基于關(guān)聯(lián)規(guī)則的企業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)并存分析研究

陳 寧助理研究員 王 堯助理研究員

(北京市勞動(dòng)保護(hù)科學(xué)研究所 安全與應(yīng)急管理研究室，北京 100054)

0 引言

安全風(fēng)險(xiǎn)通常指不確定性對(duì)目標(biāo)的負(fù)面影響，包括危險(xiǎn)發(fā)生的可能性及引發(fā)的人員傷亡、財(cái)產(chǎn)損失、生態(tài)環(huán)境破壞和社會(huì)危害的嚴(yán)重性的組合。危險(xiǎn)源是指可能單獨(dú)或共同引發(fā)風(fēng)險(xiǎn)的內(nèi)在要素。企業(yè)安全生產(chǎn)管理的核心就是識(shí)別并管控危險(xiǎn)源以及安全風(fēng)險(xiǎn)?；谖ｋU(xiǎn)源的特性和事故的演化過(guò)程，各類(lèi)安全風(fēng)險(xiǎn)并存情況普遍存在，各類(lèi)風(fēng)險(xiǎn)的并發(fā)特征及其相互關(guān)系對(duì)事故后果會(huì)產(chǎn)生較大影響，故在風(fēng)險(xiǎn)綜合管控中考慮風(fēng)險(xiǎn)的并存性有著重要意義。

在企業(yè)安全生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方面，韓建勇提出企業(yè)安全生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)是對(duì)生產(chǎn)系統(tǒng)內(nèi)的設(shè)備、系統(tǒng)或者相關(guān)生產(chǎn)儀器的安全可靠性進(jìn)行評(píng)估，查看生產(chǎn)狀況是否符合相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，危險(xiǎn)源是否在規(guī)定范圍內(nèi)分布、是否滿(mǎn)足分布標(biāo)準(zhǔn)，以及對(duì)發(fā)生事故風(fēng)險(xiǎn)概率進(jìn)行測(cè)算。張桂英研究化工生產(chǎn)企業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)和隱患的排查管理；謝鵬等提出基于云理論和區(qū)間層次分析法的涉爆粉塵企業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型；閆建華探討中煤集團(tuán)礦建施工項(xiàng)目的安全風(fēng)險(xiǎn)管控現(xiàn)狀及存在問(wèn)題。目前，企業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)研究大多針對(duì)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的意義或某類(lèi)企業(yè)具體風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)估模型和防控措施，很少涉及企業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)的并存分析。

關(guān)聯(lián)規(guī)則研究最初來(lái)源于超市貨架擺放，后在公共安全領(lǐng)域也有較為廣泛的應(yīng)用，如顧小林等從食品生產(chǎn)加工檢測(cè)數(shù)據(jù)中挖掘影響食品安全問(wèn)題的因素，建立報(bào)警關(guān)聯(lián)規(guī)則；孟凡榮等分析煤礦事故危險(xiǎn)源，運(yùn)用關(guān)聯(lián)規(guī)則評(píng)價(jià)巷道瓦斯危險(xiǎn)源的風(fēng)險(xiǎn)程度；張洋等將關(guān)聯(lián)規(guī)則用于食品供應(yīng)鏈風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警系統(tǒng)中，發(fā)現(xiàn)食品供應(yīng)鏈中的風(fēng)險(xiǎn)；張明媛等利用關(guān)聯(lián)分析挖掘施工隱患數(shù)據(jù)集，發(fā)現(xiàn)建筑施工現(xiàn)場(chǎng)內(nèi)外環(huán)境中危險(xiǎn)源之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，從而對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行有效的安全管理；宗萬(wàn)里等研究食品安全抽檢數(shù)據(jù)的不合格項(xiàng)目之間的關(guān)聯(lián)規(guī)則，用于食品安全監(jiān)管。

對(duì)于企業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)來(lái)說(shuō)，同一個(gè)危險(xiǎn)源可能潛在多種風(fēng)險(xiǎn)類(lèi)型，這種關(guān)聯(lián)關(guān)系稱(chēng)為并存關(guān)系，相應(yīng)的規(guī)則稱(chēng)為風(fēng)險(xiǎn)并存規(guī)則。本文以某地區(qū)企業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)數(shù)據(jù)為研究對(duì)象，運(yùn)用關(guān)聯(lián)規(guī)則分析企業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)的并存關(guān)系，挖掘風(fēng)險(xiǎn)并存規(guī)則，為企業(yè)應(yīng)急準(zhǔn)備和風(fēng)險(xiǎn)管控提供新思路。

1 研究方法

關(guān)聯(lián)分析是指對(duì)2個(gè)或更多事物之間可能存在關(guān)聯(lián)關(guān)系的分析。廣義上說(shuō)，這種關(guān)系可以是并發(fā)關(guān)系、因果關(guān)系、時(shí)序關(guān)系等。關(guān)聯(lián)規(guī)則最初用來(lái)研究顧客交易(事務(wù))數(shù)據(jù)庫(kù)中經(jīng)常被同時(shí)購(gòu)買(mǎi)的貨品。如果某些商品同時(shí)被購(gòu)買(mǎi)的次數(shù)超過(guò)用戶(hù)設(shè)定閾值，就可以認(rèn)為這些商品之間存在著關(guān)聯(lián)關(guān)系。這種關(guān)聯(lián)關(guān)系反映顧客的購(gòu)買(mǎi)行為模式，可以應(yīng)用于商品貨架設(shè)計(jì)、貨品安排、顧客分類(lèi)、市場(chǎng)促銷(xiāo)等。

1.1 關(guān)聯(lián)分析與關(guān)聯(lián)規(guī)則

假設(shè)

I

是全體數(shù)據(jù)項(xiàng)的集合，

D

為全體事務(wù)集，每個(gè)事務(wù)

T

有唯一的標(biāo)識(shí)號(hào)。項(xiàng)集是由數(shù)據(jù)項(xiàng)構(gòu)成的非空集合。對(duì)項(xiàng)集

A

?

I

，稱(chēng)

T

包含

A

當(dāng)且僅當(dāng)

A

?

T

。項(xiàng)集包含的元素個(gè)數(shù)稱(chēng)為項(xiàng)集的長(zhǎng)度，長(zhǎng)度為

k

的項(xiàng)集稱(chēng)為

k

階項(xiàng)集。關(guān)聯(lián)規(guī)則是描述數(shù)據(jù)庫(kù)中數(shù)據(jù)項(xiàng)集之間存在潛在關(guān)系的規(guī)則，形式為

A

?

B

，其中

A

?

I

，

B

?

I

，且

A

∩

B

=?。

A

稱(chēng)為規(guī)則頭，

B

稱(chēng)為規(guī)則尾。項(xiàng)集之間的關(guān)聯(lián)表示它們出現(xiàn)在同一交易中的可能性較高。常用的量化標(biāo)準(zhǔn)包括支持度、置信度、提升度等度量，用來(lái)定義關(guān)聯(lián)規(guī)則在統(tǒng)計(jì)上的意義。項(xiàng)集

A

在事務(wù)集合

D

中的支持?jǐn)?shù)是

D

中包含

A

的事務(wù)數(shù)量。

A

在

D

中的支持度Pr(

A

)就是

A

的支持?jǐn)?shù)與

D

的總事務(wù)量之比。從統(tǒng)計(jì)學(xué)角度，

A

的支持度等于

A

在

D

中出現(xiàn)的概率。支持閾值表示項(xiàng)集在統(tǒng)計(jì)意義上的最低重要性。給定一個(gè)支持閾值，如果項(xiàng)集

A

的支持?jǐn)?shù)不小于支持閾值，則

A

稱(chēng)為頻繁項(xiàng)集。規(guī)則

A

?

B

的支持度定義為式(1)，表示

A

，

B

同時(shí)出現(xiàn)的可能性。Pr(

A

∪

B

)

(1)

規(guī)則

A

?

B

的置信度定義為式(2)，表示

D

中包含

A

的事務(wù)同時(shí)也包含

B

的可能性，也就是在

A

出現(xiàn)的條件下

B

也出現(xiàn)的概率。置信閾值表示規(guī)則應(yīng)該滿(mǎn)足的最低置信度。Pr(

A

∪

B

)/ Pr(

A

)

(2)

規(guī)則

A

?

B

的提升度定義為式(3)，表示有針對(duì)性的推銷(xiāo)(根據(jù)某些規(guī)則)與盲目推銷(xiāo)的比率，這個(gè)值越高越好。如果提升度大于1，說(shuō)明

A

、

B

正相關(guān)，也就是一個(gè)出現(xiàn)蘊(yùn)含另一個(gè)也出現(xiàn)；提升度小于1，說(shuō)明

A

、

B

負(fù)相關(guān)，也就是一個(gè)出現(xiàn)可能導(dǎo)致另一個(gè)不出現(xiàn)；提升度等于1，說(shuō)明

A

、

B

獨(dú)立。Pr(

A

∪

B

)/Pr(

A

)Pr(

B

)

(3)

支持度是對(duì)關(guān)聯(lián)規(guī)則重要性的衡量，置信度是對(duì)關(guān)聯(lián)規(guī)則準(zhǔn)確度的衡量。支持度說(shuō)明這條規(guī)則在所有事務(wù)中的代表性，支持度越大，關(guān)聯(lián)規(guī)則越重要。相反，如果支持度很低，則說(shuō)明該關(guān)聯(lián)規(guī)則實(shí)用的機(jī)會(huì)很小。提升度描述

A

對(duì)

B

影響力的大小。提升度越大，說(shuō)明

B

受

A

的影響越大。一般來(lái)說(shuō)，關(guān)聯(lián)規(guī)則的提升度都應(yīng)該大于1，因?yàn)橹挥幸?guī)則

A

?

B

的置信度大于

B

的支持度，才說(shuō)明

A

的出現(xiàn)對(duì)

B

的出現(xiàn)有促進(jìn)作用，也就是它們之間存在某種程度的正相關(guān)性。迄今為止，關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘算法有很多種，其中Apriori是一種經(jīng)典的關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘算法，也是本文所采用的算法。

1.2 企業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)關(guān)聯(lián)分析

在企業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)關(guān)聯(lián)分析研究中，數(shù)據(jù)項(xiàng)為企業(yè)的安全風(fēng)險(xiǎn)類(lèi)型。依據(jù)《企業(yè)職工傷亡事故分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 6441-2008)，企業(yè)事故災(zāi)難主要有20類(lèi)，見(jiàn)表1。事故類(lèi)別可視為風(fēng)險(xiǎn)類(lèi)別，即企業(yè)可能發(fā)生何種類(lèi)型事故等同于該企業(yè)存在何種類(lèi)型風(fēng)險(xiǎn)。本文所指的安全風(fēng)險(xiǎn)類(lèi)型即為表1中的各類(lèi)事故風(fēng)險(xiǎn)類(lèi)型。一個(gè)危險(xiǎn)源潛在的風(fēng)險(xiǎn)類(lèi)型為一條事務(wù)，所有的事務(wù)構(gòu)成事務(wù)集。企業(yè)風(fēng)險(xiǎn)并存關(guān)系可以看作一種關(guān)聯(lián)關(guān)系，即一個(gè)危險(xiǎn)源可能同時(shí)存在多種風(fēng)險(xiǎn)。企業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)并存分析就是在企業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)數(shù)據(jù)集中挖掘一個(gè)危險(xiǎn)源可能同時(shí)潛在的風(fēng)險(xiǎn)類(lèi)型，從而發(fā)現(xiàn)企業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)并存規(guī)則。

表1 企業(yè)職工傷亡事故分類(lèi)Tab.1 Classification of casualty accidents of enterprise employees

2 案例分析

2.1 數(shù)據(jù)描述

本案例數(shù)據(jù)集包含5萬(wàn)多條危險(xiǎn)源信息，其中每條信息描述一個(gè)危險(xiǎn)源可能引發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)類(lèi)型。填報(bào)危險(xiǎn)源信息的企業(yè)遍及?；⒐I(yè)、建筑、水電氣熱、商務(wù)、文化、旅游、體育、供排水、餐飲等各行業(yè)領(lǐng)域。由于該地區(qū)不存在煤礦領(lǐng)域企業(yè)，故僅涉及15類(lèi)風(fēng)險(xiǎn)，即火災(zāi)、觸電、車(chē)輛傷害、高處墜落、鍋爐爆炸、機(jī)械傷害、起重傷害、容器爆炸、坍塌、物體打擊、淹溺、中毒和窒息、灼燙、其它爆炸、其它傷害風(fēng)險(xiǎn)。圖1給出每個(gè)危險(xiǎn)源(橫坐標(biāo)對(duì)應(yīng)每個(gè)危險(xiǎn)源序號(hào))潛在的風(fēng)險(xiǎn)類(lèi)型數(shù)(縱坐標(biāo)表示危險(xiǎn)源潛在的風(fēng)險(xiǎn)類(lèi)型個(gè)數(shù))，其中56.5%的危險(xiǎn)源同時(shí)存在2種或2種以上的風(fēng)險(xiǎn)。從風(fēng)險(xiǎn)雷達(dá)圖(如圖2)可知，火災(zāi)出現(xiàn)頻次最高，其次是觸電、中毒和窒息，而其他風(fēng)險(xiǎn)出現(xiàn)的頻次都比較低。

圖1 危險(xiǎn)源的風(fēng)險(xiǎn)類(lèi)型數(shù)Fig.1 Number of risks of each hazard resource

圖2 企業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)雷達(dá)圖Fig.2 Radar chart of enterprise safety risks

在關(guān)聯(lián)分析之前，首先把原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為二值型數(shù)據(jù)表，其中每種風(fēng)險(xiǎn)對(duì)應(yīng)一個(gè)字段(數(shù)據(jù)項(xiàng))，如果取值為1，則表示該危險(xiǎn)源存在這類(lèi)風(fēng)險(xiǎn)，反之為0。圖3給出各類(lèi)風(fēng)險(xiǎn)的取值分布，在全部數(shù)據(jù)中，火災(zāi)出現(xiàn)的頻次達(dá)到42 580，觸電出現(xiàn)的次數(shù)為28 010，中毒和窒息出現(xiàn)了14 604次。由此可見(jiàn)，火災(zāi)、觸電、中毒和窒息是企業(yè)所面臨的主要安全風(fēng)險(xiǎn)類(lèi)型。

圖3 企業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)分布Fig.3 Distribution of enterprise safety risks

2.2 企業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)并存規(guī)則挖掘

本文利用關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘經(jīng)典算法Apriori發(fā)現(xiàn)安全風(fēng)險(xiǎn)的并存規(guī)則。企業(yè)安全生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)數(shù)據(jù)集

D

的每條記錄

T

對(duì)應(yīng)一個(gè)危險(xiǎn)源的潛在風(fēng)險(xiǎn)類(lèi)型。所有的15類(lèi)風(fēng)險(xiǎn)類(lèi)型構(gòu)成數(shù)據(jù)項(xiàng)集

I

。給定支持閾值和置信閾值，企業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)并存規(guī)則挖掘的目的是從

D

中挖掘滿(mǎn)足閾值的并發(fā)風(fēng)險(xiǎn)規(guī)則。

設(shè)置支持閾值為0.1，置信閾值為0.6，計(jì)算得到8個(gè)頻繁項(xiàng)集(如圖4)，其中包括4個(gè)1階項(xiàng)集：{火災(zāi)}，{觸電}，{中毒和窒息}，{其它傷害}；3個(gè)2階項(xiàng)集：{火災(zāi)，觸電}，{火災(zāi)，中毒和窒息}，{觸電，中毒和窒息}；1個(gè)3階項(xiàng)集：{火災(zāi)，觸電，中毒和窒息}。由此可知，火災(zāi)、觸電、中毒和窒息3類(lèi)風(fēng)險(xiǎn)之間存在明顯的共存關(guān)系，其中火災(zāi)和觸電是最經(jīng)常同時(shí)存在的風(fēng)險(xiǎn)隱患，支持度達(dá)到0.391。當(dāng)一個(gè)危險(xiǎn)源存在火災(zāi)或者觸電風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，也有可能存在中毒和窒息的風(fēng)險(xiǎn)。這是由于觸電經(jīng)常引發(fā)火災(zāi)，而據(jù)統(tǒng)計(jì)火災(zāi)中吸入一氧化碳等有毒煙氣中毒死亡人數(shù)占總死亡人數(shù)一半以上，因此這3類(lèi)風(fēng)險(xiǎn)之間存在明顯的關(guān)聯(lián)關(guān)系。表2給出風(fēng)險(xiǎn)類(lèi)型之間的關(guān)聯(lián)規(guī)則，包括規(guī)則頭、規(guī)則尾、支持度、置信度、提升度，按照置信度從高到低排序。當(dāng)存在觸電或者中毒和窒息風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，存在火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)的可能性較高(置信度分別為0.82和0.95)；而如果觸電、中毒和窒息2種風(fēng)險(xiǎn)同時(shí)存在時(shí)，則火災(zāi)的風(fēng)險(xiǎn)相應(yīng)提高(置信度增加到0.99，提升度增加到1.37)。當(dāng)存在中毒和窒息風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，觸電風(fēng)險(xiǎn)也可能同時(shí)存在(置信度為0.68)，而當(dāng)火災(zāi)、中毒和窒息2種風(fēng)險(xiǎn)都存在時(shí)，觸電風(fēng)險(xiǎn)的置信度提高到0.71，提升度也增加到1.49。這3種風(fēng)險(xiǎn)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系可以用一個(gè)有向圖(如圖5)來(lái)描述，圖5中每個(gè)結(jié)點(diǎn)表示一個(gè)頻繁項(xiàng)集，其大小與支持度成正比，結(jié)點(diǎn)之間的邊表示2個(gè)頻繁項(xiàng)集之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，邊的寬度與置信度成正比。

圖4 頻繁項(xiàng)集及其支持度Fig.4 Frequent item sets with support

表2 企業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)并存規(guī)則Tab.2 Coexistence rules of enterprise safety risks

圖5 企業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)并存規(guī)則圖Fig.5 Coexistence rules chart of enterprise safety risks

2.3 火災(zāi)并存風(fēng)險(xiǎn)分析

由于火災(zāi)是目前最大的風(fēng)險(xiǎn)隱患，下面著重討論火災(zāi)的并存風(fēng)險(xiǎn)。首先以火災(zāi)作為規(guī)則頭，計(jì)算當(dāng)存在火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，同時(shí)存在其他14種風(fēng)險(xiǎn)的可能性。然后以火災(zāi)為規(guī)則尾，計(jì)算當(dāng)存在其他某種風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，同時(shí)也存在火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)的可能性。圖6給出與火災(zāi)相關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)并存規(guī)則的支持度和置信度。當(dāng)一個(gè)危險(xiǎn)源存在火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，也可能有觸電、中毒和窒息、其它傷害、其它爆炸等風(fēng)險(xiǎn)。相反，當(dāng)存在中毒和窒息、觸電、爆炸風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，也可能有火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)。需要注意的是，雖然爆炸(包括容器爆炸、鍋爐爆炸、其它爆炸)在數(shù)據(jù)集中的支持度很低(現(xiàn)實(shí)中發(fā)生的概率較低)，但一旦存在爆炸風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，同時(shí)存在火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)的可能性較高，也就是置信度較高。

圖6 與火災(zāi)有關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)并存規(guī)則Fig.6 Risk coexistence rules related to fire

3 結(jié)論

風(fēng)險(xiǎn)的并存性在企業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)管理中普遍存在，在制定應(yīng)急處置時(shí)應(yīng)綜合考慮，更好地預(yù)防事故發(fā)生。本文以某地區(qū)企業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)數(shù)據(jù)為分析對(duì)象，利用關(guān)聯(lián)分析方法研究15種主要安全風(fēng)險(xiǎn)類(lèi)型的并存問(wèn)題，并用支持度、置信度和提升度等指標(biāo)來(lái)衡量并存性的強(qiáng)度。研究發(fā)現(xiàn)火災(zāi)、觸電、中毒和窒息3類(lèi)主要風(fēng)險(xiǎn)之間存在明顯的共存關(guān)系。

本文的研究結(jié)果可以為企業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)綜合管理提供建議。首先，企業(yè)要充分考慮有可能并存的風(fēng)險(xiǎn)或事故，配備應(yīng)急物資和裝備，并選取適宜的存放地點(diǎn)。其次，企業(yè)在開(kāi)展突發(fā)事件綜合應(yīng)急演練科目設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)綜合考慮各種有可能并存的事故或事件，在演練策劃過(guò)程中，要考慮企業(yè)應(yīng)急組織機(jī)構(gòu)設(shè)置、信息報(bào)送、應(yīng)急處置、應(yīng)急保障等環(huán)節(jié)是否符合多種事故或事件同時(shí)發(fā)生的情況，演練結(jié)束后要根據(jù)演練的結(jié)果修訂綜合預(yù)案。在企業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)并發(fā)規(guī)則挖掘中，支持閾值和置信閾值起著至關(guān)重要的作用。為提高本方法的可操作性，在后續(xù)研究中將討論閾值的設(shè)置問(wèn)題。