改進“事故-安全”平衡模型及在污水廠運維安全評估中的應用

李 明,楊辰偉

(1.中國葛洲壩水務運營有限公司，天津 300381；2.中國市政工程華北設計研究總院有限公司，天津 300381)

1 引言

隨著城鄉的持續發展，市政生活污水和工業廢水排放量逐年增加，加之出水水質指標要求愈發嚴格，既有用地及工藝挖潛有限，污水處理廠的運維壓力與日俱增，安全事故頻發[1]，水廠運維安全問題逐漸引起相關方面的關注[2]。科學的污水廠事故安全分析方法呼之欲出。近十幾年我國安全科學基礎理論研究取得了一定進展[11，12]，這為安全分析方法的選擇起到了良好支撐作用。本文引入運動學模型對“事故-安全”平衡模型[3]進行改進，定量計算并表征安全狀態變化趨勢，并能根據當前管理狀態對模型即時調整。從人、物、環境三個角度建立了污水處理廠運維安全的關鍵影響因素框架。案例應用表明模型合理可靠，能動態定量反應污水廠日常運維的安全狀態，是一種有效的污水廠安全評估工作手段。

2 “事故-安全”平衡模型及其改進

2.1 “事故-安全”平衡模型簡述

安全管理力學分析方法(SMMA)的核心思想是將組成安全管理系統的各子系統和各因子的有形與無形聯系用“力”的概念進行表達，在力學領域尋找相關的模型進行映射，構建安全管理力學系統(SMMS)[6，14]。“事故-安全”平衡模型(圖1)就是其中一種用于呈現事故和安全兩種情況動態轉化的映射關系[5]。

圖1 “事故-安全”平衡模型

圖1中：地面表示所分析的安全維度，左右表示安全狀態所處水平，往右趨向安全，往左趨向事故，并進一步可量化分為事故段、平衡段和安全段。物體方塊表示系統的安全狀態。力表示各種與安全相關的因素所造成的影響趨勢，安全因素影響力指向右側，隱患因素影響力指向左側。物體方塊在合力作用下左右移動，從而表征系統安全狀態的動態變化關系。從人員、物體、環境三個角度來講，影響系統安全的關鍵影響因素如表1所示[5，10，15]。

表1 安全關鍵影響因素清單

由受力分析可得到模型的數學表達如下(圖2)。

圖2 “事故-安全”模型受力關系

R=F-f(F人員+F物體+F環境)-(f'人員+f'物體

+f'環境)

(1)

式(1)中：R為分析安全維度下系統運行期間關鍵因素影響力合力；F為分析安全維度下安全因素影響力合力；f為分析安全維度下隱患因素影響力合力；F'人員、F'物體、F'環境、f'人員、f'物體、f'環境為人員、物體、環境角度下安全、隱患因素影響力在分析安全維度下的投影；αi、βi、γi、δi、εi、ξi為人員、物體、環境角度下安全、隱患因素分析安全維度下影響力占全局影響力的比例。

當R>0，表示安全因素起主要作用，安全狀態向右移動；當R<0，表示隱患因素起主要作用，安全狀態向左移動。

2.2 “事故-安全”平衡模型的改進

基礎的“事故-安全”平衡模型可以很好地描述各影響因素綜合影響下系統安全狀態的定性變化，但難以準確描述其變化趨勢以及影響力合力控制水平，從而提前預警。引入運動學模型可對模型進行有效改進，實現趨勢預測及預警的功能。

定義：

m為系統安全狀態的質量，反映了各因素影響力與之造成系統安全狀態變化趨勢的基本比例關系；

a、v為系統安全狀態的加速度和速度，反映了系統安全水平的變化趨勢；

S事故、S安全為分析安全維度下系統事故、安全狀態臨界點。

t為系統運行的時間；

t0為系統開始運行的時刻；

S0為系統開始運行時處于的安全水平；

在“事故-安全”平衡模型基礎上，可以進一步建立“事故-安全”管理運動學模型如下：

(2)

顯然系統開始運行時速度為0，帶入式(1)，有：

(3)

當S(t)S安全時，系統處于安全狀態；居于二者之間，系統處于平衡狀態。

進一步，當系統運行至t1時刻且尚未事故，且關鍵因素影響力合力指向事故時，假設關鍵因素影響力合力R不變，則有如下關系。

(4)

式(4)中:t為自t1時刻起至發生事故的時間。對于實際生產工作，啟動事故處理預案耗時比較固定，定義t預案為啟動事故預案耗時。即存在最大允許關鍵因素影響力合力R預測，max，使得系統自t1時刻至發生事故的時間等于t預案，從而控制事故影響最低。即最大允許關鍵因素影響力合力R預測，max和系統當前安全水平S(t1)及變化速度v(t1)之間存在如下關系：

R事故max=[S(t1),v(t1)]

(5)

2.3 改進“事故-安全”平衡模型的進一步分析

2.3.1 系統安全水平與安全/隱患因素影響力間的關系

系統安全關鍵影響因素的控制水平是決定其影響力的變量之一。定義當不對系統中人、物、環境進行任何干擾的前提下的控制水平為背景控制水平，對應力為背景因素影響力。當對系統施加影響，因素控制水平隨之變強，同時成本隨之上升。

系統安全水平越高，對隱患因素造成的不良影響要求越嚴格，些微的隱患就能使系統不能滿足當前安全標準。這等價于同一綜合隱患因素控制水平所表現出來的隱患影響力與系統所處的安全水平呈正相關。反之，系統安全水平越低，對隱患因素造成的不良影響容忍度越高，同一綜合隱患因素控制水平表現出來的影響力越小，系統理論上完全被破壞時(實際無法定義)，再低的綜合隱患因素控制水平也無法表現出影響力進而降低系統的安全水平。實際中隱患因素即使充分暴露甚至花費成本故意破壞也是有限的，且邊際效應遞減，顯然當所有隱患因素充分暴露且花費最高允許成本進行破壞時，綜合隱患因素控制水平最低，系統的安全水平當忽略波動時是僅考慮背景安全因素影響力下的理論最低安全水平。

安全因素與之相似。系統安全水平越高，為維護當前綜合安全因素水平所付出的各項人、物、環境成本也越高，且邊際效應遞減，即安全因素影響力降低。處于運動狀態的系統是無法做到絕對安全的，因此僅當系統所付出的安全維護成本達到上限時，邊際效應為0，對應安全因素影響力為0，系統的安全水平當忽略波動時是僅考慮背景隱患因素影響力下的理論最高安全水平。當系統安全水平較低時，安全因素水平的些微改善均會對系統安全水平造成顯著的積極影響，等價于同一綜合安全因素控制水平所表現出來的安全影響力與系統所處的安全水平呈負相關。

綜上，系統安全水平與安全/隱患因素影響力間的關系可以近似用圖3表示。

圖3中，CF和Cf分別代表系統綜合安全和隱患因素控制水平，Smax和Smin分別代表忽略隱患/安全影響因素下系統理論最高最低安全水平。其余定義同前。

圖3 “系統安全水平與安全/隱患因素影響力”關系

至此式(4)和式(5)可以進一步解釋，即存在最低允許關鍵因素綜合控制水平，可以保證控制事故影響最低所需時間。

2.3.2 改進“事故-安全”平衡模型的運動學分析與安全意義解釋

系統所處的安全水平是安全因素作用力和隱患因素作用力間動態平衡的結果。系統的合力可以是時刻變化的，因此只要指定任何特定狀態為初始狀態，均能做出完全的“事故-安全”平衡模型運動學分析。假設分析的起始時刻為系統開始運行的時刻，初始速度為0，系統初始安全水平處于居中的水平。

狀態一：進一步假設系統安全/隱患因素控制水平恒定。系統關鍵因素影響力合力R=F-f>0，v>0，模塊向右做加速運動。當前時刻下，正向速度代表系統形成了偏向保證安全的行為趨勢和習慣，代表了系統在當前因素控制水平下安全水平往更高水平改善的速度。雖然此時存在隱患因素影響力，但安全因素影響力要更大，系統持續更快地往更高的安全水平提升。這種狀態是不可持續的。據系統安全水平與安全/隱患因素影響力間的關系，隨著系統的安全水平不斷增高，恒定安全/隱患因素控制水平下，安全因素影響力逐漸降低，隱患因素影響力逐漸升高，模塊向右做減加速運動，然后二力平衡做勻速運動。代表更高的安全水平下，系統對安全的要求更加嚴格，當前的安全因素控制水平逐漸不能承受，當前的隱患因素控制水平在高安全要求的背景下造成的負面影響更大，直至系統僅能維持當前趨向安全的行為趨勢和習慣。進而在速度慣性的影響下模塊繼續向右，此時隱患因素影響力超過安全因素影響力，模塊逐漸加減速運動至停止，然后反向減加速運動，至二力平衡勻速運動。代表在當前因素控制水平下，隨著行為慣性安全水平繼續上升，要求繼續升高，容錯率更低，系統力有不逮，逐漸不能維持趨向安全的行為趨勢和習慣，最終安全水平回落，系統行為趨勢和習慣趨向不安全。顯然，模塊向左移動一定距離后安全因素影響力又超過隱患因素影響力，不考慮力的激增導致擺動發散的前提下，最終在固定區間內做往復運動。代表系統在當前因素控制水平下于某一特定安全水平動態穩定。

狀態二：假設系統處于狀態一最終的動態穩定安全水平，之后系統安全因素控制水平升高，隱患因素控制水平恒定。此時系統關鍵因素影響力合力R=F-f>0，模塊不再往復，繼續向右運動，最終如狀態一分析，在更右的位置做往復運動。代表系統最終在更高的安全水平下動態穩定。當系統所付出的安全維護成本達到上限時，安全因素控制水平無法繼續升高，安全水平達到動態最高。同理可分析出在其他安全/隱患因素控制水平變化形式下系統安全水平的變化情況。

狀態三、狀態四：分別與狀態一、狀態二相對，模塊向事故方向運動。分析同理，略。

3 污水處理廠運維的安全管理力學因素框架與安全風險管理

按照“事故-安全”平衡模型的思路，初期水廠運維人員安全意識高、管理措施有效，合力R值指向安全且較大，安全事故風險較小。隨著時間推進，安全影響因素合力F與隱患影響因素合力f此消彼長，事故風險逐漸累積。從人員、物體、環境三個角度出發構建污水處理廠運維的安全管理力學因素框架[4,8,9]，如表2所示。

表2 污水處理廠安全影響因素框架

具體來講，主要的安全因素影響力F包括：

(1)防止人的不安全行為(F人)。①定期開展生產安全教育，提高員工安全意識；②合理制定獎懲制度，培養員工良好的工作習慣；③初次工作時要對員工進行安全技術交底，定期組織技能學習；④定期組織演習演練，維持員工應急處理能力；⑤開展企業文化教育，增強員工責任感[18,20]。

(2)阻止機械設備的事故發生(F物)。 ①采購階段充分檢查機械設備的設計是否存在缺陷，零部件是否可靠；②安裝階段充分排除安全事故隱患，合理設置防護設施；③設置設備報警系統和安全檢測監控系統；④ 定期保養、檢修和更換零部件；⑤杜絕機械設備疲勞運轉[16,17,19]。

(3)消除環境的不安全狀態(F調控)。 ①污水處理廠在生產運行時，采用安全連鎖系統；②消除安全隱患，如設置安全閥等泄壓裝置；③建立健全安全管理制度，防止出現有害氣體或危險化學品泄露、極端天氣引起人或物的損害、應急搶險救援不當造成的二次傷害、觸電、火災等安全事故。

主要的隱患因素影響力f包括：

①人員工作長期重復，產生厭倦的情緒或者安全意識松懈；②人員生活遇到困難或對待遇不滿，工作不在狀態或敷衍；③管理制度不合理，人員工作不情愿、積極性下降；④人員加班過頻，失誤率增加；⑤安全管理人員為兼職，管理疏漏；⑥機械設備存在隱患，未及時發現；⑦作業場所管理混亂或無管理。

4 改進“事故-安全”平衡模型在污水廠運維中的應用

天津市某污水處理廠設計規模10萬m3/d，采用本模型輔助運維安全管理。以進水泵房為例進行說明。泵房設置4臺潛水離心泵，3用1備，1臺變頻。結合生產情況，進水泵房關鍵影響因素框架確定如表3所示，對以下因素進行量化評分得到對應的量化控制水平參數。

表3 污水處理廠安全影響因素框架

根據實際意義，確定安全水平為水泵和前池的故障率與故障/停用率與時間，初始安全水平為開始啟用模型評測時水泵和前池相應的故障/停用率與時間。事故狀態為導致水泵不能按設計揚程提升設計水量或前池不能滿足使用要求時的故障/停用率與時間，安全狀態不設。安全水平分析區間由低至高量化成0～100，事故安全水平確定為20。經充分評估，設定泵房初始安全水平為50。初始速度為根據應用模型前一年水廠運行安全水平變化情況逆向計算值，確定為0.05。同時為保證模塊震蕩曲線(安全水平過程線)不發散，設定速度區間為±0.05。模塊質量經分析取2。

對以上關鍵影響因素在不同控制水平下，不同前池與水泵的故障/停用率與時間要求下，所造成的影響程度進行評分，利用統計學手段擬合安全水平與影響力關系曲線。結合模型特點，采用以下指數函數進行擬合。

(6)

其(6)中aF、bF、cF、af、bf、cf為關鍵影響因素量化控制水平參數，其中a為主調參數，b、c為結合評分、事故分界線確定的控制曲線特征參數；S為安全水平；為安全/隱患背景影響因素作用力，經分析取恒定值10。初始控制水平主調參數a經分析分別取0.05和0.05。帶入改進模型進行安全水平動態分析。結果如圖4～6所示。

圖4反映了系統在分析時段內安全水平的變化情況。①初始控制水平(0.05,0.05)下，系統安全水平在50附近波動。②t=50時，泵房水泵循環切換，長時泵備用，同時水廠開展了一次安全培訓，控制水平調整為(0.07,0.03)，系統安全水平逐漸上升。③t=150時，運維人員調動，技術水平下降，同時泵房安裝其他設備，現場環境較混亂，控制水平調整為(0.04,0.06)，系統安全水平下降并在45附近波動。④t=400時，因現場安裝不當，對水泵造成損壞，同時具備水泵維修技能的人員暫不能到場，控制水平調整為(0.01,0.25)，系統安全水平快速下降，并可預估在t=450時刻仍不采取措施，將在tc=60后發生事故，如虛線所示。⑤t=450時，水廠果斷采取措施，調度技術人員，維修設備并展開全面檢查，進行現場整頓，組織安全培訓，控制水平調整為(0.1,0.01)，系統安全水平快速上升，并最終在73附近波動。影響力及其和速度變化過程如圖5和圖6。

圖4 “安全水平-時間”關系

圖5 “關鍵因素影響力-安全水平”關系

圖6 “影響力和速度-時間”關系

5 結論與討論

本文在基于安全管理力學建立的“事故-安全”平衡模型基礎上，引入運動學對其進行改進，使之能定量表征和預測系統安全水平變化趨勢。具體為利用速度表示安全水平的變化趨勢和系統行為慣性并構建數學模型，深入分析了安全因素影響力與關鍵因素控制水平之間的關系，對改進模型進行了運動學分析和解釋。之后從人、物、環境3個角度建立了污水處理廠運維的安全管理力學分析因素框架，提出了安全風險管理措施，使改進模型在污水處理領域具備應用可行性。案例分析一方面表明，該模型可以精確定量反映運維控制水平與系統安全水平之間的動態變化關系；另一方面同時表明，在不設定速度取值范圍的前提下，安全水平過程線存在震蕩發散的可能，如何合理確定力、質量、速度等各要素間的相對數值關系避免這一問題需要進一步的研究與試驗。總之，項目成果為污水處理廠運維風險分析及安全趨勢預測提供了有效技術手段，對科學進行生產管理有指導意義。