師光達(dá)，李德順

(沈陽理工大學(xué) 環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，沈陽 110159)

近年來，高等教育的迅速發(fā)展及高?？萍紕?chuàng)新的嚴(yán)格要求，使得高校實驗室的使用越來越頻繁，同時實驗室安全管理也就變得日益復(fù)雜，各種安全重大事故接連不斷，使得實驗室安全問題日益凸顯[1]。

2019年2月27日0時42分，南京工業(yè)大學(xué)丁家橋校區(qū)某實驗室產(chǎn)生火警，有明顯火焰從樓頂竄出，火焰經(jīng)過外延通風(fēng)管道引燃5樓樓頂風(fēng)機及雜物，并毀壞實驗室內(nèi)的實驗儀器與辦公用品，實驗樓的外墻面被熏黑，窗戶破碎。2018年12月，北京某高?；瘜W(xué)實驗室意外發(fā)生爆炸燃燒事故，事故造成3人死亡和大量財物損失，經(jīng)查明是由實驗人員誤操作造成。由以上案例可知，大學(xué)實驗室一旦發(fā)生事故就伴隨著人員傷亡和學(xué)校財產(chǎn)的損失，所以大學(xué)實驗室的安全管理工作和防火防爆教育，對于保障高校穩(wěn)定發(fā)展具有重大意義。而安全管理的首要因素是預(yù)防事故的發(fā)生，對各種風(fēng)險因素進(jìn)行有效識別；包括一些潛在因素。

針對高校實驗室危害的識別和探究相對較少，現(xiàn)有研究大多是在對傳統(tǒng)風(fēng)險因素的管理上，而對一些潛在危險因素、風(fēng)險因素的重要度分析較少，且不夠完善。本文引入事故樹分析法[2],從系統(tǒng)層面分析，識別大學(xué)實驗室安全事故發(fā)生的首要危險源，為制定高效的風(fēng)險控制措施提供理論依據(jù)，預(yù)防安全事故的發(fā)生，保障高校實驗室的財產(chǎn)安全和實驗人員的人身安全。

1 事故樹的分析與編制

1.1 事故樹

事故樹分析法首先確定可能發(fā)生的事故或故障(把該事件定為頂上事件)，通過頭腦風(fēng)暴的方式，按照因果關(guān)系進(jìn)行層層分析，直到找出起始發(fā)生原因終止，即故障樹的底層事件停止[3]，這些底層事件也被稱為基本事件。分析過程中的參考依據(jù)主要來自于前人的記述、專家們的共同探討或已發(fā)生事故分析的結(jié)果。

這種分析方法既能分析出產(chǎn)生風(fēng)險的直接原因和間接原因，又能發(fā)掘出常被忽略的事故發(fā)生的隱性原因。用該方法描述事故的關(guān)聯(lián)和因果，簡單、層次清晰、邏輯性強，還可根據(jù)系統(tǒng)和基本事件進(jìn)行定性和定量兩個層面的分析，是安全系統(tǒng)工程的重要分析方法之一。所以本文選用事故樹分析法。

1.2 事故樹的編制

事故樹的編制過程是一個嚴(yán)密的邏輯和調(diào)查過程，應(yīng)遵循以下程序：

(1)確定整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)關(guān)系；

(2)熟悉系統(tǒng)的因果和邏輯關(guān)系；

(3)調(diào)查系統(tǒng)發(fā)生的各類事故；

(4)確定事故樹的頂上事件；

(5)查閱相關(guān)文獻(xiàn)和資料確定各基本事件；

(6)作事故樹圖。

根據(jù)事故樹的邏輯關(guān)系求取事故樹最小割集或最小徑集，主要有三種方法：行列法、結(jié)構(gòu)法、布爾代數(shù)簡化法。

定性分析：根據(jù)最小割集或最小徑集計算各基本事件的結(jié)構(gòu)重要度。

定量分析：查閱資料確定各基本事件的發(fā)生概率，根據(jù)邏輯關(guān)系列出等式，計算事故樹頂上事件發(fā)生概率，并將計算出來的頂上事件發(fā)生概率與通過大數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析得出的事故發(fā)生概率進(jìn)行比較。

2 高校實驗室火災(zāi)風(fēng)險事故樹分析

2.1 構(gòu)建實驗室火災(zāi)事故樹模型

首先,明確事故樹的頂上事件，既確定此次研究的事故事件，且這個事故頻繁發(fā)生，產(chǎn)生的成本代價巨大。然后，尋找與頂上事件相關(guān)的關(guān)聯(lián)事件。根據(jù)安全系統(tǒng)學(xué)相關(guān)理論，可知大學(xué)實驗室面臨的首要危險因素有：人的不安全行為、物的不安全狀態(tài)、管理因素三個基本層次[4]。再結(jié)合4M1E分析法[5](4M是指Man(人身),Machine(機器設(shè)備)，Material(相關(guān)物質(zhì)材料),Method(模式和方法),1E是指Environments(周圍環(huán)境))全面分析相關(guān)文獻(xiàn)和事故調(diào)查報告，從“模式和方法、人、機器設(shè)備、相關(guān)物質(zhì)材料、周圍環(huán)境”對大學(xué)實驗室火災(zāi)事故的相關(guān)資料得出底層事件。最后，編制事故樹。把相關(guān)數(shù)據(jù)輸入事故樹繪制軟件EasyDraw進(jìn)行處理，該軟件自動繪制大學(xué)實驗室火災(zāi)事故樹；事故樹中各個事件之間的層級關(guān)系由查閱相關(guān)資料和專家訪談方式得到。

圖1 實驗室火災(zāi)事故樹

根據(jù)圖1所示事故樹構(gòu)建高校實驗室火災(zāi)事故事件說明表，如表1所示。

2.2 事故樹分析

2.2.1 最小割集與最小徑集

事故樹分析中首要步驟是計算最小割集，并根據(jù)割集計算最小徑集。割集是可以導(dǎo)致頂部事件發(fā)生的所有事故事件的集成，最小割集是引起頂上事件發(fā)生的最小限度割集，最小割集限度越少，系統(tǒng)有風(fēng)險的可能性越低。最小徑集即頂層事件不會發(fā)生所需的最小限度徑集。

表1 高校實驗室火災(zāi)事故事件說明表

分析事故樹使用布爾代數(shù)法求解。

T=M1×M2×M3

=(M3+M4)×(M5+M6)×(M7+M8)

=((X1+X2+X3)+(X4+X5+X6))×((X7+X8×X9)+(X10+X11+X12+X13))×((X14×X15)+(X16+X17))

(1)

由式(1)得出割集數(shù)量為60，最小割集如下：

{X1,X7,X13,X14}、{X4,X7,X13,X14}、{X1,X10,X13,X14}、{X4,X10,X13,X14}、{X1,X7,X15,X16}、{X4,X7,X15,X16}、{X1,X10,X15,X16}、{X4,X10,X15,X16}、{X2,X7,X13,X14}、{X3,X7,X13,X14}、{X2,X10,X13,X14}、{X3,X10,X13,X14}、{X2,X7,X15,X16}、{X3,X7,X15,X16}、{X2,X10,X15,X16}、{X3,X10,X15,X16}、{X5,X7,X13,X14}、{X6,X7,X13,X14}、{X5,X10,X13,X14}、{X6,X10,X13,X14}、{X5,X7,X15,X16}、{X6,X7,X15,X16}、{X5,X10,X15,X16}、{X6,X10,X15,X16}、{X1,X8,X9,X13,X14}、{X4,X8,X9,X13,X14}、{X1,X8,X9,X15,X16}、{X4,X8,X9,X15,X16}、{X2,X8,X9,X13,X14}、{X3,X8,X9,X13,X14}、{X2,X8,X9,X15,X16}、{X3,X8,X9,X15,X16}、{X5,X8,X9,X13,X14}、{X6,X8,X9,X13,X14}、{X5,X8,X9,X15,X16}、{X6,X8,X9,X15,X16}、{X1,X11,X13,X14}、{X1,X12,X13,X14}、{X4,X11,X13,X14}、{X4,X12,X13,X14}、{X1,X11,X15,X16}、{X1,X12,X15,X16}、{X4,X11,X15,X16}、{X4,X12,X15,X16}、{X2,X11,X13,X14}、{X2,X12,X13,X14}、{X3,X11,X13,X14}、{X3,X12,X13,X14}、{X2,X11,X15,X16}、{X2,X12,X15,X16}、{X3,X11,X15,X16}、{X3,X12,X15,X16}、{X5,X11,X13,X14}、{X5,X12,X13,X14}、{X6,X11,X13,X14}、{X6,X12,X13,X14}、{X5,X11,X15,X16}、{X5,X12,X15,X16}、{X6,X11,X15,X16}、{X6,X12,X15,X16}。

利用對偶法可得最小徑集，徑集數(shù)量為7。{X1,X2,X3,X4,X5,X6}、{X7,X8,X10,X11,X12}、{X13,X15}、{X7,X9,X10,X11,X12}、{X14,X15}、{X13,X16}、{X14,X16}。

計算結(jié)果表明高校實驗室火災(zāi)的最小割集為60個，最小徑集為7個；根據(jù)最小割集和最小徑集的定義，可以清晰表明造成該事故樹頂層事件發(fā)生的途徑有60種，只要最小割集里的事件一起發(fā)生，頂層事件一定發(fā)生，這對掌握事故發(fā)生的規(guī)律，找出潛在事故模式具有重要意義，也為事故的預(yù)防措施提供了依據(jù)。從求出的最小徑集可知，頂層事件不發(fā)生有7種可能方案，任何一組不發(fā)生，頂層事件就不會發(fā)生；根據(jù)選取途徑的要求，可知{X13,X15}、{X14,X15}、{X13,X16}、{X14,X16}最省時、經(jīng)濟(jì)。

2.2.2 結(jié)構(gòu)重要度分析

造成一件事情的發(fā)生原因有很多，一般會根據(jù)原因的輕重緩急來采取相應(yīng)措施，后果比較嚴(yán)重且迫在眉睫的事情會優(yōu)先處理，因此在事故樹分析中，會優(yōu)先考慮對頂層事件影響重大的底層事件。

結(jié)構(gòu)重要度分析是利用事件之間的邏輯關(guān)系，從事故樹整體結(jié)構(gòu)上計算各底層事件在頂層事件發(fā)生中的重要程度大小。在事故樹分析方法中，結(jié)構(gòu)重要度的計算可采用最小割集或最小徑集計算法；經(jīng)過最小割集和徑集的計算后還不能確定對頂上事件的重要度時，再采用公式計算法計算結(jié)構(gòu)重要度，最后進(jìn)行定性分析。按照結(jié)構(gòu)重要度的數(shù)值大小對基本事件進(jìn)行排序。

重要度分析在實驗室制定安全措施中十分重要；重要度的理念可以標(biāo)出某個基本事件對頂層事件發(fā)生的影響概率大小，用于尋找出實驗室發(fā)生火災(zāi)的首要原因，通過這些原因才能提出具體的預(yù)防措施。底層事件的位置決定了其在整個事故分析系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)重要性，在事故樹結(jié)構(gòu)中底層事件的位置不同，其對頂層事件的影響程度也會不同[6]，底層事件在最小割集中出現(xiàn)的具體情況可以清晰地表明其重要性。

(1)最小割集中出現(xiàn)的底層事件數(shù)量越少，其對頂層事件影響程度越大，結(jié)構(gòu)重要度越大；

(2)在所有最小割集中，底層事件出現(xiàn)頻率較大的，其結(jié)構(gòu)重要度越大。

當(dāng)最小割集和最小徑集不能估計出結(jié)構(gòu)重要度時，可按(2)式計算第i個底層事件的結(jié)構(gòu)重要度。

(2)

式中：k為最小割集總數(shù)；kj為第j個最小割集；nj為第kj個最小割集的基本事件數(shù)。

由式(2)得高校實驗室火災(zāi)各基本事件結(jié)構(gòu)重要度值的大小。

I[X1]=0.69799997，I[X2]=0.69799997，

I[X3]=0.69799997，I[X4]=0.69799997，

I[X5]=0.69799997，I[X6]=0.69799997，

I[X7]=0.79858276，I[X8]=0.53904841，

I[X9]=0.53904841，I[X10]=0.79858276，

I[X11]=0.79858276，I[X12]=0.79858276，

I[X13]=0.97245638，I[X14]=0.97245638，

I[X15]=0.97245638，I[X16]=0.97245638，

高校實驗室火災(zāi)各基本事件結(jié)構(gòu)重要度值的比較：

I[X13]=I[X14]=I[X15]=I[X16]>I[X7]=I[X10]=I[X11]=I[X12]>I[X1]=I[X2]=I[X3]=I[X4]=I[X5]=I[X6]>I[X8]=I[X9]

分析結(jié)果表明，事件X13、X14、X15、X16的結(jié)構(gòu)重要程度最大，X7、X10、X11、X12的結(jié)構(gòu)重要度次之，X1、X2、X3、X4、X5、X6的結(jié)構(gòu)重要度最小，所以本事件最重要的因素的是管理因素和人的不安全行為因素。采取措施對其中的風(fēng)險因素進(jìn)行控制和消除，如加強教師職責(zé)管理，實驗過程中全程監(jiān)控，對實驗人員操作前的注意事項教育，禁止相關(guān)人員吸煙、定期檢查實驗設(shè)備等。

3 措施方案

采用事故樹方法，可以提前發(fā)現(xiàn)一些潛在危險因素，并采取最有效的措施避免事故的發(fā)生，為實驗室火災(zāi)檢測系統(tǒng)的開發(fā)提供依據(jù)。根據(jù)前文分析可以提出以下幾點措施。

(1)實驗室規(guī)劃階段可建立大學(xué)實驗室火災(zāi)事故的事故樹結(jié)構(gòu)，分析發(fā)生實驗室火災(zāi)爆炸事故的基本原因，并由這些原因提出具體實行方法進(jìn)行預(yù)防；

(2)實驗設(shè)施做到實驗前必須檢查完整性，定期進(jìn)行全面檢修，并加強實驗室人員的管理；

(3)大學(xué)實驗室必須建立完整的消防安全體制系統(tǒng)，并按照規(guī)章制度進(jìn)行安全管理。各高校應(yīng)根據(jù)學(xué)校自身的實際情況，結(jié)合相關(guān)安全工作知識規(guī)定，建立完整的實驗室安全規(guī)章制度，通過合理的規(guī)則、條例以及處罰來標(biāo)準(zhǔn)化每個實驗人的行為。

4 結(jié)束語

通過分析實驗室發(fā)生火災(zāi)爆炸的可能原因，構(gòu)建事故樹，事故樹的最小割集數(shù)量多，最小徑集數(shù)量少，說明此事故容易發(fā)生，同時預(yù)防的途徑比較少。

根據(jù)對每個底層事件的整體分析，分析出實驗室火災(zāi)事故的首要因素為管理因素，說明在預(yù)防實驗室火災(zāi)中首要關(guān)注的是對管理方面的加強。

第二因素為人的不安全行為，這意味著實驗室防火防爆安全管理中需要加強對實驗人員的操作培訓(xùn)。如果提出有效措施預(yù)防以上因素，將會大大提高實驗室的系統(tǒng)安全性。

第三因素為物的不穩(wěn)定狀態(tài)，這些因素必須通過加強管理來進(jìn)行控制。