基于贝叶斯网络的化工企业爆炸事故情景推演

方丹辉,万端翼,于 款,陈 涛

(1.武汉理工大学 安全科学与应急管理学院,湖北 武汉 430070;2.武汉理工大学 中国应急管理研究中心,湖北 武汉 430070;3.华中科技大学 公共管理学院,湖北 武汉 430074)

随着现代文明和经济的高速发展,人们对生活质量和生活品质的追求越来越高,对资源的需求量也日益增大,需求的扩大则促进了现代社会工业化的发展,而化工企业作为工业化发展的重要组成部分,在国民经济和工程技术创新上都有举足轻重的意义。但是在促进经济发展的同时,从事化工生产的企业所采用的原材料大部分易燃易爆,生产过程也不是绝对安全,一旦发生火灾、爆炸等重大安全事故,轻则影响企业正常生产运营,重则造成重大的人员伤亡和财产损失,严重威胁企业和社会的安全稳定。我国化工企业爆炸事故在近十年爆炸事故中占比达75%[1],其中由非人为因素触发的爆炸事故占比极大,并且很多化工企业规模小、投资少、转产快,在爆炸事故发生后,很难有效阻止事故恶化。

目前,很多学者对化工企业爆炸事故的应对与预防开展了研究。白梅[2]对化工企业爆炸原因进行了分析,并研究了相关预防对策。杨石磊[3]表示道氏七版火灾、爆炸指数评价法是对化工生产装置进行定量安全评价的重要方法之一,通过计算得出相应数据,量化危险程度,为化工企业安全评价提供依据。杨德泽等[4]引入物联网和自动化控制技术进行智能火灾探测系统设计研究。王倩琳等[5]引入功能共振分析方法(FRAM),从整体系统的功能特征角度对化工装置事故情景开展推演研究。周愉峰等[6]构建基于情景推演与故障贝叶斯网络的动态推演模型,为动态描述关键救灾设施的中断概率提供了可行的量化方法。李磊[7]利用三维事故桌面推演平台,让应急指挥人员在全面掌握事故现场信息的情况下,充分研判事故演变过程,开展基于“情景-应对”的事故应急推演。张志霞等[8]采用知识元表示法,构建了基于动态贝叶斯网络的灾害事故动态情景模型。上述研究大都集中于事故的前期预防和风险预测方面,致力于让突发灾害事故的应急处置发展得更为现代化和智能化,进一步细化贝叶斯网络的节点分布和结构,以及让情景推演更贴近于事故发生的真实情况。这些都是面向有可能发生爆炸事故的所有主体而做的研究,在制定了完整的应急预案和周密的应对策略之后,爆炸事故仍然时有发生。

综上,为更好解决实际应急处置中存在的问题,笔者首次提出基于爆炸事故触发因素的差异划分研究对象,运用动态贝叶斯网络情景推演技术,有针对性地对非人为因素触发的化工企业爆炸事故动态演化过程及企业应急处置行为进行探究;构建了基于动态贝叶斯网络的情景推演模型,以2020年8月3日湖北省仙桃市化工企业爆炸事故为例,通过分析事故情景演变路径、构建情景网络、计算事故关键节点和情景概率等参数,研究我国非人为因素触发的化工企业爆炸事故应急处置过程中存在的问题,以期为提高化工企业应急处置水平提供参考。

1 研究方法

1.1 情景要素分析

“情景”一词由赫尔曼·卡恩于1967年提出,引发了学者对非常规灾害事故情景的广泛探讨[9]。模型的抽象特征不仅导致了模型建立过程的复杂性,还导致了模型应用过程的复杂性,特别是由多元素构成的系统模型的应用,更需要多学科知识、模型的综合集成方法与技术的支持[10]。知识元是组成知识整体结构的最小单元,能从相对微观的角度描述一些突发事故的情景构成和推演路径。知识元的适用范围广,能够全面、细致地表现事故发展的各个阶段,并保证情景推演的连贯性和整体性。

因此,笔者将化工企业爆炸情景用外部环境(E)、事件情景(S)、应急处置(A)3类要素表示,突发事件的发生发展过程是这3类要素相互影响和作用的结果[11]。其中,广义的外部环境是由大气圈、水圈、岩石圈(包括土壤和植被)、生物圈和人类社会圈构成的综合地球表层环境。但外部环境不是这些要素的简单叠加,而是地球表层中一系列具有耗散特性的物质循环与能量流动、信息与价值流动的过程。实践中,外部环境一般分为自然环境和社会环境,笔者结合企业的实际情况,考虑企业外部环境中的物的环境和人的环境两方面因素对事故情景进行分析。而此处事件情景构建中的“情景”不是某典型案例的片段或整体的再现,而是无数同类事件和预期风险的系统整合,是基于真实背景对某一类突发事件的普遍规律进行全过程、全方位、全景式的系统描述。应急处置则是指应急决策主体在面对突发事故时所做出的一系列处置行动。从应急响应、救援水平、应急处置水平和应急物资4个类别对化工企业爆炸事故情景中所涉及的应急处置影响因素进行分析,应急处置类别及要素如表1所示。

1.2 情景演化路径分析

化工企业爆炸事故演化路径分析是爆炸事故情景推演的基础,能直观展示情景演化态势的各种情况,情景演化路径图如图1所示。当事故发生时,演化路径得到控制,表明事故整体得到基本控制,免于继续恶化;若演化路径呈现继续恶化趋势,则表明事故发展走向消极,当前应急救援力度不强、无明显效果;若演化路径走向失控,则表明此时系统的应急救援体制彻底失灵。

图1 情景演化路径图

基于时间序列的动态情景演变图如图2所示,Si表示第i个情景状态,Ei表示第i个外部环境,Ai表示第i个应急处置措施。结合情景演化路径图和动态情景演变图,可以得到动态情景模型,如图3所示。

图2 动态情景演变图

图3 动态情景模型

2 动态贝叶斯网络构建

2.1 动态贝叶斯网络

贝叶斯网络又称信度网络,是不确定性知识表达与推理的一种方法,也是概率论和图论相结合的产物,可用于复杂多因果关系的分析,是人工智能领域的研究热点和重要成果之一[12]。一个贝叶斯网络是一个由节点及有向边构成的有向无环图(directed acyclic graph,DAG),结点代表随机变量,结点间的有向边代表结点间的相互关系(由父结点指向其子结点),用条件概率表达关系的强度,没有父结点的则用先验概率进行信息表达。

贝叶斯网络是对不确定知识进行表达和推理最有效的模型之一[13],使用概率积分表示不确定性,而概率积分以联合事件的概率计算为基础,最基础的贝叶斯公式为:

(1)

式中:P(A)为事件A发生的概率;P(B)为事件B发生的概率;P(A|B)为事件B发生的条件下事件A发生的条件概率。

动态贝叶斯网络的联合概率公式为:

P(S1,S2,…,Sn)=P(Sn|S1,S2,…,Sn-1)

(2)

(3)

式中:P(Si)为事件Si发生的概率,i=1,2,…,n。

2.2 情景节点变量与条件概率确定

(1)结合情景分析理论,查询各地应急管理厅发布的事故记载资料了解事故发生发展的全过程,确定情景推演所设定的每一关键环节事件情景。

(2)没有任何父节点的条件概率称其为先验概率。查询我国应急管理部官方网站,收集可查询到的过去12年间(2009—2021年)我国发生的化工企业爆炸事故信息,从中提取出较为典型的非人为因素触发的化工企业爆炸事故信息,统计事故发生的数据,由全概率公式(4)计算得到先验概率[14]。

P(A)=P(A|B1)P(B1)+P(A|B2)P(B2)+…

+P(A|Bn)P(Bn)

(4)

式中:B1,B2,…,Bn为两两互不相容的事件,这些事件共同构成一个完备事件组,其和为全集,且P(Bi)>0。

(3)对于有父节点的变量,则根据专家打分法得到条件概率,再使用动态贝叶斯网络的联合概率公式(式(3))计算节点变量在各个路径下的概率。

(4)确定网络节点变量取值[15],以(T,F)作为事件S、外部环境E、应急处置A的取值集合。

3 实例分析

3.1 实例概述

2020年8月3日17时39分29秒,仙桃市西流河镇蓝化有机硅有限公司发生一起化工产品车间高温爆炸事故,造成6人死亡,4人受伤,直接经济损失1 344.18万元。事故车间的生产产品为甲基三丁酮肟基硅烷和乙烯基三丁酮肟基硅烷,工艺流程如图4所示。经现场勘查,事故造成 1#静置槽周围(主要是室外罐区)设备损坏,室内北侧西边的设备全部损坏,二楼产品中和釜损坏,室内一楼配电房和二楼仪表控制室全部损坏。

图4 工艺流程示意图

3.2 演化路径分析

根据该事故的发展过程,结合情景分析理论与方法,设定了9个事件情景状态、7个外部环境状态和7个应急处置活动作为贝叶斯网络的节点变量,具体内容如表2所示,并构建事故发展过程动态情景模型图,如图5所示。

图5 爆炸事故动态情景模型图

表2 事故情景要素

路径1:一级分层器物料进入产品中和釜时,夹带了超量的丁酮肟盐酸盐,中和釜温度升高,物料变色,出现异常工况,产品一级中和斧温度达到50.33℃,即出现事故初始情景S1。员工立即对此项情况采取措施,停止通氨,将斧内物料打入静置槽(A1)。若措施有效,则温度得到有效控制,异常不会蔓延到下级中和斧(E1),情景消失(S2)。

路径2:情景S1中员工的处置效果不理想,温度持续升高达到55℃(S3),此时管线之间粘度大,发生堵塞(E3),工作人员对中和斧进行全面检查并冷却处理(A3)。若措施有效,则中和斧温度持续下降(S4),且下级中和斧未受影响(E4),工作人员采取循环水降温措施(A4),温度逐渐降低至安全范围,情景消失(S5)。

路径3:情景S3中处置效果继续不理想,温度上升到65℃(S6),此时高温的传递速度加快,但是向夹套内通循环水的降温效果有限(E6),工作人员加大降温力度,并将这一紧急状况向生产部长报告请求加派人手(A6)。如果此时工作人员的应急处置有效,则温度呈现下降趋势(S7),底层静置槽免遭影响(E7),只需持续采取降温措施(A7)即可,直至温度降低至安全范围,情景消失(S8)。

路径4:情景S6中处置效果不理想,车间主任和生产部长均及时赶到相关车间进行应急救援指挥,但是温度并未得到有效控制,中和斧温度持续升高并蔓延至底层静置槽,静置槽发生爆炸(S9)。

3.3 事故情景节点概率计算

笔者收集了我国发生的化工企业爆炸事故中较有代表性的14起非人为因素触发的化工企业爆炸事故调查报告,基本信息如表3所示。

表3 化工企业爆炸事故统计表

对以上14家化工企业爆炸事故发生的各关键情景节点进行分析,运用式(4)计算得到先验概率;对于有父节点的变量则运用专家打分法得出条件概率,具体结果如表4所示。

表4 节点变量概率表

基于先验概率和条件概率,运用式(3)计算得到节点变量在各个状态下的概率,并借助Netica软件得到各个节点变量情景推演概率分布图,如图6所示。

3.4 结果分析

(1)由各情景状态可知,本次爆炸事故不是人为因素触发,而是在8月炎热的天气环境下化工产品出现异常升温而导致的一起意外事故。事故发展的态势没有得到有效遏制最终导致了爆炸的发生,相应的应对和处置细节暴露出我国化工企业普遍存在的应急处置效率低、人员专业素质低等问题。

(2)由图6可知,中和斧温度异常(S1)、中和斧温度持续升高(S3)、应急处置后中和斧温度再度升高(S6)和静置槽爆炸(S9)4个关键情景发生的概率分别为82.0%、75.2%、74.6%和68.9%。可见化工企业爆炸事故一旦发生,后续应急处置将很难控制事态。因此,化工企业要注重日常的安全管理工作,加强生产车间员工对化学产品性质和规范处理的了解,落实对企业易燃易爆物的系统化、专业化管理,加强对各级员工的安全素质培训,并设置独立的应急救援部门,做到在企业安全事故发生时能第一时间赶到事故现场提供专业救援。

图6 仙桃市化工企业爆炸事故贝叶斯网络情景推演概率分布图

(3)在中和斧温度持续升高(S3)和应急处置后中和斧温度再度升高(S6)这两个事故节点,存在一定的概率让事态走向积极的方向,避免爆炸事故的发生,这在很大程度上依赖于企业的救灾环境和应急措施。因此,企业需要考虑做到更高效、更快速、更科学地进行应急救援,并在发生非人因触发的爆炸事故时,能够做到扭转事态,避免发生爆炸给企业带来严重的经济损失和人员伤亡。

4 结论

(1)利用贝叶斯网络进行非人为因素触发的化工企业爆炸事故情景推演,可以直观地看到化工企业爆炸事故发生的各个阶段和各个关键节点,并计算各个节点发生的概率,为企业制定非人因触发安全事故应急方案提供依据。

(2)案例分析暴露出化工企业中所存在的几个严重的问题:①企业的设计布局不符合安全生产规范,为了降低生产成本自行安装调试设备,为后期危险事故的发生留下了隐患;②我国很大一部分化工企业整体规模有限,直接导致其安全管理水平低下,员工虽在岗,却缺乏系统性的救灾经验和对化工产品性质的充分了解,事故发生时救灾效率低;③部分企业招聘人才时预算有限,直接导致负责生产车间的员工文化水平和职业水平有限,不熟悉化工生产的各个过程,在处理化工产品爆炸事故时心有余而力不足。因此,我国化工企业需做出进一步的改进和优化:①规范化工企业的设备及化工产品的日常管理,避免频繁出现公司为节约成本自行安装调试设备的情况;②化工企业应当提高人力资源预算,在安全生产环节选用专业人才,对整个生产过程进行监督和引导,提升车间安全生产管理控制水平;③定期对员工进行安全生产教育和化工专业知识培训,做好生产车间应急预案,定期组织事故模拟演习。

(3)未来将重点从以下3个方面开展进一步研究:①在确定事故节点条件概率时,提高专家打分的客观性和准确性;②对更多同类型企业发生的爆炸事故进行分析,进一步提取出有利于提升化工企业应急处置水平的信息,找到各案例的特殊性,并在此基础上完善情景推演模型;③进一步深入和细化贝叶斯网络的节点分布和结构,使得情景推演更加贴近于事故发生的真实情况,为企业的应急处置和安全管理工作提供更为科学的依据。