基于模糊貝葉斯的塔機施工安全風險評價研究

周劍學 薛善治 彭益璟

（1.煤炭工業濟南設計研究院有限公司，山東 濟南 250000；2.武漢科技大學管理學院，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。本文利用故障樹轉化形成的貝葉斯網絡與模糊綜合評判法相結合，提出基于貝葉斯網絡的塔機施工風險模糊綜合評估方法，對塔機施工風險進行評估，以期發現塔機工程建設的薄弱環節，并為其風險控制和管理提供參考依據。

2 塔機施工風險識別與評估方法

2.1 塔機施工安全事故貝葉斯網絡的建立

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上發展而形成的。在事故鏈理論的基礎上，如果將上一環節中包含的事故原因和下一環節包含的事故原因根據實際情況一一對應起來，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生的事故作為頂上事件逐層分析事故發生的原因，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絡的建立

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

2.2 塔機施工安全事故風險發生概率評價

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

表1 風險概率等級

2.3 塔機施工安全事故損失大小的模糊綜合評價

風險損失是指塔機施工中風險事件一旦發生后所導致的各種損失后果，包括施工人員生命安全、經濟財產、工程質量、施工工期以及自然環境的影響，表現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]來進行各個風險損失值的計算。

2.3.1 建立因素集

根據建立起來的塔機施工風險評價指標體系，按照指標體系的風險層次結構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。

2.3.2 建立評價集合并量化

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

表2 風險損失分級

2.3.3 確定需評價風險因素對評價對象的權重

本文利用AHP法，通過判別矩陣對風險因素兩兩比較，求解各個判別矩陣的特征根λmax及其對應的特征向量，得到各個準則層各元素的相對權重，并最終得最低層元素對于總目標的排序權重。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重W，第二級評價因素對第一層中的元素的權重Wi。

2.3.4 建立單因素評價矩陣

在構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

將每個因素的權重向量Wi與模糊關系矩陣合成就可以得到評價結果向量B。

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

2.4 風險等級標準

塔機施工風險評估中采用如下公式進行風險值計算：

式中：

R-危險因素的風險值；

P-風險發生的概率值；

C-風險后果的損失程度。

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

表4 風險等級標準劃分

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絡的安全風險評價。

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作業面環境差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生概率為：T2吊物傷人，M3作業人員原因，M4塔機原因，M5吊運物原因，X7作業人員無資格0.42，X8操作失誤0.49，X9指揮失誤0.34，X10設備失靈0.27，X11質量缺陷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大風天氣作業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0.51，X24絕緣體失效0.27，X25作業環境不可靠0.21，X26作業時突然送電0.48，X27未使用絕緣工器具0.35，X28絕緣工器具質量不合格0.31。

3.2 故障樹向貝葉斯網絡的轉化

根據故障樹向貝葉斯網絡轉化的規則，借助貝葉斯仿真軟件 Genie2.0建立塔機事故的貝葉斯網絡模型。如圖5所示。

圖5 塔機施工作業風險貝葉斯網絡模型

3.3 風險事故的概率評價

塔機施工風險貝葉斯網絡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點的概率，最終求各類風險事件發生的概率。如表5所示。

表5 塔機風險事故概率評價

3.4 風險事故的損失評價

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

表6 塔機風險事故損失評價

3.5 塔機施工作業風險等級的確定

根據貝葉斯網絡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險值，然后可以根據表4確定其風險等級，如表7所示。

表7 塔機風險事故風險等級

通過模型分析計算得出本工程塔機發生高處墜落、吊物墜落傷人的風險為Ⅲ級一般風險，塔機傾塌、觸電事故的風險為Ⅱ級稍有危險，塔機施工的整體風險水平為Ⅲ級一般風險，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防和控制。塔式起重機由于使用和構造的待殊性，危險因素很多，在使用中應特別注意遵守相關的安全操作規范，對危險因素加強風險檢測與監控，實行動態風險管理。

4 結論

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險因素，建立了各種事故的故障樹模型，并將故障樹模型轉化為貝葉斯網絡模型，在Genie2.0中進行概率推理。在實際實施過程中，將相關數據信息與專家組多次反復交流和反饋修正，保證了數據的可靠性。模糊層次分析法具有定性和定量相結合的處理各種評價因素的特點，以及系統、靈活、簡潔的優點，被廣泛使用在風險評估領域。貝葉斯網絡方法可視性強，貝葉斯節點變量間的因果關系與塔機施工事故故障樹層次結構具有一致性，通過故障樹向貝葉斯網絡轉換，然后通過貝葉斯網絡推理軟件Genie2進行概率線性推理，方便快捷準確。結合貝葉斯網絡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險因素，將定性和定量的分析相結合，避免主觀錯誤，對復雜的多因素、較多層次的風險評估問題評價效果較好。