基于模糊貝葉斯網絡的塔吊作業安全風險評估

王金輝，郝 偉，陶 澤，韋 麗

(蘭州交通大學土木工程學院，甘肅 蘭州 730070)

塔吊在各類工程當中的運用極其廣泛，許多施工材料都需要塔吊進行調運，在多種施工現場中已成為一種必不可少的設備。但是由于塔吊作業時，塔吊布置數量密集、起吊作業頻繁等原因，導致安全事故頻頻發生，且后果較為嚴重，時有因為復合原因導致設備損壞甚至人員傷亡的事故發生。因此，開展塔吊作業安全風險評估對于施工現場的安全管理具有重要意義。

塔吊作業安全風險評估是涉及技術、環境和組織的復雜系統問題，國內外學者針對塔吊安全作業問題進行了大量的研究。如Chen等提出了一種在風荷載波動下塔式起重機安全性評估的通用方案，以確保塔式起重機結構的安全，預防倒塌風險的發生；余群舟等通過統計分析塔吊事故，從事故類型、發生時間、發生階段和直接原因四個方面挖掘了發生塔吊事故的內在因素；Swuste總結了荷蘭安全委員會對一起塔吊事故的原因分析，研究了設計缺陷對塔吊安全事故的影響；Dutta等采用基于GPU的并行化方法對CALP系統進行了離散和連續碰撞檢測以及路徑規劃，以防止塔吊間相互碰撞的風險；李剛等對一起塔吊火災事故的原因進行了分析，并提出了相應的解決措施。

現有的研究多是從某個因素對塔吊安全風險的影響開展研究，而塔吊作業安全問題是一個多層次、多維度的系統問題，一個風險因素可能會導致多個風險事件發生，因此研究系統內部各組分之間的相互關系具有重要的意義。本文全面考慮塔吊作業時導致安全事故的風險事件和風險因素，采用專家調查問卷和模糊理論計算根節點的先驗概率，運用概率分配的方法計算中間節點的條件概率，并根據風險因素與各類風險事件之間的因果關系構建貝葉斯網絡模型，對塔吊作業的安全風險進行了評估。

1 塔吊作業安全風險評估指標體系建立

識別與分析系統存在的風險因素及風險等級，挖掘指標之間的因果聯系和規律性，是建立有效的事故分析模型進而評估與控制風險的基礎。本文通過對塔吊作業事故的統計分析，并參考《塔式起重機安全評估規程》等規范，將在役塔吊作業事故按事故類型主要分為倒塌、吊物墜落、碰撞、火災和電器危險等，各種事故類型的占比見圖1，并將其作為塔吊作業安全風險評估指標體系的準則層指標。 根據塔吊作業的工作機理和結構特點，深入分析導致塔吊作業4種事故類型的主要原因，得出塔吊結構部件失效、吊物脫鉤、塔吊間相碰撞、電器設備故障等10種塔吊作業風險事件及后果，見表1。

圖1 塔吊作業事故類型統計

表1 塔吊作業風險事件及后果

風險事件與風險因素之間并不是一一映射的關系，一個風險事件的發生可能是由多種風險因素造成的，一個風險因素也可能造成多種風險事件同時發生。根據塔吊作業風險事件進一步地識別出塔吊生產廠家資質、政府部門安全監督檢查、管理人員安全責任遵守、施工單位安全生產投入等12項風險因素，并分析各項風險因素與風險事件之間的耦合因果關系，見表2。

表2 塔吊作業風險因素與風險事件之間的耦合因果關系

2 基于模糊多態貝葉斯網絡的塔吊作業安全風險評估模型構建

塔吊作業風險因素之間的關系錯綜復雜，貝葉斯網絡與回歸模型相比，其不僅對線性、可加性等統計假設沒有嚴格的要求，可更形象地描述指標之間的聯系，而且能夠有效處理變量較多且變量之間存在交互作用的情況，并從大量復雜的數據中發現知識和結構，在得到變量先驗概率分布的情況下，通過給定中間節點的觀測值，無論連接它們的箭頭方向如何，貝葉斯網絡都能迅速將信息傳遞到網絡中的各個節點，從而推導出其他變量的后驗概率。因此，本文采用貝葉斯網絡構建了塔吊作業安全風險評估模型，具體的基于貝葉斯網絡的塔吊作業安全風險評估技術路線，見圖2。

圖2 基于貝葉斯網絡的塔吊作業安全風險評估技術路線

2.1 節點狀態風險概率等級及確定

貝葉斯網絡的節點狀態通常分為兩種：一種是表示該節點所描述的風險事件發生；另一種是表示該節點所描述的風險事件不發生。然而在現實案例中，節點的狀態是模糊的，處于一種中間狀態。因此，本文設計了調查問卷，將塔吊作業節點狀態風險概率等級劃分為5類，具體劃分標準見表3。

表3 塔吊作業節點狀態風險概率等級劃分標準

2.2 節點風險概率計算

為了使塔吊作業安全風險評估結果更加準確，節點的權重聽取多位專家的意見并對其進行了適當的整合。由于個人經驗和知識的差異，不同專家對于相同的風險事件可能會表達不同的看法，為了實現專家不同觀點的一致性，同時降低單個專家主觀性的影響，本文采用概率分配和三角模糊數的方法確定節點條件概率表(Conditional Probability Table，CPT)和根節點先驗概率表(Priori Probability Table，PPT)。具體步驟如下：

(1) 有

n

個專家組成的專家組

K

(

k

,

k

,…,

k

)，每個子節點對應

m

個父節點，按照下式確定每一個父節點對子節點的影響權重并進行歸一化處理：

(1)

式中：

W

為父節點對子節點的影響權重。

(2) 按照下式計算子節點到父節點的加權平均狀態距離：

(2)

式中：

P

表示父節點的狀態;

C

表示子節點的狀態;

s

表示節點的狀態。

(3) 計算條件概率：常規的條件概率計算公式為

(3)

采用概率分配的方法改進后的條件概率

P

計算公式為

(4)

式中：

R

為專家給出的結果分布指標。

(5)

式中：

a

為該節點狀態的最小可能值;

b

為該節點狀態的最可能值;

c

為該節點狀態的最大可能值。然后，按照下式計算

i

狀態下專家給出的三角模糊概率均值:

(6)

最后，按照下式計算根節點的先驗概率并進行歸一化處理：

(7)

2.3 塔吊作業安全風險評估

根據貝葉斯網絡結構及上述公式，運用Matlab軟件計算節點的CPT和PPT，導入到貝葉斯網絡分析工具Netica軟件中，得出每個節點各狀態發生的概率，由此可以對塔吊作業安全總體風險進行評估。假設風險必然發生，進行逆向推理，找到關鍵風險因素，進而可以有重點地對關鍵風險因素進行控制與管理。

3 案例應用與分析

3.1 案例背景

甘肅某房地產開發公司開發的巨龍·金城御景園項目場地位于蘭州市城關區九州片區B464規劃路以北，S459規劃路以東，B456規劃路以西，東側為羅鍋溝高邊坡(坡高約為35 m，坡頂距建筑物距離約為10.0 m)，該項目總建筑面積為169 194.4 m，用地面積為33 907.30 m，長約268.0 m，寬約128.0 m。

3.2 貝葉斯網絡結構

根據建立的塔吊作業安全風險評估指標體系，將各項風險因素與風險事件之間的耦合因果關系運用貝葉斯網絡結構來表示，使各風險因素之間的關系更加系統、直觀地表現出來，見圖3。

圖3 塔吊作業安全風險評估的貝葉斯網絡結構

3.3 計算節點的條件概率

節點條件概率表是為了量化父節點對子節點的影響效果,即計算當父節點處于不同狀態時,子節點狀態的條件概率。由于缺少歷史數據,本文采用專家調查法來推測節點的條件概率，即根據專家組給出的風險因素權重,按照公式(2)、(4)采用Matlab軟件編程進行計算。

以碰撞節點為例,當父節點

M

、

M

的節點狀態為(

A

、

D

)時,計算得出子節點碰撞

A

狀態的概率為0

.

173 0,

B

狀態的概率為0

.

211 3,

C

狀態的概率為0

.

258 0,

D

狀態的概率為0

.

315 1,

E

狀態的概率為0

.

042 6，見表4。

表4 碰撞節點的條件概率表

3.4 計算根節點的先驗概率

先驗概率是“由因求果”問題中“因”的出現概率，是根據以往經驗與分析得到的概率。由7名專家對根節點的狀態根據公式(5)給出三角模糊概率，再根據公式(6)和(7)計算出該根節點的先驗概率。以

X

根節點為例，計算得出

X

根節點不同狀態的先驗概率，見表5。

表5 X1根節點的先驗概率表

3.5 塔吊作業安全風險評估結果

在Netica軟件中將PPT和CPT錄入，得出塔吊作業安全總體風險非常低的概率為20.119%，較低的概率為45.445%，中等的概率為25.747%，較高的概率為7.391%，非常高的概率為1.298%，見圖4。對貝葉斯網絡進行逆向推理，假設塔吊群發生安全事故，最有可能導致事故發生的關鍵風險因素依次為政府部門安全監督檢查

X

、施工單位安全生產投入

X

和管理人員安全責任遵守

X

。

圖4 基于模糊多態貝葉斯網絡的塔吊作業安全風險評估

3.6 預防措施

根據塔吊作業安全風險評估的結果，本文提出了如下有針對性的預防措施：

(1) 政府安全監管時要將與生產一線人員交流溝通也作為一種考察方式，從與員工交流和溝通工作中更能了解生產現場中可能存在的深層次問題和安全管理上的漏洞。

(2) 施工單位要強化安全教育培訓，轉變思想認識，營造良好的安全生產氛圍。尤其對安全投入責任的劃分，要嚴格按照體系程序運行，從而將安全投入工作進行常態化管理。

(3) 切實加強管理人員安全生產責任制，不僅要在崗前組織安全教育和安全學習，而且在施工過程中也要不斷強化管理人員的安全責任意識，并制定一系列的獎懲措施。

4 結 論

(1) 塔吊作業安全受多種風險因素的影響，通過全面分析塔吊作業安全系統，從倒塌、吊物墜落、碰撞、火災及電器危險4種事故類型中，識別出10種風險事件、12項風險因素與頻發的事故類型之間的關系，建立了基于模糊多態貝葉斯網絡的塔吊作業安全風險評估模型，提高了塔吊作業安全風險評估的準確度。

(2) 根據評估結果得出塔吊作業安全總體風險非常低的概率為20.119%，較低的概率為45.445%，中等的概率為25.747%，較高的概率為7.391%，非常高的概率為1.298%，與案例實際情況相符，從而證明了該模型具有一定的可靠性和可行性。

(3) 塔吊的結構部件及附墻裝置失效最有可能導致塔吊倒塌事故的發生，通過避免塔吊生產廠家資質存在問題、塔吊日常維修與保養工作不到位、施工單位安全技術交底不到位這些風險因素的出現，可有效地降低塔吊作業倒塌事故發生的風險。

(4) 根據貝葉斯網絡的逆向推理得出，政府部門安全監督檢查、施工單位安全生產投入和管理人員安全責任遵守對塔吊作業的安全風險有較為明顯的影響，為關鍵風險因素，進而提出具體的應對措施，以為塔吊作業的安全防范工作提供參考。