改进“事故-安全”平衡模型及在污水厂运维安全评估中的应用
2022-11-17杨辰伟
李 明,杨辰伟
(1.中国葛洲坝水务运营有限公司，天津 300381；2.中国市政工程华北设计研究总院有限公司，天津 300381)
1 引言
随着城乡的持续发展，市政生活污水和工业废水排放量逐年增加，加之出水水质指标要求愈发严格，既有用地及工艺挖潜有限，污水处理厂的运维压力与日俱增，安全事故频发[1]，水厂运维安全问题逐渐引起相关方面的关注[2]。科学的污水厂事故安全分析方法呼之欲出。近十几年我国安全科学基础理论研究取得了一定进展[11，12]，这为安全分析方法的选择起到了良好支撑作用。本文引入运动学模型对“事故-安全”平衡模型[3]进行改进，定量计算并表征安全状态变化趋势，并能根据当前管理状态对模型即时调整。从人、物、环境三个角度建立了污水处理厂运维安全的关键影响因素框架。案例应用表明模型合理可靠，能动态定量反应污水厂日常运维的安全状态，是一种有效的污水厂安全评估工作手段。
2 “事故-安全”平衡模型及其改进
2.1 “事故-安全”平衡模型简述
安全管理力学分析方法(SMMA)的核心思想是将组成安全管理系统的各子系统和各因子的有形与无形联系用“力”的概念进行表达，在力学领域寻找相关的模型进行映射，构建安全管理力学系统(SMMS)[6，14]。“事故-安全”平衡模型(图1)就是其中一种用于呈现事故和安全两种情况动态转化的映射关系[5]。
图1 “事故-安全”平衡模型
图1中：地面表示所分析的安全维度，左右表示安全状态所处水平，往右趋向安全，往左趋向事故，并进一步可量化分为事故段、平衡段和安全段。物体方块表示系统的安全状态。力表示各种与安全相关的因素所造成的影响趋势，安全因素影响力指向右侧，隐患因素影响力指向左侧。物体方块在合力作用下左右移动，从而表征系统安全状态的动态变化关系。从人员、物体、环境三个角度来讲，影响系统安全的关键影响因素如表1所示[5，10，15]。
表1 安全关键影响因素清单
由受力分析可得到模型的数学表达如下(图2)。
图2 “事故-安全”模型受力关系
R=F-f(F人员+F物体+F环境)-(f'人员+f'物体
+f'环境)
(1)
式(1)中：R为分析安全维度下系统运行期间关键因素影响力合力；F为分析安全维度下安全因素影响力合力；f为分析安全维度下隐患因素影响力合力；F'人员、F'物体、F'环境、f'人员、f'物体、f'环境为人员、物体、环境角度下安全、隐患因素影响力在分析安全维度下的投影；αi、βi、γi、δi、εi、ξi为人员、物体、环境角度下安全、隐患因素分析安全维度下影响力占全局影响力的比例。
当R>0，表示安全因素起主要作用，安全状态向右移动；当R<0，表示隐患因素起主要作用，安全状态向左移动。
2.2 “事故-安全”平衡模型的改进
基础的“事故-安全”平衡模型可以很好地描述各影响因素综合影响下系统安全状态的定性变化，但难以准确描述其变化趋势以及影响力合力控制水平，从而提前预警。引入运动学模型可对模型进行有效改进，实现趋势预测及预警的功能。
定义：
m为系统安全状态的质量，反映了各因素影响力与之造成系统安全状态变化趋势的基本比例关系；
a、v为系统安全状态的加速度和速度，反映了系统安全水平的变化趋势；
S事故、S安全为分析安全维度下系统事故、安全状态临界点。
t为系统运行的时间；
t0为系统开始运行的时刻；
S0为系统开始运行时处于的安全水平；
在“事故-安全”平衡模型基础上，可以进一步建立“事故-安全”管理运动学模型如下：
(2)
显然系统开始运行时速度为0，带入式(1)，有：
(3)
当S(t)
进一步，当系统运行至t1时刻且尚未事故，且关键因素影响力合力指向事故时，假设关键因素影响力合力R不变，则有如下关系。
(4)
式(4)中:t为自t1时刻起至发生事故的时间。对于实际生产工作，启动事故处理预案耗时比较固定，定义t预案为启动事故预案耗时。即存在最大允许关键因素影响力合力R预测，max，使得系统自t1时刻至发生事故的时间等于t预案，从而控制事故影响最低。即最大允许关键因素影响力合力R预测，max和系统当前安全水平S(t1)及变化速度v(t1)之间存在如下关系：
R事故max=[S(t1),v(t1)]
(5)
2.3 改进“事故-安全”平衡模型的进一步分析
2.3.1 系统安全水平与安全/隐患因素影响力间的关系
系统安全关键影响因素的控制水平是决定其影响力的变量之一。定义当不对系统中人、物、环境进行任何干扰的前提下的控制水平为背景控制水平，对应力为背景因素影响力。当对系统施加影响，因素控制水平随之变强，同时成本随之上升。
系统安全水平越高，对隐患因素造成的不良影响要求越严格，些微的隐患就能使系统不能满足当前安全标准。这等价于同一综合隐患因素控制水平所表现出来的隐患影响力与系统所处的安全水平呈正相关。反之，系统安全水平越低，对隐患因素造成的不良影响容忍度越高，同一综合隐患因素控制水平表现出来的影响力越小，系统理论上完全被破坏时(实际无法定义)，再低的综合隐患因素控制水平也无法表现出影响力进而降低系统的安全水平。实际中隐患因素即使充分暴露甚至花费成本故意破坏也是有限的，且边际效应递减，显然当所有隐患因素充分暴露且花费最高允许成本进行破坏时，综合隐患因素控制水平最低，系统的安全水平当忽略波动时是仅考虑背景安全因素影响力下的理论最低安全水平。
安全因素与之相似。系统安全水平越高，为维护当前综合安全因素水平所付出的各项人、物、环境成本也越高，且边际效应递减，即安全因素影响力降低。处于运动状态的系统是无法做到绝对安全的，因此仅当系统所付出的安全维护成本达到上限时，边际效应为0，对应安全因素影响力为0，系统的安全水平当忽略波动时是仅考虑背景隐患因素影响力下的理论最高安全水平。当系统安全水平较低时，安全因素水平的些微改善均会对系统安全水平造成显著的积极影响，等价于同一综合安全因素控制水平所表现出来的安全影响力与系统所处的安全水平呈负相关。
综上，系统安全水平与安全/隐患因素影响力间的关系可以近似用图3表示。
图3中，CF和Cf分别代表系统综合安全和隐患因素控制水平，Smax和Smin分别代表忽略隐患/安全影响因素下系统理论最高最低安全水平。其余定义同前。
图3 “系统安全水平与安全/隐患因素影响力”关系
至此式(4)和式(5)可以进一步解释，即存在最低允许关键因素综合控制水平，可以保证控制事故影响最低所需时间。
2.3.2 改进“事故-安全”平衡模型的运动学分析与安全意义解释
系统所处的安全水平是安全因素作用力和隐患因素作用力间动态平衡的结果。系统的合力可以是时刻变化的，因此只要指定任何特定状态为初始状态，均能做出完全的“事故-安全”平衡模型运动学分析。假设分析的起始时刻为系统开始运行的时刻，初始速度为0，系统初始安全水平处于居中的水平。
状态一：进一步假设系统安全/隐患因素控制水平恒定。系统关键因素影响力合力R=F-f>0，v>0，模块向右做加速运动。当前时刻下，正向速度代表系统形成了偏向保证安全的行为趋势和习惯，代表了系统在当前因素控制水平下安全水平往更高水平改善的速度。虽然此时存在隐患因素影响力，但安全因素影响力要更大，系统持续更快地往更高的安全水平提升。这种状态是不可持续的。据系统安全水平与安全/隐患因素影响力间的关系，随着系统的安全水平不断增高，恒定安全/隐患因素控制水平下，安全因素影响力逐渐降低，隐患因素影响力逐渐升高，模块向右做减加速运动，然后二力平衡做匀速运动。代表更高的安全水平下，系统对安全的要求更加严格，当前的安全因素控制水平逐渐不能承受，当前的隐患因素控制水平在高安全要求的背景下造成的负面影响更大，直至系统仅能维持当前趋向安全的行为趋势和习惯。进而在速度惯性的影响下模块继续向右，此时隐患因素影响力超过安全因素影响力，模块逐渐加减速运动至停止，然后反向减加速运动，至二力平衡匀速运动。代表在当前因素控制水平下，随着行为惯性安全水平继续上升，要求继续升高，容错率更低，系统力有不逮，逐渐不能维持趋向安全的行为趋势和习惯，最终安全水平回落，系统行为趋势和习惯趋向不安全。显然，模块向左移动一定距离后安全因素影响力又超过隐患因素影响力，不考虑力的激增导致摆动发散的前提下，最终在固定区间内做往复运动。代表系统在当前因素控制水平下于某一特定安全水平动态稳定。
状态二：假设系统处于状态一最终的动态稳定安全水平，之后系统安全因素控制水平升高，隐患因素控制水平恒定。此时系统关键因素影响力合力R=F-f>0，模块不再往复，继续向右运动，最终如状态一分析，在更右的位置做往复运动。代表系统最终在更高的安全水平下动态稳定。当系统所付出的安全维护成本达到上限时，安全因素控制水平无法继续升高，安全水平达到动态最高。同理可分析出在其他安全/隐患因素控制水平变化形式下系统安全水平的变化情况。
状态三、状态四：分别与状态一、状态二相对，模块向事故方向运动。分析同理，略。
3 污水处理厂运维的安全管理力学因素框架与安全风险管理
按照“事故-安全”平衡模型的思路，初期水厂运维人员安全意识高、管理措施有效，合力R值指向安全且较大，安全事故风险较小。随着时间推进，安全影响因素合力F与隐患影响因素合力f此消彼长，事故风险逐渐累积。从人员、物体、环境三个角度出发构建污水处理厂运维的安全管理力学因素框架[4,8,9]，如表2所示。
表2 污水处理厂安全影响因素框架
具体来讲，主要的安全因素影响力F包括：
(1)防止人的不安全行为(F人)。①定期开展生产安全教育，提高员工安全意识；②合理制定奖惩制度，培养员工良好的工作习惯；③初次工作时要对员工进行安全技术交底，定期组织技能学习；④定期组织演习演练，维持员工应急处理能力；⑤开展企业文化教育，增强员工责任感[18,20]。
(2)阻止机械设备的事故发生(F物)。 ①采购阶段充分检查机械设备的设计是否存在缺陷，零部件是否可靠；②安装阶段充分排除安全事故隐患，合理设置防护设施；③设置设备报警系统和安全检测监控系统；④ 定期保养、检修和更换零部件；⑤杜绝机械设备疲劳运转[16,17,19]。
(3)消除环境的不安全状态(F调控)。 ①污水处理厂在生产运行时，采用安全连锁系统；②消除安全隐患，如设置安全阀等泄压装置；③建立健全安全管理制度，防止出现有害气体或危险化学品泄露、极端天气引起人或物的损害、应急抢险救援不当造成的二次伤害、触电、火灾等安全事故。
主要的隐患因素影响力f包括：
①人员工作长期重复，产生厌倦的情绪或者安全意识松懈；②人员生活遇到困难或对待遇不满，工作不在状态或敷衍；③管理制度不合理，人员工作不情愿、积极性下降；④人员加班过频，失误率增加；⑤安全管理人员为兼职，管理疏漏；⑥机械设备存在隐患，未及时发现；⑦作业场所管理混乱或无管理。
4 改进“事故-安全”平衡模型在污水厂运维中的应用
天津市某污水处理厂设计规模10万m3/d，采用本模型辅助运维安全管理。以进水泵房为例进行说明。泵房设置4台潜水离心泵，3用1备，1台变频。结合生产情况，进水泵房关键影响因素框架确定如表3所示，对以下因素进行量化评分得到对应的量化控制水平参数。
表3 污水处理厂安全影响因素框架
根据实际意义，确定安全水平为水泵和前池的故障率与故障/停用率与时间，初始安全水平为开始启用模型评测时水泵和前池相应的故障/停用率与时间。事故状态为导致水泵不能按设计扬程提升设计水量或前池不能满足使用要求时的故障/停用率与时间，安全状态不设。安全水平分析区间由低至高量化成0～100，事故安全水平确定为20。经充分评估，设定泵房初始安全水平为50。初始速度为根据应用模型前一年水厂运行安全水平变化情况逆向计算值，确定为0.05。同时为保证模块震荡曲线(安全水平过程线)不发散，设定速度区间为±0.05。模块质量经分析取2。
对以上关键影响因素在不同控制水平下，不同前池与水泵的故障/停用率与时间要求下，所造成的影响程度进行评分，利用统计学手段拟合安全水平与影响力关系曲线。结合模型特点，采用以下指数函数进行拟合。
(6)
其(6)中aF、bF、cF、af、bf、cf为关键影响因素量化控制水平参数，其中a为主调参数，b、c为结合评分、事故分界线确定的控制曲线特征参数；S为安全水平；为安全/隐患背景影响因素作用力，经分析取恒定值10。初始控制水平主调参数a经分析分别取0.05和0.05。带入改进模型进行安全水平动态分析。结果如图4～6所示。
图4反映了系统在分析时段内安全水平的变化情况。①初始控制水平(0.05,0.05)下，系统安全水平在50附近波动。②t=50时，泵房水泵循环切换，长时泵备用，同时水厂开展了一次安全培训，控制水平调整为(0.07,0.03)，系统安全水平逐渐上升。③t=150时，运维人员调动，技术水平下降，同时泵房安装其他设备，现场环境较混乱，控制水平调整为(0.04,0.06)，系统安全水平下降并在45附近波动。④t=400时，因现场安装不当，对水泵造成损坏，同时具备水泵维修技能的人员暂不能到场，控制水平调整为(0.01,0.25)，系统安全水平快速下降，并可预估在t=450时刻仍不采取措施，将在tc=60后发生事故，如虚线所示。⑤t=450时，水厂果断采取措施，调度技术人员，维修设备并展开全面检查，进行现场整顿，组织安全培训，控制水平调整为(0.1,0.01)，系统安全水平快速上升，并最终在73附近波动。影响力及其和速度变化过程如图5和图6。
图4 “安全水平-时间”关系
图5 “关键因素影响力-安全水平”关系
图6 “影响力和速度-时间”关系
5 结论与讨论
本文在基于安全管理力学建立的“事故-安全”平衡模型基础上，引入运动学对其进行改进，使之能定量表征和预测系统安全水平变化趋势。具体为利用速度表示安全水平的变化趋势和系统行为惯性并构建数学模型，深入分析了安全因素影响力与关键因素控制水平之间的关系，对改进模型进行了运动学分析和解释。之后从人、物、环境3个角度建立了污水处理厂运维的安全管理力学分析因素框架，提出了安全风险管理措施，使改进模型在污水处理领域具备应用可行性。案例分析一方面表明，该模型可以精确定量反映运维控制水平与系统安全水平之间的动态变化关系；另一方面同时表明，在不设定速度取值范围的前提下，安全水平过程线存在震荡发散的可能，如何合理确定力、质量、速度等各要素间的相对数值关系避免这一问题需要进一步的研究与试验。总之，项目成果为污水处理厂运维风险分析及安全趋势预测提供了有效技术手段，对科学进行生产管理有指导意义。
