楊燕霞, 王 政, 徐一凡, 胡藝藝, 賈小平, 王 芳

(1. 青島科技大學(xué) 化工學(xué)院, 山東 青島 266042; 2. 青島科技大學(xué) 環(huán)境與安全工程學(xué)院, 山東 青島 266042)

1 前 言

化工園區(qū)是目前石油和化學(xué)工業(yè)發(fā)展的新模式和重要載體，然而產(chǎn)業(yè)聯(lián)合、集約化、一體化的化工園區(qū)發(fā)展模式帶來生態(tài)效益和經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，也增加了一定的安全風(fēng)險(xiǎn)[1]：化工園區(qū)內(nèi)危險(xiǎn)源數(shù)量多、密度大；生產(chǎn)工藝復(fù)雜、工序繁多；周邊環(huán)境復(fù)雜、影響面大?；@區(qū)局部的事故能夠沿著多條路徑傳播擴(kuò)散，少數(shù)具有高危傳播狀態(tài)的路徑甚至?xí)鹫麄€(gè)化工園區(qū)災(zāi)難性事故的發(fā)生[2-5]。面對(duì)龐大復(fù)雜的化工園區(qū)事故鏈網(wǎng)絡(luò)，如何高效、有針對(duì)性地進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測(cè)和預(yù)防，提升化工園區(qū)整體安全性這一問題亟待解決。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要對(duì)化工園區(qū)事故風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)[6]、事故多米諾效應(yīng)[7]、事故類型后果評(píng)價(jià)及模擬[8]等方面進(jìn)行研究，而針對(duì)化工園區(qū)事故鏈模型建立并識(shí)別其重要節(jié)點(diǎn)和關(guān)鍵事故傳播路徑的相關(guān)研究則較少，KHAKZAD等[9]在考慮多種事故場(chǎng)景下結(jié)合圖論利用圖中心性度量識(shí)別化工廠中最脆弱的裝置；陳國(guó)華等[10]提出基于多災(zāi)種耦合關(guān)系模型研究自然災(zāi)害誘發(fā)的化工園區(qū)事故，通過對(duì)比不同節(jié)點(diǎn)對(duì)系統(tǒng)的擾動(dòng)值進(jìn)行重要性排序，但除自然災(zāi)害外其他影響因素并未考慮其中。

在應(yīng)用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)對(duì)節(jié)點(diǎn)重要性分析方面，國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了大量的研究：王紀(jì)洋等[11]構(gòu)建了AHP-TOPSIS模型來評(píng)價(jià)危險(xiǎn)化工工藝風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，該方法對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行主觀賦權(quán)，解決了指標(biāo)的量綱問題和信息易丟失問題，提高了結(jié)果準(zhǔn)確性；Lü等[12]提出的LeaderRank算法在不考慮節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)特性和節(jié)點(diǎn)間影響的情況下，排序結(jié)果唯一且對(duì)網(wǎng)絡(luò)噪音有更好的容忍性；姜英等[13]采用客觀賦權(quán)的TOPSIS方法初步確定關(guān)鍵子系統(tǒng)，然后利用LeaderRank算法識(shí)別子系統(tǒng)中的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，降低了建模和計(jì)算的復(fù)雜性；LI等[14]提出的加權(quán)LeaderRank算法可以使網(wǎng)絡(luò)中其他節(jié)點(diǎn)從Ground節(jié)點(diǎn)中獲取到部分權(quán)值，該方法對(duì)錯(cuò)誤數(shù)據(jù)有很強(qiáng)的抗干擾能力，但沒有考慮到LR值均分這一問題。

在應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)傳播行為研究傳播路徑方面，LIU等[15]提出基于小世界聚類的故障傳播模型并利用Dijkstra算法對(duì)故障傳播路徑進(jìn)行了分析，該方法理論完善且運(yùn)算穩(wěn)定性強(qiáng)，但其應(yīng)用對(duì)多源有向加權(quán)的化工園區(qū)事故鏈網(wǎng)絡(luò)具有局限性；白翠粉等[16]通過蟻群算法求取電力變壓器網(wǎng)絡(luò)的最高風(fēng)險(xiǎn)故障傳播路徑并獲得了與實(shí)際故障統(tǒng)計(jì)相一致的結(jié)果，該方法具有正反饋機(jī)制和較強(qiáng)的魯棒性，但是其將所有節(jié)點(diǎn)的故障傳播概率設(shè)為固定值忽略了不同節(jié)點(diǎn)影響的差異性。

針對(duì)以上問題，本文首先綜合考慮人、物、環(huán)境和管理等因素對(duì)化工園區(qū)事故的影響，構(gòu)建了化工園區(qū)事故鏈網(wǎng)絡(luò)模型；然后基于主客觀組合賦權(quán)的TOPSIS法確定無向網(wǎng)絡(luò)的重要節(jié)點(diǎn)，利用引進(jìn)鏈入鏈出因子的加權(quán)LeaderRank算法解決LR值均分問題并確定有向網(wǎng)絡(luò)的重要節(jié)點(diǎn)，結(jié)合這2種方法全面評(píng)價(jià)化工園區(qū)事故鏈網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)重要性；最后提出基于事故傳播強(qiáng)度的方法識(shí)別關(guān)鍵事故傳播路徑，為化工園區(qū)的安全生產(chǎn)和監(jiān)測(cè)控制提供理論支持。

2 化工園區(qū)事故鏈的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)模型建立

2.1 確定化工園區(qū)事故鏈網(wǎng)絡(luò)模型結(jié)構(gòu)

基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論[13]及前人對(duì)事故鏈模型[5,17-18]的相關(guān)研究，按照致災(zāi)因子→承災(zāi)體→事故類型→事故后果的事故鏈路線，結(jié)合事故發(fā)生的因果關(guān)系及事故演化機(jī)理建立了一般性的化工園區(qū)事故鏈網(wǎng)絡(luò)模型，依據(jù)化工事故數(shù)據(jù)[19-20]以及實(shí)際調(diào)研進(jìn)一步完善了該模型。其中，事故鏈路線的各組成部分可繼續(xù)遞階層次劃分，如致災(zāi)因子中人的因素包括誤操作、疲勞作業(yè)等，事故類型中火災(zāi)包括池火、噴射火等，具體影響因素間的相關(guān)性體現(xiàn)在事故鏈網(wǎng)絡(luò)模型結(jié)構(gòu)圖中，如圖1所示。

2.2 構(gòu)建化工園區(qū)事故鏈的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)模型

利用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論將化工園區(qū)事故鏈中的各影響因素抽象成網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)，影響因素之間的關(guān)系抽象成網(wǎng)絡(luò)的邊，定義鄰接矩陣見式(1)。

在構(gòu)建有向網(wǎng)絡(luò)模型中，當(dāng)節(jié)點(diǎn)i指向節(jié)點(diǎn)j時(shí)，aij=1；否則aij=0。將鄰接矩陣輸入到Ucinet6.0軟件中，可得到化工園區(qū)事故鏈網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

圖1 化工園區(qū)事故鏈網(wǎng)絡(luò)模型結(jié)構(gòu)圖 Fig.1 Schematic diagram of the accident chain network model structure in chemical industry parks

3 化工園區(qū)事故鏈網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)重要性評(píng)價(jià)

3.1 基于改進(jìn)的TOPSIS方法的節(jié)點(diǎn)重要性評(píng)價(jià)

為了更加全面、準(zhǔn)確量化節(jié)點(diǎn)在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的重要程度，本文選取了點(diǎn)度中心性(DC)、接近中心性(CC)、中間中心性(BC)和特征向量中心性(EC)等指標(biāo)對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)[21]。

3.1.1 權(quán)重的確定

綜合考慮了影響因素原始數(shù)據(jù)間的關(guān)系及專家根據(jù)實(shí)際數(shù)據(jù)做出的判斷，利用組合權(quán)重的方法來確定權(quán)重。

3.1.1.1 熵權(quán)法客觀指標(biāo)權(quán)重確定

熵權(quán)法是根據(jù)影響因子的變異程度，通過信息熵得到各影響因子的熵權(quán)，進(jìn)而獲取各影響因子權(quán)重。其計(jì)算步驟如下：

(1) 對(duì)各評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)值進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理

當(dāng)xij/xjmax=0，pij=0時(shí)，公式無意義。因此需要對(duì)pij進(jìn)行修正：

(2) 確定各影響因子熵權(quán)及權(quán)重

3.1.1.2 層次分析法(AHP)主觀指標(biāo)權(quán)重確定

利用AHP進(jìn)行主觀賦權(quán)計(jì)算時(shí)首先根據(jù)三標(biāo)度法規(guī)則建立比較矩陣，再構(gòu)建判斷矩陣，最后進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，若一致性檢驗(yàn)指標(biāo)C.I.≤0.10，則接受判斷矩陣計(jì)算得到的權(quán)重?cái)?shù)據(jù)[21]。

3.1.1.3 組合權(quán)重的確定

引入拉格朗日函數(shù)和歐式距離函數(shù)使兩個(gè)權(quán)重值與偏好系數(shù)保持一致性，將AHP和熵權(quán)法組合計(jì)算以得到更加合理的指標(biāo)權(quán)重[22]。其計(jì)算步驟如下：

(1) 構(gòu)建優(yōu)化決策模型

(2) 建立權(quán)重關(guān)聯(lián)方程

聯(lián)立式(6)和式(7)即可得到綜合權(quán)重Wj。

3.1.2 基于TOPSIS法計(jì)算節(jié)點(diǎn)重要性 TOPSIS法可以定性的描述節(jié)點(diǎn)在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的信息和重要程度。其具體計(jì)算步驟見文獻(xiàn)[21]，經(jīng)計(jì)算得到所有節(jié)點(diǎn)的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)C*i，C*i的值越大，說明節(jié)點(diǎn)的評(píng)價(jià)越好，節(jié)點(diǎn)越重要。

3.2 基于改進(jìn)的加權(quán)LeaderRank算法的節(jié)點(diǎn)重要性評(píng)價(jià)

為解決LR值均分問題，本文引入鏈入鏈出因子對(duì)加權(quán)LeaderRank算法進(jìn)行改進(jìn)，主要思想是根據(jù)節(jié)點(diǎn)的重要程度分配LR值，進(jìn)一步提高了排序的準(zhǔn)確性。其計(jì)算步驟如下：

(1) 計(jì)算不同節(jié)點(diǎn)間邊的權(quán)值

(2) 計(jì)算各節(jié)點(diǎn)的LR值

結(jié)合2種方法得到的C*值和LR值對(duì)節(jié)點(diǎn)重要性進(jìn)行排序，確定整個(gè)化工園區(qū)事故鏈網(wǎng)絡(luò)的重要節(jié)點(diǎn)，以提高結(jié)果的合理性及準(zhǔn)確性。

4 基于事故傳播強(qiáng)度的關(guān)鍵事故傳播路徑識(shí)別

本文提出基于節(jié)點(diǎn)度數(shù)的負(fù)載分配法來計(jì)算節(jié)點(diǎn)事故概率，將其與有向邊事故影響度融合表征有向邊的事故傳播屬性，結(jié)合有向邊事故傳播屬性和模型結(jié)構(gòu)特征邊介數(shù)負(fù)荷屬性，定義事故傳播強(qiáng)度以尋找關(guān)鍵事故傳播路徑。

4.1 有向邊事故傳播屬性評(píng)估

4.1.1 基于節(jié)點(diǎn)度數(shù)負(fù)載分配方法的節(jié)點(diǎn)事故概率

在現(xiàn)實(shí)網(wǎng)絡(luò)中，過載傳播路徑事故的概率通常與該事故傳播路徑的負(fù)載容量及初始負(fù)載有著密切關(guān)系[23]，故本文提出基于節(jié)點(diǎn)度數(shù)的負(fù)載分配方法來計(jì)算節(jié)點(diǎn)事故概率，其計(jì)算步驟如下：

(1) 確定節(jié)點(diǎn)i的初始負(fù)載Ni

(2) 鄰點(diǎn)所接受的負(fù)載分配ΔNj

(3) 節(jié)點(diǎn)事故概率Pi

負(fù)載分配后節(jié)點(diǎn)的負(fù)載變?yōu)镹i'=Ni+ΔN，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)在發(fā)生過載之后會(huì)有一定概率出現(xiàn)事故，即節(jié)點(diǎn)事故概率為：

4.1.2 基于LR值的有向邊事故影響度

若事故影響度值高的節(jié)點(diǎn)發(fā)生事故并向鄰點(diǎn)傳遞，則兩節(jié)點(diǎn)間有向邊的事故影響度值也較高。本文選擇3.2節(jié)中計(jì)算得到的LR值來表示節(jié)點(diǎn)的事故影響度，將有向邊的事故影響度LR(eij)定義為：

4.1.3 有向邊事故傳播屬性

節(jié)點(diǎn)的事故傳播屬性受節(jié)點(diǎn)自身事故概率及鄰近節(jié)點(diǎn)的影響，而有向邊事故影響度反映了節(jié)點(diǎn)發(fā)生事故時(shí)對(duì)相鄰節(jié)點(diǎn)的影響度，因此將二者結(jié)合來表征有向邊的事故傳播屬性Q(eij)，即：

4.2 邊介數(shù)負(fù)荷屬性評(píng)估

邊介數(shù)反映了事故在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的流經(jīng)頻率，邊介數(shù)越大即負(fù)荷量越大，該有向邊對(duì)其它節(jié)點(diǎn)的聯(lián)絡(luò)控制作用越強(qiáng)，容易導(dǎo)致事故的迅速傳播。邊介數(shù)L(eij)表示如下：

4.3 有向邊事故傳播強(qiáng)度評(píng)估

有向邊事故傳播強(qiáng)度是發(fā)生事故時(shí)通過某有向邊進(jìn)行傳播的強(qiáng)值，事故傳播強(qiáng)度越大，表示事故通過此支路的傳播代價(jià)越小且后果越嚴(yán)重[24]。依據(jù)化工園區(qū)事故鏈網(wǎng)絡(luò)模型，定義有向邊事故傳播強(qiáng)度I(eij)為：

將事故影響度與事故概率乘積值最大的初始節(jié)點(diǎn)確定為事故源，然后根據(jù)有向邊事故傳播強(qiáng)度值來識(shí)別網(wǎng)絡(luò)模型中的關(guān)鍵事故傳播路徑。對(duì)關(guān)鍵事故傳播路徑及其中涉及的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行重點(diǎn)保護(hù)和防范，以降低事故災(zāi)害的發(fā)生。

5 案例分析

選取廣東省惠州市某一典型化工園區(qū)為研究對(duì)象，該化工園區(qū)目前主要依托大煉油、大乙烯項(xiàng)目，生產(chǎn)和發(fā)展煉油、芳烴下游、C2下游、C3下游、C4下游和煉化副產(chǎn)品等[18]。通過資料收集和調(diào)研分析發(fā)現(xiàn)，該化工園區(qū)所在地的自然災(zāi)害主要有地震、颶風(fēng)、暴雨、洪水等，化工園區(qū)企業(yè)的危險(xiǎn)品儲(chǔ)存種類復(fù)雜、數(shù)量繁多，生產(chǎn)工藝復(fù)雜，發(fā)生化工事故易引發(fā)連鎖效應(yīng)。

5.1 復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)模型構(gòu)建

基于第2節(jié)相關(guān)理論以及該化工園區(qū)實(shí)際情況，得到如圖2所示的化工園區(qū)事故鏈復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖，其變量定義如表1所示。

圖2 化工園區(qū)事故鏈復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖 Fig.2 Topological diagram of accident chain in chemical industry parks

表1 化工園區(qū)事故復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)模型的變量定義 Table 1 Definition of variables of the complex network model

5.2 節(jié)點(diǎn)重要性評(píng)價(jià)結(jié)果

利用式(2)～(7)計(jì)算該化工園區(qū)事故鏈網(wǎng)絡(luò)的綜合權(quán)重，即：DCwij為0.086 7，BCwij為0.276 6，CCwij為0.146 3，ECwij為0.490 4。將綜合權(quán)重結(jié)果代入TOPSIS法，經(jīng)計(jì)算可得到綜合各指標(biāo)數(shù)值的總體評(píng)價(jià)C*；利用改進(jìn)的加權(quán)LeaderRank算法對(duì)該有向網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行節(jié)點(diǎn)重要性評(píng)價(jià)得到LR值，結(jié)果如表2所示。

表2 節(jié)點(diǎn)重要性評(píng)價(jià)結(jié)果 Table 2 Evaluation results of node importance

結(jié)合2種算法結(jié)果得出該化工園區(qū)事故鏈網(wǎng)絡(luò)的重要節(jié)點(diǎn)為3、8、22、25、26、35、36、37、57、60，即誤操作易造成生產(chǎn)工藝條件失常，以及其他致災(zāi)因素導(dǎo)致的反應(yīng)器失效、管道斷裂、容器儲(chǔ)罐破裂等進(jìn)而引發(fā)火災(zāi)、爆炸、泄漏事故的發(fā)生，化工園區(qū)事故的傳播和升級(jí)最終會(huì)造成人員傷亡、經(jīng)濟(jì)損失等嚴(yán)重后果。該結(jié)果與化工企業(yè)事故案例統(tǒng)計(jì)[19-20]中高頻率出現(xiàn)的事故原因、事故類型及事故后果等相符，驗(yàn)證了本文提出節(jié)點(diǎn)重要性評(píng)價(jià)方法的準(zhǔn)確性。

5.3 基于事故傳播強(qiáng)度識(shí)別關(guān)鍵事故傳播路徑

化工園區(qū)事故鏈網(wǎng)絡(luò)模型中有向邊的事故傳播強(qiáng)度由各有向邊的事故傳播屬性和邊介數(shù)屬性決定，根據(jù)式(12)～(18)計(jì)算得到該化工園區(qū)事故鏈復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖中各有向邊的事故傳播強(qiáng)度如表3所示。

表3 各有向邊的事故傳播強(qiáng)度值 Table 3 Accident intensity values for each directed edge

通過比較初始節(jié)點(diǎn)事故影響度與節(jié)點(diǎn)事故概率乘積值確定節(jié)點(diǎn)3為事故源，根據(jù)表3中各有向邊事故傳播強(qiáng)度值的大小得到該化工園區(qū)事故的關(guān)鍵傳播路徑為：3→8→37→36→42→35→41→51→52→60，即誤操作→生產(chǎn)工藝條件失?！ā孤嘉镄孤馂?zāi)→池火→火焰吞噬→安全通道與出口缺陷→人員傷亡?；な鹿拾咐y(tǒng)計(jì)[19-20]中出現(xiàn)的主要事故影響因素和事故傳播鏈與本結(jié)論相吻合(如四川陽春工業(yè)園區(qū)的恒達(dá)科技有限公司“7·12”重大爆炸著火事故)，驗(yàn)證了基于事故傳播強(qiáng)度識(shí)別關(guān)鍵事故傳播路徑的合理性。

6 結(jié) 論

通過分析化工園區(qū)事故影響因素，利用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論建立了化工園區(qū)事故鏈網(wǎng)絡(luò)模型，并從其事故鏈的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)性質(zhì)出發(fā)，以層次分析法、熵權(quán)法組合賦權(quán)的TOPSIS法和引入鏈入鏈出因子的加權(quán)LeaderRank算法分別從無向和有向兩個(gè)角度綜合評(píng)價(jià)了化工園區(qū)事故鏈網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)重要性，最后基于事故傳播強(qiáng)度識(shí)別化工園區(qū)事故鏈網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵事故傳播路徑。經(jīng)案例分析驗(yàn)證了該方法的可行性和有效性。

該研究方法一方面豐富了基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)研究化工園區(qū)事故傳播的相關(guān)理論基礎(chǔ)，另一方面為化工園區(qū)智慧安全建設(shè)和選擇重點(diǎn)監(jiān)測(cè)變量提供了決策支持和依據(jù)。

符號(hào)說明：

A — 鄰接矩陣

aij— 節(jié)點(diǎn)i和j之間的關(guān)聯(lián)度

B(j) — 節(jié)點(diǎn)j的鄰點(diǎn)集合

ej— 影響因子熵權(quán)

Ii— 節(jié)點(diǎn)i的入鏈

IP— 節(jié)點(diǎn)j鄰點(diǎn)的入鏈

ki— 節(jié)點(diǎn)i的度數(shù)

LRi, LRj— 節(jié)點(diǎn)i和節(jié)點(diǎn)j的事故影響度LR值

n, N — 節(jié)點(diǎn)數(shù)

Oi— 節(jié)點(diǎn)i的出鏈

OP— 節(jié)點(diǎn)j鄰點(diǎn)的出鏈

p(eij)s— 節(jié)點(diǎn)s通往網(wǎng)絡(luò)其他節(jié)點(diǎn)的最短路徑集合中，經(jīng)過有向邊eij的數(shù)量。

pij— 標(biāo)準(zhǔn)化處理后的評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)值

wAj— AHP法得到的權(quán)重

wBj— 熵權(quán)法得到的權(quán)重

Wj— 綜合權(quán)重

wj— 影響指標(biāo)權(quán)重

xij— 評(píng)價(jià)指標(biāo)的原始數(shù)據(jù)

α,β — 偏好系數(shù)

λj— 與節(jié)點(diǎn)j相鄰節(jié)點(diǎn)的集合

μ — 分配系數(shù)，取值為0.7

τi— 與節(jié)點(diǎn)i相鄰節(jié)點(diǎn)的集合

ωj,i— 節(jié)點(diǎn)間邊的權(quán)值

ωinj,i— 入鏈因子

ωoutj,i— 出鏈因子

上標(biāo)

δ — 可調(diào)負(fù)載強(qiáng)度參數(shù)，取值為1