一种通过将图注意力网络与基于AcciMap的决策试验与评估实验室相结合的事故因果分析框架：以中国化学事故为例

《Reliability Engineering & System Safety》：An accident causation analysis framework by integrating graph attention networks with Decision-Making Trial and Evaluation Laboratory based on AcciMap: A case of chemical accidents in China

基于GAT-DEMATEL框架的多案例化学事故因果分析，构建了包含30个关键因素的六层次事故映射模型，通过GAT提取多事故图结构特征，结合DEMATEL量化分析得出材料控制失效为最关键影响因子，并建立事故因素四类分组机制。

　　

赵润涵|马亮

华中科技大学航空航天工程学院，中国武汉430074；

摘要

研究化学事故的原因对于事故预防至关重要。然而，传统的基于AcciMap的分析方法主要是定性的。为了解决这一局限性，提出了一种创新的AcciMap框架，该框架结合了图注意力网络（GAT）和决策试验与评估实验室（DEMATEL）。该框架包含30个因素。利用这一框架，对138起化学事故进行了建模。首先，将AcciMap方法应用于每起事故以获得相应的AcciMap图表。其次，使用GAT来确定因素之间有向边的权重。最后，将这些边权重输入DEMATEL模型中，以计算30个因素的中心性和因果关系。结果表明，材料控制方面的故障在中心性和因果关系方面的绝对值最大，分别为8.923和-6.169，表明它是最重要的影响因素。这30个因素被分为四组。强因果关系组中的因素通常位于事故因果链的前端，作为风险来源；而强效应组中的因素通常位于因果链的末端，因此构成了决定事故严重程度的关键要素。本研究为化学事故预防提供了理论基础。

引言

随着全球工业化的加速，化学工业在现代经济发展中发挥了关键作用[1,2]。然而，尽管化工厂提高了生产效率并促进了技术进步，但它们也面临重大的安全隐患[3]。近年来，涉及多种危险类型的化学事故（包括火灾、爆炸、中毒和机械伤害）频繁发生[4]。化学事故的特点是破坏性高且难以预测。与孤立事件相比，化学事故往往导致更严重的后果和更广泛的社会影响[5,6]。2024年，中国共报告了560起化学事故，造成236人死亡。化学事故的高发率和大量死亡人数使得研究其因果机制成为当务之急。相应地，化学行业内积累了大量的事故相关文本数据。在中国，发生化学事故后，政府会成立专门的调查团队。该团队对事故原因进行全面调查，涵盖政府、监管机构、企业、人员和设备等相关因素。调查结果随后按照标准化模板编入官方事故调查报告中。这些报告具有统一的结构，并从社会技术系统的多个维度探讨事故原因。因此，它们为化学事故原因研究提供了宝贵的数据资源[7]。

基于化学事故调查报告，学者们提出了各种分析方法来揭示事故的潜在因果机制。例如，王[8]应用了人为因素分析与分类系统（HFACS）来分析中国化学事故中的人为因素。结果表明，企业内部的人为和组织因素是化学事故的最关键因素。高[9]采用基于RF-XGBoost的机器学习方法来研究化学生产特性与事故发生之间的关系。研究发现，特殊操作和违规行为是化学事故的主要原因。洪[10]将2-4模型与贝叶斯网络结合，研究化学事故的因果机制。主要的因果路径被确定为：安全部门绩效→安全政策实施→安全知识储备→安全操作。尽管这些方法在分析特定案例时取得了一定的成果，但它们缺乏系统性的框架来理解事故因果关系，并且解释化学事故中复杂的因果关系的能力有限。

系统事故分析（SAA）能够揭示系统内部的跨层次因果关系，并阐明各种因素之间的相互作用。与仅将事故归因于不安全行为或不安全条件的传统事故分析方法不同[11]，SAA将政府、文化、金融和技术等相关因素纳入事故因果分析中。事故映射（AcciMap）由Rasmussen于1997年提出[12]，是SAA框架内的典型方法[13]。它以图形形式展示了事故系统的结构配置和动态过程[14]。AcciMap基于系统思维，面向复杂的社会技术系统，将事故原因分为六个层次：政府、监管机构、企业、技术、人员和设备[15]。该框架认为事故不仅仅是由一线操作人员造成的。不同层次的行为者，包括政策制定者、企业家、安全官员和管理人员，都可能影响事故的发生。由于其系统的分析框架，AcciMap吸引了大量学术关注。近年来，它已被广泛应用于航空[16]、土木工程[17]、铁路系统[18]、交通运输[19]、医疗保健[20]以及火灾和爆炸分析[21]领域。

尽管AcciMap在事故因果分析中显示出巨大潜力，但传统的AcciMap方法通常是针对单一事故案例开发的。它仅构建事故地图并分析该特定案例内的因果关系[7]。因此，它无法识别多个事故案例中的共同因果模式。为了克服传统AcciMap方法的局限性，引入能够有效处理图结构数据的图注意力网络（GAT）提供了一个可行的解决方案。GAT是一种图神经网络（GNN）。GNN是专门为处理图结构数据而设计的深度学习模型。近年来，它们已被广泛应用于社交网络分析[22]、推荐系统[23]和欺诈检测[24]中。在本研究中，使用GAT来识别多个化学事故地图中节点之间的共同关系模式。

在应用GAT学习AcciMap图的结构特征后，一个关键问题是如何进一步阐明节点之间的因果关系。决策试验与评估实验室（DEMATEL）方法在复杂系统的因果分析中表现出很强的解释能力[25]。DEMATEL最初由日内瓦巴特尔纪念研究所的科学与人事务项目在1972年至1976年间开发[26,27]，旨在解决复杂且相互交织的全球性问题。从系统分析的角度来看，DEMATEL是一种基于图论和矩阵理论的系统分析方法[28]。它可以用来识别和分析复杂系统中因素之间的内在因果关系。

总之，本研究提出了一种方法论框架，将GAT和DEMATEL结合起来分析化学事故的AcciMap图表。本研究的主要贡献有二点：

(1)

开发了一个基于AcciMap的事故因果分析框架。该框架解决了传统AcciMap方法的局限性，后者通常仅限于分析单一事故案例。它能够识别多个事故案例中的共同因果模式。通过结合GAT和DEMATEL，该框架进一步考察了事故因果关系中各种因素的相对重要性和因果关系。所提出的框架也可以扩展到其他类型事故的分析中。

(2)

建立了一套系统化的程序，用于将AcciMap应用于中国化学事故的分析。考虑到中国的国情和化学生产的特点，AcciMap框架被细化为六个层次，其中分布着30个因素。基于对中国138起化学事故的分析，提出了有针对性的建议和预防措施。这种程序化方法可能为其他国家的化学事故分析提供参考。

本文的其余部分安排如下。第2节全面回顾了AcciMap在化学事故因果分析中的应用，并将其与其他事故分析方法进行了比较，从而阐明了在本研究中选择AcciMap的理由。该节还回顾了GAT和DEMATEL在事故分析中的应用。第3节介绍了结合GAT和DEMATEL的AcciMap事故分析框架的技术实现，包括为个别化学事故构建AcciMap、使用GAT识别多个AcciMap图表中节点之间的关系，以及应用DEMATEL进一步检验GAT识别的因果关系。第4节展示并讨论了GAT和DEMATEL获得的结果，并根据分析结果提出了相应的化学事故预防建议。第5节总结了主要结论，讨论了本研究的局限性，并概述了未来研究的方向。

节选

AcciMap综述

研究过去事故的因果关系为后续的安全管理实践提供了理论基础。在过去的一个世纪里，学者们开发了各种事故因果模型，以更好地理解不同类型事故的潜在机制。近年来，广泛认可的事故因果模型包括人为因素分析与分类系统（HFACS）、功能共振分析方法（FRAM）和系统理论事故模型与过程

方法论

该方法论包括三个主要组成部分。首先，开发了一个用于化学事故的AcciMap模型，包含六个层次和30个事故因素。收集了2015年至2024年间中国发生的138起完整化学事故的调查报告。基于这些调查报告进行了因果分析，并构建了138个相应的AcciMap图表。其次，使用GAT对这138个事故的结构数据进行了批量学习

模型性能评估结果

本研究提出的模型与四个基线模型进行了比较：没有边权重解码器的GAT、最常见的图神经网络GCN、非图基结构的多层感知器（MLP）和传统的统计方法。结果如图6所示。GCN是图神经网络领域的经典基线模型，利用图拓扑进行信息传递。然而，它假设相邻节点的贡献是均匀的，并未结合注意力机制

结论

本研究提出了一个创新的GAT-DEMATEL集成框架，用于分析多个事故样本，旨在实现对化学事故AcciMap图量的化和可解释的因果分析。系统地构建了一个统一的AcciMap编码系统，包含六个层次和30个因果因素。基于该框架，批量处理了2015年至2024年间中国发生的138起化学事故。

CRediT作者贡献声明

赵润涵：撰写——原始草稿、方法论、形式分析、数据整理、概念化。马亮：撰写——审阅与编辑、撰写——原始草稿、可视化、软件开发、调查。