基于蝴蝶結貝葉斯網絡的高校實驗室火災爆炸事故的風險評估

王 蕾，代養勇

（1.山東省食品藥品檢驗研究院山東省食品藥品安全檢測工程技術研究中心，濟南 250101；2.山東農業大學食品科學與工程學院，山東泰安 271018）

0 引言

近些年，實驗室事故時有出現，引發了社會的普遍關注。據相關媒體報道：2018 年北京交通大學東校區化學實驗室爆炸，3 名學生死亡；2016 年上海東華大學環境與生物工程學院實驗室發生爆炸，2 名學生重傷；2015 清華大學化學系實驗室發生一起爆炸事故，1 名博士生當場死亡。高校科研實驗室的安全事故頻發，尤其是化學實驗室，已經成為實驗安全的“重災區”。傳統的評價方法，如故障樹、失效模式和影響分析（FMEA）、危險與可操作性分析（HAZOP）、保護層分析（LOPA），均為靜態評價方法只適用于評價某個時間點的風險，而無法得知整個實驗室的風險動態變化［1］。

目前對實驗室安全風險評價的研究多集中在以職業健康管理體系要求進行危險源識別，然后根據歷年的數據和發生的概率人為附加分值進行判斷。劉婷婷等［2］《重大危險源辨識》（GB18218—2014）和《職業性接觸毒物危害程度分析》（GB50844—1985），重點進行危險源的識別；魏永前等［3］構建實驗室安全“雙體系”預防機制從制度建設和專項整治方面進行控制，真正運用風險評估模型進行風險評估的鳳毛麟角。因此本文引入蝴蝶結模型（Bow-Tie model，下文簡稱為BT）和貝葉斯網絡（Bayesian Network，下文簡稱為BN）模型，通過條件概率對各事件的依賴程度進行分析評價，利用貝葉斯網絡軟件進行反向推理，對影響實驗室火災爆炸事故的因素進行分析評價，實現對高校實驗室火災爆炸事故的風險預測和故障診斷的雙重功能。

1 蝴蝶結模型和貝葉斯網絡模型構建

1.1 蝴蝶結（BT）模型

BT模型是表述一個事故場景最好的圖形化方法之一，它可以清楚地描述事故的原因和事故的結果，是將故障樹與事件樹分析方法融合為一體的事故因果分析方法。由圖1 可知，BT 模型左側是故障樹，分析有哪些危害，危害一旦釋放會造成哪些威脅，其安全屏障的作用是預防事故；右側是事件樹，表示一旦屏障和補救措施失效后會產生什么樣嚴重的后果［3］。

1.2 貝葉斯網絡模型（BN模型）

貝葉斯理論是處理不確定性信息的重要工具，是一種基于概率的不確定性推理方法，是目前處理非確定性問題的一種主流方法。BN 網絡是有向無環圖，由代表變量節點及連接這些節點有向邊構成，用條件概率進行表達關系強度，節點變量可以是任何問題的抽象。BN 的理論基礎即貝葉斯條件概率計算公式［4-7］，即

式中，P（Vi|A）為后驗概率，i=1，2，…，n；P（A|Vi）為事件Vi發生條件下事件A 發生的概率，即條件概率；P（Vi）為先驗概率；P（A）為事件A發生的概率。

根據貝葉斯公式結合蝴蝶結模型中分析出的要素轉換成的各個節點以及節點之間的依賴關系，其各節點的聯合概率為P（V），見式（2）。

式中，Vpa（vi）為節點Vi的所有父節點。

1.3 風險評估模型的建立

以近10 年來高校實驗室發生的112 起典型事故為數據來源，對引起高校實驗室火災爆炸事故的因素進行整理匯總分析，根據BT 模型分析識別出關鍵風險源，并對關鍵風險源進行同類合并轉換為BN 模型中的節點，再根據BN模型簡化相同事件，尋找出造成頂端事件的主要節點以及各種節點之間的關系。根據歷史數據以及專家經驗，確定實驗室安全事故的先驗概率，運用公式進行動態風險評價。

賀蕾等［8］分析出高校實驗室事故主要為火災性、爆炸性事故，占全部安全事故的81%。造成火災、爆炸事故的主要危險源有：人為因素、設備因素、實驗設施以及管理措施不健全等［9］。①人為因素，主要是指違規操作、不能正確使用試劑試藥等易揮發易爆炸的化學藥品。②設備因素，尤其是壓力容器，如氫氣瓶、氧氣瓶、乙炔氣瓶等。壓力容器爆炸，不僅會造成人員傷亡事故，內部介質擴散還會引發燃燒等連鎖反應。③設施因素，部分實驗室缺乏必備的消防設施。有些高校的化學實驗室，尤其是年代久遠的教學樓，缺乏必備火災報警、煙霧噴淋系統等消防設施。④管理因素，缺乏對實驗室人員的安全教育和技能培訓，相關的管理制度及應急措施不健全等。

上述危險源依據BT模型［10］可以更好地識別高校實驗室發生火災爆炸的主要原因、采取措施的有效性以及可能產生的后果等因素，具體模型見圖2 所示，其中C1～C7是代表所有控制措施失效后產生的后果，本文重點針對造成火災爆炸事故的原因進行分析，因此不再對產生的后果進行過多闡述。根據BT 模型的分析，可以很直觀的得出影響高校實驗室發生火災爆炸事故的主要變量，如表1 所示。

圖2 實驗室火災、爆炸BT模型

表1 實驗室火災、爆炸事故主要變量

BT模型向BN模型轉化主要是將BT模型中的事故樹和事件樹分別轉化為貝葉斯網絡模型中的節點，并使用有向弧把各個節點連接起來建立映射關系［11］。具體轉化見圖3。

圖3 BT模型向BN模型轉化示意圖

考慮到BN推理案例中沒有高校實驗室火災爆炸事故的案例，本文選擇基于專家知識以及部分文獻數據構建BN模型。根據眾多文獻以及媒體報道引起高校實驗室火災爆炸的原因［12］，對BN 變量進行優化，對安全制度、應急預案、違規操作、壓力容器反應釜陳舊、設備長時間運轉、電路老化、消防設施陳舊等建立模型，其他變量引起事故的比例較少暫不建模［13］，優化后建立的模型見圖4。

圖4 BN網絡拓撲結構圖

根據近10 年消防年鑒中相關數據以及專家知識可以得出各父節點的參考權重，其中管理制度的權重為2.7%，應急預案的權重為1.8%，違規操作的權重為16.1%，易燃易爆化學品使用的權重為23.2%，壓力容器反應釜陳舊的權重為8.9%，設備長時間運行的權重為16.9%，電路老化的權重為21.4%，消防設施陳舊的權重為8.9%。

BN網絡實質上體現了各節點變量間的概率依賴關系，網絡中每一個節點都對應一個條件概率表（Conditional Probability Table，CPT）［14］，表示該節點與其父節點間的概率分布關系。鑒于變量節點較多，選取節點H為例進行說明，由此可得，具體如表2 所示。其中，“NO”代表不安全的概率，“YES”代表安全的概率。

表2 人為因素的條件概率（CPT）

根據圖3 模型中各節點的依賴關系，運用Netica軟件構建BN模型，并進行計算，具體如圖5 所示。根據已經發生的高校實驗室安全事故中各個節點發生的概率，利用貝葉斯公式綜合計算，得到全國高校實驗室火災爆炸安全事故的發生概率為0.175，較全國整體火災、爆炸發生比例高很多。由此可以看出，高校實驗室存在很大的安全隱患，BN 模型的構建可以為預警高校實驗室火災、爆炸事故提供一個動態的分析模型，學校安全部門可以將日常安全檢查的數據輸入模型，進行風險預警，便于采取相應的措施。

圖5 BN模型以及各節點發生概率

2 結果驗證

2.1 模型的驗證

以2001～2016 年高校實驗室火災爆炸發生情況為例，2001～2016 年我國高校實驗室共發生火災爆炸事故93 起，從事故原因分析中可以得出易燃易爆化學品導致的火災爆炸事故37.7%，電路老化5.7%，違規操作20.8%，壓力容器反應釜陳舊22.6%，設備長時間運行8.4%，消防設施陳舊3.8%，管理制度0.8%，應急預案0.2%［8］。按照易燃易爆化學品導致發生事故的比率降為5%進行計算，將相關數據輸入模型，通過模型計算得到火災爆炸事故的發生概率為0.159，比之前的0.175 有所下降，證明該模型有效。

2.2 節點后驗概率分布

后驗概率分析是BN 網絡推理中涉及最多的問題，一方面可在已知原因前提下推斷出結果發生的概率，即預測推理，同時也可以在已知結果的狀態下，找出導致結果發生的最可能原因，也就是所說的故障診斷［15］。本文運用貝葉斯網絡的故障診斷功能，找出導致目標事件發生的最可能因素，為更準確的評估事件態勢做出鋪墊和提供依據。

在貝葉斯網絡模型中假設節點E 發生的概率為100%（也就是說實驗室火災爆炸發生的概率為100%），得出節點的后驗證概率分布，具體如圖6所示。

圖6 后節點概率示意圖（注：YES 代表節點安全，NO 代表節點不安全）

從圖6 可以看出，當實驗室發生火災爆炸事故的情況下，易燃易爆化學品使用（H4）、電路老化（B2）發生的可能性最大，概率超過40%；其次為設備長時間運行（D2）概率為30.5%、違規操作（H1）概率為27.9%；最不可能的原因為應急預案和管理制度失效。

2.3 模型敏感因素分析

在BN網絡中，子節點的后驗概率會隨父節點的先驗概率的變化而改變，敏感性分析將由父節點發生變化而引起子節點的參數變化程度進行了量化，從而識別出BN模型中的關鍵因素［16］。在GeNie軟件中將根節點E設為目標節點，執行敏感分析，得出節點敏感度分析，如下圖所示，其中，節點的顏色深度與敏感度成正比。

由圖7 中可知，整個模型中節點的敏感程度可分為6 個等級，其中，高敏感為節點H（人員不安全行為）；較高敏感度為H4（易燃易爆化學品的使用）、B2（電路老化）、B（設施陳舊）。通過敏感性分析可以發現：人員不安全行為、易燃易爆化學品的使用、電路老化、設施陳舊是導致實驗室發生火災爆炸事故的主要影響因素。

圖7 BN模型變量敏感性分析

3 結論

（1）BT-BN模型兼顧了事故樹、事件樹以及貝葉斯網絡定量分析風險的優點，可以對高校火災、爆炸事故的風險進行動態分析，克服其他體系或者檢查過程中大量零散數據的缺點。將日常的安全巡查、人員培訓等相關數據信息匯總后輸入模型，可得到安全提示，以便及時采取控制措施防止發生嚴重后果。

（2）從構建的模型中正向計算，可知易燃易爆化學品的使用是誘發高校實驗室發生火災爆炸事故的主要誘因。通過模型故障診斷可知，最可能導致事故發生的因素是易燃易爆化學品使用、線路老化。

（3）要有效避免高校實驗室火災、爆炸事故，就必須加強實驗人員培訓提高安全意識，完善易燃易爆化學品存儲條件以及化學性質的標志標識，同時還要定期對實驗室線路進行檢查和維護。