一種通過將圖注意力網絡與基于AcciMap的決策試驗與評估實驗室相結合的事故因果分析框架：以中國化學事故為例
《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
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時間：2026年02月28日
來源：Reliability Engineering & System Safety 11
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基于GAT-DEMATEL框架的多案例化學事故因果分析，構建了包含30個關鍵因素的六層次事故映射模型，通過GAT提取多事故圖結構特征，結合DEMATEL量化分析得出材料控制失效為最關鍵影響因子，并建立事故因素四類分組機制。
趙潤涵|馬亮
華中科技大學航空航天工程學院，中國武漢430074；
摘要
研究化學事故的原因對于事故預防至關重要。然而，傳統的基于AcciMap的分析方法主要是定性的。為了解決這一局限性，提出了一種創新的AcciMap框架，該框架結合了圖注意力網絡（GAT）和決策試驗與評估實驗室（DEMATEL）。該框架包含30個因素。利用這一框架，對138起化學事故進行了建模。首先，將AcciMap方法應用于每起事故以獲得相應的AcciMap圖表。其次，使用GAT來確定因素之間有向邊的權重。最后，將這些邊權重輸入DEMATEL模型中，以計算30個因素的中心性和因果關系。結果表明，材料控制方面的故障在中心性和因果關系方面的絕對值最大，分別為8.923和-6.169，表明它是最重要的影響因素。這30個因素被分為四組。強因果關系組中的因素通常位于事故因果鏈的前端，作為風險來源；而強效應組中的因素通常位于因果鏈的末端，因此構成了決定事故嚴重程度的關鍵要素。本研究為化學事故預防提供了理論基礎。
引言
隨著全球工業化的加速，化學工業在現代經濟發展中發揮了關鍵作用[1,2]。然而，盡管化工廠提高了生產效率并促進了技術進步，但它們也面臨重大的安全隱患[3]。近年來，涉及多種危險類型的化學事故（包括火災、爆炸、中毒和機械傷害）頻繁發生[4]。化學事故的特點是破壞性高且難以預測。與孤立事件相比，化學事故往往導致更嚴重的后果和更廣泛的社會影響[5,6]。2024年，中國共報告了560起化學事故，造成236人死亡。化學事故的高發率和大量死亡人數使得研究其因果機制成為當務之急。相應地，化學行業內積累了大量的事故相關文本數據。在中國，發生化學事故后，政府會成立專門的調查團隊。該團隊對事故原因進行全面調查，涵蓋政府、監管機構、企業、人員和設備等相關因素。調查結果隨后按照標準化模板編入官方事故調查報告中。這些報告具有統一的結構，并從社會技術系統的多個維度探討事故原因。因此，它們為化學事故原因研究提供了寶貴的數據資源[7]。
基于化學事故調查報告，學者們提出了各種分析方法來揭示事故的潛在因果機制。例如，王[8]應用了人為因素分析與分類系統（HFACS）來分析中國化學事故中的人為因素。結果表明，企業內部的人為和組織因素是化學事故的最關鍵因素。高[9]采用基于RF-XGBoost的機器學習方法來研究化學生產特性與事故發生之間的關系。研究發現，特殊操作和違規行為是化學事故的主要原因。洪[10]將2-4模型與貝葉斯網絡結合，研究化學事故的因果機制。主要的因果路徑被確定為：安全部門績效→安全政策實施→安全知識儲備→安全操作。盡管這些方法在分析特定案例時取得了一定的成果，但它們缺乏系統性的框架來理解事故因果關系，并且解釋化學事故中復雜的因果關系的能力有限。
系統事故分析（SAA）能夠揭示系統內部的跨層次因果關系，并闡明各種因素之間的相互作用。與僅將事故歸因于不安全行為或不安全條件的傳統事故分析方法不同[11]，SAA將政府、文化、金融和技術等相關因素納入事故因果分析中。事故映射（AcciMap）由Rasmussen于1997年提出[12]，是SAA框架內的典型方法[13]。它以圖形形式展示了事故系統的結構配置和動態過程[14]。AcciMap基于系統思維，面向復雜的社會技術系統，將事故原因分為六個層次：政府、監管機構、企業、技術、人員和設備[15]。該框架認為事故不僅僅是由一線操作人員造成的。不同層次的行為者，包括政策制定者、企業家、安全官員和管理人員，都可能影響事故的發生。由于其系統的分析框架，AcciMap吸引了大量學術關注。近年來，它已被廣泛應用于航空[16]、土木工程[17]、鐵路系統[18]、交通運輸[19]、醫療保健[20]以及火災和爆炸分析[21]領域。
盡管AcciMap在事故因果分析中顯示出巨大潛力，但傳統的AcciMap方法通常是針對單一事故案例開發的。它僅構建事故地圖并分析該特定案例內的因果關系[7]。因此，它無法識別多個事故案例中的共同因果模式。為了克服傳統AcciMap方法的局限性，引入能夠有效處理圖結構數據的圖注意力網絡（GAT）提供了一個可行的解決方案。GAT是一種圖神經網絡（GNN）。GNN是專門為處理圖結構數據而設計的深度學習模型。近年來，它們已被廣泛應用于社交網絡分析[22]、推薦系統[23]和欺詐檢測[24]中。在本研究中，使用GAT來識別多個化學事故地圖中節點之間的共同關系模式。
在應用GAT學習AcciMap圖的結構特征后，一個關鍵問題是如何進一步闡明節點之間的因果關系。決策試驗與評估實驗室（DEMATEL）方法在復雜系統的因果分析中表現出很強的解釋能力[25]。DEMATEL最初由日內瓦巴特爾紀念研究所的科學與人事務項目在1972年至1976年間開發[26,27]，旨在解決復雜且相互交織的全球性問題。從系統分析的角度來看，DEMATEL是一種基于圖論和矩陣理論的系統分析方法[28]。它可以用來識別和分析復雜系統中因素之間的內在因果關系。
總之，本研究提出了一種方法論框架，將GAT和DEMATEL結合起來分析化學事故的AcciMap圖表。本研究的主要貢獻有二點：
(1)開發了一個基于AcciMap的事故因果分析框架。該框架解決了傳統AcciMap方法的局限性，后者通常僅限于分析單一事故案例。它能夠識別多個事故案例中的共同因果模式。通過結合GAT和DEMATEL，該框架進一步考察了事故因果關系中各種因素的相對重要性和因果關系。所提出的框架也可以擴展到其他類型事故的分析中。
(2)建立了一套系統化的程序，用于將AcciMap應用于中國化學事故的分析。考慮到中國的國情和化學生產的特點，AcciMap框架被細化為六個層次，其中分布著30個因素。基于對中國138起化學事故的分析，提出了有針對性的建議和預防措施。這種程序化方法可能為其他國家的化學事故分析提供參考。
本文的其余部分安排如下。第2節全面回顧了AcciMap在化學事故因果分析中的應用，并將其與其他事故分析方法進行了比較，從而闡明了在本研究中選擇AcciMap的理由。該節還回顧了GAT和DEMATEL在事故分析中的應用。第3節介紹了結合GAT和DEMATEL的AcciMap事故分析框架的技術實現，包括為個別化學事故構建AcciMap、使用GAT識別多個AcciMap圖表中節點之間的關系，以及應用DEMATEL進一步檢驗GAT識別的因果關系。第4節展示并討論了GAT和DEMATEL獲得的結果，并根據分析結果提出了相應的化學事故預防建議。第5節總結了主要結論，討論了本研究的局限性，并概述了未來研究的方向。
節選
AcciMap綜述
研究過去事故的因果關系為后續的安全管理實踐提供了理論基礎。在過去的一個世紀里，學者們開發了各種事故因果模型，以更好地理解不同類型事故的潛在機制。近年來，廣泛認可的事故因果模型包括人為因素分析與分類系統（HFACS）、功能共振分析方法（FRAM）和系統理論事故模型與過程
方法論
該方法論包括三個主要組成部分。首先，開發了一個用于化學事故的AcciMap模型，包含六個層次和30個事故因素。收集了2015年至2024年間中國發生的138起完整化學事故的調查報告。基于這些調查報告進行了因果分析，并構建了138個相應的AcciMap圖表。其次，使用GAT對這138個事故的結構數據進行了批量學習
模型性能評估結果
本研究提出的模型與四個基線模型進行了比較：沒有邊權重解碼器的GAT、最常見的圖神經網絡GCN、非圖基結構的多層感知器（MLP）和傳統的統計方法。結果如圖6所示。GCN是圖神經網絡領域的經典基線模型，利用圖拓撲進行信息傳遞。然而，它假設相鄰節點的貢獻是均勻的，并未結合注意力機制
結論
本研究提出了一個創新的GAT-DEMATEL集成框架，用于分析多個事故樣本，旨在實現對化學事故AcciMap圖量的化和可解釋的因果分析。系統地構建了一個統一的AcciMap編碼系統，包含六個層次和30個因果因素。基于該框架，批量處理了2015年至2024年間中國發生的138起化學事故。
CRediT作者貢獻聲明
趙潤涵：撰寫——原始草稿、方法論、形式分析、數據整理、概念化。馬亮：撰寫——審閱與編輯、撰寫——原始草稿、可視化、軟件開發、調查。
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