化工火災(zāi)爆炸事故復(fù)雜致因網(wǎng)絡(luò)分析

秦華禮，王馨琪

(東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110000)

0 引言

化工行業(yè)是我國經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)的重要支柱之一，其覆蓋面廣、產(chǎn)業(yè)鏈長，與人們?nèi)粘５纳a(chǎn)生活聯(lián)系密切。伴隨著化工產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。重大及特別重大化工事故常有發(fā)生，暴露了我國化工安全生產(chǎn)管理當(dāng)中仍然存在著安全生產(chǎn)條件差、安全管理能力低、隱患排查和風(fēng)險(xiǎn)治理不到位等問題[1]?；诨ば袠I(yè)易燃易爆危化品眾多的特性，火災(zāi)爆炸事故是化工企業(yè)發(fā)生次數(shù)最多、危險(xiǎn)性最大、事故后果最為嚴(yán)重的事故類型[2]?；せ馂?zāi)爆炸事故的兩大特點(diǎn)：一是任何細(xì)小的事故隱患都可能導(dǎo)致事故發(fā)生；二是具有群死群傷的特性。為了對化工企業(yè)火災(zāi)爆炸事故進(jìn)行系統(tǒng)、深入研究，利用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)探討風(fēng)險(xiǎn)因素的關(guān)聯(lián)，識別其中關(guān)鍵致因因素。

復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論最早可以追溯到18世紀(jì)Euler開創(chuàng)的圖論。1998年，Watts和Strogatz引入小世界網(wǎng)絡(luò)模型，揭示了復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的小世界特性。1999年Barabasi和Albert揭示了復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的無標(biāo)度特性。由此為國內(nèi)外復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論研究奠定了基礎(chǔ)。2004年，方錦清等[3]回顧了國外復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)研究所取得的重要成果，并在展望中第一次提出將復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論用于石油化工領(lǐng)域的概念。2006年，姜洪權(quán)等[4]基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論對流程工業(yè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)脆弱性分析，提出了一種新的系統(tǒng)安全性評估方法。這是復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論首次在化工方面的具體應(yīng)用。近年來，許多學(xué)者開始探索復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)在安全風(fēng)險(xiǎn)研究中的應(yīng)用。陳文瑛等[5]基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)對生產(chǎn)安全事故進(jìn)行致因研究，確定生產(chǎn)安全事故的主要致災(zāi)因素。陳全等[6]以傳統(tǒng)的“人、機(jī)、環(huán)、管”4類風(fēng)險(xiǎn)因素建立風(fēng)險(xiǎn)框架，構(gòu)建化工事故致因無向復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)模型，采用PR算法進(jìn)行關(guān)鍵因素的分析。事故的發(fā)生是一系列因素耦合的過程，復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論的應(yīng)用可以直觀地顯示出事故的發(fā)展鏈條、各致災(zāi)因素之間的相互作用，探索各因素之間關(guān)聯(lián)特性。

本文搜集了2015—2021年間的50起化工企業(yè)火災(zāi)爆炸事故案例，通過文獻(xiàn)分析法總結(jié)各學(xué)者關(guān)于化工企業(yè)火災(zāi)爆炸事故的致因因素，篩選、整合后以這些致因因素為節(jié)點(diǎn)提取50起事故的事故致因鏈，構(gòu)建事故致因有向復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)模型，以分析化工企業(yè)火災(zāi)爆炸事故的關(guān)鍵致因因素。

1 復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論

復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)是由節(jié)點(diǎn)和邊組成的復(fù)雜拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。節(jié)點(diǎn)用來表示系統(tǒng)中的不同個(gè)體，邊則表示這些不同個(gè)體間的關(guān)系。復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的研究基于圖論和統(tǒng)計(jì)物理等學(xué)科知識和理論，可以對復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行抽象地描述[7]。通過對節(jié)點(diǎn)、邊以及結(jié)構(gòu)的屬性進(jìn)行參數(shù)統(tǒng)計(jì)，可以進(jìn)一步理解復(fù)雜系統(tǒng)。

1.1 節(jié)點(diǎn)度、出度和入度

節(jié)點(diǎn)的出度和入度體現(xiàn)在有向復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中。有向網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)出度指該節(jié)點(diǎn)指向鄰居節(jié)點(diǎn)的邊的數(shù)目[8]。節(jié)點(diǎn)入度指鄰居節(jié)點(diǎn)指向該節(jié)點(diǎn)的邊的數(shù)目。圖1為一個(gè)節(jié)點(diǎn)出度為2、入度為3的示意圖。節(jié)點(diǎn)的出度與入度之和為節(jié)點(diǎn)的總度。

圖1 節(jié)點(diǎn)出入度示例圖

1.2 邊權(quán)與介數(shù)中心性

在事故的復(fù)雜致因網(wǎng)絡(luò)中，兩致因因素之間出現(xiàn)多次交互會加重邊的權(quán)重。邊的權(quán)值越高，兩致因因素之間的聯(lián)系越密切。介數(shù)是網(wǎng)絡(luò)中的重要全局幾何量，代表了某節(jié)點(diǎn)與其他節(jié)點(diǎn)之間的互動(dòng)程度。介數(shù)中心性越大，節(jié)點(diǎn)在連接路徑上能量越大。某節(jié)點(diǎn)vg的介數(shù)中心性Cb計(jì)算公式為：

式中：Gij為從節(jié)點(diǎn)i到節(jié)點(diǎn)j的最短路徑數(shù)目；Gij(vg)為從節(jié)點(diǎn)i到節(jié)點(diǎn)j經(jīng)過節(jié)點(diǎn)vg的最短路徑數(shù)目。

通過對網(wǎng)絡(luò)中邊的分析，可以了解兩因素之間的關(guān)聯(lián)程度，有利于在安全管理中用最低的成本獲得最大的效益。

1.3 聚類分析

聚類系數(shù)用來描述網(wǎng)絡(luò)中某節(jié)點(diǎn)能與其他相連節(jié)點(diǎn)之間聚集成團(tuán)的程度，其計(jì)算如公式（2）所示。聚類系數(shù)越高，該節(jié)點(diǎn)能影響和聚集的致災(zāi)因子越多，在網(wǎng)絡(luò)中的能量越大。

式中：Cg為節(jié)點(diǎn)聚類系數(shù)；Kvg為總度；eg為節(jié)點(diǎn)與相鄰其他節(jié)點(diǎn)之間實(shí)際邊的數(shù)量。

2 事故致因分析與模型構(gòu)建

2.1 化工企業(yè)火災(zāi)爆炸致因因素統(tǒng)計(jì)

現(xiàn)行的火災(zāi)爆炸事故致因模型主要采用傳統(tǒng)的“人機(jī)環(huán)管”事故致因模型和基于HFACS的人因分析。HFACS方法側(cè)重于人的失誤和管理，忽視了化工企業(yè)危化品的管理。傳統(tǒng)的“人機(jī)環(huán)管”事故致因模型適用于系統(tǒng)整體安全的研究。根據(jù)化工行業(yè)的生產(chǎn)特點(diǎn)，將工藝也歸為一類重要的風(fēng)險(xiǎn)因素，體現(xiàn)在化工企業(yè)火災(zāi)爆炸事故致因模型當(dāng)中。結(jié)合化工企業(yè)生產(chǎn)規(guī)章制度、參考相關(guān)文獻(xiàn)歸納的122點(diǎn)致因因素[9-11]和50起事故案例中的致災(zāi)因素，建立一個(gè)6類主風(fēng)險(xiǎn)因子76個(gè)二級風(fēng)險(xiǎn)因子為節(jié)點(diǎn)的火災(zāi)爆炸事故致因模型，并對這76個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因子編號，詳如表1所示。

表1 化工企業(yè)火災(zāi)爆炸事故致因因素

2.2 事故致因模型建立

本文根據(jù)收集整理的50起事故案例的文本信息，提煉出各個(gè)事故案例的事故致因鏈。針對每起事故，將事故中存在的致因因素作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，事故中各因素之間的有向關(guān)系連接為邊，構(gòu)建事故的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)。例如2021年5月29日“中國石化上?；ひ话闳急鹿省?，事故起因于乙烯裝置在停車檢修期間，完成管線氮?dú)獯祾咧脫Q后，未關(guān)閉裂解爐進(jìn)料管線盲板上下游閥門(操作失誤)→未現(xiàn)場確認(rèn)即開展抽盲板作業(yè)(違章作業(yè))導(dǎo)致現(xiàn)場發(fā)生燃爆。事故中違章作業(yè)行為與安全管理人員監(jiān)管不足以及企業(yè)安全管理責(zé)任未落實(shí)有直接關(guān)系，暴露了作業(yè)準(zhǔn)備不足及未有效落實(shí)作業(yè)許可證審批手續(xù)等問題。將各個(gè)因素作為節(jié)點(diǎn)，利用可視化軟件Gephi構(gòu)建“中石化上?；?·29一般爆燃事故”子網(wǎng)絡(luò)，如圖2所示。將所有事故的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)融合在一起，最終形成化工企業(yè)火災(zāi)爆炸的事故致因網(wǎng)絡(luò)，如圖3所示。圖3中，節(jié)點(diǎn)越大表示節(jié)點(diǎn)度值越大；連接線越粗，兩節(jié)點(diǎn)邊權(quán)越大。

圖2 “中石化上?；?·29一般爆燃事故”網(wǎng)絡(luò)模型

圖3 化工企業(yè)火災(zāi)爆炸事故致因網(wǎng)絡(luò)模型

3 化工企業(yè)火災(zāi)爆炸事故致因網(wǎng)絡(luò)模型分析

3.1 節(jié)點(diǎn)度和邊權(quán)

3.1.1 入度值計(jì)算

根據(jù)模型計(jì)算出網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)的入度值如圖4所示。本文所構(gòu)建的化工企業(yè)火災(zāi)爆炸事故致因模型中，節(jié)點(diǎn)入度值越大，表明節(jié)點(diǎn)可導(dǎo)致發(fā)生的致因因素越多，從圖4可以看出，節(jié)點(diǎn)K55企業(yè)違法經(jīng)營建設(shè)節(jié)點(diǎn)入度值最大，表明企業(yè)違法經(jīng)營建設(shè)可以造成最多個(gè)事故因素發(fā)生，是化工企業(yè)火災(zāi)爆炸事故當(dāng)中的關(guān)鍵因素。此外，規(guī)章制度不健全、安全管理責(zé)任未落實(shí)、風(fēng)險(xiǎn)管理隱患排查治理不到位、監(jiān)管不足及安全意識淡薄的入度值也比較突出。且大都與企業(yè)違法經(jīng)營建設(shè)直接相關(guān)，增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)致因模型的可信度。管理這些因素，有助于安全管理者盡早從事故源頭阻止事故發(fā)生。

圖4 化工企業(yè)火災(zāi)爆炸事故致因網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)入度值

3.1.2 出度值計(jì)算

通過統(tǒng)計(jì)計(jì)算化工企業(yè)火災(zāi)爆炸事故致因模型中節(jié)點(diǎn)的出度值如圖5所示。節(jié)點(diǎn)的出度值越大，表明直接影響該節(jié)點(diǎn)因素發(fā)生的相關(guān)因素越多，該節(jié)點(diǎn)因素易發(fā)、頻發(fā)。節(jié)點(diǎn)K8違章作業(yè)的節(jié)點(diǎn)出度值最大，節(jié)點(diǎn)K2操作失誤，K19設(shè)備設(shè)施缺陷/故障的出度值次之。這表明工人違章作業(yè)，操作失誤以及設(shè)備設(shè)施的缺陷/故障是化工企業(yè)火災(zāi)爆炸事故中比較頻發(fā)的因素。在日常的事故管理當(dāng)中應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)關(guān)注，提前預(yù)警并及時(shí)處理。

圖5 化工企業(yè)火災(zāi)爆炸事故致因網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)出度值

3.1.3 總度計(jì)算

節(jié)點(diǎn)的總度值如圖6所示。節(jié)點(diǎn)K59風(fēng)險(xiǎn)管理隱患排查治理不到位的總度值最高。節(jié)點(diǎn)K55企業(yè)違法經(jīng)營建設(shè)、K57安全管理責(zé)任未落實(shí)次之。結(jié)合節(jié)點(diǎn)入度值、出度值的統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，入度值高的節(jié)點(diǎn)主要分布在規(guī)章制度和管理的因素類別當(dāng)中；出度值高的節(jié)點(diǎn)主要分布在人的因素和物的因素方面；節(jié)點(diǎn)總度值高的節(jié)點(diǎn)在整個(gè)致因因素類別當(dāng)中分布比較平均。表明事故發(fā)生的源頭在于化工企業(yè)的規(guī)章制度及管理方面，而導(dǎo)致事故發(fā)生的直接原因在于人的不安全行為和物的不安全狀態(tài)方面。應(yīng)當(dāng)預(yù)先完善企業(yè)的各種規(guī)章制度，落實(shí)安全管理責(zé)任，強(qiáng)化企業(yè)的管理職責(zé)和內(nèi)容，做好雙重預(yù)防機(jī)制，在日常的生產(chǎn)過程中，注意人的不安全行為和物的不安全狀態(tài)。

圖6 化工企業(yè)火災(zāi)爆炸事故致因網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)總度值

3.2 邊的分析

3.2.1 邊的權(quán)重

在圖3所構(gòu)建的化工企業(yè)火災(zāi)爆炸網(wǎng)絡(luò)模型中，節(jié)點(diǎn)之間的連線越粗，兩節(jié)點(diǎn)的邊的權(quán)值越大，表明兩節(jié)點(diǎn)之間的聯(lián)系越深。節(jié)點(diǎn)K58安全教育培訓(xùn)不足/未落實(shí)→K57安全管理責(zé)任未落實(shí)的權(quán)值最大。表明工人的安全教育培訓(xùn)問題與管理人員的安全管理責(zé)任未落實(shí)相關(guān)聯(lián)，且常常發(fā)生在化工企業(yè)火災(zāi)爆炸事故當(dāng)中。網(wǎng)絡(luò)模型中，邊權(quán)較大的邊主要集中在節(jié)點(diǎn)K58安全教育培訓(xùn)不足/未落實(shí)、K57安全管理責(zé)任未落實(shí)及K59風(fēng)險(xiǎn)管理隱患排查治理不到位周邊。表示這3個(gè)節(jié)點(diǎn)代表的致因因素在化工企業(yè)火災(zāi)爆炸事故中具有相當(dāng)大的影響力，高發(fā)且與相鄰致因因素的聯(lián)系緊密。在化工企業(yè)的生產(chǎn)當(dāng)中，應(yīng)當(dāng)盡量控制該類風(fēng)險(xiǎn)因素，及時(shí)切斷因素與周邊因素的聯(lián)系。

3.2.2 介數(shù)中心性

邊的介數(shù)中心度高，表示節(jié)點(diǎn)因素在整個(gè)致因網(wǎng)絡(luò)中的全局影響度高。網(wǎng)絡(luò)中介數(shù)中心度較高的5個(gè)因素分別是安全防護(hù)裝置/監(jiān)控不足、企業(yè)違法經(jīng)營建設(shè)、擅自改變工藝、操作失誤及設(shè)備設(shè)施缺陷/故障，如表2所示。

表2 介數(shù)中心度

3.3 聚類分析

化工企業(yè)火災(zāi)爆炸復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)模型的平均聚類系數(shù)為0.378，考慮到是因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)較多造成了影響。網(wǎng)絡(luò)中聚類系數(shù)較高的5個(gè)節(jié)點(diǎn)如表3所示。其中作業(yè)前檢查和設(shè)備帶病運(yùn)轉(zhuǎn)聚類系數(shù)高達(dá)1.0。結(jié)合事故案例考慮，是因?yàn)榇蟛糠只て髽I(yè)火災(zāi)爆炸事故是由于作業(yè)失誤和設(shè)備故障引起，這點(diǎn)從節(jié)點(diǎn)的出度值可以體現(xiàn)，而根據(jù)連接邊和介數(shù)中心度，作業(yè)前檢查不足和設(shè)備帶病運(yùn)轉(zhuǎn)很大程度上與作業(yè)失誤和設(shè)備故障相關(guān)聯(lián)。

表3 節(jié)點(diǎn)聚類系數(shù)

4 結(jié)語

在建立化工企業(yè)火災(zāi)爆炸事故復(fù)雜致因網(wǎng)絡(luò)模型中，通過對相關(guān)文獻(xiàn)分析后，在傳統(tǒng)的“人機(jī)環(huán)管”事故致因模型的基礎(chǔ)上，基于化工企業(yè)的特殊性新增了工藝方面的致因因素。將原有管理分類具體分為建立健全的規(guī)章制度與人員管理方面，使事故致因網(wǎng)絡(luò)模型更加清晰、直觀。

通過分析事故網(wǎng)絡(luò)模型中各節(jié)點(diǎn)的度及其分布特征，辨識出企業(yè)違法經(jīng)營建設(shè)、安全管理未落實(shí)等致因因素在事故網(wǎng)絡(luò)模型中影響較大。工人違章作業(yè)，操作失誤以及設(shè)備設(shè)施的缺陷/故障等致因因素是化工企業(yè)火災(zāi)爆炸事故中頻發(fā)的致因因素。

網(wǎng)絡(luò)中邊權(quán)較大的邊主要集中在安全教育培訓(xùn)不足、安全管理責(zé)任未落實(shí)及風(fēng)險(xiǎn)管理隱患排查治理不到位周圍。網(wǎng)絡(luò)中安全防護(hù)裝置/監(jiān)控不足、企業(yè)違法經(jīng)營建設(shè)、擅自改變工藝3個(gè)因素介數(shù)中心度較大，表示這3個(gè)致因因素在化工企業(yè)火災(zāi)爆炸事故中具有較廣的影響力，應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)關(guān)注。對事故網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行聚類分析，其中作業(yè)前檢查和設(shè)備帶病運(yùn)轉(zhuǎn)聚類系數(shù)高達(dá)1.0，需要著重考慮。

綜合所有分析結(jié)果，企業(yè)違法經(jīng)營建設(shè)、安全管理責(zé)任不落實(shí)、設(shè)備故障、操作失誤、違章作業(yè)、隱患排查不到位和安全教育7個(gè)因素重合率高，屬于化工企業(yè)火災(zāi)爆炸安全管理工作中需要重點(diǎn)控制的風(fēng)險(xiǎn)因素。