基于贝叶斯网络的立体库作业风险分析.pdf

652023 年第 20 期/基于贝叶斯网络的立体库作业风险分析孙树峰1，2 岳森峰1，3 刘友朋1，3 赵志理11 北京起重运输机械设计研究院有限公司 北京 100007 2 北京市自动化物流装备工程技术研究中心 北京 1000073 机械工业物料搬运工程技术研究中心 北京 100007摘 要：文中针对立体库作业全过程进行研究，提取了关键作业步骤，基于 JSA 方法系统开展作业过程的风险辨识，定量分析风险事件的发生概率，将识别到的风险事件映射到 BN 网络，进而评估作业失效风险，反向推理各风险因素的权重，最终提出相应的防护和消减措施。结果表明：作业工程的完成概率为 96.37%，作业过程中物体打击和机械伤害是造成作业失败的重点风险事件，假定发生概率依次提升 10%，将分别导致作业完成概率下降 0.051%和 0.037%，该分析结果可为立体库作业提供一定参考。关键词：立体仓库；贝叶斯网络；作业风险；失效风险；分析中图分类号：TH246 文献标识码：A 文章编号：1001-0785（2023）20-0065-07Abstract:In this paper,the whole process of stereoscopic warehouse operation was studied,and the key operation steps were extracted.Risks during operation were identified based on JSA method,and the occurrence probability of risk events was quantitatively analyzed.Then,these identified risk events were mapped to BN network,and the operation failure risk was evaluated.The weight of each risk factor was reversely inferred.Finally,the corresponding protection and reduction measures were put forward.Results show that the completion probability of the operation is 96.37%,and the object strike and mechanical injury are the main factors leading to failure.Assuming that their occurrence probability increases by 10%,the completion probability of the operation will decrease by 0.051%and 0.037%respectively.The analysis results can serve as a reference for the operation of the stereoscopic warehouse.Keywords:stereoscopic warehouse;Bayesian network;operational risk;failure risk;analysis0 引言随着全球经济的快速发展，物流仓储行业的重要性愈加凸显，2022 年全年社会物流总额超过 340 万亿元，物流业总收入达到 12.7 万亿元1。自动化立体库（Automated Storage and Retrieval System，AS/RS）是物流仓储行业的核心，承接上下游产业链的枢纽作用，截至 2023 年 5 月全国仓库总面积 40 298.4 万 m2，仓库园区 8 651 个。立体库的施工作业是一项复杂且涉及众多技术领域的综合性作业，受到经济成本、技术水平、作业安全、项目环境等因素的制约，人员集中、设备繁多、交叉作业等因素给立体库施工作业带来极大隐患，加之高造价及发生事故的严重性，使立体库作业风险分析成为亟待解决的问题2-6。在作业风险分析方面，Babaleye A 等7测试了 BN内的事故前兆数据，利用经验学习方法调查了失败操作的最可能原因；Yazdi M 等8将模糊集理论和证据理论与贝叶斯网络相结合，提出了一种新的定量风险评价方法（Quantitative Risk Assessment，QRA）；晋良海等9为综合分析起重作业人、机、环等风险因素，构建了起重作业人机交互差错的贝叶斯网络模型；张健等10针对安全态势预测准确率低及安全风险识别率低的问题，提出了一种基于 CAPSO-SNN 的输电现场作业安全管控措施；连成华等11为明确高处作业风险传递过程，应用社会网络分析法（Social Network Analysis，SNA）研究得到有向高处作业风险因素关系网络模型；付明福等12面向油气长输管道企业作业风险管理，提出一种作孙树峰，岳森峰，刘友朋，等.基于贝叶斯网络的立体库作业风险分析 J.起重运输机械，2023（20）：65-71.引 用 格 式ANALYSIS RESEARCH分析研究66/2023 年第 20 期业分级定量风险评价方法；钟虹等13运用贝叶斯网络方法进行事故的条件概率计算，并结合模糊综合评价法对连续管作业人因失误风险因素进行等级评价；范晓飚等14通过层次分析法研究并建立安全风险的分析模型，利用判断矩阵确定影响龙门吊船舶在装卸货物下的各项安全风险指标权重。目前，作业风险分析多应用于石油石化、高空作业、航空航天等领域，鲜有面向立体库作业风险的研究。基于此，本文针对立体库施工作业中可能发生的事故类型进行研究，分析各风险因素的权重，确定施工作业事故孕育、演化与成灾过程中复杂状态，基于贝叶斯网络建立立体库作业工程风险的评估方法，形成面向施工作业的风险预警策略，相关成果可为我国立体库安全建设提供理论参考。1 立体库作业风险辨识1.1 风险因素识别典型的立体库作业流程为：基础建设货架安装、堆垛机安装输送机安装单机调试运行联合调试运行。针对立体库作业过程中因操作和处置不当引发的人员伤亡、财产损失、环境污染等问题，考虑仓库所处环境和作业技术条件，结合施工工艺流程，系统识别和分析立体库施工过程风险因素及作业危险性，提取关键作业环节，评估其作业风险。根据历史事故统计，将立体库作业风险划分为人员因素、管理因素、设备因素、环境因素等 4 种类型。1）人员风险因素 人员作为立体库作业的实施者，对事故的预防和应急处置至关重要，处于良好状态的作业人员能有效控制事故风险，降低或避免职业伤害程度。2）管理风险因素 在立体库施工作业过程中，管理风险因素是造成事故的原因之一。管理风险主要体现在管理体制不完善、关键信息缺乏以及项目进行过程中产生错误决策等。3）设备风险因素 在通常情况下，项目实施过程中机械设备及其结构的失效是引起作业事故的直接原因，设备风险主要包括结构风险、系统装配存在的安全隐患等。立体库施工大型设备采取起吊安装，诸多环节和不利因素都可能演化为危及吊装安全的因素。因此，在作业前应对关键设备进行检修，准确地评估其可靠性，并在作业过程加强设备性能监测，尽可能保证设备和人员的安全，此外还应保证各类安全保障设备及辅助设备的齐全性。4）环境风险因素 立体库作业过程中环境风险因素主要为复杂地形和散落装备，作业现场包括消防门洞、纵深巷道、钢结构支架、待安装设备等，密闭仓库照明的不足，易伤及作业人员。1.2 作业风险半定量计算工作安全分析法（Job Safety Analysis，JSA）是一种预先对工作任务进行风险评价，并根据评价结果制定控制措施，实现降低或消除风险的方法。目前，JSA 分析法主要用于生产和施工作业场所活动的安全分析，包括新的作业、非常规作业、改变现有作业等任务的评估。为了半定量或定量评估作业步骤风险，风险矩阵常用来辅助 JSA 完成分析过程，表 1 为典型的风险矩阵图。风险矩阵将风险的等级定义为RPC (1)式中：R 为风险等级，P 为风险事件发生的概率，C 为风险事件的严重程度。在实际中，依据专家评判以及国内立体库建设实例，可以确定 P、C 的值。表 1 典型的风险矩阵概率立体库作业是一个多工种、多设备协作施工的过程，影响作业安全的风险因素错综复杂。结合国内外文献，以国内某立体仓库工程项目为例，将立体库作业流程划分为 K1基础建设、K2货架安装、K3堆垛机安装、K4输送机安装、K5单机调试运行、K6联合调试运行等6 个步骤，分析得到作业过程中的 18 类风险事件。基极低低中较高高后果极低12345低246810中3691215较高48121620高510152025ANALYSIS RESEARCH分析研究672023 年第 20 期/于风险矩阵对立体库作业过程进行 JSA 分析，得到表 2所示评估结果，并根据基本风险事件的特征给出相应的控制措施。作业步骤风险事件风险等级控制措施PCR基础建设 K1粉尘危害313完善信息收集；定期检修设备；做好应急预案第三方干扰212基坑失稳144模板坍塌144货架安装 K2高空坠物224危大工程专项评估；严格执行预定方案；实时监督与管理；加强员工培训吊机倾斜236机械伤害224吊装组块倾斜133人员坠落2510物体打击236限制空间风险313堆垛机安装 K3人员操作失误212作业前检验吊机；施工作业技术交底；提高人员安全意识；完善操作规范；动火前可燃物检测限制空间作业313吊机倾斜236高空坠物224动火作业不当248使用设备不当212人员坠落2510触电危害339物体打击236输送机安装 K4机械伤害224作业前检测设备；加强施工监管物体打击236触电危害339动火作业不当248第三方干扰212单机调试运行 K5设备高速冲撞248优化调试流程；加强员工培训；增强现场管理水平；做好应急预案触电危害339机械伤害224物体打击236人员坠落2510联合调试运行 K6噪声危害313做好安全防护；明确联调顺序；加强作业过程监督；定期检修设备设备高速冲撞248触电危害339人机路径交叉414表 2 立体库作业 JSA 评估结果表ANALYSIS RESEARCH分析研究68/2023 年第 20 期 由 JSA 分析结果可知，堆垛机安装 K3阶段风险最大，其次是货架安装 K3阶段具有较高作业风险。2022年 1 月，国内某项目货架安装时有工人踏空坠落，抢救无效死亡，高空坠物和人员坠落是 2 个阶段中最危险的情况，对作业人员生命安全造成严重威胁，为此在项目实施中应加强作业现场的安全管理，严格生产现场的管理，发现隐患要采取对应的措施及时予以消除，保障劳动者的人身安全和社会公共安全，实现立体库作业成功完成。2 立体库作业风险分析2.1 立体库作业贝叶斯网络贝叶斯网络（Bayesian network，BN）是一种结合图形分析模型，在基于概率和不确定性条件的风险和安全分析中具有显著优势，因而广泛应用于工程作业的风险评估领域。贝叶斯网络（BN）可用于正向（预测）或反向（推断）分析，当贝叶斯网络（BN）用于正向分析时，中间节点的概率由根节点的先验概率和节点之间的因果关系计算得到。贝叶斯网络（BN）的优点是可以实时进行概率更新，当外界条件发生变化时，修改对应节点的先验概率即可重新评估整体事件的发生概率；当贝叶斯网络（BN）用于反向分析时，首先假定最终事件为成功或失败，反向推导贝叶斯网络（BN）可以得到所有根节点的后验概率，以此评估对最终事件影响程度最高的风险事件，简单的贝叶斯网络（BN）如图 1 所示。图 1 典型的贝叶斯网络示意图利用贝叶斯网络（BN）进行状态评估时，各变量之间的联合概率分布为 1()|()nniiiP XXXP XX12，(2)式中：Xi为子节点的条件概率分布，(Xi)为父节点的条件概率分布。假设AX1，X2，Xn，引入新的证据Bb时，更新贝叶斯网络（BN），计算条件概率为 ()()(|)()()AP ABP ABP A BP BP AB，(3)当立体库作业过程中获得新信息时，可更新作业任务的成功或失败概率，根据可用信息的类型采用不同方式进行更新。如果得到表示于网络节点的事件信息，则可根据新信息调节节点状态的结果执行更新。在这种情况下，更新直接在网络中执行；当新信息涉及不直接由网络表示的事件时，可通过改变受信息影响的节点的概率执行更新。立体库作业是一个连续的施工过程，目的是建设智能、高效、密集的自动化存储立体库。有效的安全评估是保障成功作业的基础性工作，以立体库联合调试成功为最终父节点，将表 2 中辨识结果映射到贝叶斯网络（BN）模型，建立立体库作业贝叶斯网络（BN）模型，评估建设工程的作业风险。如图 2 所示，该模型共有 18 个根节点，基于模糊集理论和专家意见，计算得到各节点表示的基本风险事件发生概率，如表 3 所示。图 2 立体库作业贝叶斯网络（BN）模型表 3 立体库作业风险事件的先验概率根节点编号风险事件先验概率R1粉尘危害0.001 145R2第三方干扰0.001 201R3基坑失稳0.000 865R4模板坍塌0.000 972ANALYSIS RESEARCH分析研究692023 年第 20 期/2.2 立体库作业风险评估基于 JSA 分析得到风险事件先验概率和贝叶斯网络（BN）逻辑图，系统识别和研究立体库作业过程中人员、结构和环境等风险及其影响因素，评估立体库的工程风险，形成相应分析和评估技术方法，制定相应防护和消减措施，以保障立体库作业顺利进行。设定所有根节点的结果为出现和未出现 2 种状态，其中出现的概率为其先验概率。将表 3 中风险事件的先验概率映射到图 2 所示贝叶斯网络（BN）模型，借助于贝叶斯网络（BN）对作业风险演化进行研究，对建立的模型进行正向预测，从而得到各作业步骤的完成概率。计算得到图 3 所示各作业步骤完成概率结果，基于贝叶斯网络（BN）的概率评估，最终预测得到立体库作业完成概率为 0.963。随着作业步骤的进行，作业完成概率逐步下降，基础建设完成概率为 0.995，货架安装和堆垛机安装对作业完成概率产生显著影响，两者的完成概率分别为 0.977 和0.967，究其原因是 2 个作业步骤中需要吊机起吊和人员高空作业，作业风险较大，在施工过程中应重点关注此操作。输送机安装过程对整体项目完成概率影响甚小，主要是因为输送机多采用整机运输，基础层输送机现场作业以调整设备高度为主，仅钢平台上部输送机涉及动火焊接作业。在设备调试工作过程中，调试人员处于相对安全位置，由预测结果可以看出对项目完成概率影响不大；在堆垛机单机调试中，高空配合人员的安全应加以重点关注。图 3 立体库作业分项步骤成功概率后验概率是指在得到结果的信息后重新修正的概率，属于知果求因。后验概率要通过先验概率及作业过程各步骤逻辑关系进行求解，后验概率使用了更加全面的资料，既有先验概率资料，也有补充资料，相较于先验概率能更直观地反映基本风险事件对最终目标的影响程度，凸显出最主要的隐患。在作业过程中着重预防上述风险事件，精准地进行风险控制，可有效提高立体库作业的安全性。假定立体库作业最终结果为失败，可以逆向推导各根节点的后验概率，对比风险事件的后验概率与先验概率，如图 4 所示。由反推结果可知，对作业失败影响最高的为物体打击，立体库作业涉及多专业交叉施工，作业现场人员、设备集中，物体打击潜在的作业风险是安全作业的重要关注点；其次是机械伤害、人员操作失误、限制空间作业。在立体库作业过程中，可通过加强人员专业技能教育、完善施工技术交底、提高现场管理水平等方式进行管控，而完善的应急预案也是降低作业风险的关键环节。2.3 敏感性分析敏感性分析常用于配合贝叶斯网络（BN）进行作业安全分析，是一种定量分析方法，其实质是通过逐一改变相关变量数值的方法解释关键指标受这些因素变动影响大小的规律。通常是假定贝叶斯网络（BN）中某一根节点等比例波动，分析其改变对系统的影响性，R5高空坠物0.002 263R6吊机倾斜0.001 012R7机械伤害0.003 976R8吊装组块倾斜0.001 482R9人员坠落0.001 343R10物体打击0.005 147R11限制空间作业0.003 571R12人员操作失误0.003 825R13动火作业不当0.002 416R14使用设备不当0.002 311R15触电危险0.001 782R16噪声危害0.001 063R17设备高速冲撞0.001 762R18人机路径交叉0.001 874续接表 3ANALYSIS RESEARCH分析研究70/2023 年第 20 期针对系统响应采取对应的防控措施。假定根节点 R7、R10、R11、R12的先验概率从-10%波动至 10%，预测立体库完成概率如图 5 所示。由图 5 可知，当物体打击发生概率增高 10%时，将会造成立体库作业完成概率下降 0.051%；当机械伤害、人员操作失误、限制空间作业发生概率提高 10%时，立体库作业完成概率分别下降 0.039%、0.037%、0.034%，敏感性分析的结果与后验推断得到的结果一致。在立体库作业过程中，物体打击和机械伤害是影响作业最终能否成功的关键风险事件，在项目实施时需制定规范的作业流程，防范此类事件的发生。图 4 各风险事件的先验概率和后验概率 图 5 立体库作业敏感性分析3 结束语1）本文提出一种立体库作业过程风险评估方法，采用 JSA 对作业过程进行风险辨识，结合风险矩阵对风险事件进行半定量分析，将基本风险事件映射到贝叶斯网络（BN）分析模型，根据分析结果提出风险防控措施。2）划分立体库作业划分为 6 个关键步骤，识别 18类风险事件，将风险事件的发生概率代入贝叶斯网络（BN）模型计算得到作业工程的完成概率为 96.37%。在作业过程中，物体打击和机械伤害是造成作业失败的重点风险事件，假定发生概率依次提升 10%，将分别导致作业完成概率下降 0.051%和 0.037%。参考文献1 何黎明.2023年我国现代物流发展趋势与重点工作J.中国物流与采购，2023(5)：12-14.2 陈传军，檀智斌，贾楠，等.自动化立体库存储单元规格 设计方法 J.制造业自动化，2021，43(10)：144-146，152.3 贺志刚.基于 SolidWorks 的自动化立体库货架参数化平 台开发 D.南京：南京理工大学，2019.4 吴迪，徐健，曹路园，等.自动化立体仓库技术在冷链仓 储物流行业的应用 J.制造业自动化，2018，40(5)：38-40.5 彭皓琨，杜斌，何炯辉，等.立体库货架结构不同垂直 斜拉杆布置及连接方式影响效果分析 J/OL.工业建筑：1-82023-06-09.http:/ 周亚云.密集仓储作业优化与调度方法研究 D.上海：东华大学，2020.7 Babaleye A，Khorasanchi M，Kurt R E.Dynamic risk assessment of decommissioning offshore jacket structuresC/ASME 2018 37th International Conference on Ocean，Offshore and Arctic Engineering.American Society of Mechanical Engineers Digital Collection，2018.8 Yazdi M，Kabir S.Fuzzy evidence theory and Bayesian networks for process systems risk analysisJ.Human and Ecological Risk Assessment:an International Journal，2020，26(1)：57-86.9 晋良海，闫月蓉，陈颖，等.改进贝叶斯网络模型在起重ANALYSIS RESEARCH分析研究712023 年第 20 期/作业人机交互差错风险分析中的应用 J/OL.安全与环境 学报：1-102023-06-09.https：/doi.org/10.13637/j.issn.1009-6094.2022.2140.10 张健，王伟利.输电现场作业安全管控措施仿真研究J.计算机仿真，2022，39(11)：125-128，257.11 成连华，薛思婷，曹东强.基于社会网络分析法的建筑 施工高处作业风险传递及管控措施J.科学技术与工程，2022，22(20)：8 995-9 003.12 付明福，张明星，朱晓曼，等.油气长输管道作业分级 定量风险评价方法研究及应用 J.中国安全生产科学技 术，2019，15(7)：137-141.13 钟虹，何沙.基于贝叶斯网络的连续管作业人因失误风 险因素评价分析 J.中国安全生产科学技术，2023，19(5)：144-150.14 范晓飚，卫泽亮，程志友，等.基于 AHP 的龙门吊船装 卸货物作业安全风险分析 J.重庆交通大学学报(自然 科学版)，2022，41(3)：143-148.作 者：孙树峰电子邮箱：收稿日期：2023-07-10某型驱动轮体结构强度分析郭起明1，2 张 洋1，2 闫登华1 刘 佳1 盖子鹏11 北京起重运输机械设计研究院有限公司 北京 100007 2 机械工业物料搬运工程技术研究中心 北京 100007摘 要：驱动轮体是客运索道的重要部件，在运行过程中一直承受较大钢丝绳张力作用，保证其安全运行是客运索道正常工作及保障乘客安全的关键。因此，有必要对其强度和刚度进行分析。文中根据轮体传动欧拉公式，推导了出了驱动轮体包角范围内各位置承受的正压力载荷，并利用非线性有限元法对某新型驱动轮体结构进行仿真分析，得到了各工况下的响应云图，结果表明驱动轮体结构设计合理，满足使用要求。文中所述的建模方法、分析结果可为轮体结构的设计优化提供一定的参考。关键词：索道；驱动轮体；有限元法；结构；强度中图分类号：TH235 文献标识码：A 文章编号：1001-0785（2023）20-0071-07Abstract:As an important component of passenger ropeway,the driving wheel always endures high tension from the ropeway,so ensuring its safe operation is the key to ensure the normal operation of passenger ropeway and the safety of passengers.Therefore,it is necessary to analyze its strength and stiffness.In this paper,according to the Euler formula of the wheel body transmission,the positive pressure load on each position of the driving wheel body within the wrap angle range was derived,and the nonlinear finite element method was adopted to simulate and analyze a new type of driving wheel body structure,and the response nephograms under various working conditions were obtained.The results show that the structural design of the driving wheel is reasonable and can meet relevant requirements.The modeling method and the analysis results can serve as a reference for the design optimization of the wheel body structure.Keywords:ropeway;driving wheel;finite element method;structure;strength0 引言我国旅游业及滑雪运动的发展对客运索道的需求增加。相比于固定抱索客运索道，脱挂客运索道以其速度快、能够适应复杂地形、跨越地面障碍、运量大等特点，在旅游业、滑雪场得到了日益广泛的应用。循环脱挂索道是将一条无极的钢丝绳缠绕在驱动轮郭起明，张洋，闫登华，等.某型驱动轮体结构强度分析 J.起重运输机械，2023（20）：71-77.引 用 格 式DESIGN CALCULATION设计计算