基于DEMATEL-ISM方法的水电站机组检修作业安全事故致因链分析

晋良海,张荣昊,明华军,李钰涵,李晨曦,邹颂香

(1.三峡大学水利与环境学院,湖北 宜昌 443002; 2.水电工程施工与管理湖北省重点实验室,湖北 宜昌 443002;3.三峡大学安全生产标准化评审中心,湖北 宜昌 443002; 4.湖北安环科技有限公司,湖北 宜昌 443002)

我国水电装机容量及增量居世界首位[1],机组检修工作量巨大。水电站机组检修是高危作业,通常具有作业种类繁多、空间有限、工期紧张、危险因素多等特点[2],甚至会引起安全事故。例如,2022年1月12日四川关州坝透水事故是由于3号机组检修时厂房引水管堵头阀门爆裂造成,事故导致水淹厂房,9人死亡,直接经济损失约4435.5万元。因此,水电站机组检修作业安全问题受到高度关注。

目前,对水电站机组检修问题的研究大多集中在发电机设备检修维护[3-4]、水电站检修模式和方法[5-6]等方面,对水电站机组检修安全研究较少。邹林峰等[7]分析了三峡水电站右岸机组检修工作特点,研究了检修过程中排水系统设备、调速系统、技术供水系统等的潜在风险,并提出了相应防范对策。何文[8]为评价水电站检修机组吊装安全风险,建立了水电站检修机组吊装安全风险评价指标体系和模糊综合评价模型,并对水布垭水电站3号机组检修转子吊装的安全风险进行了验证分析。以上研究对水电站机组检修安全管理具有一定的理论支撑作用,但未能系统地考虑水电站机组检修作业安全影响因素及事故致因机理。

在安全事故致因研究方面,研究人员利用文本挖掘[9-10]、贝叶斯网络[11]和DEMATEL-ISM[12]等方法,从重要程度角度对安全事故致因进行研究。例如：孙开畅等[11]建立事故树和贝叶斯网络模型,对水利工程施工高危作业事故中的人为因素进行了定量分析,得到各因素的相对重要度,确定了引发水利工程施工中高危作业事故的最主要因素;陈赟等[12]从安全事故致因重要程度方面入手,使用DEMATEL-ISM方法建立了交通隧道施工事故致因多级递阶结构模型,确定了关键致因因素,从定性角度构建了关键致因影响链,并对其进行了分析。以上研究对安全事故致因进行了定量分析,但未从路径权重角度定量分析事故致因链的重要性。

本文以水电站机组检修作业为研究对象,确定水电站机组检修作业安全影响因素,耦合决策试验与评价实验室法(decision making trial and evaluation laboratory,DEMATEL)和解释结构模型法(interpretative structural modeling method,ISM)两种方法,建立水电站机组检修作业安全事故致因多层次递阶模型,确定关键致因因素,归一化处理事故致因因素的权重,推求事故致因链的路径权重,定量分析事故的关键致因链,以期揭示水电站机组检修作业安全事故致因机理。

1 检修作业安全影响因素

水电站机组检修是指对水电站发电机组进行检查、修理,以保障发电机组安全运行。根据机组检修和停用时间不同,可将检修等级划分为A级、B级、C级、D级4类。水电站机组检修具有以下特点：①检修工作专业性强,对检修人员要求高;②组件构件种类繁杂、数量多,检修规范、规程、工器具不同;③作业空间有限,环境条件差;④不同工种之间交叉作业冲突激烈,安全管理难度大。

以“水电站”“检修”为检索词在中国知网进行检索,以核心期刊及以上、硕博论文为限制条件,出版时间截至2022年,得到354篇文献。采用“hydropower station”“maintenance”为检索词,在Web of Science (WOS)核心数据库进行检索,出版时间截至2022年,得到43篇文献。汇总、整理搜集到的397篇文献,从文献的研究框架、研究内容等方面,围绕“安全”“事故”“致因”“safe”“accident”“cause”等关键词,进一步筛选文献,汇总筛选文献并进行梳理与归纳,识别水电站检修作业安全事故致因,结果见表1。

表1 水电站机组检修作业安全事故致因识别结果

根据表1,结合水电站检修作业危害辨识与风险评估数据[15],参考水电站机组检修领域相关专家意见,确定水电站检修作业安全事故致因因素。针对水电站机组检修作业特点,依据GB/T 13861—2022《生产过程和有害因素分类与代码》,将水电站机组检修作业安全事故致因因素分为人的因素、物的因素、环境因素、管理因素4个一级指标和20个二级指标,见表2。

表2 水电站机组检修作业安全事故致因因素

2 事故致因关联关系的多层次递阶ISM模型构建

DEMATEL是结合因果关系图和矩阵运算,用于解决复杂系统中多因素相互影响程度的一种方法[16]。ISM是一种构建多层次递阶结构模型的方法,用于分析具有多种影响因素的复杂系统[17]。耦合DEMATEL和ISM方法得到DEMATEL-ISM方法,对水电站机组检修安全作业事故致因进行分析,一方面可以识别关键事故致因因素及其影响程度,另一方面可以明确事故致因因素之间的逻辑关系与层次结构。

事故的发生大多是多种因素共同作用的结果,这些因素彼此联系而非独立存在[18]。为探究水电站机组检修过程中事故致因因素的相互影响关系,本文基于DEMATEL-ISM方法进行关联效应分析,构建多层次递阶ISM模型对相互关联的事故致因因素之间的联系进行深层次剖析,明确水电站机组检修作业安全事故致因的层次结构。建模步骤如下：

步骤1建立直接影响关系矩阵A。为确定各种事故致因因素的相互作用关系[19],建立直接影响关系矩阵A：

A=(aij)n×n

(1)

式中：aij表示检修作业安全事故致因因素间相互影响的量化关系,aij=3表示强影响关系,aij=2表示中度影响关系,aij=1表示弱影响关系,aij=0表示无影响关系;y为所有问卷中认为因素Zi对Zj有直接影响关系的百分比。

步骤2计算规范化影响矩阵C。对直接影响关系矩阵A进行规范化处理,可得规范化影响矩阵C：

(2)

步骤3计算综合影响矩阵T。在步骤2规范化矩阵基础上,求解综合影响矩阵T：

T=C(E-C)-1

(3)

式中E为单位矩阵。

步骤4指标计算。将T中各行元素相加得到影响度Fi,将T中各列元素相加得到被影响度Gi,影响度与被影响度之和为中心度Pi,两者之差为原因度Qi,对各因素的中心度进行归一化处理,得到各因素的DEMATEL权重值。

步骤5计算整体影响矩阵H。在综合影响矩阵T的基础上,计算整体影响矩阵H：

H=E+T

(4)

步骤6建立可达矩阵M。确定阈值λ,建立标准化的可达矩阵M：

M=(mij)n×n

(5)

式中mij表示因素Zi对因素Zj的影响,mij=1表示有直接影响,mij=0表示无直接影响。

步骤7构造各因素的可达集合R(Zi)和前项集合S(Zi)。在可达矩阵M的基础上,建立各致因因素的可达集合R(Zi)和前项集合S(Zi)：

R(Zi)={Zi|Zi∈Z,mij≠0} (i,j=1,2,…,n)

(6)

S(Zi)={Zi|Zi∈Z,mji≠0} (i,j=1,2,…,n)

(7)

步骤8因素验证。各因素进行验证,若验证成立,则在可达矩阵M中划去相应的行i和列j：

R(Zi)=R(Zi)∩S(Zi) (i=1,2,…,n)

(8)

重复步骤7、8,确定各因素的层级,直到可达矩阵M中所有因素被划除,建立多层次递阶ISM模型。

3 案例分析

3.1 工程概况

某水电站位于广西的红水河干流上,安装了8台灯泡贯流式水轮发电机组。搜集2016—2021年该水电站机组检修作业危害辨识与风险评估数据10838条,使用词频分析方法,对水电站机组检修作业危害辨识与风险评估中的致因因素进行词频统计分析。由于D级检修为一般性消缺消除,检修作业数据难以获取,本文不考虑D级检修。具体原则：筛选A级检修作业中词频大于等于30次的致因因素,B级检修作业中词频大于等于40次的致因因素,C级检修作业中词频大于等于80次的致因因素,筛选结果见表3。结合表2,对表3中提取的致因因素进行修正,确定某水电站机组检修作业安全事故致因因素。其中,试验电、高压试验电归属于能量意外释放;带电的设备、转动的设备、容易碰撞的设备归属于设备的问题;缺乏经验、缺乏技能、过于发力、误操作归属于人员专业技能及素质不高;狭小的作业空间、限制空间、空气质量不合格归属于作业条件、作业环境不良;粉尘、挥发的油漆归属于粉尘、油漆等有害物质;无防护的高空作业包含两个方面,即高处作业和安全防护设施不足;照明不足、未做好通风措施归属于安全防护设施不足;不按规定程序作业修正为违规作业;检查不到位修正为安全检查不到位;监护工作未落实修正为安全监护不到位。将修正过的事故致因因素划分为人的因素、物的因素、环境因素以及管理因素四个方面,见表4,并记安全事故致因因素集合Z={Zi|i=1,2,…,n}。

表3 某水电站机组检修作业安全事故致因因素词频统计

表4 某水电站机组检修作业安全事故致因因素分类、指标值和DEMATEL权重

3.2 事故致因关联性分析

编制某水电站机组检修作业安全事故致因因素关系调查问卷,旨在确定致因因素之间的相互影响关系。已有文献对DEMATEL-ISM方法进行调查问卷专家人数的下限没有具体说明,本文采访专家数量只能依据以往学者研究的成功案例。选择水电站检修相关领域专家为被试,被试工作5年以上,本科及以上学历,专业包括水利工程、电气工程、机械工程等,发放问卷36份,收回有效问卷31份,满足一般情况下样本容量为30称为大样本的统计需求。汇总调查问卷,根据第2小节步骤1,建立直接影响关系矩阵A,见表5。根据建模步骤4,计算各因素的影响度、被影响度、中心度、原因度,结果见表4。

表5 直接影响关系矩阵A

影响度表示每个因素对系统中其他因素的影响程度,影响度的值越大表明该因素对其他因素的影响程度越大;被影响度表示系统中其他因素对该因素的影响程度,被影响度的值越大表明该因素更容易受到其他因素的影响[20]。由表4可知,安全检查不到位Z13对其他致因因素的影响程度最大,疲劳作业Z4对其他致因因素的影响程度最小;能量意外释放Z10更容易受到其他致因因素的影响,人员的专业技能及素质不高Z2很难被其他致因因素所影响。

中心度表示该因素在系统中的位置以及发挥作用的大小,中心度越大,说明该因素越接近系统的核心位置,发挥的作用越大[21]。由表4可知,安全检查不到位Z13中心度数值最大,表明其对水电站机组检修作业安全的影响程度最大,是最重要的致因因素。原因度是某个因素对其他因素影响程度评价的重要指标,原因度大于0,该因素为原因因素;原因度小于0,该因素为结果因素[22]。由表4可知,Z1、Z2、Z5、Z6、Z7、Z11、Z13、Z14、Z159个因素为原因因素;Z3、Z4、Z8、Z9、Z10、Z126个因素为结果因素。其中,安全检查不到位Z13的原因度大于1且排名第一,表明Z13更容易影响其他致因因素而引发安全事故,是事故发生的根本原因。

将中心度进行归一化处理,得到各致因因素的DEMATEL权重,见表4。由表4可知,安全检查不到位的权重排名第一,表明该因素对水电站机组检修作业安全起到重要的作用。

阈值的取值会影响构建的多层次递阶ISM模型。经过多次模拟,选定阈值λ=0.09,根据建模步骤6建立标准化的可达矩阵。在可达矩阵的基础上,根据步骤7建立各致因因素的可达集合R(Zi)和前项集合S(Zi),见表6。

表6 可达集合R(Zi)和前项集合S(Zi)

通过DEMATEL和ISM混合建模,建立多层次递阶ISM模型,将水电站机组检修作业安全事故致因因素分为4个层级,描述事故致因因素间的层次关系,见图1。由图1可知,多层次递阶ISM致因因素分为表层致因因素、过渡致因因素、本质致因因素3类。Z4、Z8、Z10、Z11、Z12、Z14为表层致因因素,是水电站机组检修作业安全事故最直接的致因因素,通过下层因素影响发挥作用。Z1、Z2、Z3、Z5、Z6、Z7、Z9、Z15为过渡致因因素,是水电站机组检修作业安全间接致因因素,承上启下,受到下层致因因素影响作用于上层致因因素。Z13为本质致因因素,是水电站机组检修作业安全事故最根本的致因因素,通过多种方式对上层致因因素产生影响。另外,从中心度、权重排名来看,安全检查不到位排名第一,对水电站机组检修作业安全影响最大。因此,安全检查不到位是关键致因因素。

图1 水电站机组检修作业安全事故致因因素间的层次关系

3.3 事故致因链分析

以关键致因因素安全检查不到位为出发点,找寻影响水电站机组检修作业安全事故的致因链,共有14条致因链。为了定量分析“安全检查不到位”致因链中哪些致因链重要程度高、对水电站机组安全影响程度大,需要考虑致因链路径的权重,基于致因因素权重,提出了路径权重的概念。在利用DEMATEL-ISM方法得到水电站机组检修事故致因多层次递阶ISM模型基础上,从致因因素权重角度出发,将致因链路径中的致因因素权重求和之后得到致因链路径的权重,再将各个致因链路径的权重进行归一化处理,得到各致因链的路径权重。将致因链的路径权重由大到小排列,制作“安全检查不到位”致因链的路径权重表,见表7。

表7 “安全检查不到位”致因链的路径权重

由表7可知,仅从致因链的路径权重角度考虑,“安全检查不到位→违规作业→设备的问题→油漆、粉尘等有害物质”致因链的路径权重值最大,表明其对水电站机组检修作业安全起重要作用,为关键致因链。该致因链由人、物、环境、管理四个方面的因素交互耦合作用,对水电机组检修作业安全的影响程度最大,应重点关注。“安全检查不到位→疲劳作业”的路径权重最小,表明其对水电站机组检修作业安全的影响程度最小。该水电站检修机组致因链分布不符合“二八定律”,致因链的路径权重占比分布均衡,表明水电站机组检修作业过程中,安全隐患多且零散,很难做到对事故致因的重点管控。序号1～12致因链,本质致因因素直接影响过渡致因因素,间接影响表层致因因素;序号13和14致因链,本质致因因素直接影响表层致因因素。为了阻断致因链的形成,可以从本质致因、过渡致因、表层致因三个方面进行考虑,本质致因因素是致因链的起点,应该作为防控的重中之重;过渡致因因素在致因链中起承上启下的作用,应该作为防控的重点;表层致因因素是致因链的终点,可不作为防控的重点。在该水电站机组检修过程中,为了阻断致因链形成,从致因层次角度考虑,需要对本质致因因素、过渡致因因素进行防控,并提出相应的安全防控对策,见表8。

表8 防控的致因因素及其安全防控对策

4 结 语

通过梳理水电站机组检修相关文献并结合专家访谈,明确水电站机组检修作业安全事故致因因素,具体概括人、物、环境、管理四个方面共20项。基于DEMATEL-ISM方法,构建了水电站机组检修作业安全事故致因多层次递阶ISM模型来挖掘关键致因,分析事故致因链。以某水电站机组检修为例,致因因素分为3个层次,各层次的致因因素存在明确的递进关系,随着表层致因因素、过渡致因因素、本质致因因素的逐步递进,各因素对水电站机组检修作业安全影响程度逐步加深。构建以关键致因因素“安全检查不到位”为源头的事故致因链,从致因链的路径权重角度考虑,“安全检查不到位→违规作业→设备的问题→粉尘、油漆等有害物质”为关键致因链;从致因层次角度考虑,对不按规定使用个体防护用品、高处作业等致因因素进行重点防控,并提出安全防控对策,可为水电站机组检修安全管理提供参考,对类似水电站机组检修作业安全管理具有应用推广价值。