考虑结构特性的化工事故关键致因网络分析*

刘 丹，王 侃，戴福祥，王 喆

(1.武汉理工大学 中国应急管理研究中心，湖北 武汉 430070；2.武汉理工大学 安全科学与应急管理学院，湖北 武汉 430070；3.武汉理工大学 研究生院，湖北 武汉 430070)

0 引言

我国作为世界第1化工大国，危化品生产经营单位已达21万家，涉及2 800多个种类，2018年产值即达到全国GDP的13.8%，在国民经济和社会发展中具有重要地位[1]。化工产业快速发展的同时，仍旧存在整体安全条件差、管理水平低、重大安全风险隐患集中等问题[2]，导致重特大事故时有发生，造成巨大经济损失与严重人员伤亡[3]。2019年应急管理部发布《化工园区安全风险排查治理导则(试行)》和《危险化学品企业安全风险隐患排查治理导则》，2020年，中共中央办公厅、国务院办公厅印发《关于全面加强危险化学品安全生产工作的意见》，均强调“要全面深入排查化工园区和危险化学品企业安全风险，有力防范化解系统性安全风险”。事故的发生往往是由一系列相关因素共同作用，从“系统性、全链条”角度出发，基于历史事故发生的过程，统计事故发生的风险因素，分析风险因素之间的联系，为改善化工企业安全管理现状、降低化工事故提供科学参考和理论依据。

关于安全事故致因分析，国内外学者已开展大量研究，早期主要聚焦于事故树、灰色层次分析、解释结构模型、贝叶斯网络等方法，将事故因素建模为“树”状结构进行分析，近年来研究趋势逐步从“树”状结构过渡到“网络”结构，基于复杂网络分析识别关键致因因素。Deng等[4]分析126起煤矿典型事故，建立煤矿风险网络模型，通过研究网络的直径、密度、平均路径长度、度、介数和聚类系数6个参数揭示煤矿事故网络的拓扑特性；Guo等[5]基于复杂网络建立建筑行业事故行为风险链网络，分析网络的5种拓扑属性，确定建筑行业事故中关键风险因素；孟祥坤等[6]建立海底管道泄漏演化网络模型，分析节点度与聚类系数，确定网络中的关键节点；Lu等[7]从事故利益相关者角度出发建立地铁建设安全风险网络分析模型，确定地铁事故利益相关者与安全风险因素之间的关系；Lam等[8]依据Kim等[9]提出的铁路事故致因因素的分类方法，将构建成的铁路事故网络中的风险节点归纳为9个主要类别，分析网络收缩前后的联系与差异；Ma等[10]根据Rasmussen提出的风险管理框架，确定了与事故发生有关的6个相关类别，构建事故网络模型；陈全等[11]基于“人、物、环境、管理”4类主风险因素建立化工事故致因网络模型。上述研究主要针对煤矿、建筑、交通等领域的安全事故，化工事故致因分析尚不多见，且所建立的网络模型多为无向网络。化工事故具有因果性、耦合性等特点，无向网络模型未考虑到风险因素在事故链中的干预顺序，无法表达化工事故因果性带来的因素间风险有向传递，少数有向网络模型仅从度值和介数等方面分析网络中关键节点及其重要性，尚未分析不同类别风险因素因果关系产生的结构特性。

本文从事故致因理论的角度出发，通过对2016—2020年64起化工事故案例进行风险因素统计分析提取事故链，基于复杂网络构建化工事故致因有向网络模型，引入结构洞分析在风险传递中具有强影响力的关键风险因素，构建化工事故凝聚网络，分析凝聚节点之间的因果关系，揭示化工事故的发生机理。

1 数据收集

收集整理2016—2020年应急管理部以及地方应急管理机构公开的化工事故调查报告中事故案例64起，造成直接经济损失超过25亿元，伤亡人数611人，事故类型包括爆炸事故(21起)、火灾事故(10起)、中毒或窒息事故(16起)、灼伤事故(4起)、高空坠落事故(8起)、机械伤害事故(5起)，不同类型事故造成的经济损失与人员伤亡统计如表1所示。

表1 不同类型事故造成的经济损失与人员伤亡统计

2 化工事故网络模型构建

2.1 复杂网络理论

1)节点度。网络中某节点的度值越大，表明该节点直接连接的邻居节点越多，影响的邻居节点越多，在网络中重要性与影响力越大[12]。在有向网络中，节点的度分为入度与出度，节点的度值为入度值与出度值之和。节点和结构洞概念示例如图1所示(圆点表示节点，有向线段表示节点之间存在连接关系)，节点V1的入度值为0，出度值为3，因此总度值为3。

图1 节点和结构洞概念示例

2)结构洞[13]。结构洞是指非冗余接触的节点之间存在的空隙，即某个或某些节点与有些节点直接连接，但与网络中其他节点不存在直接连接，从网络整体看好像网络结构中出现了空洞。在网络中拥有更多结构洞的节点影响力更大，在信息传递中更为重要。图1示例中，节点V2，V3，V4之间存在非冗余接触，即没有直接相连，节点V1与这3个节点直接相连，占据了3个结构洞的位置。

3)网络约束系数[14]。衡量节点形成结构洞的能力，节点的约束系数值越低，表明邻居节点之间闭合性越弱，更容易形成结构洞，在网络信息传递中影响力更大[15]。图1中节点V1的约束系数值0.333，为该网络中约束系数值最小的节点。

2.2 事故链分析与提取

对64起化工事故进行文本分析，归纳整理同类型的因素，提取事故发生的风险因素42个，事故结果6种，并进行编码，风险因素用F表示，事故结果用R表示，提取的事故因素与结果如表2所示。

表2中48个节点作为化工事故链的节点，根据文献[9]中事故链建立方法提取事故案例的有向事故链，从事故第1个致因因素开始，直至事故结果的发生，过程中可能受到多个致因因素的干预，不同案例中的致因因素的干预顺序不完全相同。选取1个事故案例展示事故链提取的过程与方法，事故案例的事故链提取示例如表3所示。

表2 提取的事故因素与结果

表3 事故案例的事故链提取示例

2.3 网络的构建

从选取的64个化工事故案例中提取事故发生的直接原因，根据事故原因的描述提取网络构建所需要的风险节点与结果节点，随后根据事故发生时因素之间的因果关系构建风险因素节点之间的有向边，直至结果节点，共提取制定出64条事故链，最后根据表2的事故因素与结果的编码建立节点的邻接矩阵，导入Pajek中构建化工事故网络，边的总数为229条，其中多重边107条，化工事故网络图如图2所示(空心节点为因素节点，实心节点为结果节点)。Pajek是用于研究复杂非线性网络的程序，目前有一些学者已使用Pajek软件进行事故网络的构建与分析[4-5]。

图2 化工事故网络图

结果分析：

1)存在多重边，即在多个事故链中，事故的致因因素之间存在着重复的关联。如在6个案例中出现了关键阀门故障导致化学物质泄漏，在4个案例中出现了工人不适当的操作导致其他化学物质进入反应系统。

2)存在双向连接，如节点F6(违规违章作业)与节点F22(其他化学物质混入反应系统)中存在1条双向连接，这是由于在不同案例的事故链中致因因素的干预顺序不完全相同，如在案例张掖耀邦化工科技有限公司“9·14”较大中毒生产安全事故的事故链中是由工人违规违章作业致使其他化学物质混入反应系统，导致事故的发生，案例江苏连云港聚鑫生物科技有限公司“12·9”重大爆炸事故则是由设备的质量缺陷致使其他化学物质混入反应系统，之后工人的违规违章作业导致事故发生。

3)存在1链多结果，如在案例山西晋煤天源化工有限公司“11·5”高处坠落事故的事故链中工人作业时缺乏个人防护设备→窒息→坠落，案例安徽省安庆市万华油品有限公司“4·2”爆燃事故的事故链中爆炸→引燃了现场堆放的物料→引发着火。

3 网络分析

3.1 关键致因因素分析

1)度值分析。通过Pajek计算化工事故网络的密度为0.101，网络直径为9，网络平均最短路径为3.62，平均度值为9.54。化工事故网络中各节点的度值如图3所示。

由图3可知，致因因素节点的总度值相对较高的6个节点为F5，F21，F3，F6，F22，F7，是导致化工事故发生的6个主要因素。事故结果节点中的总度值最高的节点为R1，并且其入度值与出度值为结果节点中最高，表明不仅化工事故的结果大多为爆炸，并且爆炸还会引起其他类型事故的发生。

图3 化工事故网络中各节点的度值

2)结构洞分析。考虑节点在网络中的位置，对因素节点进行结构洞分析，通过Pajek计算网络因素节点的约束系数值，系数值越低表明与节点直接相连的邻居节点数量越多以及邻居节点的闭合性越低，结构洞越多。各节点的约束系数如图4所示，约束系数值相对较低的6个节点分别为F11,F6,F13,F22,F7,F3，这些节点在化工事故网络中结构洞较多，为事故网络风险传递的关键节点。

图4 各节点的约束系数

在结构洞分析的结果中出现了2个新的潜在关键节点F11与F13，这2个节点在度值分析中总度值并不高，但是由于其邻居节点之间的闭合程度低，因此节点F11与F13占据了较多的结构洞位置，周围的邻居节点只能通过节点F11，F13进行风险的继续传递。

综合事故网络的度值分析与结构洞分析，可知化工事故中关键致因因素为火花(F5)、作业时缺乏个人防护设备(F21)、化学物质泄漏扩散(F3)、违规/违章作业(F6)、其他化学物质混入反应系统(F22)、不适当的操作(F7)、化学物料喷出(F11)、作业场所不具备安全生产条件(F13)。

3.2 凝聚网络分析

根据事故致因理论，将表2中提取的42个致因因素节点替换为3个新的凝聚节点，分别为人的不安全行为(G1)、设备的不安全状态(G2)、环境的不安全状态(G3)，其中人的不安全行为主要与作业人员的行为有关；设备的不安全状态根据化工场所设备设施的运行状况进行分类；环境的不安全状态主要与作业环境的状况有关。根据化工事故造成的经济损失与人员伤亡数量对事故结果节点进行分类，将6个结果节点替换为3个新的凝聚节点，分别为特别严重事故(S1)、严重事故(S2)、一般事故(S3)，其中特别严重事故包括爆炸与火灾，严重事故包括中毒或窒息与灼伤，一般事故包括坠落与机械伤害。

建立的化工事故凝聚网络，如图5所示(空心节点为凝聚因素节点，实心节点为凝聚结果节点)，边的总数为131条，其中多重边115条。凝聚因素节点之间的连接比例如表4所示，凝聚节点的入度、出度、总度值如表5所示。结果分析：

表4 凝聚因素节点之间的连接比例

表5 凝聚节点的入度、出度、总度值

图5 化工事故凝聚网络

1)凝聚后的网络密度为4.37，远高于未凝聚的事故网络，表明化工事故大多是在不同类别的因素共同影响下发生。人的不安全行为与设备的不安全状态存在最多的连接，表明在化工事故中二者存在显著的关联关系，131条连接中有21条连接是由人的不安全行为致使设备的不安全状态，表明在化工事故网络中存在16%与人的不安全行为有关的风险因素会进一步造成设备的不安全状态。

2)在凝聚因素节点中，人的不安全行为出度值最高，表明在大多数化工事故中是由人的不安全行为引发的其他风险因素的产生；环境的不安全状态入度值最高，表明有许多风险因素是通过环境的不安全状态进一步传递和发展。人的不安全行为与环境的不安全状态总度值相对较高，为凝聚网络中关键节点。

3)在凝聚结果节点中，特别重大事故的入度值最高，表明多数化工事故均会导致特别重大事故的发生；特别重大事故的出度值为2，重大事故出度值为1，表明在化工事故中特别重大事故的发生可能进一步引起重大事故的发生，重大事故的发生可能进一步引起一般事故的发生，而一般事故一般不会引起特别重大事故与重大事故的发生。

4 结论

1)化工事故是由多种因素共同影响耦合作用下发生，关键致因因素与结构洞分析结果表明，火花、作业时缺乏个人防护设备、化学物质泄漏扩散、违规/违章作业、其他化学物质混入反应系统、不适当的操作、化学物料喷出、作业场所不具备安全生产条件为化工事故中关键的8个致因因素，在这8个致因因素中，人的不安全行为与环境的不安全状态所占因素比例为87.5%。

2)凝聚网络分析结果表明，存在16%与人的不安全行为有关的致因因素会引发设备的不安全状态，存在13%与人的不安全行为有关的致因因素会引发环境的不安全状态，人不安全行为致使设备的不安全状态与环境的不安全状态在凝聚网络中连接比例高达29%，存在显著的因果关系。此外，凝聚节点度值分析的结果印证与补充了关键致因因素分析的结果。

3)在复杂网络中进行关键节点排序时，应考虑节点在网络中的位置进行综合评判，引入结构洞分析，找出一些在网络中具有较强影响力的潜在关键节点。未来可进一步研究风险因素间的级联效应及风险因素重要性排序方法。