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堤防潰口人員傷亡事故的事故樹分析

文檔作者：楊夢云文檔來源： 1．荊州市長江河道管理局公安分局勘測設計院 2．東莞市廣安建設工程監(jiān)理有限公司		點擊數(shù)：	更新時間： 2021年10月16日
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第33卷第3期
Vo1．33 No．3
水利水電科技進展
Advances in Science and Technology of W ater Resources
2013年5月
Mav 2013
DOI：10．3880／j．issn．1006 7647．2013．03．005
堤防潰口人員傷亡事故的事故樹分析
楊夢云
(1．荊州市長江河道管理局公安分局勘測設計院，湖北公安434300；
2．東莞市廣安建設工程監(jiān)理有限公司，廣東東莞523 122)
摘要：為了減少洪災人員傷亡，將安全系統(tǒng)工程中的事故樹分析法引入到堤防潰口人員傷亡事故的
分析與控制中，根據(jù)事故樹分析基本原理和堤防潰口的事故機理，綜合考慮引發(fā)事故的各基本事件
及其邏輯關系建立堤防潰17人員傷亡事故樹，從最小割集、最小徑集、基本事件的結構重要度、頂上
事件的發(fā)生概率、概率重要度、關鍵重要度等方面，對事故樹進行定性、定量分析。結果表明：洪災
發(fā)生時的有序疏散及自我保護是降低人員傷亡事故發(fā)生概率的關鍵因子，和當?shù)厝丝诿芏认嗥ヅ?
且通暢的交通道路、快捷的逃生工具、提高反應時間的防洪預警系統(tǒng)等非工程防洪措施，是防洪減
災中堤防潰口人員傷亡事故防范的側重點及主要控制方向。
關鍵詞：堤防潰口；人員傷亡；安全系統(tǒng)工程；事故樹分析
中圖分類號：TV698．2 37 文獻標志碼：A 文章編號：1006—7647(2013)03—0018—05
Fault tree analysis on casualty accidents caused by dike breaches／／YANG Mengyun (1．Survey and Design Institute of
Gongan Branch， Jingzhou Yang~e River Management Bureau， Gongan 434300， China； 2．Dongguan Guang’an
Construction Engineering Supervision Co．，Ltd．，Dongguan 523122，China)
Abstract：In order to reduce the injuries and deaths in flood disaster，the method of the fault tree analysis(FTA)in the
safety system engineering was applied in the analysis and control of casualty accidents caused by dike breaches． Based on
principles of the fault tree analysis and mechanism of the dike breaches，the fault tree for the injuries and deaths in flood
disaster was constructed considering all factors of the accidents and the logical relations between them．The fault tree was
analyzed qualitatively and quantitatively from the aspects of the minimal cut sets，minimal path sets and the structural
importance of basic events，occurrence probability of top events，importance degree of probability，and critical importance，
etc．The results show that the orderly evacuation and self-protection are the key factors to decrease the probability of
casualty accidents．The non engineering measures to flood prevention．such as the smooth traffic roads to match the local
population density，the means of fast escape，and the early warning system to increase the reaction time，are critical aspects
and main control directions of casualty accidents prevention in the flood control and disaster reduction．
Key words：dike breach；casualty；safety system engineering；fault tree analysis
事故樹分析法(fault tree analysis，F(xiàn)TA)是安全
系統(tǒng)工程中進行安全分析、評價和事故預測時常用
的一種演繹推理法。目前事故樹分析法的應用已從
宇航、核工業(yè)領域控制系統(tǒng)的安全性評價和隨機性
故障概率預測擴展到礦山、電力、鐵路安全事故的分
析及公共場所火災的安全性評價等領域。洪澇災害
是我國自然災害中危害最大、損失最嚴重的災
害? ，不考慮堤防潰口、漫溢，1954-2006年全國僅
垮壩水庫就有3498座 J，其中尤以河南“75·8”特
大洪水災害損失慘重。關于潰壩的統(tǒng)計及原因分析
多有論述 剖，針對堤防尤其是水庫、大壩的風險分
析與評價也不乏研究 ，但對堤防工程出現(xiàn)潰口性
險情時的安全性評價和突發(fā)性事故概率預測，尤其
是堤防潰口發(fā)生時的人員傷亡事故的定量分析卻少
見分析。為最大限度地減少堤防潰口事故中的人員
傷亡，本文運用安全系統(tǒng)工程的事故樹分析方法，針
對出現(xiàn)潰口性險情后的堤防潰口人員傷亡事故做定
性與定量分析，為防洪減災提供科學、可靠的依據(jù)。
1 事故樹分析法的基本方法與原理
1．1 事故樹分析法的基本方法
事故樹是一種從結果到原因描繪事故發(fā)生的有
作者簡介：楊夢云(1963一)，男，湖北公安人，工程師，主要從事防洪減災與河道整治研究。E-mail：mengyunyang1963@yahoo tom．cn
· 18 · 水利水電科技進展，2013，33(3) Tel：025—83786335 E—mail：豇@hhu．edu．cn http：／／kkb．hhu．edu．Cn
向邏輯樹，事故樹分析法把系統(tǒng)可能發(fā)生的某種事
故與導致事故發(fā)生的各種原因之間的邏輯關系用一
種以頂上事件為根、中間事件為節(jié)、基本事件為葉的
若干級倒置事故樹表示 剖。從要分析的特定事故
的頂上事件開始，層層分析與頂上事件有關的所有
原因事件即中間事件，一直分析到不能再分解或沒
有必要分析時為止，即分析至基本原因事件即底事
件為止，通過對事故樹的定性與定量分析，找出事故
發(fā)生的主要原因，以便改善和評價系統(tǒng)的安全性，為
確定安全對策提供可靠依據(jù)，以達到預測與預防事
故發(fā)生的目的。
1．2 事故樹分析法的基本原理
事故樹分析法的基本原理就是利用事故分析手
段對事故資料進行邏輯分析，從中找出事故的最小
割集、最小徑集，并對基本事件的結構重要度、概率
重要度、關鍵重要度做定性、定量分析，為做出最佳
事故診斷和確定防范措施的順序提供依據(jù)。
1．2．1 最小割集與最小徑集
最小割集中所有基本事件同時發(fā)生，則頂上事
件必然發(fā)生，每一個最小割集都表示頂上事件發(fā)生
的一種可能，最小割集數(shù)量的多少反映系統(tǒng)危險性
的大??；最小徑集中所有基本事件都不發(fā)生，則頂上
事件不發(fā)生，每一個最小徑集都表示頂上事件不發(fā)
生的一種可能，最小徑集數(shù)量的多少反映系統(tǒng)安全
性的大小。最小割集的求解方法有布爾代數(shù)法、質(zhì)
數(shù)代人法和矩陣法等方法，一般常用布爾代數(shù)法。
在事故樹的對偶樹及成功樹中，按照求解最小割集
的原理求解最小徑集。在求解最小割集時如基本事
件關聯(lián)復雜，存在“組合爆炸”問題，采用二元決策
圖法(binary decision diagram，BDD) 可不求解最
小割集就能得出頂上事件發(fā)生概率。
1．2．2 基本事件的結構重要度分析
各基本事件在事故樹結構中的重要程度稱為結
構重要度。僅從事故樹的結構上研究各基本事件對
頂上事件的影響程度，稱為結構重要度分析。結構
重要度系數(shù)求解方法有列表編排法、最小割集(徑
集)法。利用最小割集法近似求解結構重要度系
數(shù)，計算公式為
事件的結構重要度順序，而不是求出結構重要度系
數(shù)的精確值¨引。這4條原則是：① 單事件最小割
(徑)集中的基本事件結構重要度系數(shù)最大；②僅在同
一最小割(徑)集中出現(xiàn)的所有基本事件結構重要度
系數(shù)相等；③兩基本事件僅出現(xiàn)在基本事件個數(shù)相等
的若干最小割(徑)集中，這時在不同最小割(徑)集
中出現(xiàn)次數(shù)相等的基本事件其結構重要度系數(shù)相等，
出現(xiàn)次數(shù)多的結構重要度系數(shù)大，出現(xiàn)次數(shù)少的結構
重要度系數(shù)??；④兩個基本事件僅出現(xiàn)在基本事件個
數(shù)不等的若干最小割(徑)集中，在這種情況下，若它
們重復在各最小割(徑)集中出現(xiàn)的次數(shù)相等，則少事
件最小割(徑)集中出現(xiàn)的基本事件結構重要度系數(shù)
大；在少事件最小割(徑)集中出現(xiàn)次數(shù)少的基本事件
與多事件最小割(徑)集中出現(xiàn)次數(shù)多的基本事件比
較，一般前者的結構重要度系數(shù)大于后者。
1．2．3 頂上事件發(fā)生概率
在各基本事件相互獨立且事故樹中不含有重復
的或相同的基本事件的條件下，頂上事件的發(fā)生概
率可根據(jù)事故樹的結構用式(2)或式(3)求得：
用“與門”連接P =【_】q (2)
用“或門”連接P =1一n(1一q ) (3)
式中：P 為頂上事件的發(fā)生概率；q 為第i個基本事
件的發(fā)生概率；n為事件個數(shù)。
1．2．4 基本事件的概率重要度分析
概率重要度表示第i個基本事件發(fā)生概率的變
化引起頂上事件發(fā)生概率變化的程度，概率重要度
系數(shù)， 計算公式為
， = OPT (4)
1．2．5 基本事件的關鍵重要度分析
關鍵重要度表示第i個基本事件發(fā)生概率的變
化率引起頂上事件發(fā)生概率的變化率，能從本質(zhì)上
反映各基本事件在事故樹中的重要程度，關鍵重要
度系數(shù) 計算公式為
= (5)
， ： 圭 1 (1) 2堤防潰口人員傷亡事故樹的構建與分析
。． 、， ． 一。．
x i=l
． 曩 ．一 景一 一 、， 2‘． 1事故樹的構建； 故機理看
，第三 案 蘭鍪 敗是 芒； 磊 搶萎險 失敗和逃生失
價基本事f牛所在的最小割集 的基本事 。
總鍪 ? 一西? 一 ? ?
甘 基本事件結構重要： 度系數(shù)的大小下三 叫一 豚 一一
， 并排列出各基本 。
蘭墮蘭旦 5墨 主蘭苧l 71
r．、-
lA
搶險失
l 4
搶險方案錯誤
I 6
違背搶
險原則
l 7
搶險力
l
險情處理不及時
l A 8
現(xiàn)險
不及時
l 9
報險1
不及時I
lA1o lAII
l絮
廣 、 廣 o l - l 【 X,2 J
|專 ! 孽 |＼ 業(yè)＼ ／險 ／有 ／ 0 專、 |掩 f＼|避 、遣 l 葫尢
堤 ／通＼ 隱＼／業(yè) 險 fim f路＼ 通 ／路 準備
I橥 (蓁』 (莖 l垂』(蓁 ( 黍』(墨／ 善／ 霪j 蠢jl 警 ／ 識f 2驗f!堤 險f{故f不f f識 I驗f{故 J輛J 故f!輛』} 磊 不 ＼不／ 查 馬／＼障／＼報／＼不 1不 ＼障 I問 障㈡問 蓉 ’ t
定／ 癌 ／|． 辱 ／ 一 盍
圖1 堤防潰口人員傷亡事故樹
2．2 定性分析 易發(fā)生 。本文事故樹中各組最小割集的基本事件同
1 最小割集與最小徑集 樣多，但基本事件 ～ 出現(xiàn)的次數(shù)明顯多于 ～
根據(jù)圖1，堤防潰口人員傷亡事故樹的結構表達 ，，故在制定降低系統(tǒng)的危險性方案時宜以中間事件
式為 逃生失敗下的5個基本事件為主要控制方向。
T=A,A2= 最小徑集是保證頂上事件不發(fā)生的充分必要條
( 。+ + + ) ( + + + 件，最小徑集越多，系統(tǒng)就越安全。本文事故樹中最
+ + +置。+ +瓦+ 小徑集較少，第3組最小徑集 ：。xl xl xl，
+ + ．+ +置，+X ) 的基本事件個數(shù)較多，選取確保系統(tǒng)安全的最佳方
采用布爾代數(shù)法確定最小割集 ]，根據(jù)布爾代數(shù) 案時，在中間事件逃生失敗下的5個基本事件中采
的等冪、吸收運算，對含有重復基本事件的割集化簡后 取措施比在中間事件搶險失敗下的8個基本事件中
共得到32組最小割集： 采取措施更有助于提高系統(tǒng)的安全性。
T=xlx5X6+X LX5x +XlXsX +x Lx5X9+ 2．2．2 結構重要葭分析
+ +X 墨置，+X 墨 + 因最小徑集的數(shù)量少且最小徑集中包含的基本
十 + 墨 +墨 墨+ 事件數(shù)量較少，計算結構重要度系數(shù)較簡單，本文事
x
‘
：1-21x~ 5~1xt 10 ,x ~x ,5ZxX ll+ 。2 , ~ x2 z x5 z 13+
故樹分析中采用 小徑集的計算方法計算基本事件
墨 +墨墨瑪 + 乏 +墨墨墨+ 的結構重要1 度系數(shù)。根 )計算可得．，科
X3x5X。+X3X X1l+X3XsX2+X3X5x。+ I∞=I∞= =專1，l∞= =、，l =l =I帆=l∞=
+ +
川 ， = =
1
2
肺刪基本事件
X4X X L + X4x Xn +X4X X L2+ X4X x L 、。L三
最小徑集用事故樹表示為 的結構重要度順序為 >， = ： = > =
T =A +A = + + 1,I,7= ： ：，伽= 。 =， =， 。計算結果與根
IA IA IA !A IA tA t0A t tA tA t。 t：A t。A。t ， 據(jù)結構重要度判斷原則得到的結果一致 。
根據(jù)布爾代數(shù)的等冪、吸收運算，對含有重復基本 從結構重要度分析可知：基本事件 對頂上事
事件的徑集化簡后共得到3組最小徑集： 件產(chǎn)生的影響最大，基本事件 ～ 的影響次之，
T = + + ， 基本事件 ～ 。，的影響最小。由結構重要度分析
從以上分析計算可以看出，最小割集共32組，即 可知，具有防洪要求的水利工程作為一個系統(tǒng)工程，
導致事故的發(fā)生有32種途徑。最小割集越多，系統(tǒng)就 除了考慮其自身的安全性和子系統(tǒng)及各單元的可靠
越危險；最小割集中基本事件個數(shù)越多，事故就越難發(fā) 性外，還應考慮與當?shù)氐墓舶踩缙陬A警系統(tǒng)、交
生；反之，最小割集中的基本事件數(shù)越少，事故就越容 通道路、人13密度等社會及環(huán)境因子的融合，最大限
． 20 ． 水利水電科技進展．2013．33(3) Tel：025—83786335 E mail：皿@hhu．edu．cn http：／／kkb．hhu．edu．cn
地 —— 一
贏 '
度地減少堤防潰口事故中的人員傷亡。
2．3 定量分析
2．3．1 頂上事件發(fā)生概率
我國關于此類基本事件的發(fā)生概率缺乏統(tǒng)計資
料，根據(jù)荊江分蓄洪區(qū)所屬行政區(qū)域1980、1998年
兩次潰口及1998年荊江分蓄洪區(qū)預分洪情況和荊
江分蓄洪區(qū)1998、1999年兩次大洪水中共379處險
情統(tǒng)計資料，經(jīng)專家打分后獲取本文基本事件發(fā)生
概率，由于樣本容量有限，僅適用于探索性研究，在
此只做試驗性計算，基本事件 一 的發(fā)生概率如
表1所示。在有條件取得較大樣本容量時，調(diào)查具
體數(shù)據(jù)后可根據(jù)邏輯計算方法計算得到事件的發(fā)生
概率 。
表1 基本事件的發(fā)生概率
基本事件 發(fā)生概率g 基本事件 發(fā)生概率g
無反應時間X 0．400 沒有巡堤查險X8 0．050
無逃生工具X2 0．200 巡堤查險馬虎X9 0．300
逃生道路擁擠X 0．300 通信故障X1o 0．005
年齡與健康問題X4 0．100 隱瞞不報 】1 0．350
洪災傷害X5 0．200 道路車輛問題置2 0．005
專業(yè)知識不足X 0．200
搶險經(jīng)驗不足X 物資儲備問題 ， 005
7 0．300
本文事故樹中最小徑集較少，由等效事故圖根
據(jù)式(2)、式(3)計算頂上事件的發(fā)生概率較為簡
單，即
P =1一(1一A )X；(1一A )=
g1q2q3q4+ q5+ q6q7q8q9qloql1q12q13—
9】g2g3g4g5一g5g6g7q8q9q~oql1q12q13一
q1 q2g3q4q5q6q7q8q9q10ql1q12ql3=0．201 9
2．3．2 基本事件的概率重要度分析
事故樹的概率重要度分析是依據(jù)各基本事件的
概率重要度系數(shù)進行具體的定量分析。根據(jù)式(4)
可得各基本事件的概率重要度系數(shù)：Is =q2g。g 一
q2q3q4q5一q2q3q4q5g6g7g8q9q1oql1 q12q13=0．004 8，同理
可得 =0．009 6，Io=0．006 4， =0．019 2， =
0．997 6，Ig6： 1．6×10一Ⅲ
，
， =1．05×10一Ⅲ
，Is8=6．3×
l0一m
，
， = 1．05×10一m
，
，glo=6．3×10一 ，，g11=9．0×
10 ，Is 2=6．3×10一，，m=6．3×10一，可知基本事件
概率重要度順序為 > >Ig2>Ig3>， >Isl0=Is12=Is 3>
> >Is7=Ig9>，
g11。
概率重要度分析表明：降低基本事件 的發(fā)生
概率，能迅速有效地降低頂上事件的發(fā)生概率，其次
是基本事件 、 、 ，、 。，最不敏感的是基本事件
蜀、 。從堤防潰口人員傷亡事故樹看，當逃生失
敗和搶險失敗同時發(fā)生時，將無可避免地導致人員
傷亡，而導致?lián)岆U失敗的基本事件較多，尤其是當?shù)?
防潰口事故發(fā)生時，降低中問事件搶險失敗下的
8個基本事件 一 ，中的某一項基本事件的發(fā)生
概率，并不能迅速有效地降低堤防潰口致人員傷亡
事故的發(fā)生概率。
2．3．3 基本事件的關鍵重要度分析
根據(jù)式(5)可得基本事件的關鍵重要度系數(shù)
1- ×0．004 8=0．009 5，同理可得： =，c，=
= 0．009 5，Ic5=0．988 2，， 6=1．559 2×10 ”，， 7=
8=，。9=Ic10=Ic1l=Ic12=Ic13=1．560 2×10 ，則基本
事件的關鍵重要度順序為， >Ic =Ic =， = >， =
Io8=Io9=Ic10=， 】】=， 13>， 12>， 6。
由關鍵重要度分析可知：基本事件 敏感性較
強，當?shù)谭罎⒖谑鹿拾l(fā)生時，淹沒范圍內(nèi)的逃生人群
應有組織、有秩序的疏散，避免踩踏或其他意外事故
傷害； ～ 作為逃生失敗的基本事件其本身發(fā)生
概率較大，所以反應時間、逃生工具、道路交通等基
本事件的重要度仍然較高；X6一 。 及 。作為搶險
失敗的基本事件，由于敏感性較低，對降低堤防潰口
人員傷亡事故的發(fā)生概率影響不太顯著，但作為整
個系統(tǒng)中的防范措施尤其是搶險失敗中的關鍵因
子，應更加重視。
在以上對堤防潰口人員傷亡事故的定性、定量
分析中，必須事先確定所有基本事件的發(fā)生概率。
我國關于基本事件發(fā)生概率的數(shù)據(jù)還相當缺乏，本
文樣本數(shù)據(jù)還不充足，結果尚需進一步驗證。當系
統(tǒng)規(guī)模較大、基本事件關聯(lián)復雜、最小割集較多時會
發(fā)生組合爆炸問題，即使用直接不交化算法或不交
積之和定理將相交和化為不交和，計算量也相當大。
二元決策圖法能夠簡化事故樹定性和定量分析過
程，陶勇劍等 根據(jù)基本事件的結構重要度對應的
物理意義，提出了故障樹基本事件的排序規(guī)則以及
二元決策圖的簡化規(guī)則，根據(jù)已確定的故障樹基本
事件排序，基于選擇結構一條件(ite)語句得到相應
的二元決策圖，從而簡化系統(tǒng)可靠性定性和定量分
析過程，這也是事故樹分析法中需進一步研究的重
要課題。
3 結 語
a．把事故樹分析法引入堤防潰口致人員傷亡
事故的定性與定量分析中，提出了一種新的防洪減
災評價方法，在一定程度上彌補了現(xiàn)有評價方法的
單一和不足，定性與定量分析為防洪減災提供了科
學的依據(jù)。
b．洪災發(fā)生時的有序疏散及自我保護是降低
人員傷亡事故發(fā)生概率的關鍵因子，早期的防洪預
警對是否具備充足的反應時間相當重要，和當?shù)厝?
水利水電科技進展，2013，33(3) Tel：025—83786335 E—mail：jz@hhu．edu．~lZ http：／／kkb．hhu．edu．Cl't ·21·
口密度相匹配且通暢的交通道路及快捷的逃生工具
作為重要的非工程防洪措施，是防洪減災中堤防潰
口人員傷亡事故防范的側重點及主要控制方向。
c．確定基本事件的發(fā)生概率是定量分析的基
礎，而基本事件的發(fā)生概率缺乏統(tǒng)計資料，文中樣本
數(shù)據(jù)不足，只能做假設性計算。建議建立堤防潰口人
員傷亡事故基本事件發(fā)生概率數(shù)據(jù)庫。
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