事故樹-風險矩陣評估高校實驗室火災風險

胡 潔 方書昊 齊 涵 李明洋 周培卿

（1.中國礦業大學（北京）保衛處，北京 100083；

2.中國礦業大學（北京）應急管理與安全工程學院，北京 100083）

0 引言

高校實驗室安全形勢不容樂觀，其火災事故是實驗室安全管理工作中最為重要的部分[1]。高校實驗室是國家科研人才匯聚地，存放著大量貴重科研儀器，如何在嚴重事故發生前采取預防措施是亟待研究的重大課題[2-3]。北京市某高校一實驗室發生火災爆炸事故，事故導致一博士生身亡[4]。2018年12月26日，北京交通大學某實驗室發生爆炸燃燒，事故造成3人死亡，事發項目為垃圾滲濾液污水處理橫向科研項目，目的是制作垃圾滲濾液硝化載體。為了科學化、精準化采取相應預防措施，對實驗室火災風險進行評估歷來是國內外專家學者的研究方向。HILL J H.用風險優先指數法[5]評估實驗室安全風險，根據RPN值的大小來判斷其存在的安全風險大小。中國礦業大學尤立明[6]等應用事故樹法分析高校實驗室消防安全，得出各因素間因果關系。河南理工大學賈海林[7]等基于模糊層次法分析高校實驗室火災危險，得出影響火災的主要因素。江蘇師范大學王曄[8]等用量規法評估高校實驗室安全風險，得到量規法適用化學實驗室的評估。呂梁學院常悅[9]等基于事故樹—層次分析法評估實驗室火災風險，得到實驗室防護措施。重慶大學杜城顯[10]基于結構熵權法對校園火災進行了評估，得出高校宿舍及實驗室區域火災風險最高。

基于風險隱患矩陣理論，利用層次分析法對事故發生的頻率和嚴重度及安全措施補償系數賦值，建立了四級風險評估矩陣模型，應用事故樹法對北京市某高校實驗室火災事故進行分析得出導致事故發生的基本事件，以四級風險評估矩陣法對基本事件進行調查和專家評估，由此得到基本事件風險值的大小，應用事故樹—風險矩陣法對高校實驗室火災風險進行評估研究，對實驗室火災事故預防措施有一定的指導作用，對提升高校實驗室安全管理水平也有積極意義。

1 高校實驗室火災事故致因要素分析

對北京市某高校實驗室火災進行事故樹分析，如圖1，頂上事件是指人們所要分析的對象，指人們不希望發生的事件，用T表示[11]。這里討論的頂上事件，可歸納為“火災發生并且疏散失敗的情況下造成實驗室火災事故的發生”（記作M1·M2=T）。中間事件是指系統中可能造成頂上事件發生的事件，是可以繼續往下分析原因的事件，用Mi（i=1，2，3…）表示，該事故樹中的中間事件共有7個?；臼录菍е马斏鲜录l生的初始事件，是造成頂上事件發生的基礎原因，通常用符號Xi（i=1，2，3…）表示。如同對中間事件的分析，進行深化，就可揭示出發生實驗室火災事故的基本因素及其相互關系。

經上述分析得到事故樹，包括22個基本事件，7個中間事件，3個與門和6個或門，反映了實驗室火災事故的因果關系。對該事故樹進行分析，不但可以了解事故發生的所有可能途徑，而且可以分析哪些途徑是最值得注意和防范的，從而針對這些途徑制定相應的預防措施。

圖1 實驗室火災事故樹Fig.1 Fault tree analysis of laboratory fire

2 風險矩陣的理論與模型

風險矩陣評估首先是危險識別，它是風險評估的一個關鍵步驟[12]。事故致因理論是用來闡明事故的成因、始末過程和事故后果，以便對事故現象的發生、發展進行明確的分析[13]。綜合論認為事故的發生絕不是偶然的，而是有其深刻原因的，包括直接原因、間接原因和基礎原因。事故的直接原因是指不安全狀態和不安全動作，這些物質的、環境的以及人的原因構成了生產中的危險因素。間接原因是導致不安全行為、不安全狀態產生的深層次原因。具體表現在：管理缺陷、管理因素、管理責任。基礎原因是造成間接原因的因素，內容包括經濟、文化、學校教育、民族習慣、社會歷史和法律等。由此將事故隱患分為：直接原因導致事故風險；間接原因導致事故風險；基礎原因導致事故風險。

風險矩陣法屬于理論與經驗相結合的方法，分級管理依據符合海因里希隱患三角形理念[14]。風險評估矩陣可將事故發生的可能性和嚴重度相疊加得到風險等級，結合北京市某高校實驗室的實際情況，建立四級風險評估矩陣，見表1。

表1 風險評估矩陣Tab.1 Risk assessment matrix

高校內部安全管理體系的完備可以預防和控制實驗室事故發生，在定量風險評估中，安全管理措施對風險的影響體現在對事故泄漏頻率的修正，技術管理措施與修正系數對應如以下公式所示。未采取措施的修正系數是1，良好的管理可以降低事故發生，不良管理會增加事故。

式中：

y—修正系數；

x—技術管理措施。

事故的嚴重程度對事故風險值的作用比事故發生可能性高一個數量級，結合實驗室事故，將事故嚴重程度、事故發生可能性與管理技術措施有效性等級均劃分為四級。為實現對隱患的定量分析，使用層次分析法計算以上因素等級的權重，參考表2建立判別矩陣，平均隨機一致性指標RI取值，見表3。

表2 標度及其含義Tab.2 Scale and its implication

表3 隨機一致性指標RI值Tab.3 Random consistency index, RI value

2.1 事故發生頻率等級賦值

2.1.1 層次模型的建立

最高層定為實驗室火災事故發生的頻率。根據上述事故樹及相關案例，將影響頻率的因素定為加熱、燃燒反應、蓄意縱火、電氣因素、煙頭、雷擊、消防設施、人員疏散、可燃物，即中間層。火災事故包括火災發生和疏散失效兩方面，如圖1。

根據實驗室火災事故案例，實驗室火災事故發生頻率的四個等級定為等級A（發生頻率高于3年1次），等級B（發生頻率10年1次～3年1次），等級C（發生頻率50年1次～10年1次），等級D（發生頻率100年1次～50年1次），D即為最低層。不同因素造成火災事故發生的頻率是不同的，經過總排序后，可以得到四個等級的權重，模型結構，如圖2。

2.1.2 建立判別矩陣

綜合實驗室火災案例，得出相對重要性：加熱或燃燒反應＞消防設施＞人員疏散＞可燃物＞電氣因素＞煙頭＞蓄意縱火＞雷擊。在每個因素下考慮判別矩陣時，根據以往事故來判斷每個因素發生的頻率，從而決定各個因素下等級的相對重要性。根據表2所示規則建立每層的判別矩陣。

圖2 層次結構Fig.2 Layered structure

2.1.3 確定等級權重

對第二層的判別矩陣，采用幾何平均法得出每個因素對目標的權重，根據表3進行一致性檢驗。然后對第三層進行總排序，得出四個等級對目標層的權重，實現對等級的量化，從而便于對隱患的模糊分析。對等級A賦值10，等級B的賦值由等級B權重除以等級A權重并乘以10算得，同理得到其他等級的分數值。四個等級的權重及賦值，見表4。

表4 頻率的等級權重及其賦值Tab.4 Weights and assignments of frequency grades

2.2 事故發生嚴重度等級的賦值

首先建立層次分析模型，最高層為事故的嚴重度，中間層為人員死亡或受傷、直接經濟損失、間接經濟損失，最低層分別為等級Ⅰ（死亡人數≥10，直接經濟損失≥100萬元，間接經濟損失≥500萬元）、Ⅱ（死亡人數3-9，直接經濟損失50萬～100萬元，間接經濟損失100萬～500萬元）、Ⅲ（死亡人數1-3，直接經濟損失10萬～50萬元，間接經濟損失50萬～100萬元）、Ⅳ（受傷，直接經濟損失10萬元以下，間接經濟損失50萬元以下）。計算過程與頻率相似，不再贅述。值得指出的是，事故嚴重程度對事故風險值的作用比事故發生可能性高一個數量級，所以給嚴重度最高等級賦值100。結果，見表5。

表5 事故嚴重度等級權重及其賦值Tab.5 Weights and assignments of accident severity grades

2.3 安全措施補償系數等級賦值

首先建立層次分析模型，目標層為安全措施的有效性，最低層為等級1（安全管理技術措施效果特別差）、2（安全管理技術措施效果差）、3（安全管理技術措施效果一般）、4（安全管理技術措施效果好）。結合以往事故案例，直接比較等級之間的相對重要性，得出判別矩陣，計算權重并進行一致性檢驗。未采取措施的修正系數是1，得出結果，見表6。

表6 安全措施補償系數等級的權重及其賦值Tab.6 Weights and assignments of safety compensation coefficient grades

2.4 風險矩陣的建立

參考表1的風險評估矩陣，建立如表7所示的評估結果，將風險值為1～15的基本事件歸為最低等級，將風險值為15～75的基本事件歸為次低級，將風險值為75～175的基本事件歸為次高級，將風險值為175～1000的基本事件歸為最高級。

表7 風險矩陣評價結果Tab.7 Risk matrix evaluation results

3 北京市某高校實驗室火災風險矩陣評估

分析導致北京市某高校實驗室火災隱患的具體內容，即實驗室火災事故樹得出的基本事件，依據實際調查和專家評估得出基本事件的風險評估表，后果嚴重程度取值10～100，可能性取值1.5～10，管理技術措施有效系數統一取1，火災事故風險評估，見表8。

從評估結果可以看出，導致實驗室火災事故的基本事件風險值大小依次為：直接原因燃燒反應失控（1000）、直接原因加熱（700）、基礎原因人員消防素質（500）、間接原因操作不當（350）、間接原因實驗室管理水平（350）、間接原因火災報警系統缺陷（350）、直接原因電氣火花（300）、間接原因滅火材料不足（300）、間接原因消防系統缺陷（250）、基礎原因木制品（175）、直接原因反應放熱（150）、間接原因存放不當（150）、直接原因未滅煙頭（75）、間接原因線路老化（75）、直接原因蓄意縱火（75）、直接原因雷擊（75）、直接原因泄露（75）、間接原因應急預案不足（75）、基礎原因建筑物耐火等級低（75）、基礎原因安全通道有限（37.5）、間接原因應急照明設備損壞（30）、間接原因疏散指示標志損壞（15）。

表8 火災事故風險評估Tab.8 Fire accident risk assessment

基于北京某高校實驗室爆炸及爆炸引發的燃燒事故。通過理論分析和實驗驗證表明，共計6個中間事件及22個基本事件，事件個數眾多，說明引發火災風險因素也多，事故不易控制。根據表5-8分析并綜合實驗室火災案例，得出事件X1-X8發生火災事故較大，且大多屬直接原因，尤其是加熱（X1）、燃燒反應（X3）及電火花（X4）；當磷酸與鎂粉混合會發生劇烈反應并釋放出大量氫氣和熱量，氫氣屬于易燃易爆氣體，鎂粉屬于爆炸性金屬粉塵，遇點火源會發生爆炸。其風險值由低到高分別為350、700和1000，發生事故可能性由低到高排序分別為3、7和10，X1-X8的風險值及事故可能等級的平均值分別為306.25和4，事故嚴重度等級為II級-III之間，事故發生頻率等級權重為0.146007～0.324324之間，等級權重在0.130492～0.28239；在請了相關專家組后，專家組確認事故的直接原因為：在使用攪拌機對鎂粉和磷酸攪拌及反應過程中，料斗內產生的氫氣被攪拌機轉軸處金屬摩擦、碰撞產生的火花點燃爆炸，繼而引發鎂粉粉塵云爆炸，爆炸引起周邊鎂粉和其他可燃物燃燒，造成現場3名學生燒死。而間接原因為：違規開展試驗、冒險作業；違規購買、違法儲存危險化學品；對實驗室和科研項目安全管理不到位。基于上述分析，基本事件風險值大小的平均值為235，事故可能等級的平均值為4。安全措施補償系數等級為II-III級，權重為0.117786382～0.263378357，經確認北京市某高校實驗室火災隱患安全管理技術措施效果為一般和差。

事故樹—風險矩陣可以定量分析各個因素對照導致實驗室火災事故的影響程度，為制定控制措施有著重要意義，經分析造成北京某高校實驗室爆炸燃燒事故的原因有：直接原因燃燒反應失控（1000）、直接原因加熱（700）、間接原因操作不當（350）、間接原因實驗室管理水平（350）、間接原因火災報警系統缺陷（350）、間接原因消防系統缺陷（250）、直接原因反應放熱（150）、間接原因存放不當（150）、間接原因應急預案不足（75）、基礎原因安全通道有限（37.5）。說明某實驗室在爆炸燃燒危險程度較高，防治火災方面有所不足，實驗室管制制度不明確及人員管理不當，評估結果得到的導致實驗室火災事故的基本事件風險值適用該爆炸燃燒事故的分析，需降低風險性，應該著重從易燃易爆氣體探測、電器設備防火狀態、火災報警系統、消防系統及實驗室管理等方面進行控制，為預防高校實驗室火災提供一定的指導。

4 結論

基于風險矩陣理論，建立四級風險評估矩陣模型，通過事故樹法對高校實驗室火災事故進行分析得出導致事故發生的基本事件，以四級風險評估矩陣法對基本事件進行調查和專家評估，由此得到基本事件風險值的大小。得到的主要結論如下：

（1）對北京市某高校實驗室火災事故進行事故樹分析，得出導致火災事故發生的基本事件共22項，直接原因包括燃燒反應失控、加熱等8項，間接原因包括操作不當、實驗室管理水平等10項，基礎原因包括人員消防素質、木制品等4項，由此可精準化分析實驗室火災事故。

（2）利用層次分析法對事故發生的頻率和嚴重度及安全措施補償系數賦值，建立四級風險評估矩陣模型，導致實驗室火災事故的主要原因為：燃燒反應失控、加熱、人員消防素質、操作不當、實驗室管理水平、火災報警系統缺陷、電氣火花、滅火材料不足、消防系統缺陷、木制品、反應放熱、存放不當。

（3）依照基本事件風險值大小，針對性采取防護措施，重點防護高風險事件，對高校實驗室安全管理科學化、精準化有一定積極作用。