基于FTA-BN模型的有限空间作业事故案例分析

王 乾 袁嘉淙 柴文浩

(中国矿业大学(北京) 应急管理与安全工程学院,北京 100083)

0 引言

有限空间作业事故在危险化学品(以下简称危化品)行业、工贸企业、建筑施工等行业、领域时有发生,造成严重人员伤亡和财产损失。为加大力度提升有限空间安全生产工作,国家出台一系列法律法规和政策文件,相关企业也制定规范性文件。然而,在实际操作中受到多方面因素的限制,如安全意识淡薄、培训效果不佳、监督管理缺欠等,相应的管制规范措施难以执行或无法有效规避风险[1]。尤其是中毒窒息引起的有限空间作业事故和盲目施救导致的事故伤亡损失扩大现象近些年依然频繁多发[2]。因此,强化对有限空间作业危险有害因素辨识、事故致因机理的探析对防范事故的发生有着重要作用,对保障人民群众生命财产安全、加强企业安全生产有着深刻的意义。

有限空间,又称受限空间,是指封闭或部分封闭、进出口受限但人员可以进入,未被设计为固定工作场所,通风不良,易造成有毒有害、易燃易爆物质积聚或氧含量不足的空间,分为地下密闭空间(地下管道、隧道、地坑、废井、下水道、化粪池等)、地上密闭空间(酒糟池、发酵池、腌渍池、纸浆池、粮仓、料仓)和密闭设备(贮罐、车载槽罐、反应塔、窑炉、管道、锅炉)3类。

有限空间作业具备的特点包括:空间有限,与外界相对隔离;进出口受限或进出不便,但作业人员能够进入开展有关工作;未按固定工作场所设计,作业人员在需要的情况下进行临时性工作;通风不良,易造成有毒有害、易燃易爆物质积聚或氧含量不足。有限空间作业存在的主要安全风险种类包括中毒、缺氧窒息、火灾爆炸和其他安全风险。

本研究收集有限空间作业事故案例,并选取典型事故案例,对该事故的原因进行分析;再经分析全部案例的基本信息和主要特征,从“人—机—环—管”4个维度总结凝练出有限空间作业风险因素,采用事故树分析、模糊数处理和贝叶斯网络模型从定性和定量相结合的方式出发,分析有限空间作业事故的主要风险因素及因素间的关联性。以期掌握有限空间作业事故的发生规律和影响机理,为构建事故分析模型、预防减少事故发生及制定防范举措提供理论依据和真实案例借鉴。

1 理论基础

1.1 事故树分析

事故树分析法(Fault Tree Analysis,FTA)以最不希望发生的事件(顶上事件)作为目标事件,找出系统内可能发生的基本事件,即人、机、环、管等因素造成的失效事件,以及各事件之间的逻辑关系,用倒立树状图表示出来,在风险管理领域通常用作事故发生风险的辨识和评估。事故树是由各种符号和连接的逻辑门组成,常见符号有:矩形符号(顶上事件、中间事件)、圆形符号(基本事件)、屋形符号(正常事件)和菱形符号(省略事件);逻辑门符号有:与门、或门、条件与门、条件或门和限制门,最常见的就是与门符号和或门符号。

1.2 模糊理论

模糊理论(Fuzzy Theory)是用到了模糊集合的基本概念或连续隶属度函数的理论。可划分为模糊数学、模糊系统、不确定性和信息、模糊决策、模糊逻辑与人工智能5个部分。广泛应用的模糊综合评价法是根据模糊数学的隶属度理论将定性评价转化为定量评价的方法。该方法首先确定被评价对象的指标集合,再分别确定各个指标的权重及隶属函数,获得模糊评判矩阵,最后把模糊评判矩阵与指标的权矢量进行模糊计算并归一化处理,得到综合模糊评价结果。具有可操作性强、结果清晰的特点,能够较好解决模糊不确定和难以量化的问题。

1.3 贝叶斯网络

贝叶斯网络(Bayesian Network,BN),即信度网络,是进行不确定知识表达推理的理论模型之一。是基于概率知识为基础进行概率推理,通过节点间的逻辑关系完成系统内的不确定性推理,可以基于先验概率通过贝叶斯公式求得后验概率。其构成是由选取的变量节点以及连接节点有向边组成的有向无环图,其中节点表示变量或者因素,有向边是由父节点指向连结的子节点表示节点间的逻辑关系,条件概率用于表示节点之间的关系强度,没有父节点的节点则用先验概率表示。

1.4 FTA-BN模型

本研究将有限空间作业事故作为顶上事件,按照逻辑推理的方法层层向下分析造成事故的原因,直到找出所有的基本事件,用与门和或门表示出事件间的关系。通过事故树分析,更详细全面的将事故发生的原因和影响因素梳理出来,通过控制一些特定组合的风险因素可以有效降低事故风险,预防事故的发生[3]。

将基本事件作为评价指标邀请行业领域专家,按照专家打分法赋予评价指标相应权重,建立适合的隶属函数从而构建隶属矩阵,最终得到每个风险因素的具体概率[4]。

再运用贝叶斯网络模型及网络结构和条件概率表,通过模糊数处理的基本事件先验概率得到顶上事件发生概率,最后反向推断出基本事件发生的后验概率[5]。

将贝叶斯网络和事故树相结合不但可以定性和定量分析有限空间作业事故案例中基本影响事件的整体逻辑和发生概率,还可以达到双向推理的目的,有利于探析出需要加强管控的事故风险因素。

2 事故案例

本文以近10年内148起拥有完整事故调查报告的较大及以上有限空间作业事故,分析归纳出事故的作业地点、作业类型和事故类型等基本信息,见表1。表1中数据显示,事故发生地点以地下有限空间最多114起,约占统计事故总数的77%;事故类型以中毒最多111起,约占统计事故总数的75%;对地下有限空间事故的进一步分析发现发生在污水处理站的数量最多,约占地下有限空间事故总起数的50%;中毒窒息、清理维修、盲目施救是有限空间作业事故最常见的情况[6]。基于此,选取具有代表性的事故案例——潍坊某化工有限公司“4.9”较大中毒窒息事故进行分析。

表1 近10年部分较大及以上有限空间事故案例基本信息Tab.1 The basic information of some large and above confined space accidents in recent 10 years

2.1 事故经过

2015年4月9日,潍坊某化工有限公司发生有限空间作业中毒窒息事故,造成3人死亡、2人受伤,直接经济损失约330万元。

事故发生于该公司的污水处理站好氧池,污水处理站主要处理丙烯醛车间生产的工业废水。2015年4月9日8:00上班后,各车间组织工作人员进行检修作业,赵某林和杨某进入好氧池检查空气管道和喷头故障时发生硫化氢中毒窒息。9:40左右,曾某国路过氧化池,想上前施救将其拖到池边,中途感到呼吸困难,就立即跑到池边呼吸新鲜空气并大声呼救。王某忠、王某洪、张某成、袁某文等人闻讯前来救援,施救过程中,王某洪、张某成先后中毒,王某忠、袁某文感到不适立即退出。在采取破坏塑料布通风、送氧气等措施后,王某忠等人再次进行救援,将王某洪、张某成、赵某林和杨某从好氧池救出。救护车将受伤人员送至滨海人民医院进行抢救,张某成、赵某林和杨某3人经抢救无效死亡,王某洪和袁某文2人受轻伤。

2.2 事故原因分析

将该事故原因划分为直接原因和间接原因,事故的直接原因是污水处理站好氧池大棚形成有限空间,废水在生化处理过程中产生硫化氢等有毒有害气体并发生集聚;作业人员没有佩戴过滤式防毒面具或氧气呼吸器等防护装备;违规操作进行好氧池检查工作,中毒窒息导致死亡;安全意识淡薄,施救人员在未佩戴任何防护装备的情况下盲目施救,造成事故进一步扩大等。事故的间接原因是该化工企业安全生产主体责任落实不到位,污水处理设施变更管理不到位;有限空间作业管理不到位、企业安全教育培训不到位;企业安全隐患排查治理不到位;应急处置规范性文件缺失等。

3 事故分析

3.1 影响因素划分

根据148起事故调查报告、文献资料和专家访谈等,将有限空间作业事故原因分为人的不安全行为、物的不安全状态、安全管理的缺陷和环境的不安全因素4个部分[7]。其中,人的不安全行为是指引起有限空间作业事故发生或者对事故有重要影响的行为(行为引发者包括直接导致事故发生的作业人员和组织内的其他人员),分为违规作业、作业危险不清楚和通风监测不到位;物的不安全状态是指引起事故发生或有安全隐患的有限空间本身、设施和装备等物质条件,分为设备本质安全性不高和空间隔离不到位;安全管理的缺陷是指有限空间作业相关的安全方针、组织结构和程序文件等安全管理体系存在不足和问题,分为管理制度不完善和应急管理不到位;环境的不安全因素是指有限空间作业环境存在导致事故发生的风险因素,分为有毒有害气体超标和其他环境风险[8]。基于以上有限空间作业事故影响因素的划分,建立事故树(如图1),事故树中符号对应的事件,见表2。

图1 有限空间作业事故树Fig.1 The fault tree for the confined space operation

表2 有限空间作业事故树的符号与事件对应关系Tab.2 The correspondence between symbol and event in the fault tree for the confined space operation

3.2 事件概率分析

有限空间作业事故树中基本事件的发生概率由于具有模糊性和不确定性,无法直接得到具体概率,需要在有限空间作业事故案例数据的基础上根据行业专家判断进行赋值,再利用自然语言模糊化处理得出基本事件发生概率[9]。从相关领域邀请4位专家组成评判小组,评判时专家使用模糊语言值代替固定值进行打分,对有限空间作业风险因素的发生概率使用{低,较低,中,较高,高}5个模糊等级,利用模糊综合评价法处理不确定信息,用线性分布函数三角模糊数和梯形模糊数来表示专家的模糊语言。

三角模糊数A1=(a1,b1,c1),梯形模糊数A2=(a2,b2,c2,d2)。a,b,c,d∈实数集R。隶属度函数表达式如式(1)、(2)。

(1)

(2)

其中,a,b,c,d∈[0,1]。

在模糊数处理中,加减乘除等基本运算可以通过λ截集实现,可引入截集将模糊数转化为区间数进行计算,模糊等级和λ截集,见表3。

表3 模糊等级和λ截集Tab.3 Fuzzy scale and λ cut set

设定所有专家的评判权重相同,将每一项截集相加取平均即可得到平均模糊数。再运用左右模糊排序法将模糊数转化为模糊可能值(Fuzzy Possibility Score,FPS),FPS代表专家对某一事件发生可能性的信任度[10],最终模糊数的FPS由式(3)-(7)进行计算。

(3)

(4)

(5)

(6)

式中:

sup—表示上确界;

f(x)—为隶属度函数;

FPSL(x)—左模糊可能性值;

FPSR(x)—右模糊可能性值。

FPS(x)=[1-FPSL(x)+FPSR(x)]/2

(7)

将FPS转化为最终失效率数值(Fuzzy Failure Rate,FFR)[11],即贝叶斯网络分析模型中事故树基本事件的先验概率,由式(8)计算。

(8)

其中,k=[(1-FPS)/FPS]1/3×2.301。

事故树中的基本事件对应贝叶斯网络中的非根节点,将事故树中与门和或门逻辑关系转化为贝叶斯网络对应节点的条件概率,将事故树转化为贝叶斯网络[12],有限空间作业事故贝叶斯网络模型,如图2。

图2 有限空间作业事故贝叶斯网络模型Fig.2 The Bayesian network model for operational accidents in the confined space

根据以上计算公式得到的基本事件先验概率与条件概率,在此基础上,将其输入贝叶斯网络模型中得到各基本事件的后验概率,见表4。

表4 基本事件的先验概率和后验概率Tab.4 The prior probability and the posterior probability of the basic event

基本事件的先验概率是通过以往有限空间作业事故案例数据收集和专家经验分析共同推理得出,而后验概率是在已知事故发生情况下重新修正得到的更加贴近真实状况的事件发生概率。在有限空间作业事故中风险概率大小排序依次为盲目施救、中毒窒息、可燃气体爆炸等,调查结果符合收集案例中事故原因统计信息,而且具有明显的有限空间作业工作属性特征[13]。

4 对策措施

为有效预防有限空间作业事故的发生,必须从事故致因角度出发,对发生概率和影响程度较大的风险因素提出针对性的对策措施。

针对中毒窒息、可燃气体爆炸基本事件,应该坚持“先通风、再检测、后作业”重要原则。有限空间普遍存在通风不良的情况,在进行有限空间作业前通风处理是最基础的准备工作。通风后,进行有限空间气体检测,严格按照相关国家法律法规和行业标准规定进行,检测指标应该包括氧浓度、有毒有害气体浓度、易燃易爆物质浓度等[14]。通风和检测合格前,任何人员不得进入有限空间作业,检查记录应该由安全监管人员签字确认后存档。

当作业过程突发危险,应避免盲目施救,可根据实际情况采取非进入式救援或进入式救援方式[15]。当有限空间内的作业人员还有意识,应采取积极自救行为,可使用隔绝式紧急逃生呼吸器等逃生装备;若失去意识,救援人员应该通过安全绳索与有限空间外的挂点连接将受困人员移出有限空间或者采取科学防护措施在保障自身安全前提下进入有限空间实施救援。

5 结论

(1)本研究结合事故树和贝叶斯网络构建有限空间作业事故原因分析模型,研究发现,盲目施救、中毒窒息和可燃气体爆炸是有限空间作业事故发生的主要风险因素,监督管理不到位、应急救援、演练缺失等情况也需要加强整治和改进。

(2)构建的有限空间作业事故FTA-BN模型,采用模糊计算方法,在事故报告信息数据较不完善情况下,可以充分降低事故分析模型的不确定性和模糊性,为有限空间作业的研究提供科学的理论依据。

(3)在研究中计算有限空间作业风险因素发生概率还存在较为主观的问题,后续研究还需要收集大量案例数据作为支撑,可继续改进算法优化模型,以弥补现阶段研究的不足。