武欣,戚彬,孫曉明,李志合,王憲良,王飛
(山東理工大學(xué),山東淄博,255000)
自20世紀(jì)50年代以來(lái),我國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化的水平不斷提升[1],但農(nóng)機(jī)安全問(wèn)題一直是影響我國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械質(zhì)量提升的重要原因之一。近年來(lái)農(nóng)機(jī)事故數(shù)量雖有所下降,但給社會(huì)、家庭和個(gè)人帶來(lái)的傷害依舊嚴(yán)重,帶來(lái)經(jīng)濟(jì)損失的同時(shí)還極大地降低了農(nóng)民的幸福感,嚴(yán)重影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的效率[2]。
在以往的農(nóng)機(jī)事故分析中,國(guó)外學(xué)者Robert[3]、Bunn[4]等以及國(guó)內(nèi)學(xué)者關(guān)于農(nóng)機(jī)事故的研究[5-8]大多根據(jù)國(guó)家對(duì)于農(nóng)機(jī)事故的相關(guān)統(tǒng)計(jì)資料來(lái)進(jìn)行文本分析,其研究結(jié)果對(duì)于農(nóng)機(jī)事故的預(yù)防具有一定的意義,但存在數(shù)據(jù)資料不全面,造成事故的潛在因素被忽略等問(wèn)題。除此之外,之前研究中的傳統(tǒng)的定量模型不具備推理能力,具有因果關(guān)系的邏輯推理的模型無(wú)法進(jìn)行系統(tǒng)精確數(shù)值的描述[9]。
目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者已將模糊事故樹的方法應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域,Badida等[10]利用模糊事故樹分析方法對(duì)石油天然氣管道自然災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估,研究結(jié)果將對(duì)安全專業(yè)人員做出與石油和天然氣管道風(fēng)險(xiǎn)管理有關(guān)的決策提供幫助;Paula等[11]將故障樹分析和模糊決策相結(jié)合構(gòu)建了網(wǎng)絡(luò)安全風(fēng)險(xiǎn)分析模型理論用來(lái)評(píng)估網(wǎng)絡(luò)安全;不列顛哥倫比亞大學(xué)的學(xué)者[12]利用模糊事故樹分析法對(duì)水力壓裂返水蓄水故障進(jìn)行分析找出故障的關(guān)鍵原因;印度學(xué)者Cheliyan等[13]對(duì)海底采油系統(tǒng)油氣泄漏進(jìn)行模糊事故樹分析來(lái)確定可能導(dǎo)致事故發(fā)生的最薄弱環(huán)節(jié);中國(guó)也有學(xué)者利用該分析方法對(duì)于城市霧霾[14]、煤礦爆炸[15]等事件進(jìn)行研究。這在一定程度上說(shuō)明模糊事故樹方法的適用性廣,將其用在農(nóng)機(jī)事故上是可行的。
因此,本研究通過(guò)事故樹分析法[16-17]對(duì)農(nóng)機(jī)事故進(jìn)行定性分析,層層深入,整理出造成農(nóng)機(jī)事故的已知原因和潛在原因,針對(duì)事故樹分析法定量分析時(shí)存在基本事件概率不完整的問(wèn)題,引入三角模糊數(shù)[18]的理論對(duì)基本事件的發(fā)生概率進(jìn)行模糊處理,求出頂上事件發(fā)生概率,對(duì)農(nóng)機(jī)事故進(jìn)行預(yù)測(cè),利用模糊中值推出基本事件的模糊重要度,并進(jìn)行排序,根據(jù)結(jié)果,制定出更加全面且具有針對(duì)性和科學(xué)性的預(yù)防措施。
本文選取農(nóng)機(jī)事故作為研究對(duì)象即事故樹中的頂上事件來(lái)進(jìn)行分析,從2013年出版的《農(nóng)業(yè)機(jī)械事故案例》[19]和2016—2018年期間《中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化年鑒》[20]中收錄的2014—2016年農(nóng)機(jī)事故情況的通報(bào)以及在中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化信息網(wǎng)上發(fā)布的關(guān)于2017—2019年農(nóng)機(jī)事故情況的通報(bào)中對(duì)與該事故有關(guān)文本敘述進(jìn)行查閱,并對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)整理,得到造成農(nóng)機(jī)事故的已知原因,在此基礎(chǔ)上從整個(gè)人機(jī)系統(tǒng)角度出發(fā),分人、機(jī)、環(huán)境三個(gè)層面來(lái)分析風(fēng)險(xiǎn)源,整理出風(fēng)險(xiǎn)因素,梳理出造成農(nóng)機(jī)事故的潛在原因,采用事故樹分析法,由果溯因進(jìn)行推演,構(gòu)建起各事件之間的因果關(guān)系,進(jìn)而追蹤到造成農(nóng)機(jī)事故發(fā)生的最本質(zhì)的原因,并用特定的事件符號(hào)和邏輯門符號(hào)來(lái)繪制事故樹圖,采取布爾代數(shù)簡(jiǎn)化法求解最小割集和最小徑集,利用三角模糊理論對(duì)基本事件的發(fā)生概率進(jìn)行模糊處理,最后求解出農(nóng)機(jī)事故發(fā)生概率及各基本事件的模糊重要度,具體模型框架如圖1所示。
圖1 農(nóng)機(jī)事故模糊事故樹分析流程
2.1.1 資料查閱分析
通過(guò)查閱《農(nóng)業(yè)機(jī)械事故案例》[19]和《中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化年鑒》[20],對(duì)與農(nóng)機(jī)事故相關(guān)的敘事文本和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和分析,捕獲無(wú)證駕駛、無(wú)牌駕駛、操作失誤、機(jī)件失效、違法載人、疲勞駕駛、非作業(yè)人員進(jìn)入作業(yè)區(qū)等高頻關(guān)鍵詞,將其作為農(nóng)機(jī)事故已知原因數(shù)據(jù)庫(kù)素材,為下一步的事故樹邏輯分析提供參考依據(jù)。
2.1.2 農(nóng)機(jī)事故風(fēng)險(xiǎn)源分析
造成農(nóng)機(jī)事故因素繁多,目前所提供的事故資料存在描述缺乏細(xì)節(jié),內(nèi)容不夠翔實(shí)的問(wèn)題,對(duì)于事故原因的分析停留在表面,未能深入下去探究其實(shí)質(zhì)性的原因,因此在對(duì)農(nóng)機(jī)系統(tǒng)中的危險(xiǎn)因素進(jìn)行分析時(shí)將從人、機(jī)、環(huán)境三個(gè)層面展開,將分析因素作為事故樹模型中的中間事件,在此基礎(chǔ)上進(jìn)行分析,推出導(dǎo)致頂上事件發(fā)生的直接原因即基本事件。
1)人的因素:目前農(nóng)機(jī)操作者文化水平普遍較低,年齡較大,學(xué)習(xí)的主動(dòng)性低,很多操作者不主動(dòng)參加培訓(xùn),無(wú)法正確掌握農(nóng)機(jī)產(chǎn)品的操作技巧,安全意識(shí)與規(guī)范意識(shí)薄弱,傾向于依靠片面經(jīng)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行農(nóng)機(jī)產(chǎn)品的操作,同時(shí)易存在僥幸心理,所以會(huì)出現(xiàn)人員位置錯(cuò)誤、錯(cuò)誤操作、有意違規(guī)、無(wú)意失誤、人體達(dá)到疲勞這些造成農(nóng)機(jī)事故的危險(xiǎn)因素。
2)物的因素:農(nóng)機(jī)產(chǎn)品在設(shè)計(jì)時(shí)存在安全防護(hù)裝置及信號(hào)裝置缺少,安全警示標(biāo)識(shí)不全的問(wèn)題,在生產(chǎn)制造過(guò)程中其性能受到加工工藝及材料的影響,使產(chǎn)品的安全性降低,同時(shí)農(nóng)機(jī)產(chǎn)品具有其特定的生命周期,其性能的可靠性與使用時(shí)間呈負(fù)相關(guān),農(nóng)機(jī)裝備使用時(shí)間越長(zhǎng),它的可靠性就越低,使用者若不能做到定期檢驗(yàn)、保養(yǎng)和維護(hù),便無(wú)法及時(shí)察覺潛在危險(xiǎn),因此設(shè)備故障、安全設(shè)施失效是農(nóng)機(jī)產(chǎn)品存在安全隱患的重要因素,其本質(zhì)原因則有機(jī)具無(wú)安全保護(hù)裝置、人員未穿戴安全防護(hù)裝備、缺少警示信號(hào)提醒裝置、未定期檢修保養(yǎng)機(jī)具、作業(yè)前未檢查機(jī)具安全性能。
3)環(huán)境因素:“三夏”“三秋”等農(nóng)時(shí)季節(jié),農(nóng)民為搶農(nóng)時(shí),高溫、雨天等環(huán)境下持續(xù)作業(yè),極易造成疲勞,并且作業(yè)環(huán)境相對(duì)復(fù)雜,路面狀況差且障礙物多,如果不事前查勘易發(fā)生意外。
除此之外,根據(jù)近幾年事故數(shù)據(jù)得出,由誤操作引起的農(nóng)機(jī)事故一直占比較大,人員操作技能欠缺、安全意識(shí)薄弱雖是引起誤操作的原因,但歸根結(jié)底在于農(nóng)機(jī)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)問(wèn)題[21],在設(shè)計(jì)初期缺乏對(duì)人的因素的考慮,使得農(nóng)機(jī)產(chǎn)品在設(shè)計(jì)上存在不符合人機(jī)工程學(xué)的問(wèn)題,顯示裝置的信息不易被使用者識(shí)別,影響人對(duì)信息的接收與判斷,操縱裝置布置的不合理性增加了誤操作概率。
事故樹圖是將“農(nóng)機(jī)事故”作為事故樹的頂上事件,根據(jù)在相關(guān)資料的調(diào)查和人、機(jī)、環(huán)境三層面的風(fēng)險(xiǎn)源分析列出導(dǎo)致農(nóng)機(jī)事故發(fā)生的必要條件,逐層向下分析各自的直接原因事件,即通過(guò)由果溯因的推演,羅列出導(dǎo)致中間事件發(fā)生的基本事件,使用邏輯門符號(hào)和事件符號(hào)進(jìn)行連接,進(jìn)而構(gòu)建出完整的邏輯樹。矩形符號(hào)T代表頂上事件,矩形符號(hào)Mi代表中間事件,圓形符號(hào)Xi代表基本事件,農(nóng)機(jī)事故樹如圖2所示,事件類型如表1所示。
圖2 農(nóng)機(jī)事故樹
表1 事件類型表
通過(guò)布爾代數(shù)簡(jiǎn)化法計(jì)算最小割集[22],得出表達(dá)式如式(1)所示,展開得到三階最小割集有57個(gè),最小割集被用來(lái)表示系統(tǒng)的危險(xiǎn)性,最小割集越多表示系統(tǒng)的危險(xiǎn)性越高,由于本文中農(nóng)機(jī)事故的最小割集數(shù)目較多,且每個(gè)最小割集中所包含的基本事件較少,說(shuō)明農(nóng)機(jī)事故的發(fā)生途徑較多,發(fā)生的可能性較大。
T=M1M2M3
=(M4+M5)(X1+X2+X3)X4
=(X5+X6+M6+M7)(X1+X2+X3)X4
=(X5+X6+X7+X8+X9+X10+X11+X12+X13+X14+X15+M8)(X1+X2+X3)X4
=(X5+X6+X7+X8+X9+X10+X11+X12+X13+X14+X15+X16+X17+M9)(X1+X2+X3)X4
=(X5+X6+X7+X8+X9+X10+X11+X12+X13+X14+X15+X16+X17+X18+X19+X20+X21+X22+X23)(X1+X2+X3)X4
=X1X4X5+X2X4X5+X3X4X5+X1X4X6+X2X4X6+X3X4X6+X1X4X7+X2X4X7+X3X4X7+X1X4X8+X2X4X8+X3X4X8+X1X4X9+X2X4X9+X3X4X9+X1X4X10+X2X4X10+X3X4X10+X1X4X11+X2X4X11+X3X4X11+X1X4X12+X2X4X12+X3X4X12+X1X4X13+X2X4X13+X3X4X13+X1X4X14+X2X4X14+X3X4X14+X1X4X15+X2X4X15+X3X4X15+X1X4X16+X2X4X16+X3X4X16+X1X4X17+X2X4X17+X3X4X17+X1X4X18+X2X4X18+X3X4X18+X1X4X19+X2X4X19+X3X4X19+X1X4X20+X2X4X20+X3X4X20+X1X4X21+X2X4X21+X3X4X21+X1X4X22+X2X4X22+X3X4X22+X1X4X23+X2X4X23+X3X4X23
(1)
利用原始事故樹的對(duì)偶性,依據(jù)摩根定理將事故樹中的與門和或門對(duì)換,并將事件變?yōu)閷?duì)偶事件,得到成功樹,通過(guò)布爾代數(shù)簡(jiǎn)化法計(jì)算最小徑集[22],得出表達(dá)式如式(2)所示,求解可得出最小徑集有3個(gè),其中一階最小徑集1個(gè),三階最小徑集1個(gè),十九階最小徑集1個(gè)。最小徑集被用來(lái)表示系統(tǒng)的安全性,結(jié)果表明控制農(nóng)機(jī)事故不發(fā)生的途徑相對(duì)較少,需要控制的危險(xiǎn)因素相對(duì)較多。
T=M1′+M2′+M3′
(2)
2.4.1 可統(tǒng)計(jì)的基本事件概率
根據(jù)2014—2019年間的農(nóng)機(jī)事故情況通報(bào),對(duì)造成農(nóng)機(jī)事故的基本事件:未定期檢修保養(yǎng)機(jī)具(X5)、無(wú)牌行駛(X8)、無(wú)證行駛(X9)的發(fā)生概率進(jìn)行整理,并計(jì)算其平均值m,考慮到該基本事件會(huì)受其他不可控因素的影響而產(chǎn)生一定的波動(dòng),因此分別選取在這6年間各基本事件的最高發(fā)生概率和最低發(fā)生概率來(lái)作為基本事件發(fā)生概率的上邊界值l和下邊界值u,得到其波動(dòng)范圍構(gòu)成模糊數(shù)q=(l,m,u)[23],如表2所示。
表2 可統(tǒng)計(jì)的基本事件三角模糊概率值
2.4.2 不可統(tǒng)計(jì)的基本事件概率
由于事故樹中的基本事件的發(fā)生概率并非全部能夠從相關(guān)的文本資料和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)中獲取,所以存在著數(shù)據(jù)缺失這一嚴(yán)重問(wèn)題,因此在本文中采用3σ表征法對(duì)基本事件的發(fā)生概率進(jìn)行獲取,選取4名專家組成專家團(tuán)隊(duì),為其發(fā)放制作好的預(yù)估基本事件發(fā)生概率的問(wèn)卷,由專家根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和農(nóng)機(jī)事故的實(shí)際情況分別給每一基本事件的發(fā)生概率進(jìn)行評(píng)估打分,在回收問(wèn)卷后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理匯總,根據(jù)整理數(shù)據(jù)計(jì)算其平均值m與標(biāo)準(zhǔn)差σ[24],計(jì)算公式如式(3)、式(4)所示。不可統(tǒng)計(jì)的基本事件3σ表征法分值結(jié)果如表3所示。
表3 不可統(tǒng)計(jì)的基本事件3σ表征法分值
E(x)=m
=(1/n)(a1+a2+…+an)
(3)
(4)
式中:n——樣本數(shù);
an——樣本取值。
根據(jù)3σ準(zhǔn)則,概率值服從正態(tài)分布,專家評(píng)定出來(lái)的概率值m在區(qū)間[m-3σ,m+3σ]上的概率為99.7%。因此,令m-l=u-m=3σ,3σ為基本事件發(fā)生概率上下波動(dòng)值,把各個(gè)概率值用(m-3σ,m,m+3σ)的形式來(lái)表征,從而將其轉(zhuǎn)化為三角模糊數(shù)的形式[23],結(jié)果如表4所示。
表4 各基本事件的模糊概率值
2.5.1 頂上事件發(fā)生概率
在“與”門和“或”門計(jì)算公式的基礎(chǔ)上推出“模糊與”門和“模糊或”門的運(yùn)算公式,根據(jù)之前定性分析求出的最小割集和最小徑集,計(jì)算頂上事件發(fā)生的三角模糊概率。
與門運(yùn)算公式
(5)
或門運(yùn)算公式
=1-(1-q1)(1-q2)…(1-qn)
(6)
“模糊與門”運(yùn)算公式
(7)
“模糊或門”運(yùn)算公式
(8)
由于農(nóng)機(jī)事故的最小割集過(guò)多,在計(jì)算頂上事件的發(fā)生概率時(shí)工作量大且復(fù)雜,所以利用最小徑集來(lái)計(jì)算頂上事件發(fā)生概率
(9)
式中:i——基本事件序數(shù);
j——最小徑集序數(shù);
r——最小徑集個(gè)數(shù)。
根據(jù)表4和式(9)計(jì)算得出頂上事件發(fā)生的三角模糊概率(0.123,0.161,0.198)。計(jì)算結(jié)果表明,農(nóng)機(jī)產(chǎn)品發(fā)生事故最可能的概率是0.161,最低概率為0.123,最高概率為0.198。
2.5.2 基本事件模糊重要度
模糊事故樹的基本事件概率是一個(gè)不確定的模糊數(shù),只能表示出概率大概的分布范圍,因此本文利用中值法來(lái)求解基本事件的模糊重要度[25]。三角模糊數(shù)隸屬函數(shù)如圖3所示。
圖3 三角模糊數(shù)隸屬函數(shù)
當(dāng)A1>A2時(shí),z (10) 當(dāng)A1=A2時(shí), 得z=m (11) 當(dāng)A1 (12) (13) pi越大說(shuō)明基本事件Xi越重要,需要優(yōu)先改善此事件來(lái)提高系統(tǒng)的安全性和可靠性,根據(jù)表5得到基本事件的模糊重要度排序:p1>p2>p16>p15>p7>p3>p9=p4>p13>p5>p6>p14>p10>p22>p23>p11>p20>p17>p8>p19>p21>p18>p12。 表5 基本事件模糊重要度 由此可知在23個(gè)基本事件中機(jī)具無(wú)安全保護(hù)裝置(X1),人員未穿戴安全防護(hù)裝備(X2),工作時(shí)間過(guò)長(zhǎng)(X16),操縱裝置不合理(X15),超速超載(X7)這5個(gè)基本事件排序靠前。這表明農(nóng)機(jī)產(chǎn)品在設(shè)計(jì)時(shí)缺乏安全設(shè)計(jì)原則的考慮,無(wú)法通過(guò)隔絕人體與農(nóng)機(jī)產(chǎn)品的有害部位來(lái)達(dá)到安全的效果;工作時(shí)間過(guò)長(zhǎng),導(dǎo)致人體產(chǎn)生疲勞,處于疲勞狀態(tài)的使用者,在注意力的廣度和緊張度的匹配上易失去平衡,影響人與農(nóng)機(jī)產(chǎn)品的互動(dòng)。操縱裝置的不合理說(shuō)明農(nóng)機(jī)產(chǎn)品在設(shè)計(jì)時(shí),存在位置布局、結(jié)構(gòu)形狀不符合人的使用習(xí)慣和生理特點(diǎn)的問(wèn)題,導(dǎo)致使用者在操作過(guò)程中不能方便使用;超速超載的原因的背后是人們?cè)趦e幸心理、急于求成情況下的主觀判斷,是安全意識(shí)不足,安全文化教育缺失問(wèn)題的顯現(xiàn),今后在對(duì)于農(nóng)機(jī)事故進(jìn)行預(yù)防時(shí)需要在這些方面加強(qiáng)重視,應(yīng)以此為方向優(yōu)先提出針對(duì)性的預(yù)防措施。 本研究將三角模糊數(shù)學(xué)和事故樹分析法兩種理論相結(jié)合,通過(guò)構(gòu)建模糊事故樹分析法對(duì)農(nóng)機(jī)事故進(jìn)行研究分析,推斷出引起農(nóng)機(jī)事故的已知因素和潛在因素,得到造成農(nóng)機(jī)事故的23個(gè)基本事件,通過(guò)定性分析計(jì)算出57個(gè)最小割集,3個(gè)最小徑集,這說(shuō)明造成農(nóng)機(jī)事故的影響因素多,系統(tǒng)危險(xiǎn)系數(shù)高,通過(guò)定量分析得出頂上事件發(fā)生概率在0.123~0.198之間波動(dòng),由計(jì)算得出的各個(gè)基本事件的模糊重要度值和排列順序可知,機(jī)具無(wú)安全保護(hù)裝置(X1)、人員未穿戴安全防護(hù)裝備(X2)、工作時(shí)間過(guò)長(zhǎng)(X16)、操縱裝置不合理(X15)、超速超載(X7)對(duì)農(nóng)機(jī)事故發(fā)生的影響程度較高。 研究結(jié)果體現(xiàn)了不同的基本事件對(duì)于事故發(fā)生的影響程度,使人們?cè)谶M(jìn)行預(yù)防措施制定時(shí)有所考量,使對(duì)策更加全面、科學(xué)、高效,同時(shí)結(jié)果使人們對(duì)于農(nóng)機(jī)事故原因的關(guān)注點(diǎn)在農(nóng)機(jī)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)上有所側(cè)重,今后可從產(chǎn)品設(shè)計(jì)的系統(tǒng)視角來(lái)為農(nóng)機(jī)事故的預(yù)防帶來(lái)新思考并提供新的防范措施,既有利于降低事故率,也將有利于促進(jìn)農(nóng)機(jī)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)改良和品質(zhì)提升。 1)優(yōu)化農(nóng)機(jī)產(chǎn)品的性能,將農(nóng)機(jī)的安全問(wèn)題上升到設(shè)計(jì)層面,增加安全保護(hù)裝置,隔絕有害環(huán)境,優(yōu)化人機(jī)交互界面,使操縱裝置符合人的生理尺寸和心理需求,減少安全隱患,提高農(nóng)機(jī)產(chǎn)品的安全性和舒適性。 2)合理安排工作時(shí)間和工作強(qiáng)度,避免疲勞駕駛,避免在惡劣環(huán)境下工作。 3)加強(qiáng)安全教育和技能培訓(xùn),使農(nóng)民了解農(nóng)機(jī)安全法規(guī)和常識(shí),提高農(nóng)民的安全意識(shí),做到熟練掌握操作技術(shù)并能進(jìn)行規(guī)范操作,同時(shí)相關(guān)部門嚴(yán)格考核標(biāo)準(zhǔn),使駕駛者持證上崗,進(jìn)一步提高農(nóng)機(jī)產(chǎn)品登記率、檢驗(yàn)率和駕駛者持證率。 4)加強(qiáng)監(jiān)管力度,嚴(yán)格落實(shí)定期對(duì)農(nóng)機(jī)產(chǎn)品進(jìn)行檢查維修和保養(yǎng)的制度,密切關(guān)注農(nóng)機(jī)產(chǎn)品在整個(gè)生命周期的狀況,使其處于安全狀態(tài)。 5)在作業(yè)場(chǎng)所設(shè)置安全標(biāo)識(shí),嚴(yán)禁非工作人員進(jìn)入作業(yè)區(qū),在農(nóng)機(jī)產(chǎn)品上配備警示標(biāo)識(shí),將安全信息圖形化、符號(hào)化,引導(dǎo)工作人員遠(yuǎn)離危險(xiǎn)部件,并提高個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)意識(shí)。3 結(jié)論及建議
3.1 結(jié)論
3.2 建議