考慮結(jié)構(gòu)特性的化工事故關(guān)鍵致因網(wǎng)絡(luò)分析*

劉 丹，王 侃，戴福祥，王 喆

(1.武漢理工大學(xué) 中國應(yīng)急管理研究中心，湖北 武漢 430070；2.武漢理工大學(xué) 安全科學(xué)與應(yīng)急管理學(xué)院，湖北 武漢 430070；3.武漢理工大學(xué) 研究生院，湖北 武漢 430070)

0 引言

我國作為世界第1化工大國，危化品生產(chǎn)經(jīng)營單位已達(dá)21萬家，涉及2 800多個(gè)種類，2018年產(chǎn)值即達(dá)到全國GDP的13.8%，在國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展中具有重要地位[1]。化工產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的同時(shí)，仍舊存在整體安全條件差、管理水平低、重大安全風(fēng)險(xiǎn)隱患集中等問題[2]，導(dǎo)致重特大事故時(shí)有發(fā)生，造成巨大經(jīng)濟(jì)損失與嚴(yán)重人員傷亡[3]。2019年應(yīng)急管理部發(fā)布《化工園區(qū)安全風(fēng)險(xiǎn)排查治理導(dǎo)則(試行)》和《危險(xiǎn)化學(xué)品企業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)隱患排查治理導(dǎo)則》，2020年，中共中央辦公廳、國務(wù)院辦公廳印發(fā)《關(guān)于全面加強(qiáng)危險(xiǎn)化學(xué)品安全生產(chǎn)工作的意見》，均強(qiáng)調(diào)“要全面深入排查化工園區(qū)和危險(xiǎn)化學(xué)品企業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)，有力防范化解系統(tǒng)性安全風(fēng)險(xiǎn)”。事故的發(fā)生往往是由一系列相關(guān)因素共同作用，從“系統(tǒng)性、全鏈條”角度出發(fā)，基于歷史事故發(fā)生的過程，統(tǒng)計(jì)事故發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)因素，分析風(fēng)險(xiǎn)因素之間的聯(lián)系，為改善化工企業(yè)安全管理現(xiàn)狀、降低化工事故提供科學(xué)參考和理論依據(jù)。

關(guān)于安全事故致因分析，國內(nèi)外學(xué)者已開展大量研究，早期主要聚焦于事故樹、灰色層次分析、解釋結(jié)構(gòu)模型、貝葉斯網(wǎng)絡(luò)等方法，將事故因素建模為“樹”狀結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，近年來研究趨勢(shì)逐步從“樹”狀結(jié)構(gòu)過渡到“網(wǎng)絡(luò)”結(jié)構(gòu)，基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)分析識(shí)別關(guān)鍵致因因素。Deng等[4]分析126起煤礦典型事故，建立煤礦風(fēng)險(xiǎn)網(wǎng)絡(luò)模型，通過研究網(wǎng)絡(luò)的直徑、密度、平均路徑長度、度、介數(shù)和聚類系數(shù)6個(gè)參數(shù)揭示煤礦事故網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)涮匦裕籊uo等[5]基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)建立建筑行業(yè)事故行為風(fēng)險(xiǎn)鏈網(wǎng)絡(luò)，分析網(wǎng)絡(luò)的5種拓?fù)鋵傩?，確定建筑行業(yè)事故中關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)因素；孟祥坤等[6]建立海底管道泄漏演化網(wǎng)絡(luò)模型，分析節(jié)點(diǎn)度與聚類系數(shù)，確定網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)；Lu等[7]從事故利益相關(guān)者角度出發(fā)建立地鐵建設(shè)安全風(fēng)險(xiǎn)網(wǎng)絡(luò)分析模型，確定地鐵事故利益相關(guān)者與安全風(fēng)險(xiǎn)因素之間的關(guān)系；Lam等[8]依據(jù)Kim等[9]提出的鐵路事故致因因素的分類方法，將構(gòu)建成的鐵路事故網(wǎng)絡(luò)中的風(fēng)險(xiǎn)節(jié)點(diǎn)歸納為9個(gè)主要類別，分析網(wǎng)絡(luò)收縮前后的聯(lián)系與差異；Ma等[10]根據(jù)Rasmussen提出的風(fēng)險(xiǎn)管理框架，確定了與事故發(fā)生有關(guān)的6個(gè)相關(guān)類別，構(gòu)建事故網(wǎng)絡(luò)模型；陳全等[11]基于“人、物、環(huán)境、管理”4類主風(fēng)險(xiǎn)因素建立化工事故致因網(wǎng)絡(luò)模型。上述研究主要針對(duì)煤礦、建筑、交通等領(lǐng)域的安全事故，化工事故致因分析尚不多見，且所建立的網(wǎng)絡(luò)模型多為無向網(wǎng)絡(luò)?；な鹿示哂幸蚬?、耦合性等特點(diǎn)，無向網(wǎng)絡(luò)模型未考慮到風(fēng)險(xiǎn)因素在事故鏈中的干預(yù)順序，無法表達(dá)化工事故因果性帶來的因素間風(fēng)險(xiǎn)有向傳遞，少數(shù)有向網(wǎng)絡(luò)模型僅從度值和介數(shù)等方面分析網(wǎng)絡(luò)中關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)及其重要性，尚未分析不同類別風(fēng)險(xiǎn)因素因果關(guān)系產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)特性。

本文從事故致因理論的角度出發(fā)，通過對(duì)2016—2020年64起化工事故案例進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)因素統(tǒng)計(jì)分析提取事故鏈，基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建化工事故致因有向網(wǎng)絡(luò)模型，引入結(jié)構(gòu)洞分析在風(fēng)險(xiǎn)傳遞中具有強(qiáng)影響力的關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)因素，構(gòu)建化工事故凝聚網(wǎng)絡(luò)，分析凝聚節(jié)點(diǎn)之間的因果關(guān)系，揭示化工事故的發(fā)生機(jī)理。

1 數(shù)據(jù)收集

收集整理2016—2020年應(yīng)急管理部以及地方應(yīng)急管理機(jī)構(gòu)公開的化工事故調(diào)查報(bào)告中事故案例64起，造成直接經(jīng)濟(jì)損失超過25億元，傷亡人數(shù)611人，事故類型包括爆炸事故(21起)、火災(zāi)事故(10起)、中毒或窒息事故(16起)、灼傷事故(4起)、高空墜落事故(8起)、機(jī)械傷害事故(5起)，不同類型事故造成的經(jīng)濟(jì)損失與人員傷亡統(tǒng)計(jì)如表1所示。

表1 不同類型事故造成的經(jīng)濟(jì)損失與人員傷亡統(tǒng)計(jì)

2 化工事故網(wǎng)絡(luò)模型構(gòu)建

2.1 復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論

1)節(jié)點(diǎn)度。網(wǎng)絡(luò)中某節(jié)點(diǎn)的度值越大，表明該節(jié)點(diǎn)直接連接的鄰居節(jié)點(diǎn)越多，影響的鄰居節(jié)點(diǎn)越多，在網(wǎng)絡(luò)中重要性與影響力越大[12]。在有向網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)的度分為入度與出度，節(jié)點(diǎn)的度值為入度值與出度值之和。節(jié)點(diǎn)和結(jié)構(gòu)洞概念示例如圖1所示(圓點(diǎn)表示節(jié)點(diǎn)，有向線段表示節(jié)點(diǎn)之間存在連接關(guān)系)，節(jié)點(diǎn)V1的入度值為0，出度值為3，因此總度值為3。

圖1 節(jié)點(diǎn)和結(jié)構(gòu)洞概念示例

2)結(jié)構(gòu)洞[13]。結(jié)構(gòu)洞是指非冗余接觸的節(jié)點(diǎn)之間存在的空隙，即某個(gè)或某些節(jié)點(diǎn)與有些節(jié)點(diǎn)直接連接，但與網(wǎng)絡(luò)中其他節(jié)點(diǎn)不存在直接連接，從網(wǎng)絡(luò)整體看好像網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)了空洞。在網(wǎng)絡(luò)中擁有更多結(jié)構(gòu)洞的節(jié)點(diǎn)影響力更大，在信息傳遞中更為重要。圖1示例中，節(jié)點(diǎn)V2，V3，V4之間存在非冗余接觸，即沒有直接相連，節(jié)點(diǎn)V1與這3個(gè)節(jié)點(diǎn)直接相連，占據(jù)了3個(gè)結(jié)構(gòu)洞的位置。

3)網(wǎng)絡(luò)約束系數(shù)[14]。衡量節(jié)點(diǎn)形成結(jié)構(gòu)洞的能力，節(jié)點(diǎn)的約束系數(shù)值越低，表明鄰居節(jié)點(diǎn)之間閉合性越弱，更容易形成結(jié)構(gòu)洞，在網(wǎng)絡(luò)信息傳遞中影響力更大[15]。圖1中節(jié)點(diǎn)V1的約束系數(shù)值0.333，為該網(wǎng)絡(luò)中約束系數(shù)值最小的節(jié)點(diǎn)。

2.2 事故鏈分析與提取

對(duì)64起化工事故進(jìn)行文本分析，歸納整理同類型的因素，提取事故發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)因素42個(gè)，事故結(jié)果6種，并進(jìn)行編碼，風(fēng)險(xiǎn)因素用F表示，事故結(jié)果用R表示，提取的事故因素與結(jié)果如表2所示。

表2中48個(gè)節(jié)點(diǎn)作為化工事故鏈的節(jié)點(diǎn)，根據(jù)文獻(xiàn)[9]中事故鏈建立方法提取事故案例的有向事故鏈，從事故第1個(gè)致因因素開始，直至事故結(jié)果的發(fā)生，過程中可能受到多個(gè)致因因素的干預(yù)，不同案例中的致因因素的干預(yù)順序不完全相同。選取1個(gè)事故案例展示事故鏈提取的過程與方法，事故案例的事故鏈提取示例如表3所示。

表2 提取的事故因素與結(jié)果

表3 事故案例的事故鏈提取示例

2.3 網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建

從選取的64個(gè)化工事故案例中提取事故發(fā)生的直接原因，根據(jù)事故原因的描述提取網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建所需要的風(fēng)險(xiǎn)節(jié)點(diǎn)與結(jié)果節(jié)點(diǎn)，隨后根據(jù)事故發(fā)生時(shí)因素之間的因果關(guān)系構(gòu)建風(fēng)險(xiǎn)因素節(jié)點(diǎn)之間的有向邊，直至結(jié)果節(jié)點(diǎn)，共提取制定出64條事故鏈，最后根據(jù)表2的事故因素與結(jié)果的編碼建立節(jié)點(diǎn)的鄰接矩陣，導(dǎo)入Pajek中構(gòu)建化工事故網(wǎng)絡(luò)，邊的總數(shù)為229條，其中多重邊107條，化工事故網(wǎng)絡(luò)圖如圖2所示(空心節(jié)點(diǎn)為因素節(jié)點(diǎn)，實(shí)心節(jié)點(diǎn)為結(jié)果節(jié)點(diǎn))。Pajek是用于研究復(fù)雜非線性網(wǎng)絡(luò)的程序，目前有一些學(xué)者已使用Pajek軟件進(jìn)行事故網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建與分析[4-5]。

圖2 化工事故網(wǎng)絡(luò)圖

結(jié)果分析：

1)存在多重邊，即在多個(gè)事故鏈中，事故的致因因素之間存在著重復(fù)的關(guān)聯(lián)。如在6個(gè)案例中出現(xiàn)了關(guān)鍵閥門故障導(dǎo)致化學(xué)物質(zhì)泄漏，在4個(gè)案例中出現(xiàn)了工人不適當(dāng)?shù)牟僮鲗?dǎo)致其他化學(xué)物質(zhì)進(jìn)入反應(yīng)系統(tǒng)。

2)存在雙向連接，如節(jié)點(diǎn)F6(違規(guī)違章作業(yè))與節(jié)點(diǎn)F22(其他化學(xué)物質(zhì)混入反應(yīng)系統(tǒng))中存在1條雙向連接，這是由于在不同案例的事故鏈中致因因素的干預(yù)順序不完全相同，如在案例張掖耀邦化工科技有限公司“9·14”較大中毒生產(chǎn)安全事故的事故鏈中是由工人違規(guī)違章作業(yè)致使其他化學(xué)物質(zhì)混入反應(yīng)系統(tǒng)，導(dǎo)致事故的發(fā)生，案例江蘇連云港聚鑫生物科技有限公司“12·9”重大爆炸事故則是由設(shè)備的質(zhì)量缺陷致使其他化學(xué)物質(zhì)混入反應(yīng)系統(tǒng)，之后工人的違規(guī)違章作業(yè)導(dǎo)致事故發(fā)生。

3)存在1鏈多結(jié)果，如在案例山西晉煤天源化工有限公司“11·5”高處墜落事故的事故鏈中工人作業(yè)時(shí)缺乏個(gè)人防護(hù)設(shè)備→窒息→墜落，案例安徽省安慶市萬華油品有限公司“4·2”爆燃事故的事故鏈中爆炸→引燃了現(xiàn)場(chǎng)堆放的物料→引發(fā)著火。

3 網(wǎng)絡(luò)分析

3.1 關(guān)鍵致因因素分析

1)度值分析。通過Pajek計(jì)算化工事故網(wǎng)絡(luò)的密度為0.101，網(wǎng)絡(luò)直徑為9，網(wǎng)絡(luò)平均最短路徑為3.62，平均度值為9.54?；な鹿示W(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)的度值如圖3所示。

由圖3可知，致因因素節(jié)點(diǎn)的總度值相對(duì)較高的6個(gè)節(jié)點(diǎn)為F5，F(xiàn)21，F(xiàn)3，F(xiàn)6，F(xiàn)22，F(xiàn)7，是導(dǎo)致化工事故發(fā)生的6個(gè)主要因素。事故結(jié)果節(jié)點(diǎn)中的總度值最高的節(jié)點(diǎn)為R1，并且其入度值與出度值為結(jié)果節(jié)點(diǎn)中最高，表明不僅化工事故的結(jié)果大多為爆炸，并且爆炸還會(huì)引起其他類型事故的發(fā)生。

圖3 化工事故網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)的度值

2)結(jié)構(gòu)洞分析。考慮節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中的位置，對(duì)因素節(jié)點(diǎn)進(jìn)行結(jié)構(gòu)洞分析，通過Pajek計(jì)算網(wǎng)絡(luò)因素節(jié)點(diǎn)的約束系數(shù)值，系數(shù)值越低表明與節(jié)點(diǎn)直接相連的鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)量越多以及鄰居節(jié)點(diǎn)的閉合性越低，結(jié)構(gòu)洞越多。各節(jié)點(diǎn)的約束系數(shù)如圖4所示，約束系數(shù)值相對(duì)較低的6個(gè)節(jié)點(diǎn)分別為F11,F6,F13,F22,F7,F3，這些節(jié)點(diǎn)在化工事故網(wǎng)絡(luò)中結(jié)構(gòu)洞較多，為事故網(wǎng)絡(luò)風(fēng)險(xiǎn)傳遞的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。

圖4 各節(jié)點(diǎn)的約束系數(shù)

在結(jié)構(gòu)洞分析的結(jié)果中出現(xiàn)了2個(gè)新的潛在關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)F11與F13，這2個(gè)節(jié)點(diǎn)在度值分析中總度值并不高，但是由于其鄰居節(jié)點(diǎn)之間的閉合程度低，因此節(jié)點(diǎn)F11與F13占據(jù)了較多的結(jié)構(gòu)洞位置，周圍的鄰居節(jié)點(diǎn)只能通過節(jié)點(diǎn)F11，F(xiàn)13進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)的繼續(xù)傳遞。

綜合事故網(wǎng)絡(luò)的度值分析與結(jié)構(gòu)洞分析，可知化工事故中關(guān)鍵致因因素為火花(F5)、作業(yè)時(shí)缺乏個(gè)人防護(hù)設(shè)備(F21)、化學(xué)物質(zhì)泄漏擴(kuò)散(F3)、違規(guī)/違章作業(yè)(F6)、其他化學(xué)物質(zhì)混入反應(yīng)系統(tǒng)(F22)、不適當(dāng)?shù)牟僮?F7)、化學(xué)物料噴出(F11)、作業(yè)場(chǎng)所不具備安全生產(chǎn)條件(F13)。

3.2 凝聚網(wǎng)絡(luò)分析

根據(jù)事故致因理論，將表2中提取的42個(gè)致因因素節(jié)點(diǎn)替換為3個(gè)新的凝聚節(jié)點(diǎn)，分別為人的不安全行為(G1)、設(shè)備的不安全狀態(tài)(G2)、環(huán)境的不安全狀態(tài)(G3)，其中人的不安全行為主要與作業(yè)人員的行為有關(guān)；設(shè)備的不安全狀態(tài)根據(jù)化工場(chǎng)所設(shè)備設(shè)施的運(yùn)行狀況進(jìn)行分類；環(huán)境的不安全狀態(tài)主要與作業(yè)環(huán)境的狀況有關(guān)。根據(jù)化工事故造成的經(jīng)濟(jì)損失與人員傷亡數(shù)量對(duì)事故結(jié)果節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分類，將6個(gè)結(jié)果節(jié)點(diǎn)替換為3個(gè)新的凝聚節(jié)點(diǎn)，分別為特別嚴(yán)重事故(S1)、嚴(yán)重事故(S2)、一般事故(S3)，其中特別嚴(yán)重事故包括爆炸與火災(zāi)，嚴(yán)重事故包括中毒或窒息與灼傷，一般事故包括墜落與機(jī)械傷害。

建立的化工事故凝聚網(wǎng)絡(luò)，如圖5所示(空心節(jié)點(diǎn)為凝聚因素節(jié)點(diǎn)，實(shí)心節(jié)點(diǎn)為凝聚結(jié)果節(jié)點(diǎn))，邊的總數(shù)為131條，其中多重邊115條。凝聚因素節(jié)點(diǎn)之間的連接比例如表4所示，凝聚節(jié)點(diǎn)的入度、出度、總度值如表5所示。結(jié)果分析：

表4 凝聚因素節(jié)點(diǎn)之間的連接比例

表5 凝聚節(jié)點(diǎn)的入度、出度、總度值

圖5 化工事故凝聚網(wǎng)絡(luò)

1)凝聚后的網(wǎng)絡(luò)密度為4.37，遠(yuǎn)高于未凝聚的事故網(wǎng)絡(luò)，表明化工事故大多是在不同類別的因素共同影響下發(fā)生。人的不安全行為與設(shè)備的不安全狀態(tài)存在最多的連接，表明在化工事故中二者存在顯著的關(guān)聯(lián)關(guān)系，131條連接中有21條連接是由人的不安全行為致使設(shè)備的不安全狀態(tài)，表明在化工事故網(wǎng)絡(luò)中存在16%與人的不安全行為有關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)因素會(huì)進(jìn)一步造成設(shè)備的不安全狀態(tài)。

2)在凝聚因素節(jié)點(diǎn)中，人的不安全行為出度值最高，表明在大多數(shù)化工事故中是由人的不安全行為引發(fā)的其他風(fēng)險(xiǎn)因素的產(chǎn)生；環(huán)境的不安全狀態(tài)入度值最高，表明有許多風(fēng)險(xiǎn)因素是通過環(huán)境的不安全狀態(tài)進(jìn)一步傳遞和發(fā)展。人的不安全行為與環(huán)境的不安全狀態(tài)總度值相對(duì)較高，為凝聚網(wǎng)絡(luò)中關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。

3)在凝聚結(jié)果節(jié)點(diǎn)中，特別重大事故的入度值最高，表明多數(shù)化工事故均會(huì)導(dǎo)致特別重大事故的發(fā)生；特別重大事故的出度值為2，重大事故出度值為1，表明在化工事故中特別重大事故的發(fā)生可能進(jìn)一步引起重大事故的發(fā)生，重大事故的發(fā)生可能進(jìn)一步引起一般事故的發(fā)生，而一般事故一般不會(huì)引起特別重大事故與重大事故的發(fā)生。

4 結(jié)論

1)化工事故是由多種因素共同影響耦合作用下發(fā)生，關(guān)鍵致因因素與結(jié)構(gòu)洞分析結(jié)果表明，火花、作業(yè)時(shí)缺乏個(gè)人防護(hù)設(shè)備、化學(xué)物質(zhì)泄漏擴(kuò)散、違規(guī)/違章作業(yè)、其他化學(xué)物質(zhì)混入反應(yīng)系統(tǒng)、不適當(dāng)?shù)牟僮鳌⒒瘜W(xué)物料噴出、作業(yè)場(chǎng)所不具備安全生產(chǎn)條件為化工事故中關(guān)鍵的8個(gè)致因因素，在這8個(gè)致因因素中，人的不安全行為與環(huán)境的不安全狀態(tài)所占因素比例為87.5%。

2)凝聚網(wǎng)絡(luò)分析結(jié)果表明，存在16%與人的不安全行為有關(guān)的致因因素會(huì)引發(fā)設(shè)備的不安全狀態(tài)，存在13%與人的不安全行為有關(guān)的致因因素會(huì)引發(fā)環(huán)境的不安全狀態(tài)，人不安全行為致使設(shè)備的不安全狀態(tài)與環(huán)境的不安全狀態(tài)在凝聚網(wǎng)絡(luò)中連接比例高達(dá)29%，存在顯著的因果關(guān)系。此外，凝聚節(jié)點(diǎn)度值分析的結(jié)果印證與補(bǔ)充了關(guān)鍵致因因素分析的結(jié)果。

3)在復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)排序時(shí)，應(yīng)考慮節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中的位置進(jìn)行綜合評(píng)判，引入結(jié)構(gòu)洞分析，找出一些在網(wǎng)絡(luò)中具有較強(qiáng)影響力的潛在關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。未來可進(jìn)一步研究風(fēng)險(xiǎn)因素間的級(jí)聯(lián)效應(yīng)及風(fēng)險(xiǎn)因素重要性排序方法。