故障樹分析法在項目安全風險評估中的應用

陳耀華CHEN Yao-hua

（中鐵十七局集團有限公司，太原 030006）

（China Railway 17th Bureau Group Co.，Ltd.，Taiyuan 030006，China）

0 引言

目前，項目安全風險評估主要采用的方法是專家調查打分法和LEC 法，前者簡單明了、操作方便，但可靠性完全取決于專家的經驗和水平；后者結合了定性與定量的特性，但無法找出影響風險等級的基本要素。故障樹分析（FTA）技術是美國貝爾實驗室的沃特森博士于1961年開發的，它采用了邏輯的方法，利用圖的形式將可能造成項目失敗的各種因素進行分析，并確定其各種可能組合方式。該方法能將項目安全風險由粗到細，由大到小，分層排列，容易找出所有基本風險事件，邏輯關系明晰，分析結果準確。

1 安全風險的特征

安全風險是指危險、危害事故發生的可能性與其造成損失的集合。工程項目安全風險具有如下特性：①客觀性。安全風險不以人的意志為轉移，客觀真實的存在于生活之中。②可變性。在施工過程中，不同風險能導致不同結果，但如果提前加以控制就能避免風險事件的發生或降低其影響。③多樣性。安全風險常常存在于每個不同的環節和領域，并表現出各種形式和性質。

2 安全風險的分類

按照誘發危險、有害因素失控的條件分類：

①人的不安全行為。人的不安全行為分操作錯誤、忽視安全、忽視警告，造成安全裝置失效，使用不安全設備，手代替工具操作，物體存放不當，冒險進入危險場所，忽視防護用品用具的使用等13 大類。②物的不安全狀態。物的不安全狀態分為防護、保險、信號等裝置缺乏或有缺陷，設備、設施、工具有缺陷，個人防護用品、用具缺少或有缺陷，以及生產場地不良4 大類。③管理存在缺陷。管理缺陷主要包括對物性能控制的缺陷，對人的失誤控制的缺陷，工藝過程、作業程序的缺陷，用人單位的缺陷，對來自相關方的風險管理的缺陷，違反安全人機工程原理6 大類。

3 安全風險評估

安全風險評估方法一般可分為定性評估法、定量評估法以及定性定量相結合的方法。其中常用的有故障樹分析法、專家打分法、LEC 法、矩陣圖法、概率分析法、決策樹分析法、蒙特卡羅法等。本文將重點介紹故障樹分析法在項目安全風險評估中的應用。

3.1 故障樹分析步驟 ①確定故障樹的頂上事件。將易于發生且后果嚴重的事故作為頂上事件。②調查與頂上事件有關的所有原因事件。③故障樹作圖。從頂上事件起，一層一層往下分析各自的直接原因事件，根據彼此間的邏輯關系，用邏輯門連接上下層事件，直到所要求的分析深度，形成一株倒置的邏輯樹形圖。④故障樹定性分析。定性分析是故障樹分析的核心內容之一，目的是分析該類事故的發生規律及特點，通過求取最小割集（或最小經集），找出控制事故的可行方案，并從故障樹結構上分析各基本事件的重要程度。⑤定量分析。根據各基本事件的故障率，分析頂上事件發生的可能性大小。結合定性分析，按輕重緩急分別采取對策。

3.2 故障樹分析方法 ①最小割集及其求法：最小割集就是引起頂上事件發生必須的最低限度的割集。最小割集表示系統的危險性，求出最小割集可以掌握事故發生的各種可能，最小割集越多，系統越危險。最小割集的求取方法有行列式法、布爾代數法等。②最小徑集及其求法：最小徑集是頂上事件不發生所需的最低限度的徑集。最小徑集表示系統的安全性，每一最小徑集表示防止頂上事件的一個方案，最小徑集越多，系統就越安全。最小徑集可利用它與最小割集的對偶性求解。把原來故障樹的與門和或門對換，各類事件發生換成不發生，進而求出成功樹的最小割集，最后轉化為故障樹的最小徑集。③結構重要度分析：結構重要度分析是從故障樹結構上分析各基本事件的重要程度。即在不考慮各基本事件發生概率（或假定各基本事件的發生概率都相等）的情況下，分析各基本事件的發生對頂上事件所產生的影響程度。結構重要度分析可采用兩種方法，一是求結構重要度系數；二是利用最小割集或最小徑集判斷重要度，結構重要度系數計算公式如下：

Iφ（i）——基本事件Xi重要度系數近似判斷值；

Kj——包含Xi的割集（徑集）；

n——Xi所在最小割集（徑集）中基本事件的總數。

當然，在實際應用過程中，基本事件重要性還要結合其發生頻率等定量數據予以判斷。

3.3 故障樹分析案例應用 高空墜落一直是建筑施工行業的常見事故，據不完全統計，2009年至2010年兩年間，中鐵十七局四公司共發生各類高空墜落事件20 余起，其中從腳手架、模板、作業平臺上墜落占到了總數的80%，個別事件造成了人員傷亡。為系統分析可能造成高空墜落的每個基本事件或其組合，判斷其重要程度，以便及時采取應對措施，本文將圍繞高空墜落展開故障樹分析。以“工人從腳手架、模板、作業平臺上墜落”作為頂上事件，編制故障樹如圖1。

圖1 故障樹圖

①計算故障樹的最小割集。根據集合的運算定律，本案例采用布爾代數法計算如下：

則該故障樹的最小割集為E1={X1}；E2={X2}；E3={X3}；E4={X5，X6}；E5={X4，X7}；E6={X7，X9}；E7={X4，X8}；E8={X8，X9}；E9={X4，X13}；E10={X4，X14}；E11={X4，X10，X12}；E12={X4，X11，X12}。

用最小割集表示故障樹的等效圖如圖2 所示，發生頂上事件的途徑有12 種。

圖2 用最小割集表示的等效圖

②計算故障樹的最小徑集。利用故障樹最小割集的對偶性求解。用T′、A′1、A′2、A′3、A′4、B′1、B′2、M′1、M′2、M′3、M′4、X′1、X′2、X′3、X′4、X′5、X′6、X′7、X′8、X′9、X′10、X′11、X′12、X′13、X′14表示原有事件的補事件，邏輯門作相應轉換，則所得成功樹如圖3 所示。

根據集的運算定律用布爾代數法計算成功樹的最小割集：T′=A′1A′2A′3A′4X′3

根據成功樹的最小割集轉換求得原故障樹的最小徑集：P1={X1，X2，X3，X4，X5，X7，X8}；P2={X1，X2，X3，X4，X5，X9}；P3={X1，X2，X3，X4，X6，X7，X8}；P4={X1，X2，X3，X4，X6，X9}；P5={X1，X2，X3，X5，X7，X8，X12，X13，X14}；P6={X1，X2，X3，X6，X7，X8，X12，X13，X14}；P7={X1，X2，X3，X5，X7，X8，X10，X11，X13，X14}；P8={X1，X2，X3，X6，X7，X8，X10，X11，X13，X14}

③本事件結構重要度分析。利用重要度系數公式計算各基本事件結構重要度系數（不考慮發生概率情況下）：

則重要性順序為：X4＞X1=X2=X3＞X7=X8=X9＞X5=X6=X13=X14＞X12＞X10=X11。與等效故障樹分析結果基本一致。

④基本事件概率重要度分析。由于結構重要度分析只是按故障樹的結構分析了各基本事件對頂上事件的影響，因此具有一定的局限性，實際應用中還應該考慮基本事件的發生概率。基本事件概率重要度分析反映的是各基本事件發生概率對頂上事件的影響，其方法是頂上事件發生概率函數P(T)對基本事件（Xi）求一次偏導數，即I(i)=?P(T)/?Xi。根據四公司廈深、漢宜、南廣三個代表性項目2010年收集到的統計數據，在所有各基本事件中，發生概率最高的是“未系安全帶”，其次是“違章操作”和“無安全防護或防護不到位”，再次是“腳踩空”、“緊固扣件松脫”、“跳板折斷”、“結構設計不合理”等。

⑤評估結果及應對措施。“工人從腳手架、模板、作業平臺上墜落”事件的最小割集有12 個，最小徑集有8 個，說明導致高空墜落事件的可能性有12 種，但只要采取最小徑集方案中的任何一種，即可有效避免事故的發生。綜合考慮各基本事件結構重要度順序和概率重要度統計分析結果，可以確定造成頂上事件的主要原因依次為：未系安全帶、無安全防護或防護不到位、違章操作、結構設計不合理、緊固扣件松脫等，需要重點采取措施予以應對，其他為次要原因。

根據評估結果，2011年四公司安質部重點采取了以下應對措施強化項目“高空墜落”安全風險的管理，防范頂上事件發生：一是強化安全帶的使用。規定高處作業人員必須按規定佩帶和正確使用安全帶，不得使用損毀或質量不合格的安全帶，同時項目部要加強現場檢查。二是做好安全防護。規定各項目墩臺頂部、高空走道必須按要求設置防護圍欄，掛設安全網，圍欄連接要牢固，高度要合適，安全網質量應合格，安裝應有效；腳手架要按規定連接牢固，并設有防滑措施，跳板應鋪滿。要注意對安全防護設施定期進行檢查和維護。三是嚴禁違章作業。腳手架搭設、模板拼裝必須按規范操作，按交底進行；各項施工作業必須滿足規范；嚴禁攀登連接件和支撐件；嚴禁在上下同一垂直面安裝、拆卸模板；嚴禁惡劣天氣下露天攀登與懸空高處作業；嚴禁酒后作業等。四是嚴格方案評審。腳手架搭設及模板拼裝方案必須經過適當的評審，必要時由公司組織內外部專家進行論證，確保結構設計科學合理，防護措施全面到位。五是落實崗前培訓。規定高處作業人員必須經培訓考核合格后方可上崗，特種作業人員（如架子工）必須取得特種作業證后持證上高。恐高癥患者不得從事高空作業。六是狠抓監督檢查。規定項目部應專人負責現場安全巡視檢查，及時發現并整改安全隱患，對違章操作、違章指揮、不系安全帶等人為因素加大處罰力度，切實提高員工安全意識。

措施實施后，經過一段時間運行和統計，中鐵十七局四公司“高空墜落事件”發生頻率總體降低了約45%，取得了良好效果，實現了預期目標。

4 結束語

安全生產是項目安全管理的永恒主題，風險評估則是項目安全管理的基礎。工程項目安全風險點多面廣、錯綜復雜，準確評估各類風險的重要程度，明確控制重點，找出應對途徑，對有效管控項目安全風險有著舉足輕重的作用。故障樹分析法是項目安全風險評估的有效工具，它可以找到引起事故發生的原因及其相互關系，發現事故發生的模式和預防事故的最佳途徑，其特點是邏輯性強、靈活性高、適用范圍廣，既可定性分析，又可定量分析，評估結果具有系統性、準確性和預測性，適用于較復雜系統的風險評估。

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