基于AISM的高校燃烧与爆炸实验室事故关键致因分析

李威君， 朱明珠， 刘 音， 胡相明，c

（山东科技大学a.安全与环境工程学院；b.矿业工程国家级实验教学示范中心；c.矿山灾害预防控制省部共建国家重点实验室培育基地，山东 青岛 266590）

0 引 言

近年来，我国安全生产形势总体好转，但火灾爆炸事故频繁发生且后果极为严重，仍是我国主要的事故灾害之一［1］。掌握燃烧与爆炸机理，对于预防和控制火灾爆炸事故具有重要意义。燃烧与爆炸实验是高校安全工程、化学工程等专业的核心实践教学内容，旨在引导学生探索燃烧爆炸的发生、演化机理，通过火焰传播速度、爆炸极限测试等实验验证所学理论知识［2］。相比于一般的化学实验室，高校燃烧与爆炸实验室涉及的实验材料多为易燃易爆粉尘、气体，并且具有高温、高压、动火操作等风险因素，事故危险性较大［3］。因此，燃烧与爆炸实验室的安全问题一直是高校实验室管理的重点。为降低事故风险，传统的高校燃烧与爆炸实验内容较为单一且以演示性实验为主。随着“新工科”建设的不断深化，传统的实践教学模式随之调整［4］。燃烧与爆炸实验涉及的仪器、设备、学生人数不断增多，实验过程的不确定性随之变大［5］，也为其安全管理带来了挑战。因此，有必要系统分析高校燃烧与爆炸实验室安全事故发生的深层次关键原因，以便从根源上减少燃烧与爆炸实验室安全事故的发生，提高安全管理效率。

1 研究现状

对实验室事故致因因素进行辨识，为事故预防和控制提供依据，是实验室安全管理的有效手段［6］。目前已有专家学者将事故致因理论和方法用于高校实验室风险分析。田志刚等［7］从实验室宏观安全管理体系和人、物、环、管等各环节微观因素的角度建立了高校实验室事故演化路径，并基于事故危机发展的4R理论分析得出实验室事故风险防控的最佳时期为潜伏和诱发阶段；阳富强等［8］以预测-决策-执行事故致因模型为基础，从安全信息角度分析实验室人员、高校实验室管理、教育管理部门监管三个层面的事故致因；杜莉莉等［9］以海因里希事故致因理论为准则，从人的不安全行为和物的不安全状态两方面对高校实验室安全管理存在的问题进行了深入分析；付净等［10］基于事故致因“2-4”模型分析了导致高校实验室事故发生的具体动作或物态的共性原因；周营新等［11］通过事故致因“2-4”模型识别高校实验室事故致因的不安全动作、不安全物态、组织层因素，通过决策实验室分析与解释结构模型法计算得到安全管理监管与责任体系缺失是实验室事故的根源原因；高文红［12］运用系统论事故过程致因模型（STAMP）对实验室爆炸事故进行了系统分析，识别出高校实验室组织内及组织间的控制缺陷，找到深层次的事故原因。

虽然现有的事故致因模型种类繁多，将其用于高校实验室安全管理的研究也较为成熟，但关于燃烧与爆炸实验室的相关研究较少，针对高校燃烧与爆炸实验室风险特性的事故致因分析仍较为薄弱；此外，现有实验室事故致因因素分析对因素间相关关系的研究较少，事故深层原因辨识的一致性较低，导致事故预防对策的准确性较差。对抗解释结构模型（Adversarial Interpretive Structural Model，AISM）在解释结构模型（Interpretative Structural Modeling，ISM）层次结构建模的基础上融入了博弈对抗思想，通过构建一组对抗的层级拓扑图比较、分析因素间由因到果、由果到因的相关关系，得到具有一致性的事故深层原因［13-14］。

2 高校燃烧与爆炸实验室事故致因因素分析

事故发生的根源是危险源存在并且未得到有效控制。高校燃烧与爆炸实验本身的危险源种类多、风险大，若发生控制失效，其主要的事故类型是爆炸、火灾、中毒、烫伤［5］。结合“三类危险源理论”能够较为全面地辨识高校燃烧与爆炸实验室的事故致因因素：第1类危险源是指能量载体或能量源；第2 类危险源指物的故障、物理性环境因素，个体人行为失误；第3 类危险源指不符合安全的组织因素（组织程序、组织文化、规则、制度等）［15］。基于“三类危险源理论”分析高校燃烧与爆炸实验室的危险源，识别爆炸、火灾、中毒、烫伤4 种典型事故的致因因素，如图1 所示。

图1 基于“三类危险源理论”的燃烧与爆炸实验室典型事故致因因素辨识

第1 类危险源。高校燃烧与爆炸实验室最显著的风险特征是存在爆炸品、易燃气体或粉尘、氧化物等物质以及高压气瓶、高温或高压设备等能量载体。实验过程所需的可燃物、助燃物、点火源构成了爆炸与火灾的基本条件，一旦反应失控即会产生事故。有毒物质的泄漏以及实验过程产生的燃烧产物、实验废气等在空间相对狭小且参与实验学生较多的室内极易引起中毒事故；燃烧与爆炸实验产生的高温通过设备传导到表面或高温物质飞溅可能产生烫伤事故。

第2 类危险源。虽然第1 类危险源从本质上决定了燃烧与爆炸实验室的高危性，但如果能够对能量或能量载体进行约束，也可以降低事故风险。反之，能量约束设备失效、环境风险控制失效、人员行为失误会使能量转移或泄放失控，甚至引起事故扩大。其中，能量约束设备失效可进一步分为防火防爆装置失效、实验设备老化、通风排废系统失效、安全泄压装置失效、缺少个人防护用具。环境风险涉及实验室可燃气体监测预警系统故障、危险物摆放混乱、操作空间狭小、杂物堆积、废弃物处置不当、应急设施失效。人员行为失误主要包括对燃烧与爆炸实验室危险性认识不足、实验操作方法错误、不遵循操作步骤、多人实验协调性差、实验物品和设备归置不当。

第3 类危险源。燃烧与爆炸实验室的不安全组织因素直接影响控制能量和能量载体及其约束的效果，包括实验组织程序混乱、实验操作规程不健全、实验室安全管理制度不完善、安全与应急教育培训不足。

3 高校燃烧与爆炸实验室事故致因因素AISM构建

ISM可对相互关联的因素进行分析形成多级阶梯结构模型［16］。AISM在ISM 的基础上，构建一组对抗的层级拓扑图用于分析因素间由因到果、由果到因的相关关系。AISM建模流程可分为4 个步骤：确立事故致因因素关系并建立邻接矩阵；通过通路推导拓扑运算构建可达矩阵；分别以结果为导向和原因为导向进行UP型和DOWN型拓扑层级抽取；绘制结果优先型和原因优先型有向拓扑层级图。模型构建流程如下

其中：A为原始的布尔关系矩阵；B为单位矩阵和原始矩阵A的和矩阵；R为可达矩阵；UP/DOWN为层级抽取，最终得到的一组有向拓扑图。

3.1 建立邻接矩阵

根据AISM理论的建模流程，首先确定燃烧与爆炸实验室事故致因因素的相关关系，确立邻接矩阵。根据“三类危险源理论”共计分析得出25 项燃烧与爆炸实验室事故致因因素。因素间并非独立关系，例如通过完善燃烧与爆炸实验室安全管理制度可以减少危险物摆放混乱问题的产生。结合某高校燃烧与爆炸实验室的实际情况，通过专家评议建立事故致因因素之间的相互影响关系，如表1 所示。

表1 燃烧与爆炸实验室事故致因因素影响关系

若某个因素Si对其他因素Sj存在影响，则在邻接矩阵中标记1；若无影响，标记0。据此可构建该燃烧与爆炸实验室事故致因因素的邻接矩阵

3.2 构建可达矩阵

可达矩阵是用矩阵描述有向图的各节点之间经过一定的通路后可达的程度。用1 表示可达，0 表示不可达。利用布尔矩阵的通路推导拓扑运算性质可计算可达矩阵：通过邻接矩阵A，先加上单位矩阵I，得到相乘矩阵B，再对B进行连乘运算，直到B的k+1 次幂等于B的k次幂，此时B的k次幂就被称为可达矩阵R，具体的求解过程如下公式（1）和（2）所示：

据此可得到可达矩阵

3.3 抽取对抗拓扑层级

层级抽取是根据要素在相互作用关系中的重要程度对要素进行分级。可达矩阵中行值为1 的所有要素表示该行对应的要素ei能够对其他要素产生影响，记为可达集合R（ei），能够影响该要素ei的所有要素构成先行集合Q，则具有双向影响作用的要素集合T可通过T=R∩Q获得。

UP型拓扑层级抽取以结果优先的原则进行，即：若R（ei）=T（ei），则在层级抽取时该要素为优先级最高的要素；DOWN型拓扑层级抽取以原因优先的原则进行，即：若Q（ei）=T（ei），则在层级抽取时该要素为优先级最高的要素。抽取完一层后，从邻接矩阵中删除已经抽取的要素ei所在的行和列，得到更新后的矩阵，重复模型推理过程，可得到第二级因素。依此类推，可得到表2 所示的对抗层级抽取结果。

表2 燃烧与爆炸实验室事故致因因素对抗层级抽取结果

3.4 绘制有向拓扑层级图

用有向线段表示燃烧与爆炸实验室事故致因因素的关联关系，构建结果优先的UP 型有向拓扑层级图［图2（a）］和原因优先的DOWN 型拓扑层级图［图2（b）］。

图2 有向拓扑层级图

可以看出，虽然两种层级图都有8 级结构，但因素间有向线段指向和因素所在层级不同，通过两种层级图的博弈对抗分析，可以得到更为准确的关键致因因素。

4 结果分析与事故预防对策

（1）从高校燃烧与爆炸实验室事故致因因素AISM中因素间有向线段指向可以看出，越往低层，因素的影响作用越强，由此可以根据低层级L6-L8 得到根源性关键致因因素。在UP 型有向拓扑层级图中，根源性关键致因因素集合为｛S6，S9，S23，S24，S25｝；在DOWN型有向拓扑层级图中，根源性关键致因因素集合为｛S6，S7，S9，S23，S24，S25｝，取合集得到最优集为｛S6，S9，S23，S24，S25｝。故该燃烧与爆炸实验室事故根源性关键致因因素是防火防爆装置失效（S6）、安全泄压装置失效（S9）、操作规程不健全（S23）、管理制度不完善（S24）和教育培训不足（S25）。

（2）从因素所在层级可以看出，在两种层级图中大部分因素所在层级是一致的。但存在少数因素层级发生变化。在一对UP型和DOWN型有向拓扑层级图中，若某个要素处于不同的拓扑层级，则称这个要素为“活动要素”；具有活动要素的系统称之为可拓变系统［13］。在传统ISM分析中只分析单一的结构关系，易造成对因素层级判断片面。例如，在图2 中，S10从UP型有向拓扑层级图的第1 层跃迁到DOWN 型有向拓扑层级图的第4 层，意味着其重要性程度提高。通过博弈对抗比较，识别活动要素，可以得到敏感性关键致因因素。通过对比，可以发现该燃烧与爆炸实验室事故致因因素AISM 层级图中存在活动要素：实验设备老化（S7），通风排废系统失效（S8），缺少个人防护用具（S10），可燃气体监测预警系统故障（S11），操作规程不健全（S23）。

（3）AISM有向拓扑层级关系中的回路代表因素互为因果关系，相互影响。该燃烧与爆炸实验室事故致因因素AISM的UP型有向拓扑层级图和DOWN型拓扑层级中均具有3 个一致的回路，分别是［S2，S3］回路、［S13，S14，S15，S18，S19，S20］回路、［S12，S16，S17，S21，S22］回路。

通过上述3 方面的结果分析，可以采取以下针对性的措施预防高校燃烧与爆炸实验室事故的发生。

（1）消除或减少根源性关键致因因素是事故预防最根本、最有效的手段。在该燃烧与爆炸实验室中，需要重点监管防火防爆装置、安全泄压装置的可靠性，完善操作规程和管理制度，加强教育培训。

（2）敏感性关键致因因素是事故预防过程中容易忽视的因素。该燃烧与爆炸实验室需要关注实验设备老化问题，对通风排废系统、可燃气体监测预警系统进行定期检测，加强对个人防护用具、操作规程的维护和更新。

（3）互为因果关系的关键致因因素在事故预防过程中需要综合考虑。针对该燃烧与爆炸实验室可能存在的物质泄漏问题，应当同时关注实验原材料、产物、废物的泄漏；针对实验空间问题，需要保证操作空间、避免杂物堆积、合理处置废弃物、采用正确的操作方法和步骤、提高多人实验的协调性；针对事故应急保障问题，应当在完善应急设施、组织程序的同时，减少危险物摆放、实验设备归置混乱，提高实验人员对危险性的认识。

5 结 语

针对高校燃烧与爆炸实验室的事故风险复杂多样的特性，利用“三类危险源理论”对燃烧与爆炸实验室爆炸、火灾、中毒、烫伤4 种主要事故类型进行致因分析，将燃烧与爆炸实验室事故致因因素分为3 类：第1类是燃烧与爆炸实验室自身存在的爆炸品、易燃气体或粉尘、氧化物等物质以及高压气瓶、高温或高压设备等能量载体；第2 类是燃烧与爆炸实验室能量约束设备失效、环境风险控制失效、人员行为失误等能量转移或泄放失控；第3 类是燃烧与爆炸实验室的不安全组织因素，使得事故致因因素的辨识更加准确、全面［17］。

通过AISM模型对因素间相关关系进行分析，构建8 级结果优先的UP型有向拓扑层级图和原因优先的DOWN型拓扑层级图；利用两种层级图的博弈对抗分析，确定出高校燃烧与爆炸实验室事故的根源性关键致因因素、敏感性关键致因因素、互为因果关系的关键致因因素，以此为基础指导制定有针对性的事故预防措施，提高高校燃烧与爆炸实验室的安全管理效率。