張景鋼,王清焱,趙淑楓
(華北科技學(xué)院 安全工程學(xué)院,北京 101601)
風(fēng)險(xiǎn)分析評(píng)估是礦山安全管理工作中非常重要的環(huán)節(jié),而傳統(tǒng)的安全評(píng)價(jià)存在一定局限性。如煤礦生產(chǎn)系統(tǒng),由于不同煤礦的地質(zhì)條件差異較大,事故災(zāi)變的發(fā)生與煤礦生產(chǎn)的過(guò)程并非呈單一的線性關(guān)系,而是表現(xiàn)出一種錯(cuò)綜復(fù)雜的關(guān)系[1-2],如果操作環(huán)節(jié)存在不安全的影響因素或某一步產(chǎn)生失誤將會(huì)給整個(gè)系統(tǒng)帶來(lái)安全隱患。這些缺陷導(dǎo)致評(píng)價(jià)的結(jié)果不夠精準(zhǔn)與全面、不能精確地揭示煤礦確定性和非確定性的規(guī)律、不能隨機(jī)應(yīng)對(duì)各種控制參數(shù)的改變;當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生改變時(shí)不能進(jìn)行不同狀態(tài)下的安全分析,只能反映某段時(shí)間某個(gè)狀態(tài)下的安全特征,不能對(duì)工作的整體系統(tǒng)進(jìn)行全面地分析。因此研究出新的分析方法對(duì)煤礦進(jìn)行安全評(píng)價(jià)迫在眉睫[3-4]。筆者通過(guò)引入基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的HAZOP-LOPA方法,結(jié)合煤礦具體條件建立安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)體系,并對(duì)該評(píng)價(jià)體系進(jìn)行實(shí)例應(yīng)用驗(yàn)證,能為煤礦安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法的研究提供更多的探索方法和更實(shí)用的技術(shù)。
HAZOP已在石油、化工行業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。HAZOP研究是為了識(shí)別在使用或生產(chǎn)高度危險(xiǎn)材料的裝置中可能存在的危險(xiǎn)。對(duì)工藝單元、操作步驟、流程中存在的潛在風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析,通過(guò)對(duì)偏差問(wèn)題分析,了解偏差產(chǎn)生的具體原因和可能后果,然后根據(jù)實(shí)際情況研究防護(hù)方法和措施。
對(duì)HAZOP法在煤礦安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)應(yīng)用結(jié)果的分析,認(rèn)為該方法存在以下3個(gè)可改進(jìn)的環(huán)節(jié):
1)無(wú)法定量分析每一個(gè)偏差所造成的風(fēng)險(xiǎn)水平及該風(fēng)險(xiǎn)水平與可接受范圍的差距有多大;無(wú)法明確分析采取的安全防護(hù)措施是否已經(jīng)消除或降低風(fēng)險(xiǎn)到可以接受的水平內(nèi)。
2)不能確定每項(xiàng)安全防護(hù)措施是否對(duì)所有偏差、后果都有防護(hù)作用,也不能明確安全措施作用大小,降低多少風(fēng)險(xiǎn),是否會(huì)影響或降低其他安全措施的防護(hù)作用。
3)HAZOP法對(duì)于更復(fù)雜的事故場(chǎng)景,可以識(shí)別事故場(chǎng)景的始發(fā)事件,但很容易忽視條件事件和一些安全防護(hù)措施,會(huì)降低風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的客觀性和準(zhǔn)確性[5]。
防護(hù)層分析是半定量工藝危害分析方法之一。用于確定所分析危險(xiǎn)場(chǎng)所的危險(xiǎn)程度;定量計(jì)算危險(xiǎn)發(fā)生的概率、現(xiàn)有防護(hù)層的防護(hù)能力和失效概率;若發(fā)現(xiàn)防護(hù)措施不足時(shí),可計(jì)算所需防護(hù)措施的等級(jí)。
防護(hù)層是一種防護(hù)措施,一些防護(hù)層防護(hù)功能是獨(dú)立的;另一些防護(hù)層則需依靠其他的防護(hù)措施相互作用以達(dá)到降低風(fēng)險(xiǎn)的目的[6]。故可把防護(hù)層分為兩類:事件阻止層和后果減弱層。事件阻止層能阻止危險(xiǎn)發(fā)生;后果減弱層是作用于已經(jīng)發(fā)生的危險(xiǎn),在危險(xiǎn)發(fā)生以后能把危害的程度降至最低。獨(dú)立防護(hù)層是指獨(dú)立、單獨(dú)地存在情景之中的最初的始發(fā)事件。
HAZOP法的定性分析能夠得到事故場(chǎng)景,LOPA法的半定量評(píng)價(jià)功能可以計(jì)算出事故發(fā)生的頻率和防護(hù)層失效的概率。定性分析得不出危險(xiǎn)等級(jí)具體有多高,看不出離安全還有多少等級(jí),不能具體給出現(xiàn)有的安全措施對(duì)防范危險(xiǎn)能起到多少實(shí)際的作用。單純使用HAZOP法不能準(zhǔn)確地對(duì)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)分析,故需要把HAZOP法與LOPA法相結(jié)合,利用HAZOP法分析得到產(chǎn)生偏差的可能性并對(duì)相應(yīng)的原因進(jìn)行LOPA法分析,通過(guò)分析判斷獨(dú)立防護(hù)層的措施是否合理,對(duì)危險(xiǎn)因素嚴(yán)重程度的細(xì)致分析、對(duì)事故場(chǎng)景進(jìn)行科學(xué)篩選,最后結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)情況給出建議并確定防護(hù)層。然后將HAZOP分析的結(jié)果再經(jīng)過(guò)LOPA分析,從而完善之前的分析評(píng)價(jià)結(jié)果,真正實(shí)現(xiàn)HAZOP法與LOPA法信息共享、技術(shù)結(jié)合。
將LOPA法應(yīng)用于HAZOP法分析可有效地改進(jìn)HAZOP法的缺陷與不足,細(xì)化分析結(jié)果與內(nèi)容,提供更全面、準(zhǔn)確的決策信息與內(nèi)容。
LOPA法與HAZOP法的融合機(jī)理:
1)熟悉工藝分析的對(duì)象和意圖,收集整理相關(guān)數(shù)據(jù)。
2)通過(guò)對(duì)工藝、設(shè)備圖紙分析,了解設(shè)計(jì)資料、運(yùn)行記錄、相關(guān)檢測(cè)資料和報(bào)告內(nèi)容。
3)通過(guò)偏差識(shí)別,了解其潛在的危險(xiǎn)問(wèn)題、原因及始發(fā)事件,分析其后果和事故情景,結(jié)合具體信息確定事件內(nèi)容,了解始發(fā)事件、條件事件和后果事件的具體頻率。
4)分析未減輕事件的發(fā)生頻率和具體等級(jí)。未減輕事件的發(fā)生頻率是始發(fā)事件、條件事件和后果事件頻率的乘積。
5)綜合分析提供的信息,確定潛在事故及其等級(jí),并計(jì)算事故頻率等級(jí),再進(jìn)行評(píng)價(jià)分析。
6)識(shí)別、分析安全措施和獨(dú)立防護(hù)層,確定失效概率,計(jì)算安全措施進(jìn)行獨(dú)立防護(hù)狀態(tài),確定事故隱患,降低事故風(fēng)險(xiǎn),得到減輕事件的發(fā)生頻率及未減輕事件具體發(fā)生頻率與各獨(dú)立防護(hù)層安全措施失效概率的乘積。
若剩余風(fēng)險(xiǎn)達(dá)到可接受的水平,則無(wú)需采取措施和建議。否則,就要根據(jù)實(shí)際情況提出安全對(duì)策和措施,把剩余風(fēng)險(xiǎn)減少到可接受的范圍。
在對(duì)煤礦安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)時(shí),由HAZOP法到LOPA法從定性到半定量層層推進(jìn),具體方法步驟如圖1所示。
圖1 HAZOP-LOPA方法流程圖
采用HAZOP法分析時(shí),首先確定要分析的對(duì)象并獲取過(guò)程或設(shè)備的相關(guān)數(shù)據(jù);然后將被分析對(duì)象劃分為幾個(gè)單元,劃分節(jié)點(diǎn),通過(guò)相關(guān)參數(shù)和關(guān)鍵字的組合建立偏差,分析偏差導(dǎo)致的后果,根據(jù)企業(yè)自身的事故后果分級(jí),確定后果等級(jí),并確定現(xiàn)有的防護(hù)措施(獨(dú)立防護(hù)層和非獨(dú)立防護(hù)層);如果事故的后果等級(jí)較小,則提出相應(yīng)的建議和措施,準(zhǔn)備報(bào)告,并結(jié)束分析。
采用HAZOP法分析之后,根據(jù)確定的危害和危害等級(jí),進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)矩陣的傷害估計(jì)和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估,確定已識(shí)別危害的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。對(duì)于低風(fēng)險(xiǎn)方案,只進(jìn)行定性分析;對(duì)于高風(fēng)險(xiǎn)和復(fù)雜的事故,使用LOPA法進(jìn)行分析,根據(jù)HAZOP法分析得到的數(shù)據(jù),從數(shù)據(jù)庫(kù)中找出事件概率(IEF)和獨(dú)立防護(hù)層(IPL)的所需故障率(PFD),并計(jì)算降低風(fēng)險(xiǎn)后的事件發(fā)生頻率,計(jì)算公式如下:
(1)
通過(guò)與煤礦可接受的風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)比較,可以判斷剩余風(fēng)險(xiǎn)水平是否能被接受。 如可以接受,則結(jié)束分析;如風(fēng)險(xiǎn)仍然高于可接受的水平,則需要增加額外的防護(hù)層。
1)由HAZOP法分析可以初步篩選出風(fēng)險(xiǎn)比較高的事故場(chǎng)景,針對(duì)HAZOP法無(wú)法分析偏差導(dǎo)致的不良風(fēng)險(xiǎn)后果及安全防護(hù)措施等問(wèn)題,通過(guò)LOPA法對(duì)事故場(chǎng)景的風(fēng)險(xiǎn)及防護(hù)層是否有效進(jìn)行評(píng)價(jià),確定在事故場(chǎng)景中剩余風(fēng)險(xiǎn)的等級(jí),找出降低風(fēng)險(xiǎn)的科學(xué)辦法,分析結(jié)果會(huì)更加精準(zhǔn)可靠。
2)HAZOP法是一種定性的分析方法,而LOPA法是采用半定量的方式對(duì)事故進(jìn)行分析,LOPA法在HAZOP法分析中的應(yīng)用可以有效地改進(jìn)HAZOP法的缺陷與不足、細(xì)化分析結(jié)果與內(nèi)容、提供更全面與準(zhǔn)確的決策信息和內(nèi)容。實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ),讓安全評(píng)價(jià)既得到定性分析又得到定量分析結(jié)果。
貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型的關(guān)鍵是有向無(wú)環(huán)圖(DAG),有向無(wú)環(huán)圖是通過(guò)節(jié)點(diǎn)和有向弧組成的視覺(jué)形式向人們傳達(dá)復(fù)雜的變量關(guān)系。研究變量反映在節(jié)點(diǎn)上,變量中的因果關(guān)系反映在由父節(jié)點(diǎn)傳遞到子節(jié)點(diǎn)的有向弧上。所有節(jié)點(diǎn)均以聯(lián)合概率分布的方式被定義在貝葉斯網(wǎng)絡(luò)中。條件頻率分布是貝葉斯網(wǎng)絡(luò)對(duì)問(wèn)題進(jìn)行推理的關(guān)鍵,貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的概率分布公式如下:
P(A,B,C)=P(A,B)P(C|A,B)=P(A)P(B)·P(C|A,B)
(2)
就事件A來(lái)說(shuō),假如影響事件的集合為V=(V1,V2,…,Vn),V為總共發(fā)生的事件數(shù),則其貝葉斯公式如下:
(3)
式中:P(Vi|A)為Vi后驗(yàn)概率,i=1,2,…,n;P(A|Vi)為事件Vi發(fā)生時(shí)事件A發(fā)生的概率,即條件概率;P(Vi)為Vi先驗(yàn)概率;P(A)為事件A發(fā)生的概率。
節(jié)點(diǎn)聯(lián)合概率分布P(V)為:
(4)
式中Va(Vi)為節(jié)點(diǎn)Vi的所有父節(jié)點(diǎn)。
采用LOPA法時(shí),首先找出較危險(xiǎn)事故的場(chǎng)景,估算場(chǎng)景存在的風(fēng)險(xiǎn),計(jì)算發(fā)生事故的概率是多少、可能導(dǎo)致后果的嚴(yán)重性及獨(dú)立防護(hù)層的失效概率。對(duì)系統(tǒng)整個(gè)過(guò)程中所有可能出現(xiàn)事故的場(chǎng)景進(jìn)行分析,然后分析是否可以通過(guò)加裝防護(hù)措施把風(fēng)險(xiǎn)降到企業(yè)可以接受的程度以下[7]。
采用LOPA方法,通過(guò)計(jì)算機(jī)械設(shè)備的失效概率對(duì)整個(gè)系統(tǒng)場(chǎng)景中的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行定量分析[7],若得到的結(jié)果風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)過(guò)高,則必須采取一定的措施使風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)被控制在企業(yè)能承受的分險(xiǎn)等級(jí)范圍內(nèi)。在確立事件發(fā)生時(shí)可以參考網(wǎng)絡(luò)模型中的事件發(fā)生的條件和各個(gè)事件之間的關(guān)系,得到各個(gè)事件的后驗(yàn)概率,明確指出現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)險(xiǎn)的控制方向。在LOPA法的各個(gè)防護(hù)層中插入貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型,能極大地提高計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確度。
在完成LOPA方法的分析后,獨(dú)立防護(hù)層的失效概率通過(guò)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)算法進(jìn)行分析,在貝葉斯可視化軟件“GeNie”中進(jìn)行操作,構(gòu)建貝葉斯模型,完成貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型的分析和計(jì)算。
將HAZOP-LOPA分析方法應(yīng)用于煤礦瓦斯爆炸事故分析中,從人、機(jī)、環(huán)、管4個(gè)方面找出最能導(dǎo)致瓦斯爆炸的因素,先采用HAZOP法對(duì)每個(gè)因素進(jìn)行相關(guān)性分析;搭建與煤礦瓦斯爆炸致因相關(guān)的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型,利用LOPA法分析煤礦瓦斯爆炸事故發(fā)生過(guò)程中最能導(dǎo)致事故發(fā)生的因素及發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)的概率,判斷預(yù)防煤礦瓦斯爆炸事故的措施是否有效、煤礦瓦斯爆炸防范的理論依據(jù)是否可靠。
以2010—2018年為時(shí)間段,參考國(guó)家礦山安全監(jiān)察局煤礦事故分析報(bào)告[8],共檢索到58起比較嚴(yán)重的煤礦瓦斯爆炸事故分析的調(diào)查報(bào)告。選取能引起煤礦瓦斯爆炸事故發(fā)生的危險(xiǎn)因素,從58起煤礦瓦斯爆炸事故中提煉出關(guān)鍵詞,并進(jìn)行頻率統(tǒng)計(jì),結(jié)果如表1所示。
表1 煤礦瓦斯事故調(diào)查報(bào)告關(guān)鍵詞
以關(guān)鍵詞頻率作為基礎(chǔ),結(jié)合實(shí)際情況,參考相關(guān)文獻(xiàn),對(duì)人、機(jī)、環(huán)、管4個(gè)方面進(jìn)行綜合全面的分析,最后得到作為研究要素的19個(gè)變量[9]。瓦斯爆炸致因研究要素如表2所示。
表2 瓦斯爆炸致因研究要素
1)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型構(gòu)建
在貝葉斯網(wǎng)絡(luò)軟件“GeNie”中輸入已經(jīng)得到的樣本信息,建立初步的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型。后期在對(duì)貝葉斯網(wǎng)格模型進(jìn)行調(diào)整改進(jìn)時(shí)要參考相關(guān)的變量,最后得到反映煤礦瓦斯爆炸事故致因的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型,如圖2所示。
圖2 反映煤礦瓦斯爆炸事故致因的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型
圖2能明確反映出煤礦瓦斯爆炸事故發(fā)生的誘導(dǎo)因素,以及各個(gè)因素之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。選取B節(jié)點(diǎn)即“瓦斯爆炸”作為本次研究的對(duì)象,其他節(jié)點(diǎn)為導(dǎo)致瓦斯爆炸的各種相關(guān)要素;其余節(jié)點(diǎn)間的連線反映原因與結(jié)果的關(guān)系。
2)模型驗(yàn)證
對(duì)所設(shè)計(jì)的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行交叉驗(yàn)證(Cross-Validation),增加模型預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性和可靠性。使用交叉驗(yàn)證方法(Leave One Out Cross Validation, LOO-CV),在工具欄中選取“GeNie”中的按鈕“Validate”,選擇驗(yàn)證方法 “Leave oneout”,計(jì)算各節(jié)點(diǎn)在模型中的精度,驗(yàn)證結(jié)果如表3所示。
表3 貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型交叉驗(yàn)證結(jié)果
由表3可知,預(yù)測(cè)精度最高為0.986,通過(guò)計(jì)算得到整體預(yù)測(cè)精度為0.886。因此,所建立的反映煤礦瓦斯爆炸事故致因的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型的預(yù)測(cè)精度較高,可用于致因分析和推理。
3)節(jié)點(diǎn)后驗(yàn)概率分布
在貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型中,證據(jù)節(jié)點(diǎn)被確定為B節(jié)點(diǎn)(以確定瓦斯爆炸事故發(fā)生的概率為100%),如果瓦斯爆炸已發(fā)生,最可能發(fā)生的致因是瓦斯含量超標(biāo)(E4取值為1),發(fā)生的概率最高可達(dá)到96%;其次較可能發(fā)生的致因是概率為91%的瓦斯漏檢(H3取值為1);有66%的概率可能發(fā)生違規(guī)生產(chǎn)、開(kāi)采(M9取值為1);有55%的概率可能產(chǎn)生電火花(D2取值為1);有53%的概率可能發(fā)生違章爆破(H2取值為1);還有44%的概率是因?yàn)轫敯宀环€(wěn)定(E5取值為0)。故在本文中選取最可能導(dǎo)致事故發(fā)生的致因進(jìn)行分析[10-12]。
由上述分析可知,瓦斯超限風(fēng)險(xiǎn)是貝葉斯網(wǎng)絡(luò)故障節(jié)點(diǎn),對(duì)該節(jié)點(diǎn)所包含的采空區(qū)瓦斯涌出量的程度采用HAZOP-LOPA方法進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析,分析結(jié)果如表4、表5所示。
表4 基于HAZOP法分析后的LOPA法分析結(jié)果(一)
表5 基于HAZOP法分析后的LOPA法分析結(jié)果(二)
由表4、表5可知,采空區(qū)瓦斯含量高這一事故場(chǎng)景沒(méi)有降低事件的頻率,未減輕事件頻率為2.00×10-5,超過(guò)了其風(fēng)險(xiǎn)的可接受值(容許值)1.00×10-5,在采取優(yōu)化通風(fēng)系統(tǒng)及設(shè)置瓦斯傳感器報(bào)警 2種獨(dú)立防護(hù)層措施后,事故發(fā)生頻率由2.00×10-5降至4.00×10-8,且風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)由未減輕事件的8級(jí)降至減輕事件的4級(jí)剩余風(fēng)險(xiǎn)等級(jí),使剩余風(fēng)險(xiǎn)下降到了可以接受的范圍內(nèi)。因此,說(shuō)明設(shè)置瓦斯傳感器和優(yōu)化通風(fēng)系統(tǒng)2種獨(dú)立防護(hù)層可起到降低風(fēng)險(xiǎn)的作用,分析結(jié)果表明不需要增加其他的安全防護(hù)措施。如果現(xiàn)有的瓦斯傳感器和優(yōu)化的通風(fēng)系統(tǒng)不能將剩余的風(fēng)險(xiǎn)降低到可接受的范圍,則有必要進(jìn)一步增加適當(dāng)?shù)陌踩雷o(hù)措施,直到將剩余風(fēng)險(xiǎn)降低到可接受范圍內(nèi)。由此可知,LOPA法進(jìn)一步豐富了HAZOP法的分析結(jié)果,為管理者的安全決策提供了更直接、更清晰、更可靠的信息。如果將LOPA法的分析結(jié)果返回HAZOP法進(jìn)行分析,則可得到更完善的分析結(jié)果,如表6、表7所示[13]。
表6 HAZOP法分析完善后的結(jié)果(節(jié)選部分)
表7 HAZOP法分析完善后的結(jié)果(節(jié)選部分)
1)充分考慮了傳統(tǒng)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法在信息條件不確定情況下的局限性,將基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的HAZOP-LOPA綜合安全評(píng)價(jià)方法引入煤礦安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中。
2)因?yàn)镠AZOP法無(wú)法具體分析出偏差引起結(jié)果的概率及現(xiàn)有防護(hù)措施的有效性,為了彌補(bǔ)傳統(tǒng)安全評(píng)價(jià)方法的缺陷,有必要將LOPA法引入HAZOP法中進(jìn)行分析。
3)LOPA法是一種半定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法,通過(guò)數(shù)據(jù)分析,準(zhǔn)確地確定風(fēng)險(xiǎn)和事故情景,并將風(fēng)險(xiǎn)與臨界值進(jìn)行比較。確定HAZOP法作業(yè)分析中存在的風(fēng)險(xiǎn)是否可以被接受,安全防護(hù)措施是否適當(dāng)有效,是否需要增加新的安全防護(hù)措施,為HAZOP法作業(yè)分析系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和改進(jìn)提供依據(jù)。
4)理論分析和應(yīng)用表明,基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的HAZOP-LOPA方法適用于煤礦瓦斯爆炸事故分析,該方法可直觀地找出生產(chǎn)中的危險(xiǎn)因素和薄弱環(huán)節(jié),從而有針對(duì)性地采取措施。相較于傳統(tǒng)的分析方法其更加科學(xué)合理,同時(shí)驗(yàn)證了其有效性與可行性,該方法有助于為管理者提供更完善的安全決策信息。
5)基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的HAZOP-LOPA方法不僅適用于煤礦瓦斯爆炸事故分析與評(píng)價(jià),還適用于煤與瓦斯突出等多因素耦合的煤礦事故的分析與評(píng)價(jià)。