SIF事故致因模型與DEMATEL方法在城市燃氣安全管理中的應用

胡 濤,林衛東,李益平,余龍星,陽富強*

(1.福州大學環境與安全工程學院,福建 福州 350108;2.福建省建筑設計研究院有限公司,福建 福州 350001)

我國燃氣工業迅速發展,燃氣管網系統不斷拓展完善,使得燃氣已在我國能源消費結構中占據舉足輕重的地位[1]。然而,燃氣因其具有易燃、易爆、易擴散等危險特性,極易引發燃氣泄漏和爆炸事故。據不完全統計[2-3],2017—2021年間全國城市燃氣爆炸事故共發生3 435起,其中室內燃氣爆炸事故2 215起,占事故總數的64.48%,造成407人死亡、3 800余人受傷。因此,加強城市燃氣運營與使用過程中安全管理的研究顯得尤為重要。

分析城市燃氣泄漏和爆炸事故的致因因素,有助于人們揭示事故原因與發展規律,預防和減少城市燃氣爆炸事故。目前,相關學者針對城市燃氣爆炸事故成因的研究主要集中在兩個方面。其一是圍繞城市燃氣爆炸重大事故案例開展深入研究,從中吸取教訓,如湖北十堰“6·13”重大燃氣爆炸事故[4]、大連“9·10”燃氣爆燃事故、俄羅斯“12·31”居民樓燃氣爆炸事故[5]。其二是從人、物、管、環等多個維度,開展化整為零的城市燃氣爆炸事故評估研究,如:冀華[6]通過六維度事故原因調查分析法探討某城市燃氣事故的直接原因與間接原因,論述了事故具有多因一果的特征;趙煜暉等[7]借助現場勘查、分析燃氣爆炸事故特征等手段,并結合安全管理5要素深入剖析了城市燃氣泄漏和爆炸事故原因,明確了城市燃氣爆炸事故風險因素的主次關系;Bianchini等[8]基于美國2004—2015年天然氣管道事故,針對不同事故原因提出了風險指數概念,并探索了天然氣管網風險因素序列。然而,城市燃氣的運營與使用是錯綜復雜的系統,涉及個人、企業與政府等多方責任主體,若要確保任意一方利益不受影響,顯著性降低燃氣爆炸事故發生頻率,則還需在研究事故成因中考量安全信息層面,深入研究安全信息視角下城市燃氣爆炸事故影響因素之間的相關性,找出引起事故的關鍵性因素。

傳統事故致因模型僅從某一維度剖析致因因素,未考慮責任主體之間的聯系,導致認知安全信息產生偏差[9-10]。現如今,信息流在各項研究中愈發凸顯出其重要性,許多管理學領域的學者將信息故障納入現代安全管理考慮范圍[10-11]。吳超[12]為了解決狹義事故致因理論的局限性,以應對復雜系統的故障模式,開創性地提出了安全信息認知通用模型;王秉等[13]在其研究的基礎上進行了完善與拓展,探討了安全信息在不同組織之間的應用,并以系統安全行為鏈為主體,分析了安全行為失誤模式,提出了FDA事故致因模型。

然而安全信息不僅局限于影響個人或組織的行為模式,個人與個人、個人與組織和組織與組織之間的安全信息交流故障也會使系統整體安全失效,且同級責任主體之間也存在互相監管、互惠互利的信息交流。基于此,本文采用SIF事故致因模型,從微觀、中觀和宏觀視角系統分析引起城市燃氣爆炸事故的影響因素,并結合DEMATEL方法定量分析城市燃氣爆炸事故影響因素之間的相關關系,識別關鍵性影響因素,以期為安全管理者開展事前預防與事后處置提供理論依據,從而提高城市燃氣安全管理的科學性和針對性。

1 SIF事故致因模型內涵及意義

1.1 理論依據

事故致因模型核心要義在于挖掘事故致因的主要指標,剖析多種風險因素的耦合效應[14]。安全信息是系統安全性的特定表示,安全信息角度的事故致因模型為多因素驅動的事故致因模型[15]。SIF(safety information flow)事故致因模型是從安全信息角度出發,分析各個安全信息屬性及其表達形式,剖析安全信息流的流動與轉換,探討事故發生的原因和機理[16]。

層次結構可以有效梳理復雜系統,解釋不同層級之間的信息交互作用[17]。SIF事故致因模型涵蓋了微觀、中觀和宏觀層面中6個責任主體的安全信息子鏈,該模型能夠處理不同層級系統的安全信息流。

1.2 適用于城市燃氣安全的SIF事故致因模型

不同行業的SIF事故致因模型具有不同的責任主體,城市燃氣安全管理主要由黨和政府統籌、住建局等燃氣主管部門監管、第三方安全技術服務機構評估與規劃、運營企業負責與落實、燃氣技術人員和用戶等個體執行與協助[4,18-19]。城市燃氣安全信息是指有利于維護城市燃氣管網安全的信息集合,反映或指導燃氣安全事務,能影響各層級責任主體的不同行為階段,如燃氣傳輸狀態信息、燃氣使用規程等。

為了系統認識各責任主體城市燃氣安全信息流失效模式,解析城市燃氣爆炸事故致因,運用多學科理論,構建了城市燃氣SIF事故致因模型,如圖1所示。

圖1 城市燃氣爆炸SIF事故致因模型Fig.1 SIF accident causation model of city gas explosion

2 DEMATEL方法內涵及運算步驟

2.1 理論依據

決策實驗室分析法(decision making trial and evaluation laboratory,DEMATEL)可以定量分析各因素之間的相互關系和影響程度[20]。其與SIF事故致因模型結合,梳理復雜系統的層級結構,利用矩陣計算安全信息損耗影響因素的中心度和原因度,進而可以定量評價與分析城市燃氣管道安全信息流,探尋引發城市燃氣爆炸事故的關鍵性影響因素。

2.2 DEMATEL方法運算步驟[21]

本文運用DEMATEL方法定量分析城市燃氣爆炸事故影響因素之間的相關關系,辨識關鍵性影響因素,具體步驟如下:

1) 明確安全信息損耗的影響因素,構建影響因素集。根據SIF事故致因模型,從系統的安全信息雙循環模式中提取影響安全信息流動與轉換的因素,構成影響因素集X={x1,x2,…,xn}。

3) 構建規范直接影響矩陣B。通過歸一化初始直接影響關系矩陣G,得到規范直接影響矩陣B。本文通過求出各行因素之和,再以各因素除行最大值,得到規范直接影響矩陣B,其計算公式為

(1)

4) 構建綜合影響矩陣T。通過直接影響和間接影響的累加,得到綜合影響矩陣T:

(2)

其中:E為單位矩陣,由于bij屬于[0,1],因此n→∞時,Bn-1→0,故:

T=B(1-B)-n

(3)

5) 計算各影響因素的影響度、被影響度、中心度和原因度。定義向量C和向量D為綜合影響矩陣T的每行和每列之和,有:

(4)

(5)

Mi=Ci+Dj(i=j=1,2,…,n)

(6)

Ni=Ci-Dj(j=1,2,…,n)

(7)

式中:Ci為影響度,表示因素xi對其他因素的影響之和;Dj為被影響度,表示其他因素對因素xj的影響之和;Mi為中心度,表示因素xi在系統中所受影響的總和;Ni為原因度,表示因素xi在系統中的凈影響。

若某因素Ni大于0,則為原因因素,表明該因素易影響其他因素;若某因素Ni小于0,則為結果因素,表明該因素易受到其他因素的影響。

6) 繪制影響因素的因果關系圖。由以上計算可獲得城市燃氣安全信息流損耗因素的中心度和原因度,以中心度Mi為橫坐標、原因度Ni為縱坐標,繪制事故致因各影響因素的因果關系圖,以簡化因果關系。

3 案例應用分析

本文選取湖北十堰“6·13”燃氣爆炸事故作為分析案例,利用SIF事故致因模型與DEMATEL方法對城市燃氣爆炸事故影響因素進行分析,辨識關鍵性影響因素,并提出具體的安全管理措施。

3.1 湖北十堰“6·13”燃氣爆炸事故概況

2021年6月13日,湖北省十堰市某集貿市場發生重大城市燃氣管道爆炸事故,導致26人死亡,138人受傷[19]。該起事故涉事的責任主體與SIF事故致因模型結構一致,同時事故由國務院安委會掛牌督辦,并牽頭成立事故專項調查組,湖北省應急管理廳出具事故調查報告,該事故報告的權威性支撐SIF事故致因模型與DEMATEL方法的應用。因此,本文以該起燃氣爆炸事故為切入點,對城市燃氣爆炸事故影響因素進行深層次分析。

3.2 微觀層面事故致因子模型

調查報告顯示該起燃氣爆炸事故的直接原因是排油煙管道的火星與中壓鋼管泄露的天然氣相接觸,最終誘發了爆炸事故。燃氣爆炸事故發生伴隨著安全信息流循環的全過程,安全信息傳遞不充分、忽視安全信息、安全信息感知偏差、安全信息反映不正確或不及時等安全信息損耗是導致城市燃氣爆炸事故發生的主要原因。

系統內物與環境固有風險因素指長期使天然氣管道處于潮濕環境的影響因素,如管道緊鄰的排水口或河道等。這類因素導致事故管道外表面發生電子躍遷,從而受到電化學腐蝕,最終使得管道壁厚逐漸減薄并造成部分穿孔。忽視安全信息,諸如管道安裝工對天然氣管道預期狀態的風險沒有認知及預測,燃氣濃度超限時未能及時采取響應措施,導致安全行為失效。從安全信息學的角度來看,燃氣濃度是安全信息源,主要通過設備檢測獲得,其安全信息損耗主要涉及燃氣濃度檢測的頻率和檢測設備的精度兩個方面。責任主體安全意識欠缺使其做出安全欺騙行為,安全欺騙行為包括天然氣管道安裝規范明確注意事項情況下,管道安裝工未按防腐蝕規范對管道彎頭外進行防腐施工。從組織風險通知角度來看,十堰東風中燃公司有義務和責任向一線員工,如管道安裝工、巡線員等,提供所有必要的安全信息,然而事故調查報告顯示該公司安全教育和培訓流于形式,員工未形成有效的系統安全觀,在安裝、巡檢整個流程中無法察覺燃氣管道系統固有的風險。具體分析見表1。

表1 基于SIF事故致因模型的湖北十堰“6·13”燃氣爆炸事故影響因素分析

3.3 中觀層面事故致因子模型

在此起重大燃氣爆炸事故中,作為燃氣運營企業的十堰東風中燃公司應承擔主要責任,此次事故突顯出該運營企業工作職責履行不到位、安全文化薄弱和員工安全意識欠缺等問題,導致必要的安全信息匱乏以及安全欺騙,從而致使管理層安全行為失效,間接引發事故;在第三方安全技術服務機構方面,承辦該事故管道改造的設計單位未獲取相關設計資質,未聘請第三方安全評估機構測評改造方案風險及燃氣管道安全隱患。

事故演變路徑和邏輯關系的本質現象是安全信息的傳遞[22],中觀層面各個責任主體在整個系統事故安全信息大循環模式中起到承上啟下的作用,安全信息損失量隨安全信息流動而逐漸積累,事故發生的累積概率和風險增加的概率隨安全信息流動而增大,層級系統的復雜性影響著安全信息量損耗程度,該層次責任主體的失誤會引發意料之外的連鎖反應。具體分析見表1。

3.4 宏觀層面事故致因子模型

管道的不安全狀態作為此次事故的直接風險因素,揭露住建局、城管局等相關燃氣主管部門安全監管存在重大疏忽。2017年十堰東風中燃公司也曾發生過一起一般燃氣爆炸事故,然而相關主管部門未深刻汲取教訓,仍停留在“喊口號、行動少、落實差”的形式主義層面,沒有做好轄區內燃氣行業安全現狀評估、安全問題整改以及燃氣管道等特種設備質量監督管理等工作,導致安全信息子鏈失效,間接引發事故。十堰市、張灣區黨委和政府統籌發展和監督落實安全生產工作不到位,此外,對安全生產工作安排部署的多、督促落實的少。

根據相關文件資料與訪談[19,23],政府出臺的燃氣安全管理實施文件與十堰市燃氣安全管理實際情況存在差異,燃氣相關技術措施不配套、安全信息不對等、簡單照本宣科等現象普遍存在,安全信息循環過程中存在諸多問題,而安全信息質量是保證安全信息流雙循環模式平穩運轉的基本條件,如果安全信息被曲解或原始信息不正確,可能就會從根本上增加事故發生的概率或擴大事故的影響。具體分析見表1。

3.5 基于DEMATEL方法的城市燃氣爆炸事故影響因素定量分析

前面運用SIF事故致因理論對城市燃氣爆炸事故案例進行了分析,并最終確定了16項引發燃氣安全信息流失效的影響因素。但是,在眾多影響因素中,仍然很難判斷每個影響因素的重要性以及它們之間的因果關系。而從定量的角度,基于DEMATEL方法分析城市燃氣爆炸事故案例,深入探討導致燃氣爆炸事故中安全信息損耗的各種風險因素之間的邏輯關系、因果關系和屬性特征,有利于針對性地預防城市燃氣爆炸事故。

基于2.2節的運算步驟,本文以專家訪談法為主,利用文獻綜述進行佐證,邀請10位城市燃氣安全與應急管理領域的專家學者對該起燃氣爆炸事故中各因素之間的相互影響程度按照上述評分標準進行打分。為了減少評價的主觀干預,本工作對專家意見進行均值和取整處理,從而構建了初始直接影響矩陣G:

表2 綜合影響矩陣T

由式(4)至(7),可計算得到各影響因素的影響度、被影響度、中心度和原因度,如表3所示。中心度表示因素在系統中的重要性,而原因度表示因素對其他因素的影響程度[24]。如果因素中心度越大,則表示該因素在燃氣爆炸事故中具有更大的影響作用;若因素原因度越大,則表征該因素與其他因素之間的相關性更強[20]。以中心度Mi為橫坐標、原因度Ni為縱坐標,繪制因果關系圖,如圖2所示。

表3 基于DEMATEL方法的某起燃氣爆炸事故案例影響因素定量分析結果

圖2 某起燃氣爆炸事故案例的影響因素因果關系圖Fig.2 Causal relationship diagram of influencing factors of a gas explosion accident

根據表3和圖2可知:安全信息傳播及時性x4、責任主體安全意識水平x9、安全信息目標明確性x2、責任主體燃氣安全知識與技能x11、燃氣濃度超限x13、安全信息流渠道多樣性x8、安全信息規范性x3、層級系統復雜性x7、責任主體應急處理能力x10、各層級監督落實力度x16、點火源x14、安全信息來源可靠性x1、安全信息阻滯嚴重性x5、安全信息表達形式多樣性x6、規章制度完善性x15、責任主體生理與心理素質x12的影響強度逐次遞減;該起城市燃氣爆炸事故中所有影響因素劃分為9個原因因素和7個結果因素,其中9個原因因素中x9對其他因素的影響最大,則說明責任主體安全意識水平是安全信息傳遞和燃氣爆炸事故的關鍵性影響因素,而7個結果因素中x13、x2、x14和x4受其他因素的影響比較大。可見,安全信息是系統狀態的一種表現形式,掌握安全信息就可以很大程度上了解系統當前狀態的安全性和危險性。

在圖2中,第一象限的影響因素具有較高的原因度和中心度,因此為關鍵性影響因素[25]。因此,由中心度和原因度可以確定導致該起燃氣爆炸事故的關鍵性影響因素為責任主體安全意識水平x9、責任主體燃氣安全知識與技能x11、安全信息流渠道多樣性x8、層級系統復雜性x7、各層級監督落實力度x16,這些因素對此起燃氣爆炸事故的發生有重大的影響,在16項影響因素中占據核心地位。

4 城市燃氣爆炸事故安全管理措施

經SIF事故致因模型解構湖北十堰“6·13”重大燃氣爆炸事故案例的系列原因,最終可歸納總結出城市燃氣爆炸事故的16項影響因素。

基于1條安全信息主鏈和6條安全信息子鏈,該領域的預防措施可分為兩個方面。一是推動安全信息主鏈傳遞流暢,以確保城市燃氣安全信息大循環良性反饋,各責任主體嚴格遵循相關法規,對標國際化標準體系,力促合規化安全管理過渡體系化安全管理,防范安全行為缺失;二是力促各責任主體安全信息子鏈完成階段性任務,實現在微觀層面確保各責任主體安全信息每個環節行為準確無誤,在中觀和宏觀層面防范城市燃氣風險隱患積累與突發情況。為此,提出城市燃氣爆炸事故安全管理的具體措施如下:

1) 各個責任主體既是安全信息的接受者,又是安全信息的傳遞者,而責任主體安全意識水平、責任主體燃氣安全知識與技能對安全信息流有重大的影響,直接影響安全信息識別、分析與利用安全信息的準確性和有效性。根據圖1所描述的安全行為失誤過程可知,防止必要安全信息缺失或安全欺騙形成是阻止燃氣爆炸事故最有效的方法之一。因此,燃氣企業需要通過日常的安全培訓和考核,提高員工的安全意識水平、安全信息認知、分析與利用安全信息能力。此外,安全信息雙循環模式中的阻滯、傳播渠道、安全信息表達形式等都對安全信息損耗有一定的影響,因此要從安全信息類型、安全信息接收責任主體需求、理解等角度考慮安全信息流的途徑和表現形式。以上這些措施將有助于避免安全信息流同質化,進一步提高安全信息傳遞的有效性。

2) 由于城市燃氣管理系統的復雜性,燃氣運營與使用過程中存在著多種類型和結構的安全信息,安全信息源的質量不穩定、安全信息接收責任主體的綜合素質不佳等不足會導致安全信息循環流轉過程中出現問題,而不同程度的安全信息損耗則會導致燃氣泄漏或火源的出現,從而導致燃氣爆炸事故的發生。因此,鑒于系統的復雜性,有必要對安全信息類型、特征、屬性、目標狀態進行全面分析,確保系統安全信息雙循環模式運轉流暢。維持城市燃氣系統安全應以安全信息為切入點,剖析系統內的風險因素,并進行安全信息的傳遞與分析處理,最后制定相應的預防策略。同時,考慮安全信息認知與決策的欠缺,還要采取措施以降低或消除人的不安全行為所造成的負面影響,其防治機理是安全信息小循環反饋。通過各責任主體之間的協調與控制,可以高效地防止各層級安全行為失效,其防治機理是安全信息大循環反饋[26]。安全信息雙循環的關鍵是安全信息的傳輸效率和利用率。

5 結論與建議

1) SIF事故致因模型以系統中各層級以及相鄰兩個層級之間安全信息流為基礎,用于梳理安全信息流動的響應脈絡。本研究以某城市燃氣爆炸事故為實例,構建了城市燃氣爆炸SIF事故致因模型。提取了影響燃氣安全信息流失的因素,包括3個層級、6個責任主體和16項影響因素。

2) 案例研究表明,事故致因鏈的形成是事故的主要原因,各責任主體需要準確認知或預測風險,并采取合理的措施防控風險因素。同時,在必要的安全信息充分且準確的前提下,增強各責任主體間的安全信息交流,保證安全信息雙循環體系高效互促。

3) 通過結合SIF事故致因模型和DEMATEL方法對影響因素進行定量分析,分別計算了16項影響因素的原因度和中心度,確定了導致該起燃氣爆炸事故的5項關鍵性影響因素,其分別為責任主體安全意識水平x9、責任主體燃氣安全知識與技能x11、安全信息流渠道多樣性x8、層級系統復雜性x7、各層級監督落實力度x16。