基于相似安全系統(tǒng)學(xué)的高校實驗室爆炸事故分析及防控

陽富強，邱東陽

(福州大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，福建 福州 350116)

實驗室是高校開展科研教學(xué)、培養(yǎng)實踐創(chuàng)新型人才的重要平臺[1-2]，其發(fā)揮的職能日益突出。高校實驗室具有操作頻繁、人員流動性大等特點[3]，且內(nèi)部存放有易燃、易爆、易揮發(fā)等化學(xué)藥品，同時配備高溫、高壓、強磁、攪拌、震動等大量教學(xué)和科研用儀器與設(shè)備[4]，一旦出現(xiàn)管理疏忽將會引發(fā)火災(zāi)爆炸事故，導(dǎo)致實驗教學(xué)活動無法正常開展，甚至造成重大的財產(chǎn)損失和人員傷亡。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計，2001—2013年我國高校、科研院所、企業(yè)實驗室發(fā)生的100起實驗室安全事故中，爆炸事故類型占比達44%[5]。2001—2016年我國高校實驗室共發(fā)生爆炸事故50起，造成傷亡人數(shù)達79人，平均每起事故導(dǎo)致的傷亡人數(shù)為1.58人[6]。2018年12月26日，北京交通大學(xué)市政與環(huán)境工程實驗室發(fā)生爆炸事故，造成3名學(xué)生死亡，更是引起了社會的高度關(guān)注。

根據(jù)海因里希事故致因理論，事故是具有因果關(guān)系的一系列事件依次發(fā)生的結(jié)果，人的不安全行為和物的不安全狀態(tài)是引發(fā)事故發(fā)生的主要原因[7]。然而，導(dǎo)致事故發(fā)生的前因后果所賦存的系統(tǒng)可發(fā)現(xiàn)許多相似之處，因此部分學(xué)者應(yīng)用相似安全系統(tǒng)學(xué)原理分析了煤礦瓦斯爆炸事故[8]、企業(yè)特別重大火災(zāi)爆炸事故[9]，為預(yù)防類似事故的發(fā)生提供指導(dǎo)?；诖耍迩鍖嶒炇冶ㄊ鹿拾l(fā)生的一般機理，總結(jié)事故發(fā)生的原因，并運用安全系統(tǒng)工程、相似安全系統(tǒng)學(xué)的思維和方法對高校實驗室典型爆炸事故案例進行全面分析，從中汲取事故教訓(xùn)進而提出防控措施，是避免此類事故發(fā)生的有效途徑，這對于促進高校實驗室平安運行、保障校園安全具有重要的意義。

1 高校實驗室爆炸事故的原因分析

1. 1 高校實驗室爆炸事故發(fā)生的機理

實驗室內(nèi)易燃、易爆物質(zhì)瞬間發(fā)生急劇的物理或化學(xué)變化，同時釋放出大量能量，并伴隨強烈的沖擊波、高溫、高壓和震動效應(yīng)等現(xiàn)象，由此造成人員傷亡或物體破壞，均可歸納為實驗室爆炸事故。高校實驗室爆炸事故的發(fā)生通常表現(xiàn)出突發(fā)性、復(fù)雜性、破壞性等特點，而引發(fā)爆炸事故發(fā)生的3個必要條件為易爆品、氧氣、點火源。高校廣大師生在實驗室內(nèi)開展各類教學(xué)與科研活動時，由于實驗方案、操作步驟、安全注意事項等可能存在一定的問題，加上對潛在的危險爆炸因素難以判斷和預(yù)測，使得實驗室爆炸事故具有突發(fā)性。同時，實驗室內(nèi)受人為、環(huán)境、設(shè)備和管理等多種因素的影響，各因素間相互作用，產(chǎn)生耦合效應(yīng)，很難明確實驗室爆炸事故發(fā)生的具體原因，導(dǎo)致事故的演變過程極其復(fù)雜。而實驗室內(nèi)一旦發(fā)生爆炸，能量將在瞬間釋放，對科研人員和周邊物體會產(chǎn)生巨大的沖擊力，且高溫可迅速點燃周邊的可燃物品而引發(fā)火災(zāi)，具有巨大的破壞性。因此，高校實驗室爆炸帶來的危害不可估量，需找出具體的原因并對其加以防范。

1. 2 高校實驗室爆炸事故原因的識別

采用德爾菲訪談法，設(shè)定“實驗室爆炸事故原因”為主題，以某高校資產(chǎn)管理處、保衛(wèi)處、科技處、實驗中心等部門的實驗室安全主管人員為征詢對象，讓相關(guān)人員從引發(fā)爆炸事故發(fā)生的3個必要條件，對可能導(dǎo)致高校實驗室爆炸事故發(fā)生的原因進行系統(tǒng)分析，羅列出可能導(dǎo)致實驗室爆炸事故的原因清單。研究人員與征詢對象經(jīng)過多次互動、匯總和分析，可將高校實驗室爆炸事故發(fā)生的主要原因歸納為人的不安全行為、物的不安全狀態(tài)、環(huán)境的不良狀態(tài)、管理規(guī)章制度不完善4大類，共24種導(dǎo)致實驗室爆炸事故的原因清單，其主要原因及其具體表現(xiàn)形式見表1。

表1 高校實驗室爆炸事故發(fā)生的原因及其具體表現(xiàn)形式

針對高校實驗室爆炸事故發(fā)生的原因及其具體表現(xiàn)形式，在日常實驗室安全管理工作中，從多個不同角度開展爆炸事故的防治尤為重要。

2 高校實驗室典型爆炸事故案例分析

高校實驗室安全系統(tǒng)受人、機、環(huán)、管等多個因素的影響，其爆炸事故的發(fā)生是極為復(fù)雜的，因此可采用安全系統(tǒng)工程的方法對高校實驗室爆炸事故進行全面分析。事故樹分析方法在安全系統(tǒng)工程中的應(yīng)用較為廣泛，該方法將系統(tǒng)內(nèi)可能發(fā)生的某種事故作為頂上事件，分析導(dǎo)致事故發(fā)生的各基本事件及其原因，并利用樹形圖來表示各原因之間的邏輯關(guān)系[10]。通過對事故樹進行定性和定量分析，能清晰、直觀地反映導(dǎo)致事故發(fā)生的主要原因，并預(yù)測事故發(fā)生的概率，為安全決策提供依據(jù)。相似安全系統(tǒng)學(xué)原理[11-12]近年由吳超等創(chuàng)建，它是以安全為著眼點來研究相似系統(tǒng)的一般規(guī)律，可用來描述、解釋、指導(dǎo)和啟示類似事故。因此，本文基于事故樹分析找出高校實驗室爆炸事故發(fā)生的基本原因事件，并根據(jù)相似安全系統(tǒng)學(xué)理論探究事故系統(tǒng)間相似特性產(chǎn)生的原因，為預(yù)防類似事故的發(fā)生提供思路。

2. 1 高校實驗室典型爆炸事故案例

本文選取高校實驗室兩起典型爆炸事故案例進行分析。

案例1：中國礦業(yè)大學(xué)“4·5”爆炸事故。2015年4月5日12時40分左右，中國礦業(yè)大學(xué)化工學(xué)院實驗室甲烷混合氣體實驗氣瓶突然發(fā)生爆炸，現(xiàn)場4名學(xué)生受傷，1名學(xué)生搶救無效死亡，直接經(jīng)濟損失約200萬元人民幣。

案例2：北京交通大學(xué)“12·26”較大爆炸事故。2018年12月26日，北京交通大學(xué)市政與環(huán)境工程實驗室發(fā)生爆炸燃燒，9時33分21秒模型室出現(xiàn)顏色發(fā)白的強光為氫氣爆炸，9時33分25秒模型室出現(xiàn)顏色泛紅的強光為鎂粉爆炸，現(xiàn)場3名學(xué)生被燒死。

2. 2 高校實驗室典型爆炸事故案例的事故樹分析

高校實驗室典型爆炸事故案例的事故樹分析的基本步驟為：首先將實驗室看做一個系統(tǒng)，確定頂上事件；然后根據(jù)兩起典型爆炸事故案例的事故調(diào)查報告[13-14]，找出導(dǎo)致頂上事件發(fā)生的所有基本原因事件，分析各基本原因事件的邏輯關(guān)系，并運用樹形圖和邏輯符號繪制出事故樹；最后對事故樹進行定性和定量分析，提出改進措施。

將實驗室爆炸事故作為頂上事件，以氧氣、易爆品、點火源3個爆炸發(fā)生的必要條件為著眼點，按照上述步驟構(gòu)建兩起典型爆炸事故案例的事故樹，見圖1和圖2。其中，案例1共有基本原因事件10個；案例2共有基本原因事件11個。頂上事件的邏輯結(jié)構(gòu)式簡化后分別如下：

圖1 北京交通大學(xué)“12·26”較大爆炸事故案例的事故樹Fig.1 Fault tree of “12·26” explosion accident in Beijing Jiaotong University

圖2 中國礦業(yè)大學(xué)“4·5”爆炸事故案例的事故樹Fig.2 Fault tree of “4·5” explosion accident in China University of Mining and Technology

T1=X1M1M2=X1X2X3X4X10+X1X2X3X4X9+X1X2X5X10+X1X2X5X9+X1X2X6X10+X1X2X6X9+X1X2X7X10+X1X2X7X9+X1X2X8X10+X1X2X8X9

T2=X1M1M2=X1X2X3X5X6X7X8X10+X1X2X3X5X6X7X8X11+X1X2X3X5X6X7X9+X1X2X4X5X6X7X8X10+X1X2X4X5X6X7X8X11+X1X2X4X5X6X7X9

事故樹的最小割集是指引起頂上事件發(fā)生的最少基本事件組合。事故樹T1最小割集有10個基本事件組合，分別為{X1，X2，X3，X4，X10}、{X1，X2，X3，X4，X9}、{X1，X2，X5，X10}、{X1，X2，X5，X9}、{X1，X2，X6，X10}、{X1，X2，X6，X9}、{X1，X2，X7，X10}、{X1，X2，X7，X9}、{X1，X2，X8，X10}、{X1，X2，X8，X9}；事故樹T2最小割集有6個基本事件組合，分別為{X1，X2，X3，X5，X6，X7，X8，X10}、{X1，X2，X3，X5，X6，X7，X8，X11}、{X1，X2，X3，X5，X6，X7，X9}、{X1，X2，X4，X5，X6，X7，X8，X10}、{X1，X2，X4，X5，X6，X7，X8，X11}、{X1，X2，X4，X5，X6，X7，X9}。

事故樹的最小徑集是指不引起頂上事件發(fā)生的最少基本事件組合，T1、T2事故樹的最小徑集結(jié)構(gòu)表達式分別如下：

T1事故樹的最小徑集有5個基本事件組合，分別為{X1}、{X2}、{X3，X5，X6，X7，X8}、{X4，X5，X6，X7，X8}、{X9，X10}；T2事故樹的最小徑集有8個基本事件組合，分別為{X1}、{X2}、{X5}、{X6}、{X7}、{X3，X4}、{X8，X9}、{X9，X10，X11}。設(shè)事故樹中最小徑集各基本事件的結(jié)構(gòu)重要度系數(shù)為I(Xi)，分別計算兩起典型爆炸事故案例事故樹中最小徑集各基本事件的結(jié)構(gòu)重要度系數(shù)并排序。

T1事故樹中最小徑集各基本事件的結(jié)構(gòu)重要度系數(shù)如下：

I(X1)=I(X2)=1；

I(X9)=I(X10)=1/2；

I(X5)=I(X6)=I(X7)=I(X8)

=1-(1-1/25-1)(1-1/25-1)

=31/256；

I(X3)=I(X4)=1-(1-1/25-1)=1/16。

按大小排序為：I(X1)=I(X2)>I(X9)=I(X10)>I(X5)=I(X6)=I(X7)=I(X8)>I(X3)=I(X4)。

T2事故樹中最小徑集各基本事件的結(jié)構(gòu)重要度系數(shù)如下：

I(X1)=I(X2)=I(X5)=I(X6)=I(X7)=1；

I(X9)=1-(1-1/22-1)(1-1/23-1)=5/8；

I(X3)=I(X4)=I(X8)=1-(1-1/22-1)=1/2；

I(X10)=I(X11)=1-(1-1/23-1)=1/4。

按大小排序為：I(X1)=I(X2)=I(X5)=I(X6)=I(X7)>I(X9)>I(X3)=I(X4)=I(X8)>I(X10)=I(X11)。

實際實驗過程中氧氣對頂上事件的作用不可調(diào)控，且不考慮各基本事件實際發(fā)生的概率，通過對事故樹中最小徑集各基本事件的結(jié)構(gòu)重要度系數(shù)分析可知：

(1) 在案例1中，未配備安全防護裝置X2對頂上事件發(fā)生的作用最大；其次為轉(zhuǎn)軸蓋片與護筒摩擦X9、轉(zhuǎn)軸蓋片與護筒碰撞X10產(chǎn)生的點火源，未告知實驗危險性X5、違規(guī)使用教學(xué)實驗室X6、實驗未開展風(fēng)險評估X7、產(chǎn)生氫氣、熱量和鎂粉X8；再次為未登記易致爆危險品X3、實驗室內(nèi)存放大量鎂粉X4?？梢姡诙啻螌嶒炃叭裟馨l(fā)現(xiàn)攪拌機存在的缺陷，并能及時采取有效的安全防護措施，是阻止本起事故發(fā)生的重要途徑。

(2) 在案例2中，實驗未按規(guī)定上報審批備案X2、未檢測氣瓶壓力表X5、氣瓶壓力表精度存在誤差X6、實驗人員存在僥幸心理X7對頂上事件發(fā)生的作用最大；其次為使用超期氣瓶X9；再次為氣流快速流出引起摩擦X3、氣流快速流出引起靜電X4、隨意購進存放易爆氣瓶X8；最后為隨意改變氣瓶介質(zhì)X10、直接瓶對瓶導(dǎo)氣X11?？梢姡粼搶嶒灠匆?guī)定上報審批備案并在安全條件下進行，實驗人員不抱有僥幸心理、不使用超期氣瓶，且配置完甲烷混合氣體后能檢測氣瓶壓力表，及時判斷甲烷濃度是否在爆炸極限范圍內(nèi)，是阻止本起事故發(fā)生的重要途徑。

2.3 高校實驗室典型爆炸事故的相似安全系統(tǒng)學(xué)分析

按照相似安全系統(tǒng)學(xué)原理分析事故的一般步驟[9,15]，首先將兩起案例的事故系統(tǒng)劃分為人、物、環(huán)、管4個子系統(tǒng)；然后識別兩起案例事故系統(tǒng)各子系統(tǒng)中的相似元素，并計算案例事故相似子系統(tǒng)和相似系統(tǒng)的相似度；最后提出控制措施，消除引發(fā)事故的相似元素。通過對兩起案例事故的事故樹分析得到的各個基本原因事件，本文運用相似安全系統(tǒng)學(xué)原理按上述步驟進行分析，建立了兩起案例事故相似系統(tǒng)，見圖3。

圖3 兩起案例事故的相似系統(tǒng)Fig.3 Similar system of two accidents

相似度是指系統(tǒng)組成單元或系統(tǒng)整體特性的相似程度。相似度可采用相似特征值和相似元素數(shù)目進行求解[16]。由于案例1、案例2相似系統(tǒng)中相似元素的特征值難以衡量，因此本文采用相似元素數(shù)量上的相似程度來計算相似度。設(shè)案例1事故系統(tǒng)為A集合、案例2事故系統(tǒng)為B集合，若A集合中人子系統(tǒng)中有x個元素，B集合中人子系統(tǒng)中有y個元素，兩個集合中人子系統(tǒng)共有z個相似元素，qi表示相似子系統(tǒng)的相似度，則人相似子系統(tǒng)相似度的計算公式為

(1)

式中,x、y值根據(jù)兩起案例事故系統(tǒng)各子系統(tǒng)分別存在的致因因素個數(shù)確定；z值根據(jù)對A、B集合中各子系統(tǒng)致因因素的相似特征進行識別來確定。以人相似子系統(tǒng)為例，圖3中兩起案例事故的人子系統(tǒng)中均有4個事故致因因素，經(jīng)識別實驗未備案、違規(guī)使用實驗室、違規(guī)實驗操作等存在相似特征，最終辨識相似因素共3個，依據(jù)公式(1)計算得到人相似子系統(tǒng)的相似度為0.6。按照上述元素數(shù)目計算相似度的方法，依次可計算出兩起案例事故的物、環(huán)境、管理相似子系統(tǒng)的相似度。

由于各相似子系統(tǒng)對系統(tǒng)的影響程度不一樣，因此可運用層次分析法[17]計算各相似子系統(tǒng)的權(quán)重系數(shù)Wi。首先邀請專家分別對人、物、環(huán)境、管理兩兩比較打分，并建立判斷矩陣；然后將得到的判斷矩陣采用方根法進行權(quán)重計算，并通過一致性檢驗；最后確定各相似子系統(tǒng)的權(quán)重系數(shù)Wi。

通過對各相似子系統(tǒng)的相似度加權(quán)求和，可計算事故系統(tǒng)A與B的相似度QA～B,具體計算公式為

(2)

根據(jù)上述確定各參數(shù)的方法，可計算兩起案例事故的各相似子系統(tǒng)和相似系統(tǒng)的相似度，具體計算結(jié)果見表2。

表2 兩起案例事故的相似子系統(tǒng)和相似系統(tǒng)的相似度

從事故致因的相似數(shù)量上來看，兩起案例事故系統(tǒng)的相似度為0.626 5，表明兩起典型爆炸事故的致災(zāi)要素存在共同原因。其中，環(huán)境子系統(tǒng)的相似度為1，兩起案例事故均存在實驗室內(nèi)存放有大量危化品的情況；物子系統(tǒng)的相似度為0.67，兩起案例事故物的不安全狀態(tài)如實驗過程中產(chǎn)生的大量氫氣和鎂粉等、攪拌機缺陷產(chǎn)生的火花點、甲烷濃度達到爆炸極限、氣流快速流出氣瓶引起的摩擦產(chǎn)生熱能等是引發(fā)爆炸事故的直接原因；人子系統(tǒng)的相似度為0.60，兩起案例事故人的不安全行為如違規(guī)實驗、違規(guī)使用實驗室、實驗未按規(guī)定上報審批備案等是引發(fā)爆炸事故的間接原因；管理子系統(tǒng)的相似度為0.50，兩起案例事故均存在實驗室安全監(jiān)管不到位、實驗室安全教育培訓(xùn)不足等問題。

3 高校實驗室爆炸事故的防控措施

通過對高校實驗室兩起典型爆炸事故案例運用安全系統(tǒng)工程、相似安全系統(tǒng)學(xué)的思維和方法進行分析，發(fā)現(xiàn)兩起案例事故系統(tǒng)在人、物、環(huán)境、管理子系統(tǒng)均存在有共同的缺陷，據(jù)此本文針對高校實驗室爆炸事故的防控，提出了如下具體的防控措施。

(1) 落實實驗室安全系統(tǒng)化管理。加大對存放有危化品的實驗室的基礎(chǔ)建設(shè)投入；進一步建立健全實驗室科研試驗操作、實驗室安全檢查、實驗室安全防護用品配置、實驗室應(yīng)急管理、實驗室崗位安全責(zé)任、實驗室安全獎懲等規(guī)章制度，實現(xiàn)實驗室安全分級分類管理，嚴格落實實驗室安全管理的各項要求；實施實驗室安全管理信息系統(tǒng)化建設(shè)，將實驗全過程關(guān)鍵信息共建共享，推動各部門形成實驗室安全的聯(lián)防聯(lián)控。

(2) 加強科研類實驗工作的安全精準(zhǔn)化管理?？蒲许椖克栉；贰⒃O(shè)備儀器、試驗場地應(yīng)及時備案，安全設(shè)施要做到“三同時”管理；健全風(fēng)險評價體系，對科研項目實驗室工作開展階段性風(fēng)險評價；組建實驗室安全專職管理隊伍，負責(zé)審核科研項目的安全內(nèi)容、實驗室日常管理，并定期對實驗人員開展針對性操作培訓(xùn)、安全培訓(xùn)、應(yīng)急演練、法規(guī)教育，提高事故防控的科學(xué)化、專業(yè)化水平，以實現(xiàn)實驗室安全的精準(zhǔn)化防控。

(3) 深入開展隱患排查與風(fēng)險管控。建立實驗室?；贰⑽ｋU儀器設(shè)備清單，加強統(tǒng)一管理，并不定期開展實驗室隱患排查且督促整改；實驗室安全管理人員應(yīng)摸清危化品底數(shù)，并對危化品的采購、運輸、存儲、使用和處置等全生命周期運行情況進行實時監(jiān)督，嚴格查處違規(guī)行為，同時對危化品、危險儀器設(shè)備設(shè)置安全警示標(biāo)識；實時更新應(yīng)急處理規(guī)范，提升實驗室的整體預(yù)控能力。

4 結(jié) 論

(1) 從引發(fā)爆炸事故發(fā)生的3個要素為著眼點，分析了高校實驗室爆炸事故發(fā)生的機理及其特征，并采用德爾菲訪談法，得到導(dǎo)致高校實驗室發(fā)生爆炸事故的4大主要原因為人的不安全行為、物的不安全狀態(tài)、環(huán)境的不良狀態(tài)、管理規(guī)章制度不完善，共24種導(dǎo)致高校實驗室爆炸事故的原因清單。

(2) 選取北京交通大學(xué)“12·26”較大爆炸事故、中國礦業(yè)大學(xué)“4·5”爆炸事故兩起案例進行事故樹分析，將事故發(fā)生過程進行邏輯演繹，結(jié)果表明：北京交通大學(xué)“12·26”較大爆炸事故案例有10個基本原因事件、10個最小割集、5個最小徑集；中國礦業(yè)大學(xué)“4·5”爆炸事故案例有11個基本原因事件、6個最小割集、8個最小徑集。通過計算出兩起案例事故基本原因事件的結(jié)構(gòu)重要度并進行排序，指出了阻止頂上事件發(fā)生的重要途徑。

(3) 根據(jù)兩起案例事故的事故樹分析得到的各個基本原因事件，運用相似安全系統(tǒng)學(xué)原理進行分析，建立了兩起案例事故的相似系統(tǒng)，并計算出兩起案例事故系統(tǒng)的相似度為0.626 5，環(huán)境子系統(tǒng)的相似度為1，物子系統(tǒng)的相似度為0.67，人子系統(tǒng)的相似度為0.60，管理子系統(tǒng)的相似度為0.50。為了避免類似實驗室爆炸事故的發(fā)生，從實驗室安全系統(tǒng)

化管理、科研類實驗工作的安全精準(zhǔn)化管理、隱患排查與風(fēng)險管控等方面提出了有針對性的防控措施。