基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的海上石油吊機(jī)作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)分析

孟于方枝陳叢卓艾唐偉（.中海油能源發(fā)展股份有限公司天津培訓(xùn)分公司，天津 005；.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）， 湖北 武漢 0000；.中海石油（中國(guó)）有限公司天津分公司渤海石油管理局渤西作業(yè)公司， 天津 塘沽 005；.遼河油田分公司鉆采工藝研究院安全環(huán)保技術(shù)研究所， 遼寧 盤錦 00）

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基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的海上石油吊機(jī)作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)分析

孟于1方枝2陳叢卓3艾唐偉4
（1.中海油能源發(fā)展股份有限公司天津培訓(xùn)分公司，天津 300452；
2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）， 湖北 武漢 430000；
3.中海石油（中國(guó)）有限公司天津分公司渤海石油管理局渤西作業(yè)公司， 天津 塘沽 300452；
4.遼河油田分公司鉆采工藝研究院安全環(huán)保技術(shù)研究所， 遼寧 盤錦 124010）

摘要：本文以海洋石油作業(yè)為出發(fā)點(diǎn)，充分考慮海洋石油作業(yè)范圍內(nèi)的安全風(fēng)險(xiǎn)，分析了海洋平臺(tái)吊機(jī)承擔(dān)多種任務(wù)的特點(diǎn)，針對(duì)其作業(yè)危險(xiǎn)性大且安全風(fēng)險(xiǎn)不易分析計(jì)算的特點(diǎn)，根據(jù)對(duì)公司的調(diào)查資料，提出了海洋石油平臺(tái)吊機(jī)安全風(fēng)險(xiǎn)分析貝葉斯網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型，對(duì)各種危險(xiǎn)有害因素的進(jìn)行定量計(jì)算，找出了風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的概率和風(fēng)險(xiǎn)影響因素的敏感度。為海上平臺(tái)吊機(jī)作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)控制提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：吊機(jī)，貝葉斯網(wǎng)絡(luò)，風(fēng)險(xiǎn)分析

海洋平臺(tái)吊機(jī)作為海洋工程和海洋油氣開發(fā)工程的重要裝備之一，在海洋平臺(tái)作業(yè)中發(fā)揮重要作用。但由于海上平臺(tái)吊機(jī)具有結(jié)構(gòu)緊湊、作業(yè)環(huán)境多變、承載狀況不穩(wěn)定等特點(diǎn)，并且承擔(dān)著海洋平臺(tái)起吊、移運(yùn)和人員輸送等多種任務(wù)，因此對(duì)安全性和可靠性要求較高。近年來，由于各種原因，國(guó)內(nèi)起重吊裝事故時(shí)有發(fā)生，輕則造成設(shè)備損壞，重則造成人員傷亡的嚴(yán)重后果。由于事故本身屬于偶然事件發(fā)生次數(shù)少，國(guó)家在這方面也缺失基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，對(duì)其發(fā)生概率進(jìn)行計(jì)算時(shí)，使用經(jīng)典的統(tǒng)計(jì)概率計(jì)算會(huì)因數(shù)據(jù)樣本過少而使統(tǒng)計(jì)概率不準(zhǔn)確，如果進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)收集來消除誤差，其工作量巨大。因此，論文利用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)結(jié)模型風(fēng)險(xiǎn)分析法綜合分析吊機(jī)吊裝作業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)概率。

1 貝葉斯網(wǎng)絡(luò)

1.1 貝葉斯理論

貝葉斯理論［1］最早由英國(guó)數(shù)學(xué)家湯姆斯?貝葉斯提出。貝葉斯算法能夠在一個(gè)灰色系統(tǒng)中，對(duì)某未知狀態(tài)的事件運(yùn)用主觀概率進(jìn)行估算，并且可以利用貝葉斯條件概率修正該事件的發(fā)生概率。其基本表達(dá)式如下：

貝葉斯定理反映的是條件概率，也即后驗(yàn)概率。貝葉斯理論經(jīng)過不斷發(fā)展，形成了一種與圖形理論相結(jié)合的概率網(wǎng)絡(luò)——貝葉斯網(wǎng)絡(luò)。它是一個(gè)有向無環(huán)圖（Directed Acyclic Graph，簡(jiǎn)稱DAG），基本組成部分包括若干個(gè)代表不同變量的節(jié)點(diǎn)和連接這些節(jié)點(diǎn)的有向邊。

圖1為最基礎(chǔ)的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)，圖中H1—H3表明兩變量直接關(guān)聯(lián)，H1稱為H3的父節(jié)點(diǎn)，H3稱為H1的子節(jié)點(diǎn)［2］。

根據(jù)獨(dú)立性假設(shè)和D-分割定理，圖1所示的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)合概率分布函數(shù)為：

貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的推理實(shí)際上是進(jìn)行概率計(jì)算，即事先構(gòu)建好一個(gè)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型，根據(jù)已知的先驗(yàn)概率和條件概率，利用貝葉斯概率中的條件概率的計(jì)算方法，計(jì)算出任一節(jié)點(diǎn)發(fā)生的概率。貝葉斯網(wǎng)絡(luò)還可以根據(jù)觀測(cè)的結(jié)果，很方便地對(duì)問題做出推斷，假如已知某個(gè)變量的發(fā)生概率，則其他變量的概率分布可以通過后驗(yàn)概率的計(jì)算得到。例如觀測(cè)到H2的一個(gè)結(jié)果是A，這個(gè)信息將通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳播從而更新先驗(yàn)的概率，H1 和H3后驗(yàn)的概率為：

1.2 貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的建立

貝葉斯條件概率公式是貝葉斯整套理論的基礎(chǔ)，條件獨(dú)立、D-分割是貝葉斯圖論的基礎(chǔ)，貝葉斯網(wǎng)絡(luò)和貝葉斯網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是貝葉斯層次結(jié)構(gòu)模型的建立原則。

貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建步驟如下。

（1）確定域變量 針對(duì)具體的分析領(lǐng)域，選擇合適的變量來描述所分析系統(tǒng)的各個(gè)部位，并確定其含義。

（2）建立貝斯網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 通過判斷各個(gè)變量間是否存在直接關(guān)系，確定各節(jié)點(diǎn)的層次結(jié)構(gòu)。

（3）條件概率分布的確定 通過歷史數(shù)據(jù)或者對(duì)該領(lǐng)域經(jīng)驗(yàn)豐富的人員的主觀經(jīng)驗(yàn)來確定節(jié)點(diǎn)的條件概率。

1.3 節(jié)點(diǎn)的后驗(yàn)概率計(jì)算

貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的建立與數(shù)據(jù)輸入完成后，通過后驗(yàn)概率計(jì)算，可以確定出引起某個(gè)節(jié)點(diǎn)的幾個(gè)主要因素，從而采取相應(yīng)的措施有針對(duì)性的控制風(fēng)險(xiǎn)因素。利用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)能很方便地對(duì)節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的底事件發(fā)生概率進(jìn)行分析計(jì)算。

2 貝葉斯網(wǎng)絡(luò)

2.1 確定風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)

整個(gè)指標(biāo)體系基本包括海上吊機(jī)起重中可能出現(xiàn)的因素，為了便于理解各個(gè)因素之間的關(guān)系，將各因素按照不安全行為、不安全狀態(tài)兩個(gè)方面按層次分析法的形式構(gòu)建層次結(jié)構(gòu)圖。

（1）不安全行為

人的不安全行為是引起事故發(fā)生的一個(gè)主要因素。一般來說，引發(fā)人的不安全行為的因素包括違章操作和操作失誤。（見圖2）

圖1 簡(jiǎn)單的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)　

圖2 不安全行為引發(fā)因素

（2）不安全狀態(tài)

不安全狀態(tài)指在作業(yè)過程中，各類事物、環(huán)境或人所處的，容易引發(fā)事故或?qū)κ鹿蕠?yán)重程度產(chǎn)生影響一種狀態(tài)，包括人的不安全狀態(tài)、物的不安全狀態(tài)以及環(huán)境條件不良三類（見圖3）。

（3）環(huán)境條件不良

海上吊機(jī)起重作業(yè)基本上都是處于露天作業(yè)，環(huán)境復(fù)雜、惡劣，受環(huán)境因素影響大。根據(jù)環(huán)境因素的類型進(jìn)行分類，環(huán)境因素基本可分為自然條件、現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)環(huán)境等因素（見圖4）。

2.2 建立貝葉斯網(wǎng)絡(luò)

貝葉斯網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建角度眾多，Pearl提出了以因果關(guān)系的角度，按照原因在前，結(jié)果在后的形式?jīng)Q定各變量之間的先后順序建立的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、邏輯關(guān)系合理。在進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取時(shí)，各指標(biāo)的相互關(guān)系實(shí)際上可以看做是以因果關(guān)系建立起來的，和以因果關(guān)系建立貝葉斯網(wǎng)絡(luò)在思想上具有一致性。因此，可以將風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系轉(zhuǎn)化成一個(gè)相對(duì)應(yīng)的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)。其轉(zhuǎn)化過程如圖5、圖6所示。

2.3 確定貝葉斯網(wǎng)絡(luò)參數(shù)

為了能夠計(jì)算頂事件的發(fā)生概率值，需要獲取各個(gè)節(jié)點(diǎn)的條件概率和各基本事件的先驗(yàn)概率。對(duì)于所需要的節(jié)點(diǎn)概率和先驗(yàn)概率可以向施工單位從事安全管理人員、技術(shù)人員和從事該領(lǐng)域的專家發(fā)放問卷調(diào)查。對(duì)于條件概率和先驗(yàn)概率問卷調(diào)查形式以圖6中以A1、A11、A12為例編制以下調(diào)查表。

圖3 不安全狀態(tài)引發(fā)因素　

圖4 環(huán)境條件不良引發(fā)因素

圖5 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系圖

圖6 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)圖

表1 先驗(yàn)概率表

表2 條件概率表

當(dāng)通過問卷調(diào)查得到所有需要的數(shù)據(jù)后，由于調(diào)查人員主觀因素不同，需要對(duì)已經(jīng)獲取的各類數(shù)據(jù)均值化處理，然后將各風(fēng)險(xiǎn)因素概率輸入到貝葉斯網(wǎng)絡(luò)中。

3 實(shí)例分析

圖7 海上石油吊機(jī)作業(yè)條件概率計(jì)算模型

論文以某公司項(xiàng)目海上浮吊作業(yè)為例，綜合各種文獻(xiàn)及公司歷史資料，為方便數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)與分類，對(duì)于海上吊機(jī)起重作業(yè)，選取典型的節(jié)點(diǎn)分析。其中，根據(jù)公司海上石油吊機(jī)起重作業(yè)的特點(diǎn)，對(duì)圖中的典型節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了歸類［3-5］，比如：起重傷害事故包括對(duì)高空墜物、吊機(jī)傾覆、物體撞壓、打擊、貨碼倒塌等典型事故的統(tǒng)計(jì)；違章操作包括未執(zhí)行行業(yè)規(guī)范、摘鉤時(shí)未遵守有關(guān)規(guī)定、用吊機(jī)進(jìn)行撞擊作業(yè)等；操作失誤包括應(yīng)急處置上出現(xiàn)錯(cuò)誤操作、偶然失誤等；設(shè)備關(guān)鍵處存在故障包括屬索具磨損超限、吊鉤護(hù)鉤裝置失效、吊口開口度變形過大、控制器、制動(dòng)器故障失靈等隱患；作業(yè)區(qū)域有人包括在吊機(jī)旁工作、作業(yè)區(qū)域有人通過等；另外，著重考慮了自然條件因素中的溫度和風(fēng)速對(duì)作業(yè)的影響。

在進(jìn)行概率計(jì)算時(shí)，各底層事件的先驗(yàn)概率可以通過對(duì)項(xiàng)目人員的調(diào)查和公司的安全臺(tái)賬進(jìn)行確定，對(duì)于各節(jié)點(diǎn)的條件概率通過專家打分法獲得。其中，概率值通過將所有參與問卷調(diào)查人員的打分進(jìn)行求平均值得出。

本文采用Netica［6］來構(gòu)建貝葉斯網(wǎng)絡(luò)。將底層事件和各節(jié)點(diǎn)事件的條件概率輸入到貝葉斯網(wǎng)絡(luò)，各節(jié)點(diǎn)事件名稱及計(jì)算結(jié)果及如圖7所示。

對(duì)海上石油吊機(jī)起重作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)分析結(jié)果看，公司發(fā)生起重傷害事故的風(fēng)險(xiǎn)概率為20.7%，其風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為顯著風(fēng)險(xiǎn)，需要采取措施進(jìn)行整改。

對(duì)海上石油吊機(jī)起重作業(yè)進(jìn)行后驗(yàn)概率計(jì)算，設(shè)置發(fā)生起重傷害事件的概率為100%，對(duì)海上石油吊機(jī)作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行后驗(yàn)概率計(jì)算，結(jié)果如圖8所示。

圖8 海上石油吊機(jī)作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)后驗(yàn)概率

通過后驗(yàn)概率對(duì)底層事件進(jìn)行分析，可知、風(fēng)速過大（42.1%）、場(chǎng)地窄亂（27%）、操作失誤（22.3%）、設(shè)備關(guān)鍵處存在隱患（21.4%）是造成事故的發(fā)生的幾個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，公司須對(duì)這幾個(gè)節(jié)點(diǎn)存在的風(fēng)險(xiǎn)有針對(duì)性地加以控制。

4 結(jié)語

由于過多子節(jié)點(diǎn)對(duì)父節(jié)點(diǎn)的運(yùn)算會(huì)產(chǎn)生影響，論文設(shè)置的子節(jié)點(diǎn)數(shù)沒有超過三個(gè)，因此影響了對(duì)吊機(jī)作業(yè)事故的進(jìn)一步詳細(xì)分析。但論文應(yīng)用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)對(duì)公司海上石油吊機(jī)作業(yè)進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)分析，將貝葉斯網(wǎng)絡(luò)方法和假設(shè)性分析相結(jié)合，解決了公司在吊機(jī)作業(yè)管理中歷史數(shù)據(jù)缺乏的問題。風(fēng)險(xiǎn)分析的結(jié)果表明，貝葉斯能夠更直觀清晰地反映風(fēng)險(xiǎn)因子之間的相關(guān)性，評(píng)估各個(gè)因素之間的交叉影響，更容易地評(píng)價(jià)不確定性因素對(duì)風(fēng)險(xiǎn)管理的影響程度，有利于公司安全人員制定相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)控制措施。

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［6］Norsys and Netica are trademarks of Norsys Software Corp.

作者簡(jiǎn)介：孟于（1984- ），碩士研究生，HSE工程師，中海油能源發(fā)展股份有限公司天津培訓(xùn)分公司高級(jí)培訓(xùn)師，主要從事海洋石油安全管理、應(yīng)急管理研究和培訓(xùn)。