基于粗糙集的HSE指標篩選算法研究

摘 要：在油氣行業(yè)，為保證生產的高效、安全。HSE考核體系必不可少。一套科學，客觀，合理的HSE指標考核體系則是一次高質量HSE考核的基礎。目前，還沒有一種客觀，科學，簡單的篩選體系。傳統(tǒng)的德爾菲法、網絡層次分析法的基礎還是人為選擇過程，指標篩選結果往往缺乏客觀性?；貧w分析法則需要大量樣本，而大量樣本往往不易獲取。文中提出一種基于粗糙集的篩選方法，先將HSE指標離散化，計算各個屬性指標的重要性，最后完成HSE指標的篩選。本方法解決了傳統(tǒng)HSE指標篩選完全依賴專家經驗的問題，同時兼顧了行業(yè)專家的實踐經驗。最后通過案例分析說明算法有效可行。

關鍵詞：粗糙集理論；HSE指標篩選；屬性約簡

中圖分類號：TP391.1

HSE（Health Safety Environment）管理體系是健康、安全和環(huán)境管理體系的簡稱。HSE管理是20世紀90年代在國際上興起的一種現代管理模式，已經成為國際石油化工行業(yè)通行的健康、安全和環(huán)境管理模式。為全面實施HSE管理體系勢必進行HSE績效考核[1]。

德爾菲法、網絡層次分析法、模糊評價法等方法雖然運用了一定數學理論知識，但是其基礎還是人為選擇過程，指標篩選結果往往缺乏客觀性?；貧w分析法結果往往趨近真實情況，但是需要大量指標樣本。而石化企業(yè)的項目指標具有較強的行業(yè)性。無法提供大數量的項目樣本。在國內有相關學者提出了基于粗糙集的指標篩選方法：張朝陽、趙濤等提出了基于粗糙集的指標約簡方法[2]；杜俊慧提出的灰色粗糙集的評價指標篩選方法[3]；

此本文將提出粗糙集和德爾菲法相結合的方法，運用關系矩陣實現屬性的等價。本研究將使用由西南油氣田安全環(huán)保與技術監(jiān)督研究院高級工程師成素凡先生研發(fā)的天然氣與管道業(yè)務HSE績效考核系統(tǒng)考核指標體系。以否決指標、過程指標、結果指標進行驗證。

1 粗糙集簡介和指標抽象化

1.1 粗糙集理論[4]

1982年，波蘭學者Z·Pawlak提出了粗糙集理論（Rough Set，RS），它是一種處理含糊和不精確問題的數學方法。粗糙集理論的核心是將分類和知識聯系起來，并用等價形式表示這種關系。與模糊數學、概率論統(tǒng)計等數學方法相比，粗糙集理無需使用隸屬度函數、概率分布密度、更多的前提條件約束即可高效處理不確定信息，因而得到理論界、工程界、管理界的廣泛青睞。目前，國內外很多學者又把這樣開創(chuàng)性理論用于指標篩選中[4]。

根據粗糙集理論，信息系統(tǒng)S可表示為有序四元組：

S={U，A，V，F} （1-1）

上式中U={x1，x2，…，xn}是全體樣本集。是有限個屬性的集合，可進一步分為兩個互相獨立的子集，即A=C∪D，C∩D=Q，C為條件屬性集，反映對象的特征，D為決策屬性集，反映對象的類別。V=UP∈AVP是屬性集的集合，VP表示屬性值，p∈A的屬性的取值范圍。f=U*A→V是信息函數，用于確定樣本集U中的對象xi的屬性值，即任一q∈A和x∈U，f（xi，q）∈Vq。對于任一屬性子集 ，R（B）稱為不可分辨關系：

（1-2）

屬性子集B將樣本集U劃分成若干等價類，B_稱為基本元素。對于屬性子集B而言，各等價類內的樣本集是不可分辨的。

對于任意樣本子集X∈U，如果滿足：

（1-3）

則B_（X）稱為X的B下近似，如果滿足：

Bˉ（X）={x∈U：B（x）∩X≠?} （1-4）

則Bˉ（X）稱為X的B上近似。

BNB=Bˉ（X）-B_（X） （1-5）

BNB稱為X的B邊界區(qū)域。邊界區(qū)域就是粗糙集的存在，如果邊界區(qū)域不存在，則問題演變問完全確定的問題。對于屬性子集B，樣本子集X的不確定性程度可以用αB（X）來量化。

（1-6）

B（X）稱為近似精確度，card（Y）表示集合Y的元素個數。

評價結果D=j5i0abt0b關于指標體系X的近似質量MX是：

（1-7）

1.2 HSE指標因素離散化

表1 HSE指標離散結果表

資金消耗危險程度指標用途質量要求臨界狀態(tài)目標難度

分值費用w分值LEC分值類別分值頻分值分數分值系數

1<1W1<201文件類1月10-701易

210-49220-702作業(yè)類2周270-802中

350-99370-1603考評類3天380-903難

4>1004>1604治理類4時490-1004高難

粗糙集理論可以有效地處理離散化指標，但是卻不能直接處理連續(xù)型指標，因此，在指標篩選之前，必須先對連續(xù)型指標數據進行離散化。利用斷點離散指標空間，把n維空間劃分成有限個區(qū)域，使得每個區(qū)域中的對象的評價相同。根據油氣行業(yè)特點，確定HSE指標的因數集={質量要求，臨界狀態(tài)，危險程度，費用損失，目標難度}。

2 指標篩選過程

指標體系大小和指標篩選算法有著密切的關系。如果指標體系過大，采用基于屬性重要度的指標篩選模型為一種不錯的選擇，如此，可快速得出篩選結果，減少算法時間開支。本次試驗采用的天然氣與管道業(yè)務HSE績效考核系統(tǒng)考核指標有各類指標5千多條，且各級指標之間構成三級樹狀結構。因此，采用第三種方法較為適宜。

根據式（1-6）和（1-7）定義的近似精度和近似質量，我們要再次定義HSE指標的依賴性和重要性。如果依賴性變化大表示指標在指標集中越重要，并以此為依據，篩選出對當前評價結果影響較大的指標，如果指標是依賴性的，用屬于約簡找出最佳指標集[5]。

定義1。HSE指標依賴性：如果近似質量MC=1，這評價結論取決了X；如果0

定義2。指標重要性：從指標體系X中去掉某個指xi，通過依賴性就算每個指標的重要性。屬性重要性I（xi，X）=MC-MC-|Xi|

本研究的算法大致分為三個步驟，第一步，劃分等價類；第二步，計算HSE指標的屬性依賴性；第三步，得出指標篩選結果；第四步，確定指標權重。下面分四個步驟詳細說明這個算法。

Step 1：根據各個指標的目標難度將所有對象排序。

xi1=L=cxi11

等價類為X={XiC，X2C，L，XKC}

Step 2：計算HSE指標的重要性，算法流程如下[5]：

For j in 1..k do

IF（評價對象的評價結果一致）

POS（C）=POS（C）UXiC end

For t in 1..k do

C’=C-{Ct}//移除一個HSE指標；

計算MC

POS（C′）=?；

For i in 1..k do

IF （評價對象的評價結果一致）

POS（C′）=POS（C′）UXiC′

end

End

I（c，C′）=MC-MC′

end

Step 3：確定和原指標集相同分類小的指標集，按照屬性重要度排序，去除約簡以外的指標，就篩選出最終HSE考核指標集；

（1）根據表1離散條件屬性和決策屬性，形成二元關系表；

（2）計算每個屬性xi的數字取值結合。集合中元素是取值在U中的個數即card[xi]；

（3）運用絕對值減數法，求出相似矩陣A（rij）n*n 用rij表示對象ij之間的相似程度；

（4）選擇合適的閾值a，算出主條件屬性集。Rij≧a取1，rij

（5）運用新分類進行屬性約簡，得出相應的決策規(guī)則

Step 4：根據油氣行業(yè)的行業(yè)特點，采用德爾菲法確定HSE指標權重。

3 案例分析

天然氣與管道業(yè)務HSE考核指標庫中有一些指標，這些指標都是用于考核下級單位的績效情況。指標詳細信息如下：

表2 HSE安全原始指標數據

資金消耗危險程度指標用途質量要求臨界狀態(tài)目標難度

事故瞞報>100>160考評類天100高難

新增隱患>10040考評類周72難

油氣泄漏率>100>160治理類時50難

泄壓完好率<1w>160作業(yè)類天84中

進貨驗收>10080考評類月86難

竣工驗收6084考評類月90難

體系建設2860文件類周87易

危險品貯存90150作業(yè)類天90中

HSE評審4550治理類周75易

項目評估30<20治理類周80易

從表2可知共有10個對象記為集合U，條件屬性共有5個，記為集合X，決策屬性為資金消耗記為集合D。由于原始數據中的某些數據不連續(xù)，用表2的規(guī)則離散化。離散化后的數據表如下：

表3 離散化后的指標數據

UX1X2X3X4X5D

1443344

2423223

3444414

4142332

5433133

6333143

7221231

8332342

9224221

10214231

根據表3得出個屬性集合X1={1，3，2，4}；X2={1，3，3，4}；X3={1，2，4，3}；X4={2，4，1，3}；X5={1，2，4，3}；應用絕對值減數發(fā)算出指標的相似矩陣；

取閥值a=0.8得：

將X分為{x1，x2}，{x2，x3}，{x2，x5}。選擇{x2，x3}作為主要屬性，得出決策規(guī)則為{{x2=4，x3=3}，{x2=4，x3=4}→d=4；

{{x2=2，x3=3}，{x2=3，x3=3}}→d=3；

{{x2=4，x3=2}，{x2=3，x3=2}}→d=2；

{{x2=2，x3=1}，{x2=2，x3=4}，{x2=1，x3=4}}→d=1；

根據決策規(guī)則我們可以得出項目難度與危險程度和指標正相關。綜上所述選事故瞞報，油氣泄漏率，新增隱患，進貨驗收擇等五條指標作為本次HSE的考核指標。

4 結束語

本文首次運用6個屬性對象描述每個HSE指標，采用粗糙集理論中的關系矩陣離散化原始指標數據，完成了指標屬性數據的合理分類。解決以前HSE指標不能合理離散化的問題。實現了在確定考核目標的前提下的HSE指標篩選篩選算法。解決了傳統(tǒng)HSE指標依賴專家經驗的問題，如此，HSE指標的篩選結果更加客觀，科學，嚴謹，同時兼顧了專家經驗。本文的篩選算法在油氣行業(yè)的HSE指標篩選中具有一定的實用價值。

參考文獻：

[1]杜紅巖，王延平，盧均臣.2012年國內外石油化工行業(yè)事故統(tǒng)計分析[J].中國安全生產科學技術，2013（09）：185-786.

[2]張朝陽，趙濤，王春紅.基于粗糙集的屬性約簡方法在指標篩選中的應用[J].科技管理研究，2009（01）：78-80.

[3]杜俊慧.基于灰色粗糙集的評價指標篩選方法研究[J].中北大學學報（自然科學版），2012（05）：559-560.

[4]于慶軍，杜綱，高璇.基于Rough集理論的城市通信網絡建設影響因素分析[J].西安電子科技大學學報（社會科學版），2007（02）：11-16.

[5]李遠遠.基于粗糙集的指標體系構建及綜合評價方法研究[D].武漢理工大學，2009：67-68.

作者簡介：楊海軍（1989-），男，四川南充人，碩士研究生，研究方向：油田信息化。

作者單位：西南石油大學 計算機科學學院，成都 610500