陳偉珂，張 欣

(天津理工大學(xué)管理學(xué)院，天津，300384)

基于Apriori算法的易燃易爆危險化學(xué)品儲運火災(zāi)爆炸事故關(guān)鍵致險因素的挖掘

陳偉珂，張 欣*

(天津理工大學(xué)管理學(xué)院，天津，300384)

導(dǎo)致易燃易爆危險化學(xué)品儲運火災(zāi)爆炸事故的因素繁多、關(guān)系復(fù)雜，挖掘關(guān)鍵致險因素是減少管理成本、提高防控效率的關(guān)鍵。研究了200例事故等級為較大事故以上的易燃易爆危險化學(xué)品儲運火災(zāi)爆炸事故的原因，采用事故樹分析法建立易燃易爆危險化學(xué)品儲運火災(zāi)爆炸事故樹，并運用頻度統(tǒng)計法遴選出致險因素；在此基礎(chǔ)上，建立基于Apriori算法的關(guān)聯(lián)規(guī)則模型進行數(shù)據(jù)挖掘，共得到14個關(guān)鍵致險因素。通過對關(guān)鍵致險因素與易燃易爆危險化學(xué)品儲運火災(zāi)爆炸事故之間關(guān)聯(lián)規(guī)則的分析表明，關(guān)鍵致險因素與事故之間存在強關(guān)聯(lián)規(guī)則，單一關(guān)鍵致險因素或其組合的存在必將導(dǎo)致事故的發(fā)生，為實現(xiàn)危險化學(xué)品儲運精準(zhǔn)化安全管理提供參考。

易燃易爆化學(xué)品；儲運；火災(zāi)爆炸事故；風(fēng)險因素；Apriori算法；關(guān)聯(lián)規(guī)則

0 引言

易燃易爆危險化學(xué)品儲運火災(zāi)爆炸事故具有突發(fā)性、復(fù)雜性、災(zāi)難性等特點[1]，安全狀況依然嚴(yán)峻：2015年8月12日，天津港瑞海公司危險化學(xué)品倉庫發(fā)生特別重大火災(zāi)爆炸事故，事故造成165人遇難，8人失蹤，798人受傷住院治療，初步核定直接經(jīng)濟損失68.66億元人民幣，安全生產(chǎn)面臨巨大的挑戰(zhàn)。由于引發(fā)易燃易爆危險化學(xué)品儲運火災(zāi)爆炸事故的因素繁多，很難對所有致險因素進行全方位的實時監(jiān)控。因此，通過分析致險因素與易燃易爆危險化學(xué)品儲運火災(zāi)爆炸事故之間的關(guān)聯(lián)性大小，甄選出導(dǎo)致事故的關(guān)鍵致險因素，成為避免火災(zāi)爆炸事故的根本途徑和刻不容緩的任務(wù)。

根據(jù)《危險化學(xué)品目錄(2015 版)》劃分標(biāo)準(zhǔn)，易燃易爆危險化學(xué)品是指以燃燒爆炸為主要特性的加壓氣體、易燃液體、易燃固體、自燃物品和遇濕易燃物品、氧化劑和有機過氧化物以及毒害品、腐蝕品中部分易燃易爆化學(xué)物品。近年來，危險化學(xué)品儲運火災(zāi)爆炸事故致險因素的研究越來越得到重視。周和牟[2]分析了碼頭裝卸作業(yè)過程中的危險因素；欒等[3]分析了導(dǎo)致危險化學(xué)品鐵路運輸事故發(fā)生的原因；Adedigba等[4]和朱等[5]借助貝葉斯網(wǎng)絡(luò)分析危險化學(xué)品道路運輸事故中各因素之間的依賴性和非線性作用結(jié)構(gòu)關(guān)系；李和閆[6]運用變一致性優(yōu)勢關(guān)系粗糙集理論分析了不確定因素重要度，進而揭示風(fēng)險因素之間的因果關(guān)系及其不可約簡規(guī)則。經(jīng)過文獻研究發(fā)現(xiàn)，存在致險因素的分析不全面，致險因素與事故之間關(guān)聯(lián)性大小的分析不足，關(guān)鍵致險因素的挖掘過程不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)葐栴}；同時專門對易燃易爆危險化學(xué)品儲運火災(zāi)爆炸事故關(guān)鍵致險因素進行數(shù)據(jù)挖掘的研究較少。因此，亟需一種新的分析方法解決上述問題。

易燃易爆危險化學(xué)品儲運火災(zāi)爆炸事故是由眾多因素構(gòu)成的非線性系統(tǒng)，事故數(shù)據(jù)量大，因素間關(guān)系錯綜復(fù)雜[7]，因此關(guān)鍵致險因素需要從大量不完整的事故數(shù)據(jù)中進行數(shù)據(jù)挖掘。而關(guān)聯(lián)規(guī)則是用于數(shù)據(jù)挖掘的經(jīng)典算法，可以從大量事故數(shù)據(jù)中分析致險因素與事故之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系[8]，從而提取關(guān)鍵致險因素。在電力、交通和醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用[9- 11]，但在危險化學(xué)品儲運安全管理領(lǐng)域應(yīng)用較少。本文首先采用事故樹識別出易燃易爆危險化學(xué)品儲運火災(zāi)爆炸事故的風(fēng)險因素；其次，根據(jù)各風(fēng)險因素頻度的大小，通過頻度統(tǒng)計法遴選出致險因素；最后，運用基于Apriori算法的關(guān)聯(lián)規(guī)則建立關(guān)鍵致險因素數(shù)據(jù)挖掘模型，甄選出關(guān)鍵致險因素。易燃易爆危險化學(xué)品儲運火災(zāi)爆炸事故關(guān)鍵致險因素的挖掘過程如圖1所示。

圖1 易燃易爆危險化學(xué)品儲運火災(zāi)爆炸事故關(guān)鍵致險因素的挖掘過程Fig.1 Mining of key risk factors for fire and explosion in storage and transportation of hazardous chemicals

1 易燃易爆危險化學(xué)品儲運火災(zāi)爆炸事故因素分析

1.1 基于事故樹的風(fēng)險因素的識別

1961年，美國貝爾電話研究所Watson等[12]在研究民兵式導(dǎo)彈發(fā)射控制系統(tǒng)時提出事故樹分析法(FTA, Fault Tree Analysis)。事故樹是由果至因的故障分析方法，其分析事故因素是強項。通過邏輯推理和演繹以及對生產(chǎn)流程的層層分析，直至找出事故的基本原因。將這些基本原因稱為易燃易爆危險化學(xué)品儲運火災(zāi)爆炸事故風(fēng)險因素，并建立各風(fēng)險因素與火災(zāi)爆炸事故的因果關(guān)系和邏輯關(guān)系[13]。

通過國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局網(wǎng)站、中國化學(xué)品安全協(xié)會網(wǎng)站以及《危險化學(xué)品事故案例》[14]等相關(guān)書籍，搜集了200例易燃易爆危險化學(xué)品儲運火災(zāi)爆炸事故作為本文的易燃易爆危險化學(xué)品儲運火災(zāi)爆炸事故數(shù)據(jù)庫。根據(jù)《生產(chǎn)安全事故報告和調(diào)查處理條例》(國務(wù)院493號令)事故等級劃分標(biāo)準(zhǔn)，所選事故案例均為較大事故以上，涉及多種作業(yè)環(huán)境和作業(yè)方式。

根據(jù)頂事件分析原則[15]，選取發(fā)生頻率不大但后果非常嚴(yán)重的危險化學(xué)品儲運火災(zāi)爆炸作為頂上事件。根據(jù)海因里希事故致因的軌跡交叉理論，通過對事故原因的分析，從“人- 機- 環(huán)境- 管理”四個角度，建立易燃易爆危險化學(xué)品儲運火災(zāi)爆炸事故樹，共得到易燃易爆危險化學(xué)品儲運火災(zāi)爆炸事故風(fēng)險因素148個。易燃易爆危險化學(xué)品儲運火災(zāi)爆炸事故樹如圖2所示。

利用最小徑集對易燃易爆危險化學(xué)品儲運火災(zāi)爆炸事故樹進行結(jié)構(gòu)重要度分析，從而得到了各風(fēng)險因素的重要程度順序。例如，地區(qū)規(guī)劃建設(shè)混亂，整體設(shè)計布局不合理，營業(yè)執(zhí)照未進行定期年檢，企業(yè)無生產(chǎn)作業(yè)資格證書等因素的重要程度較大；無安全教育培訓(xùn)，未進行安全文化宣傳，未進行過疏散演習(xí)等因素的重要程度次之；疏散通道、安全出口不暢通無防水、防寒、防潮措施，未進行分類、分庫、分間儲存，未建立安全維修制度等因素的重要程度相對較小。結(jié)構(gòu)重要程度的分析為致險因素的遴選提供參考。

1.2 基于頻度統(tǒng)計法的致險因素的遴選

為了確保易燃易爆危險化學(xué)品儲運火災(zāi)爆炸事故致險因素的代表性和準(zhǔn)確性。在參考上文各風(fēng)險因素結(jié)構(gòu)重要程度順序的基礎(chǔ)上，按照148個易燃易爆危險化學(xué)品儲運火災(zāi)爆炸事故風(fēng)險因素頻度的大小，選定最小頻度為5的作為致險因素，最終遴選出24個致險因素，并用其英文首字母進行編號。人的致險因素為P(People)，機械致險因素為A(Apparatus)，環(huán)境致險因素為E(Environment)，管理致險因素為M(Management)。得到易燃易爆危險化學(xué)品儲運火災(zāi)爆炸事故致險因素如表1所示。

圖2 易燃易爆危險化學(xué)品儲運火災(zāi)爆炸事故樹Fig.2 Fault tree analysis on fire and explosion in storage and transportation of hazardous chemicals

分類致險因素編號人(P)操作人員未持證上崗P1未對危險源進行辨識P2事故風(fēng)險研判失誤P3危險隱患未及時上報P4事故隱患排查治理不深入P5事故隱患整改不及時P6未經(jīng)安全技術(shù)部門審查同意P7工人擅自離崗P8違反操作規(guī)程P9機械(A)儲存容器破裂A1消防器材的配備不符合要求A2未設(shè)置安全標(biāo)志A3

分類致險因素編號環(huán)境(E)地區(qū)規(guī)劃建設(shè)混亂E1違法建設(shè)、未批先建E2整體設(shè)計布局不合理E3管理(M)無安全教育培訓(xùn)M1未進行安全文化宣傳M2消防設(shè)施、器材未定期測試M3營業(yè)執(zhí)照未進行定期年檢M4企業(yè)無生產(chǎn)作業(yè)資格證書M5未組織進行安全設(shè)施竣工驗收M6安全管理機構(gòu)不健全M7政府監(jiān)督力量不足M8崗位責(zé)任制度不完善M9

2 易燃易爆危險化學(xué)品儲運火災(zāi)爆炸事故關(guān)鍵致險因素的挖掘

2.1 基于Apriori算法的關(guān)聯(lián)規(guī)則簡介

由表1及上述分析可知，易燃易爆危險化學(xué)品儲運火災(zāi)爆炸事故致險因素繁多且關(guān)系錯綜復(fù)雜，合理分析各致險因素與事故間的非線性關(guān)聯(lián)程度是挖掘關(guān)鍵致險因素的前提。雖然事故樹分析了易燃易爆危險化學(xué)品儲運火災(zāi)爆炸事故與致險因素之間的因果關(guān)系，但無法剖析致險因素與事故間的關(guān)聯(lián)性大小，并且由于事故樹結(jié)構(gòu)重要度分析的精確性不夠，不具備甄別關(guān)鍵致險因素的要求。而Agrawal和Srikant[16]提出的基于Apriori算法的布爾型關(guān)聯(lián)規(guī)則(Association Rule)數(shù)據(jù)挖掘方法恰恰能通過生成強關(guān)聯(lián)規(guī)則，進而剖析數(shù)據(jù)庫中項集間的密切程度或關(guān)系，并推導(dǎo)出諸如“X?Y”的模式。例如：若將關(guān)鍵致險因素X定義為“無安全教育培訓(xùn)”，而Y定義為“易燃易爆危險化學(xué)品儲運火災(zāi)爆炸事故”，那么，X?Y可理解為“若企業(yè)不對員工進行安全教育培訓(xùn)，則很可能發(fā)生易燃易爆危險化學(xué)品儲運火災(zāi)爆炸事故”，這表明了X和Y之間存在關(guān)聯(lián)關(guān)系。

關(guān)聯(lián)規(guī)則相關(guān)的定義如下：

定義1設(shè)I={i1,i2,…,in}是n個不同布爾型屬性的集合，元素ik稱為項。D={T1,T2,…,Tm}是一個事務(wù)數(shù)據(jù)庫，顯然T?I。設(shè)X={i1,i2,…,it},(1≤t≤n)為I中的一個項集，則關(guān)聯(lián)規(guī)則可以表示為R:X?Y的蘊含式，其中X?I,Y?I,X∩Y=?。關(guān)聯(lián)規(guī)則的成立由支持度(Support)和可信度(Confidence)2個參數(shù)來約束。

定義2項集X的支持度是指D中包含X的事務(wù)在D中所有事務(wù)中占的比例，即：

(1)

定義3如果項集X的支持度大于或等于最小支持度(min- Support)，稱項集X為D中的頻繁項集，即：

Support(X)≥min- Support

(2)

定義4關(guān)聯(lián)規(guī)則X?Y的可信度是同時包含項集X和項集Y的事務(wù)在所有包含項集X的事務(wù)中占的比例，即：

(3)

定義5如果關(guān)聯(lián)規(guī)則R:X?Y滿足預(yù)設(shè)的最小支持度閾值和最小可信度閾值，稱關(guān)聯(lián)規(guī)則X?Y為強關(guān)聯(lián)規(guī)則，即：

Support(X?Y)≥min- Support

且

Confidence(X?Y)≥min- Confidence

(4)

2.2 關(guān)鍵致險因素關(guān)聯(lián)規(guī)則模型的建立

為了使強關(guān)聯(lián)規(guī)則具有科學(xué)性和代表性。在前文所述的“易燃易爆危險化學(xué)品儲運火災(zāi)爆炸事故數(shù)據(jù)庫”和“易燃易爆危險化學(xué)品儲運火災(zāi)爆炸事故致險因素”的基礎(chǔ)上，首先對易燃易爆危險化學(xué)品儲運火災(zāi)爆炸事故數(shù)據(jù)庫中的事故案例進行篩選，篩選出事故經(jīng)過清晰，事故影響明確，事故原因分析準(zhǔn)確、全面，事故性質(zhì)定位合理，事故意見有理有據(jù)的事故案例，并對事故案例進行編號；其次，采用0- 1標(biāo)記法，借助Excel辦公軟件將編號的事故案例和編號的致險因素一一對應(yīng)；再次，建立基于Apriori算法的關(guān)聯(lián)規(guī)則進行數(shù)據(jù)挖掘，通過設(shè)定最小支持度生成頻繁項集，設(shè)定最小可信度創(chuàng)建強關(guān)聯(lián)規(guī)則[17]，實現(xiàn)關(guān)聯(lián)規(guī)則的數(shù)據(jù)挖掘。易燃易爆危險化學(xué)品儲運火災(zāi)爆炸事故關(guān)鍵致險因素關(guān)聯(lián)規(guī)則數(shù)據(jù)挖掘模型如圖3所示。

圖3 關(guān)鍵致險因素關(guān)聯(lián)規(guī)則數(shù)據(jù)挖掘模型Fig.3 Association rules of key risk factors data mining model

2.2.1 易燃易爆危險化學(xué)品儲運火災(zāi)爆炸事故數(shù)據(jù)的清理

易燃易爆危險化學(xué)品儲運火災(zāi)爆炸事故數(shù)據(jù)庫收集了200例事故等級為較大事故以上的事故案例。根據(jù)事故案例原始數(shù)據(jù)信息的完整性，剔除對事故經(jīng)過、原因和處置措施等分析不明確的事故案例，最終篩選得到包括天津港“8·12”瑞海公司危險品倉庫特別重大火災(zāi)爆炸事故、“11·22”中石化東黃輸油管道泄漏爆炸特別重大事故、東營市山東濱源化學(xué)有限公司“8·31”重大爆炸事故、山西省晉中市壽陽縣“11·23”重大爆炸燃燒事故、日照市山東石大科技石化有限公司“7·16”較大著火爆炸事故等在內(nèi)的共計30個事故案例，并對其進行編號。在此基礎(chǔ)之上，將前文經(jīng)過編號的致險因素與經(jīng)過篩選得到的各事故案例一一對應(yīng)。采用0- 1標(biāo)記法，將事故案例涉及到的致險因素在Excel表格中標(biāo)記為1，未涉及到的致險因素標(biāo)記為0。最終得到如下30組易燃易爆危險化學(xué)品儲運事故致險因素分析數(shù)據(jù)，具體見表2所示。

表2 易燃易爆危險化學(xué)品儲運事故致險因素分析統(tǒng)計表

2.2.2 尋找頻繁項集

根據(jù)公式(1)和公式(2)尋找頻繁項集。例如：假設(shè)設(shè)定最小支持度為n，則致險因素P1的支持度表示P1在30個事故案例中出現(xiàn)的頻率不少于n；致險因素組合(P1,M1)的支持度表示P1和M1同時在同一事故編號下出現(xiàn)的頻率不少于n；同理可得到其他致險因素及其組合的支持度；然后從中找出所有滿足支持度不少于n的項集，即為頻繁項集。由于關(guān)鍵致險因素是對事故的發(fā)生起決定性作用的因素，具有數(shù)量少、致災(zāi)率高和發(fā)生率高等特點，因此將含有1個致險因素的頻繁項集稱為關(guān)鍵致險因素。

為了滿足關(guān)鍵致險因素的特性的同時，還能夠獲得足夠數(shù)量的頻繁模式[18]，避免過多或過少的規(guī)則出現(xiàn)。通過重復(fù)多次的遍歷數(shù)據(jù)庫，經(jīng)過對最小支持度的不斷調(diào)整發(fā)現(xiàn)，若設(shè)定致險因素的最小支持度小于23.3%(即7/30=0.233)，將產(chǎn)生大量的中間候選頻繁項集；若大于23.3%，則不能獲得足夠數(shù)量的頻繁模式。根據(jù)定義1，設(shè)定最小支持度為23.3%，最小可信度百分比為90.0%。根據(jù)所包含的關(guān)鍵致險因素的數(shù)量對滿足最小支持度為23.3%和最小可信度百分比為90.0%的頻繁項集進行分類。借助Excel辦公軟件，得到如下頻繁項集。

(1)易燃易爆危險化學(xué)品儲運火災(zāi)爆炸事故的頻繁項集含有1個關(guān)鍵致險因素，如表3所示。

表3 含有1個關(guān)鍵致險因素的頻繁項集

(2)易燃易爆危險化學(xué)品儲運火災(zāi)爆炸事故的頻繁項集含有2個關(guān)鍵致險因素，如表4所示。

(3)易燃易爆危險化學(xué)品儲運火災(zāi)爆炸事故的頻繁項集含有3個關(guān)鍵致險因素，如表5所示。

由表3可以看出，通過對30個易燃易爆危險化學(xué)品儲運火災(zāi)爆炸事故的分析，得到14個關(guān)鍵致險因素，關(guān)鍵致險因素的挖掘簡化了監(jiān)控數(shù)量，降低了控制難度，從而減少管理成本，提高防控效率；由于關(guān)鍵致險因素及其不同數(shù)量的組合是由易燃易爆危險化學(xué)品儲運火災(zāi)爆炸事故案例數(shù)據(jù)庫中分析得出的，根據(jù)公式(3)得出，“各頻繁項集→易燃易爆危險化學(xué)品儲運火災(zāi)爆炸事故”的可信度為100%，即在易燃易爆危險化學(xué)品儲運火災(zāi)爆炸事故數(shù)據(jù)庫中，不同數(shù)量關(guān)鍵致險因素組成的各頻繁項集導(dǎo)致事故發(fā)生的概率為100%；另外，各關(guān)聯(lián)規(guī)則均滿足預(yù)設(shè)的最小支持度閾值(23.3%)和最小可信度閾值(90.0%)，根據(jù)公式(4)得出，各挖掘出的關(guān)鍵致險因素與易燃易爆危險化學(xué)品儲運火災(zāi)爆炸事故之間均為強關(guān)聯(lián)規(guī)則。

表4 含有2個關(guān)鍵致險因素的頻繁項集

表5 含有3個關(guān)鍵致險因素的頻繁項集

3 結(jié)論

(1)本文充分利用事故樹分析事故原因的優(yōu)勢來識別風(fēng)險因素，并確定了各風(fēng)險因素與事故間的因果邏輯關(guān)系；在此基礎(chǔ)上，運用關(guān)聯(lián)規(guī)則計算致險因素與事故的關(guān)聯(lián)性大小，從而精確地甄別出關(guān)鍵致險因素。同時，將易燃易爆危險化學(xué)品儲運火災(zāi)爆炸事故數(shù)據(jù)庫和關(guān)聯(lián)規(guī)則相結(jié)合，既發(fā)揮了數(shù)據(jù)庫的廣度，又展示了關(guān)聯(lián)規(guī)則數(shù)據(jù)挖掘的深度，為挖掘方法的科學(xué)性、準(zhǔn)確性奠定堅實的基礎(chǔ)。

(2)通過關(guān)聯(lián)規(guī)則可信度的分析得出，單一關(guān)鍵致險因素或其組合導(dǎo)致事故發(fā)生的概率為100%，防止單個關(guān)鍵致險因素的發(fā)生是預(yù)防事故的根本；同時，關(guān)鍵致險因素的挖掘簡化了致險因素的監(jiān)控數(shù)量，降低了控制難度，從而減少管理成本，提高了防控效率。

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ExcavationofkeyriskfactorsbasedonApriorialgorithmforfireandexplosioninstorageandtransportationofhazardouschemicals

CHEN Weike, ZHANG Xin

(Department of Management, Tianjin University of Technology, Tianjin 300384, China)

There are various causes for the accidents associated with the storage and transportation of flammable and explosive hazardous chemicals, and thus extraction of key risk factors is essential for reduction of management costs and improvement of accident prevention and control. In this paper, more than 200 accidents are studied, for which the fault tree analysis method is used to establish the accident tree, and 24 risk factors are extracted using the measure of frequency statistics method. The key risk factors are found through the establishment of association rules based on Apriori algorithm for data mining, and the association between the accident and the key risk factors are obtained. The results show that there is a strong association rules between the key risk factors and the accident of hazardous chemicals storage and transportation. In addition, the existence of a single key risk factor or combination of them will greatly improve the probability of accident occurrence. The results provide reference for safety management of storage and transportation of hazardous chemicals.

Hazardous chemicals; Storage and transportation; Fire and explosion accidents; Risk factors; Apriori algorithm; Association rules

1004- 5309(2017)- 00133- 07

10.3969/j.issn.1004- 5309.2017.03.02

2017- 03- 06；修改日期2017- 04- 05

國家自然科學(xué)基金面上項目(71173152); 天津市科技計劃項目(15ZCZDSF00400)

陳偉珂(1961)，女，教授，博士，博士生導(dǎo)師，主要研究方向工程風(fēng)險管理和安全管理工程。

張欣, E- mail: 907918994@qq.com

X937;X932

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