基于DEMATEL-ISM方法的水電站機組檢修作業(yè)安全事故致因鏈分析

晉良海,張榮昊,明華軍,李鈺涵,李晨曦,鄒頌香

(1.三峽大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院,湖北 宜昌 443002; 2.水電工程施工與管理湖北省重點實驗室,湖北 宜昌 443002;3.三峽大學(xué)安全生產(chǎn)標(biāo)準化評審中心,湖北 宜昌 443002; 4.湖北安環(huán)科技有限公司,湖北 宜昌 443002)

我國水電裝機容量及增量居世界首位[1],機組檢修工作量巨大。水電站機組檢修是高危作業(yè),通常具有作業(yè)種類繁多、空間有限、工期緊張、危險因素多等特點[2],甚至?xí)鸢踩鹿?。例?2022年1月12日四川關(guān)州壩透水事故是由于3號機組檢修時廠房引水管堵頭閥門爆裂造成,事故導(dǎo)致水淹廠房,9人死亡,直接經(jīng)濟損失約4435.5萬元。因此,水電站機組檢修作業(yè)安全問題受到高度關(guān)注。

目前,對水電站機組檢修問題的研究大多集中在發(fā)電機設(shè)備檢修維護[3-4]、水電站檢修模式和方法[5-6]等方面,對水電站機組檢修安全研究較少。鄒林峰等[7]分析了三峽水電站右岸機組檢修工作特點,研究了檢修過程中排水系統(tǒng)設(shè)備、調(diào)速系統(tǒng)、技術(shù)供水系統(tǒng)等的潛在風(fēng)險,并提出了相應(yīng)防范對策。何文[8]為評價水電站檢修機組吊裝安全風(fēng)險,建立了水電站檢修機組吊裝安全風(fēng)險評價指標(biāo)體系和模糊綜合評價模型,并對水布埡水電站3號機組檢修轉(zhuǎn)子吊裝的安全風(fēng)險進行了驗證分析。以上研究對水電站機組檢修安全管理具有一定的理論支撐作用,但未能系統(tǒng)地考慮水電站機組檢修作業(yè)安全影響因素及事故致因機理。

在安全事故致因研究方面,研究人員利用文本挖掘[9-10]、貝葉斯網(wǎng)絡(luò)[11]和DEMATEL-ISM[12]等方法,從重要程度角度對安全事故致因進行研究。例如：孫開暢等[11]建立事故樹和貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型,對水利工程施工高危作業(yè)事故中的人為因素進行了定量分析,得到各因素的相對重要度,確定了引發(fā)水利工程施工中高危作業(yè)事故的最主要因素;陳赟等[12]從安全事故致因重要程度方面入手,使用DEMATEL-ISM方法建立了交通隧道施工事故致因多級遞階結(jié)構(gòu)模型,確定了關(guān)鍵致因因素,從定性角度構(gòu)建了關(guān)鍵致因影響鏈,并對其進行了分析。以上研究對安全事故致因進行了定量分析,但未從路徑權(quán)重角度定量分析事故致因鏈的重要性。

本文以水電站機組檢修作業(yè)為研究對象,確定水電站機組檢修作業(yè)安全影響因素,耦合決策試驗與評價實驗室法(decision making trial and evaluation laboratory,DEMATEL)和解釋結(jié)構(gòu)模型法(interpretative structural modeling method,ISM)兩種方法,建立水電站機組檢修作業(yè)安全事故致因多層次遞階模型,確定關(guān)鍵致因因素,歸一化處理事故致因因素的權(quán)重,推求事故致因鏈的路徑權(quán)重,定量分析事故的關(guān)鍵致因鏈,以期揭示水電站機組檢修作業(yè)安全事故致因機理。

1 檢修作業(yè)安全影響因素

水電站機組檢修是指對水電站發(fā)電機組進行檢查、修理,以保障發(fā)電機組安全運行。根據(jù)機組檢修和停用時間不同,可將檢修等級劃分為A級、B級、C級、D級4類。水電站機組檢修具有以下特點：①檢修工作專業(yè)性強,對檢修人員要求高;②組件構(gòu)件種類繁雜、數(shù)量多,檢修規(guī)范、規(guī)程、工器具不同;③作業(yè)空間有限,環(huán)境條件差;④不同工種之間交叉作業(yè)沖突激烈,安全管理難度大。

以“水電站”“檢修”為檢索詞在中國知網(wǎng)進行檢索,以核心期刊及以上、碩博論文為限制條件,出版時間截至2022年,得到354篇文獻。采用“hydropower station”“maintenance”為檢索詞,在Web of Science (WOS)核心數(shù)據(jù)庫進行檢索,出版時間截至2022年,得到43篇文獻。匯總、整理搜集到的397篇文獻,從文獻的研究框架、研究內(nèi)容等方面,圍繞“安全”“事故”“致因”“safe”“accident”“cause”等關(guān)鍵詞,進一步篩選文獻,匯總篩選文獻并進行梳理與歸納,識別水電站檢修作業(yè)安全事故致因,結(jié)果見表1。

表1 水電站機組檢修作業(yè)安全事故致因識別結(jié)果

根據(jù)表1,結(jié)合水電站檢修作業(yè)危害辨識與風(fēng)險評估數(shù)據(jù)[15],參考水電站機組檢修領(lǐng)域相關(guān)專家意見,確定水電站檢修作業(yè)安全事故致因因素。針對水電站機組檢修作業(yè)特點,依據(jù)GB/T 13861—2022《生產(chǎn)過程和有害因素分類與代碼》,將水電站機組檢修作業(yè)安全事故致因因素分為人的因素、物的因素、環(huán)境因素、管理因素4個一級指標(biāo)和20個二級指標(biāo),見表2。

表2 水電站機組檢修作業(yè)安全事故致因因素

2 事故致因關(guān)聯(lián)關(guān)系的多層次遞階ISM模型構(gòu)建

DEMATEL是結(jié)合因果關(guān)系圖和矩陣運算,用于解決復(fù)雜系統(tǒng)中多因素相互影響程度的一種方法[16]。ISM是一種構(gòu)建多層次遞階結(jié)構(gòu)模型的方法,用于分析具有多種影響因素的復(fù)雜系統(tǒng)[17]。耦合DEMATEL和ISM方法得到DEMATEL-ISM方法,對水電站機組檢修安全作業(yè)事故致因進行分析,一方面可以識別關(guān)鍵事故致因因素及其影響程度,另一方面可以明確事故致因因素之間的邏輯關(guān)系與層次結(jié)構(gòu)。

事故的發(fā)生大多是多種因素共同作用的結(jié)果,這些因素彼此聯(lián)系而非獨立存在[18]。為探究水電站機組檢修過程中事故致因因素的相互影響關(guān)系,本文基于DEMATEL-ISM方法進行關(guān)聯(lián)效應(yīng)分析,構(gòu)建多層次遞階ISM模型對相互關(guān)聯(lián)的事故致因因素之間的聯(lián)系進行深層次剖析,明確水電站機組檢修作業(yè)安全事故致因的層次結(jié)構(gòu)。建模步驟如下：

步驟1建立直接影響關(guān)系矩陣A。為確定各種事故致因因素的相互作用關(guān)系[19],建立直接影響關(guān)系矩陣A：

A=(aij)n×n

(1)

式中：aij表示檢修作業(yè)安全事故致因因素間相互影響的量化關(guān)系,aij=3表示強影響關(guān)系,aij=2表示中度影響關(guān)系,aij=1表示弱影響關(guān)系,aij=0表示無影響關(guān)系;y為所有問卷中認為因素Zi對Zj有直接影響關(guān)系的百分比。

步驟2計算規(guī)范化影響矩陣C。對直接影響關(guān)系矩陣A進行規(guī)范化處理,可得規(guī)范化影響矩陣C：

(2)

步驟3計算綜合影響矩陣T。在步驟2規(guī)范化矩陣基礎(chǔ)上,求解綜合影響矩陣T：

T=C(E-C)-1

(3)

式中E為單位矩陣。

步驟4指標(biāo)計算。將T中各行元素相加得到影響度Fi,將T中各列元素相加得到被影響度Gi,影響度與被影響度之和為中心度Pi,兩者之差為原因度Qi,對各因素的中心度進行歸一化處理,得到各因素的DEMATEL權(quán)重值。

步驟5計算整體影響矩陣H。在綜合影響矩陣T的基礎(chǔ)上,計算整體影響矩陣H：

H=E+T

(4)

步驟6建立可達矩陣M。確定閾值λ,建立標(biāo)準化的可達矩陣M：

M=(mij)n×n

(5)

式中mij表示因素Zi對因素Zj的影響,mij=1表示有直接影響,mij=0表示無直接影響。

步驟7構(gòu)造各因素的可達集合R(Zi)和前項集合S(Zi)。在可達矩陣M的基礎(chǔ)上,建立各致因因素的可達集合R(Zi)和前項集合S(Zi)：

R(Zi)={Zi|Zi∈Z,mij≠0} (i,j=1,2,…,n)

(6)

S(Zi)={Zi|Zi∈Z,mji≠0} (i,j=1,2,…,n)

(7)

步驟8因素驗證。各因素進行驗證,若驗證成立,則在可達矩陣M中劃去相應(yīng)的行i和列j：

R(Zi)=R(Zi)∩S(Zi) (i=1,2,…,n)

(8)

重復(fù)步驟7、8,確定各因素的層級,直到可達矩陣M中所有因素被劃除,建立多層次遞階ISM模型。

3 案例分析

3.1 工程概況

某水電站位于廣西的紅水河干流上,安裝了8臺燈泡貫流式水輪發(fā)電機組。搜集2016—2021年該水電站機組檢修作業(yè)危害辨識與風(fēng)險評估數(shù)據(jù)10838條,使用詞頻分析方法,對水電站機組檢修作業(yè)危害辨識與風(fēng)險評估中的致因因素進行詞頻統(tǒng)計分析。由于D級檢修為一般性消缺消除,檢修作業(yè)數(shù)據(jù)難以獲取,本文不考慮D級檢修。具體原則：篩選A級檢修作業(yè)中詞頻大于等于30次的致因因素,B級檢修作業(yè)中詞頻大于等于40次的致因因素,C級檢修作業(yè)中詞頻大于等于80次的致因因素,篩選結(jié)果見表3。結(jié)合表2,對表3中提取的致因因素進行修正,確定某水電站機組檢修作業(yè)安全事故致因因素。其中,試驗電、高壓試驗電歸屬于能量意外釋放;帶電的設(shè)備、轉(zhuǎn)動的設(shè)備、容易碰撞的設(shè)備歸屬于設(shè)備的問題;缺乏經(jīng)驗、缺乏技能、過于發(fā)力、誤操作歸屬于人員專業(yè)技能及素質(zhì)不高;狹小的作業(yè)空間、限制空間、空氣質(zhì)量不合格歸屬于作業(yè)條件、作業(yè)環(huán)境不良;粉塵、揮發(fā)的油漆歸屬于粉塵、油漆等有害物質(zhì);無防護的高空作業(yè)包含兩個方面,即高處作業(yè)和安全防護設(shè)施不足;照明不足、未做好通風(fēng)措施歸屬于安全防護設(shè)施不足;不按規(guī)定程序作業(yè)修正為違規(guī)作業(yè);檢查不到位修正為安全檢查不到位;監(jiān)護工作未落實修正為安全監(jiān)護不到位。將修正過的事故致因因素劃分為人的因素、物的因素、環(huán)境因素以及管理因素四個方面,見表4,并記安全事故致因因素集合Z={Zi|i=1,2,…,n}。

表3 某水電站機組檢修作業(yè)安全事故致因因素詞頻統(tǒng)計

表4 某水電站機組檢修作業(yè)安全事故致因因素分類、指標(biāo)值和DEMATEL權(quán)重

3.2 事故致因關(guān)聯(lián)性分析

編制某水電站機組檢修作業(yè)安全事故致因因素關(guān)系調(diào)查問卷,旨在確定致因因素之間的相互影響關(guān)系。已有文獻對DEMATEL-ISM方法進行調(diào)查問卷專家人數(shù)的下限沒有具體說明,本文采訪專家數(shù)量只能依據(jù)以往學(xué)者研究的成功案例。選擇水電站檢修相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜覟楸辉?被試工作5年以上,本科及以上學(xué)歷,專業(yè)包括水利工程、電氣工程、機械工程等,發(fā)放問卷36份,收回有效問卷31份,滿足一般情況下樣本容量為30稱為大樣本的統(tǒng)計需求。匯總調(diào)查問卷,根據(jù)第2小節(jié)步驟1,建立直接影響關(guān)系矩陣A,見表5。根據(jù)建模步驟4,計算各因素的影響度、被影響度、中心度、原因度,結(jié)果見表4。

表5 直接影響關(guān)系矩陣A

影響度表示每個因素對系統(tǒng)中其他因素的影響程度,影響度的值越大表明該因素對其他因素的影響程度越大;被影響度表示系統(tǒng)中其他因素對該因素的影響程度,被影響度的值越大表明該因素更容易受到其他因素的影響[20]。由表4可知,安全檢查不到位Z13對其他致因因素的影響程度最大,疲勞作業(yè)Z4對其他致因因素的影響程度最小;能量意外釋放Z10更容易受到其他致因因素的影響,人員的專業(yè)技能及素質(zhì)不高Z2很難被其他致因因素所影響。

中心度表示該因素在系統(tǒng)中的位置以及發(fā)揮作用的大小,中心度越大,說明該因素越接近系統(tǒng)的核心位置,發(fā)揮的作用越大[21]。由表4可知,安全檢查不到位Z13中心度數(shù)值最大,表明其對水電站機組檢修作業(yè)安全的影響程度最大,是最重要的致因因素。原因度是某個因素對其他因素影響程度評價的重要指標(biāo),原因度大于0,該因素為原因因素;原因度小于0,該因素為結(jié)果因素[22]。由表4可知,Z1、Z2、Z5、Z6、Z7、Z11、Z13、Z14、Z159個因素為原因因素;Z3、Z4、Z8、Z9、Z10、Z126個因素為結(jié)果因素。其中,安全檢查不到位Z13的原因度大于1且排名第一,表明Z13更容易影響其他致因因素而引發(fā)安全事故,是事故發(fā)生的根本原因。

將中心度進行歸一化處理,得到各致因因素的DEMATEL權(quán)重,見表4。由表4可知,安全檢查不到位的權(quán)重排名第一,表明該因素對水電站機組檢修作業(yè)安全起到重要的作用。

閾值的取值會影響構(gòu)建的多層次遞階ISM模型。經(jīng)過多次模擬,選定閾值λ=0.09,根據(jù)建模步驟6建立標(biāo)準化的可達矩陣。在可達矩陣的基礎(chǔ)上,根據(jù)步驟7建立各致因因素的可達集合R(Zi)和前項集合S(Zi),見表6。

表6 可達集合R(Zi)和前項集合S(Zi)

通過DEMATEL和ISM混合建模,建立多層次遞階ISM模型,將水電站機組檢修作業(yè)安全事故致因因素分為4個層級,描述事故致因因素間的層次關(guān)系,見圖1。由圖1可知,多層次遞階ISM致因因素分為表層致因因素、過渡致因因素、本質(zhì)致因因素3類。Z4、Z8、Z10、Z11、Z12、Z14為表層致因因素,是水電站機組檢修作業(yè)安全事故最直接的致因因素,通過下層因素影響發(fā)揮作用。Z1、Z2、Z3、Z5、Z6、Z7、Z9、Z15為過渡致因因素,是水電站機組檢修作業(yè)安全間接致因因素,承上啟下,受到下層致因因素影響作用于上層致因因素。Z13為本質(zhì)致因因素,是水電站機組檢修作業(yè)安全事故最根本的致因因素,通過多種方式對上層致因因素產(chǎn)生影響。另外,從中心度、權(quán)重排名來看,安全檢查不到位排名第一,對水電站機組檢修作業(yè)安全影響最大。因此,安全檢查不到位是關(guān)鍵致因因素。

圖1 水電站機組檢修作業(yè)安全事故致因因素間的層次關(guān)系

3.3 事故致因鏈分析

以關(guān)鍵致因因素安全檢查不到位為出發(fā)點,找尋影響水電站機組檢修作業(yè)安全事故的致因鏈,共有14條致因鏈。為了定量分析“安全檢查不到位”致因鏈中哪些致因鏈重要程度高、對水電站機組安全影響程度大,需要考慮致因鏈路徑的權(quán)重,基于致因因素權(quán)重,提出了路徑權(quán)重的概念。在利用DEMATEL-ISM方法得到水電站機組檢修事故致因多層次遞階ISM模型基礎(chǔ)上,從致因因素權(quán)重角度出發(fā),將致因鏈路徑中的致因因素權(quán)重求和之后得到致因鏈路徑的權(quán)重,再將各個致因鏈路徑的權(quán)重進行歸一化處理,得到各致因鏈的路徑權(quán)重。將致因鏈的路徑權(quán)重由大到小排列,制作“安全檢查不到位”致因鏈的路徑權(quán)重表,見表7。

表7 “安全檢查不到位”致因鏈的路徑權(quán)重

由表7可知,僅從致因鏈的路徑權(quán)重角度考慮,“安全檢查不到位→違規(guī)作業(yè)→設(shè)備的問題→油漆、粉塵等有害物質(zhì)”致因鏈的路徑權(quán)重值最大,表明其對水電站機組檢修作業(yè)安全起重要作用,為關(guān)鍵致因鏈。該致因鏈由人、物、環(huán)境、管理四個方面的因素交互耦合作用,對水電機組檢修作業(yè)安全的影響程度最大,應(yīng)重點關(guān)注?！鞍踩珯z查不到位→疲勞作業(yè)”的路徑權(quán)重最小,表明其對水電站機組檢修作業(yè)安全的影響程度最小。該水電站檢修機組致因鏈分布不符合“二八定律”,致因鏈的路徑權(quán)重占比分布均衡,表明水電站機組檢修作業(yè)過程中,安全隱患多且零散,很難做到對事故致因的重點管控。序號1～12致因鏈,本質(zhì)致因因素直接影響過渡致因因素,間接影響表層致因因素;序號13和14致因鏈,本質(zhì)致因因素直接影響表層致因因素。為了阻斷致因鏈的形成,可以從本質(zhì)致因、過渡致因、表層致因三個方面進行考慮,本質(zhì)致因因素是致因鏈的起點,應(yīng)該作為防控的重中之重;過渡致因因素在致因鏈中起承上啟下的作用,應(yīng)該作為防控的重點;表層致因因素是致因鏈的終點,可不作為防控的重點。在該水電站機組檢修過程中,為了阻斷致因鏈形成,從致因?qū)哟谓嵌瓤紤],需要對本質(zhì)致因因素、過渡致因因素進行防控,并提出相應(yīng)的安全防控對策,見表8。

表8 防控的致因因素及其安全防控對策

4 結(jié) 語

通過梳理水電站機組檢修相關(guān)文獻并結(jié)合專家訪談,明確水電站機組檢修作業(yè)安全事故致因因素,具體概括人、物、環(huán)境、管理四個方面共20項。基于DEMATEL-ISM方法,構(gòu)建了水電站機組檢修作業(yè)安全事故致因多層次遞階ISM模型來挖掘關(guān)鍵致因,分析事故致因鏈。以某水電站機組檢修為例,致因因素分為3個層次,各層次的致因因素存在明確的遞進關(guān)系,隨著表層致因因素、過渡致因因素、本質(zhì)致因因素的逐步遞進,各因素對水電站機組檢修作業(yè)安全影響程度逐步加深。構(gòu)建以關(guān)鍵致因因素“安全檢查不到位”為源頭的事故致因鏈,從致因鏈的路徑權(quán)重角度考慮,“安全檢查不到位→違規(guī)作業(yè)→設(shè)備的問題→粉塵、油漆等有害物質(zhì)”為關(guān)鍵致因鏈;從致因?qū)哟谓嵌瓤紤],對不按規(guī)定使用個體防護用品、高處作業(yè)等致因因素進行重點防控,并提出安全防控對策,可為水電站機組檢修安全管理提供參考,對類似水電站機組檢修作業(yè)安全管理具有應(yīng)用推廣價值。