基于模糊事故树的农机事故影响因素分析*

2022-02-25武欣戚彬孙晓明李志合王宪良王飞

中国农机化学报 2022年1期

武欣，戚彬，孙晓明，李志合，王宪良，王飞

(山东理工大学，山东淄博，255000)

0 引言

自20世纪50年代以来，我国农业机械化的水平不断提升[1]，但农机安全问题一直是影响我国农业机械质量提升的重要原因之一。近年来农机事故数量虽有所下降，但给社会、家庭和个人带来的伤害依旧严重，带来经济损失的同时还极大地降低了农民的幸福感，严重影响农业生产的效率[2]。

在以往的农机事故分析中，国外学者Robert[3]、Bunn[4]等以及国内学者关于农机事故的研究[5-8]大多根据国家对于农机事故的相关统计资料来进行文本分析，其研究结果对于农机事故的预防具有一定的意义，但存在数据资料不全面，造成事故的潜在因素被忽略等问题。除此之外，之前研究中的传统的定量模型不具备推理能力，具有因果关系的逻辑推理的模型无法进行系统精确数值的描述[9]。

目前国内外学者已将模糊事故树的方法应用在各个领域，Badida等[10]利用模糊事故树分析方法对石油天然气管道自然灾害风险进行评估，研究结果将对安全专业人员做出与石油和天然气管道风险管理有关的决策提供帮助；Paula等[11]将故障树分析和模糊决策相结合构建了网络安全风险分析模型理论用来评估网络安全；不列颠哥伦比亚大学的学者[12]利用模糊事故树分析法对水力压裂返水蓄水故障进行分析找出故障的关键原因；印度学者Cheliyan等[13]对海底采油系统油气泄漏进行模糊事故树分析来确定可能导致事故发生的最薄弱环节；中国也有学者利用该分析方法对于城市雾霾[14]、煤矿爆炸[15]等事件进行研究。这在一定程度上说明模糊事故树方法的适用性广，将其用在农机事故上是可行的。

因此，本研究通过事故树分析法[16-17]对农机事故进行定性分析，层层深入，整理出造成农机事故的已知原因和潜在原因，针对事故树分析法定量分析时存在基本事件概率不完整的问题，引入三角模糊数[18]的理论对基本事件的发生概率进行模糊处理，求出顶上事件发生概率，对农机事故进行预测，利用模糊中值推出基本事件的模糊重要度，并进行排序，根据结果，制定出更加全面且具有针对性和科学性的预防措施。

1 模糊事故树模型构建

本文选取农机事故作为研究对象即事故树中的顶上事件来进行分析，从2013年出版的《农业机械事故案例》[19]和2016—2018年期间《中国农业机械化年鉴》[20]中收录的2014—2016年农机事故情况的通报以及在中国农业机械化信息网上发布的关于2017—2019年农机事故情况的通报中对与该事故有关文本叙述进行查阅，并对相关数据进行统计整理，得到造成农机事故的已知原因，在此基础上从整个人机系统角度出发，分人、机、环境三个层面来分析风险源，整理出风险因素，梳理出造成农机事故的潜在原因，采用事故树分析法，由果溯因进行推演，构建起各事件之间的因果关系，进而追踪到造成农机事故发生的最本质的原因，并用特定的事件符号和逻辑门符号来绘制事故树图，采取布尔代数简化法求解最小割集和最小径集，利用三角模糊理论对基本事件的发生概率进行模糊处理，最后求解出农机事故发生概率及各基本事件的模糊重要度，具体模型框架如图1所示。

图1 农机事故模糊事故树分析流程

2 基于模糊事故树的农机事故影响因素分析

2.1 调查事故原因

2.1.1 资料查阅分析

通过查阅《农业机械事故案例》[19]和《中国农业机械化年鉴》[20]，对与农机事故相关的叙事文本和统计数据进行整理和分析，捕获无证驾驶、无牌驾驶、操作失误、机件失效、违法载人、疲劳驾驶、非作业人员进入作业区等高频关键词，将其作为农机事故已知原因数据库素材，为下一步的事故树逻辑分析提供参考依据。

2.1.2 农机事故风险源分析

造成农机事故因素繁多，目前所提供的事故资料存在描述缺乏细节，内容不够翔实的问题，对于事故原因的分析停留在表面，未能深入下去探究其实质性的原因，因此在对农机系统中的危险因素进行分析时将从人、机、环境三个层面展开，将分析因素作为事故树模型中的中间事件，在此基础上进行分析，推出导致顶上事件发生的直接原因即基本事件。

1)人的因素：目前农机操作者文化水平普遍较低，年龄较大，学习的主动性低，很多操作者不主动参加培训，无法正确掌握农机产品的操作技巧，安全意识与规范意识薄弱，倾向于依靠片面经验来进行农机产品的操作，同时易存在侥幸心理，所以会出现人员位置错误、错误操作、有意违规、无意失误、人体达到疲劳这些造成农机事故的危险因素。

2)物的因素：农机产品在设计时存在安全防护装置及信号装置缺少，安全警示标识不全的问题，在生产制造过程中其性能受到加工工艺及材料的影响，使产品的安全性降低，同时农机产品具有其特定的生命周期，其性能的可靠性与使用时间呈负相关，农机装备使用时间越长，它的可靠性就越低，使用者若不能做到定期检验、保养和维护，便无法及时察觉潜在危险，因此设备故障、安全设施失效是农机产品存在安全隐患的重要因素，其本质原因则有机具无安全保护装置、人员未穿戴安全防护装备、缺少警示信号提醒装置、未定期检修保养机具、作业前未检查机具安全性能。

3)环境因素：“三夏”“三秋”等农时季节，农民为抢农时，高温、雨天等环境下持续作业，极易造成疲劳，并且作业环境相对复杂，路面状况差且障碍物多，如果不事前查勘易发生意外。

除此之外，根据近几年事故数据得出，由误操作引起的农机事故一直占比较大，人员操作技能欠缺、安全意识薄弱虽是引起误操作的原因，但归根结底在于农机产品的设计问题[21]，在设计初期缺乏对人的因素的考虑，使得农机产品在设计上存在不符合人机工程学的问题，显示装置的信息不易被使用者识别，影响人对信息的接收与判断，操纵装置布置的不合理性增加了误操作概率。

2.2 事故树图的绘制

事故树图是将“农机事故”作为事故树的顶上事件，根据在相关资料的调查和人、机、环境三层面的风险源分析列出导致农机事故发生的必要条件，逐层向下分析各自的直接原因事件，即通过由果溯因的推演，罗列出导致中间事件发生的基本事件，使用逻辑门符号和事件符号进行连接，进而构建出完整的逻辑树。矩形符号T代表顶上事件，矩形符号Mi代表中间事件，圆形符号Xi代表基本事件，农机事故树如图2所示，事件类型如表1所示。

图2 农机事故树

表1 事件类型表

2.3 定性分析

通过布尔代数简化法计算最小割集[22]，得出表达式如式(1)所示，展开得到三阶最小割集有57个，最小割集被用来表示系统的危险性，最小割集越多表示系统的危险性越高，由于本文中农机事故的最小割集数目较多，且每个最小割集中所包含的基本事件较少，说明农机事故的发生途径较多，发生的可能性较大。

T=M1M2M3

=(M4+M5)(X1+X2+X3)X4

=(X5+X6+M6+M7)(X1+X2+X3)X4

=(X5+X6+X7+X8+X9+X10+X11+X12+X13+X14+X15+M8)(X1+X2+X3)X4

=(X5+X6+X7+X8+X9+X10+X11+X12+X13+X14+X15+X16+X17+M9)(X1+X2+X3)X4

=(X5+X6+X7+X8+X9+X10+X11+X12+X13+X14+X15+X16+X17+X18+X19+X20+X21+X22+X23)(X1+X2+X3)X4

=X1X4X5+X2X4X5+X3X4X5+X1X4X6+X2X4X6+X3X4X6+X1X4X7+X2X4X7+X3X4X7+X1X4X8+X2X4X8+X3X4X8+X1X4X9+X2X4X9+X3X4X9+X1X4X10+X2X4X10+X3X4X10+X1X4X11+X2X4X11+X3X4X11+X1X4X12+X2X4X12+X3X4X12+X1X4X13+X2X4X13+X3X4X13+X1X4X14+X2X4X14+X3X4X14+X1X4X15+X2X4X15+X3X4X15+X1X4X16+X2X4X16+X3X4X16+X1X4X17+X2X4X17+X3X4X17+X1X4X18+X2X4X18+X3X4X18+X1X4X19+X2X4X19+X3X4X19+X1X4X20+X2X4X20+X3X4X20+X1X4X21+X2X4X21+X3X4X21+X1X4X22+X2X4X22+X3X4X22+X1X4X23+X2X4X23+X3X4X23

(1)

利用原始事故树的对偶性，依据摩根定理将事故树中的与门和或门对换，并将事件变为对偶事件，得到成功树，通过布尔代数简化法计算最小径集[22]，得出表达式如式(2)所示，求解可得出最小径集有3个，其中一阶最小径集1个，三阶最小径集1个，十九阶最小径集1个。最小径集被用来表示系统的安全性，结果表明控制农机事故不发生的途径相对较少，需要控制的危险因素相对较多。

T=M1′+M2′+M3′

(2)

2.4 基本事件发生概率模糊化处理

2.4.1 可统计的基本事件概率

根据2014—2019年间的农机事故情况通报，对造成农机事故的基本事件：未定期检修保养机具(X5)、无牌行驶(X8)、无证行驶(X9)的发生概率进行整理，并计算其平均值m，考虑到该基本事件会受其他不可控因素的影响而产生一定的波动，因此分别选取在这6年间各基本事件的最高发生概率和最低发生概率来作为基本事件发生概率的上边界值l和下边界值u，得到其波动范围构成模糊数q=(l，m，u)[23]，如表2所示。

表2 可统计的基本事件三角模糊概率值

2.4.2 不可统计的基本事件概率

由于事故树中的基本事件的发生概率并非全部能够从相关的文本资料和网络数据中获取，所以存在着数据缺失这一严重问题，因此在本文中采用3σ表征法对基本事件的发生概率进行获取，选取4名专家组成专家团队，为其发放制作好的预估基本事件发生概率的问卷，由专家根据经验和农机事故的实际情况分别给每一基本事件的发生概率进行评估打分，在回收问卷后对数据进行整理汇总，根据整理数据计算其平均值m与标准差σ[24]，计算公式如式(3)、式(4)所示。不可统计的基本事件3σ表征法分值结果如表3所示。

表3 不可统计的基本事件3σ表征法分值

E(x)=m

=(1/n)(a1+a2+…+an)

(3)

(4)

式中：n——样本数；

an——样本取值。

根据3σ准则，概率值服从正态分布，专家评定出来的概率值m在区间[m-3σ，m+3σ]上的概率为99.7%。因此，令m-l=u-m=3σ，3σ为基本事件发生概率上下波动值，把各个概率值用(m-3σ，m，m+3σ)的形式来表征，从而将其转化为三角模糊数的形式[23]，结果如表4所示。

表4 各基本事件的模糊概率值

2.5 定量分析

2.5.1 顶上事件发生概率

在“与”门和“或”门计算公式的基础上推出“模糊与”门和“模糊或”门的运算公式，根据之前定性分析求出的最小割集和最小径集，计算顶上事件发生的三角模糊概率。

与门运算公式

(5)

或门运算公式

=1-(1-q1)(1-q2)…(1-qn)

(6)

“模糊与门”运算公式

(7)

“模糊或门”运算公式

(8)

由于农机事故的最小割集过多，在计算顶上事件的发生概率时工作量大且复杂，所以利用最小径集来计算顶上事件发生概率

(9)

式中：i——基本事件序数；

j——最小径集序数；

r——最小径集个数。

根据表4和式(9)计算得出顶上事件发生的三角模糊概率(0.123，0.161，0.198)。计算结果表明，农机产品发生事故最可能的概率是0.161，最低概率为0.123，最高概率为0.198。

2.5.2 基本事件模糊重要度

模糊事故树的基本事件概率是一个不确定的模糊数，只能表示出概率大概的分布范围，因此本文利用中值法来求解基本事件的模糊重要度[25]。三角模糊数隶属函数如图3所示。

图3 三角模糊数隶属函数

当A1>A2时，z

(10)

当A1=A2时，

得z=m

(11)

当A1m

(12)

(13)

pi越大说明基本事件Xi越重要，需要优先改善此事件来提高系统的安全性和可靠性，根据表5得到基本事件的模糊重要度排序：p1>p2>p16>p15>p7>p3>p9=p4>p13>p5>p6>p14>p10>p22>p23>p11>p20>p17>p8>p19>p21>p18>p12。

表5 基本事件模糊重要度

由此可知在23个基本事件中机具无安全保护装置(X1)，人员未穿戴安全防护装备(X2)，工作时间过长(X16)，操纵装置不合理(X15)，超速超载(X7)这5个基本事件排序靠前。这表明农机产品在设计时缺乏安全设计原则的考虑，无法通过隔绝人体与农机产品的有害部位来达到安全的效果；工作时间过长，导致人体产生疲劳，处于疲劳状态的使用者，在注意力的广度和紧张度的匹配上易失去平衡，影响人与农机产品的互动。操纵装置的不合理说明农机产品在设计时，存在位置布局、结构形状不符合人的使用习惯和生理特点的问题，导致使用者在操作过程中不能方便使用；超速超载的原因的背后是人们在侥幸心理、急于求成情况下的主观判断，是安全意识不足，安全文化教育缺失问题的显现，今后在对于农机事故进行预防时需要在这些方面加强重视，应以此为方向优先提出针对性的预防措施。

3 结论及建议

3.1 结论

本研究将三角模糊数学和事故树分析法两种理论相结合，通过构建模糊事故树分析法对农机事故进行研究分析，推断出引起农机事故的已知因素和潜在因素，得到造成农机事故的23个基本事件，通过定性分析计算出57个最小割集，3个最小径集，这说明造成农机事故的影响因素多，系统危险系数高，通过定量分析得出顶上事件发生概率在0.123～0.198之间波动，由计算得出的各个基本事件的模糊重要度值和排列顺序可知，机具无安全保护装置(X1)、人员未穿戴安全防护装备(X2)、工作时间过长(X16)、操纵装置不合理(X15)、超速超载(X7)对农机事故发生的影响程度较高。

研究结果体现了不同的基本事件对于事故发生的影响程度，使人们在进行预防措施制定时有所考量，使对策更加全面、科学、高效，同时结果使人们对于农机事故原因的关注点在农机产品的设计上有所侧重，今后可从产品设计的系统视角来为农机事故的预防带来新思考并提供新的防范措施，既有利于降低事故率，也将有利于促进农机产品的设计改良和品质提升。