基于事故樹的高校實驗室火災危險分析

師光達，李德順

(沈陽理工大學 環(huán)境與化學工程學院，沈陽 110159)

近年來，高等教育的迅速發(fā)展及高?？萍紕?chuàng)新的嚴格要求，使得高校實驗室的使用越來越頻繁，同時實驗室安全管理也就變得日益復雜，各種安全重大事故接連不斷，使得實驗室安全問題日益凸顯[1]。

2019年2月27日0時42分，南京工業(yè)大學丁家橋校區(qū)某實驗室產生火警，有明顯火焰從樓頂竄出，火焰經過外延通風管道引燃5樓樓頂風機及雜物，并毀壞實驗室內的實驗儀器與辦公用品，實驗樓的外墻面被熏黑，窗戶破碎。2018年12月，北京某高校化學實驗室意外發(fā)生爆炸燃燒事故，事故造成3人死亡和大量財物損失，經查明是由實驗人員誤操作造成。由以上案例可知，大學實驗室一旦發(fā)生事故就伴隨著人員傷亡和學校財產的損失，所以大學實驗室的安全管理工作和防火防爆教育，對于保障高校穩(wěn)定發(fā)展具有重大意義。而安全管理的首要因素是預防事故的發(fā)生，對各種風險因素進行有效識別；包括一些潛在因素。

針對高校實驗室危害的識別和探究相對較少，現有研究大多是在對傳統(tǒng)風險因素的管理上，而對一些潛在危險因素、風險因素的重要度分析較少，且不夠完善。本文引入事故樹分析法[2],從系統(tǒng)層面分析，識別大學實驗室安全事故發(fā)生的首要危險源，為制定高效的風險控制措施提供理論依據，預防安全事故的發(fā)生，保障高校實驗室的財產安全和實驗人員的人身安全。

1 事故樹的分析與編制

1.1 事故樹

事故樹分析法首先確定可能發(fā)生的事故或故障(把該事件定為頂上事件)，通過頭腦風暴的方式，按照因果關系進行層層分析，直到找出起始發(fā)生原因終止，即故障樹的底層事件停止[3]，這些底層事件也被稱為基本事件。分析過程中的參考依據主要來自于前人的記述、專家們的共同探討或已發(fā)生事故分析的結果。

這種分析方法既能分析出產生風險的直接原因和間接原因，又能發(fā)掘出常被忽略的事故發(fā)生的隱性原因。用該方法描述事故的關聯和因果，簡單、層次清晰、邏輯性強，還可根據系統(tǒng)和基本事件進行定性和定量兩個層面的分析，是安全系統(tǒng)工程的重要分析方法之一。所以本文選用事故樹分析法。

1.2 事故樹的編制

事故樹的編制過程是一個嚴密的邏輯和調查過程，應遵循以下程序：

(1)確定整個系統(tǒng)的結構關系；

(2)熟悉系統(tǒng)的因果和邏輯關系；

(3)調查系統(tǒng)發(fā)生的各類事故；

(4)確定事故樹的頂上事件；

(5)查閱相關文獻和資料確定各基本事件；

(6)作事故樹圖。

根據事故樹的邏輯關系求取事故樹最小割集或最小徑集，主要有三種方法：行列法、結構法、布爾代數簡化法。

定性分析：根據最小割集或最小徑集計算各基本事件的結構重要度。

定量分析：查閱資料確定各基本事件的發(fā)生概率，根據邏輯關系列出等式，計算事故樹頂上事件發(fā)生概率，并將計算出來的頂上事件發(fā)生概率與通過大數據統(tǒng)計分析得出的事故發(fā)生概率進行比較。

2 高校實驗室火災風險事故樹分析

2.1 構建實驗室火災事故樹模型

首先,明確事故樹的頂上事件，既確定此次研究的事故事件，且這個事故頻繁發(fā)生，產生的成本代價巨大。然后，尋找與頂上事件相關的關聯事件。根據安全系統(tǒng)學相關理論，可知大學實驗室面臨的首要危險因素有：人的不安全行為、物的不安全狀態(tài)、管理因素三個基本層次[4]。再結合4M1E分析法[5](4M是指Man(人身),Machine(機器設備)，Material(相關物質材料),Method(模式和方法),1E是指Environments(周圍環(huán)境))全面分析相關文獻和事故調查報告，從“模式和方法、人、機器設備、相關物質材料、周圍環(huán)境”對大學實驗室火災事故的相關資料得出底層事件。最后，編制事故樹。把相關數據輸入事故樹繪制軟件EasyDraw進行處理，該軟件自動繪制大學實驗室火災事故樹；事故樹中各個事件之間的層級關系由查閱相關資料和專家訪談方式得到。

圖1 實驗室火災事故樹

根據圖1所示事故樹構建高校實驗室火災事故事件說明表，如表1所示。

2.2 事故樹分析

2.2.1 最小割集與最小徑集

事故樹分析中首要步驟是計算最小割集，并根據割集計算最小徑集。割集是可以導致頂部事件發(fā)生的所有事故事件的集成，最小割集是引起頂上事件發(fā)生的最小限度割集，最小割集限度越少，系統(tǒng)有風險的可能性越低。最小徑集即頂層事件不會發(fā)生所需的最小限度徑集。

表1 高校實驗室火災事故事件說明表

分析事故樹使用布爾代數法求解。

T=M1×M2×M3

=(M3+M4)×(M5+M6)×(M7+M8)

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

(1)

由式(1)得出割集數量為60，最小割集如下：

{X1,X7,X13,X14}、{X4,X7,X13,X14}、{X1,X10,X13,X14}、{X4,X10,X13,X14}、{X1,X7,X15,X16}、{X4,X7,X15,X16}、{X1,X10,X15,X16}、{X4,X10,X15,X16}、{X2,X7,X13,X14}、{X3,X7,X13,X14}、{X2,X10,X13,X14}、{X3,X10,X13,X14}、{X2,X7,X15,X16}、{X3,X7,X15,X16}、{X2,X10,X15,X16}、{X3,X10,X15,X16}、{X5,X7,X13,X14}、{X6,X7,X13,X14}、{X5,X10,X13,X14}、{X6,X10,X13,X14}、{X5,X7,X15,X16}、{X6,X7,X15,X16}、{X5,X10,X15,X16}、{X6,X10,X15,X16}、{X1,X8,X9,X13,X14}、{X4,X8,X9,X13,X14}、{X1,X8,X9,X15,X16}、{X4,X8,X9,X15,X16}、{X2,X8,X9,X13,X14}、{X3,X8,X9,X13,X14}、{X2,X8,X9,X15,X16}、{X3,X8,X9,X15,X16}、{X5,X8,X9,X13,X14}、{X6,X8,X9,X13,X14}、{X5,X8,X9,X15,X16}、{X6,X8,X9,X15,X16}、{X1,X11,X13,X14}、{X1,X12,X13,X14}、{X4,X11,X13,X14}、{X4,X12,X13,X14}、{X1,X11,X15,X16}、{X1,X12,X15,X16}、{X4,X11,X15,X16}、{X4,X12,X15,X16}、{X2,X11,X13,X14}、{X2,X12,X13,X14}、{X3,X11,X13,X14}、{X3,X12,X13,X14}、{X2,X11,X15,X16}、{X2,X12,X15,X16}、{X3,X11,X15,X16}、{X3,X12,X15,X16}、{X5,X11,X13,X14}、{X5,X12,X13,X14}、{X6,X11,X13,X14}、{X6,X12,X13,X14}、{X5,X11,X15,X16}、{X5,X12,X15,X16}、{X6,X11,X15,X16}、{X6,X12,X15,X16}。

利用對偶法可得最小徑集，徑集數量為7。{X1,X2,X3,X4,X5,X6}、{X7,X8,X10,X11,X12}、{X13,X15}、{X7,X9,X10,X11,X12}、{X14,X15}、{X13,X16}、{X14,X16}。

計算結果表明高校實驗室火災的最小割集為60個，最小徑集為7個；根據最小割集和最小徑集的定義，可以清晰表明造成該事故樹頂層事件發(fā)生的途徑有60種，只要最小割集里的事件一起發(fā)生，頂層事件一定發(fā)生，這對掌握事故發(fā)生的規(guī)律，找出潛在事故模式具有重要意義，也為事故的預防措施提供了依據。從求出的最小徑集可知，頂層事件不發(fā)生有7種可能方案，任何一組不發(fā)生，頂層事件就不會發(fā)生；根據選取途徑的要求，可知{X13,X15}、{X14,X15}、{X13,X16}、{X14,X16}最省時、經濟。

2.2.2 結構重要度分析

造成一件事情的發(fā)生原因有很多，一般會根據原因的輕重緩急來采取相應措施，后果比較嚴重且迫在眉睫的事情會優(yōu)先處理，因此在事故樹分析中，會優(yōu)先考慮對頂層事件影響重大的底層事件。

結構重要度分析是利用事件之間的邏輯關系，從事故樹整體結構上計算各底層事件在頂層事件發(fā)生中的重要程度大小。在事故樹分析方法中，結構重要度的計算可采用最小割集或最小徑集計算法；經過最小割集和徑集的計算后還不能確定對頂上事件的重要度時，再采用公式計算法計算結構重要度，最后進行定性分析。按照結構重要度的數值大小對基本事件進行排序。

重要度分析在實驗室制定安全措施中十分重要；重要度的理念可以標出某個基本事件對頂層事件發(fā)生的影響概率大小，用于尋找出實驗室發(fā)生火災的首要原因，通過這些原因才能提出具體的預防措施。底層事件的位置決定了其在整個事故分析系統(tǒng)的結構重要性，在事故樹結構中底層事件的位置不同，其對頂層事件的影響程度也會不同[6]，底層事件在最小割集中出現的具體情況可以清晰地表明其重要性。

(1)最小割集中出現的底層事件數量越少，其對頂層事件影響程度越大，結構重要度越大；

(2)在所有最小割集中，底層事件出現頻率較大的，其結構重要度越大。

當最小割集和最小徑集不能估計出結構重要度時，可按(2)式計算第i個底層事件的結構重要度。

(2)

式中：k為最小割集總數；kj為第j個最小割集；nj為第kj個最小割集的基本事件數。

由式(2)得高校實驗室火災各基本事件結構重要度值的大小。

I[X1]=0.69799997，I[X2]=0.69799997，

I[X3]=0.69799997，I[X4]=0.69799997，

I[X5]=0.69799997，I[X6]=0.69799997，

I[X7]=0.79858276，I[X8]=0.53904841，

I[X9]=0.53904841，I[X10]=0.79858276，

I[X11]=0.79858276，I[X12]=0.79858276，

I[X13]=0.97245638，I[X14]=0.97245638，

I[X15]=0.97245638，I[X16]=0.97245638，

高校實驗室火災各基本事件結構重要度值的比較：

I[X13]=I[X14]=I[X15]=I[X16]>I[X7]=I[X10]=I[X11]=I[X12]>I[X1]=I[X2]=I[X3]=I[X4]=I[X5]=I[X6]>I[X8]=I[X9]

分析結果表明，事件X13、X14、X15、X16的結構重要程度最大，X7、X10、X11、X12的結構重要度次之，X1、X2、X3、X4、X5、X6的結構重要度最小，所以本事件最重要的因素的是管理因素和人的不安全行為因素。采取措施對其中的風險因素進行控制和消除，如加強教師職責管理，實驗過程中全程監(jiān)控，對實驗人員操作前的注意事項教育，禁止相關人員吸煙、定期檢查實驗設備等。

3 措施方案

采用事故樹方法，可以提前發(fā)現一些潛在危險因素，并采取最有效的措施避免事故的發(fā)生，為實驗室火災檢測系統(tǒng)的開發(fā)提供依據。根據前文分析可以提出以下幾點措施。

(1)實驗室規(guī)劃階段可建立大學實驗室火災事故的事故樹結構，分析發(fā)生實驗室火災爆炸事故的基本原因，并由這些原因提出具體實行方法進行預防；

(2)實驗設施做到實驗前必須檢查完整性，定期進行全面檢修，并加強實驗室人員的管理；

(3)大學實驗室必須建立完整的消防安全體制系統(tǒng)，并按照規(guī)章制度進行安全管理。各高校應根據學校自身的實際情況，結合相關安全工作知識規(guī)定，建立完整的實驗室安全規(guī)章制度，通過合理的規(guī)則、條例以及處罰來標準化每個實驗人的行為。

4 結束語

通過分析實驗室發(fā)生火災爆炸的可能原因，構建事故樹，事故樹的最小割集數量多，最小徑集數量少，說明此事故容易發(fā)生，同時預防的途徑比較少。

根據對每個底層事件的整體分析，分析出實驗室火災事故的首要因素為管理因素，說明在預防實驗室火災中首要關注的是對管理方面的加強。

第二因素為人的不安全行為，這意味著實驗室防火防爆安全管理中需要加強對實驗人員的操作培訓。如果提出有效措施預防以上因素，將會大大提高實驗室的系統(tǒng)安全性。

第三因素為物的不穩(wěn)定狀態(tài)，這些因素必須通過加強管理來進行控制。