基于模糊貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的塔吊作業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

王金輝，郝 偉，陶 澤，韋 麗

(蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

塔吊在各類(lèi)工程當(dāng)中的運(yùn)用極其廣泛，許多施工材料都需要塔吊進(jìn)行調(diào)運(yùn)，在多種施工現(xiàn)場(chǎng)中已成為一種必不可少的設(shè)備。但是由于塔吊作業(yè)時(shí)，塔吊布置數(shù)量密集、起吊作業(yè)頻繁等原因，導(dǎo)致安全事故頻頻發(fā)生，且后果較為嚴(yán)重，時(shí)有因?yàn)閺?fù)合原因?qū)е略O(shè)備損壞甚至人員傷亡的事故發(fā)生。因此，開(kāi)展塔吊作業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估對(duì)于施工現(xiàn)場(chǎng)的安全管理具有重要意義。

塔吊作業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估是涉及技術(shù)、環(huán)境和組織的復(fù)雜系統(tǒng)問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)塔吊安全作業(yè)問(wèn)題進(jìn)行了大量的研究。如Chen等提出了一種在風(fēng)荷載波動(dòng)下塔式起重機(jī)安全性評(píng)估的通用方案，以確保塔式起重機(jī)結(jié)構(gòu)的安全，預(yù)防倒塌風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)生；余群舟等通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析塔吊事故，從事故類(lèi)型、發(fā)生時(shí)間、發(fā)生階段和直接原因四個(gè)方面挖掘了發(fā)生塔吊事故的內(nèi)在因素；Swuste總結(jié)了荷蘭安全委員會(huì)對(duì)一起塔吊事故的原因分析，研究了設(shè)計(jì)缺陷對(duì)塔吊安全事故的影響；Dutta等采用基于GPU的并行化方法對(duì)CALP系統(tǒng)進(jìn)行了離散和連續(xù)碰撞檢測(cè)以及路徑規(guī)劃，以防止塔吊間相互碰撞的風(fēng)險(xiǎn)；李剛等對(duì)一起塔吊火災(zāi)事故的原因進(jìn)行了分析，并提出了相應(yīng)的解決措施。

現(xiàn)有的研究多是從某個(gè)因素對(duì)塔吊安全風(fēng)險(xiǎn)的影響開(kāi)展研究，而塔吊作業(yè)安全問(wèn)題是一個(gè)多層次、多維度的系統(tǒng)問(wèn)題，一個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因素可能會(huì)導(dǎo)致多個(gè)風(fēng)險(xiǎn)事件發(fā)生，因此研究系統(tǒng)內(nèi)部各組分之間的相互關(guān)系具有重要的意義。本文全面考慮塔吊作業(yè)時(shí)導(dǎo)致安全事故的風(fēng)險(xiǎn)事件和風(fēng)險(xiǎn)因素，采用專(zhuān)家調(diào)查問(wèn)卷和模糊理論計(jì)算根節(jié)點(diǎn)的先驗(yàn)概率，運(yùn)用概率分配的方法計(jì)算中間節(jié)點(diǎn)的條件概率，并根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)因素與各類(lèi)風(fēng)險(xiǎn)事件之間的因果關(guān)系構(gòu)建貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型，對(duì)塔吊作業(yè)的安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了評(píng)估。

1 塔吊作業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系建立

識(shí)別與分析系統(tǒng)存在的風(fēng)險(xiǎn)因素及風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，挖掘指標(biāo)之間的因果聯(lián)系和規(guī)律性，是建立有效的事故分析模型進(jìn)而評(píng)估與控制風(fēng)險(xiǎn)的基礎(chǔ)。本文通過(guò)對(duì)塔吊作業(yè)事故的統(tǒng)計(jì)分析，并參考《塔式起重機(jī)安全評(píng)估規(guī)程》等規(guī)范，將在役塔吊作業(yè)事故按事故類(lèi)型主要分為倒塌、吊物墜落、碰撞、火災(zāi)和電器危險(xiǎn)等，各種事故類(lèi)型的占比見(jiàn)圖1，并將其作為塔吊作業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系的準(zhǔn)則層指標(biāo)。 根據(jù)塔吊作業(yè)的工作機(jī)理和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，深入分析導(dǎo)致塔吊作業(yè)4種事故類(lèi)型的主要原因，得出塔吊結(jié)構(gòu)部件失效、吊物脫鉤、塔吊間相碰撞、電器設(shè)備故障等10種塔吊作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)事件及后果，見(jiàn)表1。

圖1 塔吊作業(yè)事故類(lèi)型統(tǒng)計(jì)

表1 塔吊作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)事件及后果

風(fēng)險(xiǎn)事件與風(fēng)險(xiǎn)因素之間并不是一一映射的關(guān)系，一個(gè)風(fēng)險(xiǎn)事件的發(fā)生可能是由多種風(fēng)險(xiǎn)因素造成的，一個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因素也可能造成多種風(fēng)險(xiǎn)事件同時(shí)發(fā)生。根據(jù)塔吊作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)事件進(jìn)一步地識(shí)別出塔吊生產(chǎn)廠家資質(zhì)、政府部門(mén)安全監(jiān)督檢查、管理人員安全責(zé)任遵守、施工單位安全生產(chǎn)投入等12項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)因素，并分析各項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)因素與風(fēng)險(xiǎn)事件之間的耦合因果關(guān)系，見(jiàn)表2。

表2 塔吊作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)因素與風(fēng)險(xiǎn)事件之間的耦合因果關(guān)系

2 基于模糊多態(tài)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的塔吊作業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型構(gòu)建

塔吊作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)因素之間的關(guān)系錯(cuò)綜復(fù)雜，貝葉斯網(wǎng)絡(luò)與回歸模型相比，其不僅對(duì)線(xiàn)性、可加性等統(tǒng)計(jì)假設(shè)沒(méi)有嚴(yán)格的要求，可更形象地描述指標(biāo)之間的聯(lián)系，而且能夠有效處理變量較多且變量之間存在交互作用的情況，并從大量復(fù)雜的數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)知識(shí)和結(jié)構(gòu)，在得到變量先驗(yàn)概率分布的情況下，通過(guò)給定中間節(jié)點(diǎn)的觀測(cè)值，無(wú)論連接它們的箭頭方向如何，貝葉斯網(wǎng)絡(luò)都能迅速將信息傳遞到網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)節(jié)點(diǎn)，從而推導(dǎo)出其他變量的后驗(yàn)概率。因此，本文采用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建了塔吊作業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型，具體的基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的塔吊作業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)路線(xiàn)，見(jiàn)圖2。

圖2 基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的塔吊作業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)路線(xiàn)

2.1 節(jié)點(diǎn)狀態(tài)風(fēng)險(xiǎn)概率等級(jí)及確定

貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)狀態(tài)通常分為兩種：一種是表示該節(jié)點(diǎn)所描述的風(fēng)險(xiǎn)事件發(fā)生；另一種是表示該節(jié)點(diǎn)所描述的風(fēng)險(xiǎn)事件不發(fā)生。然而在現(xiàn)實(shí)案例中，節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)是模糊的，處于一種中間狀態(tài)。因此，本文設(shè)計(jì)了調(diào)查問(wèn)卷，將塔吊作業(yè)節(jié)點(diǎn)狀態(tài)風(fēng)險(xiǎn)概率等級(jí)劃分為5類(lèi)，具體劃分標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表3。

表3 塔吊作業(yè)節(jié)點(diǎn)狀態(tài)風(fēng)險(xiǎn)概率等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)

2.2 節(jié)點(diǎn)風(fēng)險(xiǎn)概率計(jì)算

為了使塔吊作業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果更加準(zhǔn)確，節(jié)點(diǎn)的權(quán)重聽(tīng)取多位專(zhuān)家的意見(jiàn)并對(duì)其進(jìn)行了適當(dāng)?shù)恼稀Ｓ捎趥€(gè)人經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)的差異，不同專(zhuān)家對(duì)于相同的風(fēng)險(xiǎn)事件可能會(huì)表達(dá)不同的看法，為了實(shí)現(xiàn)專(zhuān)家不同觀點(diǎn)的一致性，同時(shí)降低單個(gè)專(zhuān)家主觀性的影響，本文采用概率分配和三角模糊數(shù)的方法確定節(jié)點(diǎn)條件概率表(Conditional Probability Table，CPT)和根節(jié)點(diǎn)先驗(yàn)概率表(Priori Probability Table，PPT)。具體步驟如下：

(1) 有

n

個(gè)專(zhuān)家組成的專(zhuān)家組

K

(

k

,

k

,…,

k

)，每個(gè)子節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)

m

個(gè)父節(jié)點(diǎn)，按照下式確定每一個(gè)父節(jié)點(diǎn)對(duì)子節(jié)點(diǎn)的影響權(quán)重并進(jìn)行歸一化處理：

(1)

式中：

W

為父節(jié)點(diǎn)對(duì)子節(jié)點(diǎn)的影響權(quán)重。

(2) 按照下式計(jì)算子節(jié)點(diǎn)到父節(jié)點(diǎn)的加權(quán)平均狀態(tài)距離：

(2)

式中：

P

表示父節(jié)點(diǎn)的狀態(tài);

C

表示子節(jié)點(diǎn)的狀態(tài);

s

表示節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)。

(3) 計(jì)算條件概率：常規(guī)的條件概率計(jì)算公式為

(3)

采用概率分配的方法改進(jìn)后的條件概率

P

計(jì)算公式為

(4)

式中：

R

為專(zhuān)家給出的結(jié)果分布指標(biāo)。

(5)

式中：

a

為該節(jié)點(diǎn)狀態(tài)的最小可能值;

b

為該節(jié)點(diǎn)狀態(tài)的最可能值;

c

為該節(jié)點(diǎn)狀態(tài)的最大可能值。然后，按照下式計(jì)算

i

狀態(tài)下專(zhuān)家給出的三角模糊概率均值:

(6)

最后，按照下式計(jì)算根節(jié)點(diǎn)的先驗(yàn)概率并進(jìn)行歸一化處理：

(7)

2.3 塔吊作業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

根據(jù)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及上述公式，運(yùn)用Matlab軟件計(jì)算節(jié)點(diǎn)的CPT和PPT，導(dǎo)入到貝葉斯網(wǎng)絡(luò)分析工具Netica軟件中，得出每個(gè)節(jié)點(diǎn)各狀態(tài)發(fā)生的概率，由此可以對(duì)塔吊作業(yè)安全總體風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估。假設(shè)風(fēng)險(xiǎn)必然發(fā)生，進(jìn)行逆向推理，找到關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)因素，進(jìn)而可以有重點(diǎn)地對(duì)關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行控制與管理。

3 案例應(yīng)用與分析

3.1 案例背景

甘肅某房地產(chǎn)開(kāi)發(fā)公司開(kāi)發(fā)的巨龍·金城御景園項(xiàng)目場(chǎng)地位于蘭州市城關(guān)區(qū)九州片區(qū)B464規(guī)劃路以北，S459規(guī)劃路以東，B456規(guī)劃路以西，東側(cè)為羅鍋溝高邊坡(坡高約為35 m，坡頂距建筑物距離約為10.0 m)，該項(xiàng)目總建筑面積為169 194.4 m，用地面積為33 907.30 m，長(zhǎng)約268.0 m，寬約128.0 m。

3.2 貝葉斯網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

根據(jù)建立的塔吊作業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系，將各項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)因素與風(fēng)險(xiǎn)事件之間的耦合因果關(guān)系運(yùn)用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)來(lái)表示，使各風(fēng)險(xiǎn)因素之間的關(guān)系更加系統(tǒng)、直觀地表現(xiàn)出來(lái)，見(jiàn)圖3。

圖3 塔吊作業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

3.3 計(jì)算節(jié)點(diǎn)的條件概率

節(jié)點(diǎn)條件概率表是為了量化父節(jié)點(diǎn)對(duì)子節(jié)點(diǎn)的影響效果,即計(jì)算當(dāng)父節(jié)點(diǎn)處于不同狀態(tài)時(shí),子節(jié)點(diǎn)狀態(tài)的條件概率。由于缺少歷史數(shù)據(jù),本文采用專(zhuān)家調(diào)查法來(lái)推測(cè)節(jié)點(diǎn)的條件概率，即根據(jù)專(zhuān)家組給出的風(fēng)險(xiǎn)因素權(quán)重,按照公式(2)、(4)采用Matlab軟件編程進(jìn)行計(jì)算。

以碰撞節(jié)點(diǎn)為例,當(dāng)父節(jié)點(diǎn)

M

、

M

的節(jié)點(diǎn)狀態(tài)為(

A

、

D

)時(shí),計(jì)算得出子節(jié)點(diǎn)碰撞

A

狀態(tài)的概率為0

.

173 0,

B

狀態(tài)的概率為0

.

211 3,

C

狀態(tài)的概率為0

.

258 0,

D

狀態(tài)的概率為0

.

315 1,

E

狀態(tài)的概率為0

.

042 6，見(jiàn)表4。

表4 碰撞節(jié)點(diǎn)的條件概率表

3.4 計(jì)算根節(jié)點(diǎn)的先驗(yàn)概率

先驗(yàn)概率是“由因求果”問(wèn)題中“因”的出現(xiàn)概率，是根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)與分析得到的概率。由7名專(zhuān)家對(duì)根節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)根據(jù)公式(5)給出三角模糊概率，再根據(jù)公式(6)和(7)計(jì)算出該根節(jié)點(diǎn)的先驗(yàn)概率。以

X

根節(jié)點(diǎn)為例，計(jì)算得出

X

根節(jié)點(diǎn)不同狀態(tài)的先驗(yàn)概率，見(jiàn)表5。

表5 X1根節(jié)點(diǎn)的先驗(yàn)概率表

3.5 塔吊作業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果

在Netica軟件中將PPT和CPT錄入，得出塔吊作業(yè)安全總體風(fēng)險(xiǎn)非常低的概率為20.119%，較低的概率為45.445%，中等的概率為25.747%，較高的概率為7.391%，非常高的概率為1.298%，見(jiàn)圖4。對(duì)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行逆向推理，假設(shè)塔吊群發(fā)生安全事故，最有可能導(dǎo)致事故發(fā)生的關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)因素依次為政府部門(mén)安全監(jiān)督檢查

X

、施工單位安全生產(chǎn)投入

X

和管理人員安全責(zé)任遵守

X

。

圖4 基于模糊多態(tài)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的塔吊作業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

3.6 預(yù)防措施

根據(jù)塔吊作業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的結(jié)果，本文提出了如下有針對(duì)性的預(yù)防措施：

(1) 政府安全監(jiān)管時(shí)要將與生產(chǎn)一線(xiàn)人員交流溝通也作為一種考察方式，從與員工交流和溝通工作中更能了解生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)中可能存在的深層次問(wèn)題和安全管理上的漏洞。

(2) 施工單位要強(qiáng)化安全教育培訓(xùn)，轉(zhuǎn)變思想認(rèn)識(shí)，營(yíng)造良好的安全生產(chǎn)氛圍。尤其對(duì)安全投入責(zé)任的劃分，要嚴(yán)格按照體系程序運(yùn)行，從而將安全投入工作進(jìn)行常態(tài)化管理。

(3) 切實(shí)加強(qiáng)管理人員安全生產(chǎn)責(zé)任制，不僅要在崗前組織安全教育和安全學(xué)習(xí)，而且在施工過(guò)程中也要不斷強(qiáng)化管理人員的安全責(zé)任意識(shí)，并制定一系列的獎(jiǎng)懲措施。

4 結(jié) 論

(1) 塔吊作業(yè)安全受多種風(fēng)險(xiǎn)因素的影響，通過(guò)全面分析塔吊作業(yè)安全系統(tǒng)，從倒塌、吊物墜落、碰撞、火災(zāi)及電器危險(xiǎn)4種事故類(lèi)型中，識(shí)別出10種風(fēng)險(xiǎn)事件、12項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)因素與頻發(fā)的事故類(lèi)型之間的關(guān)系，建立了基于模糊多態(tài)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的塔吊作業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型，提高了塔吊作業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的準(zhǔn)確度。

(2) 根據(jù)評(píng)估結(jié)果得出塔吊作業(yè)安全總體風(fēng)險(xiǎn)非常低的概率為20.119%，較低的概率為45.445%，中等的概率為25.747%，較高的概率為7.391%，非常高的概率為1.298%，與案例實(shí)際情況相符，從而證明了該模型具有一定的可靠性和可行性。

(3) 塔吊的結(jié)構(gòu)部件及附墻裝置失效最有可能導(dǎo)致塔吊倒塌事故的發(fā)生，通過(guò)避免塔吊生產(chǎn)廠家資質(zhì)存在問(wèn)題、塔吊日常維修與保養(yǎng)工作不到位、施工單位安全技術(shù)交底不到位這些風(fēng)險(xiǎn)因素的出現(xiàn)，可有效地降低塔吊作業(yè)倒塌事故發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)。

(4) 根據(jù)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的逆向推理得出，政府部門(mén)安全監(jiān)督檢查、施工單位安全生產(chǎn)投入和管理人員安全責(zé)任遵守對(duì)塔吊作業(yè)的安全風(fēng)險(xiǎn)有較為明顯的影響，為關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)因素，進(jìn)而提出具體的應(yīng)對(duì)措施，以為塔吊作業(yè)的安全防范工作提供參考。