SIF事故致因模型与DEMATEL方法在城市燃气安全管理中的应用

胡 涛,林卫东,李益平,余龙星,阳富强*

(1.福州大学环境与安全工程学院,福建 福州 350108;2.福建省建筑设计研究院有限公司,福建 福州 350001)

我国燃气工业迅速发展,燃气管网系统不断拓展完善,使得燃气已在我国能源消费结构中占据举足轻重的地位[1]。然而,燃气因其具有易燃、易爆、易扩散等危险特性,极易引发燃气泄漏和爆炸事故。据不完全统计[2-3],2017—2021年间全国城市燃气爆炸事故共发生3 435起,其中室内燃气爆炸事故2 215起,占事故总数的64.48%,造成407人死亡、3 800余人受伤。因此,加强城市燃气运营与使用过程中安全管理的研究显得尤为重要。

分析城市燃气泄漏和爆炸事故的致因因素,有助于人们揭示事故原因与发展规律,预防和减少城市燃气爆炸事故。目前,相关学者针对城市燃气爆炸事故成因的研究主要集中在两个方面。其一是围绕城市燃气爆炸重大事故案例开展深入研究,从中吸取教训,如湖北十堰“6·13”重大燃气爆炸事故[4]、大连“9·10”燃气爆燃事故、俄罗斯“12·31”居民楼燃气爆炸事故[5]。其二是从人、物、管、环等多个维度,开展化整为零的城市燃气爆炸事故评估研究,如:冀华[6]通过六维度事故原因调查分析法探讨某城市燃气事故的直接原因与间接原因,论述了事故具有多因一果的特征;赵煜晖等[7]借助现场勘查、分析燃气爆炸事故特征等手段,并结合安全管理5要素深入剖析了城市燃气泄漏和爆炸事故原因,明确了城市燃气爆炸事故风险因素的主次关系;Bianchini等[8]基于美国2004—2015年天然气管道事故,针对不同事故原因提出了风险指数概念,并探索了天然气管网风险因素序列。然而,城市燃气的运营与使用是错综复杂的系统,涉及个人、企业与政府等多方责任主体,若要确保任意一方利益不受影响,显著性降低燃气爆炸事故发生频率,则还需在研究事故成因中考量安全信息层面,深入研究安全信息视角下城市燃气爆炸事故影响因素之间的相关性,找出引起事故的关键性因素。

传统事故致因模型仅从某一维度剖析致因因素,未考虑责任主体之间的联系,导致认知安全信息产生偏差[9-10]。现如今,信息流在各项研究中愈发凸显出其重要性,许多管理学领域的学者将信息故障纳入现代安全管理考虑范围[10-11]。吴超[12]为了解决狭义事故致因理论的局限性,以应对复杂系统的故障模式,开创性地提出了安全信息认知通用模型;王秉等[13]在其研究的基础上进行了完善与拓展,探讨了安全信息在不同组织之间的应用,并以系统安全行为链为主体,分析了安全行为失误模式,提出了FDA事故致因模型。

然而安全信息不仅局限于影响个人或组织的行为模式,个人与个人、个人与组织和组织与组织之间的安全信息交流故障也会使系统整体安全失效,且同级责任主体之间也存在互相监管、互惠互利的信息交流。基于此,本文采用SIF事故致因模型,从微观、中观和宏观视角系统分析引起城市燃气爆炸事故的影响因素,并结合DEMATEL方法定量分析城市燃气爆炸事故影响因素之间的相关关系,识别关键性影响因素,以期为安全管理者开展事前预防与事后处置提供理论依据,从而提高城市燃气安全管理的科学性和针对性。

1 SIF事故致因模型内涵及意义

1.1 理论依据

事故致因模型核心要义在于挖掘事故致因的主要指标,剖析多种风险因素的耦合效应[14]。安全信息是系统安全性的特定表示,安全信息角度的事故致因模型为多因素驱动的事故致因模型[15]。SIF(safety information flow)事故致因模型是从安全信息角度出发,分析各个安全信息属性及其表达形式,剖析安全信息流的流动与转换,探讨事故发生的原因和机理[16]。

层次结构可以有效梳理复杂系统,解释不同层级之间的信息交互作用[17]。SIF事故致因模型涵盖了微观、中观和宏观层面中6个责任主体的安全信息子链,该模型能够处理不同层级系统的安全信息流。

1.2 适用于城市燃气安全的SIF事故致因模型

不同行业的SIF事故致因模型具有不同的责任主体,城市燃气安全管理主要由党和政府统筹、住建局等燃气主管部门监管、第三方安全技术服务机构评估与规划、运营企业负责与落实、燃气技术人员和用户等个体执行与协助[4,18-19]。城市燃气安全信息是指有利于维护城市燃气管网安全的信息集合,反映或指导燃气安全事务,能影响各层级责任主体的不同行为阶段,如燃气传输状态信息、燃气使用规程等。

为了系统认识各责任主体城市燃气安全信息流失效模式,解析城市燃气爆炸事故致因,运用多学科理论,构建了城市燃气SIF事故致因模型,如图1所示。

图1 城市燃气爆炸SIF事故致因模型Fig.1 SIF accident causation model of city gas explosion

2 DEMATEL方法内涵及运算步骤

2.1 理论依据

决策实验室分析法(decision making trial and evaluation laboratory,DEMATEL)可以定量分析各因素之间的相互关系和影响程度[20]。其与SIF事故致因模型结合,梳理复杂系统的层级结构,利用矩阵计算安全信息损耗影响因素的中心度和原因度,进而可以定量评价与分析城市燃气管道安全信息流,探寻引发城市燃气爆炸事故的关键性影响因素。

2.2 DEMATEL方法运算步骤[21]

本文运用DEMATEL方法定量分析城市燃气爆炸事故影响因素之间的相关关系,辨识关键性影响因素,具体步骤如下:

1) 明确安全信息损耗的影响因素,构建影响因素集。根据SIF事故致因模型,从系统的安全信息双循环模式中提取影响安全信息流动与转换的因素,构成影响因素集X={x1,x2,…,xn}。

3) 构建规范直接影响矩阵B。通过归一化初始直接影响关系矩阵G,得到规范直接影响矩阵B。本文通过求出各行因素之和,再以各因素除行最大值,得到规范直接影响矩阵B,其计算公式为

(1)

4) 构建综合影响矩阵T。通过直接影响和间接影响的累加,得到综合影响矩阵T:

(2)

其中:E为单位矩阵,由于bij属于[0,1],因此n→∞时,Bn-1→0,故:

T=B(1-B)-n

(3)

5) 计算各影响因素的影响度、被影响度、中心度和原因度。定义向量C和向量D为综合影响矩阵T的每行和每列之和,有:

(4)

(5)

Mi=Ci+Dj(i=j=1,2,…,n)

(6)

Ni=Ci-Dj(j=1,2,…,n)

(7)

式中:Ci为影响度,表示因素xi对其他因素的影响之和;Dj为被影响度,表示其他因素对因素xj的影响之和;Mi为中心度,表示因素xi在系统中所受影响的总和;Ni为原因度,表示因素xi在系统中的净影响。

若某因素Ni大于0,则为原因因素,表明该因素易影响其他因素;若某因素Ni小于0,则为结果因素,表明该因素易受到其他因素的影响。

6) 绘制影响因素的因果关系图。由以上计算可获得城市燃气安全信息流损耗因素的中心度和原因度,以中心度Mi为横坐标、原因度Ni为纵坐标,绘制事故致因各影响因素的因果关系图,以简化因果关系。

3 案例应用分析

本文选取湖北十堰“6·13”燃气爆炸事故作为分析案例,利用SIF事故致因模型与DEMATEL方法对城市燃气爆炸事故影响因素进行分析,辨识关键性影响因素,并提出具体的安全管理措施。

3.1 湖北十堰“6·13”燃气爆炸事故概况

2021年6月13日,湖北省十堰市某集贸市场发生重大城市燃气管道爆炸事故,导致26人死亡,138人受伤[19]。该起事故涉事的责任主体与SIF事故致因模型结构一致,同时事故由国务院安委会挂牌督办,并牵头成立事故专项调查组,湖北省应急管理厅出具事故调查报告,该事故报告的权威性支撑SIF事故致因模型与DEMATEL方法的应用。因此,本文以该起燃气爆炸事故为切入点,对城市燃气爆炸事故影响因素进行深层次分析。

3.2 微观层面事故致因子模型

调查报告显示该起燃气爆炸事故的直接原因是排油烟管道的火星与中压钢管泄露的天然气相接触,最终诱发了爆炸事故。燃气爆炸事故发生伴随着安全信息流循环的全过程,安全信息传递不充分、忽视安全信息、安全信息感知偏差、安全信息反映不正确或不及时等安全信息损耗是导致城市燃气爆炸事故发生的主要原因。

系统内物与环境固有风险因素指长期使天然气管道处于潮湿环境的影响因素,如管道紧邻的排水口或河道等。这类因素导致事故管道外表面发生电子跃迁,从而受到电化学腐蚀,最终使得管道壁厚逐渐减薄并造成部分穿孔。忽视安全信息,诸如管道安装工对天然气管道预期状态的风险没有认知及预测,燃气浓度超限时未能及时采取响应措施,导致安全行为失效。从安全信息学的角度来看,燃气浓度是安全信息源,主要通过设备检测获得,其安全信息损耗主要涉及燃气浓度检测的频率和检测设备的精度两个方面。责任主体安全意识欠缺使其做出安全欺骗行为,安全欺骗行为包括天然气管道安装规范明确注意事项情况下,管道安装工未按防腐蚀规范对管道弯头外进行防腐施工。从组织风险通知角度来看,十堰东风中燃公司有义务和责任向一线员工,如管道安装工、巡线员等,提供所有必要的安全信息,然而事故调查报告显示该公司安全教育和培训流于形式,员工未形成有效的系统安全观,在安装、巡检整个流程中无法察觉燃气管道系统固有的风险。具体分析见表1。

表1 基于SIF事故致因模型的湖北十堰“6·13”燃气爆炸事故影响因素分析

3.3 中观层面事故致因子模型

在此起重大燃气爆炸事故中,作为燃气运营企业的十堰东风中燃公司应承担主要责任,此次事故突显出该运营企业工作职责履行不到位、安全文化薄弱和员工安全意识欠缺等问题,导致必要的安全信息匮乏以及安全欺骗,从而致使管理层安全行为失效,间接引发事故;在第三方安全技术服务机构方面,承办该事故管道改造的设计单位未获取相关设计资质,未聘请第三方安全评估机构测评改造方案风险及燃气管道安全隐患。

事故演变路径和逻辑关系的本质现象是安全信息的传递[22],中观层面各个责任主体在整个系统事故安全信息大循环模式中起到承上启下的作用,安全信息损失量随安全信息流动而逐渐积累,事故发生的累积概率和风险增加的概率随安全信息流动而增大,层级系统的复杂性影响着安全信息量损耗程度,该层次责任主体的失误会引发意料之外的连锁反应。具体分析见表1。

3.4 宏观层面事故致因子模型

管道的不安全状态作为此次事故的直接风险因素,揭露住建局、城管局等相关燃气主管部门安全监管存在重大疏忽。2017年十堰东风中燃公司也曾发生过一起一般燃气爆炸事故,然而相关主管部门未深刻汲取教训,仍停留在“喊口号、行动少、落实差”的形式主义层面,没有做好辖区内燃气行业安全现状评估、安全问题整改以及燃气管道等特种设备质量监督管理等工作,导致安全信息子链失效,间接引发事故。十堰市、张湾区党委和政府统筹发展和监督落实安全生产工作不到位,此外,对安全生产工作安排部署的多、督促落实的少。

根据相关文件资料与访谈[19,23],政府出台的燃气安全管理实施文件与十堰市燃气安全管理实际情况存在差异,燃气相关技术措施不配套、安全信息不对等、简单照本宣科等现象普遍存在,安全信息循环过程中存在诸多问题,而安全信息质量是保证安全信息流双循环模式平稳运转的基本条件,如果安全信息被曲解或原始信息不正确,可能就会从根本上增加事故发生的概率或扩大事故的影响。具体分析见表1。

3.5 基于DEMATEL方法的城市燃气爆炸事故影响因素定量分析

前面运用SIF事故致因理论对城市燃气爆炸事故案例进行了分析,并最终确定了16项引发燃气安全信息流失效的影响因素。但是,在众多影响因素中,仍然很难判断每个影响因素的重要性以及它们之间的因果关系。而从定量的角度,基于DEMATEL方法分析城市燃气爆炸事故案例,深入探讨导致燃气爆炸事故中安全信息损耗的各种风险因素之间的逻辑关系、因果关系和属性特征,有利于针对性地预防城市燃气爆炸事故。

基于2.2节的运算步骤,本文以专家访谈法为主,利用文献综述进行佐证,邀请10位城市燃气安全与应急管理领域的专家学者对该起燃气爆炸事故中各因素之间的相互影响程度按照上述评分标准进行打分。为了减少评价的主观干预,本工作对专家意见进行均值和取整处理,从而构建了初始直接影响矩阵G:

表2 综合影响矩阵T

由式(4)至(7),可计算得到各影响因素的影响度、被影响度、中心度和原因度,如表3所示。中心度表示因素在系统中的重要性,而原因度表示因素对其他因素的影响程度[24]。如果因素中心度越大,则表示该因素在燃气爆炸事故中具有更大的影响作用;若因素原因度越大,则表征该因素与其他因素之间的相关性更强[20]。以中心度Mi为横坐标、原因度Ni为纵坐标,绘制因果关系图,如图2所示。

表3 基于DEMATEL方法的某起燃气爆炸事故案例影响因素定量分析结果

图2 某起燃气爆炸事故案例的影响因素因果关系图Fig.2 Causal relationship diagram of influencing factors of a gas explosion accident

根据表3和图2可知:安全信息传播及时性x4、责任主体安全意识水平x9、安全信息目标明确性x2、责任主体燃气安全知识与技能x11、燃气浓度超限x13、安全信息流渠道多样性x8、安全信息规范性x3、层级系统复杂性x7、责任主体应急处理能力x10、各层级监督落实力度x16、点火源x14、安全信息来源可靠性x1、安全信息阻滞严重性x5、安全信息表达形式多样性x6、规章制度完善性x15、责任主体生理与心理素质x12的影响强度逐次递减;该起城市燃气爆炸事故中所有影响因素划分为9个原因因素和7个结果因素,其中9个原因因素中x9对其他因素的影响最大,则说明责任主体安全意识水平是安全信息传递和燃气爆炸事故的关键性影响因素,而7个结果因素中x13、x2、x14和x4受其他因素的影响比较大。可见,安全信息是系统状态的一种表现形式,掌握安全信息就可以很大程度上了解系统当前状态的安全性和危险性。

在图2中,第一象限的影响因素具有较高的原因度和中心度,因此为关键性影响因素[25]。因此,由中心度和原因度可以确定导致该起燃气爆炸事故的关键性影响因素为责任主体安全意识水平x9、责任主体燃气安全知识与技能x11、安全信息流渠道多样性x8、层级系统复杂性x7、各层级监督落实力度x16,这些因素对此起燃气爆炸事故的发生有重大的影响,在16项影响因素中占据核心地位。

4 城市燃气爆炸事故安全管理措施

经SIF事故致因模型解构湖北十堰“6·13”重大燃气爆炸事故案例的系列原因,最终可归纳总结出城市燃气爆炸事故的16项影响因素。

基于1条安全信息主链和6条安全信息子链,该领域的预防措施可分为两个方面。一是推动安全信息主链传递流畅,以确保城市燃气安全信息大循环良性反馈,各责任主体严格遵循相关法规,对标国际化标准体系,力促合规化安全管理过渡体系化安全管理,防范安全行为缺失;二是力促各责任主体安全信息子链完成阶段性任务,实现在微观层面确保各责任主体安全信息每个环节行为准确无误,在中观和宏观层面防范城市燃气风险隐患积累与突发情况。为此,提出城市燃气爆炸事故安全管理的具体措施如下:

1) 各个责任主体既是安全信息的接受者,又是安全信息的传递者,而责任主体安全意识水平、责任主体燃气安全知识与技能对安全信息流有重大的影响,直接影响安全信息识别、分析与利用安全信息的准确性和有效性。根据图1所描述的安全行为失误过程可知,防止必要安全信息缺失或安全欺骗形成是阻止燃气爆炸事故最有效的方法之一。因此,燃气企业需要通过日常的安全培训和考核,提高员工的安全意识水平、安全信息认知、分析与利用安全信息能力。此外,安全信息双循环模式中的阻滞、传播渠道、安全信息表达形式等都对安全信息损耗有一定的影响,因此要从安全信息类型、安全信息接收责任主体需求、理解等角度考虑安全信息流的途径和表现形式。以上这些措施将有助于避免安全信息流同质化,进一步提高安全信息传递的有效性。

2) 由于城市燃气管理系统的复杂性,燃气运营与使用过程中存在着多种类型和结构的安全信息,安全信息源的质量不稳定、安全信息接收责任主体的综合素质不佳等不足会导致安全信息循环流转过程中出现问题,而不同程度的安全信息损耗则会导致燃气泄漏或火源的出现,从而导致燃气爆炸事故的发生。因此,鉴于系统的复杂性,有必要对安全信息类型、特征、属性、目标状态进行全面分析,确保系统安全信息双循环模式运转流畅。维持城市燃气系统安全应以安全信息为切入点,剖析系统内的风险因素,并进行安全信息的传递与分析处理,最后制定相应的预防策略。同时,考虑安全信息认知与决策的欠缺,还要采取措施以降低或消除人的不安全行为所造成的负面影响,其防治机理是安全信息小循环反馈。通过各责任主体之间的协调与控制,可以高效地防止各层级安全行为失效,其防治机理是安全信息大循环反馈[26]。安全信息双循环的关键是安全信息的传输效率和利用率。

5 结论与建议

1) SIF事故致因模型以系统中各层级以及相邻两个层级之间安全信息流为基础,用于梳理安全信息流动的响应脉络。本研究以某城市燃气爆炸事故为实例,构建了城市燃气爆炸SIF事故致因模型。提取了影响燃气安全信息流失的因素,包括3个层级、6个责任主体和16项影响因素。

2) 案例研究表明,事故致因链的形成是事故的主要原因,各责任主体需要准确认知或预测风险,并采取合理的措施防控风险因素。同时,在必要的安全信息充分且准确的前提下,增强各责任主体间的安全信息交流,保证安全信息双循环体系高效互促。

3) 通过结合SIF事故致因模型和DEMATEL方法对影响因素进行定量分析,分别计算了16项影响因素的原因度和中心度,确定了导致该起燃气爆炸事故的5项关键性影响因素,其分别为责任主体安全意识水平x9、责任主体燃气安全知识与技能x11、安全信息流渠道多样性x8、层级系统复杂性x7、各层级监督落实力度x16。