摘要：隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)學(xué)模型在化工安全風(fēng)險(xiǎn)分析中越來(lái)越重要，在傳統(tǒng)的HAZOPLOPA分析中，某些模糊參數(shù)需要借助專家的判斷完成。通過(guò)層次分析、模糊邏輯、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型及公開報(bào)道的有關(guān)文獻(xiàn)數(shù)據(jù)，對(duì)某化工企業(yè)的儲(chǔ)罐進(jìn)行HAZOPLOPA分析，分析表明層次權(quán)重與風(fēng)險(xiǎn)矩陣相結(jié)合、層次分析與模糊邏輯相結(jié)合、模糊邏輯和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)先假設(shè)檢驗(yàn)相結(jié)合，對(duì)分析中需要專家判斷的數(shù)據(jù)進(jìn)行模型化處理，可以得到相對(duì)客觀的分析結(jié)果。在層次分析中確定3個(gè)可能導(dǎo)致火災(zāi)泄漏的風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較大的權(quán)重因素。通過(guò)模糊邏輯分析得出該儲(chǔ)罐發(fā)生火災(zāi)泄漏的風(fēng)險(xiǎn)較低。利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)驗(yàn)證了PFD=0.1的假設(shè)可接受，進(jìn)而得出完整的HAZOPLOPA分析結(jié)果。為使用數(shù)學(xué)模型進(jìn)行危害分析提供一種新思路，對(duì)HAZOPLOPA分析的模糊參數(shù)定值方法具有重要指引意義。

關(guān)鍵詞：HAZOPLOPA;數(shù)學(xué)模型;危害分析;化工安全

1目的與意義

數(shù)學(xué)模型是使用數(shù)學(xué)方式表達(dá)模擬客觀世界的模型。隨著科技的發(fā)展與進(jìn)步，數(shù)學(xué)模型涵蓋眾多功能，如預(yù)測(cè)、決策、結(jié)構(gòu)等。其中Bayesian預(yù)測(cè)模型、AHP層次分析模型、貝葉斯神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型、模糊矩陣模型、遺傳算法模型、BNN離散分析模型、模糊數(shù)學(xué)模型等在化工過(guò)程安全分析和工藝優(yōu)化控制中起到極其重要的作用。2024年Fatma M. Eltahan等人在英國(guó)《自然》雜志發(fā)表名為Applying a semiquantitative risk assessment on petroleum production unit的論文，詳細(xì)論述了針對(duì)原油輸送泵系統(tǒng)的危害分析，使用模糊邏輯最合適的模糊隸屬函數(shù)，實(shí)現(xiàn)了降低潛在危險(xiǎn)的簡(jiǎn)單可靠的控制方法，但文章僅使用一種數(shù)學(xué)模型，未能實(shí)現(xiàn)HAZOPLOPA系統(tǒng)其他參數(shù)客觀化的期望。2021年GUO Xiaoxue等人在Safety science報(bào)道，利用Bayesian網(wǎng)絡(luò)模型實(shí)現(xiàn)了對(duì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，是數(shù)學(xué)模型在偶聯(lián)關(guān)系的危害分析中應(yīng)用很好的范例。2020年P(guān)anagiotis等人發(fā)表論文，闡述了決策風(fēng)險(xiǎn)矩陣（DRMA）和模糊層次分析法（FAHP）對(duì)綜合危險(xiǎn)與可操作性（HAZOP）的研究［1］，為HAZOP分析提供一種新的解決方案，重點(diǎn)解決了危害決策問題。

本文旨在綜合運(yùn)用數(shù)學(xué)模型的組合解決企業(yè)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中遇到的模糊參數(shù)定值問題。在傳統(tǒng)HAZOPLOPA分析過(guò)程中，很多模糊參數(shù)都依靠專家的判斷，但是現(xiàn)實(shí)中不同專家對(duì)同一參數(shù)可能有著不同意見，這給企業(yè)的安全管理帶來(lái)了挑戰(zhàn)。本文以某危化企業(yè)的常壓儲(chǔ)罐HAZOPLOPA分析為例，通過(guò)數(shù)學(xué)模型為分析模糊參數(shù)提供有力支持。因?yàn)镠AZOPLOPA分析是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，存在多因數(shù)非偶聯(lián)關(guān)系，且分析步驟較多，可參考的數(shù)據(jù)有限，這就要求運(yùn)用多種數(shù)學(xué)模型（層次分析模型、模糊邏輯模型、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型）的組合來(lái)解決分析中的模糊參數(shù)。本文目的是為HAZOPLOPA分析提供一種相對(duì)客觀的數(shù)學(xué)模型組合方案，為企業(yè)危害分析提供一種新的思路，對(duì)HAZOPLOPA分析的模糊參數(shù)的定值方法具有重要指引意義。

2材料與方法

2.1數(shù)據(jù)與方法

本文針對(duì)某化工企業(yè)的常壓儲(chǔ)罐進(jìn)行HAZOPLOPA危害分析。該儲(chǔ)罐位于罐區(qū)，存儲(chǔ)介質(zhì)為甲B類和乙類易燃液體，儲(chǔ)罐四周有圍堰，罐區(qū)安裝了可燃?xì)怏w報(bào)警儀和消防泡沫及噴淋系統(tǒng)。本文引用《HALOPA分析在罐區(qū)中的應(yīng)用》《HAZOPLOPA分析方法在儲(chǔ)罐風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中的應(yīng)用》等國(guó)內(nèi)公開報(bào)道的15篇論文作為HAZOPLOPA分析的參考數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)選取不同作者關(guān)于儲(chǔ)罐泄漏導(dǎo)致火災(zāi)場(chǎng)景的分析報(bào)道，雖然不同作者的分析對(duì)象介質(zhì)略有不同，但是總體與本文的分析介質(zhì)比較重合，因此參數(shù)參考依據(jù)選擇合理。

HAZOP分析方法是將化工生產(chǎn)工藝劃分不同的節(jié)點(diǎn)，通過(guò)會(huì)議討論的形式，分析每個(gè)節(jié)點(diǎn)的主要安全風(fēng)險(xiǎn)隱患，對(duì)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行定性分析。LOPA分析方法一般應(yīng)用在定性風(fēng)險(xiǎn)分析之后，通常與HAZOP聯(lián)合使用，其主要目的是判斷保護(hù)層能力是否具有抵御風(fēng)險(xiǎn)或者降低風(fēng)險(xiǎn)為可接受的風(fēng)險(xiǎn)水平的能力。通過(guò)HAZOP進(jìn)行定性分析后，使用LOPA分析方法對(duì)初始風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)較高的場(chǎng)景進(jìn)行分析、判斷、控制與評(píng)估，確保該風(fēng)險(xiǎn)處于可接受狀態(tài)。

2.2數(shù)學(xué)模型

層次分析法是一種多因素排序決策方法，用于處理復(fù)雜的決策問題。其基本原理是將系統(tǒng)分解成若干層次結(jié)構(gòu)，然后通過(guò)兩兩比較來(lái)確定各個(gè)層次及相同層次中不同因素之間的相對(duì)重要性。在層次分析中，需要結(jié)合專業(yè)知識(shí)和主觀判斷來(lái)進(jìn)行比較和權(quán)衡。通過(guò)層次分析可以對(duì)不同要素給出權(quán)重值，為決策提供了客觀的參考依據(jù)。

模糊邏輯是基于部分隸屬度的概念在由隸屬函數(shù)（μA）描述的集合中。當(dāng)元素X完全屬于集合A的值，函數(shù)μA（X）=1，而如果元素X不屬于設(shè)置函數(shù)，μA（X）=0;小數(shù)的隸屬度是被允許的，通過(guò)實(shí)數(shù)0≤μA（X）≤1來(lái)描述。這些元素屬于多個(gè)或者一個(gè)集合，每個(gè)集合對(duì)應(yīng)不同程度的模糊詞語(yǔ)，通過(guò)數(shù)學(xué)函數(shù)對(duì)模糊詞語(yǔ)建立相應(yīng)的分析模型，這樣就將現(xiàn)實(shí)生活中人的直覺轉(zhuǎn)化成數(shù)學(xué)函數(shù)［2］。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)基于任何連續(xù)多元函數(shù)都能被一組一元函數(shù)的有限次疊加而成。其中，每一個(gè)一元函數(shù)的自變量都是一組連續(xù)單變量函數(shù)的有限次加權(quán)疊加;在內(nèi)部層，每一個(gè)單變量函數(shù)的自變量都是一維變量。固定一種統(tǒng)一的有限層計(jì)算網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，調(diào)整輸出變量每個(gè)節(jié)點(diǎn)的參數(shù)和每層節(jié)點(diǎn)之間疊加計(jì)算的權(quán)重，來(lái)一致性逼近輸入函數(shù)，這樣就可以用于先假設(shè)驗(yàn)證或者適應(yīng)性等分析工作。

3數(shù)據(jù)與分析

3.1層次分析

利用層次分析對(duì)儲(chǔ)罐的危害進(jìn)行權(quán)重分析。因?yàn)樗幸蛩貙儆谕瑢右?，通過(guò)HAZOP分析得出的潛在失效可能為：A液位傳感器失效，B液位傳感器失效，C環(huán)境溫度（如火災(zāi)），D環(huán)境溫度（如極冷天氣），E呼吸閥堵塞，F(xiàn)入孔密封圈失效，G盲板密封失效，H制氮機(jī)故障，I焊接口腐蝕。對(duì)分析出的危害通過(guò)專家打分法兩兩對(duì)比，可以得出專家判斷矩陣（A;A=1，B∶A=1，C∶A=5，C∶B=5，D∶A=2，D∶B=2，D∶C=1/3，E∶A=1/2，E∶B=1/2，E∶C=1/9，E∶D=1/2，F(xiàn)∶A=3，F(xiàn)∶B=3，F(xiàn)∶C=1/5，F(xiàn)∶D=2，F(xiàn)∶E=2，G∶A=3，G∶B=3，G∶C=1/5，G∶D=2，G∶E=2，G∶F=1，H∶A=1，H∶B=1，H∶C=1/5，H∶D=1，H∶E=2，H∶F=1/2，H∶G=1/2，I∶A=C，I∶B=3，I∶C=1/5，I∶D=2，I∶E=2，I∶F=1，I∶G=2，I∶H=1），經(jīng)過(guò)分析可以得出儲(chǔ)罐潛在危害的特征向量和權(quán)重值為A=（0.466，5.177%），B=（0.466，5.177%），C=（3.282，36.469%），D=（0.707，7.851%），E=（0.353，3.918%），F(xiàn)=（1.051，11.676%），G=（1.002，11.130%），H=（0.603，6.698%），I=（1.071，11.905%）。該判斷通過(guò)一致性檢驗(yàn)CI值=0.054，RI值=1.460，CR值=0.037。

3.2模糊邏輯

通過(guò)設(shè)置儲(chǔ)罐泄漏失火的風(fēng)險(xiǎn)可能性、風(fēng)險(xiǎn)后果變量之間的關(guān)系，分別使用不同隸屬函數(shù)分析，得出Triangular函數(shù)值為（-10.42 2.22e-16 10.42，2.08 12.5 22.92，2.08 12.5 22.92），Gaussian函數(shù)值為（4.425 2.22e-16，4.425 12.5，4.425 25），Trapezoidal函數(shù)值為（-9.378 -1.042 1.042 9.378，3.122 11.46 13.54 21.88，3.122 11.46 13.54 21.88）。模糊矩陣反映了風(fēng)險(xiǎn)度在損失程度和頻率共同作用下的變化曲線，該曲線表明不同模糊詞語(yǔ)所產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)大小不同。根據(jù)模糊風(fēng)險(xiǎn)矩陣的規(guī)則進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)值計(jì)算，解模糊化后得到最終的風(fēng)險(xiǎn)清晰值。根據(jù)分析對(duì)象的風(fēng)險(xiǎn)矩陣區(qū)間，通過(guò)Trapezoidal隸屬函數(shù)，可以得出該儲(chǔ)罐泄漏失火的風(fēng)險(xiǎn)模糊邏輯值為4.12，為一般風(fēng)險(xiǎn)。

3.3神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

因?yàn)椴糠忠脭?shù)據(jù)缺失，不能完全滿足分析要求，因此采用先假設(shè)PFD=0.1對(duì)缺失數(shù)據(jù)補(bǔ)足，再使用Sigmoid隱藏神經(jīng)元和線性輸出神經(jīng)元對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸性分析，以驗(yàn)證假設(shè)數(shù)據(jù)的一致性。通過(guò)4輪迭代驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)最佳驗(yàn)證性能為第一輪，方差誤差為0.035 779，其中訓(xùn)練值為0.153 45，驗(yàn)證值為0.760 97，測(cè)試值為1.540 7 e-34，擬合函數(shù)為Y=0.08X+0.18，證明該假設(shè)可以接受。

4結(jié)果與討論

通過(guò)HAZOP的分析結(jié)果和《保護(hù)層分析（LOPA）應(yīng)用指南》，可以確定LOPA危害發(fā)生概率等級(jí)和嚴(yán)重等級(jí)為一般風(fēng)險(xiǎn)。通過(guò)先假設(shè)檢驗(yàn)，可以確定LOPA的條件修正值和PFD值為0.1比較合理。以場(chǎng)景“入孔密封圈失效泄露導(dǎo)致火災(zāi)”為例，其容忍值為1×10-5，初始事件發(fā)生概率為0.1，點(diǎn)火概率和暴露概率為0.1，其IPLs（BPCS、消防系統(tǒng)、可燃?xì)怏w報(bào)警儀）的PFD根據(jù)本文分析均定值為0.1。該風(fēng)險(xiǎn)的IPLs可以被接受。通過(guò)層次模型、模糊邏輯、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以及參考文獻(xiàn)的數(shù)據(jù)，對(duì)某化工企業(yè)儲(chǔ)罐的HAZOPLOPA進(jìn)行分析，能夠相對(duì)客觀地確定一些相對(duì)模糊的參數(shù)。因?yàn)樯窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)等數(shù)學(xué)模型工具目前處于起步階段，在以后的HAZOPLOPA分析工作中應(yīng)不斷發(fā)揮數(shù)學(xué)模型的重要作用。

參考文獻(xiàn)：

［1］MARHAVILAS P K， FILIPPIDIS M， KOULINAS G K， et al. An expanded HAZOPstudy with fuzzyAHP （XPAHAZOP technique）： Application in a sour crudeoil processing plant［J］. Safety Science，2020（3）：124.

［2］GENTILE M， ROGERS W J， MANNAN M S， et al. Development of a fuzzy logicbased inherent safety index［J］. Process Safety and Environmental Protection，2003（81）：6.

作者簡(jiǎn)介：宋鉑，男，陜西韓城人，中級(jí)注冊(cè)安全工程師，碩士，研究方向：化工安全。