劉惠臨,麻金繼

(1.安徽師范大學(xué) 國土資源與旅游學(xué)院，安徽 蕪湖 241000;2.安徽理工大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，安徽 淮南232001)

2015年天津港“8.12”危險(xiǎn)品倉庫特別重大火災(zāi)爆炸事故，雖然事故起因是多方面的，但涉事企業(yè)瑞海公司長期超量存放多種危險(xiǎn)化學(xué)品，對構(gòu)成重大危險(xiǎn)源的存放場所未按要求進(jìn)行辨識評估，更未采取必要的安全防范措施，是導(dǎo)致惡性事故發(fā)生的重要原因。從另一個(gè)角度來說，?；肥鹿示哂袦?zhǔn)周期運(yùn)動(dòng)規(guī)律，包括孕災(zāi)階段、突發(fā)階段、應(yīng)急處置階段與影響消除階段等；如何在事故隱患萌芽階段就將其遏制在搖籃里，這就需要通過科學(xué)的方法體系對重大危險(xiǎn)源進(jìn)行安全風(fēng)險(xiǎn)管理，從分類分級角度，對危險(xiǎn)源進(jìn)行安全等級的定性及定量識別[1]。

我國對于重大危險(xiǎn)源的安全評價(jià)研究與國外仍存在差距，目前國內(nèi)雖然提出重大危險(xiǎn)源需要分級監(jiān)管，但還沒有一種切實(shí)可行的分級方法，傳統(tǒng)方法一般是根據(jù)臨界量的大小進(jìn)行分級[1-2]，或是以最大可信事故的傷害半徑為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分級[3]。但實(shí)際上影響重大危險(xiǎn)源安全狀況的因素是復(fù)雜多源的，上述方法都未能加以考慮，為此，有學(xué)者提出了較為完善的危險(xiǎn)源安全評價(jià)指標(biāo)體系，并在此基礎(chǔ)上利用各類數(shù)學(xué)模型對危險(xiǎn)源進(jìn)行分級研究，例如：吳立榮等人基于自組織神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，構(gòu)建了重大危險(xiǎn)源的動(dòng)態(tài)分級模型[4]；而張明廣等人則利用模糊層次分析法對重大危險(xiǎn)源的危險(xiǎn)程度進(jìn)行分級評估[5]。通過文獻(xiàn)調(diào)研可以發(fā)現(xiàn)，目前的研究中仍然缺乏對重大危險(xiǎn)源安全評價(jià)中的不確定性問題的關(guān)注，針對這種現(xiàn)狀，本文嘗試建立基于集對分析理論的重大危險(xiǎn)源安全等級評價(jià)模型，通過合理的評價(jià)指標(biāo)體系和評價(jià)流程得出科學(xué)可靠的評價(jià)結(jié)果，為涉危企業(yè)和政府部門的安全監(jiān)管工作提供有效幫助。

1 熵權(quán)-集對分析模型在危險(xiǎn)源安全等級評價(jià)中的應(yīng)用

集對分析又稱聯(lián)系數(shù)學(xué)，是把事物的確定性聯(lián)系與不確定性聯(lián)系作為一個(gè)“確定-不確定系統(tǒng)”來分析和處理，它可以統(tǒng)一描述和處理由隨機(jī)性、模糊性、信息不完整性所導(dǎo)致的邏輯問題[6-8]。集對分析法在發(fā)展過程中與其它理論相結(jié)合衍生出許多新型綜合方法，其中最具代表性的就是熵權(quán)-集對分析模型[9-10]。在進(jìn)行重大危險(xiǎn)源安全等級評價(jià)時(shí)，由于危險(xiǎn)源安全狀況與“人機(jī)物法環(huán)”之間的變量關(guān)系錯(cuò)綜復(fù)雜，導(dǎo)致危險(xiǎn)源的安全影響因素既有確定的一面，也有不確定的一面，“非此即彼”的準(zhǔn)則無法準(zhǔn)確界定各因素對危險(xiǎn)源安全的影響，“亦此亦彼”的綜合判定才能客觀體現(xiàn)各因素對危險(xiǎn)源安全狀況的真實(shí)作用。因此，采用熵權(quán)-集對分析模型進(jìn)行重大危險(xiǎn)源安全等級評價(jià)是一種合理、有效的思路。

1.1 集對分析法的理論基礎(chǔ)

集對是指由具有一定聯(lián)系的兩個(gè)集合所構(gòu)成的對子，而集對分析的具體思路是在一定的問題背景下對兩個(gè)集合所具有的特性作“同異反”分析并加以度量[11-12]。假設(shè)存在由集合U和V組成的集對H=(U，V)，通過分析得出該集對共有G個(gè)特性，其中S個(gè)特性為兩個(gè)集合所共有，在P個(gè)特性上兩個(gè)集合相互對立，而在剩余的F=G-S-P個(gè)特性上兩個(gè)集合則既不對立，也不共有。由此，可以分別用比值S/G、P/G、F/G來定義集合U和集合V的同一度、對立度以及差異度。由此，可以定義這兩個(gè)集合組成的集對H的聯(lián)系度如下：

μ=a+bi+cj。

(1)

式中：μ表示聯(lián)系度，a=S/G為同一度，b=F/G為差異度，c=P/G為對立度；i為差異度系數(shù)，j為對立度系數(shù)，其中，i的取值區(qū)間為[-1，1]，本文中采用均值法，即i值取0，j在通常情況下的取值為-1；根據(jù)定義，a、b、c應(yīng)滿足歸一化條件，即a+b+c=1。同一度和對立度用來描述集合之間的確定性關(guān)系，差異度用來描述不確定關(guān)系。利用集對分析法評價(jià)重大危險(xiǎn)源安全等級，能更清楚地反映出各項(xiàng)評價(jià)指標(biāo)與評價(jià)等級之間的同一、差異和對立關(guān)系，具有實(shí)際意義。

1.2 評價(jià)指標(biāo)體系與評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的建立

影響危險(xiǎn)物質(zhì)儲運(yùn)安全的因素眾多，且各因素之間相互作用，相互制約，直接或間接決定了重大危險(xiǎn)源安全狀況。國家科技攻關(guān)專題《易燃、易爆、有毒重大危險(xiǎn)源辨識評價(jià)技術(shù)研究》提出的分析評價(jià)方法中，將人因不安全行為、物質(zhì)的危險(xiǎn)狀態(tài)和安全防護(hù)系統(tǒng)等多方面因素納入到危險(xiǎn)源安全評價(jià)的考慮范疇，并將以上因素依據(jù)其對危險(xiǎn)源安全狀況影響方式的不同劃分為“固有危險(xiǎn)因子”和“危險(xiǎn)抵消因子”兩個(gè)類別，固有危險(xiǎn)因子主要反映了物質(zhì)的理化特性、危險(xiǎn)物質(zhì)生產(chǎn)儲運(yùn)環(huán)節(jié)的隱患和潛在事故的致災(zāi)程度，而危險(xiǎn)抵消因子則反映了在控制事故發(fā)生和控制事故后果擴(kuò)大方面的相關(guān)舉措[13]。本文在參考該方法模式的基礎(chǔ)上，依據(jù)科學(xué)性、綜合性、簡明性和可比性等原則，構(gòu)建具有3個(gè)層次的重大危險(xiǎn)源安全評價(jià)指標(biāo)體系(圖1)

圖1 重大危險(xiǎn)源安全等級評價(jià)指標(biāo)體系

參考《危險(xiǎn)化學(xué)品重大危險(xiǎn)源監(jiān)督管理暫行規(guī)定》中對重大危險(xiǎn)源的分級方法[14]，并經(jīng)過詢問業(yè)內(nèi)專家、查閱文獻(xiàn)以及企業(yè)提供的資料，本文將重大危險(xiǎn)源分級評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)劃分為不安全(Ⅳ級)、不太安全(Ⅲ級)、比較安全(Ⅱ級)和安全(Ⅰ級)4個(gè)等級。

1.3 集對聯(lián)系度函數(shù)的構(gòu)建

在重大危險(xiǎn)源安全評價(jià)研究中引入集對分析理論，其核心思路是將安全評價(jià)指標(biāo)集合(U)與評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)集合(V)構(gòu)成一個(gè)集對(H)，通過兩者間的同一、差異及對立的量化分析，獲得危險(xiǎn)源安全等級的評價(jià)結(jié)果。通過對圖1中安全評價(jià)指標(biāo)體系的甄別可以得知：“固有危險(xiǎn)因子”類指標(biāo)的取值越小越優(yōu)，而“危險(xiǎn)抵消因子”類指標(biāo)的取值越大越優(yōu)；在2.1節(jié)所制訂的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)中，安全等級共分為4級?；谝陨纤?，可以構(gòu)造出每一種評價(jià)指標(biāo)相對于各評價(jià)分級標(biāo)準(zhǔn)的聯(lián)系度隸屬函數(shù)；對越小越優(yōu)型指標(biāo)，其聯(lián)系度函數(shù)表達(dá)式為：

(2)

(3)

(4)

對于越大越優(yōu)型指標(biāo)，確定其聯(lián)系度函數(shù)表達(dá)式為：

(5)

(6)

(7)

式中：k=2,3；xj為第j項(xiàng)指標(biāo)的量化值，μj(k)代表第j項(xiàng)評價(jià)指標(biāo)與第k級評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的聯(lián)系度，ej(k)是第j項(xiàng)評價(jià)指標(biāo)的第k級評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的閾值，式(2)～(4)中，ej(1)ej(2)>ej(3)>ej(4)。

1.4 熵權(quán)法確定評價(jià)指標(biāo)權(quán)重

傳統(tǒng)的集對分析法在進(jìn)行多指標(biāo)評價(jià)研究時(shí)，多采取專家經(jīng)驗(yàn)法或主觀判斷法設(shè)定各項(xiàng)評價(jià)指標(biāo)權(quán)重，未能考慮到不同指標(biāo)在競爭意義上的相對重要性，從而導(dǎo)致評價(jià)結(jié)果與客觀事實(shí)相背離。而熵值賦權(quán)法是一種根據(jù)各項(xiàng)指標(biāo)值的變異程度，利用信息熵計(jì)算出各指標(biāo)權(quán)重的客觀賦權(quán)法，能在一定程度上避免主觀意識造成的不合理性。

1.4.1 標(biāo)準(zhǔn)熵權(quán)法的步驟

由于各參評指標(biāo)量綱不同，且值域范圍差別較大，所以在進(jìn)行評價(jià)之前，分別對越大越優(yōu)型指標(biāo)、越小越優(yōu)型指標(biāo)作歸一化處理，確保各指標(biāo)的原值轉(zhuǎn)化為區(qū)間[0，1]上的無量綱值。

(8)

(9)

式中：rjl為第l個(gè)評價(jià)對象的第j個(gè)評價(jià)指標(biāo)的歸一化值，xjl為第l個(gè)評價(jià)對象的第j個(gè)評價(jià)指標(biāo)的量化值，max(xjl)和min(xjl)分別是第l個(gè)評價(jià)對象對于第j個(gè)評價(jià)指標(biāo)的最大取值和最小取值。

將第j項(xiàng)指標(biāo)下危險(xiǎn)源的安全狀況視為一個(gè)系統(tǒng)，各評價(jià)對象的該項(xiàng)指標(biāo)取值視為系統(tǒng)可能處于的不同狀態(tài)，基于信息熵的定義可以得到第j個(gè)指標(biāo)的熵值Hj，計(jì)算公式如下：

(10)

(11)

顯然當(dāng)時(shí)fjl= 0，lnfjl無意義。因此對fjl的計(jì)算加以修正，將其定義為：

(12)

(13)

1.4.2 熵權(quán)法的改進(jìn)

根據(jù)熵權(quán)法的基本原理，若不同評價(jià)指標(biāo)的熵值接近，則這些指標(biāo)所提供的有效信息量大致相同,從而對應(yīng)的熵權(quán)值也應(yīng)基本一致[15]。但通過對公式(13)的分析可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)熵值Hj趨近于1時(shí)，其微小的調(diào)整都會引起熵權(quán)值ωj大幅度的變化，這就導(dǎo)致可能會出現(xiàn)熵權(quán)和熵值相背離的情況，例如：假設(shè)有3個(gè)評價(jià)指標(biāo)的熵值向量為(0.9999,0.9998,0.9997)，通過計(jì)算得到的熵權(quán)向量為(0.1667,0.3333,0.5000)，這顯然是不合邏輯的。針對標(biāo)準(zhǔn)熵權(quán)法所存在的問題，本文引入改進(jìn)熵權(quán)計(jì)算方法：

ωj=

(14)

為了直觀的體現(xiàn)改進(jìn)熵權(quán)法的合理性，分別采用標(biāo)準(zhǔn)熵權(quán)法和改進(jìn)熵權(quán)法針對不同組合類型的熵值向量進(jìn)行熵權(quán)計(jì)算，結(jié)果如表1所示。分析表中第1、2組數(shù)據(jù)可知，改進(jìn)熵權(quán)法基本克服了標(biāo)準(zhǔn)方法的缺陷，而3、4組數(shù)據(jù)則說明對于其它類型的熵值，改進(jìn)方法與標(biāo)準(zhǔn)方法的熵權(quán)計(jì)算結(jié)果基本一致，因此改進(jìn)的熵權(quán)計(jì)算方法具有更好的實(shí)用性。

表1 熵權(quán)計(jì)算方法結(jié)果對比

表2 各項(xiàng)評價(jià)指標(biāo)的分級閾值與熵權(quán)

表3 評價(jià)樣本1的各指標(biāo)聯(lián)系度計(jì)算結(jié)果

1.5 加權(quán)平均聯(lián)系度

在得到重大危險(xiǎn)源安全評價(jià)各項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重之后，采用加權(quán)平均的方法，即將各個(gè)指標(biāo)的聯(lián)系度與其相對應(yīng)的權(quán)重相乘并累加，將加權(quán)平均值作為對應(yīng)于每一評價(jià)等級的聯(lián)系度。加權(quán)平均聯(lián)系度的計(jì)算公式如下：

(15)

式中：μk為各評價(jià)樣本與第k類評價(jià)等級的加權(quán)平均聯(lián)系度，ωj為各評價(jià)指標(biāo)的熵權(quán)。

1.6 安全等級的確定

遵循模糊數(shù)學(xué)中的最大隸屬原則，求評價(jià)樣本的最大加權(quán)平均聯(lián)系度，其所對應(yīng)的等級即為最終的安全評價(jià)等級，例如：假設(shè)max(μk)k=1,2,3,4?μ3，則待評價(jià)危險(xiǎn)源的安全等級為Ⅲ級(不太安全)。

2 案例應(yīng)用

2.1 重大危險(xiǎn)源概述

安徽省淮南市某化工集團(tuán)公司是皖北地區(qū)規(guī)模較大的煤化工生產(chǎn)基地，經(jīng)過初步辨識，該集團(tuán)公司所屬的合成氨廠、合成氨二廠、精細(xì)化工分廠、硝鹽化工廠和產(chǎn)成品庫構(gòu)成危險(xiǎn)化學(xué)品重大危險(xiǎn)源。本文以這五處危險(xiǎn)源為評價(jià)樣本，說明如何使用熵權(quán)-集對分析模型對重大危險(xiǎn)源的安全等級進(jìn)行評估。

在借鑒國際、國內(nèi)重大危險(xiǎn)源安全評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，查閱并綜合分析了?；钒踩L(fēng)險(xiǎn)評估的相關(guān)研究文獻(xiàn)，結(jié)合案例企業(yè)的實(shí)際情況劃定各項(xiàng)評價(jià)指標(biāo)的分級閾值[16-17]。同時(shí)，按照已經(jīng)建立的評估指標(biāo)體系對各樣本的安全狀況進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，以公司安全部門的檔案資料和日常報(bào)表為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來源，以省安全生產(chǎn)科學(xué)研究院對該企業(yè)重大危險(xiǎn)源的調(diào)研報(bào)告為輔助數(shù)據(jù)來源，經(jīng)過整理、統(tǒng)計(jì)和篩選，參照安全評價(jià)等級區(qū)間，邀請5名業(yè)內(nèi)技術(shù)專家對各項(xiàng)評估指標(biāo)值進(jìn)行估算并取均值，最后使用改進(jìn)熵權(quán)法計(jì)算各個(gè)評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重，結(jié)果見表2。

2.2 運(yùn)行安全等級評價(jià)

根據(jù)表1中的各指標(biāo)閾值情況，以樣本1(合成氨廠)為例，利用公式(2)～(7)來確定各項(xiàng)指標(biāo)與4種評價(jià)等級的聯(lián)系度(表3)。將表2中各指標(biāo)的單項(xiàng)聯(lián)系度計(jì)算結(jié)果和表1中各個(gè)指標(biāo)的權(quán)重計(jì)算結(jié)果代入式(7)，可以求得樣本1的加權(quán)平均聯(lián)系度結(jié)果，進(jìn)而可確定樣本1的安全等級。按照相同的方法步驟，分別可以得到樣本2、3、4、5的平均聯(lián)系度和安全等級評價(jià)結(jié)果(表4)。

2.3 評價(jià)結(jié)果討論

通過對5個(gè)樣本的最大加權(quán)平均聯(lián)系度的對比分析，可以明確它們所對應(yīng)的安全等級依次是：不太安全(Ⅲ級)、比較安全(Ⅱ級)、比較安全(Ⅱ級)、安全(Ⅰ級)、不安全(Ⅳ級)。評價(jià)結(jié)果與案例研究企業(yè)實(shí)際運(yùn)行情況基本一致。同時(shí)還可以看出樣本1和樣本5的安全情況不容樂觀，需要引起管理者的重視。根據(jù)評價(jià)指標(biāo)的熵權(quán)信息可知，人員暴露密度、易燃易爆性、防雷接地措施所對應(yīng)指標(biāo)的熵權(quán)較大，可以認(rèn)為是重大危險(xiǎn)源安全系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)的關(guān)鍵影響因素，需要采取措施加以調(diào)控。根據(jù)集對分析原理可知：問題的確定性和不確定性可以在一定條件下相互轉(zhuǎn)化，可以對關(guān)鍵的分析指標(biāo)因素進(jìn)行管控，從而降低不安全等級。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證本文所提出的研究方案的可行性，在參考前人研究成果的基礎(chǔ)上，另選取了不考慮熵權(quán)的標(biāo)準(zhǔn)集對分析法以及模糊層次分析法對研究案例的5個(gè)樣本對象進(jìn)行安全等級評價(jià)，并將3種評價(jià)結(jié)果進(jìn)行橫向?qū)Ρ?表5)。可以看出，本文方法與模糊層次分析法所得出的評價(jià)結(jié)論基本一致，而不考慮熵權(quán)的標(biāo)準(zhǔn)集對分析法評價(jià)結(jié)果與其它兩種方法差別較大，造成這種情況的主要原因是標(biāo)準(zhǔn)集對分析法未考慮各評價(jià)指標(biāo)的相對重要性。

表4 各樣本加權(quán)平均聯(lián)系度及安全等級

3 結(jié)論

(1)重大危險(xiǎn)源的安全評價(jià)的是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，傳統(tǒng)評價(jià)方法未能考慮評價(jià)過程中存在的不確定性問題，而集對分析法利用同異反聯(lián)系度來定量描述安全評價(jià)指標(biāo)和評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)(安全等級)之間的確定與不確定關(guān)系，并基于此得出危險(xiǎn)源安全等級評價(jià)結(jié)果。通過在研究案例中的實(shí)際應(yīng)用，證明了該方法合理有效且易于操作，具有較好的適用性。

(2) 如何選擇安全等級評價(jià)指標(biāo)體系對評價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確與否至關(guān)重要，本文將影響危險(xiǎn)源安全狀況的多方面因素納入到指標(biāo)體系中，并且按照作用方式的不同將評價(jià)指標(biāo)區(qū)分為“固有危險(xiǎn)因子”和“危險(xiǎn)抵消因子”兩種類型，并據(jù)此構(gòu)建集對聯(lián)系度函數(shù)。

(3) 使用改進(jìn)熵權(quán)法計(jì)算各項(xiàng)評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重，能夠避免由主觀方法所造成的判斷偏差；同時(shí)，根據(jù)熵權(quán)值的相對差異可以分辨關(guān)鍵性的安全因子，從而為預(yù)防安全事故的發(fā)生提供有針對性的指導(dǎo)。

(4) 集對分析理論出現(xiàn)的時(shí)間并不長，諸如“聯(lián)系度”的數(shù)學(xué)表達(dá)以及“集對”的嚴(yán)格數(shù)學(xué)規(guī)則等理論問題仍然有改進(jìn)的空間，還需要在今后的研究中進(jìn)一步完善和發(fā)展。