SAM-FFTA-ANP在高校实验室中的应用_杨智雯.pdf
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1、第4 8卷 第3期2 0 2 3年6月 广西大学学报(自然科学版)J o u r n a l o fG u a n g x iU n i v e r s i t y(N a t u r a lS c i e n c eE d i t i o n)V o l.4 8N o.3J u n.2 0 2 3 收稿日期:2 0 2 2-1 2-1 8;修订日期:2 0 2 3-0 3-1 8 基金资助:国家自然科学基金项目(5 2 2 6 4 0 1 4);广西自然科学基金项目(2 0 2 0 G X N S F AA 2 9 7 0 3 7)通讯作者:李晓泉(1 9 7 2),男,黑龙江七台河人,广西
2、大学副教授,博士;E-m a i l:l x q 0 9 2 7 g x u.e d u.c n。引文格式:杨智雯,李晓泉,钟远焜,等.S AM-F F T A-AN P在高校实验室中的应用J.广西大学学报(自然科学版),2 0 2 3,4 8(3):7 4 3-7 5 3.D O I:1 0.1 3 6 2 4/j.c n k i.i s s n.1 0 0 1-7 4 4 5.2 0 2 3.0 7 4 3S AM-F F T A-A N P在高校实验室中的应用杨智雯,李晓泉*,钟远焜,刘晓妍(广西大学 资源环境与材料学院,广西 南宁5 3 0 0 0 4)摘要:为了减少或避免实验室火灾事
3、故带来的一系列损失,提出了一种基于相似度聚合法的模糊故障树分析方法(s i m i l a r i t ya g g r e g a t i o nm e t h o d-f u z z yf a u l tt r e ea n a l y s i s,S AM-F F TA),并与网络层次分析法(a n a l y t i cn e t w o r kp r o c e s s,AN P)相结合,完善了故障树中各原因事件相互依赖的关系,有效地弥补使用单一方法时的不足。首先基于危机生命周期理论分析得出高校实验室火灾演化过程;其次,根据S AM-F F TA合理聚合多位专家的不同意见,得到故障树
4、中各基本事件的失效概率;最后,采用AN P建立了高校实验室火灾评价结构模型,进一步研究致因中影响性较大的事件。结果表明,电气故障是导致实验室火灾发生的最主要因素,同时,高温热源和化学品的管理也对实验室火灾影响显著。关键词:模糊故障树分析法;相似度聚合法;网络层次分析法;实验室火灾中图分类号:X 9 2 8.7 文献标识码:A 文章编号:1 0 0 1-7 4 4 5(2 0 2 3)0 3-0 7 4 3-1 1A p p l i c a t i o no fS AM-F F T A-A N Pi nu n i v e r s i t y l a b o r a t o r i e sYANG
5、Z h i w e n,L IX i a o q u a n*,Z HONGY u a n k u n,L I UX i a o-y a n(S c h o o l o fR e s o u r c e s,E n v i r o n m e n t a n dM a t e r i a l s,G u a n g x iU n i v e r s i t y,N a n n i n g5 3 0 0 0 4,C h i n a)A b s t r a c t:I no r d e r t or e d u c eo ra v o i das e r i e so f l o s s e sc
6、 a u s e db yl a b o r a t o r yf i r ea c c i d e n t s,af u z z y f a u l t t r e e a n a l y s i sm e t h o db a s e do n t h e s i m i l a r i t ya g g r e g a t i o nm e t h o d(S AM-F F T A)i sp r o p o s e d,a n d c o m b i n e d w i t h a n a l y t i c n e t w o r k p r o c e s s(AN P)t o i
7、m p r o v e t h ei n t e r d e p e n d e n c eo ft h ec a u s ee v e n t si nt h ef a u l tt r e ea n de f f e c t i v e l yc o m p e n s a t ef o rt h es h o r t c o m i n g sw h e n u s i n gas i n g l e m e t h o d.A tf i r s t,i tr e a s o n e d o u tt h ee v o l u t i o n o fu n i v e r s i t y
8、l a b o r a t o r yf i r e sa c c o r d i n gt ot h et h e o r yo fc r i s i sl i f ec y c l e.S e c o n d,t h ef a i l u r ep r o b a b i l i t yo fe a c hb a s i ce v e n ti nt h ef a u l tt r e ew a so b t a i n e db yr e a s o n a b l ya g g r e g a t i n gd i f f e r e n t o p i n i o n s o f s
9、 e v e r a l e x p e r t s a c c o r d i n g t oS AM-F F T A.F i n a l l y,a s t r u c t u r a lm o d e l f o re v a l u a t i n gl a b o r a t o r yf i r e si nu n i v e r s i t i e sw a sd e v e l o p e du s i n gAN Pt of u r t h e ri n v e s t i g a t et h em o r ei n f l u e n t i a le v e n t s
10、i nt h ec a u s a l f a c t o r s.I t i sc o n c l u d e dt h a te l e c t r i c a l f a i l u r e sa r et h e m o s ts i g n i f i c a n tf a c t o rl e a d i n gt ol a b o r a t o r yf i r e s,w h i l et h e m a n a g e m e n to fh i g ht e m p e r a t u r eh e a t s o u r c e sa n dc h e m i c a
11、l sa l s oh a v eas i g n i f i c a n t i m p a c to nl a b o r a t o r yf i r e s.K e yw o r d s:f u z z yf a u l tt r e ea n a l y s i s;s i m i l a r i t ya g g r e g a t i o n m e t h o d;a n a l y t i cn e t w o r k广西大学学报(自然科学版)第4 8卷p r o c e s s;l a b o r a t o r yf i r e0 引言实验室是高校开展实验教学和科学研究的
12、重要平台。据不完全统计,2 0 0 12 0 2 0年公开的全国高校实验室安全事故共有1 1 3起,造成9 9人次伤亡,其中火灾事故占5 2%1。近年来高校实验室火灾的频繁发生给社会带来很大影响,比如2 0 2 1年1 0月2 4日南京航空航天大学材料科学与技术实验楼发生爆炸,导致2死9伤,引起了社会对实验室安全的高度关注。2 0 2 1年1 2月1 0日,教育部印发了 教育部办公厅关于开展加强高校实验室安全专项行动的通知,旨在要求相关高校强化监管责任落实,加强实验室隐患排查治理,进一步提升实验室安全管理水平。故障树分析法(f a u l t t r e ea n a l y s i s,F
13、T A)是一种被广泛用于评估复杂系统的安全性和可靠性的分析方法2。2 0 0 8年,尤立明等3在我国最先引用F T A对高校实验室进行风险分析,主要研究引起实验室火灾事故的各类途径,此后F T A被广泛应用在实验室各类分析中,通过风险矩阵法4得出导致事故的直接原因、间接原因、基础原因和各原因存在的风险值,结合层次分析法5研究人、物、环境、管理4个方面的安全隐患。然而,在实际中,很难获得基本事件的完整和精确的故障概率来分析事故的具体情况6。针对这一问题,某些学者开始引用模糊集理论与传统的F T A相结合,根据专家的评价估计事件的失效概率,建立一种新的风险分析方法即模糊故障树分析法(f u z z
14、 yf a u l t t r e ea n a l y s i s,F F T A)。F F T A为简化定量风险分析奠定了基础,已经在多领域上有广泛应用,如实验室瓦斯气瓶爆炸的研究7、钻井工业废弃油井的研究8、石化工艺工业中脱乙烷器故障的研究9和原油储罐火灾和爆炸的研究1 0等。F F T A的过程需要专家进行评价,但在多数情况下,专家给出的意见会受到自身的工作经历、知识水平的影响,为了有效地聚合各种专家的意见,1 9 9 6年H s u等1 1首次提出使用模糊集理论和正梯形模糊数的相似度聚合方法,为群体决策中的个体模糊意见提供了一种系统的、客观的聚合方法。基于此,本文总结了一个可处理包含
15、各专家安全评价意见的多源数据的风险分析方法。该方法将模糊故障树分析与相似度聚合法(s i m i l a r i t ya g g r e g a t i o nm e t h o d,S AM)相结合,通过模糊方法将专家组对原因事件故障可能性的评价进行转换计算,最终得到故障树中各基本事件的失效概率,从而解决了故障树概率获取困难和处理专家意见复杂的问题。在采用模糊故障树分析法时,虽然故障树的各原因事件之间相互联系考虑较少,但在实际复杂系统中各事件之间一般都会相互影响。1 9 9 6年S a a t y1 2最先提出了网络层次分析法(a n a l y t i cn e t w o r kp r
16、 o c e s s,AN P),解决了系统中需要考虑各原因事件相互影响的问题,本文在S AM-F F T A之后将会采用AN P补充问题分析,最终确定导致实验室火灾事故的原因,以帮助实验室管理者对整个实验室安全系统有全面的认识并采取针对性的预防措施。1 高校实验室火灾风险演化特征根据美国危机管理专家史蒂文芬克1 3提出的危机生命周期理论,认为危机的发生会历经征兆期、爆发期、扩散期和消亡期4个阶段。危机的征兆期即指风险的量变阶段,风险逐步累积;危机的爆发期属于风险质变阶段,风险积累到一定程度瞬间爆发;危机的扩散期就是风险持续蔓延阶段,给个人、社会层面带来持续性的恶劣影响;危机的消亡期是风险被完
17、全遏制至消失阶段1 4。由于本文主要研究事故形成过程,因此只考虑危机生命周期的前3个阶段,将高校实验室火灾事故的形成按照火灾事故三要素的积累过程划分为存在着火源(征兆期)、可燃物达到着火下限(爆发期)、火灾事故(扩散期)3个阶段,高校实验室火灾风险演化具体特征如图1所示。447第3期杨智雯,等:S AM-F F TA-AN P在高校实验室中的应用图1 高校实验室火灾风险演化特征F i g.1 E v o l u t i o n a r ym e c h a n i s mo f f i r er i s ki nu n i v e r s i t y l a b o r a t o r i e
18、 s2 S AM-F F TA的高校实验室火灾事故致因分析图2 高校实验火灾风险分析框架的流程F i g.2 P r o c e s so f t h e e x p e r i m e n t a l f i r e r i s ka n a l y s i s f r a m e w o r ki nh i g hs c h o o l2.1 S AM-F F T A法的介绍相似度聚合法 模糊故障树分析法(S AM-F F T A)常用于系统安全和可靠性分析,是一个完整的事故分析模型。它通过将系统分解成更小的组分,找到导致事故的主要原因及其可能发生概率来分析系统中的潜在风险1 5。S AM
19、-F F T A通过邀请专家对基本事件进行评价,将评价意见转换为模糊数,输入故障树,求解出基本事件的聚合模糊数集,经过去模糊化后,得到各基本事件的失效概率,根据失效概率对系统风险进行综合评估与分析。针对不同专家评审时给出发生事件概率区间的不同,准确地将专家意见转化为确定数值,利用专家的经验和意见解决了研究对象发生概率难以查找的问题。数据的缺乏是对实验室风险进行准确评估所面临的主要难题,为定量分析实验室火灾事故的主要原因,本文总结了一种基于S AM-F F T A的高校实验室火灾风险分析框架。该框架分为7个步骤,具体的流程如图2所示。第一阶段,构建故障树图;第二阶段,引入专家评语构建模糊数;第三
20、阶段,确定各专家权重;第四阶段,对基本事件的模糊意见去模糊化,得到基本事件的失效概率;第五阶段是分析故障树的最小割集、最小径集;最后,在第六阶段,根据前面分析得到的数据对故障树进行综合评价。2.2 实验室火灾故障树建立根据图1的高校实验室火灾风险演化机理,以某高校为案例背景(该高校在2 0 2 1年已发生多起实验室火灾事故,经学校排查发现发生事故的实验室均在多处地方存在安全隐患),将实验室火灾作为顶上事件,着火源和可燃物达到着火下限作为次顶上事件,对该高校实验室进行火灾风险分析,得到具体的实验室火灾故障树如图3所示。547广西大学学报(自然科学版)第4 8卷图3 实验室火灾故障树F i g.3
21、 F a u l t t r e eo f t h e l a b o r a t o r y f i r e 整个故障树一共有2 3个基本事件、1 5个中间事件、3个与门和1 3个或门,反映了实验室火灾事故中各基本事件的因果关系。2.3 计算基本事件的可能性2.3.1 按照S AM相似度聚合法对基本事件X1进行详细计算:构造正梯形模糊数E。借鉴Y a z d i等的方法1 6用自然语言量化故障树基本事件,将专家评语集划分为5个等级:很低(V L),低(L),中(M),高(H),很高(VH)。引入频率评语等级确定,专家按照频率模糊语言对基本事件进行判断,频率模糊语言对应模糊隶属度函数的模糊数值
22、如图4所示,表1显示了专家对该基本事件的正梯形模糊意见E。0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.000.20.40.60.81.0图4 频率模糊语言对应的模糊数值F i g.4 F u z z yv a l u e s c o r r e s p o n d i n g t o t h e f r e q u e n c y f u z z y l a n g u a g e647第3期杨智雯,等:S AM-F F TA-AN P在高校实验室中的应用表1 专家组对基本事件X1、X2、X3的描述T a b.1 D e s c r i p t i o no f
23、 t h eb a s i c e v e n t sX1,X2a n dX3b y t h e e x p e r t g r o u p基本事件专家模糊数专家1专家2专家3X1X2X3X1很低低低(0,0,0.1,0.2)(0.1,0.2 5,0.2 5,0.4)(0.3,0.5,0.5,0.7)X2低低低(0.1,0.2 5,0.2 5,0.4)(0.1,0.2 5,0.2 5,0.4)(0.1,0.2 5,0.2 5,0.4)X3中低低(0.1,0.2 5,0.2 5,0.4)(0.1,0.2 5,0.2 5,0.4)(0.1,0.2 5,0.2 5,0.4)计算不同专家一致度S Ei
24、,Ej()。通过S的相似度函数得到Ei=ei1,ei2,ei3,ei4()和Ej=ej1,ej2,ej3,ej4()梯形模糊数之间的相似度,为专家一致度:S Ei,Ej()=1-144u=1ei u-ej u,(1)式中:S Ei,Ej()0,1;Ei、Ej为第i、j个专家对同一事件的梯形模糊数;u=1,2,3,4(附:下述E1、E2、E3分别是专家1、专家2、专家3对基本事件X1发生可能性的判断),则S E1,E2()=1-14 0-0.1+0-0.2 5+0.1-0.2 5+0.2-0.4()=0.6 4 3S E1,E3()=0.6 4 3,S E2,E3()=1。计算专家Ei与Ej的平
25、均一致度a v e r a g ea g r e e m e n t,A Ei()A Ei()=1N-1NijEi,Ej(),(2)式中N为专家组人数,则A E1()=13-1 0.6 4 3+0.6 4 3()=0.6 4 3,A E2()=A E3()=0.8 2 15。计算专家Ei的比较一致度r e l a t i v ea g r e e m e n td e g r e e,R Ei()R Ei()=A Ei()Ni=1A Ei(),(3)则R E1()=A E1()3i=1A Ei()=0.6 4 30.6 4 3+0.8 2 15+0.8 2 15=0.2 8,R E2()=R
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