基于模糊貝葉斯的塔機施工安全風(fēng)險評價研究

周劍學(xué) 薛善治 彭益璟

（1.煤炭工業(yè)濟南設(shè)計研究院有限公司，山東 濟南 250000；2.武漢科技大學(xué)管理學(xué)院，湖北 武漢 430000）

1 背景

塔式起重機是一種具有豎直塔身的全回轉(zhuǎn)動臂起重機，施工過程中極易造成群死群傷的惡性事故。本文利用故障樹轉(zhuǎn)化形成的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)與模糊綜合評判法相結(jié)合，提出基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的塔機施工風(fēng)險模糊綜合評估方法，對塔機施工風(fēng)險進行評估，以期發(fā)現(xiàn)塔機工程建設(shè)的薄弱環(huán)節(jié)，并為其風(fēng)險控制和管理提供參考依據(jù)。

2 塔機施工風(fēng)險識別與評估方法

2.1 塔機施工安全事故貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的建立

2.1.1 塔機施工安全事故事故樹作圖

事故樹分析法(FTA)[1]是在事故鏈理論的基礎(chǔ)上發(fā)展而形成的。在事故鏈理論的基礎(chǔ)上，如果將上一環(huán)節(jié)中包含的事故原因和下一環(huán)節(jié)包含的事故原因根據(jù)實際情況一一對應(yīng)起來，就可以得到樹形的事故樹。事故樹分析法是從特定事故或故障開始，層層分析其發(fā)生原因，直到找出事故的基本原因為止的方法，可以對事故的原因定性和定量分析。

本文將塔機施工過程中發(fā)生的事故作為頂上事件逐層分析事故發(fā)生的原因，建立塔機施工各種事故的事故樹。

2.1.2 塔機施工安全事故貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的建立

貝葉斯網(wǎng)絡(luò)方法具備描述事件多態(tài)性和故障邏輯關(guān)系不確定性的能力，既能用于預(yù)測，也可用于診斷。貝葉斯網(wǎng)絡(luò)由定性部分(以DAG表示的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu))和定量部分(條件概率表)組成。通過基本事件的先驗概率，通過各個節(jié)點間的條件概率可以對節(jié)點的后驗概率進行推理運算。

2.2 塔機施工安全事故風(fēng)險發(fā)生概率評價

為了盡可能對塔機施工安全風(fēng)險作出準確的評價，需要對風(fēng)險發(fā)生的概率和可能性等級之間建立模糊的對應(yīng)關(guān)系。通過德爾菲法可以確定貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)，進而計算出風(fēng)險事故和整體塔機作業(yè)風(fēng)險的風(fēng)險可能性的大小，對于工程實際情況，邀請專家組對風(fēng)險事故概率區(qū)間作出劃分。如表1所示。

表1 風(fēng)險概率等級

2.3 塔機施工安全事故損失大小的模糊綜合評價

風(fēng)險損失是指塔機施工中風(fēng)險事件一旦發(fā)生后所導(dǎo)致的各種損失后果，包括施工人員生命安全、經(jīng)濟財產(chǎn)、工程質(zhì)量、施工工期以及自然環(huán)境的影響，表現(xiàn)為各種價值的損失大小等級。本文通過層次分析法的模糊綜合評價[2]來進行各個風(fēng)險損失值的計算。

2.3.1 建立因素集

根據(jù)建立起來的塔機施工風(fēng)險評價指標體系，按照指標體系的風(fēng)險層次結(jié)構(gòu)來確定所需的因素集，U=（u1，u2，u3，u4，u5），各單因素子集為：U=（u11，u12，……，u1m），m為指標個數(shù)。

2.3.2 建立評價集合并量化

對評價對象即風(fēng)險損失的評價結(jié)果進行模糊化，V=(v1，v2，…，v5))，n為評價等級個數(shù)，一般根據(jù)實際情況可以將評價等級劃分為 4 個或 5個。本文把風(fēng)險損失分為5個等級，如表2所示。

表2 風(fēng)險損失分級

2.3.3 確定需評價風(fēng)險因素對評價對象的權(quán)重

本文利用AHP法，通過判別矩陣對風(fēng)險因素兩兩比較，求解各個判別矩陣的特征根λmax及其對應(yīng)的特征向量，得到各個準則層各元素的相對權(quán)重，并最終得最低層元素對于總目標的排序權(quán)重。然后通過對判斷矩陣進行必要的一致性檢驗，通常用一致性指標判別矩陣進行檢驗，而為了得到不一致程度的允許范圍，

Saaty 又進一步引入了隨機一致性指標 。通過表確定，計算一致性比率

再次對矩陣進行一致性檢驗，RI如表3所示：

表3 平均隨機一致性指標RI

當CI≤0.1時，矩陣的一致性可接受；當CI＞0.1時，如果矩陣A的一致性不滿足要求，需重新邀請專家做再次評價，直到通過檢驗為止。這樣就可以得出第一級評價因素對總目標的權(quán)重W，第二級評價因素對第一層中的元素的權(quán)重Wi。

2.3.4 建立單因素評價矩陣

在構(gòu)造了等級模糊子集后，對每個因素進行量化，即各個Ri矩陣確定被評價對象對各等級模糊子集的隸屬度，并最終得到模糊關(guān)系矩陣R。

2.3.5 模糊綜合評價并確定最終評價得分

將每個因素的權(quán)重向量Wi與模糊關(guān)系矩陣合成就可以得到評價結(jié)果向量B。

最后可得出風(fēng)險因素的隸屬矩陣，然后根據(jù)CBi=Bi·VT求得各個風(fēng)險事故的損失評價值。

2.4 風(fēng)險等級標準

塔機施工風(fēng)險評估中采用如下公式進行風(fēng)險值計算：

式中：

R-危險因素的風(fēng)險值；

P-風(fēng)險發(fā)生的概率值；

C-風(fēng)險后果的損失程度。

實際的施工情況，通過定量化的數(shù)據(jù)對具體塔機施工風(fēng)險狀況作出判斷，并確定其風(fēng)險水平的等級。如表4所示，在分別確定了風(fēng)險概率和風(fēng)險損失的等級之后，也要對施工風(fēng)險作出等級劃分。

表4 風(fēng)險等級標準劃分

3 實例分析

以某工程塔機施工為例，通過系統(tǒng)的危險源辨識，利用上文的評價模型，進行基于模糊貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的安全風(fēng)險評價。

3.1 塔吊施工事故故障樹分析

塔式起重機施工作業(yè)主要的安全事故類型有起吊物墜落傷人、塔吊傾塌、高處墜落、觸電，其余事故類型不常見，通過防范措施可以避免。因此，首先考慮這幾種事故類型進行風(fēng)險評價。

圖1 塔機高處墜落事故樹

圖2 塔機吊運物傷人墜落事故樹

圖3 塔機傾塌事故樹

圖4 塔機觸電事故樹

3.1.1 高處墜落事故樹的建立

分析高處墜落事故原因建立高處墜落事故樹，如圖1所示，其中各個代碼與專家打分后的發(fā)生概率為：T1高處墜落，M1防護措施失效，M2工人不小心墜落，X1未使用安全帶0.47，X2安全帶連接不牢靠0.49，X3安全帶損壞0.38，X4工人失去平衡0.29，X5作業(yè)面環(huán)境差0.24，X6惡劣天氣0.17。

3.1.2 吊運物墜落傷人事故樹的建立

分析吊運物墜落傷人事故原因建立吊運物墜落傷人事故樹，如圖2所示，其中各個代碼與專家打分后的發(fā)生概率為：T2吊物傷人，M3作業(yè)人員原因，M4塔機原因，M5吊運物原因，X7作業(yè)人員無資格0.42，X8操作失誤0.49，X9指揮失誤0.34，X10設(shè)備失靈0.27，X11質(zhì)量缺陷0.29，X12鋼絲繩損壞0.43，X13超載0.46，X14吊運物鋒利割壞鋼絲繩0.26，X15吊運物綁扎不牢0.17，X16大風(fēng)天氣作業(yè)0.12。

3.1.3 塔吊倒塌故障樹建立

分析塔吊倒塌事故原因建立塔機倒塌事故樹，如圖3所示，其中各個代碼與專家打分后的發(fā)生概率為：T3塔吊傾塌，M6超荷載提升，M7誤操作塔吊脫軌，M8塔吊基礎(chǔ)不合格，X17超負荷運行0.36，X18限制閥失靈0.24，X19人為操作失誤0.39，X20軌道安裝失誤0.37，X21計算有誤0.22，X22強度不合格0.26。

3.1.4 觸電故障樹的建立

分析觸電事故原因建立塔機觸電事故樹，如圖4所示，其中各個代碼與專家打分后的發(fā)生概率為：T4觸電，M9人觸及帶電體，M10防護措施失效，X23違章作業(yè)0.51，X24絕緣體失效0.27，X25作業(yè)環(huán)境不可靠0.21，X26作業(yè)時突然送電0.48，X27未使用絕緣工器具0.35，X28絕緣工器具質(zhì)量不合格0.31。

3.2 故障樹向貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)化

根據(jù)故障樹向貝葉斯網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)化的規(guī)則，借助貝葉斯仿真軟件 Genie2.0建立塔機事故的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型。如圖5所示。

圖5 塔機施工作業(yè)風(fēng)險貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型

3.3 風(fēng)險事故的概率評價

塔機施工風(fēng)險貝葉斯網(wǎng)絡(luò)中基本事件的概率都可以通過Genie2.0軟件進行線性推理計算，將表4各個節(jié)點的連接概率輸入進Genie軟件，點擊Update之后Genie就會自動計算每個節(jié)點的概率，最終求各類風(fēng)險事件發(fā)生的概率。如表5所示。

表5 塔機風(fēng)險事故概率評價

3.4 風(fēng)險事故的損失評價

利用上文介紹的模糊綜合評價方法根據(jù)每個風(fēng)險事件的Ri，Ri通過專家意見得來，再由公式CBi=Bi·VT可以求得對應(yīng)的風(fēng)險事件的損失評價得分，如表6所示。

表6 塔機風(fēng)險事故損失評價

3.5 塔機施工作業(yè)風(fēng)險等級的確定

根據(jù)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)推理得出的概率與損失得分可以確定塔機施工的各個事故類型的風(fēng)險值，然后可以根據(jù)表4確定其風(fēng)險等級，如表7所示。

表7 塔機風(fēng)險事故風(fēng)險等級

通過模型分析計算得出本工程塔機發(fā)生高處墜落、吊物墜落傷人的風(fēng)險為Ⅲ級一般風(fēng)險，塔機傾塌、觸電事故的風(fēng)險為Ⅱ級稍有危險，塔機施工的整體風(fēng)險水平為Ⅲ級一般風(fēng)險，這與本工程塔機施工的實際情況相符，需加強對高處墜落以及吊物墜落傷人事故的預(yù)防和控制。塔式起重機由于使用和構(gòu)造的待殊性，危險因素很多，在使用中應(yīng)特別注意遵守相關(guān)的安全操作規(guī)范，對危險因素加強風(fēng)險檢測與監(jiān)控，實行動態(tài)風(fēng)險管理。

4 結(jié)論

通過對塔機歷史事故的事故樹分析，充分辨識了塔機施工過程中的重要風(fēng)險因素，建立了各種事故的故障樹模型，并將故障樹模型轉(zhuǎn)化為貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型，在Genie2.0中進行概率推理。在實際實施過程中，將相關(guān)數(shù)據(jù)信息與專家組多次反復(fù)交流和反饋修正，保證了數(shù)據(jù)的可靠性。模糊層次分析法具有定性和定量相結(jié)合的處理各種評價因素的特點，以及系統(tǒng)、靈活、簡潔的優(yōu)點，被廣泛使用在風(fēng)險評估領(lǐng)域。貝葉斯網(wǎng)絡(luò)方法可視性強，貝葉斯節(jié)點變量間的因果關(guān)系與塔機施工事故故障樹層次結(jié)構(gòu)具有一致性，通過故障樹向貝葉斯網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換，然后通過貝葉斯網(wǎng)絡(luò)推理軟件Genie2進行概率線性推理，方便快捷準確。結(jié)合貝葉斯網(wǎng)絡(luò)法和模糊層次分析法，對塔機施工進行安全評價，可以充分考慮影響塔機施工安全的各風(fēng)險因素，將定性和定量的分析相結(jié)合，避免主觀錯誤，對復(fù)雜的多因素、較多層次的風(fēng)險評估問題評價效果較好。