基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的化工企業(yè)爆炸事故情景推演

方丹輝,萬(wàn)端翼,于 款,陳 濤

(1.武漢理工大學(xué) 安全科學(xué)與應(yīng)急管理學(xué)院,湖北 武漢 430070;2.武漢理工大學(xué) 中國(guó)應(yīng)急管理研究中心,湖北 武漢 430070;3.華中科技大學(xué) 公共管理學(xué)院,湖北 武漢 430074)

隨著現(xiàn)代文明和經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展,人們對(duì)生活質(zhì)量和生活品質(zhì)的追求越來(lái)越高,對(duì)資源的需求量也日益增大,需求的擴(kuò)大則促進(jìn)了現(xiàn)代社會(huì)工業(yè)化的發(fā)展,而化工企業(yè)作為工業(yè)化發(fā)展的重要組成部分,在國(guó)民經(jīng)濟(jì)和工程技術(shù)創(chuàng)新上都有舉足輕重的意義。但是在促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí),從事化工生產(chǎn)的企業(yè)所采用的原材料大部分易燃易爆,生產(chǎn)過(guò)程也不是絕對(duì)安全,一旦發(fā)生火災(zāi)、爆炸等重大安全事故,輕則影響企業(yè)正常生產(chǎn)運(yùn)營(yíng),重則造成重大的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失,嚴(yán)重威脅企業(yè)和社會(huì)的安全穩(wěn)定。我國(guó)化工企業(yè)爆炸事故在近十年爆炸事故中占比達(dá)75%[1],其中由非人為因素觸發(fā)的爆炸事故占比極大,并且很多化工企業(yè)規(guī)模小、投資少、轉(zhuǎn)產(chǎn)快,在爆炸事故發(fā)生后,很難有效阻止事故惡化。

目前,很多學(xué)者對(duì)化工企業(yè)爆炸事故的應(yīng)對(duì)與預(yù)防開(kāi)展了研究。白梅[2]對(duì)化工企業(yè)爆炸原因進(jìn)行了分析,并研究了相關(guān)預(yù)防對(duì)策。楊石磊[3]表示道氏七版火災(zāi)、爆炸指數(shù)評(píng)價(jià)法是對(duì)化工生產(chǎn)裝置進(jìn)行定量安全評(píng)價(jià)的重要方法之一,通過(guò)計(jì)算得出相應(yīng)數(shù)據(jù),量化危險(xiǎn)程度,為化工企業(yè)安全評(píng)價(jià)提供依據(jù)。楊德澤等[4]引入物聯(lián)網(wǎng)和自動(dòng)化控制技術(shù)進(jìn)行智能火災(zāi)探測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究。王倩琳等[5]引入功能共振分析方法(FRAM),從整體系統(tǒng)的功能特征角度對(duì)化工裝置事故情景開(kāi)展推演研究。周愉峰等[6]構(gòu)建基于情景推演與故障貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)推演模型,為動(dòng)態(tài)描述關(guān)鍵救災(zāi)設(shè)施的中斷概率提供了可行的量化方法。李磊[7]利用三維事故桌面推演平臺(tái),讓?xiě)?yīng)急指揮人員在全面掌握事故現(xiàn)場(chǎng)信息的情況下,充分研判事故演變過(guò)程,開(kāi)展基于“情景-應(yīng)對(duì)”的事故應(yīng)急推演。張志霞等[8]采用知識(shí)元表示法,構(gòu)建了基于動(dòng)態(tài)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的災(zāi)害事故動(dòng)態(tài)情景模型。上述研究大都集中于事故的前期預(yù)防和風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)方面,致力于讓突發(fā)災(zāi)害事故的應(yīng)急處置發(fā)展得更為現(xiàn)代化和智能化,進(jìn)一步細(xì)化貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)分布和結(jié)構(gòu),以及讓情景推演更貼近于事故發(fā)生的真實(shí)情況。這些都是面向有可能發(fā)生爆炸事故的所有主體而做的研究,在制定了完整的應(yīng)急預(yù)案和周密的應(yīng)對(duì)策略之后,爆炸事故仍然時(shí)有發(fā)生。

綜上,為更好解決實(shí)際應(yīng)急處置中存在的問(wèn)題,筆者首次提出基于爆炸事故觸發(fā)因素的差異劃分研究對(duì)象,運(yùn)用動(dòng)態(tài)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)情景推演技術(shù),有針對(duì)性地對(duì)非人為因素觸發(fā)的化工企業(yè)爆炸事故動(dòng)態(tài)演化過(guò)程及企業(yè)應(yīng)急處置行為進(jìn)行探究;構(gòu)建了基于動(dòng)態(tài)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的情景推演模型,以2020年8月3日湖北省仙桃市化工企業(yè)爆炸事故為例,通過(guò)分析事故情景演變路徑、構(gòu)建情景網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算事故關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)和情景概率等參數(shù),研究我國(guó)非人為因素觸發(fā)的化工企業(yè)爆炸事故應(yīng)急處置過(guò)程中存在的問(wèn)題,以期為提高化工企業(yè)應(yīng)急處置水平提供參考。

1 研究方法

1.1 情景要素分析

“情景”一詞由赫爾曼·卡恩于1967年提出,引發(fā)了學(xué)者對(duì)非常規(guī)災(zāi)害事故情景的廣泛探討[9]。模型的抽象特征不僅導(dǎo)致了模型建立過(guò)程的復(fù)雜性,還導(dǎo)致了模型應(yīng)用過(guò)程的復(fù)雜性,特別是由多元素構(gòu)成的系統(tǒng)模型的應(yīng)用,更需要多學(xué)科知識(shí)、模型的綜合集成方法與技術(shù)的支持[10]。知識(shí)元是組成知識(shí)整體結(jié)構(gòu)的最小單元,能從相對(duì)微觀的角度描述一些突發(fā)事故的情景構(gòu)成和推演路徑。知識(shí)元的適用范圍廣,能夠全面、細(xì)致地表現(xiàn)事故發(fā)展的各個(gè)階段,并保證情景推演的連貫性和整體性。

因此,筆者將化工企業(yè)爆炸情景用外部環(huán)境(E)、事件情景(S)、應(yīng)急處置(A)3類要素表示,突發(fā)事件的發(fā)生發(fā)展過(guò)程是這3類要素相互影響和作用的結(jié)果[11]。其中,廣義的外部環(huán)境是由大氣圈、水圈、巖石圈(包括土壤和植被)、生物圈和人類社會(huì)圈構(gòu)成的綜合地球表層環(huán)境。但外部環(huán)境不是這些要素的簡(jiǎn)單疊加,而是地球表層中一系列具有耗散特性的物質(zhì)循環(huán)與能量流動(dòng)、信息與價(jià)值流動(dòng)的過(guò)程。實(shí)踐中,外部環(huán)境一般分為自然環(huán)境和社會(huì)環(huán)境,筆者結(jié)合企業(yè)的實(shí)際情況,考慮企業(yè)外部環(huán)境中的物的環(huán)境和人的環(huán)境兩方面因素對(duì)事故情景進(jìn)行分析。而此處事件情景構(gòu)建中的“情景”不是某典型案例的片段或整體的再現(xiàn),而是無(wú)數(shù)同類事件和預(yù)期風(fēng)險(xiǎn)的系統(tǒng)整合,是基于真實(shí)背景對(duì)某一類突發(fā)事件的普遍規(guī)律進(jìn)行全過(guò)程、全方位、全景式的系統(tǒng)描述。應(yīng)急處置則是指應(yīng)急決策主體在面對(duì)突發(fā)事故時(shí)所做出的一系列處置行動(dòng)。從應(yīng)急響應(yīng)、救援水平、應(yīng)急處置水平和應(yīng)急物資4個(gè)類別對(duì)化工企業(yè)爆炸事故情景中所涉及的應(yīng)急處置影響因素進(jìn)行分析,應(yīng)急處置類別及要素如表1所示。

1.2 情景演化路徑分析

化工企業(yè)爆炸事故演化路徑分析是爆炸事故情景推演的基礎(chǔ),能直觀展示情景演化態(tài)勢(shì)的各種情況,情景演化路徑圖如圖1所示。當(dāng)事故發(fā)生時(shí),演化路徑得到控制,表明事故整體得到基本控制,免于繼續(xù)惡化;若演化路徑呈現(xiàn)繼續(xù)惡化趨勢(shì),則表明事故發(fā)展走向消極,當(dāng)前應(yīng)急救援力度不強(qiáng)、無(wú)明顯效果;若演化路徑走向失控,則表明此時(shí)系統(tǒng)的應(yīng)急救援體制徹底失靈。

圖1 情景演化路徑圖

基于時(shí)間序列的動(dòng)態(tài)情景演變圖如圖2所示,Si表示第i個(gè)情景狀態(tài),Ei表示第i個(gè)外部環(huán)境,Ai表示第i個(gè)應(yīng)急處置措施。結(jié)合情景演化路徑圖和動(dòng)態(tài)情景演變圖,可以得到動(dòng)態(tài)情景模型,如圖3所示。

圖2 動(dòng)態(tài)情景演變圖

圖3 動(dòng)態(tài)情景模型

2 動(dòng)態(tài)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

2.1 動(dòng)態(tài)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)

貝葉斯網(wǎng)絡(luò)又稱信度網(wǎng)絡(luò),是不確定性知識(shí)表達(dá)與推理的一種方法,也是概率論和圖論相結(jié)合的產(chǎn)物,可用于復(fù)雜多因果關(guān)系的分析,是人工智能領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)和重要成果之一[12]。一個(gè)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)由節(jié)點(diǎn)及有向邊構(gòu)成的有向無(wú)環(huán)圖(directed acyclic graph,DAG),結(jié)點(diǎn)代表隨機(jī)變量,結(jié)點(diǎn)間的有向邊代表結(jié)點(diǎn)間的相互關(guān)系(由父結(jié)點(diǎn)指向其子結(jié)點(diǎn)),用條件概率表達(dá)關(guān)系的強(qiáng)度,沒(méi)有父結(jié)點(diǎn)的則用先驗(yàn)概率進(jìn)行信息表達(dá)。

貝葉斯網(wǎng)絡(luò)是對(duì)不確定知識(shí)進(jìn)行表達(dá)和推理最有效的模型之一[13],使用概率積分表示不確定性,而概率積分以聯(lián)合事件的概率計(jì)算為基礎(chǔ),最基礎(chǔ)的貝葉斯公式為:

(1)

式中:P(A)為事件A發(fā)生的概率;P(B)為事件B發(fā)生的概率;P(A|B)為事件B發(fā)生的條件下事件A發(fā)生的條件概率。

動(dòng)態(tài)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)合概率公式為:

P(S1,S2,…,Sn)=P(Sn|S1,S2,…,Sn-1)

(2)

(3)

式中:P(Si)為事件Si發(fā)生的概率,i=1,2,…,n。

2.2 情景節(jié)點(diǎn)變量與條件概率確定

(1)結(jié)合情景分析理論,查詢各地應(yīng)急管理廳發(fā)布的事故記載資料了解事故發(fā)生發(fā)展的全過(guò)程,確定情景推演所設(shè)定的每一關(guān)鍵環(huán)節(jié)事件情景。

(2)沒(méi)有任何父節(jié)點(diǎn)的條件概率稱其為先驗(yàn)概率。查詢我國(guó)應(yīng)急管理部官方網(wǎng)站,收集可查詢到的過(guò)去12年間(2009—2021年)我國(guó)發(fā)生的化工企業(yè)爆炸事故信息,從中提取出較為典型的非人為因素觸發(fā)的化工企業(yè)爆炸事故信息,統(tǒng)計(jì)事故發(fā)生的數(shù)據(jù),由全概率公式(4)計(jì)算得到先驗(yàn)概率[14]。

P(A)=P(A|B1)P(B1)+P(A|B2)P(B2)+…

+P(A|Bn)P(Bn)

(4)

式中:B1,B2,…,Bn為兩兩互不相容的事件,這些事件共同構(gòu)成一個(gè)完備事件組,其和為全集,且P(Bi)>0。

(3)對(duì)于有父節(jié)點(diǎn)的變量,則根據(jù)專家打分法得到條件概率,再使用動(dòng)態(tài)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)合概率公式(式(3))計(jì)算節(jié)點(diǎn)變量在各個(gè)路徑下的概率。

(4)確定網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)變量取值[15],以(T,F)作為事件S、外部環(huán)境E、應(yīng)急處置A的取值集合。

3 實(shí)例分析

3.1 實(shí)例概述

2020年8月3日17時(shí)39分29秒,仙桃市西流河鎮(zhèn)藍(lán)化有機(jī)硅有限公司發(fā)生一起化工產(chǎn)品車(chē)間高溫爆炸事故,造成6人死亡,4人受傷,直接經(jīng)濟(jì)損失1 344.18萬(wàn)元。事故車(chē)間的生產(chǎn)產(chǎn)品為甲基三丁酮肟基硅烷和乙烯基三丁酮肟基硅烷,工藝流程如圖4所示。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)勘查,事故造成 1#靜置槽周?chē)?主要是室外罐區(qū))設(shè)備損壞,室內(nèi)北側(cè)西邊的設(shè)備全部損壞,二樓產(chǎn)品中和釜損壞,室內(nèi)一樓配電房和二樓儀表控制室全部損壞。

圖4 工藝流程示意圖

3.2 演化路徑分析

根據(jù)該事故的發(fā)展過(guò)程,結(jié)合情景分析理論與方法,設(shè)定了9個(gè)事件情景狀態(tài)、7個(gè)外部環(huán)境狀態(tài)和7個(gè)應(yīng)急處置活動(dòng)作為貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)變量,具體內(nèi)容如表2所示,并構(gòu)建事故發(fā)展過(guò)程動(dòng)態(tài)情景模型圖,如圖5所示。

圖5 爆炸事故動(dòng)態(tài)情景模型圖

表2 事故情景要素

路徑1:一級(jí)分層器物料進(jìn)入產(chǎn)品中和釜時(shí),夾帶了超量的丁酮肟鹽酸鹽,中和釜溫度升高,物料變色,出現(xiàn)異常工況,產(chǎn)品一級(jí)中和斧溫度達(dá)到50.33℃,即出現(xiàn)事故初始情景S1。員工立即對(duì)此項(xiàng)情況采取措施,停止通氨,將斧內(nèi)物料打入靜置槽(A1)。若措施有效,則溫度得到有效控制,異常不會(huì)蔓延到下級(jí)中和斧(E1),情景消失(S2)。

路徑2:情景S1中員工的處置效果不理想,溫度持續(xù)升高達(dá)到55℃(S3),此時(shí)管線之間粘度大,發(fā)生堵塞(E3),工作人員對(duì)中和斧進(jìn)行全面檢查并冷卻處理(A3)。若措施有效,則中和斧溫度持續(xù)下降(S4),且下級(jí)中和斧未受影響(E4),工作人員采取循環(huán)水降溫措施(A4),溫度逐漸降低至安全范圍,情景消失(S5)。

路徑3:情景S3中處置效果繼續(xù)不理想,溫度上升到65℃(S6),此時(shí)高溫的傳遞速度加快,但是向夾套內(nèi)通循環(huán)水的降溫效果有限(E6),工作人員加大降溫力度,并將這一緊急狀況向生產(chǎn)部長(zhǎng)報(bào)告請(qǐng)求加派人手(A6)。如果此時(shí)工作人員的應(yīng)急處置有效,則溫度呈現(xiàn)下降趨勢(shì)(S7),底層靜置槽免遭影響(E7),只需持續(xù)采取降溫措施(A7)即可,直至溫度降低至安全范圍,情景消失(S8)。

路徑4:情景S6中處置效果不理想,車(chē)間主任和生產(chǎn)部長(zhǎng)均及時(shí)趕到相關(guān)車(chē)間進(jìn)行應(yīng)急救援指揮,但是溫度并未得到有效控制,中和斧溫度持續(xù)升高并蔓延至底層靜置槽,靜置槽發(fā)生爆炸(S9)。

3.3 事故情景節(jié)點(diǎn)概率計(jì)算

筆者收集了我國(guó)發(fā)生的化工企業(yè)爆炸事故中較有代表性的14起非人為因素觸發(fā)的化工企業(yè)爆炸事故調(diào)查報(bào)告,基本信息如表3所示。

表3 化工企業(yè)爆炸事故統(tǒng)計(jì)表

對(duì)以上14家化工企業(yè)爆炸事故發(fā)生的各關(guān)鍵情景節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分析,運(yùn)用式(4)計(jì)算得到先驗(yàn)概率;對(duì)于有父節(jié)點(diǎn)的變量則運(yùn)用專家打分法得出條件概率,具體結(jié)果如表4所示。

表4 節(jié)點(diǎn)變量概率表

基于先驗(yàn)概率和條件概率,運(yùn)用式(3)計(jì)算得到節(jié)點(diǎn)變量在各個(gè)狀態(tài)下的概率,并借助Netica軟件得到各個(gè)節(jié)點(diǎn)變量情景推演概率分布圖,如圖6所示。

3.4 結(jié)果分析

(1)由各情景狀態(tài)可知,本次爆炸事故不是人為因素觸發(fā),而是在8月炎熱的天氣環(huán)境下化工產(chǎn)品出現(xiàn)異常升溫而導(dǎo)致的一起意外事故。事故發(fā)展的態(tài)勢(shì)沒(méi)有得到有效遏制最終導(dǎo)致了爆炸的發(fā)生,相應(yīng)的應(yīng)對(duì)和處置細(xì)節(jié)暴露出我國(guó)化工企業(yè)普遍存在的應(yīng)急處置效率低、人員專業(yè)素質(zhì)低等問(wèn)題。

(2)由圖6可知,中和斧溫度異常(S1)、中和斧溫度持續(xù)升高(S3)、應(yīng)急處置后中和斧溫度再度升高(S6)和靜置槽爆炸(S9)4個(gè)關(guān)鍵情景發(fā)生的概率分別為82.0%、75.2%、74.6%和68.9%?？梢?jiàn)化工企業(yè)爆炸事故一旦發(fā)生,后續(xù)應(yīng)急處置將很難控制事態(tài)。因此,化工企業(yè)要注重日常的安全管理工作,加強(qiáng)生產(chǎn)車(chē)間員工對(duì)化學(xué)產(chǎn)品性質(zhì)和規(guī)范處理的了解,落實(shí)對(duì)企業(yè)易燃易爆物的系統(tǒng)化、專業(yè)化管理,加強(qiáng)對(duì)各級(jí)員工的安全素質(zhì)培訓(xùn),并設(shè)置獨(dú)立的應(yīng)急救援部門(mén),做到在企業(yè)安全事故發(fā)生時(shí)能第一時(shí)間趕到事故現(xiàn)場(chǎng)提供專業(yè)救援。

圖6 仙桃市化工企業(yè)爆炸事故貝葉斯網(wǎng)絡(luò)情景推演概率分布圖

(3)在中和斧溫度持續(xù)升高(S3)和應(yīng)急處置后中和斧溫度再度升高(S6)這兩個(gè)事故節(jié)點(diǎn),存在一定的概率讓事態(tài)走向積極的方向,避免爆炸事故的發(fā)生,這在很大程度上依賴于企業(yè)的救災(zāi)環(huán)境和應(yīng)急措施。因此,企業(yè)需要考慮做到更高效、更快速、更科學(xué)地進(jìn)行應(yīng)急救援,并在發(fā)生非人因觸發(fā)的爆炸事故時(shí),能夠做到扭轉(zhuǎn)事態(tài),避免發(fā)生爆炸給企業(yè)帶來(lái)嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。

4 結(jié)論

(1)利用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行非人為因素觸發(fā)的化工企業(yè)爆炸事故情景推演,可以直觀地看到化工企業(yè)爆炸事故發(fā)生的各個(gè)階段和各個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn),并計(jì)算各個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)生的概率,為企業(yè)制定非人因觸發(fā)安全事故應(yīng)急方案提供依據(jù)。

(2)案例分析暴露出化工企業(yè)中所存在的幾個(gè)嚴(yán)重的問(wèn)題:①企業(yè)的設(shè)計(jì)布局不符合安全生產(chǎn)規(guī)范,為了降低生產(chǎn)成本自行安裝調(diào)試設(shè)備,為后期危險(xiǎn)事故的發(fā)生留下了隱患;②我國(guó)很大一部分化工企業(yè)整體規(guī)模有限,直接導(dǎo)致其安全管理水平低下,員工雖在崗,卻缺乏系統(tǒng)性的救災(zāi)經(jīng)驗(yàn)和對(duì)化工產(chǎn)品性質(zhì)的充分了解,事故發(fā)生時(shí)救災(zāi)效率低;③部分企業(yè)招聘人才時(shí)預(yù)算有限,直接導(dǎo)致負(fù)責(zé)生產(chǎn)車(chē)間的員工文化水平和職業(yè)水平有限,不熟悉化工生產(chǎn)的各個(gè)過(guò)程,在處理化工產(chǎn)品爆炸事故時(shí)心有余而力不足。因此,我國(guó)化工企業(yè)需做出進(jìn)一步的改進(jìn)和優(yōu)化:①規(guī)范化工企業(yè)的設(shè)備及化工產(chǎn)品的日常管理,避免頻繁出現(xiàn)公司為節(jié)約成本自行安裝調(diào)試設(shè)備的情況;②化工企業(yè)應(yīng)當(dāng)提高人力資源預(yù)算,在安全生產(chǎn)環(huán)節(jié)選用專業(yè)人才,對(duì)整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行監(jiān)督和引導(dǎo),提升車(chē)間安全生產(chǎn)管理控制水平;③定期對(duì)員工進(jìn)行安全生產(chǎn)教育和化工專業(yè)知識(shí)培訓(xùn),做好生產(chǎn)車(chē)間應(yīng)急預(yù)案,定期組織事故模擬演習(xí)。

(3)未來(lái)將重點(diǎn)從以下3個(gè)方面開(kāi)展進(jìn)一步研究:①在確定事故節(jié)點(diǎn)條件概率時(shí),提高專家打分的客觀性和準(zhǔn)確性;②對(duì)更多同類型企業(yè)發(fā)生的爆炸事故進(jìn)行分析,進(jìn)一步提取出有利于提升化工企業(yè)應(yīng)急處置水平的信息,找到各案例的特殊性,并在此基礎(chǔ)上完善情景推演模型;③進(jìn)一步深入和細(xì)化貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)分布和結(jié)構(gòu),使得情景推演更加貼近于事故發(fā)生的真實(shí)情況,為企業(yè)的應(yīng)急處置和安全管理工作提供更為科學(xué)的依據(jù)。