基于FRAM-蒙特卡洛模拟...化类实验安全分析和屏障管理_张人友.pdf

实 验 技 术 与 管 理 第 40 卷 第 10 期 2023 年 10 月 Experimental Technology and Management Vol.40 No.10 Oct.2023 收稿日期:2023-06-24 修改日期：2023-07-26 基金项目:国家自然科学基金重大项目（T2192933）；北京市教委科技计划项目（KM202210017002）；国家级大学生创新创业训练计划项目（2023J00076）作者简介:张人友（1989），男，河南新乡，博士，讲师，主要研究方向为实验室安全管理，。引文格式:张人友，崔焕焕，张进超，等.基于 FRAM-蒙特卡洛模拟的危化类实验安全分析和屏障管理J.实验技术与管理,2023,40(10):223-228.Cite this article:ZHANG R Y,CUI H H,ZHANG J C,et al.Safety analysis and barrier management of hazardous chemical laboratories based on FRAM-Monte Carlo simulationJ.Experimental Technology and Management,2023,40(10):223-228.(in Chinese)ISSN 1002-4956 CN11-2034/T DOI:10.16791/ki.sjg.2023.10.034 基于 FRAM-蒙特卡洛模拟的危化类 实验安全分析和屏障管理 张人友1,2，崔焕焕1，张进超1，张钦浩1，高建村1,2，武司苑1,2（1.北京石油化工学院 安全工程学院，北京 102617；2.北京市安全生产工程技术研究院，北京 102617）摘 要：为有效提升实验室安全管理水平，并应对高风险危化类实验的安全隐患，该文结合功能共振分析法（functional resonance analysis method,FRAM）和蒙特卡洛模拟，对危化类实验开展安全分析和屏障管理。首先，使用 FRAM 方法识别完成任务所需的功能和耦合，形成 FRAM 模型；然后，采用蒙特卡洛模拟分析 FRAM 模型中功能和耦合的变化性，并识别关键耦合；最后，制定相应的屏障管理措施。结果显示，该研究能充分捕捉危化类实验中的薄弱环节，以及各环节间的联系，同时也验证了 FRAM-蒙特卡洛方法在危化类实验中的可行性和有效性。关键词：危化类实验室；实验安全；功能共振分析法；蒙特卡洛模拟；屏障管理 中图分类号：X923 文献标识码：A 文章编号：1002-4956(2023)10-0223-06 Safety analysis and barrier management of hazardous chemical laboratories based on FRAM-Monte Carlo simulation ZHANG Renyou1,2,CUI Huanhuan1,ZHANG Jinchao1,ZHANG Qinhao1,GAO Jiancun1,2,WU Siyuan1,2(1.School of Safety Engineering,Beijing Institute of Petrochemical Technology,Beijing 102617,China;2.Beijing Institute of Work Safety Engineering Technology,Beijing 102617,China)Abstract:In order to improve the level of laboratory safety management effectively and to deal with the safety hazards of high-risk and hazardous chemical laboratories,this paper combines the functional resonance analysis method(FRAM)and Monte Carlo simulation to carry out safety analysis and barrier management of hazardous chemical experiments.First,the FRAM method is used to identify the functions and couplings required to complete the task,and form a complex FRAM model.Then,Monte Carlo simulation is used to analyse the variability of functions and couplings in the FRAM model and identify the critical couplings.Finally,corresponding barrier management measures are formulated.The results show that the study can adequately capture the weak links in hazardous chemical experiments and the connections between the links,and also verifies the feasibility and effectiveness of the FRAM-Monte Carlo method in hazardous chemical experiments.Key words:hazardous chemical laboratories;experiment safety;functional resonance analysis method(FRAM);Monte Carlo simulation;barrier management 高校科研和教学活动会大量使用危化类用品，其安全问题不容忽视1-3。统计显示，高校化工类实验室的安全事故数量最高4，且与危化类用品密切相关。因此，应针对危化类实验开展安全分析和屏障管理。224 实 验 技 术 与 管 理 当前，研究者已开展了较多安全致因问题的研究。如：文献5将事故树与二元决策图相结合，对实验室爆炸事故的 3 个主要来源（气瓶、压力设备和危化类用品）进行了线性定量分析；文献6以海因里希事故致因理论为准则，从人的不安全行为和物的不安全状态两方面线性梳理了高校实验室安全管理存在的问题；文献7通过事故树定性分析了化学实验室中的有害因素，并总结了减少危化类实验室事故发生的对策措施。然而大量研究显示，事故通常是多种因素相互复杂耦合的结果，仅依托线性因果分析，难以全面揭示任务与事故的演化过程，导致安全分析不全面。文献8提出了聚焦任务演化中复杂耦合关系的功能共振分析法（functional resonance analysis method,FRAM），并在医疗保健行业获得了广泛应用。FRAM 强调从整体系统出发，从完成任务所需功能的角度开展分析。在空中交通管制领域，文献9采用 FRAM 方法评估分析了最低安全高度预警系统。在海事领域，文献10运用 FRAM 分析了一起撞船事故，阐明了船舶航行中的复杂性，并揭示了船舶碰撞事故的原因。在油气领域，文献11将 FRAM 应用于油轮石油泄漏事故，揭示了更详细的事故原因。在医疗领域，FRAM 已成功运用于病患分析12，如文献13研究了新生儿重症监护病房的复杂配药过程，并阐述了功能输出的潜在变化对系统的影响。然而，FRAM 方法聚焦任务演化或事故演化中的复杂耦合关系，导致所建模型较为复杂；另外，FRAM 在定量分析方面存在缺陷，限制了对复杂系统的理解和解析。因此，相关学者将蒙特卡洛模拟引入 FRAM14，通过分析各功能在时间和精度维度的变化，以量化功能和耦合的易变程度，以期识别关键耦合。鉴于危化类实验任务具有高风险、人员密切参与、人与任务复杂耦合等特点，本文针对此类实验任务构建合理的安全分析模型，识别其中影响安全的关键耦合，并制定有效的安全屏障措施。1 分析方法 FRAM 通过分析任务正确的演化方式以避免任务过程中的错误。本文针对危化类实验，以 FRAM 为基本框架，结合蒙特卡洛模拟，对保障危化类实验任务的安全开展了量化分析和屏障构建。本研究包含以下6 个步骤。1.1 层次任务分析 使 用 层 次 化 任 务 分 析 方 法（hierarchical task analysis，HTA）分解案例实验任务。HTA 是一种结构化方法，用于描述任务和相应子任务的层次系统。该方法通过层级分析将任务逐步拆解，拆解的程度由任务需求决定。1.2 识别与描述功能 根据第一步的结论，识别出完成实验任务所需的全部功能，并从“输入（I）”“输出（O）”“前提条件（P）”“资源（R）”“控制（C）”和“时间（T）”6 个维度进行描述。表 1 列出了 6 个维度的含义，这 6 个维度用六边形功能模块表示。表 1 功能特征描述 功能特征功能描述 I 启动功能的事物或功能将要处理或转化的事物 O 功能运行的结果 P 功能执行前必须存在的条件 R 执行功能所需要或者消耗掉以产生输出的事物 C 功能是如何被监控或控制的 T 影响功能的时间约束 1.3 构建功能共振网络模型 根据功能模块的 6 个维度开展耦合关系分析。上游功能的输出可以作为下游功能特征，如输入、前提、资源、控制和时间，且当上游功能的输出发生变化时，会对下游功能产生影响15。根据功能之间的耦合关系，将相应的六边形模块连接16，形成多条路径，并最终聚合为功能共振网络模型。1.4 功能易变性分析 首先将功能划分为技术功能、人员功能和组织功能：技术功能是由各类机器设备实施的功能；人员功能是由人实施的，人员既包括个人形式，又包括小型的、非正式的（社会的）团队形式17；组织功能是由一组或多组人员实施的，在组织的层面上进行描述和定义。随后，在时间维度和精度维度上对各类功能的易变性进行描述和赋分。时间维度（T）包括准时、过早、过晚和不发生 4 个水平；精度维度（A）包括精确、可接受和不精确 3 个水平。本研究结合专家经验，确定各功能易变性在两个维度不同水平上的离散概率值。由于各功能易变性分别均可能处于不同水平，具有不确定性，因此，依据离散概率值使用蒙特卡洛方法，模拟上游功能在时间和精度维度的易变性，并将模拟数值相乘以分析功能易变性。相关计算如式（1）所示。OVTAjjjVV=（1）式中，OVj为上游功能 j 的易变性得分；TjV与AjV分别为上游功能 j 的不同水平在时间和精度上的得分。1.5 耦合易变性分析 根据功能共振原理，上游功能的输出发生变化会影响下游功能的易变性。本研究从时间和精度两个维度对下游功能的易变性开展分析。例如，在时间维度 张人友，等：基于 FRAM-蒙特卡洛模拟的危化类实验安全分析和屏障管理 225 上，当上游功能输出过早时，会为下游功能提供更多时间，从而抑制变化并产生阻尼效应；而当上游功能输出准时，则对下游功能无影响。因此，定义Tij和Aij分别为上游功能 j 对下游功能 i 在时间和精度上的放大系数，对Tij和Aij赋值，表示上游功能输出对下游功能易变性的影响，其取值范围为()TAijij111，上游输出对下游功能具有阻尼效应，上游输出对下游功能没有影响，上游输出对下游功能具有放大效应 随后，通过式（2）计算上游功能 j 对下游功能 i的耦合变化，得到功能耦合的离散概率分布。CVOVTAijjijij=（2）式中，CVij为功能之间耦合易变性得分。1.6 屏障管理措施制定 耦合的变化可能引起功能共振并引发事故18。为识别FRAM模型中可能失效的关键耦合，定义耦合变化的某个确定值CVij，并选择置信水平Re，当CVij大于确定值的累积概率分布大于Re时，易出现功能共振，则将该耦合标识为关键耦合19。本研究保留关键耦合并剔除次要耦合，以修剪复杂的FRAM模型，并针对易出现共振的功能制定屏障管理措施，降低事故发生概率。2 案例研究 本文选取“识别磁场对乙炔爆炸速率和压力的影响”实验作为研究案例。乙炔具有易燃易爆的特性，且该实验中的点火操作进一步提高了实验的风险等级。2.1 实验案例的层次任务分析 根据实验具体操作流程，首先使用HTA对实验任务进行拆解分析。将整体实验任务分为16个步骤，详细结果如表2所示。随后，根据HTA结果，确定完成该实验任务所需的全部功能，用于后续分析。2.2 实验案例的功能识别与描述 通过HTA分析，确定了该实验的16个步骤，可将其视为完成实验所需的16个功能。随后，从输入、输出、前提条件、控制、时间和资源6个方面对每一个功能进行描述。以“抽取气体：氦气、乙炔安全抽取”为例，其六边形功能特征描述如表3所示。最后，根据实验的实际情况，对每个功能按照组织、技术和人员3种类型进行归类，功能的归类结果见表4。2.3 构建实验案例的 FRAM 网络模型 在确定并描述实验功能后，需分析功能之间的耦合关系并聚合成网络。基于所选实验的实际情况，分析上述功能模块之间的耦合关系。以功能F8为例，F7为F8的输入，F3为F8的前提，F9为F8的输出，连接与F8相关的功能，形成一个较小的网络子模型。类似地，可对其他相关功能进行耦合关联分析，获得网络子模型，将所有子模型聚合形成FRAM模型，如图1所示。表 2 “识别磁场对乙炔爆炸速率和 压力的影响”实验的 HTA 描述 主要步骤（功能）次要步骤 F1 安全教育管理落实 F2 安全教育培训 F3 穿戴个人防护服 F4 检查实验环境 4.1 电线、工具摆放整齐 4.2 温度、湿度适宜 4.3 实验场所无闲杂人员 F5 将实验管道抽真空 5.1 将真空泵连接实验管道 5.2 打开真空泵 5.3 观察真空泵压力表 5.4 关闭真空泵 F6 检查氦气和乙炔气瓶 F7 抽取气体：氦气、乙炔安全抽取 7.1 打开气瓶 7.2 抽取气瓶中的氦气和乙炔 7.3 使氦气和乙炔充满整个气袋F8 用氦气置换真空管道内其他气体 F9 用吹扫设备吹扫实验管道内气体 9.1 将吹扫设备连接实验管道 9.2 打开吹扫设备 F10 再将实验管道抽真空 10.1 打开真空泵 10.2 将实验管道抽成负压 10.3 检查压力表 10.4 关闭真空泵 F11 将乙炔注入实验管道 11.1 检查乙炔气瓶压力表 11.2 打开气瓶 11.3 抽取气瓶中的乙炔 11.4 使乙炔充满整个气袋 11.5 将乙炔注入真空管道 F12 准备合成空气，使用注射器将合成空气注入实验管道 F13 手工混合管道内气体 13.1 准备一只注射器 13.2 将注射器插入管道注气口13.3 来回抽取混合气体 F14 实验人员及时下达点火命令 F15 施加磁场点火 F16 计算机生成实验数据 表 3 六边形功能特征描述 功能特征 抽取气体：氦气、乙炔安全抽取 I 检查氦气和乙炔气瓶 O 用氦气置换真空管道内其他气体 P 穿戴个人防护设备 R 氦气瓶，乙炔瓶，气袋 C 气瓶操作步骤，压力表 T 无 226 实 验 技 术 与 管 理 表 4“识别磁场对乙炔爆炸速率和 压力的影响”实验中的功能名称 功能名称 功能类型F1 安全教育管理落实 组织 F2 安全教育培训 组织 F3 穿戴个人防护设备 人员 F4 检查实验环境 人员 F5 将实验管道抽真空 技术 F6 检查氦气和乙炔气瓶 人员 F7 抽取气体：氦气、乙炔安全抽取 人员 F8 用氦气置换真空管道内其他气体 人员 F9 用吹扫设备吹扫实验管道气体 技术 F10 再次将实验管道抽真空 技术 F11 将乙炔注入实验管道 人员 F12 准备合成空气，使用注射器将合成空气注入实验管道人员 F13 手工混合管道内气体 人员 F14 实验人员及时下达点火命令 人员 F15 磁场点火 人员 F16 计算机生成实验数据 技术 2.4 实验案例的功能易变性分析 本文引用文献19中的数据，确定了功能易变性在时间和精度维度上的得分，具体如表5所示。同时，也给出了每种功能在时间和精度维度上的离散概率分布，如表6和表7所示。通过以上分析，本研究使用公式（1），在MATLAB 运行环境下，结合蒙特卡洛方法对每种功能的易变性进行5 000次模拟，得出每种功能的得分概率分布，如图2所示。以技术功能F9为例，图2蓝色线条展示了技术类型的变化概率；以人员功能F7为例，图2黄色线条展示了人员类型的变化概率；以组织功能F1为例，图2灰色线条展示了组织类型的变化概率。2.5 实验案例的耦合易变性分析 结合表5，由式（2）计算功能的易变程度计算。以上游功能“F7抽取气体：氦气、乙炔安全抽取”对下游功能“F11将乙炔注入实验管道”的耦合变化为例，根据功能共振分析模型，从时间上来看，若F7输出时间过早，则能为F11提供充足的时间裕度，从而抑制变化，此时在时间上的放大系数711T为0.4；若F7输出时间准时，则对F11无影响，此时在时间上的放大系数711T为1；若F7输出时间过晚，则会导致F11输出时间过晚，此时在时间上的放大系数711T 图 1 “识别磁场对乙炔爆炸速率和压力的影响”的 FRAM 模型 表 5 功能易变性在时间和精度上的得分 维度 不同水平 得分 准时 1 过早 2 过晚 3 时间 不发生 4 精确 1 可接受 2 精度 不精确 3 表 6 功能易变性在时间上的离散概率值 不同水平 技术类型的离散概率值人员类型的 离散概率值 组织类型的离散概率值准时 0.70 0.65 0.65 过早 0.10 0.10 0.15 过晚 0.15 0.20 0.15 不发生 0.05 0.05 0.10 张人友，等：基于 FRAM-蒙特卡洛模拟的危化类实验安全分析和屏障管理 227 表 7 功能易变性在精度上的离散概率值 技术类型的 离散概率值 人员类型的 离散概率值 组织类型的离散概率值精确 0.80 0.15 0.20 可接受 0.15 0.60 0.45 不精确 0.05 0.25 0.35 图 2 功能易变性的得分概率分布 为2；若F7未发生，则下游功能F11亦不发生，此时放大系数711T为3。从输出的精度变化来看，若上游功能F7是精确的，则会对F11的精度变化起到抑制作用，此时认为在精度上的放大系数711A为0.8；若F7精度上的变化是可接受的，则认为对F11的精度变化无影响，此时放大系数711A为1；若F7精度上的变化不精确，则会影响F11的精度，从而促进变化，此时放大系数711A为2。根据以上分析，本研究确定了711T和711A的具体取值。随后，通过蒙特卡洛模拟得出“耦合F7-F11”的变化得分概率分布（图3）。相应地，可得出其他各功能之间的耦合变化得分概率分布。图 3 耦合 F7-F11 的得分概率分布 2.6 制定防控屏障 根据每个功能的蒙特卡洛模拟结果和对实验过程的分析，取置信水平Re=0.05，CVij=18，即当CVij大于18时，累积概率分布大于5%，系统易出现功能共振。对图2中所有功能之间的耦合进行蒙特卡洛模拟，得出相应的关键耦合。例如，F6与F7之间的功能耦合变化得分67CV大于18时，累积概率分布高于5%，则保留两功能之间的耦合。类似地，分析各功能之间的耦合，得出并保留关键耦合，完成对初始FRAM模型的修剪，修剪后的FRAM模型如图4所示。结合图4，本文分别从管理屏障、技术屏障和人员屏障3个方面对易变性较大的功能制定防控措施。管理屏障是指管理者（如学校职能部门、导师等）通过制定安全管理规范确保实验安全；技术屏障是指各类安全防护设备发挥屏障作用；人员屏障是指操作人员的技术能力、知识、精神状态和安全意识等。如图4所示，F3、F6、F7、F8、F11均易引发功能共振。因此，需对这5个功能进行合理管理，降低事故发生概率，表8给出了具体的屏障管理措施。图 4 修剪后的 FRAM 模型 228 实 验 技 术 与 管 理 表 8 不同功能的屏障管理措施 功能名称 屏障类型 屏障管理措施 管理屏障 实验人员必须通过专门培训考核；实验室需制定安全检查表警示实验人员 技术屏障 实验室需配备防静电防护服、护目镜、安全手套和防毒面具等防护设备 F3 穿戴个人防护设备 人员屏障 实验人员应了解所做实验的风险，并具有应急处理能力；实验人员应具有防火、防爆和防静电事故等知识 管理屏障 气瓶必须有质量合格证，钢印标记齐全；气瓶内、外表面不得有裂纹；瓶阀应有防护装置 技术屏障 实验人员必须穿戴防护设备；实验人员应配备便携式气体浓度报警仪 F6 检查氦气以及乙炔气瓶 人员屏障 实验人员应具有正确操作气瓶的知识，以及应急处理能力；能够正确分辨不同气体的气瓶 管理屏障 两人以上同时操作，实时监控检查；气瓶放置地点不得靠近热源和电器设备；气瓶直立使用；开启气瓶时，操作者应该站在阀门侧后方，动作要缓慢，不得过急过猛 技术屏障 实验人员必须穿戴防护设备；实验人员应配备便携式气体浓度报警仪 F7 抽取气体：氦气、乙炔安全抽取 人员屏障 实验人员应具有正确操作气瓶的知识，以及应急处理能力；且需了解氦气以及乙炔的理化性质 管理屏障 严格遵守操作规程；密闭操作，避免泄漏；气袋远离火种、热源 技术屏障 实验人员必须穿戴防护设备；实验人员应配备便携式气体浓度报警仪 F8 用氦气置换管道内其他气体 人员屏障 实验人员应了解氦气的理化性质，并具有应急处理能力 管理屏障 强化实验人员火灾爆炸消防训练；严格遵守操作规程；密闭操作，避免泄漏；气袋远离火种、热源 技术屏障 实验人员必须穿戴防护设备；实验人员应配备便携式乙炔气体检测报警仪 F11 将乙炔注入实验管道 人员屏障 实验人员应了解乙炔的理化性质，并具有应急处理能力 3 结语 针对“识别磁场对乙炔爆炸速率和压力的影响”实验，本文基于FRAM-蒙特卡洛模拟分析识别出5项关键功能，分别是穿戴个人防护设备、检查氦气和乙炔气瓶、抽取气体（氦气、乙炔安全抽取）、用氦气置换管道内其他气体、将乙炔注入实验管道。根据这5项关键功能，完成了相应的安全屏障管理措施的制定。此外，通过FRAM分析发现，本研究中识别的5项关键功能均与“人员”类型相关。因此，在未来研究中，可使用人因方法理论，对模型中人的可靠性和人的不安全行为开展进一步分析。参考文献(References)1 YANG Y F,RENIERS G,CHEN G H,et al.A bibliometric review of laboratory safety in universitiesJ.Safety Science,2019,120:1424.2 张春艳，周薇薇，茆文革.科研院所实验室危化品安全问题分析与管控探讨J.实验室科学，2022,25(6):197201.ZHANG C Y,ZHOU W W,MAO W G.Discussion on the analysis 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