基于系統理論的新事故樹編制研究*

杜姍 譚欽文,2 段正肖 成春節 章少康 陳群 邱宇

(1.西南科技大學環境與資源學院 四川綿陽 621010； 2.西南科技大學非煤礦山安全技術四川省高等學校重點實驗室 四川綿陽 621010； 3.四川輕化工大學化學與環境工程學院 四川自貢 643000)

0 引言

事故樹分析法廣泛應用于企業安全管理和安全評價工作[1-3]，但實際運用中，人們對系統缺少規范的認識和分析方式，無法快速有效地確定頂事件、展開中間事件和基本事件，從而不能快速有效地編制事故樹。

針對上述難題，在系統剖析事故樹結構特征基礎上，根據系統的空間、功能特點及行業背景，利用霍爾三維理論、人-物-環境-管理分塊理論，總結出一種事故樹的快速編制方法。

1 事故樹概述及結構特征

1.1 事故樹概述

事故樹分析(Fault Tree Analysis，簡稱FTA)方法起源于故障樹分析，是安全系統工程的重要分析方法之一，作為一種非常重要的分析方法被廣泛采用。它是運用邏輯推理對各種系統的危險性進行辨識和評價，不僅能分析出事故的直接原因，而且能深入地揭示出事故的潛在原因。

1.2 事故樹結構特征

根據事故樹的組成要素，利用系統結構層級性特征和系統分解綜合原理，可以得出任何一棵正規化的事故樹，即從結構上都是由事件和邏輯門組成。由于正規事故樹的邏輯門只有“與”、“或”兩種方式，因此，一棵正規事故樹的結構形式如圖1。

2 事故樹繪制模式研究

事故樹是以人們從結果推斷可能原因的思維方法為基礎而發展起來的分析方法，只抓住一個特殊的事故進行原因分析，由頂事件、中間事件、基本事件通過邏輯門聯系組合而成。因此事故樹的編制可分為3步：頂事件確定，中間事件和基本事件的展開，事故樹繪制。不論這一事故是否真正發生, 通過一整套科學有效的方法找出對事故發生起作用的最基本原因(基本事件),即可實現對引發事故的各種基本原因進行分析。

(a)“與門”展開型 (b)“或門”展開型圖1 正常事故樹結構

2.1 認識系統

編制事故樹需要了解整個研究系統。美國貝爾電話公司工程師霍爾提出了系統工程的三維結構模型，即“時間維”、“邏輯維”、“專業維”的三維認識論?；魻柸S模型是從工程實施的角度出發的，宏觀、動態、立體、系統地認識一項工程從無到有的過程[4-6]。

霍爾三維模型側重于解決大型復雜系統的規劃、組織、管理問題，而對于分析事故發生原因的問題不夠細致具體。從模擬事故發生過程角度解析，探討空間環節和功能性操作更具有實際操作意義，基于此提出“空間維”、“功能維”的定向認識方法。

“空間維”是利用空間邏輯關系去認識一個系統，按區域分割系統，形成空間子系統?！肮δ芫S”是從功能的角度去認識系統，根據系統組成結構的功能去分割系統形成功能子系統。通過“空間維”、“功能維”的角度切割系統，再細致分析系統組成。

在完成系統切割和認識系統組成的基礎上，按照《生產過程危險和有害因素分類與代碼》(GB/T 13861—2009)中有害因素的分類角度即“人、物、環境、管理”[7]的角度去認識各個切割后的子系統，掌握系統的構成，為事故樹編制提供素材。

2.2 確定頂事件

在認識系統的基礎上，可通過系統分析方法確定頂事件。常用的系統分析確定法有：事件樹分析確定法、預先危險性分析確定法、故障類型及影響分析確定法、危險與可操作性分析確定法等。這些分析方法在研究理論上易于確定事故樹頂上事件，而對于實際分析人員來說其分析方法不免繁瑣。為解決這一問題，提出一種更加便捷的方法，即定性事故分析法。

介紹定性事故分析法，需要先了解《企業職工傷亡事故分類標準》(GB 6441—86)[8]中明確規定的20種典型事故，因此確定頂事件時可結合事故發生特點，選取符合的典型事故做頂事件。

以建筑施工企業為例，高處墜落、物體打擊、機械傷害、坍塌和觸電等“五大傷害”造成的死亡人數占建筑行業全部事故死亡人數的90%以上。因此，在對建筑施工企業進行事故樹分析時，這種定性事故分析法目標明確，符合行業事故特點而且操作性強，是一種快速有效的頂事件確定方法。

2.3 中間事件和基本事件的展開

中間事件展開和基本事件確定的方法，是通過調查分析得出與頂上事件相關的原因事件及其邏輯關系，從而展開中間事件和確定基本事件。事故樹分析法在分析中間事件時往往采用的是頭腦風暴，中間事件沒有明確的展開方式，而讓人容易忽略的是，一般事故樹皆是由“或門”和“與門”兩種基本邏輯門連接組合而成。利用這一邏輯結構，提出“或門”展開型和“與門”展開型兩種邏輯分析展開方法[9]，實現事故樹的編制。

2.3.1 “或門”展開型

根據擬分析對象事件的性質、功能或結構，選取恰當的分類準則得到擬分析對象的調查結果(即對象的分類結果)，將這些分類結果事件用“或門”連接。

以某企業火災事故分析為例，當確定“企業火災事故”為分析對象時，可選取功能區分類準則進行調查，根據調查結果，將其歸類為“辦公區火災”、“生產區火災”、“倉儲區火災”和“生活區火災”4大類型，用“或門”連接，展開結果如圖2所示。

圖2 按功能區分區準則展開事故樹

火災的分類方式有很多，根據需求選擇其他分類標準得到不同的分類結果。再如，當根據《火災分類》(GB/T 4968—2008)，以可燃物的類型和燃燒特性按ABCDEF等6大類型的分類準則展開調查時，可得到該企業火災類型[10]，將得到的該企業存在的火災類型按“或門”展開，結果如圖3所示。

圖3 按可燃物的類型展開的事故樹

2.3.2 “與門”展開型

根據擬展開對象的性質，分析事故發生機理，進行事故發生“充要條件”調查，將這些“充要條件”用“與門”連接。

如某具體火災可以根據火災發生的機理進行調查，把火災發生的“充要條件”歸納為可燃物、點火源和助燃劑3個要素，用“與門”連接。展開結果如圖4所示。

圖4 按“充要條件”展開的事故樹

“與門”展開型和“或門”展開型是事故樹編制過程中的兩種基本方式，編制事故樹時優先選擇“或門”即分類展開，當分析對象無法或沒必要做進一步分類用“或門”展開且必須由多個事件共同作用時，采用“與門”展開。

在此仍以企業火災事故分析為例。當確定“企業火災事故”為頂事件后，首先采取功能區分類原則進行“或門”展開調查分析。對某個區域的火災，仍可依據可燃物的類型和燃燒特性按ABCDEF等6大類型的分類準則展開調查(以辦公區火災為例)。假設辦公區金屬可燃物沒必要進行分類，則可用“與門”對辦公區金屬火災展開分析，結果如圖5。

圖5 辦公區金屬火災事故樹

2.4 新事故樹編制模式

在完成了認識系統、頂事件確定、中間事件和基本事件展開之后，通過邏輯門連接可得到一棵完整的事故樹圖。由上述分析事故樹各步驟可得新事故樹編制流程如圖6。

3 新事故樹編制實例分析

在煤礦企業生產中，掘進工作面是安全管理的重點區域，用新事故樹分析法分析掘進工作面的安全風險[11]。對掘進工作面瓦斯爆炸以“與門”或“或門”展開進行分析，以及編制整個事故樹。

3.1 明確分析目的、判定分析界限及熟悉系統

分析目的是為了判斷掘進工作面存在的風險，因此可利用圖6事故樹編制流程中“空間維”將系統的邊界限定為掘進工作面系統。進而利用人、物、環境、管理的邏輯調查分析可知，掘進工作面系統包括作業人員和管理人員、掘進機械和通風設備、工作面作業環境、掘進工作面的管理工作4個主要方面。

3.2 分析系統風險(事故)，確定頂事件

該環節結合掘進工作面生產工藝和運行管理特征，根據圖6事故樹編制流程，利用經驗法確定頂事件。參照《企業職工傷亡事故分類標準》辨識可知，該系統主要存在的事故類型有瓦斯爆炸、火藥爆炸、放炮、觸電、冒頂片幫、透水、中毒窒息等事故，都可作為事故樹分析的頂事件。在此，本例選取瓦斯爆炸事故進行分析，頂事件為“掘進工作面瓦斯爆炸事故”(記為T)。

3.3 按“或門”、“與門”展開法對頂事件進行展開

因為掘進工作面的瓦斯爆炸已經是具體位置上的具體事故類型，顯然不需要再對其進行分類分析和“或門”展開。在此，可考慮從事故機理和充要條件的角度使用“與門”展開。根據爆炸三要素機理，必須滿足以下3個充要條件：瓦斯達到爆炸濃度(爆炸性瓦斯)、引火溫度滿足瓦斯爆炸(引爆火源)、有足夠的氧氣。按“與門”展開模式得到該事故的第一層原因事件展開結果如圖7所示。

圖7 掘進工作面瓦斯爆炸的“與門”事故樹

由圖可知頂事件的第一層中間事件有3個。事件“有足夠的氧氣”可忽略下層事件不再展開，對“爆炸性瓦斯”、“引爆火源”兩個事件在展開的過程中可按先完全展開“爆炸性瓦斯”分支、再展開“引爆火源”的順序進行。

3.3.1 對“爆炸性瓦斯”進行展開

(1)對“爆炸性瓦斯”進行展開

爆炸性瓦斯是由于“瓦斯積聚”并“達到爆炸極限”而形成的，因此可按“與門”展開為“瓦斯積聚”和“達到爆炸極限”作為“爆炸性瓦斯”的下一級中間事件。

(2)對“瓦斯積聚”進行展開

根據生產經驗，礦井瓦斯聚集的情形有多種，用情形分類的方式調查本企業“瓦斯積聚”的原因可歸結為以下4種情況：“局部風機斷電停風”導致供風停止致使瓦斯聚集；“局部風機打循環風”使巷道內風流在局部循環不能有效的給掘進工作面供風導致瓦斯聚集；“瓦斯突出”導致聚集；“串聯通風”導致供風量不足以沖散瓦斯形成瓦斯聚集。該4種原因任何一種都可造成瓦斯積聚，采用“或門”連接。

造成以上4種情況的原因有很多，其中的3種事件皆有下層原因事件(“瓦斯突出”除外)，可對其進行展開。在此，從人、物、環境3個方面對上述3種情況展開。

(3)對“局部風機斷電停風”進行展開

在人的方面有“操作人員操作失誤”使風機斷電停風；在風機附屬設備方面有“輸電線路老化”造成斷路使風機斷電停風；在環境的方面有“工作環境潮濕等引起風機短路”導致風機斷電停風。該3種原因任何一種都可造成局部風機斷電，采用“或門”連接。

(4)對“局部風機循環風”進行展開

在人的方面有“局部風機設計缺陷”導致風筒與工作面距離設計錯誤形成循環風；在機械設備方面由于“風機風量損失”致使風機打循環風。這兩種原因任何一種都可造成局部風機打循環風，采用“或門”連接。

由于造成“風機風量損失”原因有很多，因此，該事件存在下層原因事件。

(5)對事件“風機風量損失”進行展開

在人的方面有“人為操作錯誤”導致風機風量損失；在機械的方面有“風機功能損失”導致風量損失；在環境方面有“風機工作環境不良”導致性能風量損失。

(6)對“串聯通風”進行展開

從人的角度分析有“設計人員造成通風系統設計缺陷”、“沒有按要求放置風機”導致風機串聯通風、“未執行試運行操作”導致沒有發現串聯通風問題。

3.3.2 對“引爆火源”進行展開

(1)對“引爆火源”進行展開

調查掘進工作面引爆火源的存在形式可知，主要有以下3種類型：“爆破火源”、“電火花”、“明火”。用“或門”展開，“爆破火源”、“電火花”、“明火”作為“引爆火源”的下一級中間事件。

由于“爆破火源”和“明火”造成原因很多，故都存在下層事件。

(2)對“爆破火源”進行展開

從人的角度分析有“工人放炮操作失誤”、“爆破工程設計不合理”、“沒有執行一炮三檢”3個原因；從工作環境的角度分析有“光線暗”導致爆破操作失誤起火。

(3)對“明火”進行展開

從人的角度查找有“工人吸煙”、“工人攜帶點火設備”、“明火作業”。

最終可得事故樹如圖8。

4 結論

本文從模擬事故發生過程的角度思考，借鑒霍爾三維模型，提出了“空間維”、“功能維”，并運用人、物、環境、管理角度結合的方法熟悉系統，研究出熟悉系統的切入點，合理使用經驗法，使編制事故樹的過程更加貼合實際，中間事件和基本事件展開合理，事故樹的編制更加具有學習指導意義，可行度更高。

深入研究了“與門”型、“或門”型這兩種基本的展開方式，并且明確了使用范圍和使用方法，大大簡化事故樹編制過程。通過“與門”型、“或門”型兩種方式展開中間事件和基本事件，提供了一種簡便易學的事故樹繪制思路。

圖8 掘進工作面瓦斯爆炸事故樹