基于FTA、ETA、Bow—tie三种评价方法的结合及其应用研究

摘要： 在FTA与ETA分析方法结合的基础上引入蝴蝶结分析法（Bow-tie法）能很好的克服FTA和 ETA的局限性。本文将ETA、FTA及Bow-tie法进行结合并将其应用到燃气管道泄漏的安全评价及分析中。

Abstract： Introducing Bow-tie analytical method into the combination of FTA and ETA can well overcome the limitation of FTA and ETA. This article combines ETA， FTA and Bon-tie method and apply it into the safety evaluation and analysis of gas pipeline leakage.

关键词： FTA；ETA；Bow-tie分析法；管道燃气泄漏；定性分析；定量分析

Key words： FTA；ETA；Bow-tie analytical method；pipeline gas leakage；qualitative analysis；quantitative analysis

中图分类号：X820.4 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2013）27-0035-03

0 引言

随着现代社会的快速进步，我国各行各业都得到了飞速发展，但在发展的同时各种意外事故频频发生，造成重大的人员伤亡和财产损失。为了及时预防事故发生、降低事故损失，我们需要采用合理的评价方法及时找出事故发生发展原因，继而采取有效的预防措施防止事故再次发生。

由于现代工业的特殊性、复杂性和危险性，用单一评价方法很难对其进行全面分析，而采用多种评价方法结合的方式则会达到很好的效果。一般传统的分析方法包括安全检查表法、预先危险性分析（PHA）、失效模式和后果分析（FMEA）、鱼刺图、头脑风暴、事故树分析（FTA）、事件树分析（ETA）等等，其中事故树（FTA）和事件树（ETA）分析方法因其操作简单、应用广泛而受到大家普遍欢迎。FTA分析方法是以事故作为顶上事件，自上而下逐层寻找顶事件发生的直接及间接原因，并能对其进行定性、定量分析，为分析事故起因提供了依据。ETA分析法是从可能导致事故发生的起始事件开始，按时间的发展顺序考虑各个环节事件的成功与失败，通过ETA可以分析复杂系统中可能出现的各种事故模型及其后果，并能根据起始事件及环节事件的概率计算各种结果的概率。将FTA与ETA分析方法结合可以对事故的预防、控制、发生、后果及发生的原因等事故发生全过程进行分析。但是仅仅用FTA和ETA的分析方法不能从视觉上形象直观的完整表述事故发生全过程，不能对危害事件发生的原因、后果及采取的措施是否充足等提供一个可视化的评估。所以，如果在FTA与ETA分析方法结合的基础上引入蝴蝶结分析法（Bow-tie法），就能很好的解决该问题。

1 Bow-tie方法简介

Bow-tie分析法是一种很容易使用和操作的风险评估方法，它具有高度可视化、允许在管理过程中进行处理的特点。它能够使人们非常详细的识别事故发生的起因和后果，并能帮助人们在事故发生前后分别建立有效的措施来预防及控制事故的发生。

Bow-tie分析法的基本图形犹如一个蝴蝶结，能够同时分析和描述几种不同导致事故的潜在危险因素及后果，同时提出合理的预防及控制措施。Bow-tie法原理图将被分析的事故放在图的中心，将导致事故发生的潜在危险因素放在图左侧，事故发生后导致的后果放在图右侧。同时，还允许我们在图上标出为了预防事故发生所采取的预防措施及事故发生后为减小事故损失所能采取的控制措施。Bow-tie分析法的基本原理如图1所示。

2 FTA、ETA、Bow-tie三者结合的优点

FTA、ETA、Bow-tie三者结合能提高分析结果的直观性和准确性。Bow-tie分析法只能用图形直观表示出整个事故发生的全过程和相关的定性分析，而不易给出更为准确的定量分析，因此将ETA、FTA与Bow-tie法结合能很好的解决这一问题，对事件发展全过程有更为准确和详细的了解。

当用以上三种方法对某一具体事故做分析时，首先应当以所需要分析的事故为中心，通过事故树分析（FTA）找出导致事故发生的各种潜在危险因素，对其进行归纳总结，同时可根据需要进行定性定量分析。其次仍以事故作为起始事件进行事件树分析（ETA），通过事件树分析得到事故发生后可能导致的一系列潜在后果，在事件树分析中也可以根据需要进行定量分析。事故树和事件树的分析结果，可为Bow-tie法分析提供依据。

3 基于FTA、ETA、Bow-tie三种方法在燃气管道泄漏事故分析中的应用

3.1 燃气管道系统泄漏事故树的建立及分析 近年来燃气管道泄漏事故频发，造成了严重的人员伤亡和财产损失，如何加强对燃气管道的科学管理，避免燃气泄漏已经成为了十分紧迫的问题。根据相关文献和资料总结得出燃气管道泄漏主要有以下四个方面的原因：①生产制造方面的缺陷；②安装施工缺陷；③使用过程中出现问题；④安全管理方面的原因。根据以上四个原因再进行深层分析，便可得到管道燃气泄漏的事故树图形。所得事故树图形如图2所示。

3.1.1 燃气管道泄漏事故树定性分析 故障树定性分析的任务是求出故障树的全部最小割集、最小径集、结构重要度等。所谓最小割集，是指导致顶事件发生的所有可能的基本事件的最小限度的集合。当集合中的全部基本事件都已发生时，顶事件必定发生称为最小割集。所谓最小径集是指事故树某些基本事件的集合，当这些基本事件都不发生时，顶事件必然不会发生的最小集合。结构重要度是指假定各个基本事件发生概率相同的情况下，分析各个基本事件的发生对顶上时间发生所产生的影响程度，基本事件的结构重要度越大，它对顶事件影响程度就越大。

由布尔代数法得图2事故树的最小割集如下：

T=X1+X2+X3+X4+X5+X6+X7+X8+X9+X10X11X12+X13X14+X15X16；

由上式T可知，该事故树有9个一阶最小割集、2个二阶最小割集组成和1个三阶最小割集组成。一般来说，割集阶数越少，其发生的可能性就越大，在不同最小割集中重复出现的次数越多的底事件越重要。在分析系统的安全性与可靠性时，应当首先考虑那些发生概率相对较大或危害性大的一阶最小割集以及出现次数较多的底事件。该事故树中应当多加注意的基本事件为X1至X9，应当最大限度减低它们发生的可能性。

最小径集：

K1={X1、X2、X3、X4、X5、X6、X7、X8、X9、X10、X13、X15}

K2={X1、X2、X3、X4、X5、X6、X7、X8、X9、X10、X13、X16}

K3={X1、X2、X3、X4、X5、X6、X7、X8、X9、X11、X13、X15}

K4={X1、X2、X3、X4、X5、X6、X7、X8、X9、X12、X13、X15}

K5={X1、X2、X3、X4、X5、X6、X7、X8、X9、X11、X13、X16}

K6={X1、X2、X3、X4、X5、X6、X7、X8、X9、X12、X13、X16}

K7={X1、X2、X3、X4、X5、X6、X7、X8、X9、X12、X14、X15}

K8={X1、X2、X3、X4、X5、X6、X7、X8、X9、X11、X14、X15}

K9={X1、X2、X3、X4、X5、X6、X7、X8、X9、X11、X14、X16}

K10={X1、X2、X3、X4、X5、X6、X7、X8、X9、X12、X14、X16}

K11={X1、X2、X3、X4、X5、X6、X7、X8、X9、X10、X14、X15}

K12={X1、X2、X3、X4、X5、X6、X7、X8、X9、X10、X14、X16}

此题中最小径集中的基本事件较多，要想防止顶上事件的发生则应当从中选取较为合适可行的最小径集对其进行控制。

结构重要度排序：Ig（1）=Ig（2）=Ig（3）=Ig（4）=Ig（5）=Ig（6）=Ig（7）=Ig（8）=Ig（9）>Ig（13）=Ig（14）=Ig（15）=Ig（16）>Ig（10）=Ig（11）=Ig（12）

从该结构重要度分析中可以看出，基本事件X1至X9从结构上对顶上事件影响较大，应当在平时工作中多加注意防范，防止其发生。基本事件X13至X16次之，最后是基本事件X10至X12。

3.1.2 燃气管道泄漏事故树定量分析 事故树的定量分析主要为顶上事件发生概率的计算。如果已知某最小割集或最小径集中各个基本事件Xi发生的概率，则可以根据相关公式计算得出顶上事件发生的概率：

已知最小割集，可用公式：

P（T）=■■q■-■（■q■）+…+（-1）■■q■（1）

其中 r—最小割集的个数；i—基本事件的序数；j，h—最小割集的序数；

已知最小径集，可用公式：

P（T）=1-■■（1-qi）+■ ■（1-qi）-…+（-1）s■（1-qi）（2）

其中 s—最小径集的个数；i—基本事件的序数；j，h—最小径集的序数。

一般基本事件的概率可以通过专家讨论等方法来确定，但带有一定的主观性，故本文不再分别讨论，只假设通过以上（1）、（2）计算顶上事件燃气管道泄漏的概率为P

（T）。

以上即为燃气管道泄漏事故树分析，对以上分析结果进行总结即可得到导致燃气管道泄漏事故发生的原因，主要包括以下几个方面：①生产制造方面的原因；②焊接及法兰连接失误的原因；③管道受到挤压；④交叉施工对管道造成损害；⑤违章建筑占压管线；⑥人员误操作造成使用不当；⑦内壁腐蚀；⑧外壁腐蚀；⑨安全管理滞后、缺乏日常检修工作等。以上九个原因可以为后文利用Bow-tie蝴蝶结法画图提供依据。

3.2 燃气管道系统泄漏事件树的建立及分析

众所周知，燃气管道一旦泄露可能会导致火灾、爆炸、中毒等一系列的严重后果，然而，根据燃气本身不同的理化性质及外部环境，不同气体的泄露会造成不同的后果。在此，我们以燃气管道泄露作为事件树分析的初始事件，分析燃气泄露可能导致的不同后果。根据以上分析建立如图3所示的管道系统燃气泄漏事件树分析图。

在已知事件T1至T4发生的概率之后，可以分别计算M1-M16发生的概率，对以上事件树进行定量分析。张景林，崔国章编著的《安全系统工程》对此如何进行事件树定量分析有详细阐述，由于篇幅所限，在此不做累述。根据事件树分析的以上16种结果，可以将燃气泄漏这一事故造成的危害总结为以下几种：①失火，火灾隐患；②密闭空间爆炸；③气云爆炸；④中毒；⑤爆炸隐患，以上五种定性分析结果可以为后文利用Bow-tie蝴蝶结法画图提供依据。

3.3 基于Bow-tie的燃气管道泄漏事件风险分析实例

蝴蝶结图的实施步骤如下：①识别可能产生的危害事故，并将其作为蝴蝶结分析法的中心事件。在本例中通过事故树和事件树分析可知该蝴蝶结图的中心结为燃气管道泄漏；②列出导致中心事件发生的原因。由事故树分析已知导致事故发生原因包括：1）生产制造方面的原因；2）

焊接、法兰连接失误的原因；3）管道受到挤压；4）交叉施工对管道造成损害；5）违章建筑占压管线；6）人员误操作造成使用不当；7）内壁腐蚀；8）外壁腐蚀；9）安全管理滞后、缺乏日常检修工作等；③识别导致中心事件发生的原因；④在蝴蝶结图左侧，将可能导致中心事件发生的原因和中心事件之间用线段连接；并将能够防止中心事件发生的各个预防措施用条形框表示，置于该线段上，表示这些预防措施会产生积极的影响；⑤在蝴蝶结图右侧，分析中心事件发生后将会导致的不同潜在后果，并将中心事件与潜在后果用线段连接。经过分析，在该例中以下几种为燃气管道泄漏可能的潜在结果：1）失火，失火隐患；2）密闭空间爆炸；3）气云爆炸；4）中毒；5）爆炸隐患；⑥将能够降低潜在后果危险性的控制措施用条形框表示，置于中心事件与潜在后果的线段上，用以表示控制措施将会产生的积极影响。

在每条路径独立的情况下也可以对蝴蝶结分析法进行一定的量化分析，计算中心事件、控制及预防措施、潜在后果发生的概率，但是在实际应用过程中，导致中心事件及其潜在后果发生的路径，预防及控制措施并不完全独立，存在相互联系，所以还是用事件树、事故树分析法更加合适。通过以上分析，燃气管道泄漏Bow-tie风险分析图如图4所示。

4 总结

用FTA、ETA分析法可以对危害事故进行定性定量的分析，更为准确的表达出事故发生的可能性，以及采用哪些措施可以减少事故发生的概率。用Bow-tie蝴蝶结分析法用可视化的图形清晰的表示问题，便于理解，同时使用时不需要较高的专业知识水平。将三者结合起来有利于对事故发生的原因、过程、结果有更为深刻的理解，是一种更行之有效的方法，可以在日常的生产工作中进行运用。

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