基于DBN的地鐵隧道施工坍塌事故情景推演與應急處置優化研究

胡佳佳， 陳玉斌

(1.湖南省醴婁高速公路建設開發有限公司， 湖南 湘潭 411100；2.長沙理工大學 交通運輸工程學院， 湖南 長沙 410114)

由于地下空間存在巨大的不確定性和風險，地鐵隧道施工中坍塌事故時有發生。事故發生后，應急處置是挽救生命、財產安全的重要環節。由于管理者管理水平、經驗和制度的差異及項目資料和應急預案完備性、針對性不足等，有些事故應急處置效果不佳，進而引起次生、衍生事故。針對地鐵隧道施工坍塌事故的應急處置，現有研究主要從實際狀態考量決策和歷史經驗輔助決策兩方面展開。在實際狀態考量決策方面，文獻[2-4]主要通過事故機理分析、趨勢預測分析和風險識別控制等設計應急機制或制訂應急方案，未能充分利用歷史事故的應急處置經驗。在歷史經驗輔助決策方面，文獻[5-6]引入知識圖譜、本體、案例推理等對地鐵施工坍塌事故應急知識匹配、應急處置經驗檢索等展開研究，未能對歷史事故應急處置的實施效果進行深入分析，未對不當應急處置進行優化。隨著認知水平的提高和技術的發展，歷史經驗的可靠性和適用性亦存在一定局限。因此，在利用歷史事故經驗輔助決策前，需對歷史事故的應急處置進行優化，提高應急決策的科學性和合理性。對于突發事件的應急處置，考慮當前的應急能力、資源條件、認知水平和技術水平，通過分析既有歷史事故的初期狀態在不同應急干預活動下的發展趨勢和實施效果，可更高效、準確地抉擇較優應急處置方案。文獻[7-8]引入情景分析法和貝葉斯網絡(Bayesian Network，BN)進行突發事件情景狀態預測和分析，取得了顯著成果。考慮到地鐵隧道施工坍塌事故的動態性和不穩定性，引入動態貝葉斯網絡(Dynamic Bayesian Network,DBN)對事故的情景狀態進行推演可獲取多方向的應急處置路徑，結合路徑發展概率分析較優應急處置方案，從而實現應急處置的優化。該文采用情景分析法表示歷史事故情景狀態，采用DBN對事故情景進行推演，分析在不同干預活動和資源約束條件下應急處置過程中事故的動態發展趨勢和干預活動的實施效果，提出應急處置優化建議，為地鐵隧道施工坍塌事故應急處置提供參考。

1 地鐵隧道施工坍塌事故情景表示

事故情景是事故在某個時空下所有關鍵要素的狀態和關系共同構成的集合。文獻[13]提出情景元C由災情D、承災體B、致災因子R和孕災環境E等4類因素組成。

在事故情景推演過程中，災情和孕災環境是事故發展狀態、環境狀態的直觀描述，可作為事故應急處置決策的主要依據。致災因子和承災體是事故發生后調查分析的關鍵，但無法直觀反映事故狀態和發展趨勢。結合文獻[14-16]的研究，考慮到地鐵隧道施工坍塌事故的演化是一個動態過程，探討其演化過程需考慮事故所有客觀實體和外部環境的變化和相互影響，同時需考慮應急處置對事故系統狀態的干預。地鐵隧道坍塌事故存在地下空間不確定，近鄰基礎設施、構筑物、建筑物繁多且事故發展過程不穩定等特性。因此，選取事故情景狀態S(事故發展的階段性描述)、應急處置活動A(事故發生后采取的應急救援活動和為控制事故危險源的干預活動)、外部環境E(事故系統所處的自然環境狀態)、應急資源M(應急處置活動涉及的救援人員、裝備、機械、設施、通道及其他救援條件)作為基本情景因素。任一時空約束下第i個地鐵隧道施工坍塌事故情景元Ci可表示為：

Ci={Si,Ai,Ei,Mi}

(1)

當Ci表示消失情景元時，Ai、Ei、Mi為空集。

某一時空約束下第k個事故情景元Ck演化為另一時空約束下第k+1個事故情景元Ck+1可表示為：

Ck→Ck+1

{Sk,Ak,Ek,Mk}→{Sk+1,Ak+1,Ek+1,Mk+1}

Sk,Ak,Ek,Mk∈Ck;Sk+1,Ak+1,Ek+1,Mk+1∈

Ck+1

(2)

2 地鐵隧道施工坍塌事故情景演化規律和路徑分析

2.1 情景演化規律分析

地鐵隧道施工坍塌事故情景演化表現為事故情景狀態S在應急處置活動A的作用、外部環境E的影響和應急資源M的約束下發生改變，其基本單元見圖1。

Sk表示第k個事故情景狀態

以事故狀態變化的主要轉折點作為關鍵節點，將事故動態發展過程以情景片段的形式進行劃分，分析事故關鍵節點，假定各節點獨立以簡化分析過程，同時保留事故演變分析的動態性。將情景片段與時序一一對應展開分析。假設事故發生情景狀態為S0，對應時間點為t0；事故發展情景狀態為S1，S2，…，Sn-1，對應時間點分別為t1，t2，…，tn-1；消失情景狀態為Sn，對應時間點為tn。n+1個情景片段共同構成事故的演化過程(見圖2)。

圖2 地鐵隧道施工坍塌事故情景演化規律

2.2 情景演化路徑分析

地鐵隧道施工坍塌事故發展過程中，事故情景狀態變化受到外部環境的持續影響。事故發生后，現場管理人員、相關責任主體及其他人員采取的應急處置活動可能是持續或間斷的，目的是削弱或消滅事故的負面作用，挽救生命安全，降低財產損失。

應急處置活動的預期是對事故產生積極影響，但受到外部環境的影響和應急資源的約束，處置活動可能產生兩種效果：一種是事故負面作用減弱或消失，即積極效果，在事故演化中定義為應急處置活動達到預期；另一種是事故負面作用不變或加強，即消極效果，在事故演化中定義為應急處置活動未達到預期。情景演化路徑也形成樂觀路徑和悲觀路徑2個方向(見圖3)。

在S1情景狀態下，若采取應急處置活動A1達到預期，則演化至事故情景狀態S2；若采取應急處置活動A1未達到預期，則演化至S6情景。以此類推。圖3向右的情景演化為A達到預期的樂觀路徑，向下的情景演化為A未達到預期的悲觀路徑。由于事故的復雜性和差異性，該情景演化路徑網絡具有唯一性。

圖3 地鐵隧道施工坍塌事故情景演化路徑

但各情景演化節點均存在達到預期和未達到預期2個結果，則n個情景片段構成的事故演化路徑網絡共有2n條路徑。以圖3為例，該演化路徑網絡共17個節點，代表17個情景，其中包含1個發生情景、10個中間情景、6個消失情景。S1—S2—S3—S4—S5路徑為最樂觀路徑，該路徑下一系列應急處置活動能產生最大正面效應；S1—S6—S10—S14—S17路徑為最悲觀路徑，該路徑下一系列應急處置活動可能產生最大負面效應。

3 基于DBN的情景推演和應急處置優化

3.1 DBN簡介

BN是一種有向鏈概率圖模型，可有效解決信息不完全、表達不具體的問題。DBN是BN在時間領域的拓展，可提高情景推演過程中在不同發展階段演化概率的準確性，更符合地鐵隧道施工坍塌事故動態發展過程和規律。

BN采用有向無環圖。在情景推演中，BN的各節點代表不同的情景因素，節點間的有向鍵線代表情景因素間的影響關系。影響關系的強度由條件概率表示，概率值為節點狀態轉移概率。記BN中對其他節點產生影響的父節點為mi(i=1,2,3,…)，受到其他節點影響的子節點為n。根據貝葉斯公式，任一父節點mi的概率為：

(3)

對于任一BN，記所有節點xi形成的集合為X，X={xi}(i=1,2,3,…)，定義xi的父節點集合為Mi，則BN所有節點集的聯合概率分布為：

P(X)=P(x1|x2,x3,…,xn)P(x2|x1,x3,…,

xn)…P(xn|x1,x2,…,xn-1)=

(4)

在DBN中，引入時間指標t，t=1,2,…,T(T為情景片段數量)。將節點xi與t相關聯，表示為xi[t]。定義一個先驗網B0為初始狀態xi[1]上的聯合概率分布、轉移網B→為中間狀態xi[t]轉移到xi[t+1]上的轉移概率P(xi[t+1]|xi[t])，則任一DBN在xi[1],xi[2],…,xi[t]上的聯合概率分布為：

P(xi[1],xi[2],…,xi[t])=

(5)

(6)

3.2 DBN構建

基于DBN的情景網絡構建包括網絡節點變量確定、變量因果關系確定和節點條件概率估計，步驟如下：

(1) 確定網絡節點變量。對于要分析的地鐵隧道施工坍塌事故，搜集事故調查報告及新聞報道等佐證材料和信息，基于事故致因分析和專家經驗對不同應急處置活動的正面影響或負面影響進行預設，提取事故情景狀態S、應急處置活動A、外部環境E和應急資源M等情景因素信息作為情景推演的基礎。節點變量類型及取值見表1。

表1 節點變量類型及取值

(2) 確定變量間的因果關系。對于已確定的網絡節點變量，根據情景演化基本單元和情景演化順序判斷所有網絡節點的父節點，用有向不循環箭線相連，構建變量因果關系網絡。該因果關系包括A、E、M對S的影響作用和S的演化關系。

(3) 估計各節點條件概率。為減少單一方法的誤差和部分方法的主觀性，通過案例分析、專家打分、文獻分析等多種方法，根據情景因素的變量類型、數據來源、數據樣本空間大小等選用不同方法，綜合確定節點與父節點間影響程度的條件概率，從而計算各節點的條件概率。

3.3 DBN計算和應急處置優化分析

利用構建的DBN計算不同發展路徑的發生概率，根據計算結果篩選最樂觀路徑、最悲觀路徑、最可能路徑，分析三者與實際應急處置路徑的差異，將4條路徑應急處置過程作為相似事故應急處置的參考并提出優化建議。4條路徑的分析方法如下：

(1) 對于實際應急處置路徑，充分考慮其應急處置過程采取的應急處置活動對事故產生的正面影響和負面影響，同時考慮即時環境狀態和資源約束。其實施效果已得到實際驗證，可作為應急處置的主要參考資料。

(2) 對于最樂觀路徑，重點關注其應急處置活動對事故產生的負面作用，判斷最優應急處置過程的損失并力求進一步對應急處置對策選擇和資源調配進行優化。

(3) 對于最悲觀路徑，在相似事故應急處置過程中盡量避免選用該路徑下應急處置對策和資源調配方案，同時關注其應急處置活動對事故產生的正面效果，以期在不得已的情況下能快速評估其損益進而進行決策。

(4) 對于最可能路徑，充分分析路徑的實現過程并作為相似事故應急處置參考的主要資料，從而在應急處置對策選擇和資源調配上不斷糾偏。

4 案例分析

4.1 事故情景元表示

2018年1月，某軌道交通線路施工過程中發生較大坍塌事故，導致3人死亡，直接經濟損失1 009萬元。根據事故調查報告和新聞報道梳理事故發生過程和應急處置情況，界定分析范圍為事故征兆事件發生至被困人員脫離被困環境的事故發展全過程。考慮專家意見和事故狀態顯著變化節點，篩選7個關鍵發展情景(S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7)。結合類似事件對事故良好干預和不當干預引起的其他可能的發展情景展開分析，得到4個假設情景(S8、S9、S10、S11)。提取事故情景狀態S、外部環境E、應急處置活動A和應急資源M信息，結果見表2。

表2 某軌道交通線路施工坍塌事故情景元信息

4.2 DBN構建與情景推演

假定情景演化中各情景因素變量對事故情景狀態的影響是獨立的。根據事故過程和事故應急救援過程的情景因果關系構建DBN，采用貝葉斯軟件GeNIe進行計算，其節點概率在考慮時間因素影響下由歷史事故數據和相似工程評估資料確定。計算結果見圖4，其中S12、S13、S14、S15、S16為事故消失節點，以被困人員脫離被困環境、損害事件基本結束或不再延續為劃分依據，事故消失節點不考慮其事故情景狀態受到其他情景因素的影響。

圖4 某軌道交通線路施工坍塌事故情景推演GeNIe實現

4.3 結果分析和決策建議

根據情景推演結果，結合事故實際處置效果，可從如下方向對應急處置進行優化：1) 事故最優演化路徑為S1—S8—S12，該路徑應急處置關鍵點在于在不良事件發生后對事件采取強干預策略，對不良事件環境進行全面檢查并加強現場監控量測。在應急處置時這些措施可最大程度降低損失，但會產生一定的管理成本和工期延誤。2) 事故最劣演化路徑為S1—S2—S4—S5—S6—S10—S16，它是在諸多不可抗力和不當處置手段綜合影響下導致的事故負面影響最大化演化路徑。由于應急處置效果未達到預期而導致衍生、次生事故，實際應急處置過程中應采取更嚴密的監控量測措施，更合理地選擇應急處置手段，降低衍生、次生事故發生的可能性。3) 事故實際發展路徑為S1—S2—S4—S5—S6—S7，該路徑應急處置過程前期錯過了強干預應急處置關鍵點，但在后期事故應急處置中現場救援處置措施得當，未發生衍生、次生事故，對于相似事故應急決策具有較好的參考價值。4) 事故最可能發展路徑為S1—S2—S4—S5—S6—S7，該路徑與事故實際發展路徑一致，說明事故實際應急處置符合事故實際發展規律要求，可為相似事故應急決策提供重要參考。

綜上，該事故情景狀態在不良事件前期采取強干預策略可有效降低事故不良發展的可能性，事故發生后迅速采取合理的應急處置措施可有效降低事故損失。在與該事故初始情景狀態相似的事故決策過程中，借鑒該事故輔助應急決策的方式如下：1) 在事故事態發展前期加大對主要安全控制點的監控，及時檢查故障點，判斷排煙不良原因并及時采取處理措施；2) 在事態發展的不同階段，充分考慮事故應急處置過程中2個方向的演化路徑，結合參考事故在某一節點的發展概率，研判需采取的應急處置方法及強度，進而合理利用應急資源高效地應對事故；3) 在事故終止時，根據事故終止節點的發展概率判斷次生、衍生事故發生的可能性，進而采取相應事故修復措施。

5 結語

該文基于情景元理論探討地鐵隧道施工坍塌事故情景元表示方法，提出由事故情景狀態、外部環境、應急處置活動和應急資源4項情景因素組成的情景元，分析地鐵隧道施工坍塌事故的情景演化規律和演化路徑，為情景推演奠定基礎，為情景理論的應用提供新的視角；引入DBN討論情景推演和應急處置優化方法，通過網絡節點選取、關系分析和概率估計進行推演，結合推演結果對事故應急處置方案進行優化；從最優路徑、最劣路徑、最可能路徑和實際路徑分析應急處置優化方法，不同的演化路徑對于事故應急處置有不同的指導意義，可為相似事故應急決策提供參考。在工程實踐中，亦可將其應用于風險管理和應急管理全過程，為相關工作開展提供便利。地鐵隧道施工中，對重點隱患事件采取強干預策略可有效控制風險演化為事故，對事故采取充分的處置措施可有效降低事故損失。需加強對關鍵風險的控制和隱患排查，建立健全的事故應對機制，并采取針對性的強干預策略和應急處置措施減少其負面影響，為生產安全提供保障。但在情景劃分和情景推演節點概率確定的過程中主要依賴決策者經驗，有待進一步改進，后續研究中可采取更客觀的概率確定方法進一步提高決策的合理性。