城市事故灾难风险分析研究.doc

兰州交通大学博文学院课程设计城市事故灾难风险分析研究摘 要 城市事故灾难风险分析是以城市整体为研究对象, 涉及理、工、文、管多学科领域的城市 安全管理重要内容。笔者提出城市事故灾难风险分析的基本思路和一般研究框架; 归纳出城市事故 灾难风险分析应包括: 基于事故发生可能性的研究、基于事故预测模型的研究、基于风险值的研究、 不确定性的研究等主要研究内容, 并介绍了每个研究内容的国内外研究现状; 针对研究内容评述其 领域未来发展方向和热点问题。 【关键词】 事故灾难; 风险分析; 风险值; 危险剂量; 不确定性Abstract Risk ana lysis o f urban accidents takes the whole city as the object of study; it is an important component of urban safety management and a comprehensive disciplinary covering science, engineering,arts and management. Th is article first brings forward the basic thread and the research frame work of risk analysis of urban accidents based on the current related research results, then introduces them ain research fields of risk analysis of urban accidents such as research on risk analysis o f urban accidents based on the probability of accidents, research on risk ana lysis o f urban accidents based on the forecasting models, research on risk analysis o f urban accidents based on the value of risk and research on risk ana lysis of urban accidents based on uncertainty. Finally, the researching situation o f each field at home and abroad is described,and the future development trend and research hots pots of each field are prospected. Key words: accident; risk analysis; risk value; danger dose; uncertainty目 录1 引 言12 城市风险分析一般框架23 城市风险分析研究内容33.1 基于事故发生可能性研究33.2 基于事故预测模型研究43.3 基于风险值的研究63.4 不确定性的研究74 结论9课程设计心得体会10参考文献121 引 言世界范围内社会突发公共事件有增多的趋势,公共安全问题也受到各国政府的重视, 安全规划纳入城市总体规划是世界各国城市管理的必然趋势,作为城市安全规划基础的风险分析势必越来越受到人们的关注。在我国, 刚颁布的国家突发公共事件总体应急预案中将突发公共事件分为自然灾害、事故灾难、公共卫生事件和社会安全事件4 类。而城市的事故灾难风险分析是城市公共安全风险分析的重要组成部分, 开展城市事故灾难风险分析不仅有利于提高城市管理部门安全管理的水平, 还有利于拉动城市经济的发展。在总体应急预案中提到“各地区、各部门要针对各种可能发生的突发公共事件, 完善预测预警机制, 建立预测预警系统,开展风险分析, 做到早发现、早报告、早处置”。把开展风险分析写入到总体应急预案中, 充分体现了我国政府部门对开展风险分析工作的高度重视。在国内外, 对风险分析, 已有较长的历史, 它是随着保险业的发展而逐步发展起来。风险分析, 按研究对象不同分为: 设备(设施或工艺)故障率分析法、人员失误率分析法、物质系统分析法、系统危险性评价法等 1 。从分类上可以看出, 目前国内外的研究大多侧重于单个系统、设备或者工艺, 而针对整个城市开展风险分析的研究相对匮乏。在大量文献调研基础上, 笔者针对城市事故灾难的风险分析, 提出了城市事故灾难风险分析的一般研究框架。2 城市风险分析一般框架城市事故灾难风险分析以城市整体为研究对象, 通过对城市中潜在危险源的分析与模拟以获得 城市各个区域的风险值。城市是具有空间集中性、人口密集性、经济聚集性、社会活动广泛性等特点的 一个复杂系统, 在应对事故灾难时显得比较敏感和 脆弱。因此, 城市事故灾难风险分析不同于一般的工业或者设施安全风险分析, 它涉及理、工、文、管多学科研究领域。笔者综合国内外的风险分析的研究成果, 针对城市的特点, 提出了城市事故灾难风险分析的研究框架和思路 ( 见图 1) 。城市事故灾难风险分析的程序归纳如下: 首先根据城市潜在危险源的分析以确定危源可能发生的事故类型及其事故发生概率; 然后, 根据可能发生的事故类型采用相应事故预测模型来预测城市各个区域可能的危险剂量 ( 毒 气浓度、热辐射强度、爆炸压力等 ); 最后, 由得到的可能危险剂量, 通过风险值的数 学模型计算出城市风险值 ( 个人风险、社会风险 等 ), 其中每个阶段都融入一定的不确定性分析。图1 城市事故灾难风险分析一般框架3 城市风险分析研究内容根据提出的城市事故灾难风险分析一般框架和 研究思路, 结合国内外最新的研究成果, 笔者认为, 对城市事故灾难风险分析研究应该包括以下几个方 面内容:1) 基于事故发生可能性研究;2) 基于事故预测模型研究;3) 基于风险值的研究;4) 风险分析中不确定性研究。3.1 基于事故发生可能性研究基于事故发生可能性研究是指以具体的危险源 设备 ( 设施 )为研究对象, 通过定性或者定量的研究 方法确定危险源设备发生事故的概率以及发生事故 的种类。表 1列出了研究事故发生可能性常用的定 性和定量的方法。表1 基于事故发生可能性的研究方法 1) 2定性研究定量研究1. 专家评议法/Delphi法2. 安全检查法3. 安全检查表分析法4. 危险与可操作性研究5. 预先危险性分析6. 作业条件危险性分析7. 如果,怎么办法8. 因果分析图法1. 故障类型及影响分析2. 事故树分析3. 概率分析方法4. 马尔可夫模型分析法5. 原因- 结果分析法6. 管理失误和风险树分析7. 事件树分析8. 统计图表分析法在文献调研的基础上, 笔者认为, 目前或将来基 于事故发生可能性的研究热点有以下 3方面:1) 研究方法的创新 开发比现有方法更有优势的方法将是件很有创造性的工作, 该研究方向近年来进展缓慢, 比较有代 表性的是 Papazoglou & Aneziris 3 在 2003年提出的 一种新的高级逻辑图表法 (M LD 法 ), 该方法类似于事故树, 通过发生的事故结果进行反推直至获得事故发生的初始原因, 但不同的是该方法仅依靠逻辑分析和推理, 不涉及定量的数学计算, 因此, 适用范围比较广。 2) 方法内在数学规律的研究 研究现有方法的数学内涵, 为其提供科学依据。开发新方法是比较困难的, 因此, 增强现有方法的可 信性和科学性也是推动该领域发展的重要手段。如I. A. Papazoglou ( 1997) 4 研究了事件树的数学内涵, 为计算机辅助自动构建事件树提供了理论基础。 3) 计算机辅助技术的发展利用计算机技术为现有的方法提供辅助决策。随着计算机日益的普及, 如何将现有的方法利用计算机技术高效、准确的实现也将成为研究的热点。这一方向已经有一些研究成果, 如: Khan & Abb isi( 2000) 5 , Wang( 2000) 6 , Dugan. JB ( 2000) 7 等分别开发了适用于计算机辅助构建事故树的算法和软件, 可以使得事故树的运算更简单、更快捷、更经济。3.2 基于事故预测模型研究事故预测模型针对发生事故可能造成的火灾、爆炸、毒气扩散等灾难, 利用物理、化学等相关学科理论、积累的数据或者实验结果等方式获得的事故灾难的数学规律, 最终得到危险源周围空间点的危险剂量(辐射热、爆炸波、毒气浓度等)。事故预测模型是城市事故灾难风险分析定量化的基础, 也是风险分析科学性和数学求解的重要手段。风险分析的一个重要特征就是不确定性, 因此,即使是非常精准的预测模型, 由于在分析过程中受各种不确定性因素的影响, 都可能降低分析结果的准确性, 同样, 即使精度不是很高的模型, 由于分析过程中不确定性的影响, 也可能使得最终获得的分析结果满足要求。针对该特点, 在风险分析中对事故预测模型的选用往往要综合考虑精确度、时间、成本等因素的影响。在事故灾难风险分析中应用的预测模型通常是在一系列的假设前提下按理想的情况建立的, 有些模型可能已经经过小型试验的验证, 有的则可能与实际情况有一定的偏差, 但对于城市风险分析来说仍然有较高的参考价值。火灾、爆炸、毒气泄漏是最常见的重大事故, 常造成严重的人员伤亡和巨大的财产损失。针对这3种事故风险分析中常用的预测模型如表2所示。表2 火灾、爆炸、毒气泄漏事故风险分析中常用的模型事故类型火灾爆炸毒气泄漏常用模型池火燃烧模型射流火焰燃烧模型辐射强度衰减模型火球模型蒸气云爆炸模型受限蒸气云爆炸模型非受限蒸气云爆炸模型沸腾液体扩展蒸气爆炸模型气体泄放模型液体泄放模型绝热扩散模型气体扩散模型非典型扩散模型重气扩散模型 笔者认为, 目前或未来关于事故灾难风险分析 中基于事故预测模型的研究热点, 会集中于以下两 个方向:1) 事故预测模型基础研究 迫切需要对预测模型基础研究, 即系统性地、创造性地处理事故物理现象, 寻求物理现象的内在规律, 如新的理论、规律、模型和方法等。对事故灾难的基础研究是事故灾难风险分析研究的基石; 以重气扩散的研究为例, 目前研究扩散的模型有箱与相似模型、三维计算流体力学模型、介于二者之间的浅层模型以及唯象模型, 其中箱与相似模型概念清晰 且计算量小, 在风险分析中得到应用。 2)在预测模型中融入不确定性的研究 通常对事故预测模型的研究主要是在确定的事故灾难场景下进行的, 但是, 针对风险分析中存在很大不确定性的特点, 在事故预测模型中融入随机、模糊等不确定因素将模型改造成可以直接适用于风险分析的模型, 是事故灾难风险分析中基于预测模型研究的研究热点。董雪芳( 2001 ) 9 、沈斐敏( 2002) 10 、周荣义( 2006 ) 11 、张乐乐 12 等人先后撰文定性的讨论预测模型中所涉及的不确定性因素及其影响; 在国外也有一些定量的研究成果, Papazoglou( 1999) 13 研究了在沸腾液体扩展蒸汽云爆炸模型( BLEVE )中参数、公式等不确定性因素对最终的个人风险的影响, 并获得了一些定量的研究成果; Rob in. K. S. H ark in ( 2001, 2002） 14-16 分别在重气扩散盒子模型和浅层模型中考虑了天气的不确定性因素, 将物理模型直接改造成适用于风险分析的模型。3.3 基于风险值的研究开展城市事故灾难风险分析研究的最终目的是 获得城市各个区域的风险值 ( 如个人风险值、社会 风险值 ), 以便指导城市安全管理。个人风险是指 在某一特定位置未采取任何防护措施的人由于危险 源发生事故而造成死亡的概率; 社会风险描述的是事故发生概率与事故发生造成的人员致死数或者受伤数之间的关系。基于风险值的研究主要集中于量化风险值的问题。个人风险通常是通过建立危险剂量(热辐射、爆炸波、浓度等) 与个人致死率之间的关系来获得的。目前针对火灾、爆炸和毒气泄漏等危险事故, 通常采用如下计算公式来获得个人风险值: （1） (2) (3)式中, C 危险剂量浓度(如热辐射率、毒气浓度等); T危险剂量作用时间; IR (P ) 个人风险; A, B 常数参数, 通过动物实验或者历史数据来获得 13 。 社会风险通常用事故频率/死亡人数曲线(F /N曲线)来描述(见图2) 17 。图中两条直线分别表示不可接受容忍线和可忽略线。图2 社会风险F /N 曲线 1) 如果城市某区域的社会风险超过不可容忍线即进入不可接受0区域, 除特殊情况以外, 该风险是不可接受的; 2) 如果社会风险值低于可忽略线即进入可以忽略不计0区域时, 则该风险是可接受的, 不必采取任何措施;3) 如果社会风险介于可忽略线和不可容忍线之间即处于灰色区域0时, 则需要进行安全措施投资成本风险分析, 如果最终分析结果证明采取安全措施对于降低风险贡献不大, 则风险是可容忍的0, 允许风险的存在, 以节省一定的成本。死亡人数通常通过将个人风险按照人口分布和人口数量积分来获得 18 。针对城市是一个复杂系统的特点, 在风险分析过程中需要把自然科学和社会科学进行有机的融合。但是, 目前在事故灾难风险分析中引入的个人风险和社会风险更多的是对自然科学规律的关注,而对社会因素的考虑还不够, 由此导致获得的风险值偏离实际。例如: 个人风险, 目前风险分析中引用的个人风险是指未采取任何防护措施的人由于危险源发生事故而造成的死亡概率, 该分析是不能指导实际应用的, 因为可能发生事故地区救援力量(医院、消防队、避难场所等)的分布、人群的受教育程度、分布人群的特点(儿童、老人、病人等)、政府执政能力、安全管理水平等因素都会直接影响到事故造成人死亡的概率。为了能更好地指导城市安全规划, 在个人风险分析中应该考虑这些因素的影响。同样对于社会风险, 除了伤亡总人数外, 经济、环境、政治等因素也是进行安全规划时必须要考虑的。根据调研, 现有文献中讨论上述因素对个人风险和社会风险影响的研究相对匮乏。所以研究融合多种因素的个人风险和社会风险应该是提高城市事故灾难风险分析可信度的一个重要手段, 是未来城市事故灾难风险分析一个很重要的研究方向。3.4 不确定性的研究 在风险分析的各个阶段上, 都将会不可避免地引入一系列不确定因素。因此, 如何处理风险分析中引入的不确定性是城市事故灾难风险分析的一个重要领域。在城市事故灾难风险分析中不确定性通常来源于3方面 19 : 1) 参数的不确定性, 由于模型中所要用到的参数值不是精确已知而带来的。 2) 模型的不确定性, 由于模型都是对真实物理规律的一种简化, 不可避免地带有一定的不确定性。3) 事故场景的不确定性, 由于纳入考虑范围的事故场景可能忽略了一些场景而造成的。对城市事故灾难风险分析中不确定性的研究,除了上面提到的参数不确定性、模型不确定性和事故场景的不确定性研究之外, 一些其他类型不确定性的研究可能会越来越受到研究人员的关注。其一, 一般定性的不确定性研究, 主要是研究如何将一般定性的不确定性因素(如科技工程发展水平、分析团队的能力等等)整合进定量风险分析中。在研究报告COW I( 1996)中, 丹麦学者介绍在3个分析层面上(无描述、粗略描述和详尽描述)处理定性不确定性的研究方法和研究方针, 该研究成果为进一步研究如何将定性不确定性因素整合进定量风险分析中提供了一个非常有意义的基础, 研究人员可以在这一成果的基础上开展研究工作。其二, 管理和组织不确定性的研究, 将组织因素和管理决策整合进定量风险分析的研究, 在近几年来越来越受到关注。Hale和 Hovden ( 1998) 20 综述了安全、健康和环境等组织方面的研究方法, 介绍了在该领域的一些研究成果。目前, 对管理和组织不确定性的最新研究成果是I-risk 20 和SAM 21 。I-risk要研究的是如何将技术模型和安全管理模型融为一体, SAM 则为研究人为因素和管理因素在系统失效中的作用提供了一个理论框架。4 结论 1) 城市事故灾难风险分析中基于事故发生可能性的研究、事故预测模型的研究和风险值的研究是环环相扣的3个环节, 而不确定性的研究始终贯穿于每个环节。 2) 基于事故发生可能性的研究是城市事故灾难风险分析的基础, 正确的研究结果是城市事故灾难风险分析结果可信的重要保证, 但是目前基于事故发生可能性的研究偶然性较强, 针对同一研究对象不同的研究团队可能会获得不同的研究结果, 因此, 如何提高其确定性仍然有很多工作要做。 3) 基于事故预测模型的研究是将理工知识应用于风险分析的一个重要体现, 也是最能体现风险分析结果科学性的方面, 专门针对具体物理现象的预测模型的相对成熟些, 但是如何将已经成熟的模型通过/改造0, 使之能直接应用于风险分析中仍然是一个重要课题。4) 基于风险值的研究是目前发展最不成熟的一个环节, 目前的研究缺乏对一些社会因素的考虑,如何将各种社会因素融入风险值的研究将是风险分析的一个重要研究方向。不确定性的研究除了要在传统的参数、模型不确定性等方面继续深入开展工作之外, 组织管理、科技水平、团队能力等因素的不确定性研究也是值得关注的。5) 城市内的危险源是多种多样的, 耦合事故、衍生事故时常发生, 研究耦合事故、衍生事故的风险分析也将会是未来城市事故灾难风险分析发展的一个重要方向。因此, 城市事故灾难风险分析是一个多模型集成过程, 将现有研究成果进行有效集成, 设计出相应的城市事故灾难风险分析的软件是城市事故灾难风险分析发展水平的一个重要标志。课程设计心得体会 通过此次课程设计，使我更加扎实的掌握了有关城市事故灾难风险方面的知识，在设计过程中虽然遇到了一些问题，但经过一次又一次的思考，一遍又一遍的检查终于找出了原因所在，也暴露出了前期我在这方面的知识欠缺和经验不足。实践出真知，通过亲自动手制作，使我们掌握的知识不再是纸上谈兵。 在课程设计过程中，我们不断发现错误，不断改正，不断领悟，不断获取。最终的检测调试环节，本身就是在践行“过而能改，善莫大焉”的知行观。这次课程设计终于顺利完成了，在设计中遇到了很多问题，最后在老师的指导下，终于游逆而解。在今后社会的发展和学习实践过程中，一定要不懈努力，不能遇到问题就想到要退缩，一定要不厌其烦的发现问题所在，然后一一进行解决，只有这样，才能成功的做成想做的事，才能在今后的道路上劈荆斩棘，而不是知难而退，那样永远不可能收获成功，收获喜悦，也永远不可能得到社会及他人对你的认可！ 课程设计诚然是一门专业课，给我很多专业知识以及专业技能上的提升，同时又是一门讲道课，一门辩思课，给了我许多道，给了我很多思，给了我莫大的空间。同时，设计让我感触很深。使我对抽象的理论有了具体的认识。通过这次课程设计，我掌握了办公软件的使用；熟悉了分析一般问题的方法；以及如何提高专业知识在实际问题中的运用等等，掌握了办公自动化的方法和技术，通过查询资料，也了解了许多关于城市事故灾难风险的知识。 我认为，在这学期的实验中，不仅培养了独立思考、动手操作的能力，在各种其它能力上也都有了提高。更重要的是，在实验课上，我们学会了很多学习的方法。而这是日后最实用的，真的是受益匪浅。要面对社会的挑战，只有不断的学习、实践，再学习、再实践。这对于我们的将来也有很大的帮助。以后，不管有多苦，我想我们都能变苦为乐，找寻有趣的事情，发现其中珍贵的事情。就像中国提倡的艰苦奋斗一样，我们都可以在实验结束之后变的更加成熟，会面对需要面对的事情。回顾起此课程设计，至今我仍感慨颇多，从理论到实践，在这段日子里，可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多很多的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，但可喜的是最终都得到了解决。 此次设计也让我明白了思路即出路，有什么不懂不明白的地方要及时请教或上网查询，只要认真钻研，动脑思考，动手实践，就没有弄不懂的知识，收获颇丰。参考文献1 国家安全生产监督管理局. 安全评价M . 北京: 煤炭工业出版社, 2004. 12 罗云, 樊运晓, 马晓春. 风险分析与安全评价M . 北京: 化学工业出版社, 20043 Papazogbu, Aneziris. Master Logic Diagram: Method for Hazard and Initiate Event identification in Process Plants J. Journal of Hazardous Materials, 2003, A 97: 11 304 Papazoglou. Mathematical Foundations of Event trees J. Reliability Engineering & System Safety,1997, 61( 3) : 169 1835 Khan, Abbasi Analytic al Simulation and PROFAT II: a New Methodology and a Computer Automated Tool for Fault Tree Analysis in Chemical Process Industries J , Journal o f Hazardous Materials,2000, 75( 1): 1 276 Wang Y, Teague T, West Het al A new Algorithm for Computer- aided Fault Tree Synthesis J.Journal o f Loss Prevention in the Process Industries, 2002, 15( 4): 265 2777 Dugan JB, Sullivan KJ, Coppit D. Developing a Low - cost High- quality Software Too l for Dynamic Fault tree Analysis J . IEEE Transactions on Re liability, 2000, 49( 1): 49 598 胡世明, 张政, 魏利军等. 危险物质意外泄漏的重气扩散数学模拟 J . 劳动保护科学技术, 2000,20( 2): 31 389 董雪芳, 周隽, 张一先. 城市燃气泄漏爆炸事故风险评价的不确定性 J. 苏州城建环保学院学报, 2001, 14( 3): 83 8610 沈斐敏, 伍良. 燃气泄漏风险评价中不确定性问题的探讨 J. 中国安全科学学报, 2002, 12( 1):30 3311 周荣义, 黎忠文, 牛会永. 基于突变理论的油库火灾爆炸分析与模糊动态评价 J . 中国安全科学学报2006, 16( 6) : 97 10112 张乐乐, 屈晓婷, 宋守信, 程磊. 火电厂(汽轮机部分)职业安全健康风险评价与控制研究 J . 中国安全科学学报, 2006, 16( 5) : 101 10513 Papazoglou, Aneziris. Uncertainty Quantification in the Health Consequences of the Bo ling Liquid Expanding Vapor Explosion Phenomenon J. Journal of Hazardous Materials, 1999, A 67: 217 23514 Robin Hank in. Risk A