基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的電力施工安全承載能力評估

來駿， 陳蕾

(1.國家電網(wǎng)浙江省電力公司湖州供電公司，浙江 湖州313000；2.國家電網(wǎng)浙江省電力公司，浙江 杭州310007)

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基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的電力施工安全承載能力評估

來駿1， 陳蕾2

(1.國家電網(wǎng)浙江省電力公司湖州供電公司，浙江 湖州313000；2.國家電網(wǎng)浙江省電力公司，浙江 杭州310007)

提出了基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)承載能力評估模型。通過對承載能力風(fēng)險要素的識別和評估，構(gòu)建了貝葉斯網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和參數(shù)，在此基礎(chǔ)上對電力施工安全承載能力進(jìn)行了風(fēng)險評估和診斷。最后，依據(jù)分析得到的結(jié)果進(jìn)行風(fēng)險控制。該系統(tǒng)可以滿足電力施工安全承載能力估計的需求。

貝葉斯網(wǎng)絡(luò)；安全承載能力；電力施工；風(fēng)險評估

隨著電網(wǎng)的發(fā)展，供電企業(yè)工作量猛增，生產(chǎn)班組工作量不斷加大，長時間超負(fù)荷工作，導(dǎo)致不安全作業(yè)時有發(fā)生，如觸電、火災(zāi)、設(shè)備漏電、設(shè)備短路、高空墜落、人身傷亡等。因此，需要開展生產(chǎn)單位安全承載能力分析。浙江省電力公司近年來在員工安全積分機(jī)制、外協(xié)隊伍評價和安全承載能力分析方面進(jìn)行了很多嘗試，但仍然存在一些問題：

(1)安全承載能力分析模型不完善，主要以定性分析為主，無法與實際的安全生產(chǎn)過程緊密結(jié)合，難以真正發(fā)揮安全承載能力分析降低安全風(fēng)險的作用。

(2)員工安全積分規(guī)則簡單，主要適用于檢修、操作專業(yè)的一線員工，未涵蓋其他專業(yè)員工和管理人員，無法實現(xiàn)對員工安全積分的精益化管理。

(3)外協(xié)隊伍的準(zhǔn)入門檻較低，評價考核手段單一，施工能力評價沒有量化標(biāo)準(zhǔn)。

因此，公司迫切需要對員工安全積分機(jī)制、外協(xié)隊伍評價和安全承載能力分析進(jìn)行深入的研究，建立覆蓋所有專業(yè)和管理人員、符合實際管理需要的安全承載能力分析模型算法和員工安全積分標(biāo)準(zhǔn)、外協(xié)隊伍評價標(biāo)準(zhǔn)，充分利用公司業(yè)務(wù)系統(tǒng)的現(xiàn)有數(shù)據(jù)，實現(xiàn)智能計算匯總，進(jìn)一步減輕基層班組的負(fù)擔(dān)，實現(xiàn)安全積分、外協(xié)隊伍評價和承載能力分析的智能化計算和決策分析。

目前，國內(nèi)外關(guān)于電力企業(yè)安全體系、風(fēng)險評估方面的研究有云模型法[1]，基于層次分析法(AHP)[2]和故障樹法(FTA)[3]等。傳統(tǒng)的系統(tǒng)安全分析方法在風(fēng)險評估中存在一定局限性[4]，譬如FTA假設(shè)事件是二值的、相互獨立的，不能很好地解決復(fù)雜系統(tǒng)的建模問題，計算精確度低并且浪費時間[5]。此外，基于員工安全積分和外協(xié)隊伍評價的安全承載能力分析的研究報道非常少。

貝葉斯網(wǎng)絡(luò)是人工智能、概率理論、圖論、決策分析相結(jié)合的產(chǎn)物，是目前不確定知識表達(dá)和推理領(lǐng)域中最有效的理論模型之一[6]。近幾年來，貝葉斯方法廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域的安全評估分析[7-9]。用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)能很好地彌補(bǔ)傳統(tǒng)安全評估方法的不足[10]。

本文將貝葉斯網(wǎng)絡(luò)方法應(yīng)用于基于員工安全積分和外協(xié)隊伍評價的安全承載能力分析，實現(xiàn)安全承載能力的評估。

1 貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的基本理論

1.1 貝葉斯定理

貝葉斯定理是概率統(tǒng)計中的應(yīng)用所觀察到的現(xiàn)象對先驗概率進(jìn)行修正的標(biāo)準(zhǔn)方法，即當(dāng)分析樣本大到趨近總體數(shù)時，樣本中事件發(fā)生的概率將接近于總體中事件發(fā)生的概率[11]。

先驗概率和后驗概率這兩個概念是相對于某組證據(jù)而言。設(shè)H和E為兩個隨機(jī)變量，H=h為某一假設(shè)，E=e為一組證據(jù)，在考慮證據(jù)E=e之前，對事件H=h的概率估計P(H=h) 稱為先驗概率，而在考慮證據(jù)之后，對H=h的概率估計P(H=h|E=e)稱為后驗概率，貝葉斯公式描述了先驗概率和后驗概率之間的關(guān)系[11]：

(1)

1.2 貝葉斯網(wǎng)絡(luò)概述

圖1 一個簡單的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)示例Fig.1 An example of Bayesian network

貝葉斯網(wǎng)絡(luò)[12]是一種有向圖模型，在貝葉斯網(wǎng)絡(luò)中，每一個原因變量和結(jié)果變量都由節(jié)點表示，并用概率表示變量之間的關(guān)系強(qiáng)弱，每個節(jié)點都有自己的節(jié)點概率分布以表征父節(jié)點對子節(jié)點產(chǎn)生的影響。通過貝葉斯網(wǎng)絡(luò)可以匯總各種數(shù)據(jù)并對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合推理。貝葉斯網(wǎng)絡(luò)具有如下特征圖形結(jié)構(gòu)：網(wǎng)絡(luò)節(jié)點代表隨機(jī)變量，節(jié)點間的有向連線表示隨機(jī)變量之間的條件依賴關(guān)系，由節(jié)點和連線組成有向無環(huán)圖，節(jié)點條件概率表表征該節(jié)點相對于其父節(jié)點的所有可能的條件概率[13]。如圖1所示的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)，C1事件與C2事件為C3事件的父節(jié)點, C3為C1與C2的子節(jié)點，S表示安全狀態(tài)，R表示危險狀態(tài)。根據(jù)貝葉斯規(guī)則可推算C1和C2為R態(tài)的概率分別為54.2%和26.6%，因此C1是使C3處于R態(tài)的主要影響因素[13]。

2 基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的安全承載能力評估

貝葉斯網(wǎng)絡(luò)通過實踐積累可對網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行更新改進(jìn)，本文用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)電力企業(yè)安全承載能力應(yīng)用過程如圖2所示。

步驟1：要素分類識別

此階段，對電力施工安全承載有影響的風(fēng)險要素進(jìn)行歸類分級，根據(jù)歷史數(shù)據(jù)、專家經(jīng)驗，調(diào)查分析等列出重要的風(fēng)險要素。

步驟2：風(fēng)險要素評估

此階段，步驟1的每項風(fēng)險要素進(jìn)行定級，確定風(fēng)險要素等級數(shù)據(jù)集便于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的分析。風(fēng)險要素等級可由式(2)表示：

Rrisk=(DL)×(PO) ，

(2)

式中，Rrisk為風(fēng)險要素等級，DL為損失程序，PO為發(fā)生概率。風(fēng)險要素等級數(shù)據(jù)集通過圖3的風(fēng)險要素等級矩陣進(jìn)行規(guī)范處理后用于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)。

圖2 基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的安全承載能力評估過程圖Fig.2 Bayesian network based safety bearing capacity evaluation procedure

圖3 風(fēng)險要素等級矩陣圖Fig.3 Rank matrix for risk factors

步驟3：貝葉斯網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

貝葉斯網(wǎng)絡(luò)通過結(jié)構(gòu)性學(xué)習(xí)進(jìn)行構(gòu)建，并用來檢驗風(fēng)險要素之間的關(guān)系。每個風(fēng)險要素的可能性可通過參數(shù)學(xué)習(xí)進(jìn)行計算。設(shè)安全生產(chǎn)指標(biāo)為en，n=1,2,3，…，風(fēng)險因素H發(fā)生的概率為Pn，則有P(H|e1=P1)，P(H|e2=P2)，…，P(H|en=Pn)，則該風(fēng)險因素H的發(fā)生概率為P(H|a1,a2,…，an)，由于各安全度指標(biāo)之間相互獨立，則有：

(3)

其中，P(H)為H的風(fēng)險發(fā)生概率。

通過調(diào)查問卷、歷史數(shù)據(jù)、專家討論，在考慮安全度指標(biāo)體系的情況下，確定貝葉斯網(wǎng)絡(luò)中所有證據(jù)節(jié)點的概率。結(jié)合公式(3)，得到安全生產(chǎn)風(fēng)險概率。

步驟4：要素控制

對影響安全生產(chǎn)的風(fēng)險要素通過貝葉斯網(wǎng)絡(luò)敏感性分析進(jìn)行評估，對風(fēng)險較高的要素，采取措施進(jìn)行控制。

步驟5：要素再評估

步驟4中需要控制的風(fēng)險要素確定后，有些風(fēng)險要素的改變會導(dǎo)致電力施工安全承載能力風(fēng)險的改變，因此需要更新貝葉斯網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)參數(shù)，并進(jìn)行風(fēng)險要素再評估。

3 安全承載能力評估應(yīng)用

3.1 風(fēng)險要素分類識別和評估

結(jié)合電力施工的歷史數(shù)據(jù)和參考文獻(xiàn)，分析在電力施工過程中存在的風(fēng)險要素，通過專家討論法確定風(fēng)險要素和類別，并且明確風(fēng)險要素發(fā)生的可能性和嚴(yán)重程度，根據(jù)式(2)和圖3中的風(fēng)險要素等級矩陣確定主要風(fēng)險因素和風(fēng)險等級(主要風(fēng)險因素只有子節(jié)點而沒有父節(jié)點)，將高風(fēng)險要素(R3)確定為主要風(fēng)險要素。得到的電力企業(yè)安全生產(chǎn)的主要風(fēng)險因素如表1。

表1 電力施工安全承載的主要風(fēng)險要素

3.2 貝葉斯網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建與計算

貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建通過貝葉斯網(wǎng)絡(luò)分析軟件GeNIe Ver2.0實現(xiàn)，將表1中電力企業(yè)電力施工安全承載的主要風(fēng)險要素作為貝葉斯網(wǎng)絡(luò)基本節(jié)點，各節(jié)點間的因果關(guān)系和條件概率分布通過歷史數(shù)據(jù)、參考文獻(xiàn)和專家討論共同確定。最終的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 貝葉斯網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖Fig.4 The structure diagram of a Bayesian network

與此同時，將根據(jù)式(2)和圖3確定的主要風(fēng)險要素的風(fēng)險等級數(shù)據(jù)輸入貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型中，利用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)分析軟件參數(shù)學(xué)習(xí)功能對其他節(jié)點(含有父節(jié)點)進(jìn)行概率計算，得出剩余節(jié)點的邊緣概率分布，完成對各風(fēng)險狀態(tài)的評估。將歷史數(shù)據(jù)及后續(xù)的實踐數(shù)據(jù)對模型進(jìn)行訓(xùn)練并反復(fù)修正，最終確定網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)各節(jié)點參數(shù)。對電力施工安全承載能力進(jìn)行評估，得到電力施工安全承載能力處于危險狀態(tài)(R)的概率為19%，如圖5所示。

圖5 貝葉斯網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分析結(jié)果Fig.5 The analysis result of the Bayesian network for safety bearing capacity evaluation

3.3 風(fēng)險再評估

貝葉斯網(wǎng)絡(luò)具有自動更新的功能，電力施工安全承載能力風(fēng)險要素發(fā)生變化時，需要及時更新整個網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)參數(shù)，進(jìn)行風(fēng)險再評估，使得網(wǎng)絡(luò)中變量的概率分布發(fā)生相應(yīng)的改變。例如，在電力施工過程中選擇施工經(jīng)驗豐富的隊伍進(jìn)行施工，即A5要素R變?yōu)?，輸入證據(jù)后，得到更新后的變量的邊緣概率，最終電力施工安全承載能力處于危險狀態(tài)(R)的概率為17%，即換成經(jīng)驗足夠豐富的隊伍進(jìn)行施工，安全承載能力得到了提高，如圖6所示。

圖6 A5要素R為0時的葉斯網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分析結(jié)果Fig.6 The analysis result of the Bayesian network when the factor R of A5 is zero

4 系統(tǒng)軟件實現(xiàn)

圖7 電力施工安全承載能力評估系統(tǒng)總體架構(gòu)圖Fig.7 The overall architecture of safety bearing scapacity evaluation of power construction

電力施工安全承載能力評估系統(tǒng)總體架構(gòu)圖如圖7所示，包括應(yīng)用與服務(wù)層、傳輸層、數(shù)據(jù)層、OS硬件層。安全承載能力評估的主要功能是在基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型的軟件算法對風(fēng)險源進(jìn)行辨識的基礎(chǔ)上進(jìn)行風(fēng)險評估、衡量風(fēng)險發(fā)生的概率以及其可能造成的損失，最終確定安全承載能力。

電力施工安全承載能力評估系統(tǒng)所用的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)數(shù)學(xué)模型采用GeNIe軟件輔助實現(xiàn)，GeNIe 軟件中具備SMILE接口。SMILE庫函數(shù)是關(guān)于決策理論模型和圖形概率、貝葉斯網(wǎng)絡(luò)等影響圖和結(jié)構(gòu)方程模型的接口，允許創(chuàng)建、編輯、保存和加載圖形化模型，并應(yīng)用在概率推理和決策的不確定性中[14]。基于SMILE接口的輸入與輸出流程圖如圖8所示。將參數(shù)值，即第一層次風(fēng)險因素概率輸入到SMILE接口通過GeNIe軟件中的模型進(jìn)行仿真，將輸出結(jié)果保存為xdsl文件。

系統(tǒng)軟件界面如圖9所示。在安全承載能力評估界面，輸入各相關(guān)風(fēng)險要素級數(shù)后，點擊計算時系統(tǒng)會調(diào)用事先建立的xdsl文件格式的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型，并將各文本框中的概率通過SMILE接口輸入到模型中進(jìn)行計算，將最終的安全承載能力計算顯示出來。

圖8 輸入輸出流程圖Fig.8 The input and output flow chart of SMILE interface based GeNIe software

圖9 系統(tǒng)軟件實物圖Fig.9 The software interface of evaluation system

5 結(jié)束語

本文運用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型實現(xiàn)了對電力施工安全承載能力的評估，并可根據(jù)實際情況對模型參數(shù)進(jìn)行更新。該系統(tǒng)為安全承載能力評估提供了可量化數(shù)據(jù)支撐和動態(tài)自適應(yīng)功能，提高了安全承載能力評估的科學(xué)性和適應(yīng)性，減輕基層負(fù)擔(dān)，提升安全承載能力評估對基層單位安全生產(chǎn)和現(xiàn)場作業(yè)的指導(dǎo)作用，確保現(xiàn)場作業(yè)安全。本軟件系統(tǒng)目前已在本單位進(jìn)行了實際應(yīng)用，反應(yīng)效果良好。

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Bayesian network based evaluation of the safety bearing
capacity of power construction

LAI Jun1, CHEN Lei2

(1.Huzhou Power Supply Company, Zhejiang Electric Power Co.Ltd, State Grid, Huzhou 313000, China;2.Zhejiang Electric Power Co.Ltd, State Grid, Hangzhou 310007, China)

∶The Bayesian network based dynamic evaluating model for safety bearing capacity was put forward．Bayesian network structure and parameters were built based on the identification and assessment of risk factors which may have effects on the safety bearing capacity. Furthermore, the risk assessment and risk diagnosis of the safety bearing capacity of power construction were carried out. Finally, the risk was controlled based on the analytical results. This system can meet the needs of evaluating the safety bearing capacity of power construction.

∶Bayesian network; safety bearing capacity; power construction; risk assessment

10.3976/j.issn.1002-4026.2017.03.019

2016-08-26

浙江省電力公司科技計劃(5211UZ15007V)

來駿(1981—)，男，工學(xué)碩士，研究方向為電力系統(tǒng)自動化和電力安全管理。E-mail：laijun-huzhou@qq.com

TM76

A

1002-4026(2017)03-0110-07