基于貝葉斯網絡的海上石油吊機作業風險分析

孟于方枝陳叢卓艾唐偉（.中海油能源發展股份有限公司天津培訓分公司，天津 005；.中國地質大學（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公司， 天津 塘沽 005；.遼河油田分公司鉆采工藝研究院安全環保技術研究所， 遼寧 盤錦 00）

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基于貝葉斯網絡的海上石油吊機作業風險分析

孟于1方枝2陳叢卓3艾唐偉4
（1.中海油能源發展股份有限公司天津培訓分公司，天津 300452；
2.中國地質大學（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保技術研究所， 遼寧 盤錦 124010）

摘要：本文以海洋石油作業為出發點，充分考慮海洋石油作業范圍內的安全風險，分析了海洋平臺吊機承擔多種任務的特點，針對其作業危險性大且安全風險不易分析計算的特點，根據對公司的調查資料，提出了海洋石油平臺吊機安全風險分析貝葉斯網絡結構模型，對各種危險有害因素的進行定量計算，找出了風險發生的概率和風險影響因素的敏感度。為海上平臺吊機作業風險控制提供理論依據。

關鍵詞：吊機，貝葉斯網絡，風險分析

海洋平臺吊機作為海洋工程和海洋油氣開發工程的重要裝備之一，在海洋平臺作業中發揮重要作用。但由于海上平臺吊機具有結構緊湊、作業環境多變、承載狀況不穩定等特點，并且承擔著海洋平臺起吊、移運和人員輸送等多種任務，因此對安全性和可靠性要求較高。近年來，由于各種原因，國內起重吊裝事故時有發生，輕則造成設備損壞，重則造成人員傷亡的嚴重后果。由于事故本身屬于偶然事件發生次數少，國家在這方面也缺失基礎數據，對其發生概率進行計算時，使用經典的統計概率計算會因數據樣本過少而使統計概率不準確，如果進行大量的數據收集來消除誤差，其工作量巨大。因此，論文利用貝葉斯網絡結模型風險分析法綜合分析吊機吊裝作業的風險概率。

1 貝葉斯網絡

1.1 貝葉斯理論

貝葉斯理論［1］最早由英國數學家湯姆斯?貝葉斯提出。貝葉斯算法能夠在一個灰色系統中，對某未知狀態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生概率。其基本表達式如下：

貝葉斯定理反映的是條件概率，也即后驗概率。貝葉斯理論經過不斷發展，形成了一種與圖形理論相結合的概率網絡——貝葉斯網絡。它是一個有向無環圖（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點和連接這些節點的有向邊。

圖1為最基礎的貝葉斯網絡，圖中H1—H3表明兩變量直接關聯，H1稱為H3的父節點，H3稱為H1的子節點［2］。

根據獨立性假設和D-分割定理，圖1所示的貝葉斯網絡的聯合概率分布函數為：

貝葉斯網絡的推理實際上是進行概率計算，即事先構建好一個貝葉斯網絡模型，根據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，計算出任一節點發生的概率。貝葉斯網絡還可以根據觀測的結果，很方便地對問題做出推斷，假如已知某個變量的發生概率，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的一個結果是A，這個信息將通過網絡進行傳播從而更新先驗的概率，H1 和H3后驗的概率為：

1.2 貝葉斯網絡的建立

貝葉斯條件概率公式是貝葉斯整套理論的基礎，條件獨立、D-分割是貝葉斯圖論的基礎，貝葉斯網絡和貝葉斯網絡結構是貝葉斯層次結構模型的建立原則。

貝葉斯網絡的構建步驟如下。

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

（2）建立貝斯網絡結構 通過判斷各個變量間是否存在直接關系，確定各節點的層次結構。

（3）條件概率分布的確定 通過歷史數據或者對該領域經驗豐富的人員的主觀經驗來確定節點的條件概率。

1.3 節點的后驗概率計算

貝葉斯網絡的建立與數據輸入完成后，通過后驗概率計算，可以確定出引起某個節點的幾個主要因素，從而采取相應的措施有針對性的控制風險因素。利用貝葉斯網絡能很方便地對節點對應的底事件發生概率進行分析計算。

2 貝葉斯網絡

2.1 確定風險指標

整個指標體系基本包括海上吊機起重中可能出現的因素，為了便于理解各個因素之間的關系，將各因素按照不安全行為、不安全狀態兩個方面按層次分析法的形式構建層次結構圖。

（1）不安全行為

人的不安全行為是引起事故發生的一個主要因素。一般來說，引發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 簡單的貝葉斯網絡　

圖2 不安全行為引發因素

（2）不安全狀態

不安全狀態指在作業過程中，各類事物、環境或人所處的，容易引發事故或對事故嚴重程度產生影響一種狀態，包括人的不安全狀態、物的不安全狀態以及環境條件不良三類（見圖3）。

（3）環境條件不良

海上吊機起重作業基本上都是處于露天作業，環境復雜、惡劣，受環境因素影響大。根據環境因素的類型進行分類，環境因素基本可分為自然條件、現場作業環境等因素（見圖4）。

2.2 建立貝葉斯網絡

貝葉斯網絡構建角度眾多，Pearl提出了以因果關系的角度，按照原因在前，結果在后的形式決定各變量之間的先后順序建立的貝葉斯網絡，其結構簡單、邏輯關系合理。在進行風險評價指標的選取時，各指標的相互關系實際上可以看做是以因果關系建立起來的，和以因果關系建立貝葉斯網絡在思想上具有一致性。因此，可以將風險評估指標體系轉化成一個相對應的貝葉斯網絡。其轉化過程如圖5、圖6所示。

2.3 確定貝葉斯網絡參數

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

圖3 不安全狀態引發因素　

圖4 環境條件不良引發因素

圖5 風險評估指標體系圖

圖6 風險評估指標貝葉斯網絡圖

表1 先驗概率表

表2 條件概率表

當通過問卷調查得到所有需要的數據后，由于調查人員主觀因素不同，需要對已經獲取的各類數據均值化處理，然后將各風險因素概率輸入到貝葉斯網絡中。

3 實例分析

圖7 海上石油吊機作業條件概率計算模型

論文以某公司項目海上浮吊作業為例，綜合各種文獻及公司歷史資料，為方便數據的統計與分類，對于海上吊機起重作業，選取典型的節點分析。其中，根據公司海上石油吊機起重作業的特點，對圖中的典型節點進行了歸類［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計；違章操作包括未執行行業規范、摘鉤時未遵守有關規定、用吊機進行撞擊作業等；操作失誤包括應急處置上出現錯誤操作、偶然失誤等；設備關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；作業區域有人包括在吊機旁工作、作業區域有人通過等；另外，著重考慮了自然條件因素中的溫度和風速對作業的影響。

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查和公司的安全臺賬進行確定，對于各節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查人員的打分進行求平均值得出。

本文采用Netica［6］來構建貝葉斯網絡。將底層事件和各節點事件的條件概率輸入到貝葉斯網絡，各節點事件名稱及計算結果及如圖7所示。

對海上石油吊機起重作業風險分析結果看，公司發生起重傷害事故的風險概率為20.7%，其風險等級為顯著風險，需要采取措施進行整改。

對海上石油吊機起重作業進行后驗概率計算，設置發生起重傷害事件的概率為100%，對海上石油吊機作業風險進行后驗概率計算，結果如圖8所示。

圖8 海上石油吊機作業風險后驗概率

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

4 結語

由于過多子節點對父節點的運算會產生影響，論文設置的子節點數沒有超過三個，因此影響了對吊機作業事故的進一步詳細分析。但論文應用貝葉斯網絡對公司海上石油吊機作業進行了風險分析，將貝葉斯網絡方法和假設性分析相結合，解決了公司在吊機作業管理中歷史數據缺乏的問題。風險分析的結果表明，貝葉斯能夠更直觀清晰地反映風險因子之間的相關性，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險管理的影響程度，有利于公司安全人員制定相應的風險控制措施。

參考文獻：

［1］鐘文奇.基于貝葉斯網絡的列車故障診斷研究［D］.北京交通大學，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.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.港口裝卸作業的安全性分析［J］．中國安全科學學報，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，中海油能源發展股份有限公司天津培訓分公司高級培訓師，主要從事海洋石油安全管理、應急管理研究和培訓。