城市軌道交通工程安全隱患網(wǎng)絡特征分析

李金雨

(曼徹斯特大學 電氣工程學院,英國 M13 9PL)

1 數(shù)據(jù)信息提取

1.1 數(shù)據(jù)來源說明

研究數(shù)據(jù)來自2015年～2020年某城市軌道交通工程，共計3 822條數(shù)據(jù)，涵蓋8條軌道線路。數(shù)據(jù)信息包括：(1)基坑當中主體施工階段，外部鋼筋加固場地未設置防護欄引發(fā)的安全風險。(2)軌道隧道內部施工過程中，某區(qū)間段左線部分開關箱出現(xiàn)一閘多機情況導致的用電安全風險。(3)工程高架施工環(huán)節(jié)中，起重機大臂部分固定在腳手架上，以致于兩臺塔式起重機之間的距離小于最小安全距離，使得起重吊機的使用安全性受到影響，產(chǎn)生安全風險。(4)基坑挖掘階段，基坑外的明挖挖掘段對于挖掘深度超過2 m的施工井以及基坑等部分未進行安全防護，因此導致基坑的支護安全性并未得到有效的保障。(5)高架施工的基礎部分，需要進行樁基礎部分的某區(qū)間，未按照要求進行廢泥漿的保護作業(yè)，即泥漿、污水以及廢水等能夠在無任何保護的狀態(tài)下流入附近的水系當中，對水系造成污染。

1.2 數(shù)據(jù)信息提取

針對上述數(shù)據(jù)進行類型分析時，設計了分析的四個維度，分別為D類維度，即安全隱患；A類維度，即工種；B類維度，即施工階段；C類維度，即施工地點。根據(jù)上述各維度與施工安全之間的關系，參照城市軌道交通施工安全的相關要求，上述四個維度能夠進行進一步的劃分。

D類：包括22個大類、198個小事件，分別為Da—安全隱患的忽視；Db—安全防護裝置的安裝不當；De—所處位置缺乏安全性；Dc—使用機械以及其他設備缺乏安全性；Dd—物品放置錯誤導致的隱患；Df—吊裝行為；Dg—個人安全防護保障并不到位；Dh—施工人員的裝束不安全；Dj—缺乏必要的防護措施；Dk—特種作業(yè)；Dl—安全裝置拆除作業(yè)；Dm—不符合安全規(guī)范的作業(yè)；Dn—隧道當中的作業(yè)；Dp—爆破行為；Dq—用電行為；Dr—消防安全；Ds—文明施工問題；Dt—施工管理問題；Du—施工質量不佳；Dv—其他。

A類：包括19個大類，分別為A1—安全員；A2—電工；A3—焊工；A4—鋼筋工；A5—盾構機操作員；A6—防水作業(yè)工；A7—架子工；A8—混凝土施工員；A9—模板工；A10—吊籃作業(yè)工；A11—吊籃拆卸工；A12—機械設備操作員；A13—司索工；A14—信號員；A15—通風工；A16—砌筑工；A17—油漆工；A18—裝修工；A19—普工。

B類：包括8個大類，分別為B1—防水施工作業(yè)；B2—工程附屬結構的施工作業(yè)；B3—高架基礎部分的施工作業(yè)；B4—高架主體部分的施工作業(yè)；B5—基坑開挖的施工；B6—基坑部分的維護以及支護作業(yè)；B7—基坑主體部分的施工；B8—隧道部分的施工。

C類：包括8個大類，分別為C1—車輛段；C2—高架；C3—基坑內部；C4—基坑外部；C5—隧道的軌道區(qū)間；C6—隧道豎井區(qū)域；C7—隧道作業(yè)面；C8—停車場。

2 網(wǎng)絡構建與分析

2.1 軌道交通工程安全隱患網(wǎng)絡

由于D類項目每個大類包含的事件較多，因此在實際表示時為進行更為清晰的區(qū)分，根據(jù)數(shù)據(jù)的編號增加兩位數(shù)字編碼進行標注，如Da類型的具體事件能夠使用Da02進行表示。根據(jù)上述四個維度構建復雜網(wǎng)絡時，需要建立涵蓋四個維度的無向加權網(wǎng)絡。將每個數(shù)據(jù)作為一個節(jié)點，需要通過如下措施進行網(wǎng)絡的構建。某事件“圍擋損壞”，四個維度分別為“Ds01”、“A19”、“B7”、“C4”，根據(jù)上述四個維度能夠劃出三條線，分別為Ds01-A19、Ds01-B7、Ds01-C4。每條線均為該節(jié)點的一個邊，邊的權重由節(jié)點出現(xiàn)的總計頻次決定，鑒于不同的節(jié)點并不存在時空的關聯(lián)性，因此所有邊均屬于無向邊。使用Gephi軟件能夠將所有數(shù)據(jù)形成見圖1。

圖1 數(shù)據(jù)安全網(wǎng)絡模型圖

圖1中標簽為該節(jié)點的要素，而節(jié)點的大小與節(jié)點的影響性相關，圖中節(jié)點所占面積越大，則代表該節(jié)點的影響性越高，邊越粗同樣代表該邊的重要性越高。

2.2 網(wǎng)絡安全分析方法

在復雜的網(wǎng)絡當中，需要使用拓撲參數(shù)進行特征的分析。需要采用累計的模式進行分析，分析的內容包括累計度以及強度，同時包括度數(shù)以及網(wǎng)絡的密度。在子系統(tǒng)分析時，則需要使用可視化模型以及強度模型進行分析。

對度和累計的分布情況進行分析時，以i表示節(jié)點并以ki表示與該節(jié)點相關的邊數(shù)時，能夠得到ki計算公式(1)如下

(1)

式中:ki為節(jié)點i的度值；aij為節(jié)點i以及節(jié)點j之間的邊；N為節(jié)點的數(shù)量。

由于復雜網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)總量較少，未降低尾部噪點造成的影響，應當使用累計的度分布取代原本的度分布，即度的概率應當在k以上，累計度的模型計算公式(2)

(2)

式中:p(k)為節(jié)點的度值必須在k以上。

在強度分析時，考慮到網(wǎng)絡各邊的權重，在強度計算時需要采用下公式(3)

(3)

式中:si為節(jié)點i的強度；wij為節(jié)點i以及節(jié)點j之間邊的權重；N為節(jié)點的數(shù)量。

與上述度數(shù)相同，在實際計算過程中同樣采用累計強度取代強度，根據(jù)累計強度的要求強度需要大于s節(jié)點的分布概率，此時累計強度的計算公式(4)應當為

(4)

式中:p(s)為節(jié)點的強度必須在s以上。

在網(wǎng)絡密度計算過程中，需要明確網(wǎng)絡的密度指網(wǎng)絡當中各個節(jié)點之間的關系，節(jié)點的聯(lián)系越緊密則代表節(jié)點之間的密度越高。網(wǎng)絡密度D的計算公式(5)為

(5)

式中:M為該復雜網(wǎng)絡當中邊的總數(shù)量；N(N-1)/2為該網(wǎng)絡能夠擁有的邊的總數(shù)量。

在整體性分析時同樣需要分析度數(shù)是否存在中心化的趨勢，存在中心化趨勢時網(wǎng)絡呈現(xiàn)向中心偏移的情況。中心化趨勢顯著，則對應度高的節(jié)點則呈現(xiàn)更為密集的狀態(tài)。度數(shù)中心勢使用CAD表示，計算公式(6)為

(6)

式中:CADmax為最高度值；CADi為節(jié)點i的度值；N為節(jié)點的數(shù)量。

3 結果分析

3.1 總體特征

通過可視化的模型能夠初步觀察復雜網(wǎng)絡整體的狀態(tài)，但是并不能對網(wǎng)絡內部的結構進行更為詳細的分析。為達到詳細分析的目的，除進行整體性分析外，同時需要將整體性的復雜網(wǎng)絡拆分為8個子網(wǎng)絡。在網(wǎng)絡的整體分析過程中，需要根據(jù)網(wǎng)絡累計度以及累計強度的相關特征進行分析，能夠在擬合的情況下獲得分布曲線，其中p(k)值為3.705 9-1.089，對應的R2為0.896 9；p(s)值為3.905 3-0.636，對應的R2為0.867 8。根據(jù)上述分析能夠確定，該復雜網(wǎng)絡具有顯著性的無標度特征，或者說該網(wǎng)絡具有較為顯著的異質性。大部分連線均與特定的節(jié)點相關，從現(xiàn)實角度來看，則表明大部分安全風險均由特點的幾項因素造成，對這幾項因素進行控制，則能夠更為有效避免安全風險的出現(xiàn)。

3.2 施工階段

對網(wǎng)絡整體進行分析時能夠確定整體性的趨勢，但針對趨勢的具體變化情況則依然需要通過將網(wǎng)絡進一步展開才能夠確定。

對工程安全網(wǎng)絡密度以及度數(shù)中心勢進行分析，根據(jù)關鍵性節(jié)點的位置能夠明確每個影響較大的節(jié)點均與大部分施工地點以及施工環(huán)境相關。中心勢能夠用于分析該子網(wǎng)絡系統(tǒng)當中是否存在較高的安全隱患發(fā)生風險，以及哪些工種或者施工地點發(fā)生安全隱患的概率更高。

對兩項因素進行融合分析，能夠明確。

(1)8個子網(wǎng)絡的密度分布在0.06～0.22范圍內，不同節(jié)點之間的關聯(lián)性并不高；度數(shù)的中心勢則分布在0.24～0.82之間，即所有子系統(tǒng)幾乎均存在中心勢的表現(xiàn)。在這些子網(wǎng)絡當中，施工的地點以及工種關系更為顯著。

(2)B1網(wǎng)絡即防水工程網(wǎng)絡，密度更高但是同時中心勢的趨勢并不顯著，該種表現(xiàn)與防水工程的工程性質相符。在所有子系統(tǒng)當中，防水工程的工程內容較為單一，施工地點較為固定，且施工內容的變化同樣相對較少，因此安全隱患出現(xiàn)的概率同樣相對較低。該子系統(tǒng)當中各個節(jié)點的關聯(lián)較為緊密，在控制管理方面能夠采用更為明確的規(guī)范進行管理。

在子系統(tǒng)當中，每個節(jié)點的度數(shù)越高，即該節(jié)點的k值越高，則代表與該節(jié)點相關的安全隱患因素越多，即該節(jié)點在安全網(wǎng)絡當中更為重要。而強度則主要影響邊的權重，某個節(jié)點的強度越高，代表與該節(jié)點相關的邊權重越高。權重越高的節(jié)點，對安全隱患的影響越顯著。通過綜合考量節(jié)點的度數(shù)以及強度，能夠更為清晰的確定網(wǎng)絡當中每個節(jié)點的重要性。分析每個子系統(tǒng)的網(wǎng)絡時，不僅能夠明確不同施工階段可能存在的重要安全隱患，同樣能夠確定施工階段以及施工地點以及工種之間的關系。

采用上述形式對子系統(tǒng)進行分析，由于B1子系統(tǒng)的趨勢與需求并不相同，因此并不適合采用上述的方法進行分析，針對其他7個子系統(tǒng)，即B2～B7，能夠采用上述的形式進行分析。采用上述方法對其他7個子系統(tǒng)進行分析，為使用分析圖更為清晰，在展現(xiàn)時其中重要性較低的節(jié)點采用了不顯示的模式。

進行分析，初步的分析結果顯示其余的7個系統(tǒng)當中，有幾個節(jié)點的影響更為突出，如表1所示。

表1 大度值節(jié)點統(tǒng)計表

根據(jù)表1從度數(shù)角度來看，所有節(jié)點當中Dg05、Do01、Dq01以及Dj04四個節(jié)點的度數(shù)最大，即與最多的安全風險相關。

而所有的節(jié)點當中，強度的統(tǒng)計結果如表2所示。

表2 強度較大節(jié)點統(tǒng)計表

統(tǒng)計結果顯示，上述節(jié)點當中DL02、Do01、Dj01以及Dn12四個節(jié)點的強度最高，對安全隱患的影響最大。

進一步分析能夠確定。

(1)施工地點以及工種當中，架子工發(fā)生風險的概率更高，而基坑外作為施工地點發(fā)生風險的概率同樣更高。(2)高架的基礎施工以及基坑的圍護工程發(fā)生隱患的概率更高，而基坑支護不及時造成的風險同樣相對更高。(3)施工人員未按照要求佩戴安全繩等安全設備，屬于普遍性的事故原因，因此各個施工環(huán)節(jié)均必須重視優(yōu)化該項管理。(4)四口以及五邊界造成的安全事故屬于較為頑固的類型，解決的難度較高，且復發(fā)的風險相對而言較高。

4 結 語

分析研究時，針對圈定的城市以及軌道交通工程反饋的3 822條數(shù)據(jù)信息進行，在研究模型方面使用了無向加權網(wǎng)絡，形成了整體網(wǎng)絡以及子網(wǎng)絡，通過對模型分析明確了軌道交通工程進行時可能出現(xiàn)的安全隱患特征等。研究的結果顯示，雖然部分因素在網(wǎng)絡當中節(jié)點影響并不顯著，但上述網(wǎng)絡當中明顯存在中心節(jié)點，中心節(jié)點的現(xiàn)實對應含義代表該情況存在更大的安全隱患風險。如人工風險節(jié)點包括施工過程中未佩戴安全繩，軌道空間結構風險節(jié)點如基坑支護存在不足等，均是本類型安全風險產(chǎn)生的主要原因。通過對上述節(jié)點的有效控制，能夠避免工程安全隱患的出現(xiàn)。