城市燃气管道泄漏爆炸事故风险演化机制研究

孙逸林，郑小强，郭向国，刘险峰，周 密

(1.西南石油大学 经济管理学院，四川 成都 610500；2.东营职业学院 基建处，山东 东营 257091；3.中石油川庆钻探工程有限公司 川东钻探有限公司，重庆 400021)

燃气管道是城市“生命线”的核心组成部分之一。我国城市燃气管道近年得到了长足的发展与进步，但其泄漏爆炸事故亦呈现频发态势，不仅造成了严重的经济损失，而且对社会秩序和公共安全产生了极大的负面影响[1]。因此，深入研究城市燃气管道泄漏爆炸事故的风险演化机制，对于准确辨识事故关键致因和防控此类事故具有重要意义。

目前，关于城市燃气管道“风险-事故”的研究主要从技术视角开展，大多聚焦于致灾机制分析[2]、泄漏扩散模拟[3]、事故致因探讨[4]与风险评价[5]等方面，而事故风险演化机制和防控策略等方面的成果比较鲜见。学习既有事故是安全科学的研究重点，事故致因模型是分析事故最有效的工具之一[6]。随着社会技术系统复杂性的日益提升，传统的链式事故致因模型逐渐难以刻画系统要素之间的不良非线性关系，亦难以描述其聚合性、记忆性与涌现性等本质特征。因此，基于系统论的事故致因模型逐渐成为研究热点[7]。在诸多系统论事故致因模型中，由SVEDUNG等[8]提出的AcciMap模型能够准确地解释事故的成因机制，是提高风险管理和决策水平的有效手段[9]；现已在矿山生产[10]、公路交通[11]和铁路运输[12]等多个领域的事故分析中得到应用；而与HFACS、STAMP和FRAM等经典事故致因模型的对比分析结果亦证实，AcciMap模型在辨识事故致因、刻画事故进程和挖掘潜在影响因素等方面具有显著优势，表现形式更加清晰，且能够为不同层级的控制结构提供针对性的风险防控策略[13]。

综上所述，国内外学者在城市燃气管道“风险-事故”研究与AcciMap模型的实践应用方面取得了诸多有价值的成果，但受历史局限性的影响而略有不足，集中表现在如下方面：①既有城市燃气管道风险的研究大多从微观技术视角出发，鲜有研究从宏观监管和控制视角探讨其风险演化机制；②既有AcciMap模型的文献多囿于定性分析，在刻画事故致因间逻辑关系与界定动态致灾机理时过度依赖对具体事件的逆向追溯，在社会技术系统复杂性与功能耦合性日益提升的背景下略有缺陷；③尽管WANG等[14-15]已将Fuzzy ISM-MICMAC和社会网络分析(social network analysis，SNA)等工具应用于AcciMap模型的定量分析，但是上述研究更侧重于描述事故致因的相对重要程度和属性特征，而且需要大量的样本数据和矩阵运算，仍然不足以基于既定事实评估系统内部要素的耦合关系与整体系统的动态风险。

系统动力学(system dynamics，SD)是一种适用于复杂系统风险定量分析的有效工具[16]。该方法的系统特性与网状结构能够与同样基于系统论的AcciMap模型紧密契合。为克服AcciMap模型单独使用时难以进行定量分析的不足，以及现有AcciMap模型的定量分析方法难以表述系统动态变化情况的局限性，拟提出AcciMap-SD集成分析框架，通过博弈论组合赋权获取SD函数，构建城市燃气管道泄漏爆炸事故风险演化仿真模型，根据湖北十堰“6·13”重大事故开展实例研究，定量评价风险演化情况并模拟干预效果，以期为类似事故的风险防控提供技术支持。

1 理论基础

1.1 AcciMap事故致因模型

AcciMap模型依托RASMUSSEN风险管理框架提出，将事故致因划分为政府政策与预算(government policy and budgeting)、监管机构与组织(regulatory bodies and associations)、企业管理(company management)、技术与运营管理(technical and operational management)、事故进程与人员活动(physical processes and actor activities)和设备与环境(equipment and surroundings)6个层级，并通过阶梯关联的图论和有向符工具连接各致因，形成事故致因链和致因网，构成事故系统[17]。各层级说明如下：

(1)政府政策与预算(A)：该层级包括城市燃气管道系统中所涉及地方政府方面的风险因素，主要展现政府安全生产理念、属地治理责任、安全政策和安全财政预算等方面情况。

(2)监管机构与组织(B)：该层级包括城市燃气管道系统所涉及政府各监管部门的风险因素，包括应急管理局和市场监督管理局等。

(3)企业管理(C)和技术与运营管理(D)：该层级用于描述城市燃气管道系统有关企业和单位在安全管理制度、安全组织协调以及现场安全管理与决策活动等方面的风险因素。

(4)事故进程与人员活动(E)：该层级一般用于描述事故进程，以及城市燃气管道系统相关人员的不安全活动、决策、任务和行为等。在AcciMap模型中，其他层级的因素共同作用于该层级因素，并在该层级内反映事故过程。

(5)设备与环境(F)：该层级一般用于刻画城市燃气管道系统中相关设备(如管道本体、周边建筑、伺服装置、作业设备)和现场周边环境的风险，是影响系统安全的最前端因素，动态性较强。

AcciMap模型结构如图1所示。运用AcciMap模型分析事故的主要步骤如下：①建立层次结构图，依据事故调查报告、权威媒体报道等相关资料，并邀请资深安全管理专家，按照逆向回溯的思路，从事故最终节点起逐级逐类辨识致因，并分类记录在各个层次中；②基于“致因-结果”思路逐一回溯各个因素，构建致因列表；③基于致因间的因果关系连接各因素，构建“致因-结果”链与致因网；④基于系统论思想，对致因网中的薄弱之处进行调整和补充；⑤审查致因网的逻辑，形成整体事故系统，据此分析事故和实施决策。

图1 AcciMap模型结构

1.2 AcciMap-SD集成方法

AcciMap模型的系统特性、网状结构、控制和反馈循环能够与SD方法较好的契合起来，因此拟将SD方法引入AcciMap模型，构建AcciMap-SD集成分析框架，如图2所示，据此研究城市燃气管道泄漏爆炸事故风险演化机制。具体分析步骤如下：

图2 AcciMap-SD集成分析框架

(1)辨识事故致因。根据事故调查报告等资料，在客观性、合理性等原则的指导下，基于AcciMap模型层次结构，系统辨识与遴选事故致因。

(2)分析事故致因间逻辑关系。根据事故调查报告等资料还原事故过程，分析同一维度和不同维度致因间的逻辑关系，形成致因链与致因网，进而构建AcciMap模型。

(3)构建AcciMap-SD集成模型。①明确系统边界，提出相关假设；②将AcciMap模型中的各子系统转化为SD模型中的状态变量，并赋予相应的速率变量；③将AcciMap模型内部要素转化为SD模型中的辅助变量，并添加相关常量；④根据事故致因间逻辑关系厘清AcciMap-SD集成模型要素间的反馈循环；最后通过博弈论组合赋权确定函数关系。

(4)分析风险演化机制。通过“事故进程与人员活动风险(E)”子系统刻画风险演化情况。①分析原始风险情况；②对比分析不同干预策略实施情境下风险的波动情况；③辨识事故关键致因，并根据分析结果提出风险防控策略。

1.3 博弈论组合赋权

为使AcciMap-SD集成模型能够准确描述城市燃气管道泄漏爆炸事故的风险演化形式，必须保证SD函数方程中变量系数的准确性。传统的赋权方法包括基于“功能驱动”原理的主观赋权法和基于“差异驱动”原理的客观赋权法，但是两类方法在单独使用时均有不足，难以准确刻画指标间的相对重要程度。因此，首先运用G1法和熵值法分别计算主客观基础权重，然后运用博弈论组合赋权计算综合权重，获得与整体系统协调、均衡且一致的最优组合权重[18]。主要步骤如下：

1.3.1 G1法确定主观权重

表1 理性赋值参考

(1)

(3)计算主观权重w1。首先由式(2)可得最后一个指标的权重，然后再计算其他指标的权重。

(2)

1.3.2 熵值法确定客观权重

(1)由式(3)计算得到，熵值ej，由式(4)可得第j个评价指标下第i个评价对象的比重Qij。

(3)

(4)

(2)由式(5)可得客观权重w2。

(5)

1.3.3 博弈论组合赋权

(1)建立基础权重向量集合qk，假设运用L种赋权方法对n个评价指标赋权，基础权重向量集为：qk=[qk1,qk2,…,qkn],k=1,2,…,L。

(3)优化线性组合系数。通过多目标博弈集合优化L个线性组合系数γ=[γ1,γ2,…,γk]，令q与qk的离差最小化，如式(6)所示。

(6)

对式(6)求一阶导可得线性方程组，如式(7)所示，然后求解最优线性组合系数γ*=[γ1,γ2,…,γL]。

(7)

(4)由式(8)对最优线性组合系数进行归一化处理，由式(9)可得综合权重：

(8)

(9)

2 实例分析

2.1 事故案例基本情况

2021年6月13日6时42分左右，湖北省十堰市张湾区艳湖社区发生重大燃气爆炸事故(简称“6·13”事故)，造成26人死亡，138人受伤，直接经济损失5 395.41万元。“6·13”事故是极典型的城市燃气管道泄漏爆炸事故，亦是我国近年来最严重的油气安全事故，充分暴露出当地政府和涉事故企业在安全生产与监管方面的漏洞，具有很强的代表性。以该事故为例，通过AcciMap-SD集成分析框架研究其风险演化机制。

2.2 AcciMap模型构建

根据事故调查报告[20]和上述AcciMap模型分析步骤，系统辨识“6·13”事故的致因因素。分析事故调查报告可知：①事故最终表现为“燃气管道泄漏爆炸并造成严重伤亡(E10)”。②涉事故主体包括政府、企业、人员与设施设备等4个方面，政府方面包括湖北省、十堰市和张湾区党委、政府、有关部门与基层社区；企业方面包括燃气公司和物业公司等涉事故企业；人员方面包括燃气管道的巡检与维抢人员、物业管理人员、社区工作人员和涉事故商户等；设施设备方面包括涉事故管道、建筑物与周边环境等。“6·13”事故共分析出30项致因，结果如图3所示。

图3 “6·13”事故致因辨识结果

根据AcciMap模型分析步骤，辨识事故致因间的逻辑关系，形成致因链和致因网，进而构建“6·13”事故AcciMap模型，结果如图4所示。

图4 “6·13”事故AcciMap模型

2.3 AcciMap-SD集成模型构建

“6·13”事故AcciMap-SD集成模型构建步骤如下：

(1)明确系统边界。以AcciMap模型的层级结构和事故致因作为AcciMap-SD集成模型的系统边界，系统内涵盖6项子系统及其所属因素。

(2)提出相应假设。共计提出如下3项假设：①以AcciMap模型的6个层级结构作为城市燃气管道泄漏爆炸事故的内生变量，仅考虑其内部因素耦合作用的效应；②不考虑由不可抗力因素所导致的系统崩溃情境；③风险管控者对风险有一定管控能力，但无法通过自身手段完全消除风险。

(3)AcciMap模型内部要素转化。主要从4个方面进行：①将AcciMap模型的6个层级结构转化为6项状态变量，并添加速率变量，将30项事故致因转化为辅助变量；②引入G1、G2和G3等3项常量，G1代表“安全生产理念和属地责任未贯彻落实”(A1)事故爆发初始值，G2代表“安全生产主体责任未落实”(C1)事故爆发初始值，G3代表政府事故应急响应和学习能力；③根据致因间关系，甄别AcciMap-SD集成模型要素间因果关联，确定反馈回路和存量流量图；④通过Vensim建模，令初始时间和结束时间分别为0和24，单位为小时，步长DT为1，实现AcciMap-SD集成模型的动态定量可视化，结果如图5所示。

图5 “6·13”事故AcciMap-SD集成模型

(4)博弈论组合赋权确定函数关系。通过问卷调查的方式邀请8位专家参与研究。专家组包括4位大学教授、2位燃气公司高级经理和2位燃气公司高级工程师，每位专家都拥有5年以上燃气行业的科研与工作经验。然后分别运用G1法和熵值法计算主客观基础权重，再计算组合权重；参考文献[16]计算常量初始值，G1、G2、G3分别为0.798、0.833和0.532。

以“政府政策和预算风险A”子系统为例进行说明：先通过Matlab计算主客观赋权方法所对应的最优线性组合系数为(0.455，0.555)，然后求解G1法、熵值法和组合赋权结果，结果如表2所示。可得该子系统内部函数关系：A=LA1-LA2；LA1=0.405A1+0.281A2+0.314A3；LA2=DELAYI(0.402LE1+0.598G3，1，0)；A1=0.645×A1×G1+0.355LE1；A2=0.873A1；A3=0.889A1。

表2 “政府政策和预算风险A”子系统赋权结果

2.4 风险演化机制分析

由于AcciMap模型通过“事故进程与人员活动(E)”层级反映事故演化过程与后果，因此在AcciMap-SD集成模型中可通过“事故进程与人员活动风险E”子系统描述风险的演化情况，结果如图6所示。

图6 “6·13”事故风险演化情况

由图6可知，“6·13”事故风险演化情况呈现波浪状，分为风险集聚、风险蓄积、风险爆发和风险下降等4个阶段，具体说明如下：

(1)0～12 h是风险集聚阶段。由于政府安全生产理念和属地责任未贯彻落实以及监管部门安全生产监管工作严重失察等因素耦合作用，燃气公司和物业公司等企业未能贯彻落实安全生产主体责任，并将对企业管理风险C、技术与运营管理风险D、事故进程与人员活动风险E和设备与环境风险F等子系统产生负面影响，风险因素的涌现与聚合导致燃气管道腐蚀破裂，泄漏燃气在涉事故建筑物下方河道密闭空间内蓄积，风险随时间推移缓慢上升。

(2)12～20 h是风险蓄积阶段。风险在该阶段持续上升，速度略有减缓。主要是管道维抢人员、消防和公安人员在事故初期开展了一系列应急工作，短期内对风险起到一定的遏制作用。但分析事故调查报告可知，维抢工作存在严重失误，如不熟悉阀门位置、未及时关闭阀门等，尤其是维抢人员违规发出错误的处置指令，严重误导和干扰应急处置与疏散工作的进行，未能彻底消除风险。

(3)20～22 h是风险爆发阶段。由于应急处置不当，泄漏燃气在该阶段蓄积至爆炸浓度，遇餐饮商户排油烟管道内火星后引发爆炸，造成人员伤亡和财产损失。

(4)22～24 h是风险下降阶段。事故已经爆发，当地政府有关部门迅速启动应急预案并采取处置措施，使风险在短时间内迅速降低。

2.5 风险演化干预策略分析

由图4和图5可知，AcciMap-SD集成模型内部各子系统及所属因素间相互耦合作用，共同导致事故发生。对G1、G2和G33项常量施加如表3所示的干预策略，通过对比分析其数值变化对“事故进程与人员活动风险E”子系统的影响程度来辨识关键致因，同时结合风险耦合关系探讨事故的防控手段。干预策略对比情况如图7所示。

表3 干预策略正交试验方案

图7 “6·13”事故风险干预策略对比情况

由图7可知，3种干预策略都能够有效降低事故的风险演化水平。其中，策略1的效果最显著，说明改善政府安全生产理念和属地责任的实际贯彻落实情况对事故的干预效果最佳。结合图4和图5可知，政府政策和预算风险A以及监管机构与组织风险B2项子系统内部的风险因素将通过耦合作用，对其他4项子系统产生不良影响，导致其内部风险要素产生；安全生产理念和属地责任未贯彻落实A1和安全生产监管工作严重失察B1分别是所属系统的关键因素。因此，政府和有关部门未落实安全生产理念与安全监管不力等是事故的客观深层根源。

干预策略2的效果相对最低，主要是企业通过落实安全生产主体责任以降低风险水平是一个相对缓慢的过程，具有延迟效应。由图4和图5可知，在企业管理风险C子系统中，安全生产主体责任未落实C1将直接引发企业安全生产监督指导不力C2、安全管理制度缺陷C3和安全生产投入严重不足C4等因素，并间接导致技术与运营管理风险D、事故进程与人员活动风险E以及设备与环境风险F等子系统中风险要素的涌现。因此，企业未落实安全生产主体责任是事故的主观关键因素。

干预策略3的效果介于策略1和策略2之间，说明提升政府和有关部门的事故应急响应与学习能力能够对安全生产监督工作产生良性反馈，并能够对事故预防和应急处置产生显著的正向作用。未来应重点培养该方面的能力。

3 风险防控措施分析

综上所述，“6·13”事故是多因素耦合作用的结果，涉事主体包括政府和有关部门、燃气公司以及物业公司等3个方面，三大主体的安全管理漏洞和安全体系缺陷将通过对人员和设备产生负面影响而引发事故。因此，应当考虑从上述3个方面出发，根据事故致因间的逻辑关系制定多维度协同的组织发展战略和风险防控措施。

3.1 政府和有关部门

分析“6·13”事故AcciMap-SD集成模型可知，地方党委、政府和有关部门对企业具有很强的影响力和控制力。政府安全生产理念和属地责任未贯彻落实将对安全生产专项资金投入和安全生产检查工作情况等产生不良干扰，进而影响有关部门安全监督工作的实际执行，是风险防控的重中之重。应考虑从如下方面采取风险防控措施：

(1)贯彻落实安全生产理念和属地责任。统筹安全与发展间的关系。在近年城市燃气安全事故频发的背景下，各级政府必须牢固树立安全生产红线意识，通过加强组织结构建设、实施合理的经济发展与社会规划手段等构建城市燃气安全生产的制度保障。

(2)认真吸取事故经验和教训，提高应急响应和处置能力。①将风险精准防治视作城市燃气行业的重点工作，聚焦于城市燃气安全生产的各类基础性、源头性和瓶颈性问题；②提高城市燃气行业安全专项资金与投入，构建并完善城市燃气安全生产经济保障和应急预案；③强化对应急部门的建设与培训，提高应急救援人员的风险应对能力，保障应急处置的稳妥高效。

(3)加强对基层社区的安全监管和培训。“6·13”事故中，事发地基层街道在燃气安全专项检查、应急预案执行和安全宣传教育等方面存在严重的漏洞，是导致风险未被及时消除、人员未被及时疏散以及事故后果扩散的重要原因。政府必须增强基层社区工作人员的安全意识和安全能力，确保灾害发生时能够及时报警、组织疏散并开展自救互救。

(4)严格落实各有关部门的监管责任。重特大事故的发生往往都存在安全监管机制缺陷的问题。“6·13”事故中，受地方党委和政府监管失察影响，有关管理部门未能切实履行职责，导致企业违规经营并间接引发事故。政府应通过建立完善安全生产责任体系与安全生产监督机制、加强作风建设、组织治理和安全监管执纪问责等手段，构建燃气行业安全生产的顶层保障。

(5)有关部门应切实履行城市燃气安全监管职责。①加快燃气行业顶层设计，通过经济和行政手段促进燃气市场升级优化，淘汰管理落后和风险隐患较大的市场主体，推动燃气行业可持续发展；②协同燃气企业开展管道安全隐患排查与整治，大力实行管网设施建设改造，严格落实燃气管道等基础设施建设的安全审批和监管；③协同燃气企业积极推广与应用安全生产技术和工艺，提高管网的安全监测及预警能力，从技术层面降低风险。

3.2 燃气公司

燃气公司不仅是城市燃气管道建设、运营与管理的核心，而且是事故防控的主观关键。应考虑从如下方面采取风险防控措施：

(1)严格贯彻落实安全生产主体责任。在“6·13”事故中，中国燃气控股有限公司等企业未落实安全生产主体责任，导致安全生产监督指导不力、安全管理制度存在缺陷和安全生产投入严重不足，是引发下属单位(如十堰东风中燃公司)违规修建改造涉事故燃气管道和缺乏巡检维护的根源。因此燃气公司必须建立健全其安全生产责任制度、安全生产管理制度和安全操作规程，加强对下属单位的安全监督与指导，降低技术与运营管理层面的风险。

(2)提高安全生产投入。安全生产投入直接关系安全培训教育和应急预案编制与执行的实际情况。①足额设立和使用安全生产专项资金，配齐、配全、配强燃气管道运维、巡检、监控和维抢设备，加强对从业人员的安全培训；②引入大数据和物联网技术提升管网的信息化与智能化水平；③认真开展燃气管网隐患排查与风险治理，对存在重大安全隐患、穿越高后果区与违规修建改造的管道要实施专项治理，限期更新、改造或停止使用。

(3)加强燃气安全专项预案的编制与执行，加强应急演练。①加强对从业人员的资质审查和安全培训，提高从业人员的安全意识、专业知识和技能水平等；②提高从业人员对管网设备与应急处置规程的熟悉程度，提升其应急处置能力。

3.3 物业公司

在“6·13”事故中，华润置地(武汉)物业管理公司及其下属润联物业公司疏于对涉事故建筑物的安全管理检查，导致部分商户违规使用明火和留宿，既造成引发事故的直接不安全物态，又间接扩大事故后果。因此物业公司也是风险防控的关键一环，应考虑从如下方面采取措施：①与燃气公司共建联动机制，准确掌握建筑与管网信息，保障管网系统的完整性与可靠性；②协同燃气公司和基层社区共建事故应急预案，并加强对物业管理人员的安全培训；③加强对燃气用户的安全宣传教育，定期协同燃气公司和社区开展燃气安全入户检查。

4 结论

(1)以湖北十堰“6·13”事故为例，集成AcciMap事故致因模型与SD方法构建风险演化机制分析框架。首先，基于AcciMap事故致因模型结构，系统辨识事故致因，并剖析其逻辑关系和作用机制；其次，将SD思想引入AcciMap模型，将该模型的层级结构和事故致因分别转化为SD模型的状态变量与辅助变量，并添加速率变量与常量；再次，通过博弈论组合赋权获取模型内部函数关系；最后，构建“6·13”事故AcciMap-SD集成模型，定量探讨事故的风险演化机制，提出3种风险干预策略并模拟其效果。

(2)研究结果表明，政府部门安全生产理念和属地责任未贯彻落实以及安全生产监管工作严重失察等是事故的外部客观根源，燃气公司与物业公司等企业安全生产主体责任未落实和安全生产监督指导不力等是事故的主观关键要素。

(3)应从政府和有关部门、燃气公司及物业公司3个方面采取多元化的整改措施以遏制类似事故的再次发生。政府部门应从上层建筑的层面化解风险，贯彻落实安全生产主体理念与属地责任、提高应急响应和处置能力、加强对基层社区的安全监管与培训、严格落实有关部门监管责任等；燃气公司从运营主体的层面维护管网系统完整性与可靠性，贯彻落实安全生产主体责任、提高安全投入和加强应急预案编制和执行等措施；物业公司从侧面助力管网系统韧性和鲁棒性的提升，通过与燃气公司构建联动机制、应急预案和加强安全宣传教育检查等手段。