钢桁梁及辅助设施施工对船舶通航安全的影响研究*

曾杨 盛进路 范晓飚

(1.重庆交通大学航运与船舶工程学院 重庆 400074； 2.重庆交通大学交通运输学院 重庆 400074)

*基金项目：重庆市科委科学技术研究项目(KJ1705150)。

0 引言

由于内河桥梁施工工程一般跨越河流、深谷等地面障碍，且施工工期较长，施工工艺繁琐复杂，施工环境比较复杂、恶劣，因此存在着各种不确定的风险影响着过往船舶的通航安全，甚至造成人身伤亡事故[1]，这就需要我们去确定与排除这些风险来确保内河桥梁施工阶段的安全。但是近些年来，关于内河桥梁的安全事故仍然不断发生。为了最大限度地防止桥梁施工阶段的事故发生，就必须做好每座桥尤其是钢桁梁及辅助设施施工的安全风险评估，明确其施工阶段的各种潜在风险，通过管理手段落实风险防范的必要措施来保障施工安全。而证据理论则是依靠各种证据积累所产生的证据对船舶通航安全进行聚焦的效果[2]，符合了钢桁梁及辅助设施施工过程对船舶通航安全性的特点。因此，本文在钢桁梁及辅助设施施工对船舶通航安全影响的研究中引入证据理论进行安全性评估。

1 施工对通航安全的影响因素及安全性评估指标

坠落事故和主跨钢梁吊装作业是钢桁梁及辅助设施施工过程中常见的事故，这些事故的发生往往会导致过往船舶误入施工作业区而影响施工作业安全和主航道通航安全，造成一定的损失。而钢桁梁及辅助设施施工事故，是由于桥梁施工过程中，“人、机、环境”三要素关系不和谐，导致破坏性事件发生[3]。要避免和减少内河桥梁事故，就需要管理、控制“人、机、环境”三要素，最大限度预防、限制内河桥梁事故的发生概率，降低内河桥梁事故发生造成的损害。每个要素与其他的要素之间有着密切的联系，其中人—机关系区，表现为机(设备)对人的安全影响，人要适应对设备的变化和对设备进行控制；人—环境区域体现的是环境变化对人的安全影响，人要适应环境的变化和尊重环境，合理地改善和人周边相关的环境；机—环境关系区体现的是环境变化对机(设备)的影响，设备运行要适应环境的变化；人、机、环境综合关系区域，是内河桥梁事故多发区域和重点进行管理控制的区域[4-5]。

对人、机、环境进行管理和控制可以构成“人—机—环境—管理”系统，通过系统进行科学控制和管理能够有效地降低钢桁梁及辅助设施施工事故的发生。基于“人—机—环境”这一套系统管理办法，有效建立钢桁梁及辅助设施施工安全性评估的指标体系，构建“人、机、环境”的基本要素关系图。图1中，钢桁梁及辅助设施施工安全性评估指标主要包括以下4个方面：①人员的安全性：包括工人心理、生理安全，工人安全责任心，工人业务技术能力；②设备的安全性：包括防护设施、设备运转情况、设备老化情况等；③管理的安全性：包括安全管理制度、必要的安全措施和应急救援预案等；④环境的安全性：包括自然环境、周边环境、安全文化环境等。

图1 钢桁梁及辅助设施施工过程安全性评估体系框架

2 基于证据理论的船舶通航安全评估

2.1 证据理论算法

将互不相容事件中完备集合Θ识别框架表示为[6]：

Θ={θ1,θ2,…,θj,…,θn}

(1)

其中，θj是识别框架Θ的一个事件或者元素。

Θ的所有子集组成的集合称为Θ的幂集，记作2Θ，如：

2Θ={φ,{θ1},{θ2},…,{θn},{θ1∪θ2},{θ1∪θ3},…,Θ}

(2)

其中，φ表示空集。

识别框架Θ包含问题的所有可能答案；基本信任分配函数m表示各个答案的可能性，且满足

(3)

式中，φ为空集，m(A)为事件A的基本信任分配函数。

其中：

(4)

式中，归一化常数k为：

k=∑Ai∩Bj=φm1(Ai)m2(Bj)

(5)

以上式(4)和式(5)为对于多个证据的合成处理公式。

2.2 证据理论算法的改进

本文基于证据间相似系数的证据合成方法，具体表达式为[7]:

(6)

其中，c12表示两证据间的相似程度。

式(6)中，两个证据E1对应的基本信任分配函数为mi。E2对应的基本信任分配函数为mj。若证据量为n，则得到一个相似矩阵

(7)

通过将相似矩阵的每行相加，可得各个证据Ei的支持度，即

(8)

上式中，Sup(mi)为证据Ei被其他证据所支持的程度。通过归一化处理证据的支持度，得到证据的可信度为

(9)

Crd(mi)可以看作是影响钢桁梁及辅助设施施工过程安全性底层因素。

2.3 钢桁梁及辅助设施施工过程安全性评估流程

(1)确定识别框架和底层因素专家打分表；

(2)确定层次分析法的对比矩阵；

(3)通过层次分析法确定识别框架中客观评价的底层因素对目标层的权重Ahp(mi)；

(4)通过证据合成理论对打分表进行证据融合，确定主观评价中各因素的权重Crd(mi)；

(5)通过证据合成理论合成规则将Ahp(mi)权重与确信度Crd(mi)进行融合；

(6)对融合结果进行总结。

3 钢桁梁及辅助设施施工过程安全性验证评估

3.1确定人—机—环境—管理体系{E1，E2，E3，E4}权重

通过图1中的钢桁梁及辅助设施施工过程安全性评估体系框架设计影响钢桁梁及辅助设施施工过程安全性底层因素专家打分表，调研多位有经验的一线专家进行打分并对打分表进行统计分析，最终得到表1数据。

依据表1中的专家打分统计数据和层次分析法进行各因素权重Ahp(mi)确定，层次分析法结构模型如图2。

运用层次分析法，对施工工作人员的安全性、设备的安全性、管理安全性、环境的安全性等指标进行研究，再分析各个分指标对船舶通航总体安全性评价的影响，通过构造比较矩阵如下：

(10)

图2 层次分析法结构模型

通过比较矩阵(10)，可知船舶工作人员的安全性、设备的安全性、管理的安全性、环境的安全性等指标对船舶通航总体安全性的权重{E1,E2,E3,E4}={0.507 0,0.277 4,0.146 8,0.068 9}。依次确定底层矩阵如下，再运用同样的方法求取各层权重为：

1)E1层：E1={0.648 3,0.229 7,0.122 0}；

2)E2层：E2={0.206 3,0.097 8,0.695 9}；

3)E3层：E3={0.426 8,0.426 8,0.142 9}；

4)E4层：E4={0.249 3,0.157 1,0.593 6}。

确定各底层元素对目标层的权重Ahp(mi)为：

E1={0.328 7，0.116 0,0.061 9}；

E2={0.057 2,0.027 1,0.193 0}；

E3={0.062 7,0.062 7,0.021 0};

E4={0.017 2,0.010 8,0.040 9}。

3.2 合成子系统的确信度

计算每个子系统间的相似性系数c12，并求出相似矩阵，以E层证据之间的证据为例求出子系统相似矩阵S。

(11)

通过计算得出各个证据的确信度Crd(mi)相关数据，其中工作人员的安全性、设备的安全性、管理的安全性和环境的安全性证据确信度Crd(mi)分别为{0.083 645 2,0.083 779 8,0.085 524 47,0.083 384 05,0.082 888 08,0.083 779 8,0.085 241 37,0.083 100 22,0.082 888 08,0.083 779 8,0.085 524 47,0.083 779 8}。

将文章上述通过层次分析法得到的Ahp(mi)权重与确信度Crd(mi)进行融合，由证据理论的合成规则合成加权平均证据可知，当有n组证据时，将加权平均证据合成n-1次，这里有12组证据，即合成11次，见表2。

表2 各因素综合融合权重

从表2可以看出，各因素权重表示的是该因素在钢桁梁及辅助设施施工过程中对船舶通航安全的影响程度。若权重越高表示对船舶通航安全影响程度越大，由上表可看出人员因素权重占比最高，设备因素次之；也就是表明这两个综合因素是最重要的，如果这两个因素间出现纰漏是最容易导致船舶事故发生的。

4 结语

本文将证据理论方法引入到钢桁梁及辅助设施施工对船舶通航安性评估领域中，利用证据理论规则有效地将Ahp(mi)权重与确信度Crd(mi)进行融合，最终得出人的权重因素在钢桁梁及辅助设施施工过程中对船舶通航安全影响程度最大。因此，施工方首先要增强施工人员风险防范意识，从技术、设备设施上减少施工人员的失误；其次从防范措施上，对进入施工作业区的船舶认真进行风险分析，提前预警，保证船舶的通航安全。