城市轨道交通工程安全隐患网络特征分析

李金雨

(曼彻斯特大学 电气工程学院,英国 M13 9PL)

1.1 数据来源说明

研究数据来自2015年～2020年某城市轨道交通工程，共计3 822条数据，涵盖8条轨道线路。数据信息包括：(1)基坑当中主体施工阶段，外部钢筋加固场地未设置防护栏引发的安全风险。(2)轨道隧道内部施工过程中，某区间段左线部分开关箱出现一闸多机情况导致的用电安全风险。(3)工程高架施工环节中，起重机大臂部分固定在脚手架上，以致于两台塔式起重机之间的距离小于最小安全距离，使得起重吊机的使用安全性受到影响，产生安全风险。(4)基坑挖掘阶段，基坑外的明挖挖掘段对于挖掘深度超过2 m的施工井以及基坑等部分未进行安全防护，因此导致基坑的支护安全性并未得到有效的保障。(5)高架施工的基础部分，需要进行桩基础部分的某区间，未按照要求进行废泥浆的保护作业，即泥浆、污水以及废水等能够在无任何保护的状态下流入附近的水系当中，对水系造成污染。

1.2 数据信息提取

针对上述数据进行类型分析时，设计了分析的四个维度，分别为D类维度，即安全隐患；
A类维度，即工种；
B类维度，即施工阶段；
C类维度，即施工地点。根据上述各维度与施工安全之间的关系，参照城市轨道交通施工安全的相关要求，上述四个维度能够进行进一步的划分。

D类：包括22个大类、198个小事件，分别为Da—安全隐患的忽视；
Db—安全防护装置的安装不当；
De—所处位置缺乏安全性；
Dc—使用机械以及其他设备缺乏安全性；
Dd—物品放置错误导致的隐患；
Df—吊装行为；
Dg—个人安全防护保障并不到位；
Dh—施工人员的装束不安全；
Dj—缺乏必要的防护措施；
Dk—特种作业；
Dl—安全装置拆除作业；
Dm—不符合安全规范的作业；
Dn—隧道当中的作业；
Dp—爆破行为；
Dq—用电行为；
Dr—消防安全；
Ds—文明施工问题；
Dt—施工管理问题；
Du—施工质量不佳；
Dv—其他。

A类：包括19个大类，分别为A1—安全员；
A2—电工；
A3—焊工；
A4—钢筋工；
A5—盾构机操作员；
A6—防水作业工；
A7—架子工；
A8—混凝土施工员；
A9—模板工；
A10—吊篮作业工；
A11—吊篮拆卸工；
A12—机械设备操作员；
A13—司索工；
A14—信号员；
A15—通风工；
A16—砌筑工；
A17—油漆工；
A18—装修工；
A19—普工。

B类：包括8个大类，分别为B1—防水施工作业；
B2—工程附属结构的施工作业；
B3—高架基础部分的施工作业；
B4—高架主体部分的施工作业；
B5—基坑开挖的施工；
B6—基坑部分的维护以及支护作业；
B7—基坑主体部分的施工；
B8—隧道部分的施工。

C类：包括8个大类，分别为C1—车辆段；
C2—高架；
C3—基坑内部；
C4—基坑外部；
C5—隧道的轨道区间；
C6—隧道竖井区域；
C7—隧道作业面；
C8—停车场。

2.1 轨道交通工程安全隐患网络

由于D类项目每个大类包含的事件较多，因此在实际表示时为进行更为清晰的区分，根据数据的编号增加两位数字编码进行标注，如Da类型的具体事件能够使用Da02进行表示。根据上述四个维度构建复杂网络时，需要建立涵盖四个维度的无向加权网络。将每个数据作为一个节点，需要通过如下措施进行网络的构建。某事件“围挡损坏”，四个维度分别为“Ds01”、“A19”、“B7”、“C4”，根据上述四个维度能够划出三条线，分别为Ds01-A19、Ds01-B7、Ds01-C4。每条线均为该节点的一个边，边的权重由节点出现的总计频次决定，鉴于不同的节点并不存在时空的关联性，因此所有边均属于无向边。使用Gephi软件能够将所有数据形成见图1。

图1 数据安全网络模型图

图1中标签为该节点的要素，而节点的大小与节点的影响性相关，图中节点所占面积越大，则代表该节点的影响性越高，边越粗同样代表该边的重要性越高。

2.2 网络安全分析方法

在复杂的网络当中，需要使用拓扑参数进行特征的分析。需要采用累计的模式进行分析，分析的内容包括累计度以及强度，同时包括度数以及网络的密度。在子系统分析时，则需要使用可视化模型以及强度模型进行分析。

对度和累计的分布情况进行分析时，以i表示节点并以ki表示与该节点相关的边数时，能够得到ki计算公式(1)如下

(1)

式中:ki为节点i的度值；
aij为节点i以及节点j之间的边；
N为节点的数量。

由于复杂网络的数据总量较少，未降低尾部噪点造成的影响，应当使用累计的度分布取代原本的度分布，即度的概率应当在k以上，累计度的模型计算公式(2)

(2)

式中:p(k)为节点的度值必须在k以上。

在强度分析时，考虑到网络各边的权重，在强度计算时需要采用下公式(3)

(3)

式中:si为节点i的强度；
wij为节点i以及节点j之间边的权重；
N为节点的数量。

与上述度数相同，在实际计算过程中同样采用累计强度取代强度，根据累计强度的要求强度需要大于s节点的分布概率，此时累计强度的计算公式(4)应当为

(4)

式中:p(s)为节点的强度必须在s以上。

在网络密度计算过程中，需要明确网络的密度指网络当中各个节点之间的关系，节点的联系越紧密则代表节点之间的密度越高。网络密度D的计算公式(5)为

(5)

式中:M为该复杂网络当中边的总数量；
N(N-1)/2为该网络能够拥有的边的总数量。

在整体性分析时同样需要分析度数是否存在中心化的趋势，存在中心化趋势时网络呈现向中心偏移的情况。中心化趋势显著，则对应度高的节点则呈现更为密集的状态。度数中心势使用CAD表示，计算公式(6)为

(6)

式中:CADmax为最高度值；
CADi为节点i的度值；
N为节点的数量。

3.1 总体特征

通过可视化的模型能够初步观察复杂网络整体的状态，但是并不能对网络内部的结构进行更为详细的分析。为达到详细分析的目的，除进行整体性分析外，同时需要将整体性的复杂网络拆分为8个子网络。在网络的整体分析过程中，需要根据网络累计度以及累计强度的相关特征进行分析，能够在拟合的情况下获得分布曲线，其中p(k)值为3.705 9-1.089，对应的R2为0.896 9；
p(s)值为3.905 3-0.636，对应的R2为0.867 8。根据上述分析能够确定，该复杂网络具有显著性的无标度特征，或者说该网络具有较为显著的异质性。大部分连线均与特定的节点相关，从现实角度来看，则表明大部分安全风险均由特点的几项因素造成，对这几项因素进行控制，则能够更为有效避免安全风险的出现。

3.2 施工阶段

对网络整体进行分析时能够确定整体性的趋势，但针对趋势的具体变化情况则依然需要通过将网络进一步展开才能够确定。

对工程安全网络密度以及度数中心势进行分析，根据关键性节点的位置能够明确每个影响较大的节点均与大部分施工地点以及施工环境相关。中心势能够用于分析该子网络系统当中是否存在较高的安全隐患发生风险，以及哪些工种或者施工地点发生安全隐患的概率更高。

对两项因素进行融合分析，能够明确。

(1)8个子网络的密度分布在0.06～0.22范围内，不同节点之间的关联性并不高；
度数的中心势则分布在0.24～0.82之间，即所有子系统几乎均存在中心势的表现。在这些子网络当中，施工的地点以及工种关系更为显著。

(2)B1网络即防水工程网络，密度更高但是同时中心势的趋势并不显著，该种表现与防水工程的工程性质相符。在所有子系统当中，防水工程的工程内容较为单一，施工地点较为固定，且施工内容的变化同样相对较少，因此安全隐患出现的概率同样相对较低。该子系统当中各个节点的关联较为紧密，在控制管理方面能够采用更为明确的规范进行管理。

在子系统当中，每个节点的度数越高，即该节点的k值越高，则代表与该节点相关的安全隐患因素越多，即该节点在安全网络当中更为重要。而强度则主要影响边的权重，某个节点的强度越高，代表与该节点相关的边权重越高。权重越高的节点，对安全隐患的影响越显著。通过综合考量节点的度数以及强度，能够更为清晰的确定网络当中每个节点的重要性。分析每个子系统的网络时，不仅能够明确不同施工阶段可能存在的重要安全隐患，同样能够确定施工阶段以及施工地点以及工种之间的关系。

采用上述形式对子系统进行分析，由于B1子系统的趋势与需求并不相同，因此并不适合采用上述的方法进行分析，针对其他7个子系统，即B2～B7，能够采用上述的形式进行分析。采用上述方法对其他7个子系统进行分析，为使用分析图更为清晰，在展现时其中重要性较低的节点采用了不显示的模式。

进行分析，初步的分析结果显示其余的7个系统当中，有几个节点的影响更为突出，如表1所示。

表1 大度值节点统计表

根据表1从度数角度来看，所有节点当中Dg05、Do01、Dq01以及Dj04四个节点的度数最大，即与最多的安全风险相关。

而所有的节点当中，强度的统计结果如表2所示。

表2 强度较大节点统计表

统计结果显示，上述节点当中DL02、Do01、Dj01以及Dn12四个节点的强度最高，对安全隐患的影响最大。

进一步分析能够确定。

(1)施工地点以及工种当中，架子工发生风险的概率更高，而基坑外作为施工地点发生风险的概率同样更高。(2)高架的基础施工以及基坑的围护工程发生隐患的概率更高，而基坑支护不及时造成的风险同样相对更高。(3)施工人员未按照要求佩戴安全绳等安全设备，属于普遍性的事故原因，因此各个施工环节均必须重视优化该项管理。(4)四口以及五边界造成的安全事故属于较为顽固的类型，解决的难度较高，且复发的风险相对而言较高。

分析研究时，针对圈定的城市以及轨道交通工程反馈的3 822条数据信息进行，在研究模型方面使用了无向加权网络，形成了整体网络以及子网络，通过对模型分析明确了轨道交通工程进行时可能出现的安全隐患特征等。研究的结果显示，虽然部分因素在网络当中节点影响并不显著，但上述网络当中明显存在中心节点，中心节点的现实对应含义代表该情况存在更大的安全隐患风险。如人工风险节点包括施工过程中未佩戴安全绳，轨道空间结构风险节点如基坑支护存在不足等，均是本类型安全风险产生的主要原因。通过对上述节点的有效控制，能够避免工程安全隐患的出现。