基于BN-FCEM的化工企業安全風險分析方法

潘李冬,鄭 宇,鄭 娟,3,4,徐 斌,劉廣哲,楊丁丁,3,4*

(1.浙江海洋大學石油化工與環境學院,浙江 舟山 316022;2.浙江海洋大學船舶與海運學院,浙江 舟山316022;3.臨港石油天然氣儲運技術國家地方聯合工程研究中心,浙江 舟山 316022;4.浙江省石油化工環境污染控制重點實驗室,浙江 舟山 316022;5.中化舟山危化品應急救援基地有限公司,浙江 舟山 316022)

危險化學品指對人體、設施和環境具有危害,且本身具有毒害、腐蝕、易燃、易爆、助燃等性質的劇毒化學品和其他化學品[1],它主要存在于化工企業的生產、存儲、運輸等環節。中國是世界上第二大危險化學品生產國[2],危險化學品的衍生產品已經深入其生活的各個方面。然而,由于危險化學品的高危性質,在化工企業運轉的各個環節,往往會發生對社會經濟、生態環境以及人員生命安全造成極大破壞與威脅的危害事故[3]。如2015年發生的天津港“8·12”瑞海公司危險品倉庫特別重大火災爆炸事故,事故共造成165人遇難、8人失蹤、798人受傷,直接經濟損失達68.66億元[4];2019年發生的江蘇響水“3·12”特大爆炸事故,事故共造成78人死亡、76人重傷,并造成大氣、水體嚴重污染[4],直接經濟損失達19.86億元。尤其,隨著我國經濟主體的規模化、集約化發展進程不斷深入,對化工企業結構進行了優化調整,如在“十四五”規劃的引導下化工項目進區入園,促進了化工企業高水平集聚發展,推進了化工企業的優化重組,從而形成了化工企業集中一體化發展模式[5],在此種條件下,若化工企業運轉過程中一旦發生危險化學品危害事故,極易造成風險難以預測和控制的復合型災害,使災害范圍擴大,風險上升[6],這將給我國化工企業的安全健康發展帶來了極大挑戰。因此,有必要對化工企業中的風險因素進行全面分析識別,并綜合化工企業生產工藝特點和事故特征,研發化工企業危險化學品事故定量風險分析方法。

近些年來,學者們對化工企業安全風險評估與分析進行了大量的研究。如:Zhang等[7]基于HFACS模型,結合2006—2010年我國發生的1 632起危險化學品事故,進行了事故致因分析;Zhao等[8]從事故特征與致因、概率預測和安全管理評價等角度分析了2006—2017年我國發生的3 974起危險化學品傷亡事故,并提出了通過分析、預測和評價改進危險化學品安全管理措施的方法;Lv等[9]基于灰色聚類并結合可拓層次分析法對化工企業安全生產風險進行了評估;Miao等[10]將改進的BP神經網絡融入控制圖,構建了化工企業動態安全風險評估模型;Lu等[11]基于CPEA的貝葉斯網絡(BN)模型,對化工企業風險因素之間的相互作用以及其對事故后果的影響進行了評估。然而,這些研究主要是針對化工企業危險化學品事故風險發生的概率問題,缺少對事故風險損失的研究。根據《風險管理術語》(GB/T 23694—2013)[12]中風險的定義:風險指某種特定的危險事件發生的可能性及其產生的風險損失的組合,即風險包含兩個要素:風險概率和風險損失。Dakkoune等[13]等基于法國1974—2014年期間發生的169起化工事故案例,結合事故后果以及事故致因頻率,對化工企業發生事故的風險進行了半定量分析,并針對分析結果提出了合理的建議,但未考慮事故整體的風險損失。因此,建立綜合考慮風險概率和風險損失的化工企業安全風險評價模型具有重要的現實意義。

本文針對化工企業安全風險辨別及評估問題,提出了一種基于貝葉斯網絡(BN)和模糊綜合評價(FCEM)的化工企業安全風險評估方法。首先,該方法基于文獻瀏覽、專家咨詢以及《生產過程危險和有害因素分類與代碼》(GB/T 13861—2022)中的生產過程危險和有害因素分類,建立了化工企業安全風險因素評價指標體系;然后,基于風險因素評價指標體系,建立化工企業安全風險BN模型,評估化工企業事故的風險概率,并基于FCEM分析化工企業事故的風險損失;最后,結合風險概率和風險損失分析結果,得到化工企業的重要風險因素和風險等級,以期為化工企業安全風險管理提供決策輔助。

1 化工企業安全風險分析方法

為了使化工企業安全風險分析方法更加符合實際,提出了綜合考慮風險概率和風險損失的化工企業安全風險評價模型。在模型中,引入了結合模糊理論集(FTS)和Noise-or gate的混合方法,解決了BN中傳統專家評估不精確的問題。建立化工企業安全風險評價模型的流程,見圖1。

圖1 基于BN-FCEM的化工企業安全風險評估路線Fig.1 Safety risk assessment route of chemical enterprises based on BN-FCEM

1.1 貝葉斯網絡(BN)

貝葉斯網絡(Bayesian network,BN)是Peari在1988年提出的一種基于貝葉斯理論的概率模型[14]。該模型由有向無環圖和條件概率表組成,有向無環圖由代表隨機變量的節點和節點間因果關系的有向弧構成,節點由父節點指向子節點,其中無父節點的節點稱為根節點,無子節點的節點稱為葉節點[14]。BN結構示意圖見圖2,其中B為D、E的子節點,C為F的子節點,D、E、F為根節點,A為葉節點。

圖2 貝葉斯網絡(BN)結構示意圖Fig.2 Diagram of Bayesian network(BN) structure

假設A、B為兩個基本事件,則有:

(1)

假設E為樣本空間,B1,B2,…,Bn為樣本空間的完備事件組,則有:

(2)

式中:P(A|Bi)表示Bi發生時A發生的概率。

(3)

式中:P(Bi)為事件Bi的先驗概率;P(Bi|A)為事件Bi的后驗概率。

1.2 模糊綜合評價法(FCEM)

模糊綜合評價法(fuzzy comprehensive evaluation method,FCEM)是由AZdah在1995年提出的一種基于模糊數學的綜合評價方法[15]。該方法計算事故的風險損失主要分為以下5個步驟:

1) 建立風險評價指標集X=[X1,X2,…,Xn];

2) 建立風險損失等級集Q=[Q1,Q2,…,Qn];

3) 確定隸屬度向量B=[Bj1,Bj2,…,Bjk]T;

4) 構建兩兩比較矩陣A=[A1,A2,…,An],確定指標權重集W=[W1,W2,…,Wn];

5) 模糊綜合評價,即V=W×B。

2 化工企業安全風險評價過程

2.1 化工企業安全風險因素識別

化工企業安全受人的因素、物的因素、技術因素、管理因素、環境因素多方面因素的共同影響,本文基于GB/T 13861—2022標準中的生產過程危險和有害因素分類[16],通過瀏覽化工企業危險化學品事故統計分析相關文獻[17-19],并結合專家咨詢,再基于層次分析法構建了化工企業安全風險因素評價指標體系,該評價指標體系的層次結構如圖3所示。

圖3 化工企業安全風險因素評級指標體系Fig.3 Chemical enterprise safety risk factor rating index system

化工企業安全風險評價準則構建方法為:首先在風險矩陣的基礎上植入風險概率;然后將風險損失分為若干等級; 最后將風險概率與風險損失兩者結合形成化工企業安全風險評價準則,如表1和表2所示。

表1 化工企業安全風險概率等級評價準則

表2 化工企業安全風險等級評價準則

由表2可知:化工企業安全風險共劃分為4個等級,不同風險等級的含義為:1級表示不需要監督檢查;2級表示需要定期監督檢查;3級表示需要采取措施降低風險;4級表示需要實時監督檢查,以防事故發生。

2.2 基于BN的化工企業安全風險評估

建立的化工企業安全風險貝葉斯網絡(BN)模型,如圖4所示。

圖4 化工企業安全風險貝葉斯網絡(BN)模型Fig.4 Bayesian network(BN) model of chemical enterprise safety risk

2.2.1 節點概率的確定

建立好BN模型后需要確定網絡的參數,即節點的先驗概率和條件概率[20]。

1) 先驗概率計算。先驗概率即為各節點的發生概率,計算先驗概率的主要步驟如下:

① 邀請高校相關研究方向教師和化工企業安全工作人員共4名,并按表3為專家賦予不同的權重,專家結合經驗參考表4得到節點風險概率的語言評價。

表3 專家評分權重[21]

表4 語言評價對應模糊數[22]

圖5 模糊隸屬函數Fig.5 Fuzzy membership function

(4)

④ 采用面積均值法將三角模糊均值概率轉換為具體模糊概率值,即解模糊。首先,根據公式(5)求出模糊可能性評分(fuzzy possibility score,FPS);

(5)

然后,按照公式(6)、(7)求得模糊概率:

(6)

(7)

式中:FP表示客觀模糊概率;FPS表示主觀模糊概率;K表示系數。

2) 條件概率計算。條件概率是不同狀態父節點對應的子節點的概率組合,其數量的函數為各父節點對應子節點的指數函數。當貝葉斯網絡的結構較復雜時,由專家確定條件概率表時工作量過大,不便于操作,并且還有可能增大結果的誤差率,例如本文條件概率個數:6個父節點,各父節點分別對應5、5、4、3、6、2個子節點,則條件概率個數為(25+25+24+23+26+22),共156項。Noisy-or gate模型能大大減少專家的工作量,且有研究表明,基于Noisy-or gate模型和模糊理論相結合建立的BN與基于專家經驗建立的BN推理結果整體上沒有呈現統計上的顯著性差異[23]。因此,可以采用Noisy-or gate模型計算條件概率。在本研究中,結合基于模糊理論集的專家評估和噪聲或門模型來實現CPT。

風險概率的條件概率由公式(8)計算[24]:

(8)

2.2.2 根節點關鍵重要度確定

模型中根節點對風險事件發生的貢獻度大小稱為重要度[25]。BN根節點的關鍵重要度為:

(9)

(10)

2.2.3 根節點后驗概率確定

若已知葉節點的概率,利用BN的反向推理算法便能得到各根節點的后驗概率[26]。

(11)

2.3 風險損失與風險等級確定

根據確定的化工企業安全風險因素構建風險評價指標集,即X=[X1,X2,…,Xn];風險損失等級共分為4級,即風險損失等級集Q=[Q1,Q2,Q3,Q4];隸屬度向量B=[Bj1,Bj2,…,Bjk]T由專家確定;專家依據“1～9標度法”,對同一層次的風險因素進行兩兩對比,構建兩兩比較判斷矩陣;計算指標權重向量及最大特征值并進行隨機一致性檢驗;基于模糊綜合評價法計算化工企業事故的風險損失。

風險等級由風險概率等級和風險損失等級共同確定。首先,根據BN模型得到的風險概率P,結合風險概率等級表確定化工企業事故風險概率等級;然后,采用模糊綜合評價法計算化工企業事故風險損失V,并根據等級劃分確定風險損失等級;最后,結合風險等級評價準則得到化工企業的安全風險等級。

3 實例應用與分析

海島憑借其獨特的地理環境、生態環境為化工企業的發展提供了良好的外界條件。舟山作為一個由群島組成的城市,化工產業發達,化工企業進區入園建設進展迅速[27]。該化工園區內某化工企業是全國最大的儲運基地之一,擁有256萬m3儲罐,具有較大的潛在危險。因此,本文以舟山化工園區內該化工企業為例,采用基于BN-FCEM的化工企業安全風險評估方法對其進行分析。

3.1 安全風險評估結果與分析

3.1.1 風險概率確定

1) 先驗概率計算。在如圖4所示的BN模型基礎上,結合基于專家經驗的模糊理論得到模型根節點的先驗概率見表5,并按照2.2.1節基于專家經驗的節點概率計算方法得到根節點先驗概率的聚合結果見表6。

表5 根節點先驗概率專家評估結果

表6 根節點先驗概率聚合結果

2) 條件概率計算。BN結構中的條件概率根據

2.2.1節的方法計算,以節點X3為例,節點X3條件概率的計算過程見表7,并將模型各節點的先驗概率和條件概率代入Netica軟件計算得到該化工企業安全風險概率,見圖6。由此可知,該化工企業安全風險概率或發生事故的可能性為7.13%,風險概率等級處于Ⅲ的可能性最大。

表7 節點X3條件概率的計算過程

圖6 某化工企業事故風險概率推理圖Fig.6 Probabilistic inference diagram of accident risk in a chemical enterprise

3) 后驗概率計算。同理,根據式(11)可計算得到模型各根節點的后驗概率,見表8。

表8 根節點后驗概率的計算結果

4) 關鍵重要度計算。按照公式(9)和(10),可計算得到模型各根節點的關鍵重要度,如圖7所示。由圖7可以看出:排名前三的3個節點分別為x11、x13、x15,皆屬于人的因素。因此,對于該化工企業的安全風險而言,人的因素是至關重要的,在企業的運轉過程中需要重點關注。其中,x11表示操作不當,在化工企業生產過程中,人是第一接觸點,操作不當容易導致風險事故的發生,從而造成風險損失,而規范的操作不僅可以規避風險, 還能確保企業安全平穩地運轉;x13表示人員安全意識缺乏,大量的風險事故表明,人的安全意識缺乏是事故發生的重要原因[8],良好的安全意識可以較大程度地避免失誤,降低風險事故的發生概率,甚至在風險事故突發時,良好的安全意識可以較大程度地減小事故所帶來的損失;x15表示人員資質不足,對于一個企業而言,員工資質不符合,其存在的安全隱患是巨大的,與其他合理的企業相比,它發生風險事故的概率也會增加。

綜上所述,化工企業在運轉過程中應注重員工的安全教育培訓,提升工作人員的整體素質,完善員工相關工作資質的管理工作,并依據自身的綜合情況制定相應的改進措施,進而提高企業的安全水平。

3.1.2 風險概率預報

為了提前知曉化工企業發生風險的情況,在3.1.1節推理計算的基礎上,對該化工企業發生事故的風險概率進行了預報,即當多種風險因素并存時,推斷化工企業發生事故的可能性。本文以概率重要度排名前三的風險因素,即x11(操作不當)、x13(人員安全意識缺乏)、x15(人員資質不足)3個風險因素共同發生為例對該化工企業發生事故的風險概率進行了預報,見圖8。

由圖8可知,該化工企業在運轉過程中,由于工作人員操作不當且在人員安全意識缺乏和工作資質不足的情況下,發生事故的風險概率高達71.9%,與通常情況下的風險概率(7.13%)相比,提高了64.77%,這個風險概率的上升是巨大的。因此,在該化工企業日常運轉過程中應嚴格控制生產,避免耦合風險的情況出現;同時,應注重人員安全教育培訓的落實,只有通過長時間的學習,企業工作人員的安全素質才能提升,才能達到減小企業安全風險水平、確保企業安全平穩運轉的目標。

3.1.3 風險損失評估

結合化工企業安全風險評價指標體系,建立化工企業安全風險專家調查表,咨詢化工企業、安全領域專家進行指標賦值,獲得兩兩比較判斷矩陣如下:

經計算,由判斷矩陣得到的指標權重集、最大特征向量和隨機一致性檢驗結果,見表9。

表9 指標權重集與隨機一致性檢驗結果

此外,邀請從事化工企業安全工作的專家及高校風險研究方向的教師,共10位,參考風險損失等級集對該化工企業安全風險因素進行評估,得到該化工企業安全風險損失的隸屬度向量如下:

分別將B1、B2、B3、B4、B5進行一級模糊綜合評價,可以得到V1、V2、V3、V4、V5如下:

V1=[0.25,0.28,0.31,0.16];

V2=[0.26,0.29,0.28,0.17];

V3=[0.31,0.30,0.25,0.14];

V4=[0.34,0.31,0.24,0.11];

V5=[0.33,0.30,0.24,0.13].

由B1、B2、B3、B4、B5構成模糊綜合評判矩陣B,再進行二級模糊綜合評價得到V:

V=W×B=[0.288 7,0.292 5,0.273 1,0.146 4]。

即表示事故造成中等風險損失的概率為0.292 5,說明該化工企業事故的風險損失處于Ⅱ級的可能性最大。

3.1.4 綜合風險評估

根據風險的定義,已知該化工企業事故的風險概率等級處于Ⅲ的可能性最大,風險損失處于Ⅱ的可能性最大,綜合考慮該化工企業安全風險處于3級的可能性最大。因此,該化工企業需要根據實際情況,采取合適的措施進行改進,以降低企業的安全風險等級。通過風險概率和風險損失分析,得出該化工企業人的因素和環境因素較為薄弱,因此企業需要加強工作人員的安全教育培訓工作,嚴格制定安全操作規程,并做好人員上崗的檢查和監督工作,同時嚴格落實企業安全環境管理條例,改善工作環境及安全狀況。

4 結 論

1) 在人、物、技、管、環五個方面的基礎上,綜合考慮,最終選取了20個風險因素,建立了基于BN-FCEM的化工企業安全風險評價模型。

2) 應用模型對某化工企業安全風險進行分析,得到該化工企業事故的風險概率等級為Ⅲ級、風險損失等級為Ⅱ級,企業整體安全風險等級為3級。

3) 根據風險分析結果得出操作不當x11、人員安全意識缺乏x13、人員資質不足x15是該化工企業最關鍵的風險因素,可見人的因素是最關鍵風險因素的最大影響因素,因此該化工企業在生產過程中應加強員工的安全教育培訓工作,提升員工的綜合素質,促進企業的安全健康發展。

4) 為了探究最關鍵風險因素同時發生對化工企業安全風險的影響,本文以該化工企業排名前三的最關鍵風險因素,即操作不當x11、人員安全意識缺乏x13、人員資質不足x153個風險因素共同發生為例對該化工企業發生事故的風險概率進行了預報,結果顯示該化工企業發生事故的風險概率提升至71.9%,較通常情況下的風險概率(7.13%)相比增大了9倍,因此該化工企業在生產過程中應嚴格要求作業人員,避免耦合風險的情況出現。

本文風險評估的基礎數據主要依賴于專家評估,在一定程度上對評估結果可能會造成主觀上的偏差。另外,本文風險損失評估采用的是定性的評估方法,還未對企業生產過程中發生人員傷亡、經濟損失等實際具體風險損失進行量化。因此,在今后的研究過程中,有必要針對這些問題開展研究,以完善化工企業安全風險評估模型。