基于事故树的高校实验室火灾危险分析

师光达，李德顺

(沈阳理工大学 环境与化学工程学院，沈阳 110159)

近年来，高等教育的迅速发展及高校科技创新的严格要求，使得高校实验室的使用越来越频繁，同时实验室安全管理也就变得日益复杂，各种安全重大事故接连不断，使得实验室安全问题日益凸显[1]。

2019年2月27日0时42分，南京工业大学丁家桥校区某实验室产生火警，有明显火焰从楼顶窜出，火焰经过外延通风管道引燃5楼楼顶风机及杂物，并毁坏实验室内的实验仪器与办公用品，实验楼的外墙面被熏黑，窗户破碎。2018年12月，北京某高校化学实验室意外发生爆炸燃烧事故，事故造成3人死亡和大量财物损失，经查明是由实验人员误操作造成。由以上案例可知，大学实验室一旦发生事故就伴随着人员伤亡和学校财产的损失，所以大学实验室的安全管理工作和防火防爆教育，对于保障高校稳定发展具有重大意义。而安全管理的首要因素是预防事故的发生，对各种风险因素进行有效识别；包括一些潜在因素。

针对高校实验室危害的识别和探究相对较少，现有研究大多是在对传统风险因素的管理上，而对一些潜在危险因素、风险因素的重要度分析较少，且不够完善。本文引入事故树分析法[2],从系统层面分析，识别大学实验室安全事故发生的首要危险源，为制定高效的风险控制措施提供理论依据，预防安全事故的发生，保障高校实验室的财产安全和实验人员的人身安全。

1 事故树的分析与编制

1.1 事故树

事故树分析法首先确定可能发生的事故或故障(把该事件定为顶上事件)，通过头脑风暴的方式，按照因果关系进行层层分析，直到找出起始发生原因终止，即故障树的底层事件停止[3]，这些底层事件也被称为基本事件。分析过程中的参考依据主要来自于前人的记述、专家们的共同探讨或已发生事故分析的结果。

这种分析方法既能分析出产生风险的直接原因和间接原因，又能发掘出常被忽略的事故发生的隐性原因。用该方法描述事故的关联和因果，简单、层次清晰、逻辑性强，还可根据系统和基本事件进行定性和定量两个层面的分析，是安全系统工程的重要分析方法之一。所以本文选用事故树分析法。

1.2 事故树的编制

事故树的编制过程是一个严密的逻辑和调查过程，应遵循以下程序：

(1)确定整个系统的结构关系；

(2)熟悉系统的因果和逻辑关系；

(3)调查系统发生的各类事故；

(4)确定事故树的顶上事件；

(5)查阅相关文献和资料确定各基本事件；

(6)作事故树图。

根据事故树的逻辑关系求取事故树最小割集或最小径集，主要有三种方法：行列法、结构法、布尔代数简化法。

定性分析：根据最小割集或最小径集计算各基本事件的结构重要度。

定量分析：查阅资料确定各基本事件的发生概率，根据逻辑关系列出等式，计算事故树顶上事件发生概率，并将计算出来的顶上事件发生概率与通过大数据统计分析得出的事故发生概率进行比较。

2 高校实验室火灾风险事故树分析

2.1 构建实验室火灾事故树模型

首先,明确事故树的顶上事件，既确定此次研究的事故事件，且这个事故频繁发生，产生的成本代价巨大。然后，寻找与顶上事件相关的关联事件。根据安全系统学相关理论，可知大学实验室面临的首要危险因素有：人的不安全行为、物的不安全状态、管理因素三个基本层次[4]。再结合4M1E分析法[5](4M是指Man(人身),Machine(机器设备)，Material(相关物质材料),Method(模式和方法),1E是指Environments(周围环境))全面分析相关文献和事故调查报告，从“模式和方法、人、机器设备、相关物质材料、周围环境”对大学实验室火灾事故的相关资料得出底层事件。最后，编制事故树。把相关数据输入事故树绘制软件EasyDraw进行处理，该软件自动绘制大学实验室火灾事故树；事故树中各个事件之间的层级关系由查阅相关资料和专家访谈方式得到。

图1 实验室火灾事故树

根据图1所示事故树构建高校实验室火灾事故事件说明表，如表1所示。

2.2 事故树分析

2.2.1 最小割集与最小径集

事故树分析中首要步骤是计算最小割集，并根据割集计算最小径集。割集是可以导致顶部事件发生的所有事故事件的集成，最小割集是引起顶上事件发生的最小限度割集，最小割集限度越少，系统有风险的可能性越低。最小径集即顶层事件不会发生所需的最小限度径集。

表1 高校实验室火灾事故事件说明表

分析事故树使用布尔代数法求解。

T=M1×M2×M3

=(M3+M4)×(M5+M6)×(M7+M8)

=((X1+X2+X3)+(X4+X5+X6))×((X7+X8×X9)+(X10+X11+X12+X13))×((X14×X15)+(X16+X17))

(1)

由式(1)得出割集数量为60，最小割集如下：

{X1,X7,X13,X14}、{X4,X7,X13,X14}、{X1,X10,X13,X14}、{X4,X10,X13,X14}、{X1,X7,X15,X16}、{X4,X7,X15,X16}、{X1,X10,X15,X16}、{X4,X10,X15,X16}、{X2,X7,X13,X14}、{X3,X7,X13,X14}、{X2,X10,X13,X14}、{X3,X10,X13,X14}、{X2,X7,X15,X16}、{X3,X7,X15,X16}、{X2,X10,X15,X16}、{X3,X10,X15,X16}、{X5,X7,X13,X14}、{X6,X7,X13,X14}、{X5,X10,X13,X14}、{X6,X10,X13,X14}、{X5,X7,X15,X16}、{X6,X7,X15,X16}、{X5,X10,X15,X16}、{X6,X10,X15,X16}、{X1,X8,X9,X13,X14}、{X4,X8,X9,X13,X14}、{X1,X8,X9,X15,X16}、{X4,X8,X9,X15,X16}、{X2,X8,X9,X13,X14}、{X3,X8,X9,X13,X14}、{X2,X8,X9,X15,X16}、{X3,X8,X9,X15,X16}、{X5,X8,X9,X13,X14}、{X6,X8,X9,X13,X14}、{X5,X8,X9,X15,X16}、{X6,X8,X9,X15,X16}、{X1,X11,X13,X14}、{X1,X12,X13,X14}、{X4,X11,X13,X14}、{X4,X12,X13,X14}、{X1,X11,X15,X16}、{X1,X12,X15,X16}、{X4,X11,X15,X16}、{X4,X12,X15,X16}、{X2,X11,X13,X14}、{X2,X12,X13,X14}、{X3,X11,X13,X14}、{X3,X12,X13,X14}、{X2,X11,X15,X16}、{X2,X12,X15,X16}、{X3,X11,X15,X16}、{X3,X12,X15,X16}、{X5,X11,X13,X14}、{X5,X12,X13,X14}、{X6,X11,X13,X14}、{X6,X12,X13,X14}、{X5,X11,X15,X16}、{X5,X12,X15,X16}、{X6,X11,X15,X16}、{X6,X12,X15,X16}。

利用对偶法可得最小径集，径集数量为7。{X1,X2,X3,X4,X5,X6}、{X7,X8,X10,X11,X12}、{X13,X15}、{X7,X9,X10,X11,X12}、{X14,X15}、{X13,X16}、{X14,X16}。

计算结果表明高校实验室火灾的最小割集为60个，最小径集为7个；根据最小割集和最小径集的定义，可以清晰表明造成该事故树顶层事件发生的途径有60种，只要最小割集里的事件一起发生，顶层事件一定发生，这对掌握事故发生的规律，找出潜在事故模式具有重要意义，也为事故的预防措施提供了依据。从求出的最小径集可知，顶层事件不发生有7种可能方案，任何一组不发生，顶层事件就不会发生；根据选取途径的要求，可知{X13,X15}、{X14,X15}、{X13,X16}、{X14,X16}最省时、经济。

2.2.2 结构重要度分析

造成一件事情的发生原因有很多，一般会根据原因的轻重缓急来采取相应措施，后果比较严重且迫在眉睫的事情会优先处理，因此在事故树分析中，会优先考虑对顶层事件影响重大的底层事件。

结构重要度分析是利用事件之间的逻辑关系，从事故树整体结构上计算各底层事件在顶层事件发生中的重要程度大小。在事故树分析方法中，结构重要度的计算可采用最小割集或最小径集计算法；经过最小割集和径集的计算后还不能确定对顶上事件的重要度时，再采用公式计算法计算结构重要度，最后进行定性分析。按照结构重要度的数值大小对基本事件进行排序。

重要度分析在实验室制定安全措施中十分重要；重要度的理念可以标出某个基本事件对顶层事件发生的影响概率大小，用于寻找出实验室发生火灾的首要原因，通过这些原因才能提出具体的预防措施。底层事件的位置决定了其在整个事故分析系统的结构重要性，在事故树结构中底层事件的位置不同，其对顶层事件的影响程度也会不同[6]，底层事件在最小割集中出现的具体情况可以清晰地表明其重要性。

(1)最小割集中出现的底层事件数量越少，其对顶层事件影响程度越大，结构重要度越大；

(2)在所有最小割集中，底层事件出现频率较大的，其结构重要度越大。

当最小割集和最小径集不能估计出结构重要度时，可按(2)式计算第i个底层事件的结构重要度。

(2)

式中：k为最小割集总数；kj为第j个最小割集；nj为第kj个最小割集的基本事件数。

由式(2)得高校实验室火灾各基本事件结构重要度值的大小。

I[X1]=0.69799997，I[X2]=0.69799997，

I[X3]=0.69799997，I[X4]=0.69799997，

I[X5]=0.69799997，I[X6]=0.69799997，

I[X7]=0.79858276，I[X8]=0.53904841，

I[X9]=0.53904841，I[X10]=0.79858276，

I[X11]=0.79858276，I[X12]=0.79858276，

I[X13]=0.97245638，I[X14]=0.97245638，

I[X15]=0.97245638，I[X16]=0.97245638，

高校实验室火灾各基本事件结构重要度值的比较：

I[X13]=I[X14]=I[X15]=I[X16]>I[X7]=I[X10]=I[X11]=I[X12]>I[X1]=I[X2]=I[X3]=I[X4]=I[X5]=I[X6]>I[X8]=I[X9]

分析结果表明，事件X13、X14、X15、X16的结构重要程度最大，X7、X10、X11、X12的结构重要度次之，X1、X2、X3、X4、X5、X6的结构重要度最小，所以本事件最重要的因素的是管理因素和人的不安全行为因素。采取措施对其中的风险因素进行控制和消除，如加强教师职责管理，实验过程中全程监控，对实验人员操作前的注意事项教育，禁止相关人员吸烟、定期检查实验设备等。

3 措施方案

采用事故树方法，可以提前发现一些潜在危险因素，并采取最有效的措施避免事故的发生，为实验室火灾检测系统的开发提供依据。根据前文分析可以提出以下几点措施。

(1)实验室规划阶段可建立大学实验室火灾事故的事故树结构，分析发生实验室火灾爆炸事故的基本原因，并由这些原因提出具体实行方法进行预防；

(2)实验设施做到实验前必须检查完整性，定期进行全面检修，并加强实验室人员的管理；

(3)大学实验室必须建立完整的消防安全体制系统，并按照规章制度进行安全管理。各高校应根据学校自身的实际情况，结合相关安全工作知识规定，建立完整的实验室安全规章制度，通过合理的规则、条例以及处罚来标准化每个实验人的行为。

4 结束语

通过分析实验室发生火灾爆炸的可能原因，构建事故树，事故树的最小割集数量多，最小径集数量少，说明此事故容易发生，同时预防的途径比较少。

根据对每个底层事件的整体分析，分析出实验室火灾事故的首要因素为管理因素，说明在预防实验室火灾中首要关注的是对管理方面的加强。

第二因素为人的不安全行为，这意味着实验室防火防爆安全管理中需要加强对实验人员的操作培训。如果提出有效措施预防以上因素，将会大大提高实验室的系统安全性。

第三因素为物的不稳定状态，这些因素必须通过加强管理来进行控制。