基于BN-FCEM的化工企業(yè)安全風險分析方法

潘李冬,鄭 宇,鄭 娟,3,4,徐 斌,劉廣哲,楊丁丁,3,4*

(1.浙江海洋大學石油化工與環(huán)境學院,浙江 舟山 316022;2.浙江海洋大學船舶與海運學院,浙江 舟山316022;3.臨港石油天然氣儲運技術國家地方聯(lián)合工程研究中心,浙江 舟山 316022;4.浙江省石油化工環(huán)境污染控制重點實驗室,浙江 舟山 316022;5.中化舟山?；窇本仍赜邢薰?浙江 舟山 316022)

危險化學品指對人體、設施和環(huán)境具有危害,且本身具有毒害、腐蝕、易燃、易爆、助燃等性質(zhì)的劇毒化學品和其他化學品[1],它主要存在于化工企業(yè)的生產(chǎn)、存儲、運輸?shù)拳h(huán)節(jié)。中國是世界上第二大危險化學品生產(chǎn)國[2],危險化學品的衍生產(chǎn)品已經(jīng)深入其生活的各個方面。然而,由于危險化學品的高危性質(zhì),在化工企業(yè)運轉(zhuǎn)的各個環(huán)節(jié),往往會發(fā)生對社會經(jīng)濟、生態(tài)環(huán)境以及人員生命安全造成極大破壞與威脅的危害事故[3]。如2015年發(fā)生的天津港“8·12”瑞海公司危險品倉庫特別重大火災爆炸事故,事故共造成165人遇難、8人失蹤、798人受傷,直接經(jīng)濟損失達68.66億元[4];2019年發(fā)生的江蘇響水“3·12”特大爆炸事故,事故共造成78人死亡、76人重傷,并造成大氣、水體嚴重污染[4],直接經(jīng)濟損失達19.86億元。尤其,隨著我國經(jīng)濟主體的規(guī)模化、集約化發(fā)展進程不斷深入,對化工企業(yè)結構進行了優(yōu)化調(diào)整,如在“十四五”規(guī)劃的引導下化工項目進區(qū)入園,促進了化工企業(yè)高水平集聚發(fā)展,推進了化工企業(yè)的優(yōu)化重組,從而形成了化工企業(yè)集中一體化發(fā)展模式[5],在此種條件下,若化工企業(yè)運轉(zhuǎn)過程中一旦發(fā)生危險化學品危害事故,極易造成風險難以預測和控制的復合型災害,使災害范圍擴大,風險上升[6],這將給我國化工企業(yè)的安全健康發(fā)展帶來了極大挑戰(zhàn)。因此,有必要對化工企業(yè)中的風險因素進行全面分析識別,并綜合化工企業(yè)生產(chǎn)工藝特點和事故特征,研發(fā)化工企業(yè)危險化學品事故定量風險分析方法。

近些年來,學者們對化工企業(yè)安全風險評估與分析進行了大量的研究。如:Zhang等[7]基于HFACS模型,結合2006—2010年我國發(fā)生的1 632起危險化學品事故,進行了事故致因分析;Zhao等[8]從事故特征與致因、概率預測和安全管理評價等角度分析了2006—2017年我國發(fā)生的3 974起危險化學品傷亡事故,并提出了通過分析、預測和評價改進危險化學品安全管理措施的方法;Lv等[9]基于灰色聚類并結合可拓層次分析法對化工企業(yè)安全生產(chǎn)風險進行了評估;Miao等[10]將改進的BP神經(jīng)網(wǎng)絡融入控制圖,構建了化工企業(yè)動態(tài)安全風險評估模型;Lu等[11]基于CPEA的貝葉斯網(wǎng)絡(BN)模型,對化工企業(yè)風險因素之間的相互作用以及其對事故后果的影響進行了評估。然而,這些研究主要是針對化工企業(yè)危險化學品事故風險發(fā)生的概率問題,缺少對事故風險損失的研究。根據(jù)《風險管理術語》(GB/T 23694—2013)[12]中風險的定義:風險指某種特定的危險事件發(fā)生的可能性及其產(chǎn)生的風險損失的組合,即風險包含兩個要素:風險概率和風險損失。Dakkoune等[13]等基于法國1974—2014年期間發(fā)生的169起化工事故案例,結合事故后果以及事故致因頻率,對化工企業(yè)發(fā)生事故的風險進行了半定量分析,并針對分析結果提出了合理的建議,但未考慮事故整體的風險損失。因此,建立綜合考慮風險概率和風險損失的化工企業(yè)安全風險評價模型具有重要的現(xiàn)實意義。

本文針對化工企業(yè)安全風險辨別及評估問題,提出了一種基于貝葉斯網(wǎng)絡(BN)和模糊綜合評價(FCEM)的化工企業(yè)安全風險評估方法。首先,該方法基于文獻瀏覽、專家咨詢以及《生產(chǎn)過程危險和有害因素分類與代碼》(GB/T 13861—2022)中的生產(chǎn)過程危險和有害因素分類,建立了化工企業(yè)安全風險因素評價指標體系;然后,基于風險因素評價指標體系,建立化工企業(yè)安全風險BN模型,評估化工企業(yè)事故的風險概率,并基于FCEM分析化工企業(yè)事故的風險損失;最后,結合風險概率和風險損失分析結果,得到化工企業(yè)的重要風險因素和風險等級,以期為化工企業(yè)安全風險管理提供決策輔助。

1 化工企業(yè)安全風險分析方法

為了使化工企業(yè)安全風險分析方法更加符合實際,提出了綜合考慮風險概率和風險損失的化工企業(yè)安全風險評價模型。在模型中,引入了結合模糊理論集(FTS)和Noise-or gate的混合方法,解決了BN中傳統(tǒng)專家評估不精確的問題。建立化工企業(yè)安全風險評價模型的流程,見圖1。

圖1 基于BN-FCEM的化工企業(yè)安全風險評估路線Fig.1 Safety risk assessment route of chemical enterprises based on BN-FCEM

1.1 貝葉斯網(wǎng)絡(BN)

貝葉斯網(wǎng)絡(Bayesian network,BN)是Peari在1988年提出的一種基于貝葉斯理論的概率模型[14]。該模型由有向無環(huán)圖和條件概率表組成,有向無環(huán)圖由代表隨機變量的節(jié)點和節(jié)點間因果關系的有向弧構成,節(jié)點由父節(jié)點指向子節(jié)點,其中無父節(jié)點的節(jié)點稱為根節(jié)點,無子節(jié)點的節(jié)點稱為葉節(jié)點[14]。BN結構示意圖見圖2,其中B為D、E的子節(jié)點,C為F的子節(jié)點,D、E、F為根節(jié)點,A為葉節(jié)點。

圖2 貝葉斯網(wǎng)絡(BN)結構示意圖Fig.2 Diagram of Bayesian network(BN) structure

假設A、B為兩個基本事件,則有:

(1)

假設E為樣本空間,B1,B2,…,Bn為樣本空間的完備事件組,則有:

(2)

式中:P(A|Bi)表示Bi發(fā)生時A發(fā)生的概率。

(3)

式中:P(Bi)為事件Bi的先驗概率;P(Bi|A)為事件Bi的后驗概率。

1.2 模糊綜合評價法(FCEM)

模糊綜合評價法(fuzzy comprehensive evaluation method,FCEM)是由AZdah在1995年提出的一種基于模糊數(shù)學的綜合評價方法[15]。該方法計算事故的風險損失主要分為以下5個步驟:

1) 建立風險評價指標集X=[X1,X2,…,Xn];

2) 建立風險損失等級集Q=[Q1,Q2,…,Qn];

3) 確定隸屬度向量B=[Bj1,Bj2,…,Bjk]T;

4) 構建兩兩比較矩陣A=[A1,A2,…,An],確定指標權重集W=[W1,W2,…,Wn];

5) 模糊綜合評價,即V=W×B。

2 化工企業(yè)安全風險評價過程

2.1 化工企業(yè)安全風險因素識別

化工企業(yè)安全受人的因素、物的因素、技術因素、管理因素、環(huán)境因素多方面因素的共同影響,本文基于GB/T 13861—2022標準中的生產(chǎn)過程危險和有害因素分類[16],通過瀏覽化工企業(yè)危險化學品事故統(tǒng)計分析相關文獻[17-19],并結合專家咨詢,再基于層次分析法構建了化工企業(yè)安全風險因素評價指標體系,該評價指標體系的層次結構如圖3所示。

圖3 化工企業(yè)安全風險因素評級指標體系Fig.3 Chemical enterprise safety risk factor rating index system

化工企業(yè)安全風險評價準則構建方法為:首先在風險矩陣的基礎上植入風險概率;然后將風險損失分為若干等級; 最后將風險概率與風險損失兩者結合形成化工企業(yè)安全風險評價準則,如表1和表2所示。

表1 化工企業(yè)安全風險概率等級評價準則

表2 化工企業(yè)安全風險等級評價準則

由表2可知:化工企業(yè)安全風險共劃分為4個等級,不同風險等級的含義為:1級表示不需要監(jiān)督檢查;2級表示需要定期監(jiān)督檢查;3級表示需要采取措施降低風險;4級表示需要實時監(jiān)督檢查,以防事故發(fā)生。

2.2 基于BN的化工企業(yè)安全風險評估

建立的化工企業(yè)安全風險貝葉斯網(wǎng)絡(BN)模型,如圖4所示。

圖4 化工企業(yè)安全風險貝葉斯網(wǎng)絡(BN)模型Fig.4 Bayesian network(BN) model of chemical enterprise safety risk

2.2.1 節(jié)點概率的確定

建立好BN模型后需要確定網(wǎng)絡的參數(shù),即節(jié)點的先驗概率和條件概率[20]。

1) 先驗概率計算。先驗概率即為各節(jié)點的發(fā)生概率,計算先驗概率的主要步驟如下:

① 邀請高校相關研究方向教師和化工企業(yè)安全工作人員共4名,并按表3為專家賦予不同的權重,專家結合經(jīng)驗參考表4得到節(jié)點風險概率的語言評價。

表3 專家評分權重[21]

表4 語言評價對應模糊數(shù)[22]

圖5 模糊隸屬函數(shù)Fig.5 Fuzzy membership function

(4)

④ 采用面積均值法將三角模糊均值概率轉(zhuǎn)換為具體模糊概率值,即解模糊。首先,根據(jù)公式(5)求出模糊可能性評分(fuzzy possibility score,FPS);

(5)

然后,按照公式(6)、(7)求得模糊概率:

(6)

(7)

式中:FP表示客觀模糊概率;FPS表示主觀模糊概率;K表示系數(shù)。

2) 條件概率計算。條件概率是不同狀態(tài)父節(jié)點對應的子節(jié)點的概率組合,其數(shù)量的函數(shù)為各父節(jié)點對應子節(jié)點的指數(shù)函數(shù)。當貝葉斯網(wǎng)絡的結構較復雜時,由專家確定條件概率表時工作量過大,不便于操作,并且還有可能增大結果的誤差率,例如本文條件概率個數(shù):6個父節(jié)點,各父節(jié)點分別對應5、5、4、3、6、2個子節(jié)點,則條件概率個數(shù)為(25+25+24+23+26+22),共156項。Noisy-or gate模型能大大減少專家的工作量,且有研究表明,基于Noisy-or gate模型和模糊理論相結合建立的BN與基于專家經(jīng)驗建立的BN推理結果整體上沒有呈現(xiàn)統(tǒng)計上的顯著性差異[23]。因此,可以采用Noisy-or gate模型計算條件概率。在本研究中,結合基于模糊理論集的專家評估和噪聲或門模型來實現(xiàn)CPT。

風險概率的條件概率由公式(8)計算[24]:

(8)

2.2.2 根節(jié)點關鍵重要度確定

模型中根節(jié)點對風險事件發(fā)生的貢獻度大小稱為重要度[25]。BN根節(jié)點的關鍵重要度為:

(9)

(10)

2.2.3 根節(jié)點后驗概率確定

若已知葉節(jié)點的概率,利用BN的反向推理算法便能得到各根節(jié)點的后驗概率[26]。

(11)

2.3 風險損失與風險等級確定

根據(jù)確定的化工企業(yè)安全風險因素構建風險評價指標集,即X=[X1,X2,…,Xn];風險損失等級共分為4級,即風險損失等級集Q=[Q1,Q2,Q3,Q4];隸屬度向量B=[Bj1,Bj2,…,Bjk]T由專家確定;專家依據(jù)“1～9標度法”,對同一層次的風險因素進行兩兩對比,構建兩兩比較判斷矩陣;計算指標權重向量及最大特征值并進行隨機一致性檢驗;基于模糊綜合評價法計算化工企業(yè)事故的風險損失。

風險等級由風險概率等級和風險損失等級共同確定。首先,根據(jù)BN模型得到的風險概率P,結合風險概率等級表確定化工企業(yè)事故風險概率等級;然后,采用模糊綜合評價法計算化工企業(yè)事故風險損失V,并根據(jù)等級劃分確定風險損失等級;最后,結合風險等級評價準則得到化工企業(yè)的安全風險等級。

3 實例應用與分析

海島憑借其獨特的地理環(huán)境、生態(tài)環(huán)境為化工企業(yè)的發(fā)展提供了良好的外界條件。舟山作為一個由群島組成的城市,化工產(chǎn)業(yè)發(fā)達,化工企業(yè)進區(qū)入園建設進展迅速[27]。該化工園區(qū)內(nèi)某化工企業(yè)是全國最大的儲運基地之一,擁有256萬m3儲罐,具有較大的潛在危險。因此,本文以舟山化工園區(qū)內(nèi)該化工企業(yè)為例,采用基于BN-FCEM的化工企業(yè)安全風險評估方法對其進行分析。

3.1 安全風險評估結果與分析

3.1.1 風險概率確定

1) 先驗概率計算。在如圖4所示的BN模型基礎上,結合基于專家經(jīng)驗的模糊理論得到模型根節(jié)點的先驗概率見表5,并按照2.2.1節(jié)基于專家經(jīng)驗的節(jié)點概率計算方法得到根節(jié)點先驗概率的聚合結果見表6。

表5 根節(jié)點先驗概率專家評估結果

表6 根節(jié)點先驗概率聚合結果

2) 條件概率計算。BN結構中的條件概率根據(jù)

2.2.1節(jié)的方法計算,以節(jié)點X3為例,節(jié)點X3條件概率的計算過程見表7,并將模型各節(jié)點的先驗概率和條件概率代入Netica軟件計算得到該化工企業(yè)安全風險概率,見圖6。由此可知,該化工企業(yè)安全風險概率或發(fā)生事故的可能性為7.13%,風險概率等級處于Ⅲ的可能性最大。

表7 節(jié)點X3條件概率的計算過程

圖6 某化工企業(yè)事故風險概率推理圖Fig.6 Probabilistic inference diagram of accident risk in a chemical enterprise

3) 后驗概率計算。同理,根據(jù)式(11)可計算得到模型各根節(jié)點的后驗概率,見表8。

表8 根節(jié)點后驗概率的計算結果

4) 關鍵重要度計算。按照公式(9)和(10),可計算得到模型各根節(jié)點的關鍵重要度,如圖7所示。由圖7可以看出:排名前三的3個節(jié)點分別為x11、x13、x15,皆屬于人的因素。因此,對于該化工企業(yè)的安全風險而言,人的因素是至關重要的,在企業(yè)的運轉(zhuǎn)過程中需要重點關注。其中,x11表示操作不當,在化工企業(yè)生產(chǎn)過程中,人是第一接觸點,操作不當容易導致風險事故的發(fā)生,從而造成風險損失,而規(guī)范的操作不僅可以規(guī)避風險, 還能確保企業(yè)安全平穩(wěn)地運轉(zhuǎn);x13表示人員安全意識缺乏,大量的風險事故表明,人的安全意識缺乏是事故發(fā)生的重要原因[8],良好的安全意識可以較大程度地避免失誤,降低風險事故的發(fā)生概率,甚至在風險事故突發(fā)時,良好的安全意識可以較大程度地減小事故所帶來的損失;x15表示人員資質(zhì)不足,對于一個企業(yè)而言,員工資質(zhì)不符合,其存在的安全隱患是巨大的,與其他合理的企業(yè)相比,它發(fā)生風險事故的概率也會增加。

綜上所述,化工企業(yè)在運轉(zhuǎn)過程中應注重員工的安全教育培訓,提升工作人員的整體素質(zhì),完善員工相關工作資質(zhì)的管理工作,并依據(jù)自身的綜合情況制定相應的改進措施,進而提高企業(yè)的安全水平。

3.1.2 風險概率預報

為了提前知曉化工企業(yè)發(fā)生風險的情況,在3.1.1節(jié)推理計算的基礎上,對該化工企業(yè)發(fā)生事故的風險概率進行了預報,即當多種風險因素并存時,推斷化工企業(yè)發(fā)生事故的可能性。本文以概率重要度排名前三的風險因素,即x11(操作不當)、x13(人員安全意識缺乏)、x15(人員資質(zhì)不足)3個風險因素共同發(fā)生為例對該化工企業(yè)發(fā)生事故的風險概率進行了預報,見圖8。

由圖8可知,該化工企業(yè)在運轉(zhuǎn)過程中,由于工作人員操作不當且在人員安全意識缺乏和工作資質(zhì)不足的情況下,發(fā)生事故的風險概率高達71.9%,與通常情況下的風險概率(7.13%)相比,提高了64.77%,這個風險概率的上升是巨大的。因此,在該化工企業(yè)日常運轉(zhuǎn)過程中應嚴格控制生產(chǎn),避免耦合風險的情況出現(xiàn);同時,應注重人員安全教育培訓的落實,只有通過長時間的學習,企業(yè)工作人員的安全素質(zhì)才能提升,才能達到減小企業(yè)安全風險水平、確保企業(yè)安全平穩(wěn)運轉(zhuǎn)的目標。

3.1.3 風險損失評估

結合化工企業(yè)安全風險評價指標體系,建立化工企業(yè)安全風險專家調(diào)查表,咨詢化工企業(yè)、安全領域?qū)＜疫M行指標賦值,獲得兩兩比較判斷矩陣如下:

經(jīng)計算,由判斷矩陣得到的指標權重集、最大特征向量和隨機一致性檢驗結果,見表9。

表9 指標權重集與隨機一致性檢驗結果

此外,邀請從事化工企業(yè)安全工作的專家及高校風險研究方向的教師,共10位,參考風險損失等級集對該化工企業(yè)安全風險因素進行評估,得到該化工企業(yè)安全風險損失的隸屬度向量如下:

分別將B1、B2、B3、B4、B5進行一級模糊綜合評價,可以得到V1、V2、V3、V4、V5如下:

V1=[0.25,0.28,0.31,0.16];

V2=[0.26,0.29,0.28,0.17];

V3=[0.31,0.30,0.25,0.14];

V4=[0.34,0.31,0.24,0.11];

V5=[0.33,0.30,0.24,0.13].

由B1、B2、B3、B4、B5構成模糊綜合評判矩陣B,再進行二級模糊綜合評價得到V:

V=W×B=[0.288 7,0.292 5,0.273 1,0.146 4]。

即表示事故造成中等風險損失的概率為0.292 5,說明該化工企業(yè)事故的風險損失處于Ⅱ級的可能性最大。

3.1.4 綜合風險評估

根據(jù)風險的定義,已知該化工企業(yè)事故的風險概率等級處于Ⅲ的可能性最大,風險損失處于Ⅱ的可能性最大,綜合考慮該化工企業(yè)安全風險處于3級的可能性最大。因此,該化工企業(yè)需要根據(jù)實際情況,采取合適的措施進行改進,以降低企業(yè)的安全風險等級。通過風險概率和風險損失分析,得出該化工企業(yè)人的因素和環(huán)境因素較為薄弱,因此企業(yè)需要加強工作人員的安全教育培訓工作,嚴格制定安全操作規(guī)程,并做好人員上崗的檢查和監(jiān)督工作,同時嚴格落實企業(yè)安全環(huán)境管理條例,改善工作環(huán)境及安全狀況。

4 結 論

1) 在人、物、技、管、環(huán)五個方面的基礎上,綜合考慮,最終選取了20個風險因素,建立了基于BN-FCEM的化工企業(yè)安全風險評價模型。

2) 應用模型對某化工企業(yè)安全風險進行分析,得到該化工企業(yè)事故的風險概率等級為Ⅲ級、風險損失等級為Ⅱ級,企業(yè)整體安全風險等級為3級。

3) 根據(jù)風險分析結果得出操作不當x11、人員安全意識缺乏x13、人員資質(zhì)不足x15是該化工企業(yè)最關鍵的風險因素,可見人的因素是最關鍵風險因素的最大影響因素,因此該化工企業(yè)在生產(chǎn)過程中應加強員工的安全教育培訓工作,提升員工的綜合素質(zhì),促進企業(yè)的安全健康發(fā)展。

4) 為了探究最關鍵風險因素同時發(fā)生對化工企業(yè)安全風險的影響,本文以該化工企業(yè)排名前三的最關鍵風險因素,即操作不當x11、人員安全意識缺乏x13、人員資質(zhì)不足x153個風險因素共同發(fā)生為例對該化工企業(yè)發(fā)生事故的風險概率進行了預報,結果顯示該化工企業(yè)發(fā)生事故的風險概率提升至71.9%,較通常情況下的風險概率(7.13%)相比增大了9倍,因此該化工企業(yè)在生產(chǎn)過程中應嚴格要求作業(yè)人員,避免耦合風險的情況出現(xiàn)。

本文風險評估的基礎數(shù)據(jù)主要依賴于專家評估,在一定程度上對評估結果可能會造成主觀上的偏差。另外,本文風險損失評估采用的是定性的評估方法,還未對企業(yè)生產(chǎn)過程中發(fā)生人員傷亡、經(jīng)濟損失等實際具體風險損失進行量化。因此,在今后的研究過程中,有必要針對這些問題開展研究,以完善化工企業(yè)安全風險評估模型。