基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的化工企業(yè)火災(zāi)爆炸事故情景推演

黃 輝副教授 唐 倩 蔡喜洋工程師 胡思成工程師 莊春吉高級實驗師

(1.寧波工程學(xué)院,浙江 寧波 315211;2.天津大學(xué)浙江研究院,浙江 寧波 315201;3.中國計量大學(xué),浙江 杭州 310018;4.寧波市危險化學(xué)品應(yīng)急救援研究中心,浙江 寧波 315825;5.寧波市應(yīng)急管理綜合服務(wù)保障中心,浙江 寧波 315066)

0 引言

化工產(chǎn)業(yè)在推動社會進步和促進經(jīng)濟發(fā)展過程中發(fā)揮著越來越重要的作用,已成為國民經(jīng)濟不可或缺的組成部分。化工生產(chǎn)過程往往環(huán)節(jié)多、流程較為復(fù)雜,其涉及的物料、工藝等存在較高的固有危險性,稍有不慎就會誘發(fā)事故,造成不可彌補的人員傷亡和財產(chǎn)損失。2016-2022年期間,共發(fā)生1179起危險化學(xué)品相關(guān)事故,導(dǎo)致1510人死亡,其中火災(zāi)爆炸類事故占比最多[1]?；て髽I(yè)火災(zāi)爆炸事故具有5個典型特點,即救援難度大、波及范圍廣、持續(xù)時間長、繼發(fā)危害高、潛在危險多[2]。因此,當(dāng)事故發(fā)生時快速掌握事故的具體情況及未來演化路徑,可有效輔助專家或指揮部做出正確的決策,減少事故損失。

開展面向化工企業(yè)火災(zāi)爆炸事故的相關(guān)研究具有顯著的社會效益。姜偉等[3]將AcciMap模型和層次網(wǎng)絡(luò)分析方法結(jié)合,開發(fā)了一種分析危險化學(xué)品生產(chǎn)線火災(zāi)和爆炸原因的方法;張江石等[4]以天津港“8.12”事故為例,基于外部環(huán)境、事件情景、應(yīng)急處置3類情景要素分析危險化學(xué)品事故的情景演變路徑。在情景推演研究方面,李健行等[5]用知識元表示非常規(guī)突發(fā)災(zāi)害事故的情景,利用動態(tài)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)對非常規(guī)突發(fā)災(zāi)害事故情景演變進行構(gòu)建;夏登友等[6]基于動態(tài)貝葉斯構(gòu)建非常規(guī)突發(fā)災(zāi)害事故動態(tài)情景網(wǎng)絡(luò),并利用聯(lián)合概率公式進行相應(yīng)節(jié)點變量的狀態(tài)概率計算,實現(xiàn)非常規(guī)突發(fā)災(zāi)害事故的關(guān)鍵情景推演;錢靜等[7]提出多維情景空間方法,構(gòu)建“案例—情景—對象—要素”4層架構(gòu)的案例模型,將情景表達(dá)為多維情景空間中由若干個“點”構(gòu)成的“軌跡”,實現(xiàn)對情景推演的量化描述;吳倩等[8]建立突發(fā)事件情景分析模型,并運用動態(tài)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型,構(gòu)建基于關(guān)鍵時間節(jié)點的突發(fā)事件情景演化模型。但Schnaars[9]曾指出,情景預(yù)測僅限于對環(huán)境的預(yù)測,而且對基本假設(shè)的要求較高,一旦假設(shè)出錯預(yù)測就會失敗,情景分析只適用于受少數(shù)幾個因素影響的事件,對于影響因素多的事件分析結(jié)果容易產(chǎn)生偏差。作為當(dāng)前有效應(yīng)對非常規(guī)突發(fā)事件的決策范式,“情景—應(yīng)對”方法可在聚焦于突發(fā)事件本身以提升策略針對性的同時,為應(yīng)急管理方案的制定提供指導(dǎo)性思路[10],但該方法在化工企業(yè)火災(zāi)爆炸事故演化過程及其應(yīng)急改進策略方面的研究較為少見。

在上述相關(guān)研究的基礎(chǔ)上,本文以化工企業(yè)火災(zāi)爆炸事故為分析對象,通過“情景—應(yīng)對”方法提取情景要素,依據(jù)知識元理論構(gòu)建情景模型,利用模糊貝葉斯網(wǎng)絡(luò)和Netica軟件計算各節(jié)點狀態(tài)概率,從而了解事故發(fā)展過程和演化路徑,為事故應(yīng)急救援相關(guān)方提供相應(yīng)的決策依據(jù),以便在發(fā)生類似事故時迅速做出較為精準(zhǔn)的決策。

1 化工企業(yè)火災(zāi)爆炸情景要素和情景演化路徑分析

化工企業(yè)火災(zāi)爆炸事故相對復(fù)雜多變,不僅受自身發(fā)生規(guī)律的制約,還受外部影響,但也存在一定的可預(yù)測性和規(guī)律性。通過對大量火災(zāi)爆炸事故的分析,提取化工企業(yè)火災(zāi)和爆炸事故發(fā)展的4個主要因素：情景狀態(tài)S、承載環(huán)境E、應(yīng)急措施A和處理目標(biāo)T。這4個主要因素之間的相互關(guān)系,如圖1。

圖1 事故情景要素關(guān)系圖Fig.1 Relationship diagram of accident scenario elements

化工企業(yè)的火災(zāi)爆炸通常在沒有外部力量干預(yù)的情況下發(fā)生,不可預(yù)測、無法確定。然而,當(dāng)化工企業(yè)發(fā)生火災(zāi)爆炸時,通過外部力量進行干預(yù),這種干預(yù)會改變事故的發(fā)展進程,導(dǎo)致產(chǎn)生不同的場景。在火災(zāi)爆炸事故的背景下,借助外部力量可使場景發(fā)展?fàn)顩r發(fā)生變化。根據(jù)火災(zāi)爆炸的具體情況,應(yīng)急決策者有不同的目標(biāo),會根據(jù)情況采取不同的應(yīng)急措施。例如,化工企業(yè)的火災(zāi)爆炸情景在外部力量的作用下一直持續(xù)到最后,如果一直堅持實施有效的應(yīng)急措施,情景狀態(tài)會結(jié)合外部力量和自然演變方向,向預(yù)期的方向發(fā)展,最終會得到有效控制,直至火災(zāi)熄滅。這是最樂觀的情況。然而,在現(xiàn)實中,這種情景狀況往往不太可能如期實現(xiàn)。由于化工企業(yè)的火災(zāi)充滿了不確定性,每一種情景都有幾種可能的路徑,消防和應(yīng)急決策者必須在每個階段做出謹(jǐn)慎的決定,以確?；馂?zāi)遵循最樂觀的路徑發(fā)展。因此,需要通過分析企業(yè)火災(zāi)情景中描述的發(fā)展路徑構(gòu)建化工企業(yè)火災(zāi)爆炸情景網(wǎng)絡(luò)。

2 化工企業(yè)火災(zāi)爆炸事故的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)情景推演模型

基于情景演化模型構(gòu)建貝葉斯網(wǎng)絡(luò)時要進行以下步驟：確定節(jié)點變量;確定節(jié)點變量間關(guān)系;計算節(jié)點概率?；镜哪Ｐ蜆?gòu)建完成后,再對事故進行定量分析。

2.1 確定節(jié)點變量

根據(jù)災(zāi)害情景,可以在情景中重新安排3個節(jié)點——承災(zāi)環(huán)境、應(yīng)急措施、處置目標(biāo)。確定網(wǎng)絡(luò)中每個節(jié)點變量是構(gòu)建貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的第一步[11]。由于構(gòu)建化工企業(yè)火災(zāi)爆炸動態(tài)的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)本質(zhì)上是對客觀世界的抽象表述,所以節(jié)點變量的確定對表述的準(zhǔn)確性尤為重要。首先,由專家根據(jù)火災(zāi)爆炸發(fā)展情況對選擇情景的評價設(shè)定一個閾值。如果專家對某一情景的評價超過一定的閾值,則認(rèn)為該情景對情景的演變很重要,可采用該情景狀態(tài)并根據(jù)情景演變的因果關(guān)系用一個箭頭表示。若低于閾值,則不采用該情景節(jié)點。

2.2 確定節(jié)點變量之間的關(guān)系

貝葉斯網(wǎng)絡(luò)是有向無環(huán)圖,只有在確定了節(jié)點之后,才能建立節(jié)點之間的聯(lián)系,這樣的網(wǎng)絡(luò)才是完整的。

化工企業(yè)火災(zāi)爆炸情景的發(fā)展復(fù)雜多變,確定其發(fā)展路徑是一個復(fù)雜的過程,發(fā)展路徑的準(zhǔn)確性取決于情景決策者的判斷。根據(jù)情景發(fā)展規(guī)律和對情景已有資料進行歸納,本研究將影響化工企業(yè)火災(zāi)爆炸情景發(fā)展的因素歸納為：S、E、A、T。E和A作為原因作用于S,S作用于T[12]。其初始因果關(guān)系,如圖2。在應(yīng)急措施A1中有多個情景要素A11,A12,…,A1m(m代表A1所含情景要素的個數(shù));承載環(huán)境E1中有多個情景要素E11,E12,…,E1k(k代表E1所含情景要素的個數(shù));A1和E1共同作用于火災(zāi)情景S1中的多個情景狀態(tài)S11,S12,…,S1l(l代表S1所含情景狀態(tài)的個數(shù));每個情景狀態(tài)又對應(yīng)不同的處置目標(biāo)T11,T12,…,T1t(t代表T1所含處置目標(biāo)的個數(shù)),其表達(dá)內(nèi)容形象結(jié)果,如圖2。

圖2 情景初始貝葉斯網(wǎng)絡(luò)圖Fig.2 Bayesian network diagram of initial scenario

2.3 計算節(jié)點概率

貝葉斯網(wǎng)絡(luò),如動態(tài)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)用概率來表示不確定性。概率的最基本規(guī)則是聯(lián)合事故概率[12]：

P(X,Y)=P(X|Y)P(Y)

(1)

利用全概率公式和乘法定理,并轉(zhuǎn)換貝葉斯定律,該方程的形式如下[11]：

(2)

式中：

P(X,Y)—事故X和Y發(fā)生的概率;

P(X|Y)—事故X在給定事故Y情況下發(fā)生的條件概率;

P(Y|X)—事故Y在給定事故X情況下發(fā)生的條件概率;

P(Y)—事故Y發(fā)生的概率;

P(X)—事故X發(fā)生的概率。

(3)

式中：

P(Hi)—先驗概率,是狀態(tài)i在任何情景發(fā)生前的概率;

因此,可以利用給出的先驗概率計算其他網(wǎng)絡(luò)節(jié)點變量的概率信息[12],即：

(4)

3 實例驗證

選取山東石大科技石化有限公司“7.16”較大著火爆炸事故為案例進行研究。廠區(qū)平面布置圖中方塊處為事故發(fā)生區(qū)域,如圖3。事發(fā)企業(yè)作業(yè)現(xiàn)場的罐區(qū)分布情況,如圖4。

圖3 廠區(qū)平面布置圖及事故發(fā)生區(qū)域圖Fig.3 Plant layout and accident areas

圖4 作業(yè)現(xiàn)場罐區(qū)分布圖Fig.4 Distribution of tanks at the operation site

3.1 事故描述

2015年7月16日7時39分,山東石大科技石化有限公司一球形液化烴罐在倒罐作業(yè)中因泄漏起火,引發(fā)意外爆炸,將其發(fā)展過程按時間順序進行描述。

7月16日7時37分38秒,連接6號罐的排水消防水帶液化石油氣泄漏,消防水帶飄起。

7月16日7時38分24秒,消防水帶不受控制劇烈甩動。

7月16日7時39分20秒,由于泄漏液化石油氣氣化遇上靜電或火花,發(fā)生爆燃。

7月16日7時40分12秒,撥打119請求救援。

7月16日9時16分,6號罐底部區(qū)域發(fā)生爆炸,全體官兵撤離到150m外,利用單位建筑物做掩體避險。

7月16日9時27分15秒,8號罐發(fā)生罐體撕裂并爆炸。

7月16日9時37分56秒,6號罐發(fā)生猛烈的粉碎性爆炸,現(xiàn)場形成蘑菇云爆炸,并導(dǎo)致2號罐倒塌著火,4號罐和7號罐受到不同程度的影響,廠區(qū)設(shè)施設(shè)備受到極大的破壞。

7月17日2時0分,罐頂火勢熄滅。

7月17日5時30分,技術(shù)人員登頂關(guān)閥。

7月17日7時24分,3個罐的氣相管閥門被關(guān)閉,罐區(qū)明火全部熄滅。

3.2 情景要素確定及推演

根據(jù)上述發(fā)展過程,以S、E、A、T為基礎(chǔ),設(shè)定13個情景狀態(tài)、7個對應(yīng)的承載環(huán)境、7個處置目標(biāo)和7項應(yīng)急措施,并對所選情景進行評估。當(dāng)計算評估結(jié)果超過給定閾值,這些情景可被確定為情景演變中的重要情景,具體情況,見表1。初始情景為S1由于倒罐作業(yè)無人看守導(dǎo)致的液化石油氣泄漏,若采取措施A1,及時關(guān)閉連接處閥門,則事故能得到有效處理,得到情景S2。若初始情景S1發(fā)生后,未及時發(fā)現(xiàn),液化石油氣會大量積聚,一旦出現(xiàn)火花或靜電就會引發(fā)燃爆,出現(xiàn)情景S3;若在此時企業(yè)立刻采取應(yīng)對措施,啟動重特大火災(zāi)事故預(yù)案,將事故發(fā)生點和周圍環(huán)境隔離,事故范圍將不會進一步擴大,得到場景S4。若S3發(fā)生后火勢迅速擴大波及周圍區(qū)域,就會產(chǎn)生場景S5;針對情景S5,若通過措施A5用移動炮冷卻,使火災(zāi)在爆發(fā)初期就得到有效控制,即可得到火勢得到控制的情景S6;在此基礎(chǔ)上加強冷卻,繼續(xù)完成事故的搜救和后續(xù)處理工作,即可得到事故得到有效處理的場景S7。若場景S5未得到控制,火災(zāi)將會進一步擴大,并使受燃燒時間最長的6號罐管線發(fā)生爆炸,得到場景S8。針對場景S8,若通過采取措施A8撤離至150m外,使用泡沫覆蓋滅火,加強冷卻,使事故得到有效控制,即可得到場景S9;若火災(zāi)未得到控制,則會進一步發(fā)展成場景S10。依次類推最終得到場景S13事故得到有效處理,火災(zāi)消失。

表1 山東石大科技石化有限公司“7.16”事故情景知識元Tab.1 Scenario knowledge element of Shandong Shida Technology &Petrochemical Co "7.16" accident

分析表1中的數(shù)據(jù),依照時間發(fā)展順序和各要素間關(guān)系進行情景模型的搭建[13],貝葉斯網(wǎng)絡(luò)情景推演,如圖5。

圖5 山東石大科技石化有限公司“7.16”火災(zāi)爆炸事故情景演變路徑示意圖Fig.5 Schematic diagram of the evolution path of the "7.16" fire and explosion accident scenario of Shandong Shida Technology Petrochemical Co., Ltd

3.3 計算事故情景概率

通過查閱比對與本研究相類似的關(guān)鍵情景要素[12-16],再通過合理推斷,確定該關(guān)鍵節(jié)點變量的先驗概率,部分?jǐn)?shù)據(jù),見表2。

表2 節(jié)點變量的先驗/條件概率表(節(jié)選)Tab.2 A priori/conditional probability tables for nodal variables (excerpt)

利用聯(lián)合概率計算公式,從S1開始計算表2中的各節(jié)點變量的狀態(tài)概率。

情景狀態(tài)S1為True的狀態(tài)概率[13]為：P(S1=True)=P(A1=True)×P(E1=True)×P(S1=True|A1=True,E1=True)+P(A1=False)×P(E1=False)×P(S1=True|A1=False,E1=False)+P(A1=True)×P(E1=False)×P(S1=True|A1=True,E1=False)+P(A1=False)×P(E1=True)×P(S1=True|A1=False,E1=True)=0.93則情景狀態(tài)S1為False的狀態(tài)概率為P(S1=False)=1-P(S1=True)=0.07。依次類推,利用Netica計算各節(jié)點變量的狀態(tài)概率,如圖6。

圖6 貝葉斯網(wǎng)絡(luò)Netica仿真結(jié)果Fig.6 Bayesian networks Netica simulation result

3.4 結(jié)果分析

(1)垂直排列6個關(guān)鍵情景節(jié)點S1、S3、S5、S8、S10、S12,代表不期望發(fā)展的方向;水平排列S2、S4、S7、S9、S11、S13,代表有事故消失傾向的情景節(jié)點。這說明事故演變成消極情景的概率仍然很高,這一方面與應(yīng)急措施的合理與否有關(guān);另一方面與外部環(huán)境的復(fù)雜性有關(guān)。然而這并不意味著應(yīng)急措施不起作用,而是意味著它們在一定程度上減緩了事故的發(fā)展,減少了潛在的損失[15]。

(2)S1是本次事故情景的初始情景狀態(tài),一開始的承災(zāi)環(huán)境會導(dǎo)致事故發(fā)生的可能性非常高,該問題的產(chǎn)生說明企業(yè)在作業(yè)規(guī)范和安全文化管理方面有所欠缺,員工在作業(yè)時容易隨心所欲、按照自己的經(jīng)驗做事,倒罐作業(yè)應(yīng)有人員在現(xiàn)場監(jiān)督,而在此次火災(zāi)爆炸事故中因為人員的疏忽,無人監(jiān)管倒罐作業(yè),導(dǎo)致此次事故發(fā)生;現(xiàn)有應(yīng)急措施是以人的行為和應(yīng)急管理為基礎(chǔ),需要對公司的員工進行更好的培訓(xùn),并改進相關(guān)的作業(yè)管理流程。

(3)此次火災(zāi)爆炸事故發(fā)生可能性最大的情景為S1、S8、S3、S10等場景,其發(fā)生概率分別為93%、83%、78%、77%。液化石油氣從排水管泄漏最常發(fā)生在液化烴罐清空過程中,或由于無人值守現(xiàn)場的監(jiān)管人員不注意而造成。這些關(guān)鍵情景可以幫助決策者提出更有針對性和更有效的控制措施,根據(jù)關(guān)鍵情景改善管道泄漏的緊急控制措施。本次事故的改善措施包括加強倒罐作業(yè)監(jiān)督、改進泄漏的預(yù)密封、加強易燃易爆氣體的稀釋及加強明火出現(xiàn)后的消防工作等[16]?？傮w上,情景演變路徑一般遵循泄漏、火災(zāi)和爆炸的順序,驗證了模型的有效性。

(4)在情景事件中,S12的概率相對較低,而且該階段的承載環(huán)境在事故發(fā)展中發(fā)揮著有利效果,這意味著與其他節(jié)點相比,S10后的應(yīng)對措施在防止更嚴(yán)重的事故方面是最有效的,也說明現(xiàn)有應(yīng)急計劃和應(yīng)急措施在該階段相對來說最為有效。

(5)關(guān)鍵情景狀態(tài)節(jié)點的S8爆炸概率高,說明前期采取的冷卻移動炮的措施已經(jīng)不能起到有效作用,事故的發(fā)展速度較快,現(xiàn)有應(yīng)急管理方法和外部環(huán)境不足以減輕現(xiàn)有的危害,所以事故發(fā)生的概率很高。因此,可通過增設(shè)報警系統(tǒng)、定期檢查相關(guān)設(shè)備、完善運行控制體系來預(yù)防事故發(fā)生。

(6)節(jié)點S3、S8的發(fā)生概率分別為78%、83%,可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)液化石油氣泄漏發(fā)生時,及時發(fā)現(xiàn)并采取相關(guān)措施阻止火花或靜電引爆泄漏氣體,或者在火災(zāi)發(fā)生后及時采取應(yīng)急措施使溫度降到合適范圍等,對事故朝著樂觀方向發(fā)展起著積極作用。因此,當(dāng)事故發(fā)生后應(yīng)及時采取措施,切斷事故發(fā)展路徑,減小事故損失。

4 結(jié)論

(1)本文研究了構(gòu)成化工企業(yè)火災(zāi)爆炸事件的情景要素,并將其與火災(zāi)爆炸本身的特點相結(jié)合,其演化路徑一般遵循泄漏、火災(zāi)和爆炸的順序。利用Netica計算狀態(tài)概率,研究事故發(fā)展過程中所采取應(yīng)急措施的有效性,所得結(jié)果可為相關(guān)專家或救援指揮人員準(zhǔn)確評估火災(zāi)趨勢和在緊急情況下做出更有效的決策提供依據(jù)。

(2)通過分析山東石大科技石化有限公司“7.16”較大著火爆炸事故,利用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)分析化工企業(yè)火災(zāi)爆炸場景的狀態(tài)和概率,描述事故發(fā)展過程,并預(yù)測事故發(fā)展方向,最后確定事故發(fā)展過程中的薄弱環(huán)節(jié)。由此提出要加強作業(yè)規(guī)范、增強企業(yè)安全管理、增設(shè)報警裝置、定期檢查作業(yè)設(shè)備、完善運行控制體系等措施,以增強企業(yè)作業(yè)過程的安全性。

(3)通過構(gòu)建情景模型快速描述事故情景可為類似事故提供決策依據(jù),但由于一次事故只能代表一種發(fā)展路徑,且知識元高度依賴于抽樣數(shù)據(jù),所以存在一定的局限性。因此,下一步可以考慮基于知識元的動態(tài)情景模型為突發(fā)事故緊急狀態(tài)下的決策提供依據(jù),通過更加科學(xué)的方法來處理不確定的數(shù)據(jù),以期更準(zhǔn)確地描述非傳統(tǒng)的、突發(fā)的事故情景,以此對事故做出快速概述。