基于貝葉斯網(wǎng)絡的建筑事故影響因子分析★

王 菲 郭 健

(武漢輕工大學土木工程與建筑學院，湖北 武漢 430023)

1 概述

改革開放以來，隨著我國社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，建筑行業(yè)的規(guī)模也不斷的擴大。然而由于建筑行業(yè)本身具有投資金額大，施工工期長，技術復雜，作業(yè)環(huán)境差，勞動強度大，機械設備多，點多面廣以及建筑企業(yè)安全管理理念落后，安全管理方法不科學等原因導致了建筑事故頻頻發(fā)生[1]。建筑工程從前期、建筑期到運營期的每一個階段都很重要，隨時都存在著事故風險[2]。因此，對建筑事故的原因分析和預測是很有必要的。李書全等人在2008年提出一種基于RS-SVM的建筑安全事故預測模型[3]。葉貴等人在2009年運用模糊因子分析法分析了影響建筑企業(yè)安全成本的因素,為建筑企業(yè)控制安全成本提供借鑒[4]。付聰?shù)热送ㄟ^對安全事故進行分析得到人的安全行為、物的安全狀態(tài)以及工作環(huán)境安全狀態(tài)對建筑安全事故有直接的影響[5]。其中針對人等不安全行為，歐美國家在20世紀80年代就研究了一種很有效的事故預防方法——BBS，行為安全方法[6]。而李華等人在2020年通過基于STAMP模型來定量分析探究建筑事故致因因素[7]。

本文以近三年發(fā)展的特大建筑施工事故為數(shù)據(jù)依據(jù)來通過事故樹和貝葉斯網(wǎng)絡進行分析，從而得到最重要的風險因素，為避免事故發(fā)生提供理論依據(jù)，有效防控，保障建筑施工的正常運行。

2 建筑事故時間特征分析

根據(jù)我們國家住房與城鄉(xiāng)建設部事故通報，2016年—2019年每年的事故件數(shù)都在增加，可見我國建筑安全生產形勢的嚴峻。

2.1 月分布

建筑事故的發(fā)生和自然環(huán)境有著一定的關系，其受天氣、氣候的影響，所以也導致建筑事故的月份表現(xiàn)出一定的規(guī)律性，對其按月份進行統(tǒng)計，結果如圖1所示。

從圖1可以看出，4月份～9月份是建筑事故頻發(fā)的時期,事故數(shù)量占總數(shù)的62.2%。通過查詢我國降水量的時間分布特點，發(fā)現(xiàn)夏季是雨水比較多的季節(jié)，7月份降水量是全年最高，其中特別是對正在關鍵工序的工程影響較大，會延長其施工進度。雨水會影響其土體的強度，并且當大量的水滲入地下，導致地下水位長時期上升的時候，土體可能會濕陷，產生較大的附加下沉。并且由于夏季溫度較高，工人容易產生中暑、反應遲鈍等情況，從而引發(fā)建筑事故。

2.2 年分布

通過調查住建部統(tǒng)計等相關數(shù)據(jù)資料，統(tǒng)計了近三年建筑事故發(fā)生的形態(tài)，見圖2。

從圖2可以看出，2017年—2019年的事故逐年增加，其中因為工作人員從高處墜落而造成事故發(fā)生在每年的事故中占比最大。其中工作人員從高處墜落的主要原因就是：工作人員安全意識不足、工地的安全措施不夠完善、安裝人員以及施工人員的違規(guī)操作等。

3 建筑事故事故樹構建

事故樹(Fault Tree Analysis,FTA)也稱為故障樹，它是分析造成事故發(fā)生的主要原因。其中事故樹主要是由頂上事件、中間和基本事件組成。而這些事件又是由“與門”和“或門”連接。

1)頂上事件。一般是人們不希望發(fā)生的事件，用字母T表示。本文探究的是建筑工程發(fā)生建筑事故的原因，因此以“建筑事故”作為頂上事件。

a.當基本事件在最小割集中重復出現(xiàn)時，頂上事件的概率計算公式是：

(1)

其中，j，s，k均為最小割集的序數(shù)，Ks為第s個最小割集。

b.當基本事件之間不重復時，頂上事件的概率計算公式為：

(2)

其中，P(f(x))為頂上事件T的發(fā)生概率；j,k均為最小割集的序數(shù)；qi為基本事件Xi的發(fā)生概率。

2)中間事件。顧名思義是連接頂上事件和基本事件的事件，作為一個中間橋梁，用字母Mi表示。論文的中間事件有人、機、環(huán)、管。將這四個因素作為第一層的中間事故，這四件事故中任何一件事故的發(fā)生都會導致頂上事件的發(fā)生，所以是用或門連接。

3)基本事件。是事故發(fā)生最基本的原因，用字母Xi表示。論文的基本事件有監(jiān)管不力、工人違規(guī)等。事故樹的基本術語見表1。

表1 事故樹的基本術語

建筑事故的記錄方式有兩種形式，一種是事故調查報告，一種是事故數(shù)據(jù)庫，其中事故調查報告里面包含了事故的發(fā)生過程以及事故發(fā)生的直接原因以及間接原因等資料，而事故數(shù)據(jù)庫偏向于固定的數(shù)據(jù)形式。因此事故調查報告對事故的分析中有大量的信息可以挖掘，本文采用分

析事故調查報告的方式。

由于關于建筑事故的案例以及公開的事故調查報告的數(shù)量十分有限，因此本文主要是分析了21件較大的事故，數(shù)據(jù)來源于住建部公開的調查報告和網(wǎng)上公開的調查信息。通過對建筑事故的各項指標分析得出影響因素，如表2所示。

表2 建筑事故樹事件描述

基于建筑事故的數(shù)據(jù)，把相應基本事件發(fā)生的次數(shù)在建筑事故樣本中所占的比例作為基本事件的概率，結果如表3所示。

表3 基礎概率表

通過以上分析，編制了建筑事故的事故樹，得到頂上事件的概率是0.78，如圖3所示。

3.1 最小割集分析

由事故樹得到最小割集如表4所示，通過計算得出事故樹的最小割集為21個，分別是(X1×X5)，(X1×X6)，(X1×X7)，(X10)，(X11)，(X12)，(X13)，(X14)，(X15)，(X16)，(X2×X5)，(X2×X6)，(X2×X7)，(X3×X5)，(X3×X6)，(X3×X7)，(X4×X5)，(X4×X6)，(X4×X7)，(X8)，(X9)，即建筑事故的可能路徑有21條，數(shù)量越多，事故發(fā)生的可能性越大，即風險越大。說明事故的發(fā)生可能是一個基本事件引起，也可能是兩種基本事件引發(fā)的，甚至可能是幾個最小割集的組合構成的。

3.2 頂上事件發(fā)生概率分析

根據(jù)式(1)可以求得頂上事件發(fā)生的概率為0.785，表示建筑事故的78.5%都可以用事故樹的16個基本事件來解釋。頂上事件概率不是1的原因可能是因為模型不能完全表達出實際關系以及16個基本事件不能完全概括建筑事故的發(fā)生。

3.3 基本事件概率重要度分析

基本事件概率的重要度體現(xiàn)了其導致建筑事故發(fā)展的可能性，概率重要度越大的基本事件，影響建筑事故發(fā)生的程度越大。基本事件概率重要度公式：

(3)

根據(jù)式(3)，計算出各基本事件的臨界重要度，如表5所示。

表4 最小割集描述

表5 臨界重要度

由表5可知，管理本身不良X14的臨界重要度最高，然后是員工教育不夠X13。按鈕開關不良或失效X10和超載X11的臨界重要度也比較大。

4 貝葉斯網(wǎng)絡構建

在這些年，建筑事故的發(fā)生越來越多，因此很有必要對其進行風險的定量分析。而在定量分析的過程中，我們需要明確其不確定性，Marcus Abrahansson 在2000年就提到過定量風險需要明確不確定性給分析帶來的影響，因為定量風險分析的時候非常復雜，往往缺少歷史統(tǒng)計數(shù)據(jù)的動態(tài)系統(tǒng)。而貝葉斯就是在定量風險分析中處理不確定性的一種最廣泛的方法。論文選用GeNIe軟件實現(xiàn)貝葉斯網(wǎng)絡的可視化和概率推理。

貝葉斯公式的離散分布形式:

(4)

其中，初始概率P(Bi)稱為先驗分布；P(Bi|A)是修正后的概率，稱為后驗概率；P(A|Bi)稱為似然函數(shù)。

1)根節(jié)點先驗概率的確定。根節(jié)點相當于一顆樹的樹根。各節(jié)點的先驗概率如表6所示。

表6 各根節(jié)點概率

利用GeNIe軟件，在貝葉斯網(wǎng)絡結構輸入各根節(jié)點概率，結果如圖4所示。其實，T表示節(jié)點事件發(fā)生，F(xiàn)表示節(jié)點事件不發(fā)生。

2)逆向推理。從圖4可以看出，葉節(jié)點“建筑事故”的發(fā)生概率為0.95。而貝葉斯可以很好的解決目標節(jié)點“建筑事故”概率為100%時，其他各節(jié)點的概率，由此逆向推理，即得到各節(jié)點的后驗概率。如圖5所示，與先驗概率相比，大部分節(jié)點的概率都有所增加，其中人的不安全因素和管理的不安全因素概率增加4%，機械與設備的不安全因素增加1%，環(huán)境的不安全因素沒有變，由于后驗概率可以很好的降低參數(shù)的不確定性，所以后驗概率的結果對建筑事故的分析更加有意義。

由圖5可以看出，人的不安全因素占比最大，尤其是人的不良安全行為對建筑事故發(fā)生的影響最大。然后是管理的不安全因素，其中主要是因為管理本身不良，由于工人或是施工單位使用不符合規(guī)范的材料或者是設計而導致建筑事故的發(fā)生。然后是機械與設備的不安全因素，其主要是由于建筑設備故障而引發(fā)建筑事故的發(fā)生，主要原因就是控制設備的按鈕失靈或者故障。最后是環(huán)境因素對建筑工程的影響，主要是由于下雨導致其土體結構失穩(wěn)或是因為下雨而導致人的一些不良行為，最終導致建筑事故的發(fā)生，通過分析可以知道，其中人的因素以及管理因素是影響建筑事故發(fā)生概率的主要因素。

5 結論

論文在分析了近三年21例較大的建筑事故的基礎上，提取事故鏈，得到影響因子，運用事故樹和貝葉斯兩大軟件對其造成事故的原因進行分析，研究了建筑工程的安全風險，主要得到結論如下：

1)在事故形態(tài)上，建筑事故多為高處墜落；時間分布上，4月～9月是建筑事故頻發(fā)時期，主要是受天氣及其環(huán)境影響較大。2)分析事故影響因素，首先采用事故樹分析，分析建筑事故各因子以及頂上事件概率，然后通過最小割集分析得到建筑事故發(fā)生由21種途徑導致。通過結構臨界重要度的計算，得到管理本身不良對事故的影響較大。3)通過貝葉斯網(wǎng)絡分析，得到人的不良安全行為以及管理的不安全因素對建筑事故的影響最大。