基于貝葉斯網絡的立體庫作業風險分析

孫樹峰 岳森峰 劉友朋 趙志理

1 北京起重運輸機械設計研究院有限公司 北京 100007 2 北京市自動化物流裝備工程技術研究中心 北京 100007

3 機械工業物料搬運工程技術研究中心 北京 100007

0 引言

隨著全球經濟的快速發展，物流倉儲行業的重要性愈加凸顯，2022 年全年社會物流總額超過340 萬億元，物流業總收入達到12.7 萬億元[1]。自動化立體庫（Automated Storage and Retrieval System，AS/RS） 是物流倉儲行業的核心，承接上下游產業鏈的樞紐作用，截至2023 年5 月全國倉庫總面積40 298.4 萬m2，倉庫園區8 651 個。立體庫的施工作業是一項復雜且涉及眾多技術領域的綜合性作業，受到經濟成本、技術水平、作業安全、項目環境等因素的制約，人員集中、設備繁多、交叉作業等因素給立體庫施工作業帶來極大隱患，加之高造價及發生事故的嚴重性，使立體庫作業風險分析成為亟待解決的問題[2-6]。

在作業風險分析方面，Babaleye A 等[7]測試了BN內的事故前兆數據，利用經驗學習方法調查了失敗操作的最可能原因；Yazdi M 等[8]將模糊集理論和證據理論與貝葉斯網絡相結合，提出了一種新的定量風險評價方法（Quantitative Risk Assessment，QRA）；晉良海等[9]為綜合分析起重作業人、機、環等風險因素，構建了起重作業人機交互差錯的貝葉斯網絡模型；張健等[10]針對安全態勢預測準確率低及安全風險識別率低的問題，提出了一種基于CAPSO-SNN 的輸電現場作業安全管控措施；連成華等[11]為明確高處作業風險傳遞過程，應用社會網絡分析法（Social Network Analysis，SNA）研究得到有向高處作業風險因素關系網絡模型；付明福等[12]面向油氣長輸管道企業作業風險管理，提出一種作業分級定量風險評價方法；鐘虹等[13]運用貝葉斯網絡方法進行事故的條件概率計算，并結合模糊綜合評價法對連續管作業人因失誤風險因素進行等級評價；范曉飚等[14]通過層次分析法研究并建立安全風險的分析模型，利用判斷矩陣確定影響龍門吊船舶在裝卸貨物下的各項安全風險指標權重。目前，作業風險分析多應用于石油石化、高空作業、航空航天等領域，鮮有面向立體庫作業風險的研究。基于此，本文針對立體庫施工作業中可能發生的事故類型進行研究，分析各風險因素的權重，確定施工作業事故孕育、演化與成災過程中復雜狀態，基于貝葉斯網絡建立立體庫作業工程風險的評估方法，形成面向施工作業的風險預警策略，相關成果可為我國立體庫安全建設提供理論參考。

1 立體庫作業風險辨識

1.1 風險因素識別

典型的立體庫作業流程為：基礎建設→貨架安裝、→堆垛機安裝→輸送機安裝→單機調試運行→聯合調試運行。針對立體庫作業過程中因操作和處置不當引發的人員傷亡、財產損失、環境污染等問題，考慮倉庫所處環境和作業技術條件，結合施工工藝流程，系統識別和分析立體庫施工過程風險因素及作業危險性，提取關鍵作業環節，評估其作業風險。根據歷史事故統計，將立體庫作業風險劃分為人員因素、管理因素、設備因素、環境因素等4 種類型。

1）人員風險因素 人員作為立體庫作業的實施者，對事故的預防和應急處置至關重要，處于良好狀態的作業人員能有效控制事故風險，降低或避免職業傷害程度。

2）管理風險因素 在立體庫施工作業過程中，管理風險因素是造成事故的原因之一。管理風險主要體現在管理體制不完善、關鍵信息缺乏以及項目進行過程中產生錯誤決策等。

3）設備風險因素 在通常情況下，項目實施過程中機械設備及其結構的失效是引起作業事故的直接原因，設備風險主要包括結構風險、系統裝配存在的安全隱患等。立體庫施工大型設備采取起吊安裝，諸多環節和不利因素都可能演化為危及吊裝安全的因素。因此，在作業前應對關鍵設備進行檢修，準確地評估其可靠性，并在作業過程加強設備性能監測，盡可能保證設備和人員的安全，此外還應保證各類安全保障設備及輔助設備的齊全性。

4）環境風險因素 立體庫作業過程中環境風險因素主要為復雜地形和散落裝備，作業現場包括消防門洞、縱深巷道、鋼結構支架、待安裝設備等，密閉倉庫照明的不足，易傷及作業人員。

1.2 作業風險半定量計算

工作安全分析法（Job Safety Analysis，JSA）是一種預先對工作任務進行風險評價，并根據評價結果制定控制措施，實現降低或消除風險的方法。目前，JSA 分析法主要用于生產和施工作業場所活動的安全分析，包括新的作業、非常規作業、改變現有作業等任務的評估。為了半定量或定量評估作業步驟風險，風險矩陣常用來輔助JSA 完成分析過程，表1 為典型的風險矩陣圖。風險矩陣將風險的等級定義為

式中：R為風險等級，P為風險事件發生的概率，C為風險事件的嚴重程度。

在實際中，依據專家評判以及國內立體庫建設實例，可以確定P、C的值。

立體庫作業是一個多工種、多設備協作施工的過程，影響作業安全的風險因素錯綜復雜。結合國內外文獻，以國內某立體倉庫工程項目為例，將立體庫作業流程劃分為K1基礎建設、K2貨架安裝、K3堆垛機安裝、K4輸送機安裝、K5單機調試運行、K6聯合調試運行等6 個步驟，分析得到作業過程中的18 類風險事件。基于風險矩陣對立體庫作業過程進行JSA 分析，得到表2所示評估結果，并根據基本風險事件的特征給出相應的控制措施。

由JSA 分析結果可知，堆垛機安裝K3階段風險最大，其次是貨架安裝K3階段具有較高作業風險。2022年1 月，國內某項目貨架安裝時有工人踏空墜落，搶救無效死亡，高空墜物和人員墜落是2 個階段中最危險的情況，對作業人員生命安全造成嚴重威脅，為此在項目實施中應加強作業現場的安全管理，嚴格生產現場的管理，發現隱患要采取對應的措施及時予以消除，保障勞動者的人身安全和社會公共安全，實現立體庫作業成功完成。

2 立體庫作業風險分析

2.1 立體庫作業貝葉斯網絡

貝葉斯網絡（Bayesian network，BN）是一種結合圖形分析模型，在基于概率和不確定性條件的風險和安全分析中具有顯著優勢，因而廣泛應用于工程作業的風險評估領域。貝葉斯網絡（BN）可用于正向（預測）或反向（推斷）分析，當貝葉斯網絡（BN）用于正向分析時，中間節點的概率由根節點的先驗概率和節點之間的因果關系計算得到。貝葉斯網絡（BN）的優點是可以實時進行概率更新，當外界條件發生變化時，修改對應節點的先驗概率即可重新評估整體事件的發生概率；當貝葉斯網絡（BN）用于反向分析時，首先假定最終事件為成功或失敗，反向推導貝葉斯網絡（BN）可以得到所有根節點的后驗概率，以此評估對最終事件影響程度最高的風險事件，簡單的貝葉斯網絡（BN）如圖1 所示。

圖1 典型的貝葉斯網絡示意圖

利用貝葉斯網絡（BN）進行狀態評估時，各變量之間的聯合概率分布為

式中：Xi為子節點的條件概率分布，π(Xi) 為父節點的條件概率分布。

假設A＝{X1，X2，…，Xn}，引入新的證據B＝b時，更新貝葉斯網絡（BN），計算條件概率為

當立體庫作業過程中獲得新信息時，可更新作業任務的成功或失敗概率，根據可用信息的類型采用不同方式進行更新。如果得到表示于網絡節點的事件信息，則可根據新信息調節節點狀態的結果執行更新。在這種情況下，更新直接在網絡中執行；當新信息涉及不直接由網絡表示的事件時，可通過改變受信息影響的節點的概率執行更新。

立體庫作業是一個連續的施工過程，目的是建設智能、高效、密集的自動化存儲立體庫。有效的安全評估是保障成功作業的基礎性工作，以立體庫聯合調試成功為最終父節點，將表2 中辨識結果映射到貝葉斯網絡（BN）模型，建立立體庫作業貝葉斯網絡（BN）模型，評估建設工程的作業風險。如圖2 所示，該模型共有18 個根節點，基于模糊集理論和專家意見，計算得到各節點表示的基本風險事件發生概率，如表3 所示。

圖2 立體庫作業貝葉斯網絡（BN）模型

表3 立體庫作業風險事件的先驗概率

續接表3

2.2 立體庫作業風險評估

基于JSA 分析得到風險事件先驗概率和貝葉斯網絡（BN）邏輯圖，系統識別和研究立體庫作業過程中人員、結構和環境等風險及其影響因素，評估立體庫的工程風險，形成相應分析和評估技術方法，制定相應防護和消減措施，以保障立體庫作業順利進行。設定所有根節點的結果為出現和未出現2 種狀態，其中出現的概率為其先驗概率。將表3 中風險事件的先驗概率映射到圖2 所示貝葉斯網絡（BN）模型，借助于貝葉斯網絡（BN）對作業風險演化進行研究，對建立的模型進行正向預測，從而得到各作業步驟的完成概率。計算得到圖3 所示各作業步驟完成概率結果，基于貝葉斯網絡（BN）的概率評估，最終預測得到立體庫作業完成概率為0.963。隨著作業步驟的進行，作業完成概率逐步下降，基礎建設完成概率為0.995，貨架安裝和堆垛機安裝對作業完成概率產生顯著影響，兩者的完成概率分別為0.977 和0.967，究其原因是2 個作業步驟中需要吊機起吊和人員高空作業，作業風險較大，在施工過程中應重點關注此操作。輸送機安裝過程對整體項目完成概率影響甚小，主要是因為輸送機多采用整機運輸，基礎層輸送機現場作業以調整設備高度為主，僅鋼平臺上部輸送機涉及動火焊接作業。在設備調試工作過程中，調試人員處于相對安全位置，由預測結果可以看出對項目完成概率影響不大；在堆垛機單機調試中，高空配合人員的安全應加以重點關注。

圖3 立體庫作業分項步驟成功概率

后驗概率是指在得到結果的信息后重新修正的概率，屬于知果求因。后驗概率要通過先驗概率及作業過程各步驟邏輯關系進行求解，后驗概率使用了更加全面的資料，既有先驗概率資料，也有補充資料，相較于先驗概率能更直觀地反映基本風險事件對最終目標的影響程度，凸顯出最主要的隱患。在作業過程中著重預防上述風險事件，精準地進行風險控制，可有效提高立體庫作業的安全性。假定立體庫作業最終結果為失敗，可以逆向推導各根節點的后驗概率，對比風險事件的后驗概率與先驗概率，如圖4 所示。由反推結果可知，對作業失敗影響最高的為物體打擊，立體庫作業涉及多專業交叉施工，作業現場人員、設備集中，物體打擊潛在的作業風險是安全作業的重要關注點；其次是機械傷害、人員操作失誤、限制空間作業。在立體庫作業過程中，可通過加強人員專業技能教育、完善施工技術交底、提高現場管理水平等方式進行管控，而完善的應急預案也是降低作業風險的關鍵環節。

圖4 各風險事件的先驗概率和后驗概率

2.3 敏感性分析

敏感性分析常用于配合貝葉斯網絡（BN）進行作業安全分析，是一種定量分析方法，其實質是通過逐一改變相關變量數值的方法解釋關鍵指標受這些因素變動影響大小的規律。通常是假定貝葉斯網絡（BN）中某一根節點等比例波動，分析其改變對系統的影響性，針對系統響應采取對應的防控措施。假定根節點R7、R10、R11、R12的先驗概率從-10%波動至10%，預測立體庫完成概率如圖5 所示。由圖5 可知，當物體打擊發生概率增高10%時，將會造成立體庫作業完成概率下降0.051%；當機械傷害、人員操作失誤、限制空間作業發生概率提高10%時，立體庫作業完成概率分別下降0.039%、0.037%、0.034%，敏感性分析的結果與后驗推斷得到的結果一致。在立體庫作業過程中，物體打擊和機械傷害是影響作業最終能否成功的關鍵風險事件，在項目實施時需制定規范的作業流程，防范此類事件的發生。

圖5 立體庫作業敏感性分析

3 結束語

1）本文提出一種立體庫作業過程風險評估方法，采用JSA 對作業過程進行風險辨識，結合風險矩陣對風險事件進行半定量分析，將基本風險事件映射到貝葉斯網絡（BN）分析模型，根據分析結果提出風險防控措施。

2）劃分立體庫作業劃分為6 個關鍵步驟，識別18類風險事件，將風險事件的發生概率代入貝葉斯網絡（BN）模型計算得到作業工程的完成概率為96.37%。在作業過程中，物體打擊和機械傷害是造成作業失敗的重點風險事件，假定發生概率依次提升10%，將分別導致作業完成概率下降0.051%和0.037%。