基于知識元表達的地鐵隧道施工事故情景庫設計

陳赟，陳玉斌，李晶晶, 2，張謹帆

基于知識元表達的地鐵隧道施工事故情景庫設計

陳赟1，陳玉斌1，李晶晶1, 2，張謹帆1

1.長沙理工大學 交通運輸工程學院，湖南 長沙 410114 2. 長沙理工大學 道路災變防治及交通安全教育部工程研究中心，湖南 長沙 410114)

在地鐵隧道施工安全風險管理和應急管理過程中，為充分、高效利用已發生的事故的歷史經驗，需全面、準確提取事故過程的關鍵信息，并將其結構化表達。基于知識元理論和情景理論，將事故過程片段化和情景化，提出包括表現層、情景層和知識層的地鐵隧道施工事故情景表達通用層次模型。根據15個案例，分析事故特征并提取情景因素信息，提出事故情景知識元表達式；基于此，提出了情景庫構建框架和流程以及應用方式。針對某坍塌事故進行了案例分析，結果顯示，模型可以簡練、完備地表達事故信息，可為應用歷史事故大數據指導地鐵隧道施工安全風險預警和事故應急決策提供參考。

地鐵隧道；施工事故；知識元；情景；風險因素

地鐵隧道工程作業環境特殊，人員、建筑物密集，地下管網復雜，施工安全風險預警和事故應急決策具有高度復雜性。已發生的地鐵隧道施工事故的發展過程和應急處置過程對于安全風險預警以及安全事故的應急決策具有重要的參考意義。但目前大部分事故主要是以文本或圖片的形式進行信息存儲和傳遞，直接利用效率低，對其結構化的表達是必要的。目前在對案例結構化表達的研究中，大部分是基于知識表達的方法，如本體理論[1]、基因圖譜[2]、XML[3]等，其優勢在于都可以通過篩選和提取案例的關鍵信息，按照邏輯結構直觀、簡潔地表達案例，但其劣勢在于無法將案例多層級、多階段、多維度地存儲關鍵信息，在案例推理或對比分析的過程中造成關鍵信息的丟失。情景最早定義為事實和未來狀態的描述[4]，現在則普遍認為情景是事件一種態和勢的集合，包括事件的當前狀態和未來的發展趨勢[5]，將事故情景化表達可以明確事故的發展過程。知識元是知識存儲、共享和引用的最小知識單元[6]，其結構完整簡潔，可以用簡練、格式統一的語言存儲信息。近年來，結合知識元理論進行案例情景結構化表示已成功應用于各類突發事件的情景表達中[7-8]。并在各類公共安全事件輔助決策研究中得到成功應用，包括情景識別[9]、情景推演[7]、情景匹配和情景—應對[8]等。但應用知識元理論表達案例情景在施工安全風險預警和施工安全事故應急決策領域的應用較少。本文嘗試采用知識元理論探索地鐵隧道施工事故案例情景結構化表達方法，確定事故情景劃分依據，分析情景層次結構，通過文獻和案例提取地鐵隧道施工事故情景因素，分析情景因素關系，構建地鐵隧道施工事故情景庫，以期為地鐵隧道施工安全風險預警和施工事故應急決策提供參考。

1 地鐵隧道施工事故情景表達

1.1 情景理論與知識元理論

在案例表達中，情景可以作為描述事件狀態和趨勢的工具。一個事件從發生到結束的整個過程可以用多個關鍵情景片段來描述，進而可以完整地對事件進行記錄和表達。本文界定的情景片段內容包括對地鐵隧道施工事故情景因素在某一階段的狀態描述以及對情景因素間的相互關系和變化趨勢的描述。知識元可以根據一定規則結構化地表達情景因素的概念、內涵、狀態和趨勢等特征，因此引入知識元作為情景狀態描述的工具。

知識元是相對完整表達內容的最小單元[6]，王延章[10]提出可以用一個三元組知識元來描述一個客觀事物的基本概念和各類屬性特征。該三元組包括描述該客觀事物的概念及屬性名稱集、屬性狀態集、以及屬性間的相互作用關系集等3個集合。結合地鐵隧道施工事故領域探討，對于一個具體的事故，該事故可由一定數量的情景因素的態勢信息進行描述，其表示方式如下：

1.2 情景層次結構設計

在地鐵隧道施工事故中，定義對事故施加影響和承受影響的一定區域和時間范圍內的所有客觀事物為一個事故系統。情景因素可描述一段時間中事故系統內各事物所處的狀態以及其相互間的作用方式、影響關系和變化趨勢。事故涉及的客觀對象多，發生過程復雜，對情景因素分類是事故情景表達的基礎。在公共安全領域，公共安全體系“三角形模型”將公共安全事件劃分為突發事件、承災載體和應急管理[11]，諸多學者借鑒該理論，將非常規突發事件情景劃分為事件、載體和活動[12]，將應急管理案例情景劃分為致災因子、應急活動和承災體[13]，將食品安全事故劃分為事故事件、承災載體和應急管理[7]等。

對于地鐵隧道施工事故情景，險兆事件的發生與風險因素負面效應的累積導致事故爆發，隨著事故系統內各類事物的相互影響推動事故發展，并在應急處置活動的干預下最終使得事故終止。其中本文定義的險兆事件是指受到風險因素作用但無影響或影響較小的前兆危害事件，險兆事件在條件的改變下可能演化為事故。因此本文將事故情景因素劃分為事故事件，事故載體和應急活動。事故事件是地鐵隧道施工階段導致人員傷亡或財產損失的事件，如坍塌事件、突水突泥事件、物體打擊事件等；事故載體是承擔事故事件損失的對象，如地鐵隧道構造物、施工人員、施工設備等；應急活動是為消除或降低事故負面影響所采取的一系列活動。

圖1 情景表達通用層次模型

1.3 情景信息提取與知識元表達

提取事故情景信息需首先明確情景因素，地鐵隧道施工事故情景因素是情景描述的基本單元，是事故信息的集中概括。各事故案例存在諸多共有的情景因素，如事故的時間和空間信息、事故性質等，但由于事故的類型、受損對象和處理手段存在巨大差異性，如地下管網和地面交通均為事故載體，但二者缺乏共性特征，故不能直接構建一套完整的表達范式。本文分析了15個應急管理部等相關部門公布的地鐵隧道施工事故案例的事故調查報告，結合相關文獻資料[15-16]和設計規范要求，對于各事故案例的共性特征且為關鍵信息的內容提取為情景因素，對于缺乏共性特征無法直接提取情景因素的事故信息，需根據前述情景層次結構對關鍵信息進行提取，對情景因素逐一細化。總結各類情景因素如下：

1) 事故事件AC。事故事件是某一情景片段下事故的基本信息的描述，包括事故時間、空間和事故體信息。時間包括開始時間、持續時間和結束時間；事故體包括事故類型、事件級別、傷亡損失以及其他信息，其中其他信息是可擴展獨立于以上各類因素的對于事件基本信息的補充，如坍塌事件的坍塌部位，突水突泥事件的水位等；

2) 事故載體DC。事故載體是事故系統內受到影響的各類客觀對象，如隧道結構物、施工人員、施工機械設備、地下管網、地面交通以及其他載體，各類客觀對象差異性大，其基本屬性需根據具體事故案例進行細化和補充；

3) 應急活動EA。應急活動是應急處置的行為的過程和結果的描述，某一情景片段的應急活動可能有多種，但他們都有如下共性特征作為情景因素，包括活動類型，實施主體、實施客體、活動開始時間、活動結束時間、活動投入資源和其他活動信息。

明確情景因素后需要對情景因素包含的信息進行采集，包括因素的概念及屬性名稱、屬性狀態和因素間的屬性關系。結合知識元結構和地鐵隧道施工事故情景因素特點，各類信息采集內容如下：

1) 概念及屬性名稱。包括對因素的概述和一般性解釋；

2) 屬性狀態。包括可測特征，測度量綱，屬性狀態的變化函數。可測特征分為可測量和可描述；對于可測量因素，需要選取合適的測度量綱；屬性狀態的變化函數是該因素的狀態描述及發展趨勢描述，對于可測量因素為該情景下的量值或變化函數，對于可描述因素為該情景下的文本描述；

則S可用如下三元組表示：

其中

2 地鐵隧道施工事故情景庫構建與應用

2.1 情景庫構建框架

地鐵隧道施工事故情景庫是情景信息存儲和調用的載體，為使情景庫的應用范圍更廣，應完整地記錄事故全過程的情景，需首先基于事故發生過程對事故情景進行劃分。

事故爆發前的險兆事件情景如機械、氣候條件或土體的監測數據發生較大變化等的情景對于同類事件的預警有著重要意義；事故爆發時的爆發情景如爆炸、坍塌發生時刻的情景對于險兆事件負面效應累積突變為事故的臨界值判斷、最優處置時間的判斷有著指導作用；在事故發展過程中一般可以由專家經驗劃分為一個或多個發展情景，一般以標志性事件如“二次坍塌”、轉折性事件如“降雨停止”或特殊性事件如“開始采取應急干預活動”等為劃分依據，事故發展情景對于事故的應急決策有著重要指導作用；在救援活動停止后的事故終止情景對于應急決策方案的實施效果、救援物資的消耗以及救援時機的判斷都有著參考作用。綜上所述，情景庫應包括事故爆發前的險兆事件情景和事故爆發后的爆發、發展和終止情景等4類情景片段。事故案例應根據前述方式完成情景的劃分，各情景片段由事故事件、事故載體、應急處置3類情景因素組成的屬性知識元進行表達。情景庫構建框架如圖2所示。

圖2 情景庫構建框架

2.2 情景庫構建流程

根據情景庫構建框架，地鐵隧道施工事故情景庫的構建應遵循以下步驟：

1) 搜集應急管理部等有關部門公布的地鐵隧道施工安全事故調查報告，以及權威媒體有關報道、企事業單位報告等佐證材料；

2) 根據專家經驗，將事故案例按照情景劃分依據即標志性事件、轉折性事故和特殊性事件劃分為險兆事件情景、事故爆發情景、事故發展情景、事故終止情景4類情景片段；

3) 對于任一情景片段根據情景表達通用層次模型確定情景因素，采集提取情景因素信息，對關鍵信息進行知識元抽取，即應用式(3)的知識元模型表達和存儲情景信息；

4) 按照一定規則和方式將知識元存儲的信息數據庫化，如應用XML、HTML或其他語言形式將情景信息錄入計算機，基于計算機載體完成初始情景庫的構建；

5) 事故案例新增入庫、原事故案例由于客觀錯誤如瞞報后重新調查或主觀錯誤如專家經驗不足等原因需要進行情景庫的修正，2種情況同樣遵循入庫時的規則和方式，進而完成情景庫的維護。

2.3 情景庫應用流程

情景庫是情景信息根據情景表達通用層次模型和知識元表達模型通過一定規則規范存儲的信息庫，其入庫、維護和調用規則及方式如情景因素命名規則、數據結構信息類型等應根據生產實踐實際需求進行明確，本文不再贅述。本文主要探討情景庫構建的意義和應用的方式及范圍。情景庫所存儲的情景包括險兆事件情景和事故事件情景，二者分別對安全風險的預警和事故的應急決策有著指導作用，其主要應用方式如下：

1) 對于風險管理階段需要決策的項目，考察主要風險指標進行風險評估，同時采集實時監測數據，將風險評估結果和采集的信息進行知識元抽取形成初始情景。初始情景根據一定方式如貝葉斯網絡推演、案例推演等進行情景推演，初始情景和推演情景分別與情景庫情景進行相似度匹配，對于匹配相似度結果進行排序和判斷，按照一定規則輸出決策項目的風險類型、風險大小、風險可能發生的位置和風險處置措施，進行風險的預警；

2) 對于事故爆發階段需要決策的項目，按照一定規則采集情景信息，將信息采集結果進行知識元抽取形成初始情景。同樣進行情景推演和相似度匹配后，按照一定規則輸出決策項目的應急處置建議，進行事故的應急決策。

在情景匹配過程中由于不同類別的歷史事故數據有著數量上的差異性，存在大量同類數據和少量的小樣本數據，可能導致情景匹配結果出現較大偏差，因此在情景匹配過程中需要通過對小樣本數據進行賦權或回避的方式對匹配結果進行修正。

情景庫構建和情景庫輔助決策應用流程圖如圖3所示。

圖3 情景庫構建與應用流程圖

3 案例分析

3.1 事故描述

2018年1月25日17時10分左右，某市軌道交通21號線某作業區間，左線盾構機帶壓開倉動火作業時，焊機電纜線短路引起火災，3名倉內作業人員失聯，施救過程中土倉壓力急速下降，掌子面土體失穩，突發坍塌。

3.2 事故情景表達與入庫

根據事故調查報告公布的事故發生經過及應急處置情況詳情，將事故按照險兆事件情景、事故爆發情景、事故發展情景和事故終止情景4類劃分為：土倉排煙不良(火災)情景、土倉泄壓(掌子面坍塌)情景、土倉保壓(二次救援)情景、常壓開倉(救援結束)情景4個情景片段。根據情景因素提取規則確定事故事件為火災事件和坍塌事件；事故載體為盾構機土倉、施工作業人員和掌子面；應急活動為泄壓、保壓和凍結加固。根據報告對情景因素進一步細化確定其屬性特征。以土倉泄壓(掌子面坍塌)情景為例，其情景因素概念及屬性名稱集、屬性狀態集由表1給出；屬性關系集由情景層次結構和影響關系集明確。

表1 某市軌道交通21號線坍塌事故案例—— 事故爆發情景

圖4 某市軌道交通21號線坍塌事故情景因素關系集圖示

根據情景因素的影響關系和演進關系可以構建該事故的情景關系集，應用知識元結構存儲該關系集的輸入、輸出和映射關系，本文用如下圖示模型(圖4)簡略表示，其中影響關系指箭頭開始節點所包含的情景因素與箭頭結束節點有正面或負面的影響作用，影響程度和方式由該關系的輸入、輸出和映射關系確定；從屬關系指箭頭開始節點包含的情景因素從屬于箭頭結束節點；演進關系指情景片段的演進或箭頭開始節點所包含的情景因素與箭頭結束節點存在趨勢上的演進。

通過完成屬性集和關系集的情景信息錄入進而實現該事故所有情景片段的入庫。

4 結論

1) 知識元對于地鐵隧道施工事故案例的情景化表示具有普適性和可操作性：事故事件和應急處置可以完整描述事故本身和事故應急處置的過程和結果；事故載體可以記錄事故主體的信息和所處環境狀態的變化，三者囊括了事故的關鍵信息，同時能夠完整地記錄事故各類情景因素的概念和屬性、各因素間的內在聯系和外部聯系、情景因素的演化趨勢。

2) 地鐵隧道施工事故情景層次結構模型和情景知識元表達式組成的事故情景表達模型拓展了情景表達的應用領域，在事件類別上聚焦地鐵隧道施工事故，對于施工建設安全管理可利用的歷史經驗數據庫化是一次有利的嘗試。

3) 通過構建事故情景庫并提出從風險預警和應急決策2個角度進行情景推演并對情景庫數據進行情景匹配，明確了情景庫應用的2個可行的方向，以期延伸情景理論的應用范圍和價值。

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Design of subway tunnel construction accident scene database based on knowledge element expression

CHEN Yun1, CHEN Yubin1, LI Jingjing1, 2, ZHANG Jinfan1

(1. School of Traffic and Transportation Engineering, Changsha University of Science & Technology, Changsha 410114, China;2. Engineering Research Center of Catastrophic Prophylaxis and Treatment of Road and Traffic Safety of Ministry of Education,Changsha University of Science & Technology, Changsha 410114, China)

In the process of subway tunnel construction safety risk management and emergency management, in order to make full and efficient use of the historical experience of the accident, it is necessary to extract the key information of the accident process comprehensively and accurately and express it in a structured way. Based on the knowledge element theory and scenario theory, the accident process was segmented and contextualized, and a general hierarchical model of subway tunnel construction accident scenario expression was proposed. It included representation layer, scenario layer and knowledge layer. According to 15 cases, the accident features were analyzed. The information of scenario factors was extracted, and the expression of accident scenario knowledge element was proposed. Based on this, the framework and process of scenario database construction and application mode were proposed. A case study on the collapse accident shows that the model can express the accident information concisely and completely, which can provide a reference for the application of big data of historical accident to guide the safety risk early warning and emergency decision-making of subway tunnel construction.

subway tunnel; construction accident; knowledge element; scenario; risk factors

TU714；U455.1

A

1672 ? 7029(2021)01 ? 0259 ? 09

10.19713/j.cnki.43?1423/u.T20200263

2020?04?04

湖南省應急管理廳2018年安全生產科技研究及推廣項目；長沙理工大學道路災變防治及交通安全教育部工程研究中心開放基金自主項目(kfj180403)

陳赟(1963?)，男，湖南邵陽人，教授，博士，從事工程項目管理研究；E?mail：cheny@csust.edu.cn

(編輯 蔣學東)