基于AISM的高校燃燒與爆炸實驗室事故關鍵致因分析

李威君， 朱明珠， 劉 音， 胡相明，c

（山東科技大學a.安全與環(huán)境工程學院；b.礦業(yè)工程國家級實驗教學示范中心；c.礦山災害預防控制省部共建國家重點實驗室培育基地，山東 青島 266590）

0 引 言

近年來，我國安全生產形勢總體好轉，但火災爆炸事故頻繁發(fā)生且后果極為嚴重，仍是我國主要的事故災害之一［1］。掌握燃燒與爆炸機理，對于預防和控制火災爆炸事故具有重要意義。燃燒與爆炸實驗是高校安全工程、化學工程等專業(yè)的核心實踐教學內容，旨在引導學生探索燃燒爆炸的發(fā)生、演化機理，通過火焰?zhèn)鞑ニ俣?、爆炸極限測試等實驗驗證所學理論知識［2］。相比于一般的化學實驗室，高校燃燒與爆炸實驗室涉及的實驗材料多為易燃易爆粉塵、氣體，并且具有高溫、高壓、動火操作等風險因素，事故危險性較大［3］。因此，燃燒與爆炸實驗室的安全問題一直是高校實驗室管理的重點。為降低事故風險，傳統(tǒng)的高校燃燒與爆炸實驗內容較為單一且以演示性實驗為主。隨著“新工科”建設的不斷深化，傳統(tǒng)的實踐教學模式隨之調整［4］。燃燒與爆炸實驗涉及的儀器、設備、學生人數(shù)不斷增多，實驗過程的不確定性隨之變大［5］，也為其安全管理帶來了挑戰(zhàn)。因此，有必要系統(tǒng)分析高校燃燒與爆炸實驗室安全事故發(fā)生的深層次關鍵原因，以便從根源上減少燃燒與爆炸實驗室安全事故的發(fā)生，提高安全管理效率。

1 研究現(xiàn)狀

對實驗室事故致因因素進行辨識，為事故預防和控制提供依據(jù)，是實驗室安全管理的有效手段［6］。目前已有專家學者將事故致因理論和方法用于高校實驗室風險分析。田志剛等［7］從實驗室宏觀安全管理體系和人、物、環(huán)、管等各環(huán)節(jié)微觀因素的角度建立了高校實驗室事故演化路徑，并基于事故危機發(fā)展的4R理論分析得出實驗室事故風險防控的最佳時期為潛伏和誘發(fā)階段；陽富強等［8］以預測-決策-執(zhí)行事故致因模型為基礎，從安全信息角度分析實驗室人員、高校實驗室管理、教育管理部門監(jiān)管三個層面的事故致因；杜莉莉等［9］以海因里希事故致因理論為準則，從人的不安全行為和物的不安全狀態(tài)兩方面對高校實驗室安全管理存在的問題進行了深入分析；付凈等［10］基于事故致因“2-4”模型分析了導致高校實驗室事故發(fā)生的具體動作或物態(tài)的共性原因；周營新等［11］通過事故致因“2-4”模型識別高校實驗室事故致因的不安全動作、不安全物態(tài)、組織層因素，通過決策實驗室分析與解釋結構模型法計算得到安全管理監(jiān)管與責任體系缺失是實驗室事故的根源原因；高文紅［12］運用系統(tǒng)論事故過程致因模型（STAMP）對實驗室爆炸事故進行了系統(tǒng)分析，識別出高校實驗室組織內及組織間的控制缺陷，找到深層次的事故原因。

雖然現(xiàn)有的事故致因模型種類繁多，將其用于高校實驗室安全管理的研究也較為成熟，但關于燃燒與爆炸實驗室的相關研究較少，針對高校燃燒與爆炸實驗室風險特性的事故致因分析仍較為薄弱；此外，現(xiàn)有實驗室事故致因因素分析對因素間相關關系的研究較少，事故深層原因辨識的一致性較低，導致事故預防對策的準確性較差。對抗解釋結構模型（Adversarial Interpretive Structural Model，AISM）在解釋結構模型（Interpretative Structural Modeling，ISM）層次結構建模的基礎上融入了博弈對抗思想，通過構建一組對抗的層級拓撲圖比較、分析因素間由因到果、由果到因的相關關系，得到具有一致性的事故深層原因［13-14］。

2 高校燃燒與爆炸實驗室事故致因因素分析

事故發(fā)生的根源是危險源存在并且未得到有效控制。高校燃燒與爆炸實驗本身的危險源種類多、風險大，若發(fā)生控制失效，其主要的事故類型是爆炸、火災、中毒、燙傷［5］。結合“三類危險源理論”能夠較為全面地辨識高校燃燒與爆炸實驗室的事故致因因素：第1類危險源是指能量載體或能量源；第2 類危險源指物的故障、物理性環(huán)境因素，個體人行為失誤；第3 類危險源指不符合安全的組織因素（組織程序、組織文化、規(guī)則、制度等）［15］?；凇叭愇ｋU源理論”分析高校燃燒與爆炸實驗室的危險源，識別爆炸、火災、中毒、燙傷4 種典型事故的致因因素，如圖1 所示。

圖1 基于“三類危險源理論”的燃燒與爆炸實驗室典型事故致因因素辨識

第1 類危險源。高校燃燒與爆炸實驗室最顯著的風險特征是存在爆炸品、易燃氣體或粉塵、氧化物等物質以及高壓氣瓶、高溫或高壓設備等能量載體。實驗過程所需的可燃物、助燃物、點火源構成了爆炸與火災的基本條件，一旦反應失控即會產生事故。有毒物質的泄漏以及實驗過程產生的燃燒產物、實驗廢氣等在空間相對狹小且參與實驗學生較多的室內極易引起中毒事故；燃燒與爆炸實驗產生的高溫通過設備傳導到表面或高溫物質飛濺可能產生燙傷事故。

第2 類危險源。雖然第1 類危險源從本質上決定了燃燒與爆炸實驗室的高危性，但如果能夠對能量或能量載體進行約束，也可以降低事故風險。反之，能量約束設備失效、環(huán)境風險控制失效、人員行為失誤會使能量轉移或泄放失控，甚至引起事故擴大。其中，能量約束設備失效可進一步分為防火防爆裝置失效、實驗設備老化、通風排廢系統(tǒng)失效、安全泄壓裝置失效、缺少個人防護用具。環(huán)境風險涉及實驗室可燃氣體監(jiān)測預警系統(tǒng)故障、危險物擺放混亂、操作空間狹小、雜物堆積、廢棄物處置不當、應急設施失效。人員行為失誤主要包括對燃燒與爆炸實驗室危險性認識不足、實驗操作方法錯誤、不遵循操作步驟、多人實驗協(xié)調性差、實驗物品和設備歸置不當。

第3 類危險源。燃燒與爆炸實驗室的不安全組織因素直接影響控制能量和能量載體及其約束的效果，包括實驗組織程序混亂、實驗操作規(guī)程不健全、實驗室安全管理制度不完善、安全與應急教育培訓不足。

3 高校燃燒與爆炸實驗室事故致因因素AISM構建

ISM可對相互關聯(lián)的因素進行分析形成多級階梯結構模型［16］。AISM在ISM 的基礎上，構建一組對抗的層級拓撲圖用于分析因素間由因到果、由果到因的相關關系。AISM建模流程可分為4 個步驟：確立事故致因因素關系并建立鄰接矩陣；通過通路推導拓撲運算構建可達矩陣；分別以結果為導向和原因為導向進行UP型和DOWN型拓撲層級抽??；繪制結果優(yōu)先型和原因優(yōu)先型有向拓撲層級圖。模型構建流程如下

其中：A為原始的布爾關系矩陣；B為單位矩陣和原始矩陣A的和矩陣；R為可達矩陣；UP/DOWN為層級抽取，最終得到的一組有向拓撲圖。

3.1 建立鄰接矩陣

根據(jù)AISM理論的建模流程，首先確定燃燒與爆炸實驗室事故致因因素的相關關系，確立鄰接矩陣。根據(jù)“三類危險源理論”共計分析得出25 項燃燒與爆炸實驗室事故致因因素。因素間并非獨立關系，例如通過完善燃燒與爆炸實驗室安全管理制度可以減少危險物擺放混亂問題的產生。結合某高校燃燒與爆炸實驗室的實際情況，通過專家評議建立事故致因因素之間的相互影響關系，如表1 所示。

表1 燃燒與爆炸實驗室事故致因因素影響關系

若某個因素Si對其他因素Sj存在影響，則在鄰接矩陣中標記1；若無影響，標記0。據(jù)此可構建該燃燒與爆炸實驗室事故致因因素的鄰接矩陣

3.2 構建可達矩陣

可達矩陣是用矩陣描述有向圖的各節(jié)點之間經(jīng)過一定的通路后可達的程度。用1 表示可達，0 表示不可達。利用布爾矩陣的通路推導拓撲運算性質可計算可達矩陣：通過鄰接矩陣A，先加上單位矩陣I，得到相乘矩陣B，再對B進行連乘運算，直到B的k+1 次冪等于B的k次冪，此時B的k次冪就被稱為可達矩陣R，具體的求解過程如下公式（1）和（2）所示：

據(jù)此可得到可達矩陣

3.3 抽取對抗拓撲層級

層級抽取是根據(jù)要素在相互作用關系中的重要程度對要素進行分級。可達矩陣中行值為1 的所有要素表示該行對應的要素ei能夠對其他要素產生影響，記為可達集合R（ei），能夠影響該要素ei的所有要素構成先行集合Q，則具有雙向影響作用的要素集合T可通過T=R∩Q獲得。

UP型拓撲層級抽取以結果優(yōu)先的原則進行，即：若R（ei）=T（ei），則在層級抽取時該要素為優(yōu)先級最高的要素；DOWN型拓撲層級抽取以原因優(yōu)先的原則進行，即：若Q（ei）=T（ei），則在層級抽取時該要素為優(yōu)先級最高的要素。抽取完一層后，從鄰接矩陣中刪除已經(jīng)抽取的要素ei所在的行和列，得到更新后的矩陣，重復模型推理過程，可得到第二級因素。依此類推，可得到表2 所示的對抗層級抽取結果。

表2 燃燒與爆炸實驗室事故致因因素對抗層級抽取結果

3.4 繪制有向拓撲層級圖

用有向線段表示燃燒與爆炸實驗室事故致因因素的關聯(lián)關系，構建結果優(yōu)先的UP 型有向拓撲層級圖［圖2（a）］和原因優(yōu)先的DOWN 型拓撲層級圖［圖2（b）］。

圖2 有向拓撲層級圖

可以看出，雖然兩種層級圖都有8 級結構，但因素間有向線段指向和因素所在層級不同，通過兩種層級圖的博弈對抗分析，可以得到更為準確的關鍵致因因素。

4 結果分析與事故預防對策

（1）從高校燃燒與爆炸實驗室事故致因因素AISM中因素間有向線段指向可以看出，越往低層，因素的影響作用越強，由此可以根據(jù)低層級L6-L8 得到根源性關鍵致因因素。在UP 型有向拓撲層級圖中，根源性關鍵致因因素集合為｛S6，S9，S23，S24，S25｝；在DOWN型有向拓撲層級圖中，根源性關鍵致因因素集合為｛S6，S7，S9，S23，S24，S25｝，取合集得到最優(yōu)集為｛S6，S9，S23，S24，S25｝。故該燃燒與爆炸實驗室事故根源性關鍵致因因素是防火防爆裝置失效（S6）、安全泄壓裝置失效（S9）、操作規(guī)程不健全（S23）、管理制度不完善（S24）和教育培訓不足（S25）。

（2）從因素所在層級可以看出，在兩種層級圖中大部分因素所在層級是一致的。但存在少數(shù)因素層級發(fā)生變化。在一對UP型和DOWN型有向拓撲層級圖中，若某個要素處于不同的拓撲層級，則稱這個要素為“活動要素”；具有活動要素的系統(tǒng)稱之為可拓變系統(tǒng)［13］。在傳統(tǒng)ISM分析中只分析單一的結構關系，易造成對因素層級判斷片面。例如，在圖2 中，S10從UP型有向拓撲層級圖的第1 層躍遷到DOWN 型有向拓撲層級圖的第4 層，意味著其重要性程度提高。通過博弈對抗比較，識別活動要素，可以得到敏感性關鍵致因因素。通過對比，可以發(fā)現(xiàn)該燃燒與爆炸實驗室事故致因因素AISM 層級圖中存在活動要素：實驗設備老化（S7），通風排廢系統(tǒng)失效（S8），缺少個人防護用具（S10），可燃氣體監(jiān)測預警系統(tǒng)故障（S11），操作規(guī)程不健全（S23）。

（3）AISM有向拓撲層級關系中的回路代表因素互為因果關系，相互影響。該燃燒與爆炸實驗室事故致因因素AISM的UP型有向拓撲層級圖和DOWN型拓撲層級中均具有3 個一致的回路，分別是［S2，S3］回路、［S13，S14，S15，S18，S19，S20］回路、［S12，S16，S17，S21，S22］回路。

通過上述3 方面的結果分析，可以采取以下針對性的措施預防高校燃燒與爆炸實驗室事故的發(fā)生。

（1）消除或減少根源性關鍵致因因素是事故預防最根本、最有效的手段。在該燃燒與爆炸實驗室中，需要重點監(jiān)管防火防爆裝置、安全泄壓裝置的可靠性，完善操作規(guī)程和管理制度，加強教育培訓。

（2）敏感性關鍵致因因素是事故預防過程中容易忽視的因素。該燃燒與爆炸實驗室需要關注實驗設備老化問題，對通風排廢系統(tǒng)、可燃氣體監(jiān)測預警系統(tǒng)進行定期檢測，加強對個人防護用具、操作規(guī)程的維護和更新。

（3）互為因果關系的關鍵致因因素在事故預防過程中需要綜合考慮。針對該燃燒與爆炸實驗室可能存在的物質泄漏問題，應當同時關注實驗原材料、產物、廢物的泄漏；針對實驗空間問題，需要保證操作空間、避免雜物堆積、合理處置廢棄物、采用正確的操作方法和步驟、提高多人實驗的協(xié)調性；針對事故應急保障問題，應當在完善應急設施、組織程序的同時，減少危險物擺放、實驗設備歸置混亂，提高實驗人員對危險性的認識。

5 結 語

針對高校燃燒與爆炸實驗室的事故風險復雜多樣的特性，利用“三類危險源理論”對燃燒與爆炸實驗室爆炸、火災、中毒、燙傷4 種主要事故類型進行致因分析，將燃燒與爆炸實驗室事故致因因素分為3 類：第1類是燃燒與爆炸實驗室自身存在的爆炸品、易燃氣體或粉塵、氧化物等物質以及高壓氣瓶、高溫或高壓設備等能量載體；第2 類是燃燒與爆炸實驗室能量約束設備失效、環(huán)境風險控制失效、人員行為失誤等能量轉移或泄放失控；第3 類是燃燒與爆炸實驗室的不安全組織因素，使得事故致因因素的辨識更加準確、全面［17］。

通過AISM模型對因素間相關關系進行分析，構建8 級結果優(yōu)先的UP型有向拓撲層級圖和原因優(yōu)先的DOWN型拓撲層級圖；利用兩種層級圖的博弈對抗分析，確定出高校燃燒與爆炸實驗室事故的根源性關鍵致因因素、敏感性關鍵致因因素、互為因果關系的關鍵致因因素，以此為基礎指導制定有針對性的事故預防措施，提高高校燃燒與爆炸實驗室的安全管理效率。