基于FTA-BN模型的有限空間作業(yè)事故案例分析

王 乾 袁嘉淙 柴文浩

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 應(yīng)急管理與安全工程學(xué)院,北京 100083)

0 引言

有限空間作業(yè)事故在危險(xiǎn)化學(xué)品(以下簡(jiǎn)稱?；?行業(yè)、工貿(mào)企業(yè)、建筑施工等行業(yè)、領(lǐng)域時(shí)有發(fā)生,造成嚴(yán)重人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。為加大力度提升有限空間安全生產(chǎn)工作,國(guó)家出臺(tái)一系列法律法規(guī)和政策文件,相關(guān)企業(yè)也制定規(guī)范性文件。然而,在實(shí)際操作中受到多方面因素的限制,如安全意識(shí)淡薄、培訓(xùn)效果不佳、監(jiān)督管理缺欠等,相應(yīng)的管制規(guī)范措施難以執(zhí)行或無(wú)法有效規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)[1]。尤其是中毒窒息引起的有限空間作業(yè)事故和盲目施救導(dǎo)致的事故傷亡損失擴(kuò)大現(xiàn)象近些年依然頻繁多發(fā)[2]。因此,強(qiáng)化對(duì)有限空間作業(yè)危險(xiǎn)有害因素辨識(shí)、事故致因機(jī)理的探析對(duì)防范事故的發(fā)生有著重要作用,對(duì)保障人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全、加強(qiáng)企業(yè)安全生產(chǎn)有著深刻的意義。

有限空間,又稱受限空間,是指封閉或部分封閉、進(jìn)出口受限但人員可以進(jìn)入,未被設(shè)計(jì)為固定工作場(chǎng)所,通風(fēng)不良,易造成有毒有害、易燃易爆物質(zhì)積聚或氧含量不足的空間,分為地下密閉空間(地下管道、隧道、地坑、廢井、下水道、化糞池等)、地上密閉空間(酒糟池、發(fā)酵池、腌漬池、紙漿池、糧倉(cāng)、料倉(cāng))和密閉設(shè)備(貯罐、車載槽罐、反應(yīng)塔、窯爐、管道、鍋爐)3類。

有限空間作業(yè)具備的特點(diǎn)包括:空間有限,與外界相對(duì)隔離;進(jìn)出口受限或進(jìn)出不便,但作業(yè)人員能夠進(jìn)入開(kāi)展有關(guān)工作;未按固定工作場(chǎng)所設(shè)計(jì),作業(yè)人員在需要的情況下進(jìn)行臨時(shí)性工作;通風(fēng)不良,易造成有毒有害、易燃易爆物質(zhì)積聚或氧含量不足。有限空間作業(yè)存在的主要安全風(fēng)險(xiǎn)種類包括中毒、缺氧窒息、火災(zāi)爆炸和其他安全風(fēng)險(xiǎn)。

本研究收集有限空間作業(yè)事故案例,并選取典型事故案例,對(duì)該事故的原因進(jìn)行分析;再經(jīng)分析全部案例的基本信息和主要特征,從“人—機(jī)—環(huán)—管”4個(gè)維度總結(jié)凝練出有限空間作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)因素,采用事故樹(shù)分析、模糊數(shù)處理和貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型從定性和定量相結(jié)合的方式出發(fā),分析有限空間作業(yè)事故的主要風(fēng)險(xiǎn)因素及因素間的關(guān)聯(lián)性。以期掌握有限空間作業(yè)事故的發(fā)生規(guī)律和影響機(jī)理,為構(gòu)建事故分析模型、預(yù)防減少事故發(fā)生及制定防范舉措提供理論依據(jù)和真實(shí)案例借鑒。

1 理論基礎(chǔ)

1.1 事故樹(shù)分析

事故樹(shù)分析法(Fault Tree Analysis,FTA)以最不希望發(fā)生的事件(頂上事件)作為目標(biāo)事件,找出系統(tǒng)內(nèi)可能發(fā)生的基本事件,即人、機(jī)、環(huán)、管等因素造成的失效事件,以及各事件之間的邏輯關(guān)系,用倒立樹(shù)狀圖表示出來(lái),在風(fēng)險(xiǎn)管理領(lǐng)域通常用作事故發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)的辨識(shí)和評(píng)估。事故樹(shù)是由各種符號(hào)和連接的邏輯門(mén)組成,常見(jiàn)符號(hào)有:矩形符號(hào)(頂上事件、中間事件)、圓形符號(hào)(基本事件)、屋形符號(hào)(正常事件)和菱形符號(hào)(省略事件);邏輯門(mén)符號(hào)有:與門(mén)、或門(mén)、條件與門(mén)、條件或門(mén)和限制門(mén),最常見(jiàn)的就是與門(mén)符號(hào)和或門(mén)符號(hào)。

1.2 模糊理論

模糊理論(Fuzzy Theory)是用到了模糊集合的基本概念或連續(xù)隸屬度函數(shù)的理論。可劃分為模糊數(shù)學(xué)、模糊系統(tǒng)、不確定性和信息、模糊決策、模糊邏輯與人工智能5個(gè)部分。廣泛應(yīng)用的模糊綜合評(píng)價(jià)法是根據(jù)模糊數(shù)學(xué)的隸屬度理論將定性評(píng)價(jià)轉(zhuǎn)化為定量評(píng)價(jià)的方法。該方法首先確定被評(píng)價(jià)對(duì)象的指標(biāo)集合,再分別確定各個(gè)指標(biāo)的權(quán)重及隸屬函數(shù),獲得模糊評(píng)判矩陣,最后把模糊評(píng)判矩陣與指標(biāo)的權(quán)矢量進(jìn)行模糊計(jì)算并歸一化處理,得到綜合模糊評(píng)價(jià)結(jié)果。具有可操作性強(qiáng)、結(jié)果清晰的特點(diǎn),能夠較好解決模糊不確定和難以量化的問(wèn)題。

1.3 貝葉斯網(wǎng)絡(luò)

貝葉斯網(wǎng)絡(luò)(Bayesian Network,BN),即信度網(wǎng)絡(luò),是進(jìn)行不確定知識(shí)表達(dá)推理的理論模型之一。是基于概率知識(shí)為基礎(chǔ)進(jìn)行概率推理,通過(guò)節(jié)點(diǎn)間的邏輯關(guān)系完成系統(tǒng)內(nèi)的不確定性推理,可以基于先驗(yàn)概率通過(guò)貝葉斯公式求得后驗(yàn)概率。其構(gòu)成是由選取的變量節(jié)點(diǎn)以及連接節(jié)點(diǎn)有向邊組成的有向無(wú)環(huán)圖,其中節(jié)點(diǎn)表示變量或者因素,有向邊是由父節(jié)點(diǎn)指向連結(jié)的子節(jié)點(diǎn)表示節(jié)點(diǎn)間的邏輯關(guān)系,條件概率用于表示節(jié)點(diǎn)之間的關(guān)系強(qiáng)度,沒(méi)有父節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)則用先驗(yàn)概率表示。

1.4 FTA-BN模型

本研究將有限空間作業(yè)事故作為頂上事件,按照邏輯推理的方法層層向下分析造成事故的原因,直到找出所有的基本事件,用與門(mén)和或門(mén)表示出事件間的關(guān)系。通過(guò)事故樹(shù)分析,更詳細(xì)全面的將事故發(fā)生的原因和影響因素梳理出來(lái),通過(guò)控制一些特定組合的風(fēng)險(xiǎn)因素可以有效降低事故風(fēng)險(xiǎn),預(yù)防事故的發(fā)生[3]。

將基本事件作為評(píng)價(jià)指標(biāo)邀請(qǐng)行業(yè)領(lǐng)域?qū)＜?按照專家打分法賦予評(píng)價(jià)指標(biāo)相應(yīng)權(quán)重,建立適合的隸屬函數(shù)從而構(gòu)建隸屬矩陣,最終得到每個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因素的具體概率[4]。

再運(yùn)用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和條件概率表,通過(guò)模糊數(shù)處理的基本事件先驗(yàn)概率得到頂上事件發(fā)生概率,最后反向推斷出基本事件發(fā)生的后驗(yàn)概率[5]。

將貝葉斯網(wǎng)絡(luò)和事故樹(shù)相結(jié)合不但可以定性和定量分析有限空間作業(yè)事故案例中基本影響事件的整體邏輯和發(fā)生概率,還可以達(dá)到雙向推理的目的,有利于探析出需要加強(qiáng)管控的事故風(fēng)險(xiǎn)因素。

2 事故案例

本文以近10年內(nèi)148起擁有完整事故調(diào)查報(bào)告的較大及以上有限空間作業(yè)事故,分析歸納出事故的作業(yè)地點(diǎn)、作業(yè)類型和事故類型等基本信息,見(jiàn)表1。表1中數(shù)據(jù)顯示,事故發(fā)生地點(diǎn)以地下有限空間最多114起,約占統(tǒng)計(jì)事故總數(shù)的77%;事故類型以中毒最多111起,約占統(tǒng)計(jì)事故總數(shù)的75%;對(duì)地下有限空間事故的進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)發(fā)生在污水處理站的數(shù)量最多,約占地下有限空間事故總起數(shù)的50%;中毒窒息、清理維修、盲目施救是有限空間作業(yè)事故最常見(jiàn)的情況[6]?；诖?選取具有代表性的事故案例——濰坊某化工有限公司“4.9”較大中毒窒息事故進(jìn)行分析。

表1 近10年部分較大及以上有限空間事故案例基本信息Tab.1 The basic information of some large and above confined space accidents in recent 10 years

2.1 事故經(jīng)過(guò)

2015年4月9日,濰坊某化工有限公司發(fā)生有限空間作業(yè)中毒窒息事故,造成3人死亡、2人受傷,直接經(jīng)濟(jì)損失約330萬(wàn)元。

事故發(fā)生于該公司的污水處理站好氧池,污水處理站主要處理丙烯醛車間生產(chǎn)的工業(yè)廢水。2015年4月9日8:00上班后,各車間組織工作人員進(jìn)行檢修作業(yè),趙某林和楊某進(jìn)入好氧池檢查空氣管道和噴頭故障時(shí)發(fā)生硫化氫中毒窒息。9:40左右,曾某國(guó)路過(guò)氧化池,想上前施救將其拖到池邊,中途感到呼吸困難,就立即跑到池邊呼吸新鮮空氣并大聲呼救。王某忠、王某洪、張某成、袁某文等人聞?dòng)嵡皝?lái)救援,施救過(guò)程中,王某洪、張某成先后中毒,王某忠、袁某文感到不適立即退出。在采取破壞塑料布通風(fēng)、送氧氣等措施后,王某忠等人再次進(jìn)行救援,將王某洪、張某成、趙某林和楊某從好氧池救出。救護(hù)車將受傷人員送至濱海人民醫(yī)院進(jìn)行搶救,張某成、趙某林和楊某3人經(jīng)搶救無(wú)效死亡,王某洪和袁某文2人受輕傷。

2.2 事故原因分析

將該事故原因劃分為直接原因和間接原因,事故的直接原因是污水處理站好氧池大棚形成有限空間,廢水在生化處理過(guò)程中產(chǎn)生硫化氫等有毒有害氣體并發(fā)生集聚;作業(yè)人員沒(méi)有佩戴過(guò)濾式防毒面具或氧氣呼吸器等防護(hù)裝備;違規(guī)操作進(jìn)行好氧池檢查工作,中毒窒息導(dǎo)致死亡;安全意識(shí)淡薄,施救人員在未佩戴任何防護(hù)裝備的情況下盲目施救,造成事故進(jìn)一步擴(kuò)大等。事故的間接原因是該化工企業(yè)安全生產(chǎn)主體責(zé)任落實(shí)不到位,污水處理設(shè)施變更管理不到位;有限空間作業(yè)管理不到位、企業(yè)安全教育培訓(xùn)不到位;企業(yè)安全隱患排查治理不到位;應(yīng)急處置規(guī)范性文件缺失等。

3 事故分析

3.1 影響因素劃分

根據(jù)148起事故調(diào)查報(bào)告、文獻(xiàn)資料和專家訪談等,將有限空間作業(yè)事故原因分為人的不安全行為、物的不安全狀態(tài)、安全管理的缺陷和環(huán)境的不安全因素4個(gè)部分[7]。其中,人的不安全行為是指引起有限空間作業(yè)事故發(fā)生或者對(duì)事故有重要影響的行為(行為引發(fā)者包括直接導(dǎo)致事故發(fā)生的作業(yè)人員和組織內(nèi)的其他人員),分為違規(guī)作業(yè)、作業(yè)危險(xiǎn)不清楚和通風(fēng)監(jiān)測(cè)不到位;物的不安全狀態(tài)是指引起事故發(fā)生或有安全隱患的有限空間本身、設(shè)施和裝備等物質(zhì)條件,分為設(shè)備本質(zhì)安全性不高和空間隔離不到位;安全管理的缺陷是指有限空間作業(yè)相關(guān)的安全方針、組織結(jié)構(gòu)和程序文件等安全管理體系存在不足和問(wèn)題,分為管理制度不完善和應(yīng)急管理不到位;環(huán)境的不安全因素是指有限空間作業(yè)環(huán)境存在導(dǎo)致事故發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)因素,分為有毒有害氣體超標(biāo)和其他環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)[8]?；谝陨嫌邢蘅臻g作業(yè)事故影響因素的劃分,建立事故樹(shù)(如圖1),事故樹(shù)中符號(hào)對(duì)應(yīng)的事件,見(jiàn)表2。

圖1 有限空間作業(yè)事故樹(shù)Fig.1 The fault tree for the confined space operation

表2 有限空間作業(yè)事故樹(shù)的符號(hào)與事件對(duì)應(yīng)關(guān)系Tab.2 The correspondence between symbol and event in the fault tree for the confined space operation

3.2 事件概率分析

有限空間作業(yè)事故樹(shù)中基本事件的發(fā)生概率由于具有模糊性和不確定性,無(wú)法直接得到具體概率,需要在有限空間作業(yè)事故案例數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上根據(jù)行業(yè)專家判斷進(jìn)行賦值,再利用自然語(yǔ)言模糊化處理得出基本事件發(fā)生概率[9]。從相關(guān)領(lǐng)域邀請(qǐng)4位專家組成評(píng)判小組,評(píng)判時(shí)專家使用模糊語(yǔ)言值代替固定值進(jìn)行打分,對(duì)有限空間作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)因素的發(fā)生概率使用{低,較低,中,較高,高}5個(gè)模糊等級(jí),利用模糊綜合評(píng)價(jià)法處理不確定信息,用線性分布函數(shù)三角模糊數(shù)和梯形模糊數(shù)來(lái)表示專家的模糊語(yǔ)言。

三角模糊數(shù)A1=(a1,b1,c1),梯形模糊數(shù)A2=(a2,b2,c2,d2)。a,b,c,d∈實(shí)數(shù)集R。隸屬度函數(shù)表達(dá)式如式(1)、(2)。

(1)

(2)

其中,a,b,c,d∈[0,1]。

在模糊數(shù)處理中,加減乘除等基本運(yùn)算可以通過(guò)λ截集實(shí)現(xiàn),可引入截集將模糊數(shù)轉(zhuǎn)化為區(qū)間數(shù)進(jìn)行計(jì)算,模糊等級(jí)和λ截集,見(jiàn)表3。

表3 模糊等級(jí)和λ截集Tab.3 Fuzzy scale and λ cut set

設(shè)定所有專家的評(píng)判權(quán)重相同,將每一項(xiàng)截集相加取平均即可得到平均模糊數(shù)。再運(yùn)用左右模糊排序法將模糊數(shù)轉(zhuǎn)化為模糊可能值(Fuzzy Possibility Score,FPS),FPS代表專家對(duì)某一事件發(fā)生可能性的信任度[10],最終模糊數(shù)的FPS由式(3)-(7)進(jìn)行計(jì)算。

(3)

(4)

(5)

(6)

式中:

sup—表示上確界;

f(x)—為隸屬度函數(shù);

FPSL(x)—左模糊可能性值;

FPSR(x)—右模糊可能性值。

FPS(x)=[1-FPSL(x)+FPSR(x)]/2

(7)

將FPS轉(zhuǎn)化為最終失效率數(shù)值(Fuzzy Failure Rate,FFR)[11],即貝葉斯網(wǎng)絡(luò)分析模型中事故樹(shù)基本事件的先驗(yàn)概率,由式(8)計(jì)算。

(8)

其中,k=[(1-FPS)/FPS]1/3×2.301。

事故樹(shù)中的基本事件對(duì)應(yīng)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)中的非根節(jié)點(diǎn),將事故樹(shù)中與門(mén)和或門(mén)邏輯關(guān)系轉(zhuǎn)化為貝葉斯網(wǎng)絡(luò)對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)的條件概率,將事故樹(shù)轉(zhuǎn)化為貝葉斯網(wǎng)絡(luò)[12],有限空間作業(yè)事故貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型,如圖2。

圖2 有限空間作業(yè)事故貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型Fig.2 The Bayesian network model for operational accidents in the confined space

根據(jù)以上計(jì)算公式得到的基本事件先驗(yàn)概率與條件概率,在此基礎(chǔ)上,將其輸入貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型中得到各基本事件的后驗(yàn)概率,見(jiàn)表4。

表4 基本事件的先驗(yàn)概率和后驗(yàn)概率Tab.4 The prior probability and the posterior probability of the basic event

基本事件的先驗(yàn)概率是通過(guò)以往有限空間作業(yè)事故案例數(shù)據(jù)收集和專家經(jīng)驗(yàn)分析共同推理得出,而后驗(yàn)概率是在已知事故發(fā)生情況下重新修正得到的更加貼近真實(shí)狀況的事件發(fā)生概率。在有限空間作業(yè)事故中風(fēng)險(xiǎn)概率大小排序依次為盲目施救、中毒窒息、可燃?xì)怏w爆炸等,調(diào)查結(jié)果符合收集案例中事故原因統(tǒng)計(jì)信息,而且具有明顯的有限空間作業(yè)工作屬性特征[13]。

4 對(duì)策措施

為有效預(yù)防有限空間作業(yè)事故的發(fā)生,必須從事故致因角度出發(fā),對(duì)發(fā)生概率和影響程度較大的風(fēng)險(xiǎn)因素提出針對(duì)性的對(duì)策措施。

針對(duì)中毒窒息、可燃?xì)怏w爆炸基本事件,應(yīng)該堅(jiān)持“先通風(fēng)、再檢測(cè)、后作業(yè)”重要原則。有限空間普遍存在通風(fēng)不良的情況,在進(jìn)行有限空間作業(yè)前通風(fēng)處理是最基礎(chǔ)的準(zhǔn)備工作。通風(fēng)后,進(jìn)行有限空間氣體檢測(cè),嚴(yán)格按照相關(guān)國(guó)家法律法規(guī)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定進(jìn)行,檢測(cè)指標(biāo)應(yīng)該包括氧濃度、有毒有害氣體濃度、易燃易爆物質(zhì)濃度等[14]。通風(fēng)和檢測(cè)合格前,任何人員不得進(jìn)入有限空間作業(yè),檢查記錄應(yīng)該由安全監(jiān)管人員簽字確認(rèn)后存檔。

當(dāng)作業(yè)過(guò)程突發(fā)危險(xiǎn),應(yīng)避免盲目施救,可根據(jù)實(shí)際情況采取非進(jìn)入式救援或進(jìn)入式救援方式[15]。當(dāng)有限空間內(nèi)的作業(yè)人員還有意識(shí),應(yīng)采取積極自救行為,可使用隔絕式緊急逃生呼吸器等逃生裝備;若失去意識(shí),救援人員應(yīng)該通過(guò)安全繩索與有限空間外的掛點(diǎn)連接將受困人員移出有限空間或者采取科學(xué)防護(hù)措施在保障自身安全前提下進(jìn)入有限空間實(shí)施救援。

5 結(jié)論

(1)本研究結(jié)合事故樹(shù)和貝葉斯網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建有限空間作業(yè)事故原因分析模型,研究發(fā)現(xiàn),盲目施救、中毒窒息和可燃?xì)怏w爆炸是有限空間作業(yè)事故發(fā)生的主要風(fēng)險(xiǎn)因素,監(jiān)督管理不到位、應(yīng)急救援、演練缺失等情況也需要加強(qiáng)整治和改進(jìn)。

(2)構(gòu)建的有限空間作業(yè)事故FTA-BN模型,采用模糊計(jì)算方法,在事故報(bào)告信息數(shù)據(jù)較不完善情況下,可以充分降低事故分析模型的不確定性和模糊性,為有限空間作業(yè)的研究提供科學(xué)的理論依據(jù)。

(3)在研究中計(jì)算有限空間作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)因素發(fā)生概率還存在較為主觀的問(wèn)題,后續(xù)研究還需要收集大量案例數(shù)據(jù)作為支撐,可繼續(xù)改進(jìn)算法優(yōu)化模型,以彌補(bǔ)現(xiàn)階段研究的不足。