工程”）一般是指一些投資巨大、建設(shè)周期特別長(zhǎng)、為社會(huì)生產(chǎn)和居民生活提供公共服務(wù)、對(duì)地方經(jīng)濟(jì)、環(huán)境等產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響的工程。例如，高速鐵路、機(jī)場(chǎng)、海港、大型標(biāo)志性建筑、大壩、近海石油和天然氣開(kāi)采項(xiàng)目等。隨著投資熱情的持續(xù)高漲與科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，全球范圍內(nèi)重大工程的規(guī)模越來(lái)越大，數(shù)量越來(lái)越多。就最近建設(shè)的項(xiàng)目而言，重大工程早已走進(jìn)了“億美元”時(shí)代，例如耗資3 000億元的中國(guó)高鐵項(xiàng)目。在2004～2008年，中國(guó)在基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)工程上的投入比整個(gè)20世紀(jì)多了將近20倍。然而，它在帶來(lái)大量社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，也引發(fā)了各種問(wèn)題，而且其中有些問(wèn)題特別嚴(yán)重，可逆性很差，一旦出現(xiàn)就是災(zāi)難性的。例如，前蘇聯(lián)卡拉庫(kù)姆大運(yùn)河工程，由于開(kāi)挖運(yùn)河以及引水灌溉等原因，使得在不到30年的時(shí)間內(nèi)咸海水量減少了近60%，湖水鹽度提高了1倍。所以，如何在信息不確定或不對(duì)稱(chēng)的情況下，減少?zèng)Q策主體自身預(yù)測(cè)能力的有限性，能夠盡早辨識(shí)出決策全生命期內(nèi)與決策相關(guān)的社會(huì)、自然、經(jīng)濟(jì)環(huán)境和人類(lèi)活動(dòng)的潛在風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)而優(yōu)化工程建設(shè)方案，提高工程建設(shè)和運(yùn)行的安全性，這對(duì)于工程管理有著極為重要的意義。

由于具有工期長(zhǎng)、工藝復(fù)雜、資金緊張、環(huán)境不確定、參與方眾多等特點(diǎn)，工程項(xiàng)目面臨著大量的風(fēng)險(xiǎn)[12，20-21]。這些風(fēng)險(xiǎn)往往造成工程項(xiàng)目成本超支、工期拖延，甚至導(dǎo)致項(xiàng)目失敗[22]。項(xiàng)目管理知識(shí)體系將風(fēng)險(xiǎn)定義為：一個(gè)不確定的事件或條件，該事件或條件一旦發(fā)生或出現(xiàn)，則至少對(duì)項(xiàng)目的一個(gè)目標(biāo)產(chǎn)生影響。而風(fēng)險(xiǎn)管理是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)且有序的流程，通過(guò)對(duì)項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行系統(tǒng)的識(shí)別、評(píng)估和應(yīng)對(duì)，使得風(fēng)險(xiǎn)保持在可接受的范圍內(nèi)[1]。關(guān)于工程項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)管理的研究一直保持著遞增趨勢(shì)[4，6]。學(xué)者對(duì)風(fēng)險(xiǎn)管理的過(guò)程和各個(gè)環(huán)節(jié)都進(jìn)行了大量研究，堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)性理論和規(guī)范的研究方法對(duì)推動(dòng)工程管理研究不斷深入有至關(guān)重要的作用[3]。項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別是風(fēng)險(xiǎn)管理的前提和基礎(chǔ)，主要是指對(duì)未發(fā)生的、潛在的以及客觀存在的各種風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行系統(tǒng)、連續(xù)地預(yù)測(cè)、識(shí)別、推斷和歸納，分析其產(chǎn)生風(fēng)險(xiǎn)的原因。常見(jiàn)的項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別方法主要是定性方法，其中調(diào)查是最常用的方法。Tang等[16]按照案例研究、調(diào)查、文獻(xiàn)回顧、訪談與討論等5種類(lèi)別，統(tǒng)計(jì)了PPP 項(xiàng)目研究中各研究方法的出現(xiàn)類(lèi)別。調(diào)查研究還可進(jìn)一步細(xì)分為問(wèn)卷調(diào)查、訪談?wù){(diào)查和二手資料分析；另外，還有核對(duì)表法、流程圖法、情景分析法、類(lèi)推比較法和經(jīng)驗(yàn)學(xué)習(xí)法。風(fēng)險(xiǎn)分析一般采用定性與定量方法相結(jié)合。如概率風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、風(fēng)險(xiǎn)因子評(píng)價(jià)法、等風(fēng)險(xiǎn)曲線(xiàn)、模糊風(fēng)險(xiǎn)分析、系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)，以及蒙特卡洛模擬、層次分析法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊數(shù)學(xué)、遺傳算法、貝葉斯網(wǎng)絡(luò)等。其中貝葉斯網(wǎng)絡(luò)是目前對(duì)于不確定知識(shí)表示和推理的最有效模型之一，其優(yōu)勢(shì)是提供了一個(gè)層次化的框架來(lái)系統(tǒng)地表達(dá)信息；同時(shí)，考慮了風(fēng)險(xiǎn)因素之間的相互作用和傳遞路徑。

近年來(lái)，貝葉斯網(wǎng)絡(luò)正被越來(lái)越多地投入到實(shí)際應(yīng)用中。劉俊艷等[8，17]運(yùn)用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)方法對(duì)工程進(jìn)度和地鐵施工風(fēng)險(xiǎn)因素的非疊加性影響進(jìn)行了研究。陸靜等[9]提出了基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的操作風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警機(jī)制。裘江南等[14，7]對(duì)突發(fā)事件預(yù)測(cè)和個(gè)人信用評(píng)估建立了貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型。張立茂等[19]對(duì)復(fù)雜工程安全管理決策的方法進(jìn)行了研究，提出了基于BN 的安全管理輔助決策分析（DSA）方法。李良等[11]針對(duì)大型工程項(xiàng)目的風(fēng)險(xiǎn)因素、信息和損失之間的關(guān)系，建立了大型工程項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，提出了基于風(fēng)險(xiǎn)網(wǎng)絡(luò)的大型工程項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)度量方法。Lee等[10]運(yùn)用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)評(píng)估工程風(fēng)險(xiǎn)，并建立了一套貝葉斯網(wǎng)絡(luò)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的流程。

本文利用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)理論和方法，在系統(tǒng)分析重大工程設(shè)計(jì)方案設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了一套用于重大工程設(shè)計(jì)方案的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)流程。最后，以港珠澳大橋?yàn)槔?，根?jù)專(zhuān)家調(diào)查表進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別與評(píng)估，以貝葉斯網(wǎng)絡(luò)為主要手段分析了初始設(shè)計(jì)階段的主體工程（即橋梁工程、隧道工程和人工島工程）涉及的風(fēng)險(xiǎn)因素，并進(jìn)行敏感性分析。最后，對(duì)關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行剖析、討論與總結(jié)。

1 研究方法

貝葉斯網(wǎng)絡(luò)又稱(chēng)信度網(wǎng)絡(luò)、概率網(wǎng)絡(luò)、因果網(wǎng)絡(luò)或知識(shí)網(wǎng)絡(luò)，是目前解決不確定性問(wèn)題的重要方法。貝葉斯網(wǎng)絡(luò)是一種基于網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的有向圖解描述，是人工智能、概率論、圖論和決策理論相結(jié)合的產(chǎn)物。它用具有網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的有向圖表示各個(gè)信息要素之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系及影響程度，用節(jié)點(diǎn)變量表示各個(gè)信息要素，用連接點(diǎn)之間的有向弧表示各個(gè)信息要素之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，用條件概率表表示各個(gè)信息要素之間的影響程度。

假設(shè)變量集合A=｛A1，A2，…，Ak｝，變量集合中所有變量的聯(lián)合概率分布為

當(dāng)確定聯(lián)合概率的所有值后，就可以計(jì)算隨機(jī)變量的邊緣概率，即

通過(guò)對(duì)所有聯(lián)合概率的適合項(xiàng)累加可以計(jì)算更低階數(shù)的聯(lián)合概率分布，Ai=ai，Aj=aj，1≤i，j≤k的聯(lián)合概率為

因此，一個(gè)隨機(jī)變量集合中的所有邊緣概率和所有更低階的聯(lián)合概率可以通過(guò)其完全概率分布獲得，前提是滿(mǎn)足獨(dú)立性條件。通常，如果滿(mǎn)足A1，則

稱(chēng)A1，A2，…，An是n個(gè)獨(dú)立事件。針對(duì)概率模式P、X、Y、Z是U的3 個(gè)互不相交的變量子集。若?x∈X，?y∈Y，?z∈Z，均有

給定變量Ai、A j的條件概率由表示，對(duì)于Ai、Aj的任何值，可以給出：

由此可得貝葉斯準(zhǔn)則：

貝葉斯規(guī)則允許在兩個(gè)方向上進(jìn)行概率推理，它是貝葉斯網(wǎng)絡(luò)推理的基礎(chǔ)。貝葉斯網(wǎng)絡(luò)推理是在一個(gè)不確定環(huán)境和不完全信息下進(jìn)行決策支持和因果發(fā)現(xiàn)的工具[15]，如圖1所示。圖1展示了X1、X2和Y這3個(gè)點(diǎn)之間的條件概率關(guān)系，兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間有連線(xiàn)則表示兩者之間存在關(guān)聯(lián)，始點(diǎn)成為父節(jié)點(diǎn)，終點(diǎn)成為子節(jié)點(diǎn)。表1給出了節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)與發(fā)生的概率，其中，S0表示事故未發(fā)生，S1表示事故發(fā)生。

圖1 貝葉斯網(wǎng)絡(luò)案例

表1 圖1案例的條件概率表

表1所示為3個(gè)事件之間的條件概率關(guān)系。運(yùn)用貝葉斯準(zhǔn)則，可以進(jìn)行正向和反向推理。正向推理是指通過(guò)父節(jié)點(diǎn)和條件概率表來(lái)計(jì)算子節(jié)點(diǎn)的概率。圖1中，利用貝葉斯準(zhǔn)則可以計(jì)算出，當(dāng)事件Y發(fā)生時(shí)，Y事件發(fā)生的無(wú)條件概率是34.22%，故

反向推理是指當(dāng)Y事件發(fā)生時(shí)計(jì)算父節(jié)點(diǎn)概率。這有助于定位事件發(fā)生的源頭。令P（Y=S1）=1，可以獲悉X1和X2的概率，計(jì)算可知，案例概率分別為71.36%和37.65%。

2 基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的重大工程設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)分析方法

重大工程設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)存在于設(shè)計(jì)方案階段。重大工程方案是一個(gè)開(kāi)放的人造復(fù)雜系統(tǒng)，既包括重大工程硬系統(tǒng)，也包括重大工程軟系統(tǒng)，前者即形成重大工程的物理功能、關(guān)鍵技術(shù)，而后者則形成重大工程管理方案。重大工程的設(shè)計(jì)方案不僅涉及要素多且要素之間關(guān)系復(fù)雜，而且決策目標(biāo)難以明晰化、不確定性嚴(yán)重，同時(shí)對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)環(huán)境具有重大影響。重大工程設(shè)計(jì)方案從概念變?yōu)閷?shí)體后，將會(huì)重構(gòu)原來(lái)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)，這有可能產(chǎn)生新的社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)，最可怕的是涌現(xiàn)出負(fù)面的系統(tǒng)演化走向，如引發(fā)了生態(tài)、自然環(huán)境的惡化、區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展的衰退等情況。

貝葉斯網(wǎng)絡(luò)開(kāi)發(fā)的基本流程分為風(fēng)險(xiǎn)因素識(shí)別與歸納、風(fēng)險(xiǎn)估值、貝葉斯網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)構(gòu)建、校驗(yàn)和風(fēng)險(xiǎn)分析。在每個(gè)階段完成相應(yīng)的任務(wù)，最終完成復(fù)合要求的系統(tǒng)模型。整個(gè)基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的建模過(guò)程如圖2所示。

圖2 基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的項(xiàng)目管理流程

結(jié)合貝葉斯網(wǎng)絡(luò)原理、參數(shù)學(xué)習(xí)算法和推理方法，基于工程實(shí)踐，本文采用結(jié)構(gòu)化系統(tǒng)開(kāi)發(fā)方法提出重大工程設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)算法，下面結(jié)合港珠澳大橋的設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估流程對(duì)本文的算法進(jìn)行描述。

2.1 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與分類(lèi)

對(duì)于重大工程而言，影響設(shè)計(jì)階段風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別的3個(gè)主要因素是決策主體、決策目標(biāo)和專(zhuān)家團(tuán)隊(duì)。決策主體的多元化、決策目標(biāo)的多層次，使得決策目標(biāo)之間關(guān)系縱橫交錯(cuò)，最終將通過(guò)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)反映主體利益之間的協(xié)調(diào)和偏好。一般而言，工程風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)分為風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生概率標(biāo)準(zhǔn)和風(fēng)險(xiǎn)損失標(biāo)準(zhǔn)。表2所示為重大工程領(lǐng)域一個(gè)相對(duì)普遍的風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生概率標(biāo)準(zhǔn)，其風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生概率分為5個(gè)等級(jí)，概率區(qū)間是不均勻的。

表2 風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生概率等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

重大工程風(fēng)險(xiǎn)損失等級(jí)則比一般工程需要考慮更多的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境因素，表3所示為依據(jù)人員傷亡、經(jīng)濟(jì)損失、工期延遲和環(huán)境影響的嚴(yán)重程度劃分為5個(gè)級(jí)別。

表3 風(fēng)險(xiǎn)損失等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

由于重大工程技術(shù)含量非常高，加之復(fù)雜的水文、氣象、地質(zhì)等復(fù)雜因素，其風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估專(zhuān)家團(tuán)隊(duì)的構(gòu)成必須包含工程涉及的各領(lǐng)域?qū)＜摇Ｒ话惆ㄋ淼拦こ?、橋梁工程、地質(zhì)路基工程、路面工程、交通工程、結(jié)構(gòu)工程、通信工程、管理科學(xué)、水工結(jié)構(gòu)、工程力學(xué)、土木信息化、軟件工程、環(huán)評(píng)、水文和路線(xiàn)等專(zhuān)家。通過(guò)廣泛吸取群體中多個(gè)成員的經(jīng)驗(yàn)、知識(shí)和智慧，融合不同層面、不同領(lǐng)域的群眾、專(zhuān)家和領(lǐng)導(dǎo)的意見(jiàn)，本階段將重大工程設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)的風(fēng)險(xiǎn)源。

2.2 風(fēng)險(xiǎn)估值

在確定風(fēng)險(xiǎn)概率等級(jí)和風(fēng)險(xiǎn)損失等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)之后，在風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估階段組建的專(zhuān)家團(tuán)隊(duì)就可以對(duì)變量節(jié)點(diǎn)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)估值。從工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn)出發(fā)，專(zhuān)家打分的檢查表法因其便利性是風(fēng)險(xiǎn)估值階段最常見(jiàn)的方法，其缺點(diǎn)是無(wú)法體現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)源之間的相互影響和分層次關(guān)系。特別是使用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)等方法進(jìn)行二手資料研究，需要有限的資料對(duì)風(fēng)險(xiǎn)源之間的層次和關(guān)系進(jìn)行估算。因此，本文基于專(zhuān)家打分法得到的數(shù)據(jù)，利用加權(quán)平均獲得節(jié)點(diǎn)的初始值集合，再利用EM（Expectations Maximization）算法對(duì)缺失和模糊的數(shù)據(jù)進(jìn)行再處理。

假設(shè)子節(jié)點(diǎn)B，存在父節(jié)點(diǎn)B1，B2，…，Bk，通過(guò)檢查表法提供風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生概率集合和風(fēng)險(xiǎn)損失等級(jí)集合可獲得

式中：FBi=｛PBi，0｝；PBi為Bi的風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生概率；Li為Ci風(fēng)險(xiǎn)損失等級(jí)。式（7）可提供風(fēng)險(xiǎn)源之間的條件概率數(shù)據(jù)的初始值。之后，采用EM 算法處理初始值，該算法是Dempster等（1977）提出的一種通過(guò)搜索局部最小值對(duì)缺乏數(shù)據(jù)的未知參數(shù)漸進(jìn)地確定性估計(jì)方法，用于不完整數(shù)據(jù)模式下計(jì)算最大似然估計(jì)，是當(dāng)前最可行的處理數(shù)據(jù)缺失問(wèn)題的方法之一，具體算法如下：

算法1

S0初始化，對(duì)選擇期望的精度ε，設(shè)置修正值為一較大值=，當(dāng)|-|＞ε時(shí)，轉(zhuǎn)S1；否則，停止計(jì)算。

S1計(jì)算e*的期望充分估計(jì)量

式中，N ijk為X i和parent（X i）所有可能聯(lián)合實(shí)例化的計(jì)數(shù)，分別用k（對(duì)X i）和j（對(duì)parent（X i））表示。任意N ijk通過(guò)對(duì)所有聯(lián)合觀測(cè)y l的右手邊概率求和進(jìn)行計(jì)算。

S2使用期望統(tǒng)計(jì)最大化，即

2.3 構(gòu)建貝葉斯網(wǎng)絡(luò)

風(fēng)險(xiǎn)矩陣是處理風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生概率和風(fēng)險(xiǎn)損失等級(jí)的常見(jiàn)方法，如圖3所示。

圖3 貝葉斯網(wǎng)絡(luò)風(fēng)險(xiǎn)矩陣

確定節(jié)點(diǎn)和取值之后就可以著手建立貝葉斯網(wǎng)絡(luò)?？梢酝ㄟ^(guò)專(zhuān)家來(lái)確定網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和節(jié)點(diǎn)的條件概率。本階段在確定貝葉斯網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)、節(jié)點(diǎn)之間的層次關(guān)系和輸入節(jié)點(diǎn)信息之后，利用Clique-tree Propagation算法進(jìn)行信念更新，使得貝葉斯網(wǎng)絡(luò)達(dá)到全局一致。該算法是Lauritzen等（1988）提出的一種經(jīng)典的精確推理算法，它首先將貝葉斯網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)化為聯(lián)合樹(shù)，繼而通過(guò)定義聯(lián)合樹(shù)上的消息傳遞過(guò)程進(jìn)行概率計(jì)算，完成貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的推理運(yùn)算[14]，算法描述如下：

算法2

S0首先判斷一個(gè)節(jié)點(diǎn)的父節(jié)點(diǎn)是否連接，若無(wú)，則在父節(jié)點(diǎn)之間增加一條無(wú)向邊，重復(fù)遍歷，得到有向圖后，去掉有向圖中的所有連接方向，產(chǎn)生摩爾圖后，將摩爾圖三角化，為其定義集團(tuán)，將集團(tuán)連接形成連接樹(shù)。

S1假設(shè)連接樹(shù)中的集團(tuán)Bi由r個(gè)節(jié)點(diǎn)X1，X2，…，Xr組成，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)有Sr個(gè)狀態(tài)，則共有個(gè)狀態(tài)組合。令Φi為B i的分布函數(shù)，Φij為團(tuán)Ci的第j個(gè)狀態(tài)組合的分布函數(shù)，即

S2基于連接樹(shù)的推理，計(jì)算采用了消息傳遞的思想，假設(shè)有子結(jié)構(gòu)Bi-S-Bj，消息從Bi經(jīng)過(guò)S到Bj，其具體的計(jì)算為：

S3當(dāng)連接樹(shù)達(dá)到全局一致后，可以計(jì)算任意隨機(jī)變量的概率分布。全局一致是指對(duì)于?Si、Sj，有Si=Sj?Φsi=Φsj。滿(mǎn)足全局一致性的聯(lián)合樹(shù)表示一個(gè)聯(lián)合概率分布：

式中：bj為團(tuán)節(jié)點(diǎn)；U為所有節(jié)點(diǎn)的隨機(jī)變量集合。

S4將某些節(jié)點(diǎn)設(shè)置為變量時(shí)，聯(lián)合樹(shù)將通過(guò)算法重新到達(dá)新的一致?tīng)顟B(tài)。此時(shí)，對(duì)于任意團(tuán)節(jié)點(diǎn)B滿(mǎn)足Φb=P（B，e）（e表示新加入的證據(jù)）。如要計(jì)算A的概率分布，則首先要找任意一個(gè)包含A的團(tuán)節(jié)點(diǎn)B，然后計(jì)算：

根據(jù)條件概率公式，可得變量A的概率分布為

2.4 校驗(yàn)與分析

校驗(yàn)階段主要是對(duì)模型的正確性進(jìn)行測(cè)試，如果測(cè)試結(jié)果不理想，則需對(duì)所建貝葉斯網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行修正，如此反復(fù)進(jìn)行，直到獲得滿(mǎn)意的結(jié)果。測(cè)試方法包括網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的正確性測(cè)試、概率分布值的正確性測(cè)試以及案例測(cè)試。風(fēng)險(xiǎn)分析是在貝葉斯網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建完成后進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)控制獲得敏感性信息的階段，當(dāng)控制某些變量時(shí)，與它相關(guān)的變量會(huì)發(fā)生需要關(guān)注的變化，這是完成最后的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估所需的重要信息。

3 案例

3.1 數(shù)據(jù)采集

港珠澳大橋連接香港特別行政區(qū)、廣東省珠海市、澳門(mén)特別行政區(qū)，跨越珠江口伶仃洋海域，是具有國(guó)家戰(zhàn)略意義的世界級(jí)跨海通道。作為中國(guó)高速公路網(wǎng)規(guī)劃中的珠江三角洲地區(qū)環(huán)線(xiàn)的關(guān)鍵性工程，其主要功能是解決香港與內(nèi)地（特別是珠江西岸地區(qū)）及澳門(mén)三地之間的陸路客貨運(yùn)輸要求，建立連接珠江東西兩岸新的陸路運(yùn)輸通道，從根本上改變珠江西岸地區(qū)與香港之間的客貨運(yùn)輸以水運(yùn)為主和陸路繞行的狀況。港珠澳大橋工程包括：①海中橋隧工程；②香港、珠海和澳門(mén)三地口岸；③香港、珠海和澳門(mén)三地連接線(xiàn)。具體如圖4所示。

圖4 港珠澳大橋總體方案圖

本研究是基于中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司聯(lián)合體（簡(jiǎn)稱(chēng)鐵四院）為港珠澳大橋主體工程初步設(shè)計(jì)的安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估報(bào)告，屬于二手?jǐn)?shù)據(jù)研究。鐵四院組建的評(píng)估小組，通過(guò)與業(yè)主、設(shè)計(jì)方和咨詢(xún)方溝通交流，篩選出了主要風(fēng)險(xiǎn)源；采用檢查表法對(duì)風(fēng)險(xiǎn)源進(jìn)行辨識(shí)和分類(lèi)，而本文將運(yùn)用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)方法對(duì)風(fēng)險(xiǎn)源進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析。風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估小組由38位專(zhuān)家組成，具體信息如表4所示。

表4 專(zhuān)家團(tuán)隊(duì)信息

參照中國(guó)安全生產(chǎn)相關(guān)規(guī)定，同時(shí)結(jié)合港珠澳大橋建設(shè)條件及建設(shè)總目標(biāo)，針對(duì)建設(shè)條件、結(jié)構(gòu)方案、施工技術(shù)、運(yùn)營(yíng)管理、建設(shè)方案以及項(xiàng)目管理等綜合分析，本文側(cè)重于研究設(shè)計(jì)方案可能導(dǎo)致施工階段、運(yùn)營(yíng)階段和項(xiàng)目管理中在安全、質(zhì)量、工期、管理等方面的風(fēng)險(xiǎn)。這些風(fēng)險(xiǎn)可能出現(xiàn)在項(xiàng)目管理、橋梁工程、隧道工程、人工島工程、臨建工程、交通工程等初步設(shè)計(jì)方案中，本文主要研究其中3項(xiàng)即橋梁工程、隧道工程和人工島工程。根據(jù)評(píng)估專(zhuān)家意見(jiàn)，本文研究的工程對(duì)象的風(fēng)險(xiǎn)源超過(guò)100個(gè)，包括深水地址勘探風(fēng)險(xiǎn)、設(shè)計(jì)水位取值風(fēng)險(xiǎn)、隧道結(jié)構(gòu)耐久性風(fēng)險(xiǎn)以及淤泥開(kāi)挖邊坡失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)等，如圖5所示。

圖5 港珠澳大橋建設(shè)部分風(fēng)險(xiǎn)源

圖5中出現(xiàn)了超過(guò)100個(gè)風(fēng)險(xiǎn)源，這對(duì)于重大工程而言是合理的數(shù)字，但是對(duì)于科學(xué)研究而言問(wèn)題規(guī)模是相當(dāng)大的。因此，通過(guò)專(zhuān)家訪談?wù){(diào)查問(wèn)卷等方式，將規(guī)?？s小為18個(gè)主要風(fēng)險(xiǎn)源。這些風(fēng)險(xiǎn)源可以歸納為橋梁工程集合、隧道工程集合和人工島集合3類(lèi)，如圖6所示。

圖6 港珠澳大橋建設(shè)關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別與歸類(lèi)

從數(shù)量上來(lái)看，隧道工程風(fēng)險(xiǎn)源最多，包括地質(zhì)、水文等設(shè)計(jì)基礎(chǔ)資料的精度和準(zhǔn)確性風(fēng)險(xiǎn)，島上暗埋段防水層破壞的風(fēng)險(xiǎn)和管節(jié)抗浮不足等8項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)；工程風(fēng)險(xiǎn)源次之，包括大型預(yù)制承臺(tái)、墩身設(shè)計(jì)方案風(fēng)險(xiǎn)、橋梁鋼結(jié)構(gòu)制造加工風(fēng)險(xiǎn)以及整幅鋼箱正交異性鋼橋面板鋪裝施工風(fēng)險(xiǎn)等6項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)；人工島工程有4項(xiàng)主要風(fēng)險(xiǎn)源，即淤泥開(kāi)挖邊坡的失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)、不均勻沉降對(duì)道路工程結(jié)構(gòu)的損壞風(fēng)險(xiǎn)、大直徑擠密砂樁（SCP 工法）新工法的應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)和基槽回填砂厚度＞15 m 段振沖密實(shí)加固的風(fēng)險(xiǎn)。表5

所示為鐵四院用檢查表法獲得的風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生概率和風(fēng)險(xiǎn)損失等級(jí)表。本文已此表的原始調(diào)查數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，獲得貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的初始輸入?yún)?shù)。

表5 港珠澳大橋建設(shè)關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生概率

3.2 港珠澳大橋設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)

本節(jié)中，將完成一個(gè)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的構(gòu)建。首先，基于表5，可以確定網(wǎng)絡(luò)中的變量和輸入，即構(gòu)建貝葉斯網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。整個(gè)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)三層結(jié)構(gòu)，18個(gè)主要風(fēng)險(xiǎn)源在網(wǎng)絡(luò)的最外層，屬于父節(jié)點(diǎn)集合，A、B、C是它們的子節(jié)點(diǎn)，而M則是A、B、C的子節(jié)點(diǎn)。通過(guò)構(gòu)建港珠澳大橋風(fēng)險(xiǎn)源的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)，可以看清每個(gè)因素之間的關(guān)聯(lián)和風(fēng)險(xiǎn)的全景圖，如圖7所示。

根據(jù)算法3，需要確定貝葉斯網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的先驗(yàn)概率和條件概率，篇幅所限，僅給出點(diǎn)A的條件概率表，如表6所示。

進(jìn)行信念更新，即可得如下概率信息：

圖7 港珠澳大橋主體工程風(fēng)險(xiǎn)的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

基于上述信息與已知的先驗(yàn)概率，可得點(diǎn)A、B、C的條件概率表，對(duì)節(jié)點(diǎn)M，重復(fù)算法1，可得到M點(diǎn)的條件概率，如表7所示。

表6 計(jì)算A點(diǎn)相關(guān)條件概率表

表7 M 點(diǎn)的條件概率表

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 敏感性分析

在實(shí)驗(yàn)部分，本文用GeNIe2.0 軟件作為敏感性分析的主要工具，將貝葉斯網(wǎng)絡(luò)和相關(guān)信息輸入軟件，設(shè)定所有的子節(jié)點(diǎn)（A、B、C、M）為目標(biāo)。最后，得到敏感性分析結(jié)構(gòu)圖如圖8所示。節(jié)點(diǎn)的顏色越深，表示該節(jié)點(diǎn)的敏感程度越高。

圖8 港珠澳大橋主體工程風(fēng)險(xiǎn)敏感性分析圖

由圖8可以看出，C是在M的子節(jié)點(diǎn)集合中敏感性最高的節(jié)點(diǎn)，其次是B。這意味著項(xiàng)目管理者需要對(duì)人工島工程和隧道工程投注更多的經(jīng)歷，雖然它們的風(fēng)險(xiǎn)個(gè)數(shù)相對(duì)于橋梁工程而言是少的。事實(shí)上，該結(jié)果與中國(guó)橋梁工程建設(shè)經(jīng)驗(yàn)豐富而隧道人工島工程相對(duì)匱乏的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)是相符合的。在二層結(jié)構(gòu)上看，對(duì)節(jié)點(diǎn)A而言，A1～A6敏感性程度相當(dāng)；對(duì)B而言，B2、B4、B7和B8是其關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)源；C1～C4對(duì)C的影響程度區(qū)別不大。

4.2 風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)分析

根據(jù)表5的原始調(diào)查表，可以依據(jù)圖3進(jìn)行每個(gè)節(jié)點(diǎn)的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)分析，結(jié)果整理如表8所示。風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)表透露了很多信息，在父節(jié)點(diǎn)集合中，C3是風(fēng)險(xiǎn)程度最高的，有25% 的專(zhuān)家建議將它歸為高風(fēng)險(xiǎn)R3，75% 的專(zhuān)家將它歸于中等風(fēng)險(xiǎn)R2層級(jí)。根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)概率，屬于R3集合的風(fēng)險(xiǎn)排序?yàn)锽5、B4、B6、B7、B8。B1、B2、B3、C1、C2、C4，則 屬 于R2。A的 父 節(jié)點(diǎn)集合中，不存在屬于高風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)R3的風(fēng)險(xiǎn)，Ai以不同概率分屬R1和R3。根據(jù)A的父節(jié)點(diǎn)概率，其風(fēng)險(xiǎn)源排序?yàn)锳4、A2、A5、A3、A6、A1。父節(jié)點(diǎn)的信息有助于項(xiàng)目管理者更合理的分配有限的資源。

表8 基于風(fēng)險(xiǎn)矩陣的港珠澳大橋風(fēng)險(xiǎn)項(xiàng)等級(jí)表

4.3 先驗(yàn)概率與后驗(yàn)概率

正如本文在貝葉斯網(wǎng)絡(luò)方法介紹的，后驗(yàn)概率是基于先驗(yàn)概率的一種修正概率。對(duì)A、B、C和M給出證據(jù)信息時(shí)，就可以獲得節(jié)點(diǎn)的后驗(yàn)概率。在本節(jié)中比較先驗(yàn)概率和后驗(yàn)概率的變化，如圖9所示。

從總體上看，在集合A中，先驗(yàn)概率只有兩種概率，而在后驗(yàn)概率中分化為4種概率。具體而言，A5始終是需要花費(fèi)最多精力的最高風(fēng)險(xiǎn)源，A4次之。A1和A2屬于第三層級(jí)，最后是A3和A6。對(duì)于風(fēng)險(xiǎn)源更細(xì)致的分層有助于分清主次。在集合B中，原來(lái)的4類(lèi)結(jié)構(gòu)被分解為7類(lèi)。風(fēng)險(xiǎn)最高的是B7和B8，接下來(lái)是B4、B2、B3、B6、B1、B5。有趣的是，B6在后驗(yàn)概率中出現(xiàn)了降低。在集合C中，沒(méi)有出現(xiàn)先驗(yàn)概率和后驗(yàn)概率的不同分層，C4始終是風(fēng)險(xiǎn)概率最高的，C1、C2、C3相對(duì)次之。

5 結(jié)論

本文構(gòu)建了一個(gè)港珠澳大橋主體工程初步設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)。首先給出了基于風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生概率和風(fēng)險(xiǎn)損失等級(jí)的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)分析，利用GeNIe2.0軟件進(jìn)行了敏感性實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，隧道工程是風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)最高的集合，而C3、B8、B7、B4、B6、B5和A5是相對(duì)而言的，需要管理者花費(fèi)更多精力的工程關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)源。重大工程特殊的規(guī)模和復(fù)雜性需要引進(jìn)新的技術(shù)，新技術(shù)的引用又提升了重大工程的風(fēng)險(xiǎn)，這對(duì)于管理是極大的挑戰(zhàn)。

基于上述實(shí)驗(yàn)分析，可得如下結(jié)論：

圖9 A、B、C 點(diǎn)先驗(yàn)概率與后驗(yàn)概率比較圖

（1）在橋梁工程、隧道工程和人工島工程中，敏感性最強(qiáng)的是人工島工程。這是因?yàn)?，雖然人工島工程的風(fēng)險(xiǎn)源造成的損失等級(jí)都不高，但是發(fā)生概率都特別高。C3是指大直徑擠密砂樁（SCP工法）新工法的應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)。由于人工島工程地基加固深度大，需要改裝國(guó)內(nèi)施工設(shè)備或進(jìn)口大型專(zhuān)用SCP擠密砂樁船，設(shè)備購(gòu)置費(fèi)用、培訓(xùn)費(fèi)用等易造成工程投資較大增加，同時(shí)樁體的密實(shí)度及連續(xù)性、樁體擠密施工中造成相鄰樁破壞等質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)較大，影響復(fù)合地基的整體加固效果。所以，加強(qiáng)大直徑擠密砂樁的設(shè)備調(diào)研、工藝可行性和經(jīng)濟(jì)性、現(xiàn)場(chǎng)工藝試驗(yàn)等專(zhuān)題研究工作，有助于消減其風(fēng)險(xiǎn)水平。

（2）中國(guó)工程建造行業(yè)近年來(lái)在橋梁工程累積了大量建造經(jīng)驗(yàn)。雖然在港珠澳大橋橋梁工程部分存在43項(xiàng)主要風(fēng)險(xiǎn)源，但是它們都屬于R1和R2風(fēng)險(xiǎn)層級(jí)水平。這表示，相比另兩個(gè)工程而言，橋梁工程的風(fēng)險(xiǎn)源發(fā)生概率和損失等級(jí)都是相對(duì)低的。A5是橋梁工程部分相對(duì)風(fēng)險(xiǎn)最高的，它指的是整幅鋼箱正交異性鋼橋面鋪裝維養(yǎng)風(fēng)險(xiǎn)。港珠澳大橋鋼橋面的鋪裝面積相當(dāng)巨大，因此，對(duì)施工和維養(yǎng)的要求非常高，需要引起項(xiàng)目管理者的足夠重視。

（3）敏感性分析部分而言，隧道工程集中了最多的敏感因子，含有45項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)源。這些風(fēng)險(xiǎn)源涉及眾多學(xué)科，所以隧道工程部分的管理是相當(dāng)具有挑戰(zhàn)性的。結(jié)合敏感性結(jié)果和風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)結(jié)果來(lái)看，隧道工程的B8、B7、B4、B6和B5需要特別重視。B8表示基槽開(kāi)完工期風(fēng)險(xiǎn)。港珠澳大橋隧道工程基槽開(kāi)挖的施工環(huán)境復(fù)雜，受控因素較多，如為了保護(hù)中華白海豚，4～8月需要調(diào)整控制工程進(jìn)度，航道繁忙、軍用電纜的拆移時(shí)間等，都會(huì)增加深埋段基槽開(kāi)挖的施工難度。其余的4個(gè)風(fēng)險(xiǎn)主要是指管節(jié)預(yù)制循環(huán)周期存在時(shí)間不足風(fēng)險(xiǎn)、碎石平整層不能達(dá)到設(shè)計(jì)精度要求的風(fēng)險(xiǎn)、節(jié)段接縫可膨脹式止水帶的耐久性和耐疲勞不足引起沉管節(jié)段接頭的OMEGA止水帶無(wú)法更換的風(fēng)險(xiǎn)，以及溫度和地震荷載不利組合作用使沉管節(jié)段接頭超?？v向變形引起的漏水風(fēng)險(xiǎn)?？傮w而言，隧道工程風(fēng)險(xiǎn)源多涉及面廣，管理難度較大，需要在施工前開(kāi)展碎石平整層、管段預(yù)制、地基加固和可膨脹式水帶的專(zhuān)題研究，制定相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)防范措施和質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)。

此外，港珠澳大橋作為世界級(jí)的重大工程，在風(fēng)險(xiǎn)管理方面有如下兩方面值得借鑒：

（1）為了保證方案的全面系統(tǒng)規(guī)劃，港珠澳大橋管理局設(shè)別設(shè)立了港珠澳大橋前期工作協(xié)調(diào)小組辦公室。由于建設(shè)工程是一個(gè)巨大的系統(tǒng)工程，必須設(shè)置專(zhuān)門(mén)的風(fēng)險(xiǎn)管理機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)的職責(zé)是協(xié)調(diào)，負(fù)責(zé)制定建設(shè)工程的風(fēng)險(xiǎn)管理計(jì)劃，直接負(fù)責(zé)整個(gè)工程的保險(xiǎn)管理。一個(gè)健全的工程風(fēng)險(xiǎn)管理組織需要貫穿工程的全壽命周期，從項(xiàng)目的初期就應(yīng)當(dāng)開(kāi)始對(duì)關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)源進(jìn)行識(shí)別和控制。

（2）為了評(píng)價(jià)和控制動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，需要建立一個(gè)全面的綜合信息系統(tǒng)。系統(tǒng)將記錄風(fēng)險(xiǎn)數(shù)據(jù)、風(fēng)險(xiǎn)管理識(shí)別、評(píng)價(jià)以及控制措施和落實(shí)情況等。詳盡而頻繁更新的風(fēng)險(xiǎn)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)是有效控制風(fēng)險(xiǎn)的重要前提。系統(tǒng)利用信息技術(shù)，將風(fēng)險(xiǎn)資料集中管理在一個(gè)平臺(tái)上，有容易而多元化的搜尋和報(bào)告方式，方便集中管理、有助于信息有效傳遞，方便相關(guān)人員更快、更準(zhǔn)確地掌握和共享。