張景鋼，王清焱，趙淑楓

(華北科技學(xué)院 安全工程學(xué)院，北京 101601)

風(fēng)險分析評估是礦山安全管理工作中非常重要的環(huán)節(jié)，而傳統(tǒng)的安全評價存在一定局限性。如煤礦生產(chǎn)系統(tǒng)，由于不同煤礦的地質(zhì)條件差異較大，事故災(zāi)變的發(fā)生與煤礦生產(chǎn)的過程并非呈單一的線性關(guān)系，而是表現(xiàn)出一種錯綜復(fù)雜的關(guān)系[1-2]，如果操作環(huán)節(jié)存在不安全的影響因素或某一步產(chǎn)生失誤將會給整個系統(tǒng)帶來安全隱患。這些缺陷導(dǎo)致評價的結(jié)果不夠精準(zhǔn)與全面、不能精確地揭示煤礦確定性和非確定性的規(guī)律、不能隨機(jī)應(yīng)對各種控制參數(shù)的改變；當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生改變時不能進(jìn)行不同狀態(tài)下的安全分析，只能反映某段時間某個狀態(tài)下的安全特征，不能對工作的整體系統(tǒng)進(jìn)行全面地分析。因此研究出新的分析方法對煤礦進(jìn)行安全評價迫在眉睫[3-4]。筆者通過引入基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的HAZOP-LOPA方法，結(jié)合煤礦具體條件建立安全風(fēng)險評價體系，并對該評價體系進(jìn)行實例應(yīng)用驗證，能為煤礦安全風(fēng)險評價方法的研究提供更多的探索方法和更實用的技術(shù)。

1 危險與可操作性分析(HAZOP)

1.1 HAZOP分析方法概述

HAZOP已在石油、化工行業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。HAZOP研究是為了識別在使用或生產(chǎn)高度危險材料的裝置中可能存在的危險。對工藝單元、操作步驟、流程中存在的潛在風(fēng)險進(jìn)行分析，通過對偏差問題分析，了解偏差產(chǎn)生的具體原因和可能后果，然后根據(jù)實際情況研究防護(hù)方法和措施。

1.2 HAZOP法在煤礦安全風(fēng)險評價應(yīng)用中需改進(jìn)的環(huán)節(jié)

對HAZOP法在煤礦安全風(fēng)險評價應(yīng)用結(jié)果的分析，認(rèn)為該方法存在以下3個可改進(jìn)的環(huán)節(jié)：

1)無法定量分析每一個偏差所造成的風(fēng)險水平及該風(fēng)險水平與可接受范圍的差距有多大；無法明確分析采取的安全防護(hù)措施是否已經(jīng)消除或降低風(fēng)險到可以接受的水平內(nèi)。

2)不能確定每項安全防護(hù)措施是否對所有偏差、后果都有防護(hù)作用，也不能明確安全措施作用大小，降低多少風(fēng)險，是否會影響或降低其他安全措施的防護(hù)作用。

3)HAZOP法對于更復(fù)雜的事故場景，可以識別事故場景的始發(fā)事件，但很容易忽視條件事件和一些安全防護(hù)措施，會降低風(fēng)險評估的客觀性和準(zhǔn)確性[5]。

2 LOPA與HAZOP分析方法的結(jié)合

2.1 防護(hù)層分析(LOPA)方法概述

防護(hù)層分析是半定量工藝危害分析方法之一。用于確定所分析危險場所的危險程度；定量計算危險發(fā)生的概率、現(xiàn)有防護(hù)層的防護(hù)能力和失效概率；若發(fā)現(xiàn)防護(hù)措施不足時，可計算所需防護(hù)措施的等級。

防護(hù)層是一種防護(hù)措施，一些防護(hù)層防護(hù)功能是獨(dú)立的；另一些防護(hù)層則需依靠其他的防護(hù)措施相互作用以達(dá)到降低風(fēng)險的目的[6]。故可把防護(hù)層分為兩類：事件阻止層和后果減弱層。事件阻止層能阻止危險發(fā)生；后果減弱層是作用于已經(jīng)發(fā)生的危險，在危險發(fā)生以后能把危害的程度降至最低。獨(dú)立防護(hù)層是指獨(dú)立、單獨(dú)地存在情景之中的最初的始發(fā)事件。

2.2 HAZOP-LOPA法在煤礦安全風(fēng)險評價中的可用性分析

HAZOP法的定性分析能夠得到事故場景，LOPA法的半定量評價功能可以計算出事故發(fā)生的頻率和防護(hù)層失效的概率。定性分析得不出危險等級具體有多高，看不出離安全還有多少等級，不能具體給出現(xiàn)有的安全措施對防范危險能起到多少實際的作用。單純使用HAZOP法不能準(zhǔn)確地對風(fēng)險進(jìn)行評價分析，故需要把HAZOP法與LOPA法相結(jié)合，利用HAZOP法分析得到產(chǎn)生偏差的可能性并對相應(yīng)的原因進(jìn)行LOPA法分析，通過分析判斷獨(dú)立防護(hù)層的措施是否合理，對危險因素嚴(yán)重程度的細(xì)致分析、對事故場景進(jìn)行科學(xué)篩選，最后結(jié)合實際生產(chǎn)情況給出建議并確定防護(hù)層。然后將HAZOP分析的結(jié)果再經(jīng)過LOPA分析，從而完善之前的分析評價結(jié)果，真正實現(xiàn)HAZOP法與LOPA法信息共享、技術(shù)結(jié)合。

2.3 LOPA法與HAZOP法的融合機(jī)理

將LOPA法應(yīng)用于HAZOP法分析可有效地改進(jìn)HAZOP法的缺陷與不足，細(xì)化分析結(jié)果與內(nèi)容，提供更全面、準(zhǔn)確的決策信息與內(nèi)容。

LOPA法與HAZOP法的融合機(jī)理：

1)熟悉工藝分析的對象和意圖，收集整理相關(guān)數(shù)據(jù)。

2)通過對工藝、設(shè)備圖紙分析，了解設(shè)計資料、運(yùn)行記錄、相關(guān)檢測資料和報告內(nèi)容。

3)通過偏差識別，了解其潛在的危險問題、原因及始發(fā)事件，分析其后果和事故情景，結(jié)合具體信息確定事件內(nèi)容，了解始發(fā)事件、條件事件和后果事件的具體頻率。

4)分析未減輕事件的發(fā)生頻率和具體等級。未減輕事件的發(fā)生頻率是始發(fā)事件、條件事件和后果事件頻率的乘積。

5)綜合分析提供的信息，確定潛在事故及其等級，并計算事故頻率等級，再進(jìn)行評價分析。

6)識別、分析安全措施和獨(dú)立防護(hù)層，確定失效概率，計算安全措施進(jìn)行獨(dú)立防護(hù)狀態(tài)，確定事故隱患，降低事故風(fēng)險，得到減輕事件的發(fā)生頻率及未減輕事件具體發(fā)生頻率與各獨(dú)立防護(hù)層安全措施失效概率的乘積。

若剩余風(fēng)險達(dá)到可接受的水平，則無需采取措施和建議。否則，就要根據(jù)實際情況提出安全對策和措施，把剩余風(fēng)險減少到可接受的范圍。

在對煤礦安全風(fēng)險評價時，由HAZOP法到LOPA法從定性到半定量層層推進(jìn)，具體方法步驟如圖1所示。

圖1 HAZOP-LOPA方法流程圖

采用HAZOP法分析時，首先確定要分析的對象并獲取過程或設(shè)備的相關(guān)數(shù)據(jù)；然后將被分析對象劃分為幾個單元，劃分節(jié)點(diǎn)，通過相關(guān)參數(shù)和關(guān)鍵字的組合建立偏差，分析偏差導(dǎo)致的后果，根據(jù)企業(yè)自身的事故后果分級，確定后果等級，并確定現(xiàn)有的防護(hù)措施(獨(dú)立防護(hù)層和非獨(dú)立防護(hù)層)；如果事故的后果等級較小，則提出相應(yīng)的建議和措施，準(zhǔn)備報告，并結(jié)束分析。

采用HAZOP法分析之后，根據(jù)確定的危害和危害等級，進(jìn)行風(fēng)險矩陣的傷害估計和風(fēng)險評估，確定已識別危害的風(fēng)險等級。對于低風(fēng)險方案，只進(jìn)行定性分析；對于高風(fēng)險和復(fù)雜的事故，使用LOPA法進(jìn)行分析，根據(jù)HAZOP法分析得到的數(shù)據(jù)，從數(shù)據(jù)庫中找出事件概率(IEF)和獨(dú)立防護(hù)層(IPL)的所需故障率(PFD)，并計算降低風(fēng)險后的事件發(fā)生頻率，計算公式如下：

(1)

通過與煤礦可接受的風(fēng)險標(biāo)準(zhǔn)比較，可以判斷剩余風(fēng)險水平是否能被接受。 如可以接受，則結(jié)束分析；如風(fēng)險仍然高于可接受的水平，則需要增加額外的防護(hù)層。

2.4 HAZOP-LOPA分析方法的特點(diǎn)

1)由HAZOP法分析可以初步篩選出風(fēng)險比較高的事故場景，針對HAZOP法無法分析偏差導(dǎo)致的不良風(fēng)險后果及安全防護(hù)措施等問題，通過LOPA法對事故場景的風(fēng)險及防護(hù)層是否有效進(jìn)行評價，確定在事故場景中剩余風(fēng)險的等級，找出降低風(fēng)險的科學(xué)辦法，分析結(jié)果會更加精準(zhǔn)可靠。

2)HAZOP法是一種定性的分析方法，而LOPA法是采用半定量的方式對事故進(jìn)行分析，LOPA法在HAZOP法分析中的應(yīng)用可以有效地改進(jìn)HAZOP法的缺陷與不足、細(xì)化分析結(jié)果與內(nèi)容、提供更全面與準(zhǔn)確的決策信息和內(nèi)容。實現(xiàn)優(yōu)勢互補(bǔ)，讓安全評價既得到定性分析又得到定量分析結(jié)果。

3 貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型的應(yīng)用

3.1 貝葉斯網(wǎng)絡(luò)原理

貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型的關(guān)鍵是有向無環(huán)圖(DAG)，有向無環(huán)圖是通過節(jié)點(diǎn)和有向弧組成的視覺形式向人們傳達(dá)復(fù)雜的變量關(guān)系。研究變量反映在節(jié)點(diǎn)上，變量中的因果關(guān)系反映在由父節(jié)點(diǎn)傳遞到子節(jié)點(diǎn)的有向弧上。所有節(jié)點(diǎn)均以聯(lián)合概率分布的方式被定義在貝葉斯網(wǎng)絡(luò)中。條件頻率分布是貝葉斯網(wǎng)絡(luò)對問題進(jìn)行推理的關(guān)鍵，貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的概率分布公式如下：

P(A,B,C)=P(A,B)P(C|A,B)=P(A)P(B)·P(C|A,B)

(2)

就事件A來說，假如影響事件的集合為V=(V1，V2，…，Vn)，V為總共發(fā)生的事件數(shù)，則其貝葉斯公式如下:

(3)

式中：P(Vi|A)為Vi后驗概率，i=1，2，…，n；P(A|Vi)為事件Vi發(fā)生時事件A發(fā)生的概率，即條件概率；P(Vi)為Vi先驗概率；P(A)為事件A發(fā)生的概率。

節(jié)點(diǎn)聯(lián)合概率分布P(V)為:

(4)

式中Va(Vi)為節(jié)點(diǎn)Vi的所有父節(jié)點(diǎn)。

3.2 基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的LOPA分析方法

采用LOPA法時，首先找出較危險事故的場景，估算場景存在的風(fēng)險，計算發(fā)生事故的概率是多少、可能導(dǎo)致后果的嚴(yán)重性及獨(dú)立防護(hù)層的失效概率。對系統(tǒng)整個過程中所有可能出現(xiàn)事故的場景進(jìn)行分析，然后分析是否可以通過加裝防護(hù)措施把風(fēng)險降到企業(yè)可以接受的程度以下[7]。

采用LOPA方法，通過計算機(jī)械設(shè)備的失效概率對整個系統(tǒng)場景中的風(fēng)險進(jìn)行定量分析[7]，若得到的結(jié)果風(fēng)險等級過高，則必須采取一定的措施使風(fēng)險等級被控制在企業(yè)能承受的分險等級范圍內(nèi)。在確立事件發(fā)生時可以參考網(wǎng)絡(luò)模型中的事件發(fā)生的條件和各個事件之間的關(guān)系，得到各個事件的后驗概率，明確指出現(xiàn)場風(fēng)險的控制方向。在LOPA法的各個防護(hù)層中插入貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型，能極大地提高計算結(jié)果的準(zhǔn)確度。

在完成LOPA方法的分析后，獨(dú)立防護(hù)層的失效概率通過貝葉斯網(wǎng)絡(luò)算法進(jìn)行分析，在貝葉斯可視化軟件“GeNie”中進(jìn)行操作，構(gòu)建貝葉斯模型，完成貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型的分析和計算。

4 HAZOP-LOPA分析方法在煤礦安全生產(chǎn)中的應(yīng)用

將HAZOP-LOPA分析方法應(yīng)用于煤礦瓦斯爆炸事故分析中，從人、機(jī)、環(huán)、管4個方面找出最能導(dǎo)致瓦斯爆炸的因素，先采用HAZOP法對每個因素進(jìn)行相關(guān)性分析；搭建與煤礦瓦斯爆炸致因相關(guān)的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型，利用LOPA法分析煤礦瓦斯爆炸事故發(fā)生過程中最能導(dǎo)致事故發(fā)生的因素及發(fā)生風(fēng)險的概率，判斷預(yù)防煤礦瓦斯爆炸事故的措施是否有效、煤礦瓦斯爆炸防范的理論依據(jù)是否可靠。

4.1 相關(guān)參數(shù)和數(shù)據(jù)的選取

以2010—2018年為時間段，參考國家礦山安全監(jiān)察局煤礦事故分析報告[8]，共檢索到58起比較嚴(yán)重的煤礦瓦斯爆炸事故分析的調(diào)查報告。選取能引起煤礦瓦斯爆炸事故發(fā)生的危險因素，從58起煤礦瓦斯爆炸事故中提煉出關(guān)鍵詞，并進(jìn)行頻率統(tǒng)計，結(jié)果如表1所示。

表1 煤礦瓦斯事故調(diào)查報告關(guān)鍵詞

以關(guān)鍵詞頻率作為基礎(chǔ)，結(jié)合實際情況，參考相關(guān)文獻(xiàn)，對人、機(jī)、環(huán)、管4個方面進(jìn)行綜合全面的分析，最后得到作為研究要素的19個變量[9]。瓦斯爆炸致因研究要素如表2所示。

表2 瓦斯爆炸致因研究要素

4.2 貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型構(gòu)建及驗證

1)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型構(gòu)建

在貝葉斯網(wǎng)絡(luò)軟件“GeNie”中輸入已經(jīng)得到的樣本信息，建立初步的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型。后期在對貝葉斯網(wǎng)格模型進(jìn)行調(diào)整改進(jìn)時要參考相關(guān)的變量，最后得到反映煤礦瓦斯爆炸事故致因的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型，如圖2所示。

圖2 反映煤礦瓦斯爆炸事故致因的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型

圖2能明確反映出煤礦瓦斯爆炸事故發(fā)生的誘導(dǎo)因素，以及各個因素之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。選取B節(jié)點(diǎn)即“瓦斯爆炸”作為本次研究的對象，其他節(jié)點(diǎn)為導(dǎo)致瓦斯爆炸的各種相關(guān)要素；其余節(jié)點(diǎn)間的連線反映原因與結(jié)果的關(guān)系。

2)模型驗證

對所設(shè)計的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行交叉驗證(Cross-Validation)，增加模型預(yù)測的準(zhǔn)確性和可靠性。使用交叉驗證方法(Leave One Out Cross Validation， LOO-CV)，在工具欄中選取“GeNie”中的按鈕“Validate”，選擇驗證方法 “Leave oneout”，計算各節(jié)點(diǎn)在模型中的精度，驗證結(jié)果如表3所示。

表3 貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型交叉驗證結(jié)果

由表3可知，預(yù)測精度最高為0.986，通過計算得到整體預(yù)測精度為0.886。因此，所建立的反映煤礦瓦斯爆炸事故致因的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型的預(yù)測精度較高，可用于致因分析和推理。

3)節(jié)點(diǎn)后驗概率分布

在貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型中，證據(jù)節(jié)點(diǎn)被確定為B節(jié)點(diǎn)(以確定瓦斯爆炸事故發(fā)生的概率為100%)，如果瓦斯爆炸已發(fā)生，最可能發(fā)生的致因是瓦斯含量超標(biāo)(E4取值為1)，發(fā)生的概率最高可達(dá)到96%；其次較可能發(fā)生的致因是概率為91%的瓦斯漏檢(H3取值為1)；有66%的概率可能發(fā)生違規(guī)生產(chǎn)、開采(M9取值為1)；有55%的概率可能產(chǎn)生電火花(D2取值為1)；有53%的概率可能發(fā)生違章爆破(H2取值為1)；還有44%的概率是因為頂板不穩(wěn)定(E5取值為0)。故在本文中選取最可能導(dǎo)致事故發(fā)生的致因進(jìn)行分析[10-12]。

4.3 HAZOP-LOPA方法與貝葉斯網(wǎng)絡(luò)技術(shù)風(fēng)險分析

由上述分析可知，瓦斯超限風(fēng)險是貝葉斯網(wǎng)絡(luò)故障節(jié)點(diǎn)，對該節(jié)點(diǎn)所包含的采空區(qū)瓦斯涌出量的程度采用HAZOP-LOPA方法進(jìn)行風(fēng)險分析，分析結(jié)果如表4、表5所示。

表4 基于HAZOP法分析后的LOPA法分析結(jié)果(一)

表5 基于HAZOP法分析后的LOPA法分析結(jié)果(二)

由表4、表5可知，采空區(qū)瓦斯含量高這一事故場景沒有降低事件的頻率，未減輕事件頻率為2.00×10-5，超過了其風(fēng)險的可接受值(容許值)1.00×10-5，在采取優(yōu)化通風(fēng)系統(tǒng)及設(shè)置瓦斯傳感器報警 2種獨(dú)立防護(hù)層措施后，事故發(fā)生頻率由2.00×10-5降至4.00×10-8，且風(fēng)險等級由未減輕事件的8級降至減輕事件的4級剩余風(fēng)險等級，使剩余風(fēng)險下降到了可以接受的范圍內(nèi)。因此，說明設(shè)置瓦斯傳感器和優(yōu)化通風(fēng)系統(tǒng)2種獨(dú)立防護(hù)層可起到降低風(fēng)險的作用，分析結(jié)果表明不需要增加其他的安全防護(hù)措施。如果現(xiàn)有的瓦斯傳感器和優(yōu)化的通風(fēng)系統(tǒng)不能將剩余的風(fēng)險降低到可接受的范圍，則有必要進(jìn)一步增加適當(dāng)?shù)陌踩雷o(hù)措施，直到將剩余風(fēng)險降低到可接受范圍內(nèi)。由此可知，LOPA法進(jìn)一步豐富了HAZOP法的分析結(jié)果，為管理者的安全決策提供了更直接、更清晰、更可靠的信息。如果將LOPA法的分析結(jié)果返回HAZOP法進(jìn)行分析，則可得到更完善的分析結(jié)果，如表6、表7所示[13]。

表6 HAZOP法分析完善后的結(jié)果(節(jié)選部分)

表7 HAZOP法分析完善后的結(jié)果(節(jié)選部分)

5 結(jié)論

1)充分考慮了傳統(tǒng)安全風(fēng)險評估方法在信息條件不確定情況下的局限性，將基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的HAZOP-LOPA綜合安全評價方法引入煤礦安全風(fēng)險評估中。

2)因為HAZOP法無法具體分析出偏差引起結(jié)果的概率及現(xiàn)有防護(hù)措施的有效性，為了彌補(bǔ)傳統(tǒng)安全評價方法的缺陷，有必要將LOPA法引入HAZOP法中進(jìn)行分析。

3)LOPA法是一種半定量風(fēng)險評估方法，通過數(shù)據(jù)分析，準(zhǔn)確地確定風(fēng)險和事故情景，并將風(fēng)險與臨界值進(jìn)行比較。確定HAZOP法作業(yè)分析中存在的風(fēng)險是否可以被接受，安全防護(hù)措施是否適當(dāng)有效，是否需要增加新的安全防護(hù)措施，為HAZOP法作業(yè)分析系統(tǒng)的設(shè)計和改進(jìn)提供依據(jù)。

4)理論分析和應(yīng)用表明，基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的HAZOP-LOPA方法適用于煤礦瓦斯爆炸事故分析，該方法可直觀地找出生產(chǎn)中的危險因素和薄弱環(huán)節(jié)，從而有針對性地采取措施。相較于傳統(tǒng)的分析方法其更加科學(xué)合理，同時驗證了其有效性與可行性，該方法有助于為管理者提供更完善的安全決策信息。

5)基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的HAZOP-LOPA方法不僅適用于煤礦瓦斯爆炸事故分析與評價，還適用于煤與瓦斯突出等多因素耦合的煤礦事故的分析與評價。