基于主成分分析法的特種設(shè)備安全狀況評價*

王智文 杜玖松 徐 慶 陳 薔

基于主成分分析法的特種設(shè)備安全狀況評價*

王智文1杜玖松2徐 慶2陳 薔2

1.浙江省安全生產(chǎn)科學(xué)研究院 2.首都經(jīng)濟(jì)貿(mào)易大學(xué)安全與環(huán)境工程學(xué)院

為綜合評價特種設(shè)備的安全狀況，利用主成分分析法，借助SPSS統(tǒng)計軟件，以各類特種設(shè)備事故率以及損失率為評價指標(biāo)對2006~2011年的安全狀況進(jìn)行綜合評定，得出2006~2011年的特種設(shè)備安全狀況趨勢，為綜合評定我國特種設(shè)備安全狀況提供了新的方法思路。

特種設(shè)備；安全狀況；主成分分析法

特種設(shè)備對各行業(yè)的發(fā)展有著重要的作用。同時特種設(shè)備所具有的危險性對各行業(yè)的安全生產(chǎn)又有極大的威脅。所以研究特種設(shè)備的安全狀況對指導(dǎo)安全生產(chǎn)有積極的作用。

目前， 國內(nèi)關(guān)于特種事故研究的主要方法有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，層次分析，模糊理論等。如楊振林[1]利用層次分析法建立了特種設(shè)備風(fēng)險評價模型，確定了特種設(shè)備主要影響因素。沈勇[2]應(yīng)用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，建立了特種設(shè)備安全評價的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，建立了模糊安全評價的評價因素，優(yōu)化了各因素的權(quán)重。但是，這些評價方法都存在模糊性，各因素的權(quán)重是通過專家打分的方式確定的，評價結(jié)果易受主觀因素的影響。因此，筆者從2006~2011年的統(tǒng)計數(shù)據(jù)出發(fā)，利用多元統(tǒng)計分析方法，借助統(tǒng)計軟件，對我國的特種設(shè)備事故進(jìn)行準(zhǔn)確的分析和評價。

1 主成分分析法基本思路

主成分分析法是一種處理高維數(shù)據(jù)的多元統(tǒng)計分析方法。該方法的基本思想是構(gòu)造原始變量的適當(dāng)線性組合，通過對原始指標(biāo)相關(guān)矩陣內(nèi)部結(jié)果關(guān)系的研究，產(chǎn)生一系列互不相關(guān)的新變量，并根據(jù)實際需要從中選出少數(shù)幾個新變量且使它們含有足夠多的原始變量帶有的信息，從而使得用這些新變量代替原始變量分析問題和解決問題成為可能[3]。

對于某一原始數(shù)據(jù)如矩陣C所示。

將某一個初始數(shù)據(jù)矩陣C利用Z-score法進(jìn)行無量綱標(biāo)準(zhǔn)化處理

式中：

無量綱標(biāo)準(zhǔn)化后表示為D

由D=（xij）q×p可以求得相關(guān)系數(shù)矩陣R=（rij）p×p

式中：

rij—指標(biāo)j與指標(biāo)k的相關(guān)系數(shù)，當(dāng)i=j時，rij=1，且rik=rki，i=1，2，…，q；j=1，2，……，p；k=1，2，…，p。

求出相關(guān)系數(shù)矩陣R=（rij）p×p后利用

求出特征值λ1，λ2，…λq，特征值的大小代表這個元素在結(jié)果中的重要程度。根據(jù)

確定主元的數(shù)量為k個，λ1對應(yīng)的主元F1，λ2對應(yīng)的主元F2，λk對應(yīng)的主元Fk。

求出λ1，λ2，…，λk對應(yīng)的特征向量，λg對應(yīng)的特征向量為ηg1，ηg2，…，ηgp，式中g(shù)=1，2，…，k。

式（4）說明原來的多個變量用較少成幾個主元代替后，可以保留原數(shù)據(jù)的85%以上的信息量，這樣既簡單又保證了精確性。

k個綜合變量Fi（i=1,2,3，...，k）表示為：

式中：

F1—指第一主元；

F2—指第二主元，k主元個數(shù)的累計貢獻(xiàn)大于85%。xc，c=1，2，3，…，p，是各類事故量無量綱標(biāo)準(zhǔn)化后的值。ηab，a=1，2，3，…，q；b=1，2，3，…，p，是λa對應(yīng)的p個特征值。

在算出每個主元后，以每個主成分所對應(yīng)的特征值占所提取主成分總的特征值之和的比例作為全總計算成分綜合模型。

式（6）所求得的F就是綜合得分。

2 實例分析

2.1 事故發(fā)生率評估

根據(jù)國家質(zhì)檢總局特種設(shè)備安全監(jiān)察局發(fā)布的2006~2011年的特種設(shè)備安全狀況相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)[2,4-9]，整理及標(biāo)準(zhǔn)化，見表1。

表1 2006~2011年的特種設(shè)備事故率統(tǒng)計數(shù)據(jù)

對上述標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析。具體分析結(jié)果，見表2、3。

表2 解釋的總方差

其中成分1和成分2的特征值分別為λ1=4.978，λ2=2.067，此時它們的累積貢獻(xiàn)為88.063%，大于85%，因此可以確定有兩個主元。

表3 成份矩陣

從表3可以看出，兩個特征值的特征向量是各種事故的對于兩個主成分的線性組合系數(shù)。

利用公式（5）求出F1、F2，再利用公式（6）求出F，將其排名，見表4。

表4 綜合得分及排序

其中F為綜合得分，其大小就是該年的單位事故的綜合得分，根據(jù)得分的排序可以評估出我國特種設(shè)備的事故發(fā)生數(shù)趨勢。2006~2011年的F值分別為3.4807、0.4556、-2.2314、4.9994、-3.1421、-3.5621，綜合得分的趨勢是逐漸減小，說明我國特種設(shè)備的安全狀況逐年變好。此外2009年的排名是最后的，而出現(xiàn)這種現(xiàn)象的主要原因是新修改的《特種設(shè)備安全監(jiān)察條例》擴(kuò)大了事故范圍和統(tǒng)計口徑，導(dǎo)致事故起數(shù)較大幅度上升。2009年的綜合得分的跳躍進(jìn)一步說明主成分分析法在評價特種設(shè)備事故數(shù)量時是一種較為優(yōu)良的方法。

2.2 事故損失評估

判斷安全狀況的好壞，單從事故率上來判斷并不全面，還應(yīng)從事故的損失情況來對安全狀況進(jìn)行評價。事故損失[9]通常是以事故率、死亡率、受傷率、直接經(jīng)濟(jì)損失率來綜合評價。主成分分析法通過提取主成分建立新的綜合評價模型[3]。通過這種方法就可以綜合四個損失指標(biāo)，從而進(jìn)行綜合排序。根據(jù)國家質(zhì)檢總局特種設(shè)備安全監(jiān)察局發(fā)布的2006~2011年特種設(shè)備事故損失相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)[2,4-9]，整理并利用SPSS進(jìn)行主成分法操作，其過程與分析事故發(fā)生率類似，分析結(jié)果，見表5。

表5 2006~2011年的特種設(shè)備損失率統(tǒng)計數(shù)據(jù)

從結(jié)果來看，2006~2011年的綜合得分分別為2.0304、0.0594、1.9401、0.3387、-1.8913、-2.4774，2006年損失最嚴(yán)重，2007年有所好轉(zhuǎn)，2008年情況較2007年有所惡劣，但是比2006年還是要好，從2008年之后安全狀況穩(wěn)定，逐年好轉(zhuǎn)，2011年的綜合損失率最小。

3 結(jié)論

（1）利用主成分分析法進(jìn)行綜合分析，結(jié)果明確易懂，準(zhǔn)確性高，同時避免了主觀因素的影響。利用分析結(jié)果可以科學(xué)的指導(dǎo)特種設(shè)備的管理工作。

（2）根據(jù)分析結(jié)果來看，我國的特種設(shè)備事故發(fā)生率在逐年的較少，事故損失也在逐年的降低，這也說明我國的特種設(shè)備安全管理工作取得了明顯的成效。

（3）筆者利用主成分分析法分析了特種設(shè)備事故率，事故損失，對每年的安全狀況進(jìn)行排序，筆者認(rèn)為還可以通過統(tǒng)計每起事故的發(fā)生原因，對造成事故的原因進(jìn)行排序，從而找出造成事故的主要原因，知道最需要防范哪些危害因素。同時還可以通過統(tǒng)計事故的發(fā)生階段，如設(shè)計、制造、安裝、使用、維修、改造、檢驗等七大階段的事故發(fā)生情況和損失情況，對其嚴(yán)重程度排序，從而指導(dǎo)管理者分布管理力量，分析思路和本文所述思路相同。

[1] 楊振林,劉金蘭.層次分析法在特種設(shè)備風(fēng)險評價模型設(shè)計中的應(yīng)用[J].工程機(jī)械,2009,40(1):38-41

[2] 沈勇,肖原,王俊宇,等.特種設(shè)備模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)安全評價研究[J].工業(yè)安全與環(huán)保,2011,37(11):5-6

[3] 何曉群.多元統(tǒng)計分析[M].北京:中國人民大學(xué)出版社,1999

[4] 國家質(zhì)檢總局特種設(shè)備安全監(jiān)察局.2006年全國特種設(shè)備安全狀況的情況通報[EB/OL].[2007-07-11] http://www.aqsiq.gov.cn/xxgk_13386/tjxx/tjfx/

[5] 國家質(zhì)檢總局特種設(shè)備安全監(jiān)察局.2007年全國特種設(shè)備安全狀況的情況通報[EB/OL].[2008-04-14]

[6] 國家質(zhì)檢總局特種設(shè)備安全監(jiān)察局.2008年全國特種設(shè)備安全狀況的情況通報[EB/OL].[2009-04-29] http://www.aqsiq.gov.cn/xxgk_13386/tjxx/tjfx/

[7] 國家質(zhì)檢總局特種設(shè)備安全監(jiān)察局.2009年全國特種設(shè)備安全狀況的情況通報[EB/OL].[2010-08-04] http://www.aqsiq.gov.cn/xxgk_13386/tjxx/tjfx/

[8] 國家質(zhì)檢總局特種設(shè)備安全監(jiān)察局.2011年全國特種設(shè)備安全狀況的情況通報[EB/OL].[2012-4-19] http://www.aqsiq.gov.cn/xxgk_13386/tjxx/tjfx/

[9] 馮杰,羅云,曾珠,等.特種設(shè)備安全績效與安全監(jiān)管能力相關(guān)性研究[J].中國安全科學(xué)學(xué)報,2012,22(2):170-176

浙江省科技廳科技計劃項目：礦山尾礦庫安全預(yù)警監(jiān)測技術(shù)成果轉(zhuǎn)化（2013F5000）