城市地底下綜合管廊運維風(fēng)險中模糊貝葉斯網(wǎng)絡(luò)分析

唐玉輝

（中國水利水電第七工程局有限公司）

1 引言

地下綜合管廊建設(shè)針對我國當前市政基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)現(xiàn)狀提出，解決了長期以來城市基礎(chǔ)設(shè)施反復(fù)開挖、空中管線架設(shè)凌亂、地下空間資源浪費等問題。促使整個城市的供水、供電、通信、供熱以及燃氣等系統(tǒng)管線實現(xiàn)集約化、統(tǒng)一化的管理，是優(yōu)化城市空間資源、美化城市管網(wǎng)建設(shè)、促進智慧城市發(fā)展的有效途徑。模糊貝葉斯網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用能夠有效篩選出整個管網(wǎng)運維管理當中的風(fēng)險因素，并提出針對性的防范對策，能夠降低運維管理風(fēng)險事故發(fā)生率、避免人力和經(jīng)濟損失，同時對于提升管理水平、優(yōu)化城市資源、美化城市管網(wǎng)建設(shè)、實現(xiàn)安全智慧綠色管廊建設(shè)有著十分積極的作用。

2 貝葉斯網(wǎng)絡(luò)分析概述

貝葉斯網(wǎng)絡(luò)通過一種概率圖型模型的建立對于相關(guān)不確定的知識進行表達或者推理，通過有向無環(huán)圖的建立將變量節(jié)點以及節(jié)點的有向邊進行表達。整個圖型模型的隨機變量由節(jié)點代表，相互關(guān)系由有向邊代表，關(guān)系強度用條件概率進行表達，解決問題的抽象條件通過節(jié)點變量來表達，貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用可以對于任何不確定的概率性事件進行分析和表達，通過對眾多不確定、不完全、不準確的信息做出推理，用以控制發(fā)生因素，輔助解決問題[1]。

城市地下綜合管廊運維風(fēng)險的發(fā)生是一個復(fù)雜性的災(zāi)害鏈式系統(tǒng)，有諸多的不確定性和突發(fā)性。目前我國綜合管廊運維多數(shù)采用人工巡檢的方式，信息技術(shù)的應(yīng)用和覆蓋層面有所欠缺，相應(yīng)的風(fēng)險評估完全依靠個人經(jīng)驗，主觀性較強不能實現(xiàn)良好的風(fēng)險控制。通過貝葉斯網(wǎng)絡(luò)風(fēng)險評價體系的構(gòu)建，能夠?qū)τ绊懗鞘芯C合管廊維護管理的眾多風(fēng)險要素進行篩選，完成評估實現(xiàn)進行預(yù)防方案的明確。

2.1 貝葉斯網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)

貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型的建立基于數(shù)學(xué)模型，通過樣本數(shù)據(jù)進行求解，為了降低難度通過引進K2算法、GeNⅠe程序輔助完成。借助算法實現(xiàn)原始網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的輸出，通過不同節(jié)點之間因果關(guān)系研究得到相應(yīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。在對城市地下綜合管廊風(fēng)險分析的過程當中通過相關(guān)文獻的參考以及實地調(diào)研和歷史記錄的查閱對各種風(fēng)險因素之間的因果關(guān)系進行判斷和分析，加快建模效率。按照所判斷的結(jié)果構(gòu)建貝葉斯網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)背景圖，將各項風(fēng)險因素之間的因果關(guān)系構(gòu)成基本鏈狀結(jié)構(gòu)，同時為貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型提供建設(shè)性的參考理論。

K2算法基于概率論提出，可以得到的理論分析會與實際有所偏差，但得到的模型結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜因果關(guān)系嚴謹性較差。且不同城市地區(qū)綜合管廊建設(shè)擁有不同的特色，采用的調(diào)研方式和信息收集會相應(yīng)地摻雜一些主觀成分，整個數(shù)據(jù)難以體現(xiàn)全面分析，構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)模型難以保證準確性。通過GeNⅠe程序的融入能夠填補K2算法的缺陷并將貝葉斯網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)當中呈現(xiàn)出的不同風(fēng)險因子進行嚴謹、科學(xué)、合理地聯(lián)系，經(jīng)過調(diào)整更正保證合理性準確性。

2.2 貝葉斯網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化

貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型結(jié)構(gòu)的優(yōu)化建立在實事求是的原則之上，結(jié)合實際進行指標評價和調(diào)整完成不同風(fēng)險因子的判斷，重點排除養(yǎng)護不充分、設(shè)備故障以及人為情況等出現(xiàn)造成的不安全因素影響。同時，將不同風(fēng)險因子之間的內(nèi)在聯(lián)系展現(xiàn)得淋漓盡致，從而為參數(shù)學(xué)習(xí)以及相關(guān)的研究推理奠定基礎(chǔ)。

3 城市地底下綜合管廊運維風(fēng)險識別

3.1 風(fēng)險管理內(nèi)涵

風(fēng)險是客觀存在的，具有一定的普遍性以及不確定性，但偶然中的風(fēng)險存在著一定的規(guī)律可循，經(jīng)過科學(xué)的預(yù)測和分析能夠?qū)崿F(xiàn)一定的避免。風(fēng)險管理的內(nèi)涵就是結(jié)合基本事實通過量化的手段對風(fēng)險進行了解，篩選其中潛在的危險因素并采取針對性的措施來應(yīng)對，以最小的成本換取最大的保障。整個風(fēng)險管理的過程既包含風(fēng)險分析也包含風(fēng)險評價，在分析和評價的基礎(chǔ)之上判斷風(fēng)險發(fā)生概率、確定風(fēng)險來源、進行風(fēng)險回避分散[2]。

3.2 地底下綜合管廊運維風(fēng)險類別

3.2.1 外部風(fēng)險

外部風(fēng)險的存在主要源于工程施工等人為的破壞以及各項地質(zhì)、滲水等自然災(zāi)害等引起的管線設(shè)備受損，盡管眾多自然因素難以避免，但施工過程可以根據(jù)有效評價進行預(yù)防。

3.2.2 內(nèi)部風(fēng)險

內(nèi)部風(fēng)險的存在主要指由于管線內(nèi)部建設(shè)之間產(chǎn)生的影響，例如線路之間的干涉、管路之間的耦合等，也包括管線在長期使用的過程中所發(fā)生老化、損壞以及腐蝕或者是管線搭建錯誤等因素。相較外部風(fēng)險而言，內(nèi)部風(fēng)險因素更為明確，動態(tài)變化更小，存在概率更大，所以貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型的建立更傾向于城市地下管廊內(nèi)部風(fēng)險的分析。

3.3 潛在安全風(fēng)險事故

3.3.1 管廊火災(zāi)

地下綜合管廊火災(zāi)具有風(fēng)險大、影響廣泛的特點，隨著市政設(shè)施中天然氣管道的接入，相關(guān)的泄露以及爆炸燃燒風(fēng)險更大。由于地下管廊空間有限相應(yīng)的熱傳導(dǎo)以及熱對流比較明顯，且救援難以開展，不僅會造成人員灼傷，對各類管線以及設(shè)備所造成的損傷也是難以修復(fù)的。

3.3.2 管廊水災(zāi)

管廊水災(zāi)的存在主要由于基礎(chǔ)設(shè)施薄弱而引起，大部分因為洪水、暴雨等水流倒灌而造成內(nèi)部大量積水。另外，由于多數(shù)城市綜合管廊分布當中會有給排水等管路的存在，一旦管路開裂會有泄漏現(xiàn)象產(chǎn)生，若未能及時處理，則會造成巨大的威脅。

3.3.3 管線爆炸

地下管廊管線的爆炸大多由排水管路以及熱能或者燃氣管路引起，其中風(fēng)險較大的就是燃氣管路的爆炸，甲烷以及一氧化碳等可燃性氣體泄漏和堆積，在靜電或明火的作用下會引起爆炸，一旦爆炸發(fā)生不僅會影響各類管路設(shè)施的運行，各類市政設(shè)施難以順利運行。

3.3.4結(jié)構(gòu)破壞

結(jié)構(gòu)破壞主要是指各類管路本身結(jié)構(gòu)受到損失，諸如開裂、滲水或者沉降不均等現(xiàn)象，引起管廊結(jié)構(gòu)開裂或受損的原因十分復(fù)雜，因此在對其進行判斷時也比較困難。

4 城市地底下綜合管廊運維風(fēng)險中模糊貝葉斯網(wǎng)絡(luò)分析

4.1 分析方法

4.1.1 逆向推理分析

整個逆向推理分析的過程通過GeNⅠe程序的利用建設(shè)模型，經(jīng)過反向的推理和評估，能夠直觀反映出管路、水災(zāi)、管路火災(zāi)以及管路爆炸、結(jié)構(gòu)受損等影響的主要因子完成反向推理。通常情況而言風(fēng)險預(yù)警值的上限為30%，因此一旦風(fēng)險因子超出該概率，則表明這種風(fēng)險出現(xiàn)概率較大，需要采取相應(yīng)的措施進行預(yù)防處理。

4.1.2 敏感性分析

敏感性分析的主要目的在于將整體安全風(fēng)險當中的風(fēng)險因子進行篩選，從而為運維團隊提供決策性的參考和啟發(fā)。敏感性分析建立在反向推理的基礎(chǔ)之上，通過軟件GeNⅠe程序完成。結(jié)果顯示：引起城市地下管廊管路火災(zāi)以及爆炸的敏感性風(fēng)險因子幾乎一致，主要是由于用火不當、違規(guī)用火、通風(fēng)消防設(shè)施故障、燃氣泄漏以及可燃物泄漏等因素引起；而引起地下管廊管路水災(zāi)的主敏感度因子為排水故障、管路泄漏、常規(guī)檢修不及時以及洪澇災(zāi)害等影響；引起管路結(jié)構(gòu)受損的風(fēng)險敏感度因子主要是因為管路本身剛度分布不均或者是超出負載引起。另外，施工過程當中如果管路連接不當施工質(zhì)量不達標或者養(yǎng)護不充分也會引起管路結(jié)構(gòu)的損壞[3]。

4.1.3 最大致因鏈分析

最大致因鏈分析通過對不同風(fēng)險因子以及相互影響水平的推斷實現(xiàn)風(fēng)險因子的明確，城市地下管廊建設(shè)當中引起管線火災(zāi)最大致因鏈來源為檢修不充分以及消防安全檢查的不重視；爆炸風(fēng)險最大致因鏈主要由于電氣故障以及設(shè)施維護不到位；管路水災(zāi)最大致因鏈來源于培訓(xùn)和演練不到位；結(jié)構(gòu)受損的最大致因鏈在于施工前未能實現(xiàn)嚴格的勘測和規(guī)劃以及施工時未能嚴格按照相關(guān)設(shè)計、規(guī)范要求施工，導(dǎo)致施工質(zhì)量下降。

4.2 建立城市地下綜合管廊運維風(fēng)險評價指標體系與貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型

4.2.1 風(fēng)險事件發(fā)生概率P的確定

風(fēng)險事件發(fā)生概率P的確定主要通過數(shù)據(jù)處理完成該數(shù)據(jù)處理的過程，當中EM算法為主要計算程序，經(jīng)過該計算進行最大期望值估計和條件概率的計算，從而建立貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型，并從相關(guān)的數(shù)據(jù)訓(xùn)練以及測試當中得到風(fēng)險節(jié)點的概率和鏈式關(guān)系。通過對于風(fēng)險發(fā)生的計算，城市地下綜合管廊運維風(fēng)險發(fā)生事件分為幾乎不可能出現(xiàn)、很少出現(xiàn)、偶然出現(xiàn)、多次出現(xiàn)以及頻繁出現(xiàn)五個等級。

4.2.2 模糊風(fēng)險損失程度C的計算

模糊風(fēng)險損失程度C的計算表達了風(fēng)險事件發(fā)生后的風(fēng)險程度損失，與風(fēng)險事件發(fā)生概率相互對應(yīng)，主要分為風(fēng)險后果可以忽略、值得考慮、后果嚴重、極其嚴重以及具有災(zāi)難性五個等級，對于不同等級的風(fēng)險后果應(yīng)該采取不同的運維措施進行防范。

4.2.3 隸屬度函數(shù)的確定與風(fēng)險綜合評價

城市地下綜合管廊運維主要包含風(fēng)險評價以及概率風(fēng)險后果程度的確定，通過概率的計算實現(xiàn)綜合評價指標的定位，整個隸屬度函數(shù)的確定能夠完成事件風(fēng)險等級的確定。

5 結(jié)語

城市地底下綜合管廊是一種綜合性較強的建筑結(jié)構(gòu)，由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，附屬設(shè)備繁多，又存在于地下空間，所以相應(yīng)的風(fēng)險因素不容忽視，在對其風(fēng)險進行判斷的過程當中需要進行完善的分析，從而作出針對性的決策。運用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)法構(gòu)建模型有助于風(fēng)險清單的識別，并對風(fēng)險級別進行判斷，可以為城市地下綜合管廊運維安全管理提出實用性參考。