基于系統(tǒng)理論的新事故樹編制研究*

杜姍 譚欽文,2 段正肖 成春節(jié) 章少康 陳群 邱宇

(1.西南科技大學環(huán)境與資源學院 四川綿陽 621010； 2.西南科技大學非煤礦山安全技術(shù)四川省高等學校重點實驗室 四川綿陽 621010； 3.四川輕化工大學化學與環(huán)境工程學院 四川自貢 643000)

0 引言

事故樹分析法廣泛應用于企業(yè)安全管理和安全評價工作[1-3]，但實際運用中，人們對系統(tǒng)缺少規(guī)范的認識和分析方式，無法快速有效地確定頂事件、展開中間事件和基本事件，從而不能快速有效地編制事故樹。

針對上述難題，在系統(tǒng)剖析事故樹結(jié)構(gòu)特征基礎(chǔ)上，根據(jù)系統(tǒng)的空間、功能特點及行業(yè)背景，利用霍爾三維理論、人-物-環(huán)境-管理分塊理論，總結(jié)出一種事故樹的快速編制方法。

1 事故樹概述及結(jié)構(gòu)特征

1.1 事故樹概述

事故樹分析(Fault Tree Analysis，簡稱FTA)方法起源于故障樹分析，是安全系統(tǒng)工程的重要分析方法之一，作為一種非常重要的分析方法被廣泛采用。它是運用邏輯推理對各種系統(tǒng)的危險性進行辨識和評價，不僅能分析出事故的直接原因，而且能深入地揭示出事故的潛在原因。

1.2 事故樹結(jié)構(gòu)特征

根據(jù)事故樹的組成要素，利用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)層級性特征和系統(tǒng)分解綜合原理，可以得出任何一棵正規(guī)化的事故樹，即從結(jié)構(gòu)上都是由事件和邏輯門組成。由于正規(guī)事故樹的邏輯門只有“與”、“或”兩種方式，因此，一棵正規(guī)事故樹的結(jié)構(gòu)形式如圖1。

2 事故樹繪制模式研究

事故樹是以人們從結(jié)果推斷可能原因的思維方法為基礎(chǔ)而發(fā)展起來的分析方法，只抓住一個特殊的事故進行原因分析，由頂事件、中間事件、基本事件通過邏輯門聯(lián)系組合而成。因此事故樹的編制可分為3步：頂事件確定，中間事件和基本事件的展開，事故樹繪制。不論這一事故是否真正發(fā)生, 通過一整套科學有效的方法找出對事故發(fā)生起作用的最基本原因(基本事件),即可實現(xiàn)對引發(fā)事故的各種基本原因進行分析。

(a)“與門”展開型 (b)“或門”展開型圖1 正常事故樹結(jié)構(gòu)

2.1 認識系統(tǒng)

編制事故樹需要了解整個研究系統(tǒng)。美國貝爾電話公司工程師霍爾提出了系統(tǒng)工程的三維結(jié)構(gòu)模型，即“時間維”、“邏輯維”、“專業(yè)維”的三維認識論。霍爾三維模型是從工程實施的角度出發(fā)的，宏觀、動態(tài)、立體、系統(tǒng)地認識一項工程從無到有的過程[4-6]。

霍爾三維模型側(cè)重于解決大型復雜系統(tǒng)的規(guī)劃、組織、管理問題，而對于分析事故發(fā)生原因的問題不夠細致具體。從模擬事故發(fā)生過程角度解析，探討空間環(huán)節(jié)和功能性操作更具有實際操作意義，基于此提出“空間維”、“功能維”的定向認識方法。

“空間維”是利用空間邏輯關(guān)系去認識一個系統(tǒng)，按區(qū)域分割系統(tǒng)，形成空間子系統(tǒng)。“功能維”是從功能的角度去認識系統(tǒng)，根據(jù)系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)的功能去分割系統(tǒng)形成功能子系統(tǒng)。通過“空間維”、“功能維”的角度切割系統(tǒng)，再細致分析系統(tǒng)組成。

在完成系統(tǒng)切割和認識系統(tǒng)組成的基礎(chǔ)上，按照《生產(chǎn)過程危險和有害因素分類與代碼》(GB/T 13861—2009)中有害因素的分類角度即“人、物、環(huán)境、管理”[7]的角度去認識各個切割后的子系統(tǒng)，掌握系統(tǒng)的構(gòu)成，為事故樹編制提供素材。

2.2 確定頂事件

在認識系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，可通過系統(tǒng)分析方法確定頂事件。常用的系統(tǒng)分析確定法有：事件樹分析確定法、預先危險性分析確定法、故障類型及影響分析確定法、危險與可操作性分析確定法等。這些分析方法在研究理論上易于確定事故樹頂上事件，而對于實際分析人員來說其分析方法不免繁瑣。為解決這一問題，提出一種更加便捷的方法，即定性事故分析法。

介紹定性事故分析法，需要先了解《企業(yè)職工傷亡事故分類標準》(GB 6441—86)[8]中明確規(guī)定的20種典型事故，因此確定頂事件時可結(jié)合事故發(fā)生特點，選取符合的典型事故做頂事件。

以建筑施工企業(yè)為例，高處墜落、物體打擊、機械傷害、坍塌和觸電等“五大傷害”造成的死亡人數(shù)占建筑行業(yè)全部事故死亡人數(shù)的90%以上。因此，在對建筑施工企業(yè)進行事故樹分析時，這種定性事故分析法目標明確，符合行業(yè)事故特點而且操作性強，是一種快速有效的頂事件確定方法。

2.3 中間事件和基本事件的展開

中間事件展開和基本事件確定的方法，是通過調(diào)查分析得出與頂上事件相關(guān)的原因事件及其邏輯關(guān)系，從而展開中間事件和確定基本事件。事故樹分析法在分析中間事件時往往采用的是頭腦風暴，中間事件沒有明確的展開方式，而讓人容易忽略的是，一般事故樹皆是由“或門”和“與門”兩種基本邏輯門連接組合而成。利用這一邏輯結(jié)構(gòu)，提出“或門”展開型和“與門”展開型兩種邏輯分析展開方法[9]，實現(xiàn)事故樹的編制。

2.3.1 “或門”展開型

根據(jù)擬分析對象事件的性質(zhì)、功能或結(jié)構(gòu)，選取恰當?shù)姆诸悳蕜t得到擬分析對象的調(diào)查結(jié)果(即對象的分類結(jié)果)，將這些分類結(jié)果事件用“或門”連接。

以某企業(yè)火災事故分析為例，當確定“企業(yè)火災事故”為分析對象時，可選取功能區(qū)分類準則進行調(diào)查，根據(jù)調(diào)查結(jié)果，將其歸類為“辦公區(qū)火災”、“生產(chǎn)區(qū)火災”、“倉儲區(qū)火災”和“生活區(qū)火災”4大類型，用“或門”連接，展開結(jié)果如圖2所示。

圖2 按功能區(qū)分區(qū)準則展開事故樹

火災的分類方式有很多，根據(jù)需求選擇其他分類標準得到不同的分類結(jié)果。再如，當根據(jù)《火災分類》(GB/T 4968—2008)，以可燃物的類型和燃燒特性按ABCDEF等6大類型的分類準則展開調(diào)查時，可得到該企業(yè)火災類型[10]，將得到的該企業(yè)存在的火災類型按“或門”展開，結(jié)果如圖3所示。

圖3 按可燃物的類型展開的事故樹

2.3.2 “與門”展開型

根據(jù)擬展開對象的性質(zhì)，分析事故發(fā)生機理，進行事故發(fā)生“充要條件”調(diào)查，將這些“充要條件”用“與門”連接。

如某具體火災可以根據(jù)火災發(fā)生的機理進行調(diào)查，把火災發(fā)生的“充要條件”歸納為可燃物、點火源和助燃劑3個要素，用“與門”連接。展開結(jié)果如圖4所示。

圖4 按“充要條件”展開的事故樹

“與門”展開型和“或門”展開型是事故樹編制過程中的兩種基本方式，編制事故樹時優(yōu)先選擇“或門”即分類展開，當分析對象無法或沒必要做進一步分類用“或門”展開且必須由多個事件共同作用時，采用“與門”展開。

在此仍以企業(yè)火災事故分析為例。當確定“企業(yè)火災事故”為頂事件后，首先采取功能區(qū)分類原則進行“或門”展開調(diào)查分析。對某個區(qū)域的火災，仍可依據(jù)可燃物的類型和燃燒特性按ABCDEF等6大類型的分類準則展開調(diào)查(以辦公區(qū)火災為例)。假設(shè)辦公區(qū)金屬可燃物沒必要進行分類，則可用“與門”對辦公區(qū)金屬火災展開分析，結(jié)果如圖5。

圖5 辦公區(qū)金屬火災事故樹

2.4 新事故樹編制模式

在完成了認識系統(tǒng)、頂事件確定、中間事件和基本事件展開之后，通過邏輯門連接可得到一棵完整的事故樹圖。由上述分析事故樹各步驟可得新事故樹編制流程如圖6。

3 新事故樹編制實例分析

在煤礦企業(yè)生產(chǎn)中，掘進工作面是安全管理的重點區(qū)域，用新事故樹分析法分析掘進工作面的安全風險[11]。對掘進工作面瓦斯爆炸以“與門”或“或門”展開進行分析，以及編制整個事故樹。

3.1 明確分析目的、判定分析界限及熟悉系統(tǒng)

分析目的是為了判斷掘進工作面存在的風險，因此可利用圖6事故樹編制流程中“空間維”將系統(tǒng)的邊界限定為掘進工作面系統(tǒng)。進而利用人、物、環(huán)境、管理的邏輯調(diào)查分析可知，掘進工作面系統(tǒng)包括作業(yè)人員和管理人員、掘進機械和通風設(shè)備、工作面作業(yè)環(huán)境、掘進工作面的管理工作4個主要方面。

3.2 分析系統(tǒng)風險(事故)，確定頂事件

該環(huán)節(jié)結(jié)合掘進工作面生產(chǎn)工藝和運行管理特征，根據(jù)圖6事故樹編制流程，利用經(jīng)驗法確定頂事件。參照《企業(yè)職工傷亡事故分類標準》辨識可知，該系統(tǒng)主要存在的事故類型有瓦斯爆炸、火藥爆炸、放炮、觸電、冒頂片幫、透水、中毒窒息等事故，都可作為事故樹分析的頂事件。在此，本例選取瓦斯爆炸事故進行分析，頂事件為“掘進工作面瓦斯爆炸事故”(記為T)。

3.3 按“或門”、“與門”展開法對頂事件進行展開

因為掘進工作面的瓦斯爆炸已經(jīng)是具體位置上的具體事故類型，顯然不需要再對其進行分類分析和“或門”展開。在此，可考慮從事故機理和充要條件的角度使用“與門”展開。根據(jù)爆炸三要素機理，必須滿足以下3個充要條件：瓦斯達到爆炸濃度(爆炸性瓦斯)、引火溫度滿足瓦斯爆炸(引爆火源)、有足夠的氧氣。按“與門”展開模式得到該事故的第一層原因事件展開結(jié)果如圖7所示。

圖7 掘進工作面瓦斯爆炸的“與門”事故樹

由圖可知頂事件的第一層中間事件有3個。事件“有足夠的氧氣”可忽略下層事件不再展開，對“爆炸性瓦斯”、“引爆火源”兩個事件在展開的過程中可按先完全展開“爆炸性瓦斯”分支、再展開“引爆火源”的順序進行。

3.3.1 對“爆炸性瓦斯”進行展開

(1)對“爆炸性瓦斯”進行展開

爆炸性瓦斯是由于“瓦斯積聚”并“達到爆炸極限”而形成的，因此可按“與門”展開為“瓦斯積聚”和“達到爆炸極限”作為“爆炸性瓦斯”的下一級中間事件。

(2)對“瓦斯積聚”進行展開

根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗，礦井瓦斯聚集的情形有多種，用情形分類的方式調(diào)查本企業(yè)“瓦斯積聚”的原因可歸結(jié)為以下4種情況：“局部風機斷電停風”導致供風停止致使瓦斯聚集；“局部風機打循環(huán)風”使巷道內(nèi)風流在局部循環(huán)不能有效的給掘進工作面供風導致瓦斯聚集；“瓦斯突出”導致聚集；“串聯(lián)通風”導致供風量不足以沖散瓦斯形成瓦斯聚集。該4種原因任何一種都可造成瓦斯積聚，采用“或門”連接。

造成以上4種情況的原因有很多，其中的3種事件皆有下層原因事件(“瓦斯突出”除外)，可對其進行展開。在此，從人、物、環(huán)境3個方面對上述3種情況展開。

(3)對“局部風機斷電停風”進行展開

在人的方面有“操作人員操作失誤”使風機斷電停風；在風機附屬設(shè)備方面有“輸電線路老化”造成斷路使風機斷電停風；在環(huán)境的方面有“工作環(huán)境潮濕等引起風機短路”導致風機斷電停風。該3種原因任何一種都可造成局部風機斷電，采用“或門”連接。

(4)對“局部風機循環(huán)風”進行展開

在人的方面有“局部風機設(shè)計缺陷”導致風筒與工作面距離設(shè)計錯誤形成循環(huán)風；在機械設(shè)備方面由于“風機風量損失”致使風機打循環(huán)風。這兩種原因任何一種都可造成局部風機打循環(huán)風，采用“或門”連接。

由于造成“風機風量損失”原因有很多，因此，該事件存在下層原因事件。

(5)對事件“風機風量損失”進行展開

在人的方面有“人為操作錯誤”導致風機風量損失；在機械的方面有“風機功能損失”導致風量損失；在環(huán)境方面有“風機工作環(huán)境不良”導致性能風量損失。

(6)對“串聯(lián)通風”進行展開

從人的角度分析有“設(shè)計人員造成通風系統(tǒng)設(shè)計缺陷”、“沒有按要求放置風機”導致風機串聯(lián)通風、“未執(zhí)行試運行操作”導致沒有發(fā)現(xiàn)串聯(lián)通風問題。

3.3.2 對“引爆火源”進行展開

(1)對“引爆火源”進行展開

調(diào)查掘進工作面引爆火源的存在形式可知，主要有以下3種類型：“爆破火源”、“電火花”、“明火”。用“或門”展開，“爆破火源”、“電火花”、“明火”作為“引爆火源”的下一級中間事件。

由于“爆破火源”和“明火”造成原因很多，故都存在下層事件。

(2)對“爆破火源”進行展開

從人的角度分析有“工人放炮操作失誤”、“爆破工程設(shè)計不合理”、“沒有執(zhí)行一炮三檢”3個原因；從工作環(huán)境的角度分析有“光線暗”導致爆破操作失誤起火。

(3)對“明火”進行展開

從人的角度查找有“工人吸煙”、“工人攜帶點火設(shè)備”、“明火作業(yè)”。

最終可得事故樹如圖8。

4 結(jié)論

本文從模擬事故發(fā)生過程的角度思考，借鑒霍爾三維模型，提出了“空間維”、“功能維”，并運用人、物、環(huán)境、管理角度結(jié)合的方法熟悉系統(tǒng)，研究出熟悉系統(tǒng)的切入點，合理使用經(jīng)驗法，使編制事故樹的過程更加貼合實際，中間事件和基本事件展開合理，事故樹的編制更加具有學習指導意義，可行度更高。

深入研究了“與門”型、“或門”型這兩種基本的展開方式，并且明確了使用范圍和使用方法，大大簡化事故樹編制過程。通過“與門”型、“或門”型兩種方式展開中間事件和基本事件，提供了一種簡便易學的事故樹繪制思路。

圖8 掘進工作面瓦斯爆炸事故樹