基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的?；繁ㄊ鹿孰娏ο到y(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型*

岳寶強(qiáng)，孫世軍，楊立超，朱坤雙，李元寶，韓 洪，王賢宗，徐鳳嬌，王 皖，周 倩，秦挺鑫，張 超

(1.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司臨沂供電公司，山東 臨沂 276000;2.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司應(yīng)急管理中心，山東 濟(jì)南 250001; 3.中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化研究院，北京 100191)

0 引言

電力是重要的生命線(xiàn)工程，是工業(yè)生產(chǎn)、人民生活的基礎(chǔ)能源保障。?；肥鹿士赡軐?dǎo)致火災(zāi)、爆炸、有毒/可燃?xì)怏w泄漏等事故，對(duì)周邊區(qū)域的人員、設(shè)施等造成危害。危化品爆炸作用于電力系統(tǒng)，可能導(dǎo)致電力中斷或電力系統(tǒng)火災(zāi)等次生事件。如天津港“8·12”瑞海公司危險(xiǎn)品倉(cāng)庫(kù)特別重大火災(zāi)爆炸事故，造成方圓1 km內(nèi)若干小區(qū)停電。?；肥鹿拾l(fā)生后需要第一時(shí)間判斷事件級(jí)別，按照應(yīng)急預(yù)案啟動(dòng)相應(yīng)級(jí)別的應(yīng)急響應(yīng)。由于應(yīng)急管理機(jī)構(gòu)難以在事件發(fā)生后掌握完整、準(zhǔn)確的事件信息，因此在第一時(shí)間判斷事件級(jí)別既是技術(shù)難點(diǎn)，也是影響應(yīng)急響應(yīng)及時(shí)性和準(zhǔn)確性的關(guān)鍵點(diǎn)。

在危化品爆炸事故應(yīng)急預(yù)警級(jí)別評(píng)價(jià)方面，現(xiàn)有研究主要從爆炸對(duì)人和設(shè)備的危害，以及設(shè)備受損導(dǎo)致的供電中斷2方面進(jìn)行研究。在爆炸對(duì)人和設(shè)備的危害研究方面，史興旺[1]指出基于超壓準(zhǔn)則和沖擊波準(zhǔn)則的爆炸對(duì)人體損害判定原則；梁勇[2]根據(jù)爆炸創(chuàng)傷類(lèi)型和程度提出人體爆炸損傷分級(jí)；包其富等[3]利用指標(biāo)體系和區(qū)域風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法測(cè)度爆炸下的個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)等值曲線(xiàn)。在電力設(shè)備對(duì)系統(tǒng)功能影響方面，陳尚等[4]綜合考慮電力運(yùn)行參數(shù)、電纜型號(hào)、電纜敷設(shè)等因素，提出電力電纜火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警評(píng)價(jià)指標(biāo)體系；湛業(yè)剛等[5]利用灰色GM(1，1)建立基于電纜接頭溫度預(yù)測(cè)的系統(tǒng)故障預(yù)測(cè)模型；石武[6]、姜濤等[7]、趙嘉承等[8]從電流、溫度、電氣等參數(shù)設(shè)計(jì)非突發(fā)事件狀態(tài)下的電力設(shè)備狀態(tài)預(yù)警模型?，F(xiàn)有研究，主要關(guān)注承災(zāi)載體的脆弱性，承災(zāi)載體部分對(duì)整體功能性的影響。從電力應(yīng)急的角度，綜合考慮爆炸造成的電力設(shè)施設(shè)備損壞及由此引發(fā)的系統(tǒng)性影響和人員傷亡，據(jù)此研判風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別的相關(guān)研究仍屬空白。

對(duì)于爆炸事故下電力系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估問(wèn)題，事故發(fā)生后能夠獲取信息的不完整和不確定性，是導(dǎo)致難以研判事件級(jí)別的主要原因。系統(tǒng)考慮風(fēng)險(xiǎn)因素，需要建立風(fēng)險(xiǎn)因素體系；風(fēng)險(xiǎn)因素的不確定性，需要考慮風(fēng)險(xiǎn)因素各狀態(tài)的可能性；確定事件級(jí)別，需要得出與等級(jí)準(zhǔn)則相應(yīng)的定量的后果分析結(jié)果。根據(jù)以上問(wèn)題特點(diǎn)，選擇貝葉斯網(wǎng)絡(luò)方法。貝葉斯網(wǎng)絡(luò)用節(jié)點(diǎn)表達(dá)風(fēng)險(xiǎn)因素，用節(jié)點(diǎn)各狀態(tài)的概率刻畫(huà)其不確定性，用節(jié)點(diǎn)間的有向連接及條件概率表達(dá)風(fēng)險(xiǎn)因素之間的因果關(guān)系，通過(guò)逐層計(jì)算節(jié)點(diǎn)間的條件概率得出事件后果各狀態(tài)的可能性，即定量風(fēng)險(xiǎn)分析結(jié)果，將之與風(fēng)險(xiǎn)準(zhǔn)則進(jìn)行比較評(píng)價(jià)事件等級(jí)，作為啟動(dòng)相應(yīng)級(jí)別應(yīng)急響應(yīng)的輔助決策信息。

本文針對(duì)?；繁ㄊ鹿孰娏?yīng)急預(yù)警需求，提出基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型。首先，建立?；繁ㄊ鹿孰娏?yīng)急響應(yīng)典型情景，分析影響事件級(jí)別的風(fēng)險(xiǎn)因素及其邏輯關(guān)系。之后應(yīng)用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)方法，綜合考慮人員、設(shè)施設(shè)備、環(huán)境、管理等各類(lèi)風(fēng)險(xiǎn)因素，建立危化品爆炸事故電力系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型，結(jié)合事件分級(jí)準(zhǔn)則，提出事件級(jí)別研判方法。應(yīng)用模型，研究一般條件下及典型情景下的預(yù)警級(jí)別，并定量分析風(fēng)險(xiǎn)因素的影響作用。本文提出的基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的?；繁ㄊ鹿氏码娏ο到y(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型，能夠在事件發(fā)生后，考慮風(fēng)險(xiǎn)因素的不確定性給出定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果，作為研判事件級(jí)別的輔助決策信息。同時(shí)也能在事件發(fā)生前，針對(duì)特定情景，結(jié)合風(fēng)險(xiǎn)因素的作用分析，開(kāi)展相應(yīng)的應(yīng)急準(zhǔn)備。

1 情景及風(fēng)險(xiǎn)因素分析

與電力系統(tǒng)相關(guān)的?；繁ㄊ鹿?，一般包括發(fā)電廠內(nèi)部的危化品爆炸事故，變電站內(nèi)、外部的?；繁ㄊ鹿?，以及輸配電網(wǎng)臨近區(qū)域內(nèi)發(fā)生的、對(duì)輸配電網(wǎng)造成影響的?；繁ㄊ鹿省Ｎ；繁óa(chǎn)生的爆炸超壓作用于發(fā)電、變電、輸電、配電等電力設(shè)備設(shè)施，可能導(dǎo)致電網(wǎng)受損或線(xiàn)路跳閘，進(jìn)而導(dǎo)致供電中斷；爆炸超壓作用于發(fā)、變電站等電力設(shè)施區(qū)域內(nèi)的人員，可能導(dǎo)致人員傷亡；可燃?xì)怏w如遇電網(wǎng)漏電火花，可能引起電網(wǎng)火災(zāi)。

?；繁ㄊ鹿拾l(fā)生后，電力應(yīng)急處置主體包括調(diào)控中心和應(yīng)急指揮中心。調(diào)控中心將接收到的電網(wǎng)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)信息傳遞給應(yīng)急指揮中心。應(yīng)急指揮中心根據(jù)電網(wǎng)監(jiān)測(cè)信息，綜合?；繁ㄊ鹿蕬B(tài)勢(shì)信息和電網(wǎng)系統(tǒng)態(tài)勢(shì)信息進(jìn)行研判，確定預(yù)警等級(jí)和預(yù)警內(nèi)容，依據(jù)應(yīng)急預(yù)案啟動(dòng)相應(yīng)級(jí)別的應(yīng)急響應(yīng)，制定處置策略，指揮隊(duì)伍、調(diào)撥資源開(kāi)展局域電網(wǎng)控制、現(xiàn)場(chǎng)工作人員避險(xiǎn)/疏散等應(yīng)急處置救援任務(wù)。同時(shí)，應(yīng)急指揮中心將預(yù)警信息傳遞給調(diào)控中心，與之協(xié)作進(jìn)行必要的人工巡查檢修，或通過(guò)電網(wǎng)遠(yuǎn)程控制進(jìn)行必要的遠(yuǎn)程局域斷電、恢復(fù)供電等操作。危化品爆炸事故電力應(yīng)急典型情景如圖1所示。

由圖1可知，典型情景中，預(yù)警級(jí)別和內(nèi)容是啟動(dòng)相應(yīng)級(jí)別應(yīng)急響應(yīng)的依據(jù)。科學(xué)、準(zhǔn)確的預(yù)警需要考慮?；繁ㄊ鹿屎碗娋W(wǎng)系統(tǒng)的狀態(tài)和發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)危化品爆炸事故導(dǎo)致的電力系統(tǒng)安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估。本文依據(jù)公共安全三角形模型[9]，從突發(fā)事件、承災(zāi)載體和應(yīng)急管理3方面，分析電力系統(tǒng)安全風(fēng)險(xiǎn)因素。突發(fā)事件方面，?；繁ㄊ鹿手饕ㄟ^(guò)爆炸超壓對(duì)人和設(shè)備設(shè)施造成危害。承災(zāi)載體方面，需要考慮人和設(shè)備設(shè)施的數(shù)量和脆弱性，其中人員數(shù)量主要由事件發(fā)生場(chǎng)所和時(shí)間決定；設(shè)備設(shè)施主要考慮發(fā)電廠、變電站、輸電線(xiàn)路和配電線(xiàn)路等。應(yīng)急管理方面，主要考慮應(yīng)急響應(yīng)能力。

圖1 危化品爆炸事故電力應(yīng)急典型情景Fig.1 Typical scenario for emergency response of electricity system in hazardous chemicals explosion accident

基于以上分析，提出由原因要素(Ri)、中間影響要素(Mi)、后果要素(Ci)等組成的風(fēng)險(xiǎn)因素體系。原因要素包括時(shí)間(R1)、爆炸超壓(R2)、電力設(shè)施(R3)和應(yīng)急響應(yīng)能力(R4)。中間影響要素方面，時(shí)間和電力設(shè)施決定人員暴露(M1)水平，爆炸超壓和電力設(shè)施決定設(shè)備受損(M2)程度，電力設(shè)施決定供電面積(M3)。后果要素方面，人員死亡(C1)需要考慮人員暴露水平、爆炸超壓和應(yīng)急響應(yīng)能力，設(shè)備損失(C2)需要考慮設(shè)備受損程度和供電面積，表征供電中斷造成的經(jīng)濟(jì)損失的系統(tǒng)損失(C3)需要考慮設(shè)備受損、供電面積和應(yīng)急響應(yīng)能力。

2 模型構(gòu)建

貝葉斯網(wǎng)絡(luò)能夠綜合考慮風(fēng)險(xiǎn)因素體系及其關(guān)系，通過(guò)逐層計(jì)算條件概率得出后果及其可能性的定量結(jié)果，符合危化品爆炸電力應(yīng)急預(yù)警級(jí)別研判問(wèn)題的特點(diǎn)。貝葉斯網(wǎng)絡(luò)是以貝葉斯條件概率公式為基礎(chǔ)，基于概率推理的圖形化網(wǎng)絡(luò)[10-12]。其以節(jié)點(diǎn)表示變量，以有向連接表達(dá)變量之間的有向關(guān)系，以條件概率定量表達(dá)變量之間的因果關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)因果關(guān)系的定量表達(dá)。能夠得出事件發(fā)生可能性、可能出現(xiàn)的狀態(tài)和可能導(dǎo)致的后果等的概率估計(jì)，具有較強(qiáng)的適用性。貝葉斯網(wǎng)絡(luò)是分析系統(tǒng)的不確定性和概率分析的有效工具，能夠整合不同渠道的定性、定量信息，處理連續(xù)性和多狀態(tài)變量，進(jìn)行預(yù)測(cè)分析和診斷分析[13-14]。因此，應(yīng)用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)作為構(gòu)建風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型的基本方法，將風(fēng)險(xiǎn)因素作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，建立風(fēng)險(xiǎn)因素體系的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

通過(guò)不同狀態(tài)及其概率表征風(fēng)險(xiǎn)因素的不確定性。根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)因素屬性特點(diǎn)，確定風(fēng)險(xiǎn)因素狀態(tài)。如對(duì)時(shí)間，根據(jù)是否為上班時(shí)間劃分為2個(gè)狀態(tài)；對(duì)于爆炸超壓，根據(jù)人、設(shè)備設(shè)施的脆弱性閾值[1]確定狀態(tài)及其取值范圍；對(duì)于電力設(shè)施，根據(jù)構(gòu)成電力設(shè)施的主要組成部分確定4類(lèi)狀態(tài)；對(duì)于人員暴露、設(shè)備受損、供電面積、人員死亡、設(shè)備損失、系統(tǒng)損失等中間影響和后果要素，則根據(jù)突發(fā)事件等級(jí)規(guī)定[15]確定。貝葉斯模型的節(jié)點(diǎn)編號(hào)、名稱(chēng)和狀態(tài)見(jiàn)表1。

表1 貝葉斯模型的節(jié)點(diǎn)編號(hào)、名稱(chēng)和狀態(tài)Table 1 Numbers,names and states of nodes in Bayesian model

基于數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、專(zhuān)家意見(jiàn)等得出父節(jié)點(diǎn)層風(fēng)險(xiǎn)因素不同狀態(tài)的概率，以及子節(jié)點(diǎn)層的條件概率。數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)需要以同類(lèi)大量案例為基礎(chǔ)。實(shí)際情況難以滿(mǎn)足這一條件。因此，一般基于專(zhuān)家意見(jiàn)給出狀態(tài)概率[16]。DS證據(jù)方法是分析系統(tǒng)不確定性的有效方法[17-19]。本文應(yīng)用DS證據(jù)方法分析多位專(zhuān)家的意見(jiàn)，得出風(fēng)險(xiǎn)因素基礎(chǔ)概率和狀態(tài)概率。綜上，建立?；繁ㄊ鹿孰娏ο到y(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)分析的貝葉斯模型，如圖2所示。

圖2 ?；繁ㄊ鹿孰娏ο到y(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)分析的貝葉斯模型Fig.2 Bayesian model of risk analysis on electricity system in hazardous chemicals explosion accident

依據(jù)《國(guó)家突發(fā)公共事件總體預(yù)案》中對(duì)事件等級(jí)的相關(guān)規(guī)定，確定危化品爆炸事故電力應(yīng)急預(yù)警的等級(jí)準(zhǔn)則，見(jiàn)表2。

表2 ?；繁ㄊ鹿孰娏?yīng)急預(yù)警等級(jí)準(zhǔn)則Table 2 The risk criterion of electricity emergency warning with hazardous chemical explosion

3 風(fēng)險(xiǎn)分析及討論

3.1 一般條件下的預(yù)警級(jí)別

基于專(zhuān)家意見(jiàn)，應(yīng)用DS證據(jù)方法，計(jì)算原因要素各狀態(tài)的初始概率，將其作為一般條件。一般條件是指時(shí)間、爆炸超壓、電力設(shè)施和應(yīng)急響應(yīng)4個(gè)原因要素的各狀態(tài)按初始概率分布的情況。應(yīng)用貝葉斯模型計(jì)算一般條件下的事件后果，結(jié)果如圖2所示。

基于事件后果和相應(yīng)的可能性評(píng)估事件等級(jí)，當(dāng)選用“最大概率法”時(shí)，“人員死亡”為“[0,3]”，“設(shè)備損失”為“[0,1 000]”，“系統(tǒng)損失”為“[0,1 000]”，事件等級(jí)為“一般”，響應(yīng)等級(jí)為Ⅳ級(jí)，據(jù)此發(fā)布Ⅳ級(jí)預(yù)警信息。當(dāng)選用“概率加權(quán)求和法”時(shí)，對(duì)后果各狀態(tài)的概率進(jìn)行加權(quán)，得出各類(lèi)后果的量化值，如式(1)所示：

(1)

式中：Ci為后果要素；RCi為后果要素Ci的加權(quán)值；k為后果要素Ci的狀態(tài)；RCik為后果要素Ci的狀態(tài)k的范圍中值；PCik為該范圍的概率。

應(yīng)用式(1)計(jì)算各后果的加權(quán)值，結(jié)果為(保留整數(shù))：死亡5人，設(shè)備損失801萬(wàn)元，系統(tǒng)損失4 110萬(wàn)元。與風(fēng)險(xiǎn)準(zhǔn)則比對(duì)，事件等級(jí)為較大，響應(yīng)等級(jí)為Ⅲ級(jí)。

“最大概率法”與“概率加權(quán)求和法”得出的事件等級(jí)可能不同。對(duì)于事件等級(jí)較低的情形，后果較為嚴(yán)重的狀態(tài)的數(shù)值范圍顯著較大，加權(quán)時(shí)對(duì)結(jié)果影響明顯，可能使等級(jí)偏高。因此，建議優(yōu)先應(yīng)用“最大概率法”研判事件等級(jí)。

當(dāng)危化品爆炸事故發(fā)生后，根據(jù)電力系統(tǒng)監(jiān)測(cè)或其他渠道獲取的爆炸超壓信息，結(jié)合事件時(shí)間、電力設(shè)施類(lèi)型和應(yīng)急響應(yīng)能力水平等實(shí)際情況，設(shè)定相應(yīng)情景，應(yīng)用貝葉斯風(fēng)險(xiǎn)分析模型，可得出事件響應(yīng)等級(jí)的輔助決策信息。

3.2 典型情景下的事件等級(jí)

應(yīng)用貝葉斯模型，預(yù)先對(duì)典型情景進(jìn)行等級(jí)研判。典型情景指原因要素處于特定的單一狀態(tài)。設(shè)事件發(fā)生在工作時(shí)間，即“時(shí)間”要素狀態(tài)為“day”，應(yīng)急響應(yīng)能力為“一般”，此時(shí)不同情景的后果(大概率狀態(tài))和響應(yīng)等級(jí)見(jiàn)表3。

表3 典型情景的后果及響應(yīng)等級(jí)Table 3 Consequences and response grades in typical scenarios

表3為依據(jù)大概率狀態(tài)判斷事件及響應(yīng)等級(jí)。如果依據(jù)加權(quán)概率值，則得出的后果加權(quán)值較大，相應(yīng)的響應(yīng)等級(jí)較高。

對(duì)于承擔(dān)電力應(yīng)急管理職責(zé)的組織或機(jī)構(gòu)，可以針對(duì)其管轄范圍內(nèi)的電力設(shè)施，預(yù)先分析可能的爆炸超壓范圍，在事件發(fā)生前研判響應(yīng)級(jí)別，做好應(yīng)急準(zhǔn)備。

3.3 風(fēng)險(xiǎn)因素的影響程度分析

應(yīng)用貝葉斯模型，可以分析風(fēng)險(xiǎn)因素不同狀態(tài)對(duì)后果的影響，進(jìn)而有針對(duì)地開(kāi)展?；繁ㄊ鹿拾l(fā)生前的風(fēng)險(xiǎn)處置措施。以爆炸超壓為例，對(duì)于一般條件情形，不同爆炸超壓范圍的“系統(tǒng)損失”結(jié)果如圖3所示。

圖3 “爆炸超壓”對(duì)“系統(tǒng)損失”的影響Fig.3 Influence of “explosion overpressure” on “systemic loss”

由圖3可知，當(dāng)爆炸超壓由[0,20]kPa提高到大于100 kPa時(shí)，系統(tǒng)損失小于1 000萬(wàn)元的概率，由61.5%減小至21.5%，其他3個(gè)狀態(tài)的概率顯著增加，其中大于10 000萬(wàn)元的概率由3.02%增大至10.8%。由此可見(jiàn)，“爆炸超壓”是影響“系統(tǒng)損失”的重要因素。如果條件允許，可以在事件發(fā)生前，通過(guò)對(duì)脆弱性較強(qiáng)的設(shè)備加裝防護(hù)裝置，或通過(guò)優(yōu)化電網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，減小單一設(shè)備損壞對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)的影響等措施，減小?；繁ㄊ鹿屎蠊?。

同理，可以分析時(shí)間、電力設(shè)施、應(yīng)急響應(yīng)能力等因素對(duì)不同后果要素的影響，根據(jù)實(shí)際情況有針對(duì)性地開(kāi)展?；繁ㄊ鹿拾l(fā)生前的風(fēng)險(xiǎn)處置措施。

4 結(jié)論

1)應(yīng)用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)方法，綜合考慮突發(fā)事件、承災(zāi)載體、應(yīng)急管理的風(fēng)險(xiǎn)因素，建立危化品事故電力系統(tǒng)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型，評(píng)估預(yù)警等級(jí)。

2)將該模型應(yīng)用于應(yīng)急準(zhǔn)備階段，通過(guò)預(yù)先分析典型情景的事件等級(jí)和響應(yīng)等級(jí)，有針對(duì)性地開(kāi)展應(yīng)急能力建設(shè)；分析各風(fēng)險(xiǎn)因素對(duì)事件等級(jí)的影響程度，結(jié)合實(shí)際情況對(duì)影響顯著的風(fēng)險(xiǎn)因素開(kāi)展預(yù)先處置措施，減小事件風(fēng)險(xiǎn)。

3)以貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型得出的后果結(jié)果為基礎(chǔ)，可以應(yīng)用“最大概率法”或“概率加權(quán)求和法”研判事件等級(jí)，后者較前者得出的事件等級(jí)可能相對(duì)較高。

4)風(fēng)險(xiǎn)因素的分布概率和條件概率直接影響貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型的準(zhǔn)確性。在實(shí)際應(yīng)用中，不同應(yīng)用主體應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況對(duì)概率進(jìn)行必要的調(diào)整，如根據(jù)危化品可能的爆炸超壓情形調(diào)整不同狀態(tài)所占比例，根據(jù)涉及的電力設(shè)施調(diào)整不同類(lèi)型設(shè)施所占比例等，以進(jìn)一步提高模型的針對(duì)性和準(zhǔn)確性。