城市轨道交通工程安全隐患网络特征分析

陆 微，董 超，张 攀，董依梦，郭聖煜

（1. 中国地质大学（武汉）经济管理学院，湖北 武汉 430074，E-mail：guoshy@cug.edu.cn；2. 武汉理工大学 土木工程与建筑学院，湖北 武汉 430074；3. 香港城市大学 建筑与土木工程系，香港 999077）

城市轨道交通工程是重要的民生工程，近几年来进入高速发展的阶段，2016~2020年累计建设里程达31956.5km，年均建设里程约6391.3km[1]。高速的工程建设易诱发安全事故，加上施工场地狭窄及复杂的地质和水文条件等不利因素的叠加影响[2]。如2008~2014在地铁工程中公布了1731例安全事故[3]，其中不乏一些重大事故，包括杭州地铁1号线基坑坍塌事故、天津地铁2号线盾构透水事故等。事故的根源在于安全隐患[4]，近些年来，有部分研究从事故成因隐患特征、隐患排查治理和隐患传播特征等方面对城市轨道交通工程展开分析[5~7]。但是，除了隐患事件本身外，结合施工过程中其余工程要素（如工种等）开展分析的研究相对较少。城市轨道交通工程安全隐患事件的发生和发展以工程要素为载体，不同类型的安全隐患事件与工种、施工阶段和施工地点等工程要素产生复杂的交叠关系[8，9]。厘清这些关系，找出重点隐患事件的工程要素情境，有利于避免事故发生，提高安全管理绩效[10]。因此，结合工程要素分析和揭示城市轨道交通工程的安全隐患特征具有重要意义。

复杂网络能够以网络的形式描述真实系统中各部分之间的关系[11]，利用各种拓扑参数揭示复杂系统的特征，被广泛应用于交通[12]、社交[13]、工程[14]、生物[15]等多个领域。在工程隐患分析上，Zhou等[16]利用复杂网络对地铁施工中隐患事件的时间序列进行分析，得出网络具有无标度、小世界和分层的特征。谭章禄等[17]通过复杂网络分析煤矿工程安全隐患数据，明确了网络中核心的隐患要素。Hou等[18]根据地铁施工数据建立了定向加权网络，揭示了地铁施工中隐患和事故的内在联系和演化特征。Zhang等[19]以194例塔吊事故报告作为实证数据建立了塔机事故成因网络模型，确定了造成塔机事故的7个关键因素和3个关键路径。反映出复杂网络的方法能够用于揭示工程中隐患事件之间，以及与其余要素（如事故）之间的关系。但是，对于隐患事件与工程要素之间的关系上探讨尚不充分。因此，本文拟以某城市2016~2020城市轨道交通工程8条施工线路的3822条安全隐患排查数据为来源，构建以隐患事件、工种、施工阶段和施工地点为节点的无向加权网络模型，综合计算和分析总网络和施工阶段子网络的多项拓扑参数，揭示城市轨道交通工程的安全隐患特征。

1 数据来源和信息提取

1.1 数据来源

选取某城市2016~2020年城市轨道交通工程8条施工线路的3822条安全隐患排查数据，其中包括施工阶段、隐患位置、隐患类型等多个字段（见表1），数据详细记录了具体的隐患事件和相应的工程要素情景。其中，施工阶段代表隐患事件发生时所处的施工阶段，隐患位置代表隐患事件发生时现场的大致区域，隐患部位代表隐患事件发生时的具体地点，隐患类型代表隐患事件的性质，隐患描述代表安全管理人员对隐患事件直观且详细的描述，隐患名称代表该隐患事件所属的隐患大类。

表1 部分城市轨道交通安全隐患排查数据

1.2 信息提取

按照隐患事件、工种、施工阶段和施工地点4个维度提取和分类隐患排查数据。将隐患事件和3类工程要素（工种、施工阶段和施工地点）定义为城市轨道交通工程的隐患要素，便于后续研究中的表达与分析。参考地铁施工中的不安全行为、工种和施工阶段的定义和分类[3]，再结合住房与城乡建设部发布的《城市轨道交通工程质量安全检查要点》[20]中提出的分类标准，初步分类并编码隐患要素。后续又根据收集到的安全隐患排查数据进行修改，最终确定城市轨道交通工程的隐患要素分类及编码。

（1）隐患事件。最终形成22个大类，198个具体隐患事件。22个大类包括忽视安全警告（Da）、造成安全装置失效（Db）、机械和设备（Dc）、物品放置不当（Dd）、处于不安全位置（De）、吊装作业（Df）、个人防护用品使用（Dg）、不安全装束（Dh）、防护措施不到位（Dj）、特种作业（Dk）、安装拆除作业（Dl）、其余违规作业（Dm）、隧道作业（Dn）、爆破作业（Dp）、施工用电（Dq）、消防安全（Dr）、文明施工（Ds）、其余施工管理（Dt）、施工质量（Du）、其它（Dv）。每一个大类下包含若干个具体的隐患事件，增加2位序号编码，如“基坑沟槽支护不及时或不符合要求”这一隐患事件属于基坑沟槽作业（Do）中的第一个隐患事件，因此其编号为Do01。

（2）工种。分为19类，其中包括安全员（A1）、电工（A2）、电焊工（A3）、钢筋工（A4）、盾构机操作工（A5）、防水工（A6）、架子工（A7）、混凝土工（A8）、模板工（A9）、高处作业吊篮操作工（A10）、高处作业吊篮安装拆卸工（A11）、机械操作人员（A12）、司索工（A13）、信号工（A14）、通风工（A15）、砌筑工（A16）、油漆工（A17）、装饰装修工（A18）和普工（A19）共19类，其中普工为非专业工种，机械操作人员包含起重机驾驶员、挖掘机驾驶员、推土机驾驶员等。因数据中许多隐患事件涉及到安全员，因此将安全员（A1）也列入到该部分中。

（3）施工阶段。分为8类，包括防水施工（B1）、附属结构施工（B2）、高架基础施工（B3）、高架主体施工（B4）、基坑开挖施工（B5）、基坑围护和支撑施工（B6）、基坑主体施工（B7）、隧道施工（B8）。

（4）施工地点。分为8类，包括车辆段（C1）、高架（C2）、基坑内（C3）、基坑外（C4）、隧道轨行区（C5）、隧道竖井（C6）、隧道作业面（C7）、停车场（C8）。

确定了隐患要素的分类和编码后，依次整理收集到的安全隐患排查数据，形成隐患要素汇总表，表2中列举了部分内容。

表2 部分隐患要素汇总表

2 网络构建和分析方法

2.1 城市轨道交通工程安全隐患网络的构建

复杂网络由节点和节点间的连接所构成[21]。根据隐患要素汇总表，建立以隐患事件、工种、施工阶段和施工地点等隐患要素为节点的无向加权网络。依据数据的共现关系建立隐患事件与工种、施工阶段和施工地点的连接，以表2中第一行数据为例，可以得出3条边：Ds01和A19，Ds01和B7，Ds01和C4。边的权重由两端节点共现的频次确定，另由于隐患要素的连接不存在时序关系，因此是无向边。然后，通过Gephi软件实现城市轨道交通工程安全隐患网络模型的可视化和分析，构建的网络模型如图1所示。

图1中节点标签表明节点代表的隐患要素，节点的大小反映节点度值，节点越大，度值越高。同理，节点标签的大小反映节点强度的大小，边的粗细程度反映边的权重大小。

图1 城市轨道交通工程安全隐患网络模型示意图

2.2 分析方法

复杂网络通过观察网络图并结合分析拓扑参数揭示其重要特征。根据研究目的，本文选取累积度分布、累积强度分布、网络密度和度数中心势分析网络的整体特征；可视化图结合度和强度分析网络的局部特征。

2.2.1 度和累积度分布

节点i的度ki表示与该节点直接相连的边的数量，定义为[1]：

式中，ki代表节点i的度值；aij代表节点i和节点j的边；N代表节点的数量。

因文中数据量有限，为了减少尾部噪点，采用累积度分布代替度分布，表示度不小于k的节点概率分布，累积度分布p(k)定义为[1]：

式中，p(k)代表节点度值为不小于k的概率。

2.2.2 强度和累积强度分布

节点强度si在度的基础上考虑了加权网络边的权重，其定义为[11]：

式中，si代表节点强度；wij代表节点i和节点j的边权重；N代表节点的数量。

同上，采用累积强度分布代替强度分布，表示强度不小于s的节点概率分布，累积度分布p(s)定义为[11]：

式中，p(s)代表节点强度为不小于s的概率。

2.2.3 网络密度

网络密度是衡量复杂网络节点间联系的紧密程度，节点间联系越紧密，密度越大[17]。网络密度D定义为：

式中，D代表网络密度；M代表实际拥有的连边数；N(N-1)/2代表理论上拥有的连边数。

2.2.4 度数中心势

度数中心势用来衡量一个网络是否存在中心点集合的趋势[17]，度数中心势越大，表明度高的节点越集中。度数中心势CAD定义为：

式中，CAD代表网络的度数中心势；CADmax代表网络中最高的度值；CADi代表节点i的度值；N代表节点数量。

3 结果分析

网络可视化图虽然可以直观地展示各类节点的连接情况及重要程度，但网络的整体特征及更为详细的信息难以直接看出，各类节点的区别与联系还有待进一步探讨。因此，将城市轨道交通工程安全隐患网络作为总网络，在分析总网络特征的基础上，从施工阶段的维度，将总网络分解成8个子网络进行对比分析。

3.1 总网络特征分析

从累积度分布和累积强度分布两个方面对总网络进行比较分析，揭示总网络的特征[20]。累积度分布、累积强度分布散点图如图2所示。其中，横轴分别表明节点度值大小和强度值大小，纵轴分别表明累积度分布和累积强度分布。同时，为了更直观地体现累积度分布和累积强度分布的特征，根据累积度分布散点图和累积强度分布散点图拟合出各自的近似曲线，分别为P(k)~3.7059k-1.089（R2=0.8969）、P(s)~3.9053s-0.636（R2=0.8678）。说明无论是考虑累积度分布还是累积强度分布，城市轨道交通工程安全隐患网络都具有无标度网络的特性。即该网络具有严重的异质性，存在少部分重要节点拥有大部分的连接和权重。反映的现实意义是应协同控制高度值和高强度节点，从而降低网络的连通性，降低隐患事件的发生，提高安全隐患管理的效率。

图2 总网络中节点累计度和累积强度分布

3.2 施工阶段子网络对比分析

由上述分析可知，总网络中存在重要的隐患要素节点，确定隐患事件与其余要素之间的关系，仍需要对网络展开进一步的分析。考虑到施工阶段子网络的节点数量和边数量相对较少，因此从施工阶段的维度，将总网络分解成8个子网络，进一步探讨城市轨道交通工程安全隐患的特征。

3.2.1 网络密度和度数中心势

网络密度越大，施工阶段子网络中隐患事件节点与非隐患事件节点关系越密切，即每个隐患事件节点可能会涉及该施工阶段中的大部分工种和施工地点。度数中心势反映了子网络中是否存在部分隐患事件频繁发生、部分工种和施工地点较容易发生隐患的特征。两者结合起来，即能从节点联系程度和节点重要性两方面，综合分析各施工阶段子网络的特征。施工阶段子网络的密度和度数中心势如图3所示。

图3 各施工阶段子网络的网络密度和度数中心势

（1）子网络的密度分布在0.06~0.22之间，反映在各施工阶段中，节点间的联系并不紧密。度数中心势分布在0.24~0.82之间，表明大部分施工阶段子网络中的节点有向中心节点集中的趋势，即在这些网络中，存在部分隐患事件、工种和施工地点较为关键。

（2）相比于其他网络，B1（防水工程）子网络的网络密度较高但度数中心势较低，这也符合防水工程的工作特点。防水工程主要涉及到防水工，工种单一，施工地点局限，涉及的隐患事件较少，因此各节点之间的联系较为紧密，节点重要性相差不大。在防水施工过程中，可以针对单一工种（防水工）展开具体的安全管理措施。

3.2.2 子网络图

施工阶段子网络中节点i的度ki表示与该隐患要素节点直接相连的边的数量，节点度值越大，表明该节点关联的隐患要素越多，该隐患要素节点在网络中更重要。施工阶段子网络中节点i的强度si在考虑边数量的基础上，还考虑了边的权重。节点强度越大，表明该节点不仅与许多隐患要素有关，且关联程度更好，反映该隐患要素节点在网络中也很重要。两者相结合，能够更加全面地识别网络中的重要节点。复杂网络图能够呈现这两类重要隐患事件节点与非隐患事件节点的相关关系。分析施工阶段子网络图，能够确定不同施工阶段的重点隐患事件，以及与工种、施工地点之间的相互关系。因此，对施工阶段子网络图开展对比分析。

通过上述分析可知，B1（防水工程）子网络的节点重要性差距不明显，分析意义不大。因此仅对其余7个子网络的局部特征展开分析。另外，为了增强网络图的可视化效果及突出图中的重要节点，图中部分非重要节点不显示，最终呈现出的施工阶段子网络图如图4所示。

图4 B2~B8施工阶段子网络图

经过初步分析后，得到度值最大和强度值最大的隐患事件节点及相关的工种和施工地点如表3、表4所示。其中，度值最大的隐患事件节点有Dg05、Do01、Dq01和Dj04，强度最大的隐患事件节点有Dl02、Do01、Dj01和Dn12，部分节点在多个子网络中都属于重要节点，其中一些隐患事件节点涉及多个工种和施工地点。

表3 度值最大的隐患事件节点及相关工种和地点信息

表4 强度最大的隐患事件节点及相关工种和地点信息

进一步分析可得：

（1）A7（架子工）、C4（基坑外）出现重点隐患事件的频率较高，在多个子网络中涉及重要隐患事件Do01、Dg05、Dj01等。因此，在城市轨道交通工程中，需强化面向架子工和基坑外的安全监管工作，减少安全隐患的发生。

（2）在B3（高架基础施工）和B6（基坑围护和支撑施工）中，Do01（基坑沟槽支护不及时或不符合要求）的度值和强度值均最大，表明在高架基础和基坑围护支撑施工中，基坑沟槽支护类隐患涉及多个工种和施工地点且发生率较高，因此，需要对该类型的隐患开展重点控制。

（3）Dg05（未佩戴安全带、安全绳）个人防护类隐患在多个子网络中度值最高，表明这类安全隐患的发生具有普遍性，应在施工过程中强调个人防护用品的正确佩戴和使用。

（4）Dj01（“四口”“五临边”防护措施不到位）防护措施类隐患在多个子网络中强度值最高，表明此类隐患事件属于“顽疾”，易重复发生，但该类隐患仅涉及A9（模板工）C3（基坑内）和C4（基坑外）等，在日常安全管理中，可以面向主要工种和重点区域开展更有针对性的预防措施。

4 结语

本文通过3822条隐患数据构建了城市轨道交通工程安全隐患无向加权网络模型，从总网络和施工阶段子网络两方面，对城市轨道交通工程安全隐患特征展开了详细的分析。通过累积度分布和累积强度分布揭示了总网络具有无标度的特性。另外，发现了大部分施工阶段子网络虽然节点间联系不紧密，但存在中心节点。其中架子工这一专业工种和基坑外这一施工地点在多个子网络中处于重要地位，涉及未佩戴安全带安全绳、“四口”“五临边”防护措施不到位、基坑沟槽支护不及时或不符合要求等多个重要隐患事件。从理论角度来说，找出了重点隐患事件与工种、施工阶段和施工地点之间的相互关系，揭示了城市轨道交通工程安全隐患的分布规律，促进了工程安全管理的研究。另外，丰富了复杂网络理论的实际应用，拓展了复杂网络在解决工程安全管理问题上的思路和视角。从实际角度来说，结合多个隐患要素探讨了城市轨道交通工程的隐患特征，分析了不同隐患要素的重要程度和相互关系，可以辅助确定安全隐患管理的工作重点，有利于提升城市轨道交通工程安全管理水平。