基于AISM的高校燃燒與爆炸實(shí)驗(yàn)室事故關(guān)鍵致因分析

李威君， 朱明珠， 劉 音， 胡相明，c

（山東科技大學(xué)a.安全與環(huán)境工程學(xué)院；b.礦業(yè)工程國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心；c.礦山災(zāi)害預(yù)防控制省部共建國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，山東 青島 266590）

0 引 言

近年來，我國(guó)安全生產(chǎn)形勢(shì)總體好轉(zhuǎn)，但火災(zāi)爆炸事故頻繁發(fā)生且后果極為嚴(yán)重，仍是我國(guó)主要的事故災(zāi)害之一［1］。掌握燃燒與爆炸機(jī)理，對(duì)于預(yù)防和控制火災(zāi)爆炸事故具有重要意義。燃燒與爆炸實(shí)驗(yàn)是高校安全工程、化學(xué)工程等專業(yè)的核心實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容，旨在引導(dǎo)學(xué)生探索燃燒爆炸的發(fā)生、演化機(jī)理，通過火焰?zhèn)鞑ニ俣?、爆炸極限測(cè)試等實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證所學(xué)理論知識(shí)［2］。相比于一般的化學(xué)實(shí)驗(yàn)室，高校燃燒與爆炸實(shí)驗(yàn)室涉及的實(shí)驗(yàn)材料多為易燃易爆粉塵、氣體，并且具有高溫、高壓、動(dòng)火操作等風(fēng)險(xiǎn)因素，事故危險(xiǎn)性較大［3］。因此，燃燒與爆炸實(shí)驗(yàn)室的安全問題一直是高校實(shí)驗(yàn)室管理的重點(diǎn)。為降低事故風(fēng)險(xiǎn)，傳統(tǒng)的高校燃燒與爆炸實(shí)驗(yàn)內(nèi)容較為單一且以演示性實(shí)驗(yàn)為主。隨著“新工科”建設(shè)的不斷深化，傳統(tǒng)的實(shí)踐教學(xué)模式隨之調(diào)整［4］。燃燒與爆炸實(shí)驗(yàn)涉及的儀器、設(shè)備、學(xué)生人數(shù)不斷增多，實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室安全事故發(fā)生的深層次關(guān)鍵原因，以便從根源上減少燃燒與爆炸實(shí)驗(yàn)室安全事故的發(fā)生，提高安全管理效率。

1 研究現(xiàn)狀

對(duì)實(shí)驗(yàn)室事故致因因素進(jìn)行辨識(shí)，為事故預(yù)防和控制提供依據(jù)，是實(shí)驗(yàn)室安全管理的有效手段［6］。目前已有專家學(xué)者將事故致因理論和方法用于高校實(shí)驗(yàn)室風(fēng)險(xiǎn)分析。田志剛等［7］從實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室事故演化路徑，并基于事故危機(jī)發(fā)展的4R理論分析得出實(shí)驗(yàn)室事故風(fēng)險(xiǎn)防控的最佳時(shí)期為潛伏和誘發(fā)階段；陽(yáng)富強(qiáng)等［8］以預(yù)測(cè)-決策-執(zhí)行事故致因模型為基礎(chǔ)，從安全信息角度分析實(shí)驗(yàn)室人員、高校實(shí)驗(yàn)室管理、教育管理部門監(jiān)管三個(gè)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(zhǔn)則，從人的不安全行為和物的不安全狀態(tài)兩方面對(duì)高校實(shí)驗(yàn)室安全管理存在的問題進(jìn)行了深入分析；付凈等［10］基于事故致因“2-4”模型分析了導(dǎo)致高校實(shí)驗(yàn)室事故發(fā)生的具體動(dòng)作或物態(tài)的共性原因；周營(yíng)新等［11］通過事故致因“2-4”模型識(shí)別高校實(shí)驗(yàn)室事故致因的不安全動(dòng)作、不安全物態(tài)、組織層因素，通過決策實(shí)驗(yàn)室分析與解釋結(jié)構(gòu)模型法計(jì)算得到安全管理監(jiān)管與責(zé)任體系缺失是實(shí)驗(yàn)室事故的根源原因；高文紅［12］運(yùn)用系統(tǒng)論事故過程致因模型（STAMP）對(duì)實(shí)驗(yàn)室爆炸事故進(jìn)行了系統(tǒng)分析，識(shí)別出高校實(shí)驗(yàn)室組織內(nèi)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(shí)驗(yàn)室安全管理的研究也較為成熟，但關(guān)于燃燒與爆炸實(shí)驗(yàn)室的相關(guān)研究較少，針對(duì)高校燃燒與爆炸實(shí)驗(yàn)室風(fēng)險(xiǎn)特性的事故致因分析仍較為薄弱；此外，現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)室事故致因因素分析對(duì)因素間相關(guān)關(guān)系的研究較少，事故深層原因辨識(shí)的一致性較低，導(dǎo)致事故預(yù)防對(duì)策的準(zhǔn)確性較差。對(duì)抗解釋結(jié)構(gòu)模型（Adversarial Interpretive Structural Model，AISM）在解釋結(jié)構(gòu)模型（Interpretative Structural Modeling，ISM）層次結(jié)構(gòu)建模的基礎(chǔ)上融入了博弈對(duì)抗思想，通過構(gòu)建一組對(duì)抗的層級(jí)拓?fù)鋱D比較、分析因素間由因到果、由果到因的相關(guān)關(guān)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(shí)驗(yàn)室事故致因因素分析

事故發(fā)生的根源是危險(xiǎn)源存在并且未得到有效控制。高校燃燒與爆炸實(shí)驗(yàn)本身的危險(xiǎn)源種類多、風(fēng)險(xiǎn)大，若發(fā)生控制失效，其主要的事故類型是爆炸、火災(zāi)、中毒、燙傷［5］。結(jié)合“三類危險(xiǎn)源理論”能夠較為全面地辨識(shí)高校燃燒與爆炸實(shí)驗(yàn)室的事故致因因素：第1類危險(xiǎn)源是指能量載體或能量源；第2 類危險(xiǎn)源指物的故障、物理性環(huán)境因素，個(gè)體人行為失誤；第3 類危險(xiǎn)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］。基于“三類危險(xiǎn)源理論”分析高校燃燒與爆炸實(shí)驗(yàn)室的危險(xiǎn)源，識(shí)別爆炸、火災(zāi)、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(xiǎn)源理論”的燃燒與爆炸實(shí)驗(yàn)室典型事故致因因素辨識(shí)

第1 類危險(xiǎn)源。高校燃燒與爆炸實(shí)驗(yàn)室最顯著的風(fēng)險(xiǎn)特征是存在爆炸品、易燃?xì)怏w或粉塵、氧化物等物質(zhì)以及高壓氣瓶、高溫或高壓設(shè)備等能量載體。實(shí)驗(yàn)過程所需的可燃物、助燃物、點(diǎn)火源構(gòu)成了爆炸與火災(zāi)的基本條件，一旦反應(yīng)失控即會(huì)產(chǎn)生事故。有毒物質(zhì)的泄漏以及實(shí)驗(yàn)過程產(chǎn)生的燃燒產(chǎn)物、實(shí)驗(yàn)廢氣等在空間相對(duì)狹小且參與實(shí)驗(yàn)學(xué)生較多的室內(nèi)極易引起中毒事故；燃燒與爆炸實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的高溫通過設(shè)備傳導(dǎo)到表面或高溫物質(zhì)飛濺可能產(chǎn)生燙傷事故。

第2 類危險(xiǎn)源。雖然第1 類危險(xiǎn)源從本質(zhì)上決定了燃燒與爆炸實(shí)驗(yàn)室的高危性，但如果能夠?qū)δ芰炕蚰芰枯d體進(jìn)行約束，也可以降低事故風(fēng)險(xiǎn)。反之，能量約束設(shè)備失效、環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)控制失效、人員行為失誤會(huì)使能量轉(zhuǎn)移或泄放失控，甚至引起事故擴(kuò)大。其中，能量約束設(shè)備失效可進(jìn)一步分為防火防爆裝置失效、實(shí)驗(yàn)設(shè)備老化、通風(fēng)排廢系統(tǒng)失效、安全泄壓裝置失效、缺少個(gè)人防護(hù)用具。環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)涉及實(shí)驗(yàn)室可燃?xì)怏w監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)故障、危險(xiǎn)物擺放混亂、操作空間狹小、雜物堆積、廢棄物處置不當(dāng)、應(yīng)急設(shè)施失效。人員行為失誤主要包括對(duì)燃燒與爆炸實(shí)驗(yàn)室危險(xiǎn)性認(rèn)識(shí)不足、實(shí)驗(yàn)操作方法錯(cuò)誤、不遵循操作步驟、多人實(shí)驗(yàn)協(xié)調(diào)性差、實(shí)驗(yàn)物品和設(shè)備歸置不當(dāng)。

第3 類危險(xiǎn)源。燃燒與爆炸實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)組織程序混亂、實(shí)驗(yàn)操作規(guī)程不健全、實(shí)驗(yàn)室安全管理制度不完善、安全與應(yīng)急教育培訓(xùn)不足。

3 高校燃燒與爆炸實(shí)驗(yàn)室事故致因因素AISM構(gòu)建

ISM可對(duì)相互關(guān)聯(lián)的因素進(jìn)行分析形成多級(jí)階梯結(jié)構(gòu)模型［16］。AISM在ISM 的基礎(chǔ)上，構(gòu)建一組對(duì)抗的層級(jí)拓?fù)鋱D用于分析因素間由因到果、由果到因的相關(guān)關(guān)系。AISM建模流程可分為4 個(gè)步驟：確立事故致因因素關(guān)系并建立鄰接矩陣；通過通路推導(dǎo)拓?fù)溥\(yùn)算構(gòu)建可達(dá)矩陣；分別以結(jié)果為導(dǎo)向和原因?yàn)閷?dǎo)向進(jìn)行UP型和DOWN型拓?fù)鋵蛹?jí)抽?。焕L制結(jié)果優(yōu)先型和原因優(yōu)先型有向拓?fù)鋵蛹?jí)圖。模型構(gòu)建流程如下

其中：A為原始的布爾關(guān)系矩陣；B為單位矩陣和原始矩陣A的和矩陣；R為可達(dá)矩陣；UP/DOWN為層級(jí)抽取，最終得到的一組有向拓?fù)鋱D。

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(shí)驗(yàn)室事故致因因素的相關(guān)關(guān)系，確立鄰接矩陣。根據(jù)“三類危險(xiǎn)源理論”共計(jì)分析得出25 項(xiàng)燃燒與爆炸實(shí)驗(yàn)室事故致因因素。因素間并非獨(dú)立關(guān)系，例如通過完善燃燒與爆炸實(shí)驗(yàn)室安全管理制度可以減少危險(xiǎn)物擺放混亂問題的產(chǎn)生。結(jié)合某高校燃燒與爆炸實(shí)驗(yàn)室的實(shí)際情況，通過專家評(píng)議建立事故致因因素之間的相互影響關(guān)系，如表1 所示。

表1 燃燒與爆炸實(shí)驗(yàn)室事故致因因素影響關(guān)系

若某個(gè)因素Si對(duì)其他因素Sj存在影響，則在鄰接矩陣中標(biāo)記1；若無影響，標(biāo)記0。據(jù)此可構(gòu)建該燃燒與爆炸實(shí)驗(yàn)室事故致因因素的鄰接矩陣

3.2 構(gòu)建可達(dá)矩陣

可達(dá)矩陣是用矩陣描述有向圖的各節(jié)點(diǎn)之間經(jīng)過一定的通路后可達(dá)的程度。用1 表示可達(dá)，0 表示不可達(dá)。利用布爾矩陣的通路推導(dǎo)拓?fù)溥\(yùn)算性質(zhì)可計(jì)算可達(dá)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(duì)B進(jìn)行連乘運(yùn)算，直到B的k+1 次冪等于B的k次冪，此時(shí)B的k次冪就被稱為可達(dá)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(dá)矩陣

3.3 抽取對(duì)抗拓?fù)鋵蛹?jí)

層級(jí)抽取是根據(jù)要素在相互作用關(guān)系中的重要程度對(duì)要素進(jìn)行分級(jí)?？蛇_(dá)矩陣中行值為1 的所有要素表示該行對(duì)應(yīng)的要素ei能夠?qū)ζ渌禺a(chǎn)生影響，記為可達(dá)集合R（ei），能夠影響該要素ei的所有要素構(gòu)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?fù)鋵蛹?jí)抽取以結(jié)果優(yōu)先的原則進(jìn)行，即：若R（ei）=T（ei），則在層級(jí)抽取時(shí)該要素為優(yōu)先級(jí)最高的要素；DOWN型拓?fù)鋵蛹?jí)抽取以原因優(yōu)先的原則進(jìn)行，即：若Q（ei）=T（ei），則在層級(jí)抽取時(shí)該要素為優(yōu)先級(jí)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(fù)模型推理過程，可得到第二級(jí)因素。依此類推，可得到表2 所示的對(duì)抗層級(jí)抽取結(jié)果。

表2 燃燒與爆炸實(shí)驗(yàn)室事故致因因素對(duì)抗層級(jí)抽取結(jié)果

3.4 繪制有向拓?fù)鋵蛹?jí)圖

用有向線段表示燃燒與爆炸實(shí)驗(yàn)室事故致因因素的關(guān)聯(lián)關(guān)系，構(gòu)建結(jié)果優(yōu)先的UP 型有向拓?fù)鋵蛹?jí)圖［圖2（a）］和原因優(yōu)先的DOWN 型拓?fù)鋵蛹?jí)圖［圖2（b）］。

圖2 有向拓?fù)鋵蛹?jí)圖

可以看出，雖然兩種層級(jí)圖都有8 級(jí)結(jié)構(gòu)，但因素間有向線段指向和因素所在層級(jí)不同，通過兩種層級(jí)圖的博弈對(duì)抗分析，可以得到更為準(zhǔn)確的關(guān)鍵致因因素。

4 結(jié)果分析與事故預(yù)防對(duì)策

（1）從高校燃燒與爆炸實(shí)驗(yàn)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(qiáng)，由此可以根據(jù)低層級(jí)L6-L8 得到根源性關(guān)鍵致因因素。在UP 型有向拓?fù)鋵蛹?jí)圖中，根源性關(guān)鍵致因因素集合為｛S6，S9，S23，S24，S25｝；在DOWN型有向拓?fù)鋵蛹?jí)圖中，根源性關(guān)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(shí)驗(yàn)室事故根源性關(guān)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(xùn)不足（S25）。

（2）從因素所在層級(jí)可以看出，在兩種層級(jí)圖中大部分因素所在層級(jí)是一致的。但存在少數(shù)因素層級(jí)發(fā)生變化。在一對(duì)UP型和DOWN型有向拓?fù)鋵蛹?jí)圖中，若某個(gè)要素處于不同的拓?fù)鋵蛹?jí)，則稱這個(gè)要素為“活動(dòng)要素”；具有活動(dòng)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(jié)構(gòu)關(guān)系，易造成對(duì)因素層級(jí)判斷片面。例如，在圖2 中，S10從UP型有向拓?fù)鋵蛹?jí)圖的第1 層躍遷到DOWN 型有向拓?fù)鋵蛹?jí)圖的第4 層，意味著其重要性程度提高。通過博弈對(duì)抗比較，識(shí)別活動(dòng)要素，可以得到敏感性關(guān)鍵致因因素。通過對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)該燃燒與爆炸實(shí)驗(yàn)室事故致因因素AISM 層級(jí)圖中存在活動(dòng)要素：實(shí)驗(yàn)設(shè)備老化（S7），通風(fēng)排廢系統(tǒng)失效（S8），缺少個(gè)人防護(hù)用具（S10），可燃?xì)怏w監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)故障（S11），操作規(guī)程不健全（S23）。

（3）AISM有向拓?fù)鋵蛹?jí)關(guān)系中的回路代表因素互為因果關(guān)系，相互影響。該燃燒與爆炸實(shí)驗(yàn)室事故致因因素AISM的UP型有向拓?fù)鋵蛹?jí)圖和DOWN型拓?fù)鋵蛹?jí)中均具有3 個(gè)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(jié)果分析，可以采取以下針對(duì)性的措施預(yù)防高校燃燒與爆炸實(shí)驗(yàn)室事故的發(fā)生。

（1）消除或減少根源性關(guān)鍵致因因素是事故預(yù)防最根本、最有效的手段。在該燃燒與爆炸實(shí)驗(yàn)室中，需要重點(diǎn)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(qiáng)教育培訓(xùn)。

（2）敏感性關(guān)鍵致因因素是事故預(yù)防過程中容易忽視的因素。該燃燒與爆炸實(shí)驗(yàn)室需要關(guān)注實(shí)驗(yàn)設(shè)備老化問題，對(duì)通風(fēng)排廢系統(tǒng)、可燃?xì)怏w監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)進(jìn)行定期檢測(cè)，加強(qiáng)對(duì)個(gè)人防護(hù)用具、操作規(guī)程的維護(hù)和更新。

（3）互為因果關(guān)系的關(guān)鍵致因因素在事故預(yù)防過程中需要綜合考慮。針對(duì)該燃燒與爆炸實(shí)驗(yàn)室可能存在的物質(zhì)泄漏問題，應(yīng)當(dāng)同時(shí)關(guān)注實(shí)驗(yàn)原材料、產(chǎn)物、廢物的泄漏；針對(duì)實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)的協(xié)調(diào)性；針對(duì)事故應(yīng)急保障問題，應(yīng)當(dāng)在完善應(yīng)急設(shè)施、組織程序的同時(shí)，減少危險(xiǎn)物擺放、實(shí)驗(yàn)設(shè)備歸置混亂，提高實(shí)驗(yàn)人員對(duì)危險(xiǎn)性的認(rèn)識(shí)。

5 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)高校燃燒與爆炸實(shí)驗(yàn)室的事故風(fēng)險(xiǎn)復(fù)雜多樣的特性，利用“三類危險(xiǎn)源理論”對(duì)燃燒與爆炸實(shí)驗(yàn)室爆炸、火災(zāi)、中毒、燙傷4 種主要事故類型進(jìn)行致因分析，將燃燒與爆炸實(shí)驗(yàn)室事故致因因素分為3 類：第1類是燃燒與爆炸實(shí)驗(yàn)室自身存在的爆炸品、易燃?xì)怏w或粉塵、氧化物等物質(zhì)以及高壓氣瓶、高溫或高壓設(shè)備等能量載體；第2 類是燃燒與爆炸實(shí)驗(yàn)室能量約束設(shè)備失效、環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)控制失效、人員行為失誤等能量轉(zhuǎn)移或泄放失控；第3 類是燃燒與爆炸實(shí)驗(yàn)室的不安全組織因素，使得事故致因因素的辨識(shí)更加準(zhǔn)確、全面［17］。

通過AISM模型對(duì)因素間相關(guān)關(guān)系進(jìn)行分析，構(gòu)建8 級(jí)結(jié)果優(yōu)先的UP型有向拓?fù)鋵蛹?jí)圖和原因優(yōu)先的DOWN型拓?fù)鋵蛹?jí)圖；利用兩種層級(jí)圖的博弈對(duì)抗分析，確定出高校燃燒與爆炸實(shí)驗(yàn)室事故的根源性關(guān)鍵致因因素、敏感性關(guān)鍵致因因素、互為因果關(guān)系的關(guān)鍵致因因素，以此為基礎(chǔ)指導(dǎo)制定有針對(duì)性的事故預(yù)防措施，提高高校燃燒與爆炸實(shí)驗(yàn)室的安全管理效率。