基于半定量的FRAM道路危險(xiǎn)品運(yùn)輸事故分析方法研究*

雷 渝，帥 斌，米榮偉，黃文成

(1.西南交通大學(xué) 交通運(yùn)輸與物流學(xué)院，四川 成都 611756；2.西南交通大學(xué) 綜合交通運(yùn)輸智能化國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 611756；3.西南交通大學(xué) 綜合交通大數(shù)據(jù)應(yīng)用技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 611756)

0 引言

隨工業(yè)、現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)持續(xù)發(fā)展，危險(xiǎn)品被廣泛應(yīng)用于國(guó)防、農(nóng)業(yè)、工業(yè)、醫(yī)藥衛(wèi)生、交通運(yùn)輸以及科學(xué)研究等領(lǐng)域[1]。截止2018年，我國(guó)危險(xiǎn)品道路運(yùn)輸車(chē)輛共計(jì)37.3萬(wàn)輛，相關(guān)作業(yè)人員160萬(wàn)，其中道路運(yùn)輸危險(xiǎn)品占總危險(xiǎn)品運(yùn)量70%[2]。道路危險(xiǎn)品運(yùn)輸事故將會(huì)造成人員傷亡、財(cái)產(chǎn)損失，甚至引起不良社會(huì)影響。

目前針對(duì)道路危險(xiǎn)品運(yùn)輸事故研究主要集中于系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)、運(yùn)輸路徑優(yōu)化2方面。在系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方面：黃文成等[3]將道路危險(xiǎn)品運(yùn)輸分為人、機(jī)、環(huán)、管4個(gè)子系統(tǒng)，利用熵權(quán)法估算系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)度，提出道路危險(xiǎn)品運(yùn)輸系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法；楊婷等[4]將危險(xiǎn)品道路運(yùn)輸系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)因素劃分為人、機(jī)、物、環(huán)、管5類(lèi)，運(yùn)用N-K模型計(jì)算系統(tǒng)耦合風(fēng)險(xiǎn)；劉文龍等[5]建立事故風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型，從多種視角對(duì)道路危險(xiǎn)品事故風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估。在運(yùn)輸路徑優(yōu)化方面：楊立娟等[6]考慮不同決策者對(duì)運(yùn)輸路徑要求，建立最小化距離、成本、風(fēng)險(xiǎn)的危險(xiǎn)品運(yùn)輸路徑優(yōu)化模型；李立等[7]通過(guò)改進(jìn)NSGA-Ⅱ算法，建立動(dòng)態(tài)危險(xiǎn)品運(yùn)輸優(yōu)化模型。道路危險(xiǎn)品運(yùn)輸方面雖取得一定研究成果，但運(yùn)用事故分析模型探究道路危險(xiǎn)品運(yùn)輸事故致因的研究比較缺乏。

在事故分析模型研究方面：Hollnagel[8]最先提出功能共振事故模型(FRAM)；部分學(xué)者將FRAM應(yīng)用于事故分析，發(fā)現(xiàn)FRAM可以準(zhǔn)確定位事故致因，并且解釋系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性和非線性[9-11]。

Salmon等[12]證明道路交通系統(tǒng)是1個(gè)復(fù)雜的社會(huì)技術(shù)系統(tǒng)；Peter等[13]指出基于傳統(tǒng)因果序列和流行病學(xué)對(duì)道路運(yùn)輸系統(tǒng)進(jìn)行分析比較困難。傳統(tǒng)事故分析方法從事故角度出發(fā)尋找事故發(fā)生原因，存在解決措施不具體、缺乏針對(duì)性等弊端，不能有效防止事故發(fā)生。FRAM作為1種系統(tǒng)事故分析方法可用于特定的、合理的交通場(chǎng)景，允許對(duì)人與技術(shù)間接口、耦合和依賴(lài)效應(yīng)、子系統(tǒng)間非線性依賴(lài)及功能可變性進(jìn)行建模，闡述系統(tǒng)功能共振導(dǎo)致事故發(fā)生機(jī)理，并對(duì)關(guān)鍵功能進(jìn)行監(jiān)督和控制，降低系統(tǒng)可變性，確保系統(tǒng)正常運(yùn)行。FRAM事故分析法主要從定性角度進(jìn)行分析，主觀判斷性較強(qiáng)，每個(gè)功能輸出可變性及功能間耦合具有較強(qiáng)的不確定性，不能完全識(shí)別功能間耦合變異，導(dǎo)致分析結(jié)果可靠性低。

因此，本文通過(guò)引入半定量FRAM，基于系統(tǒng)視角研究道路危險(xiǎn)品運(yùn)輸事故。半定量FRAM可量化功能間耦合變異性，能更快、更準(zhǔn)確找出系統(tǒng)關(guān)鍵環(huán)節(jié)及環(huán)節(jié)間聯(lián)系，闡述功能間耦合導(dǎo)致功能共振原理，為道路危險(xiǎn)品運(yùn)輸事故提供1種系統(tǒng)分析方法。研究結(jié)果可完善道路危險(xiǎn)品運(yùn)輸管理系統(tǒng)，降低道路危險(xiǎn)品運(yùn)輸事故發(fā)生概率。

1 功能共振分析方法(FRAM)

1.1 FRAM理論基礎(chǔ)

FRAM分析方法指幾種上下耦合的功能，當(dāng)某種功能性能發(fā)生變化，受功能間耦合作用影響，使其他功能性能發(fā)生變化，最終導(dǎo)致該相互作用超出系統(tǒng)正常界限的突變現(xiàn)象。

1.2 方法步驟

2015年，Hollnagel提出“功能的6角模型”。6角功能模塊從輸入(I)、輸出(O)、前提(P)、資源(R)、時(shí)間(T)、控制(C)6個(gè)方面描述功能模塊，如圖1所示。

圖1 六角功能模塊

基于半定量的功能共振分析方法(FRAM)主要包括以下4個(gè)步驟：

1)識(shí)別并描述系統(tǒng)基本功能，繪制功能網(wǎng)絡(luò)圖

FRAM法的首要步驟是識(shí)別并描述系統(tǒng)基本功能。將系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為功能模塊，并用輸入(I)、輸出(O)、前提(P)、資源(R)、時(shí)間(T)、控制(C)6個(gè)屬性描述功能模塊，將描述相同的功能屬性進(jìn)行連接，繪制功能網(wǎng)絡(luò)圖。

2)分析功能潛在變化

基于功能網(wǎng)絡(luò)圖，進(jìn)一步識(shí)別表征函數(shù)可變性。識(shí)別可變性對(duì)理解功能間潛在耦合與實(shí)際耦合至關(guān)重要，因?yàn)楣δ荛g耦合可能導(dǎo)致不良后果。本文從時(shí)間和精度2種表型分析功能潛在變化，時(shí)間表型包括太早、準(zhǔn)時(shí)、過(guò)晚、不發(fā)生4種情況，精度表型包括精確、可接受、不精確3種情況，功能變異性在時(shí)間和精度上得分見(jiàn)表1。分?jǐn)?shù)越高，表示對(duì)應(yīng)功能輸出可變性越大。將時(shí)間和精度得分進(jìn)行求積運(yùn)算，得到功能可變性O(shè)Vj如式(1)所示：

表1 功能變異性在時(shí)間或精度上的得分

(1)

3)定量系統(tǒng)可變性

對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)而言，必須通過(guò)分析幾個(gè)功能變化組合效應(yīng)，才可以定位功能共振位置。“輸入”、“前提”、“資源”、“時(shí)間”、“控制”是功能與上游功能聯(lián)系端口，來(lái)自上游功能輸出，若上游輸出可變，進(jìn)而引起下游功能可變時(shí)，可變性由上游功能耦合導(dǎo)致，這種影響可能放大變異性(放大效應(yīng))，降低變異性(阻尼效應(yīng))或不影響變異性(無(wú)影響)。5個(gè)功能屬性在時(shí)間和精度上可變性傳播見(jiàn)表2。

表2 5個(gè)功能屬性在時(shí)間和精度上的可變性傳播

(2)

(3)

分別計(jì)算每個(gè)功能上、下游耦合變異性，用DLFCVij表示1個(gè)完整的上游功能j耦合變量對(duì)相關(guān)聯(lián)下游功能i的影響，用ULFCVji表示上游功能j的傳入耦合變量對(duì)下游功能i可變性的影響，DLFCVij、ULFCVji表達(dá)式如式(4)～(5)所示：

(4)

(5)

(6)

(7)

本文全局系統(tǒng)變異性(GSV)是整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)n個(gè)功能的DLFCVij與其對(duì)應(yīng)下游鏈路數(shù)的乘積，如式(8)所示：

(8)

DLFCVij越高，上游功能j的下游鏈路數(shù)越多，表示該功能變量輸出越關(guān)鍵；ULFCVji越高，下游功能i的上游鏈路數(shù)越多，表示該功能輸出高度可變，對(duì)應(yīng)功能較關(guān)鍵；如果ULFCV高但DLFCV較低，表示輸入變化量可以接受，并且對(duì)輸出變異性影響較??；全局系統(tǒng)變異性(GSV)表示該系統(tǒng)變異性大小，可用于比較不同系統(tǒng)設(shè)計(jì)在1個(gè)事故場(chǎng)景下系統(tǒng)變異性大小，變異性越大表示系統(tǒng)越不穩(wěn)定，事故發(fā)生概率較大。上述參數(shù)可用以快速、準(zhǔn)確定位系統(tǒng)關(guān)鍵功能，判斷系統(tǒng)變異性風(fēng)險(xiǎn)大小，從而采取針對(duì)性防護(hù)措施，提高系統(tǒng)安全性水平。

4)分析結(jié)果，制定措施

通過(guò)監(jiān)控和管理步驟1)～3)確定的功能可變性，可在系統(tǒng)可控情況下放大積極效應(yīng)，抑制或消除消極影響，確保系統(tǒng)安全高效運(yùn)行。一旦確定關(guān)鍵功能及關(guān)鍵鏈路，針對(duì)具體功能制定相應(yīng)屏障措施。FRAM屏障措施包括物理屏障、功能屏障、象征屏障、隱形屏障4個(gè)方面。

2 基于半定量的FRAM道路危險(xiǎn)品運(yùn)輸事故分析

2.1 事故案例簡(jiǎn)介

2014年3月1日14時(shí)45分，晉濟(jì)高速山西晉城段巖后隧道內(nèi)9 605 m處，2輛運(yùn)輸甲醇的半掛貨車(chē)發(fā)生追尾，后車(chē)前部與前車(chē)尾部鉸合在一起，造成前車(chē)尾部防撞設(shè)施及卸料管斷裂、甲醇泄漏，后車(chē)正面損壞。為關(guān)閉主卸料管根部球閥，前車(chē)前進(jìn)1.18 m后停車(chē)，后車(chē)出現(xiàn)電氣短路，導(dǎo)致地面泄漏的甲醇燃燒，形成流淌火急速引燃2輛事故車(chē)輛及隧道內(nèi)其他車(chē)輛。事故共造成40人死亡、12人受傷，燒毀車(chē)輛42輛，經(jīng)濟(jì)損失8 197萬(wàn)元。

2.2 基于FRAM的事故案例分析

本文將FRAM用于道路危險(xiǎn)品運(yùn)輸事故分析，主要包括以下4個(gè)步驟：

1)識(shí)別并描述系統(tǒng)基本功能，繪制功能網(wǎng)絡(luò)圖。事故發(fā)生在危險(xiǎn)品運(yùn)輸途中，從承運(yùn)危險(xiǎn)品到事故發(fā)生主要包括7個(gè)過(guò)程：F1承運(yùn)危險(xiǎn)品；F2檢查危險(xiǎn)品；F3接收危險(xiǎn)品；F4匹配運(yùn)輸車(chē)輛及駕駛員；F5檢查車(chē)輛；F6裝載危險(xiǎn)品；F7運(yùn)輸危險(xiǎn)品。以F1為例，利用功能模塊對(duì)功能進(jìn)行描述，見(jiàn)表3。

表3 功能F1的6角功能模塊

根據(jù)系統(tǒng)功能描述，將描述相同屬性進(jìn)行連接，繪制系統(tǒng)功能網(wǎng)絡(luò)，如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)功能網(wǎng)絡(luò)

2)分析功能潛在變化。從時(shí)間和精度方面分別表征每個(gè)功能潛在變異性。根據(jù)實(shí)際情況，對(duì)每個(gè)功能在時(shí)間和精度2個(gè)方面的表現(xiàn)形式進(jìn)行描述，得到系統(tǒng)功能在時(shí)間和精度的表型，見(jiàn)表4。根據(jù)表1結(jié)合式(1)得到每個(gè)功能可變性得分OVj。

表4 系統(tǒng)功能在時(shí)間和精度的表型

3)定量系統(tǒng)的可變性

圖3 功能的耦合變異性及鏈路數(shù)

根據(jù)圖3功能耦合變異性和鏈路數(shù)可知，在道路危險(xiǎn)品運(yùn)輸事件中，功能F5的DLFCV最高，且下游鏈路數(shù)較多，說(shuō)明該功能輸出特別關(guān)鍵，如果該功能發(fā)生變異，極易造成下游功能變異，增大事故發(fā)生可能性；功能F4的ULFCV較高，且上游鏈路數(shù)較多，說(shuō)明該功能發(fā)生變異性可能較大，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注；功能F6的ULFCV和DLFCV均較高，且上、下游鏈路數(shù)均較多，說(shuō)明該功能在道路危險(xiǎn)品運(yùn)輸中較關(guān)鍵且發(fā)生變異性的可能性較大，應(yīng)對(duì)功能F6進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)控；功能F7的ULFCV較高，上游鏈路數(shù)較多，說(shuō)明該功能容易受上游功能變異性影響發(fā)生變化，最終導(dǎo)致道路運(yùn)輸事故發(fā)生。通過(guò)對(duì)功能間耦合變異性及鏈路數(shù)進(jìn)行分析，繪制系統(tǒng)關(guān)鍵功能及關(guān)鍵鏈路網(wǎng)絡(luò)，如圖4所示。圖中虛線方框表示傳給下游功能輸入、前提、時(shí)間、資源、控制的存在變異的上游功能輸出，6角功能上方為功能ULFCV值，下方為功能DLFCV值，DLFCV值較高的功能即關(guān)鍵功能，用粗實(shí)線6邊形突出顯示，其輸出與相連接的下游功能屬性用加粗圓圈突出顯示，連接(即關(guān)鍵鏈路)用粗實(shí)線突出顯示，線上數(shù)字代表功能間耦合可變性CVij的值，其中“雙斜線”代表失效鏈接，“×”代表斷裂鏈接。圖4可直觀表現(xiàn)系統(tǒng)關(guān)鍵功能和關(guān)鍵鏈路，梳理功能變異性耦合導(dǎo)致功能共振原理，找到事故致因。

圖4 關(guān)鍵功能和關(guān)鍵鏈路網(wǎng)絡(luò)

4)分析結(jié)果，制定措施

由圖4可知，道路運(yùn)輸危險(xiǎn)品事故因功能F5產(chǎn)生較大變異導(dǎo)致功能失效，使其與下游功能鏈接F5(O)-F4(P)、F5(O)-F6(I)、F5(O)-F7(P)失效，使下游功能F4、F6、F7變異并失效，在功能共振作用下，F(xiàn)6(O)-F7(I)鏈接斷裂，最終導(dǎo)致事故發(fā)生。由步驟3)可知，系統(tǒng)中功能F5與F6發(fā)生變異可能性較大，應(yīng)重點(diǎn)監(jiān)控，導(dǎo)致2個(gè)功能失效直接原因是人為因素，包括檢查人員檢查不仔細(xì)，態(tài)度不端正，工作懈??；駕駛?cè)税踩庾R(shí)較為薄弱，違規(guī)操作；裝載人員未按標(biāo)準(zhǔn)裝載等。因此，為預(yù)防事故發(fā)生需要對(duì)2個(gè)功能制定屏障措施，防止功能性能變化超出系統(tǒng)承受范圍引發(fā)事故的同時(shí)，重點(diǎn)監(jiān)控人為因素影響較大的功能環(huán)節(jié)[14]。功能F5與F6性能變化防護(hù)措施見(jiàn)表5～6。

表5 功能F5性能變化防護(hù)措施

表6 功能F6性能變化防護(hù)措施

3 結(jié)論

1)基于半定量FRAM的道路危險(xiǎn)品運(yùn)輸事故分析方法相比基于因果鏈的傳統(tǒng)事故分析方法，能更充分捕捉道路交通系統(tǒng)各要素間相互影響作用,找出事故致因，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)薄弱環(huán)節(jié)以及各環(huán)節(jié)間聯(lián)系，并針對(duì)薄弱環(huán)節(jié)提出有效防控措施，為道路交通系統(tǒng)事故分析提供新的方法。

2)傳統(tǒng)FRAM方法主觀判斷嚴(yán)重，結(jié)果誤差較大，基于半定量FRAM分析方法定量化功能間耦合變異性，更快速、準(zhǔn)確找出系統(tǒng)關(guān)鍵功能及關(guān)鍵鏈路，理清功能間相互耦合導(dǎo)致事故發(fā)生原理，削弱FRAM對(duì)主觀判斷依賴(lài)性，加強(qiáng)FRAM實(shí)用性。

3)后續(xù)研究可以考慮將FRAM分析方法與其他方法結(jié)合，在功能識(shí)別、功能變異性確定等環(huán)節(jié)提高FRAM分析方法準(zhǔn)確性和適用性。