基于半定量的FRAM道路危險品運輸事故分析方法研究*

雷 渝，帥 斌，米榮偉，黃文成

(1.西南交通大學 交通運輸與物流學院，四川 成都 611756；2.西南交通大學 綜合交通運輸智能化國家地方聯合工程實驗室，四川 成都 611756；3.西南交通大學 綜合交通大數據應用技術國家工程實驗室，四川 成都 611756)

0 引言

隨工業、現代科學技術持續發展，危險品被廣泛應用于國防、農業、工業、醫藥衛生、交通運輸以及科學研究等領域[1]。截止2018年，我國危險品道路運輸車輛共計37.3萬輛，相關作業人員160萬，其中道路運輸危險品占總危險品運量70%[2]。道路危險品運輸事故將會造成人員傷亡、財產損失，甚至引起不良社會影響。

目前針對道路危險品運輸事故研究主要集中于系統風險評價、運輸路徑優化2方面。在系統風險評價方面：黃文成等[3]將道路危險品運輸分為人、機、環、管4個子系統，利用熵權法估算系統耦合協調度，提出道路危險品運輸系統風險評價方法；楊婷等[4]將危險品道路運輸系統風險因素劃分為人、機、物、環、管5類，運用N-K模型計算系統耦合風險；劉文龍等[5]建立事故風險評估模型，從多種視角對道路危險品事故風險進行評估。在運輸路徑優化方面：楊立娟等[6]考慮不同決策者對運輸路徑要求，建立最小化距離、成本、風險的危險品運輸路徑優化模型；李立等[7]通過改進NSGA-Ⅱ算法，建立動態危險品運輸優化模型。道路危險品運輸方面雖取得一定研究成果，但運用事故分析模型探究道路危險品運輸事故致因的研究比較缺乏。

在事故分析模型研究方面：Hollnagel[8]最先提出功能共振事故模型(FRAM)；部分學者將FRAM應用于事故分析，發現FRAM可以準確定位事故致因，并且解釋系統動態性和非線性[9-11]。

Salmon等[12]證明道路交通系統是1個復雜的社會技術系統；Peter等[13]指出基于傳統因果序列和流行病學對道路運輸系統進行分析比較困難。傳統事故分析方法從事故角度出發尋找事故發生原因，存在解決措施不具體、缺乏針對性等弊端，不能有效防止事故發生。FRAM作為1種系統事故分析方法可用于特定的、合理的交通場景，允許對人與技術間接口、耦合和依賴效應、子系統間非線性依賴及功能可變性進行建模，闡述系統功能共振導致事故發生機理，并對關鍵功能進行監督和控制，降低系統可變性，確保系統正常運行。FRAM事故分析法主要從定性角度進行分析，主觀判斷性較強，每個功能輸出可變性及功能間耦合具有較強的不確定性，不能完全識別功能間耦合變異，導致分析結果可靠性低。

因此，本文通過引入半定量FRAM，基于系統視角研究道路危險品運輸事故。半定量FRAM可量化功能間耦合變異性，能更快、更準確找出系統關鍵環節及環節間聯系，闡述功能間耦合導致功能共振原理，為道路危險品運輸事故提供1種系統分析方法。研究結果可完善道路危險品運輸管理系統，降低道路危險品運輸事故發生概率。

1 功能共振分析方法(FRAM)

1.1 FRAM理論基礎

FRAM分析方法指幾種上下耦合的功能，當某種功能性能發生變化，受功能間耦合作用影響，使其他功能性能發生變化，最終導致該相互作用超出系統正常界限的突變現象。

1.2 方法步驟

2015年，Hollnagel提出“功能的6角模型”。6角功能模塊從輸入(I)、輸出(O)、前提(P)、資源(R)、時間(T)、控制(C)6個方面描述功能模塊，如圖1所示。

圖1 六角功能模塊

基于半定量的功能共振分析方法(FRAM)主要包括以下4個步驟：

1)識別并描述系統基本功能，繪制功能網絡圖

FRAM法的首要步驟是識別并描述系統基本功能。將系統轉化為功能模塊，并用輸入(I)、輸出(O)、前提(P)、資源(R)、時間(T)、控制(C)6個屬性描述功能模塊，將描述相同的功能屬性進行連接，繪制功能網絡圖。

2)分析功能潛在變化

基于功能網絡圖，進一步識別表征函數可變性。識別可變性對理解功能間潛在耦合與實際耦合至關重要，因為功能間耦合可能導致不良后果。本文從時間和精度2種表型分析功能潛在變化，時間表型包括太早、準時、過晚、不發生4種情況，精度表型包括精確、可接受、不精確3種情況，功能變異性在時間和精度上得分見表1。分數越高，表示對應功能輸出可變性越大。將時間和精度得分進行求積運算，得到功能可變性OVj如式(1)所示：

表1 功能變異性在時間或精度上的得分

(1)

3)定量系統可變性

對于整個系統而言，必須通過分析幾個功能變化組合效應，才可以定位功能共振位置。“輸入”、“前提”、“資源”、“時間”、“控制”是功能與上游功能聯系端口，來自上游功能輸出，若上游輸出可變，進而引起下游功能可變時，可變性由上游功能耦合導致，這種影響可能放大變異性(放大效應)，降低變異性(阻尼效應)或不影響變異性(無影響)。5個功能屬性在時間和精度上可變性傳播見表2。

表2 5個功能屬性在時間和精度上的可變性傳播

(2)

(3)

分別計算每個功能上、下游耦合變異性，用DLFCVij表示1個完整的上游功能j耦合變量對相關聯下游功能i的影響，用ULFCVji表示上游功能j的傳入耦合變量對下游功能i可變性的影響，DLFCVij、ULFCVji表達式如式(4)～(5)所示：

(4)

(5)

(6)

(7)

本文全局系統變異性(GSV)是整個系統內n個功能的DLFCVij與其對應下游鏈路數的乘積，如式(8)所示：

(8)

DLFCVij越高，上游功能j的下游鏈路數越多，表示該功能變量輸出越關鍵；ULFCVji越高，下游功能i的上游鏈路數越多，表示該功能輸出高度可變，對應功能較關鍵；如果ULFCV高但DLFCV較低，表示輸入變化量可以接受，并且對輸出變異性影響較??；全局系統變異性(GSV)表示該系統變異性大小，可用于比較不同系統設計在1個事故場景下系統變異性大小，變異性越大表示系統越不穩定，事故發生概率較大。上述參數可用以快速、準確定位系統關鍵功能，判斷系統變異性風險大小，從而采取針對性防護措施，提高系統安全性水平。

4)分析結果，制定措施

通過監控和管理步驟1)～3)確定的功能可變性，可在系統可控情況下放大積極效應，抑制或消除消極影響，確保系統安全高效運行。一旦確定關鍵功能及關鍵鏈路，針對具體功能制定相應屏障措施。FRAM屏障措施包括物理屏障、功能屏障、象征屏障、隱形屏障4個方面。

2 基于半定量的FRAM道路危險品運輸事故分析

2.1 事故案例簡介

2014年3月1日14時45分，晉濟高速山西晉城段巖后隧道內9 605 m處，2輛運輸甲醇的半掛貨車發生追尾，后車前部與前車尾部鉸合在一起，造成前車尾部防撞設施及卸料管斷裂、甲醇泄漏，后車正面損壞。為關閉主卸料管根部球閥，前車前進1.18 m后停車，后車出現電氣短路，導致地面泄漏的甲醇燃燒，形成流淌火急速引燃2輛事故車輛及隧道內其他車輛。事故共造成40人死亡、12人受傷，燒毀車輛42輛，經濟損失8 197萬元。

2.2 基于FRAM的事故案例分析

本文將FRAM用于道路危險品運輸事故分析，主要包括以下4個步驟：

1)識別并描述系統基本功能，繪制功能網絡圖。事故發生在危險品運輸途中，從承運危險品到事故發生主要包括7個過程：F1承運危險品；F2檢查危險品；F3接收危險品；F4匹配運輸車輛及駕駛員；F5檢查車輛；F6裝載危險品；F7運輸危險品。以F1為例，利用功能模塊對功能進行描述，見表3。

表3 功能F1的6角功能模塊

根據系統功能描述，將描述相同屬性進行連接，繪制系統功能網絡，如圖2所示。

圖2 系統功能網絡

2)分析功能潛在變化。從時間和精度方面分別表征每個功能潛在變異性。根據實際情況，對每個功能在時間和精度2個方面的表現形式進行描述，得到系統功能在時間和精度的表型，見表4。根據表1結合式(1)得到每個功能可變性得分OVj。

表4 系統功能在時間和精度的表型

3)定量系統的可變性

圖3 功能的耦合變異性及鏈路數

根據圖3功能耦合變異性和鏈路數可知，在道路危險品運輸事件中，功能F5的DLFCV最高，且下游鏈路數較多，說明該功能輸出特別關鍵，如果該功能發生變異，極易造成下游功能變異，增大事故發生可能性；功能F4的ULFCV較高，且上游鏈路數較多，說明該功能發生變異性可能較大，應重點關注；功能F6的ULFCV和DLFCV均較高，且上、下游鏈路數均較多，說明該功能在道路危險品運輸中較關鍵且發生變異性的可能性較大，應對功能F6進行重點監控；功能F7的ULFCV較高，上游鏈路數較多，說明該功能容易受上游功能變異性影響發生變化，最終導致道路運輸事故發生。通過對功能間耦合變異性及鏈路數進行分析，繪制系統關鍵功能及關鍵鏈路網絡，如圖4所示。圖中虛線方框表示傳給下游功能輸入、前提、時間、資源、控制的存在變異的上游功能輸出，6角功能上方為功能ULFCV值，下方為功能DLFCV值，DLFCV值較高的功能即關鍵功能，用粗實線6邊形突出顯示，其輸出與相連接的下游功能屬性用加粗圓圈突出顯示，連接(即關鍵鏈路)用粗實線突出顯示，線上數字代表功能間耦合可變性CVij的值，其中“雙斜線”代表失效鏈接，“×”代表斷裂鏈接。圖4可直觀表現系統關鍵功能和關鍵鏈路，梳理功能變異性耦合導致功能共振原理，找到事故致因。

圖4 關鍵功能和關鍵鏈路網絡

4)分析結果，制定措施

由圖4可知，道路運輸危險品事故因功能F5產生較大變異導致功能失效，使其與下游功能鏈接F5(O)-F4(P)、F5(O)-F6(I)、F5(O)-F7(P)失效，使下游功能F4、F6、F7變異并失效，在功能共振作用下，F6(O)-F7(I)鏈接斷裂，最終導致事故發生。由步驟3)可知，系統中功能F5與F6發生變異可能性較大，應重點監控，導致2個功能失效直接原因是人為因素，包括檢查人員檢查不仔細，態度不端正，工作懈怠；駕駛人安全意識較為薄弱，違規操作；裝載人員未按標準裝載等。因此，為預防事故發生需要對2個功能制定屏障措施，防止功能性能變化超出系統承受范圍引發事故的同時，重點監控人為因素影響較大的功能環節[14]。功能F5與F6性能變化防護措施見表5～6。

表5 功能F5性能變化防護措施

表6 功能F6性能變化防護措施

3 結論

1)基于半定量FRAM的道路危險品運輸事故分析方法相比基于因果鏈的傳統事故分析方法，能更充分捕捉道路交通系統各要素間相互影響作用,找出事故致因，發現系統薄弱環節以及各環節間聯系，并針對薄弱環節提出有效防控措施，為道路交通系統事故分析提供新的方法。

2)傳統FRAM方法主觀判斷嚴重，結果誤差較大，基于半定量FRAM分析方法定量化功能間耦合變異性，更快速、準確找出系統關鍵功能及關鍵鏈路，理清功能間相互耦合導致事故發生原理，削弱FRAM對主觀判斷依賴性，加強FRAM實用性。

3)后續研究可以考慮將FRAM分析方法與其他方法結合，在功能識別、功能變異性確定等環節提高FRAM分析方法準確性和適用性。