把蝴蝶結(jié)模型與貝葉斯網(wǎng)絡(luò)方法結(jié)合起來的過程系統(tǒng)動(dòng)態(tài)安全分析

1、把蝴蝶結(jié)模型與貝葉斯網(wǎng)絡(luò)方法結(jié)合起來的過程系統(tǒng)動(dòng)態(tài)安全分析摘要在用于過程系統(tǒng)安全分析的多種方法中，蝴蝶結(jié)模型（BT）,越來越受歡迎， 因?yàn)樗咽鹿蕡?chǎng)景從原因到影響都展示了出來。然而，由于它的靜態(tài)自然組件一 事件樹和事故樹的緣故，BT在動(dòng)態(tài)安全分析中的應(yīng)用受到限制。因此，在BT中 考慮到修正事件發(fā)生的可能性及結(jié)果的風(fēng)險(xiǎn)方面很難。而且，BT不能表示條件 之間的相互關(guān)系。本文闡述了貝葉斯網(wǎng)絡(luò)（BN）如何有助于克服這些限制。事實(shí) 也表明，由于BN靈活的結(jié)構(gòu)，可以用于更大范圍的事故場(chǎng)景動(dòng)態(tài)安全分析。美 國化學(xué)安全委員的一個(gè)案例研究用兩種技術(shù)的比較結(jié)果說明了 BT和BN技術(shù)的應(yīng) 用。關(guān)鍵詞：動(dòng)態(tài)安全分析；

2、蝴蝶結(jié)方法；貝葉斯網(wǎng)絡(luò)介紹因?yàn)檫^程系統(tǒng)在高溫或壓力時(shí)處理有害物質(zhì)，他們很容易發(fā)生毀滅性事故。全面的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估之后，實(shí)施安全措施對(duì)于維持風(fēng)險(xiǎn)水平低于驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)來說是 至關(guān)重要的。事故分析中，常采用一系列風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法，如定量風(fēng)險(xiǎn)分析（QRA）, 概率安全分析（PSA）和最優(yōu)風(fēng)險(xiǎn)分析（ORA）。Delvosalle et al. （2005）在 ARAMIS工程中用了 BT方法來識(shí)別過程系統(tǒng)中的主要涉及到的事故場(chǎng)景。然 而，很難找到一個(gè)單一的技術(shù)完全從開始到結(jié)束都可以捕捉不同階段的事故 以及足夠靈活以適應(yīng)各種事故。BT優(yōu)點(diǎn)：在所有事故分析模型中，BT已經(jīng)被證明是可靠的和有效的工具，部分是由于 它能夠?qū)⒁?/p>

3、個(gè)時(shí)間的原因和后果在圖形模型中展現(xiàn)出來。它已廣泛應(yīng)用于不 同的安全與風(fēng)險(xiǎn)場(chǎng)景，如過程安全分析、事故風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、風(fēng)險(xiǎn)管理和安全屏障 的實(shí)現(xiàn)。BT缺點(diǎn)：由于BT是由事故樹和事件樹組成，它同時(shí)受到兩者的限制。例如1）標(biāo)準(zhǔn)事故樹不適用于冗余、常見原因或非獨(dú)立原因事件發(fā)生的場(chǎng)景？2）故障樹也無法應(yīng)用于多變量場(chǎng)景，因?yàn)樗鼈兘?jīng)常要在過程系統(tǒng)中建模。3）更重要的是，由于事故樹和事件樹的靜態(tài)結(jié)構(gòu)，它們不能用于動(dòng)態(tài)性的事故?？傊畵Q句話說，這些技術(shù)不能直接使用從設(shè)備獲得的主要事件和安全壁壘更新的 失效概率實(shí)時(shí)信息。2.為了解決上述問題，一些學(xué)者使用了貝葉斯方法。在這種方法中，貝葉斯理 論是與標(biāo)準(zhǔn)事故樹、事件樹和蝴蝶結(jié)

4、分析一起使用的。另一方面,BT不僅受 益于貝葉斯定理提供的更新概率，它還充分利用其靈活的結(jié)構(gòu)來適用于各種 各樣的事故。文章結(jié)構(gòu)目前的研究表明BT的局限性，大部分是由于其靜態(tài)成分，這一點(diǎn)可以通過與BN的結(jié)合可以很容易的到解決。安全分析技術(shù)2.1蝴蝶結(jié)模型BT模型是表述一個(gè)事故場(chǎng)景最好的圖形化方法之一，因?yàn)樗梢詮氖鹿?的原因開始描述，直到事故后果。當(dāng)對(duì)一個(gè)關(guān)鍵事件進(jìn)行分析時(shí)，BT左 側(cè)是一個(gè)事故樹，分析引起關(guān)鍵事件的可能原因事件；而其右側(cè)是一個(gè)事 件樹，分析該關(guān)鍵事件安全功能成功或失敗可能造成的后果。圖1是BT 模型的一個(gè)典例，由不同部分組成，如：基本事件（PEi）、中間事件（IEi）、 頂事件

5、（TE）安全屏障（SBi）及事故后果（Ci） 圖1 圖5BT特點(diǎn)：有助于理解哪些基本事件可能導(dǎo)致事故樹中頂事件的發(fā)生有助于理解哪些安全功能故障可使頂事件發(fā)展成為事件樹中的特定后 果。例如：圖1中事件4的發(fā)生概率可寫為：P（C4）=我 TE）F 何瓦P吻）F（S跑）在此，P（TE）是頂事件的發(fā)生概率，P（SB1）、P（SB2）、P（SB3）分別是SB1 的非失效概率、SB2和SB3失效概率2312.2貝葉斯網(wǎng)絡(luò)與BT模型類似，貝葉斯（BN）網(wǎng)絡(luò)模型也是一個(gè)圖形，它已廣泛應(yīng)用于基 于概率和不確定知識(shí)的風(fēng)險(xiǎn)和安全分析。貝葉斯理論是處理不確定性信息的 重要工具。作為一種基于概率的不確定性推理方法，貝葉

6、斯網(wǎng)絡(luò)在處理不確 定信息的智能化系統(tǒng)中已得到了重要的應(yīng)用，已成功地用于醫(yī)療診斷、統(tǒng)計(jì) 決策、專家系統(tǒng)，學(xué)習(xí)預(yù)測(cè)等領(lǐng)域。這些成功的應(yīng)用，充分體現(xiàn)了貝葉斯網(wǎng) 絡(luò)技術(shù)是一種強(qiáng)有力的不確定性推理方法。一個(gè)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)有向無環(huán)圖（Directed Acyclic Graph,DAG）,由代 表變量節(jié)點(diǎn)及連接這些節(jié)點(diǎn)有向邊構(gòu)成。節(jié)點(diǎn)代表隨機(jī)變量，節(jié)點(diǎn)間的有向 邊代表了節(jié)點(diǎn)間的互相關(guān)系（由父節(jié)點(diǎn)指向其子節(jié)點(diǎn)），用條件概率進(jìn)行表達(dá) 關(guān)系強(qiáng)度，沒有父節(jié)點(diǎn)的用先驗(yàn)概率進(jìn)行信息表達(dá)。節(jié)點(diǎn)變量可以是任何問 題的抽象，如：測(cè)試值，觀測(cè)現(xiàn)象，意見征詢等。適用于表達(dá)和分析不確定 性和概率性的事件，應(yīng)用于有條件地依賴多種

7、控制因素的決策，可以從不完 全、不精確或不確定的知識(shí)或信息中做出推理。貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型最簡單的例子是“分類器”，即在觀測(cè)節(jié)點(diǎn)輸入多個(gè)特 征，就能獲得這些特征所對(duì)應(yīng)的具體事物。例如:一個(gè)箱子里裝有籃球，排 球和足球，你的朋友每次從箱子里取出某一個(gè)球。但你看不見所取球的類型， 只能通過朋友描述尺寸，外表，顏色等特征（觀測(cè)數(shù)據(jù)）來辨別（分類），當(dāng)然 你之所以具備辨別（分類）能力是你長期對(duì)幾種球類的觀察和認(rèn)識(shí)，并將這些 特征一一儲(chǔ)存在你腦部，這就形成先驗(yàn)知識(shí)以及特征與具體事物的對(duì)應(yīng)關(guān)系 （網(wǎng)絡(luò)模型結(jié)構(gòu)和參數(shù)）。如果模型和先驗(yàn)知識(shí)精確，你的朋友僅需要說出尺 寸或者顏色你就立刻可以分類，如果模型或先驗(yàn)知識(shí)不

8、精確，那朋友就需要 多說出幾個(gè)特征你才能辨別。通過上面的例子發(fā)現(xiàn)，貝葉斯網(wǎng)絡(luò)需要學(xué)習(xí)， 即通過數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練，在具有觀測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)需要推理。這里就包含了 BN的核心 研究內(nèi)容。貝葉斯網(wǎng)絡(luò)(BN)為了彌補(bǔ)FTA的不足，加強(qiáng)土石壩風(fēng)險(xiǎn)分析的準(zhǔn)確性，引入了 BN。BN由Pearl在20世紀(jì)80年 代首次提出，隨后被應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域，在風(fēng)險(xiǎn)分析 中發(fā)揮了很大作用。圖1表示了最簡單的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)，圖中為基本事件。圖貝葉斯網(wǎng)絡(luò)由有向無環(huán)圖(Directed AcyclicGraph，DGA)和條件概率表(Conditional ProbabiliTable， CPT)組 成。DGA包含2個(gè)部分：代表系統(tǒng)變量的節(jié)點(diǎn)和

9、表示變量關(guān)系的有向弧。CPT表示這些變量間關(guān)系的強(qiáng)度。2.3映射算法2.3.1事故樹映射事故樹事故樹分析法的產(chǎn)生事故樹分析(Fault Tree Analysis，簡稱ATA) 方法起源于故障樹分析(簡稱FTA)，是安全系統(tǒng)工程的重要分析方法之一， 它是運(yùn)用邏輯推理對(duì)各種系統(tǒng)的危險(xiǎn)性進(jìn)行辨識(shí)和評(píng)價(jià)，不僅能分析出事故 的直接原因，而且能深入地揭示出事故的潛在原因。用它描述事故的因果關(guān) 系直觀、明了。思路清晰，邏輯性強(qiáng)，既可定性分析，又可定量分析。在風(fēng) 險(xiǎn)管理領(lǐng)域常用于企業(yè)風(fēng)險(xiǎn)的識(shí)別和衡量。FTA在工程安全風(fēng)險(xiǎn)分析中應(yīng)用廣泛，但有自身的局限性，BN的引入彌補(bǔ)了 FTA的不足。BN是基于概率推理的數(shù)

10、學(xué)模型，可以用來解決復(fù)雜系統(tǒng)的不確定性。但FFA仍有不足之處：事故樹中事件只有工作和失效2種狀態(tài)，但是很多事件卻有多態(tài)性，而事故樹很難描述具有多態(tài)性的事件。事故樹中假設(shè)各個(gè)事件相互獨(dú)立，但事實(shí)上它們之間或多或少會(huì)存在一定的關(guān)系。FTA至U BN的映射1個(gè)映射法則包含了圖像映射和數(shù)值映射。在圖像映射中，事故樹分析中的基本事件、中間事件和頂事件被表示為相應(yīng)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)中的根節(jié)點(diǎn)、中 間節(jié)點(diǎn)和葉節(jié)點(diǎn)。在數(shù)值映射中，事故樹分析中基 本事件發(fā)生概率對(duì)應(yīng)于相應(yīng)的根節(jié)點(diǎn)初始概率。任 何一個(gè)中問節(jié)點(diǎn)和葉節(jié)點(diǎn)均對(duì)應(yīng)于一個(gè)條件概率表.該概率表是依據(jù)事故樹中邏輯門的邏輯關(guān)系得出的。FTA到BN映射的具體步驟如下：對(duì)F

11、TA中每個(gè)事件(基本事件、中間事件和頂事件)對(duì)應(yīng)到BN中的節(jié)點(diǎn)(根節(jié)點(diǎn)、中間節(jié)點(diǎn)和葉節(jié)點(diǎn))。對(duì)于重復(fù)事件只建立1個(gè)節(jié)點(diǎn)。FTA中各基本事件發(fā)生概率對(duì)應(yīng)到BN中根節(jié)點(diǎn)的先驗(yàn)概率。根據(jù)FFA中每個(gè)事件之間的連接關(guān)系建立BN中各節(jié)點(diǎn)的連接。根據(jù)FTA中邏輯門的邏輯關(guān)系得出BN中對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)的條件概率。事件樹事故樹不能表達(dá)更復(fù)雜變量(FTA ETA不能表達(dá)多態(tài)變量)以及復(fù)雜結(jié)構(gòu)。2.3.2事件樹映射事件樹向貝葉斯網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)化步奏：1) 對(duì)事件序列中的每個(gè)事件，在貝葉斯網(wǎng)絡(luò)中建立一個(gè)結(jié)點(diǎn)，并根據(jù)該事件命名步驟1；對(duì)事伸序列中的每個(gè)#件,在功葉斯網(wǎng)絡(luò)中建也一個(gè)靖點(diǎn)，井艱據(jù)威暮件名稱命名，對(duì)重復(fù)葬件 只建立一個(gè)結(jié)點(diǎn)

12、.如人庫洪水事件在貝葉斯網(wǎng)搖中密立為“人庫洪水.結(jié)點(diǎn)一步驟2；對(duì)影響后采，建立一個(gè)于結(jié)巾，并根據(jù)后果的數(shù)目確定該結(jié)點(diǎn)的狀態(tài)空間一如漫頂失事和結(jié)構(gòu)失 事部是失事后果，在貝葉斯網(wǎng)絡(luò)中統(tǒng)設(shè)為“大壩失事”結(jié)點(diǎn).步驟根捌事件樹中附避輯美察，摒.各結(jié)點(diǎn)用有向孤連接起.來形成皿葉斯網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)渚笜?gòu).步驟4：根據(jù)事件.樹中的事件序列和發(fā)生的概率確定父結(jié)點(diǎn)先驗(yàn)曜率表和若于靖歡拍條件概率表，如宋 J3所示.。對(duì)重復(fù)事件只建立一個(gè)結(jié)點(diǎn)。貝葉斯網(wǎng)絡(luò)與事件樹相比，簡潔直觀，能表述多狀態(tài)復(fù)雜事件，且能 進(jìn)行雙向推理。事件樹、事故樹都可以按一定的步奏向貝葉斯網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)化，也就是 說，貝葉斯網(wǎng)絡(luò)同時(shí)具有事故樹、事件樹的功能。事件樹

13、、事故樹對(duì)問題的表達(dá)方式不同，而貝葉斯表達(dá)方式統(tǒng)一， 便于計(jì)算機(jī)統(tǒng)一處理。尤其從貝葉斯網(wǎng)絡(luò)中很容易看出結(jié)點(diǎn)之間的相 關(guān)性，而在事故樹、事件樹中有時(shí)必須經(jīng)過認(rèn)真辨別甚至分析才能確 定結(jié)點(diǎn)之間是否有相關(guān)性。缺點(diǎn)：貝葉斯極大簡化了模型表示形式，故不如事故樹、事件樹形象，這 給直觀理解帶來了不便。.沈亦漫段丹=0.F=Q 一時(shí)1 間 aqj.vlOOOs 的。邳頗ci戶水漫I更Pm洪由不沖盼.己思粗矢網(wǎng)T一30 就書尖事片頊祀黠構(gòu)*小R -O.frO蛤構(gòu)f炭早片S40皓物奈中珀-0.紳I蚌而應(yīng)失:寸此頊曲靖構(gòu)失巾片7.7。1結(jié)相不失爭(zhēng)Pr=JJO結(jié)構(gòu)為再FlQ.40 緯棹不m.6。圈1某大壩的事件榭F

14、【K. 1 Ewit of a dtun成水漫頂人率.祺求大城失串圖W某大壩的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模塑2 Hay* 應(yīng)3般曲瞧 nNteJ of a darn2.3.3蝴蝶結(jié)模型映射事件樹和事故樹等價(jià)轉(zhuǎn)化為貝葉斯網(wǎng)絡(luò)之后，它們通過頂事件，即 樞紐結(jié)點(diǎn)而相互連接。頂事件結(jié)點(diǎn)與結(jié)果結(jié)點(diǎn)相連。結(jié)果結(jié)點(diǎn)增加了 一個(gè)安全狀態(tài)，而且還考慮到頂事件不發(fā)生對(duì)結(jié)果結(jié)點(diǎn)所造成的影響。例如，如下圖2的BT模型中，一系列基本事件導(dǎo)致了汽油泄露。 根據(jù)著火源狀態(tài)，汽油泄露事故可能導(dǎo)致兩種后果池火（點(diǎn)火代 號(hào)yes）或蒸氣云（點(diǎn)火代號(hào)no）。然而，當(dāng)相應(yīng)的BN發(fā)展為圖3時(shí)， 另一個(gè)結(jié)果也可以是由結(jié)點(diǎn)汽油泄露和點(diǎn)火（圖1）的狀態(tài)組合造成。圖2 tu3 表1可分開所以，與BT不同，圖3中的結(jié)點(diǎn)結(jié)果有3種狀態(tài)，即池火、蒸汽 云安全。值得注意的是，由于結(jié)點(diǎn)結(jié)果的狀態(tài)受到結(jié)點(diǎn)