基于云模型的SPA模型在石化裝置危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)中的應(yīng)用*

張秀敏　許開立　姚錫文　閆放　姜婷婷　賈彥強(qiáng)

(東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院　沈陽 110819)

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基于云模型的SPA模型在石化裝置危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)中的應(yīng)用*

張秀敏許開立姚錫文閆放姜婷婷賈彥強(qiáng)

(東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院沈陽 110819)

針對(duì)現(xiàn)有石化裝置危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)模型未能充分反映評(píng)價(jià)指標(biāo)模糊性和隨機(jī)性的不足，提出了一種基于云模型的SPA模型，用于石化裝置的危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)。首先利用云模型中的逆向云發(fā)生器計(jì)算云權(quán)重Wcloud=(Ex,En,He)。然后將云權(quán)重應(yīng)用于五元聯(lián)系數(shù)的集對(duì)分析中，進(jìn)行綜合評(píng)判可以得到綜合評(píng)價(jià)云模型。通過MATLAB編程將其與標(biāo)準(zhǔn)評(píng)語云模型進(jìn)行比較，確定評(píng)價(jià)對(duì)象的危險(xiǎn)等級(jí)。結(jié)果表明，該模型對(duì)石化生產(chǎn)裝置的危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)能夠充分體現(xiàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)的隨機(jī)性與模糊性，評(píng)價(jià)結(jié)果更為符合實(shí)際。

石化裝置危險(xiǎn)性云模型SPA云權(quán)重

0　引言

石化裝置是存在著可燃性、爆炸性、毒害性、高溫高壓作業(yè)等危險(xiǎn)性的高風(fēng)險(xiǎn)系統(tǒng)。因此，為確保石化裝置安全運(yùn)轉(zhuǎn)，有必要對(duì)其進(jìn)行危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)。當(dāng)前用于研究石化裝置危險(xiǎn)性的評(píng)價(jià)方法已有很多，如：采用安全檢查表-危險(xiǎn)指數(shù)的計(jì)算方法，對(duì)系統(tǒng)安全狀況的等級(jí)采用危險(xiǎn)指數(shù)法來確定[1]；應(yīng)用層析分析法對(duì)石化企業(yè)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)[2]；將一種基于改進(jìn)的AHP應(yīng)用于石化裝置的危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)方法[3]；對(duì)于石化生產(chǎn)裝置采用模糊綜合評(píng)判方法[4]。這些評(píng)價(jià)方法均有各自的優(yōu)點(diǎn)，也有不足之處，主要為權(quán)重賦值存在主觀性、忽略評(píng)價(jià)過程存在的不確定性等。

本文提出一種處理不確定性因素的云模型與集對(duì)分析(SPA)相結(jié)合的評(píng)價(jià)方法，該方法利用云模型的模糊性和隨機(jī)性來確定云權(quán)重是對(duì)傳統(tǒng)意義上權(quán)重的軟化，減少了賦值的主觀性，在此基礎(chǔ)上與五元聯(lián)系數(shù)集對(duì)分析結(jié)合，對(duì)石化企業(yè)生產(chǎn)裝置進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，得出綜合評(píng)價(jià)云模型，從而確定評(píng)價(jià)對(duì)象的危險(xiǎn)等級(jí)，且以云滴的形式直觀的表現(xiàn)出來。

1　云模型和SPA簡(jiǎn)介

1.1云模型理論介紹

1.1.1云模型的概念

云模型是實(shí)現(xiàn)某一定性概念與定量值之間相互轉(zhuǎn)化的模型，能夠充分體現(xiàn)不確定概念的隨機(jī)性和模糊性，且將兩者有機(jī)地結(jié)合起來。

對(duì)于一個(gè)給定的論域U，C是對(duì)應(yīng)U上的定性概念，x是具體數(shù)值(x∈U)，且是C的一次隨機(jī)性的實(shí)現(xiàn)，如果x對(duì)于C的隸屬度u(x)是在0和1之間具有穩(wěn)定傾向性的隨機(jī)數(shù)，則x在U上的分布就叫作云[5]。

在描述某一定性概念的不確定性時(shí)，一般的模糊數(shù)學(xué)方法經(jīng)常采用隸屬度，云模型的不同之處在于從數(shù)字特征層面進(jìn)行全面詳細(xì)地刻畫。云模型的數(shù)字特征有3個(gè)，分別為Ex,En,He。Ex是期望，能夠集中體現(xiàn)這一定性概念C的點(diǎn)；En是熵，表示C的隨機(jī)性、模糊性的度量；He是超熵，表征云的厚度且呈正比關(guān)系。

1.1.2云權(quán)重的計(jì)算[6]

云權(quán)重的表達(dá)式為Wcloud=(Ex,En,He)。它不同于傳統(tǒng)意義上的權(quán)重，引入了軟化權(quán)重的熵En和超熵He。云權(quán)重的計(jì)算首先運(yùn)用Delphi Method，請(qǐng)專家進(jìn)行重要性打分，利用公式(1)求得初步云權(quán)重。但是可能會(huì)存在誤差，所以再采用正向云發(fā)生器計(jì)算生成云模型的圖像。專家通過對(duì)云模型圖像的觀察，重新進(jìn)行打分計(jì)算，可以得到一個(gè)相對(duì)精確的結(jié)果。

(1)

1.2五元聯(lián)系數(shù)SPA理論

集對(duì)分析(set pair analysis)是將確定性和不確定性看作一個(gè)整體的分析方法。一般情況下，集對(duì)中的兩個(gè)集合的確定和不確定的關(guān)系從“同、異、反”3個(gè)方面進(jìn)行表述，而聯(lián)系數(shù)可以詳細(xì)地刻畫這種關(guān)系，其表達(dá)式如下[7]：

u=a+bi+cj

(2)

式中，a，b，c為同一度、差異度、對(duì)立度，且三者和為1；i為差異度系數(shù)，-1到1之間賦值。若i取-1，則差異度轉(zhuǎn)換成對(duì)立度；若i取1，則轉(zhuǎn)換成同一度；若在-1與1之間取值，則各轉(zhuǎn)換一部分。j為對(duì)立度系數(shù),取值為-1。

在安全評(píng)價(jià)過程中，被評(píng)價(jià)的指標(biāo)構(gòu)成的集合與標(biāo)準(zhǔn)值構(gòu)成的集合共同組成一個(gè)集對(duì)。首先確定每一個(gè)指標(biāo)所占的權(quán)重構(gòu)成的權(quán)系數(shù)矩陣W；然后請(qǐng)專家確定各個(gè)指標(biāo)的危險(xiǎn)等級(jí)，對(duì)應(yīng)于各個(gè)指標(biāo)的實(shí)際情況，求得同異反向量矩陣R。由W，R，E表示的聯(lián)系數(shù)如下[8]：

(3)

危險(xiǎn)等級(jí)與聯(lián)系數(shù)的元數(shù)是相對(duì)應(yīng)的，式(2)，(3)均是三元聯(lián)系數(shù)，對(duì)應(yīng)危險(xiǎn)等級(jí)分為3級(jí)。如果進(jìn)一步將危險(xiǎn)等級(jí)劃分為5級(jí)，則聯(lián)系數(shù)也應(yīng)該是五元的[9]?？紤]特性權(quán)重的向量形式的五元聯(lián)系數(shù)集對(duì)分析形式如下：

u=A+BI+CJ+DK+EL

(4)

2　基于云模型的五元聯(lián)系數(shù)SPA評(píng)價(jià)法

在利用五元聯(lián)系數(shù)集對(duì)分析法進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)，如果權(quán)重?cái)P棄傳統(tǒng)的方式而采用逆向云發(fā)生器求云權(quán)重Wcloud=(Ex,En,He)，以云權(quán)重代替?zhèn)鹘y(tǒng)的權(quán)重，是一種新的更為精確的方法，減輕主觀因素對(duì)于評(píng)價(jià)結(jié)果的影響。依據(jù)五元聯(lián)系數(shù)對(duì)危險(xiǎn)性等級(jí)進(jìn)行劃分為(危險(xiǎn),較危險(xiǎn),一般安全,較安全,安全)比以往的三元聯(lián)系數(shù)更為合理。并且對(duì)五元聯(lián)系數(shù)采用向量形式，其實(shí)是由于采用了矩陣形式的云權(quán)重，最后得到的聯(lián)系數(shù)同樣也是矩陣形式。與此同時(shí)考慮五位專家自身的權(quán)重，減輕了主觀因素的影響。

2.1評(píng)語云模型的建立[10]

聯(lián)系數(shù)u∈[-1,1]，依據(jù)“均分原則”，將五元聯(lián)系數(shù)對(duì)應(yīng)數(shù)值進(jìn)行危險(xiǎn)等級(jí)區(qū)間劃分，結(jié)果見表1。

表1　危險(xiǎn)等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)

假設(shè)Cmax，Cmin分別為危險(xiǎn)等級(jí)對(duì)應(yīng)區(qū)間的最大值與最小值，則評(píng)語云模型數(shù)字特征的計(jì)算為：

(5)

根據(jù)表1和公式(5)可以得出危險(xiǎn)等級(jí)評(píng)語云模型見表2。運(yùn)用matlab軟件編程得出標(biāo)準(zhǔn)評(píng)語云模型對(duì)應(yīng)的圖形見圖1。

表2　危險(xiǎn)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)評(píng)語云模型

圖1　標(biāo)準(zhǔn)評(píng)語云模型

2.2評(píng)價(jià)過程

基于云模型的五元聯(lián)系數(shù)SPA評(píng)價(jià)法分析流程圖如圖2所示。

圖2　基于云模型的五元聯(lián)系數(shù)SPA評(píng)價(jià)方法分析流程圖

(1)根據(jù)危險(xiǎn)因素和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)來建立因素集和評(píng)語集。

(2)運(yùn)用Delphi法請(qǐng)專家依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行打分(見表3)，通過逆向云發(fā)生器求得云權(quán)重，且經(jīng)過修改使其更準(zhǔn)確，再對(duì)處于一個(gè)層次的指標(biāo)進(jìn)行歸一化。

(3)將五元聯(lián)系數(shù)集對(duì)分析中權(quán)重以云權(quán)重的形式來表示，并根據(jù)云模型的四則運(yùn)算進(jìn)行綜合評(píng)判，最終求得綜合評(píng)價(jià)云模型，將其與標(biāo)準(zhǔn)評(píng)語云模型比較，數(shù)值最相近的就作為最后的評(píng)價(jià)結(jié)果。

表3　專家打分標(biāo)準(zhǔn)

3　應(yīng)用實(shí)例與結(jié)果

石化企業(yè)生產(chǎn)過程中復(fù)雜的工藝、苛刻的運(yùn)行條件、裝置的大型化、連續(xù)化及自動(dòng)化等特點(diǎn)，使得一旦發(fā)生火災(zāi)爆炸就會(huì)造成嚴(yán)重的后果。本文在采用文獻(xiàn)[11]中實(shí)際數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上對(duì)石化生產(chǎn)裝置進(jìn)行危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)。與文獻(xiàn)不同之處是對(duì)權(quán)重確定方法進(jìn)行改進(jìn)----采用云權(quán)重，且多元聯(lián)系數(shù)是采用向量形式，最后根據(jù)綜合評(píng)價(jià)云模型進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

聘請(qǐng)5位專家，首先對(duì)各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的危險(xiǎn)性等級(jí)進(jìn)行分級(jí)[11]，然后再對(duì)各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)相對(duì)于石化企業(yè)生產(chǎn)裝置安全狀況的重要性進(jìn)行打分(參照表3的打分標(biāo)準(zhǔn))，打分結(jié)果見表4。

表4　某石化企業(yè)生產(chǎn)裝置各指標(biāo)對(duì)于系統(tǒng)

計(jì)算專家1的評(píng)價(jià)結(jié)果分為3種情況：

其間運(yùn)算不是直接相加減，而是要用到云模型的四則運(yùn)算。

(6)

u1min=(-0.216 7,0.028 3,0.015 6)。

u1max=(0.199 3,0.013 0,0.007 5)。

u1m=(-0.008 7,0.017 7,0.010 0)。

同理分別計(jì)算專家2～5的聯(lián)系度。

若考慮專家自身的權(quán)重(0.3，0.1，0.2，0.3，0.1)，最終評(píng)價(jià)結(jié)果為：

umin=(-0.193 0,0.014 7,0.008 3)；

umax=(0.118 5,0.011 7,0.006 5)；

um=(-0.094 5，0.019 0,0.011 9)。

運(yùn)用matlab軟件，將最終評(píng)價(jià)結(jié)果與評(píng)語云模型進(jìn)行比較(見圖3)。由圖3結(jié)合評(píng)價(jià)結(jié)果可得：umin=(-0.193 0,0.014 7,0.008 3)，umax=(0.118 5,0.011 7,0.006 5)，um=(-0.094 5，0.019 0,0.011 9)。

圖3最終評(píng)價(jià)結(jié)果與評(píng)語云模型比較

可以看出，該石化企業(yè)生產(chǎn)裝置危險(xiǎn)性最悲觀安全狀況(淺灰色)是在較危險(xiǎn)與一般安全之間，最理想安全狀況(深灰色)在一般安全與較安全之間，中間狀態(tài)(灰色)是處于較危險(xiǎn)與一般安全之間，與文獻(xiàn)[11]結(jié)果接近，表明該綜合評(píng)價(jià)方法具有可行性。從云權(quán)重的計(jì)算、基于五元聯(lián)系數(shù)的系統(tǒng)危險(xiǎn)等級(jí)的劃分和綜合評(píng)價(jià)模型的建立都考慮了評(píng)價(jià)指標(biāo)的模糊性和隨機(jī)性，這些都是以前的評(píng)價(jià)方法未曾用到的。云模型不僅可以反映各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)于評(píng)價(jià)對(duì)象的影響程度，而且能夠得到評(píng)價(jià)結(jié)果所屬的危險(xiǎn)等級(jí)，能夠詳細(xì)并且直觀地判斷系統(tǒng)的危險(xiǎn)性。

4　結(jié)論

(1)云模型理論中的云權(quán)重是對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)傳統(tǒng)意義上權(quán)重的軟化，大大減少了賦值的主觀性。

(2)該模型的主要優(yōu)點(diǎn)是能很好地反映評(píng)價(jià)指標(biāo)的隨機(jī)性和模糊性，與標(biāo)準(zhǔn)評(píng)語云模型比較可以簡(jiǎn)單直觀地確定危險(xiǎn)等級(jí)。

(3)在對(duì)石化生產(chǎn)裝置危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)過程中采用基于云模型的五元聯(lián)系數(shù)集對(duì)分析模型，結(jié)果表明該方法比傳統(tǒng)的安全檢查表法、層次分析法和模糊綜合評(píng)價(jià)方法更為科學(xué)與合理。

[1]王廣亮.化工石化生產(chǎn)裝置安全評(píng)價(jià)的模式與方法[J].化工勞動(dòng)保護(hù)，1998，19(5)：6-13.

[2]楊凱，王云，王勇.層次分析法在石化企業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)中的應(yīng)用[J].上海環(huán)境科學(xué)，1994，13(6)：36-39.

[3]黃敏，左治興，易斌.基于改進(jìn)層次分析法的石化生產(chǎn)裝置安全評(píng)價(jià)[J].工業(yè)安全與環(huán)保，2008，34(4)：40-42.

[4]李樹清，謝正文，王鵬飛.石化生產(chǎn)裝置安全現(xiàn)狀模糊綜合評(píng)價(jià)方法研究[J].中國(guó)安全科學(xué)學(xué)報(bào)，2007，17(1)：121-125.

[5]李德毅.不確定性人工智能[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2005.

[6]婁和旭.基于云模型的鐵路運(yùn)輸?shù)吞季G色發(fā)展研究[D].大連：大連海事大學(xué)，2014.

[7]趙克勤.集對(duì)分析及其初步應(yīng)用[M].杭州：浙江科學(xué)出版社，2000.

[8]趙克勤，米紅.非傳統(tǒng)安全與集對(duì)分析[M].北京：知識(shí)產(chǎn)權(quán)出版社，2010.

[9]吳亭.五元聯(lián)系數(shù)在學(xué)生成績(jī)發(fā)展趨勢(shì)分析中的應(yīng)用[J].數(shù)學(xué)的實(shí)踐與認(rèn)識(shí)，2009，39(5)：53-59.

[10]徐征捷，張友鵬，蘇宏升.基于云模型的模糊綜合評(píng)判法在風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中的應(yīng)用[J].安全與環(huán)境學(xué)報(bào)，2014，14(2)：69-72.

[11]李德順.論基于多元聯(lián)系數(shù)的集對(duì)分析評(píng)價(jià)模型[J].中國(guó)安全科學(xué)生產(chǎn)技術(shù)，2009,5(4)：110-114.

許開立，男，1965年生，東北大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)橄到y(tǒng)安全理論、安全技術(shù)、安全評(píng)價(jià)、危險(xiǎn)與危害的預(yù)警及監(jiān)控、生物質(zhì)能等。

Application of SPA Model Based on Cloud Model in Risk Assessment of Petrochemical Plant

ZHANG XiuminXU KailiYAO XiwenYAN FangJIANG TingtingJIA Yanqiang

(CollegeofResources&CivilEngineering,NortheasternUniversityShenyang110819)

In the risk assessment of petrochemical plant, owing to the deficiency of qualitative concept of randomness and fuzziness coexistence, a SPA model based on cloud model is proposed. First, the cloud weight[Wcloud=(Ex,En,He)] is calculated by backward cloud generator. Then the cloud weight should be used in the analysis of the set of the five element connection number, and the comprehensive evaluation cloud model can be obtained. Through the MATLAB programming, the comprehensive evaluation cloud model is compared with the standard one, and the risk level of the evaluation object is determined. The results show that the model can fully reflect the randomness and fuzziness of the evaluation index, and the evaluation results are more realistic.

petrochemical plant riskcloud modelSPAcloud weight

2015-10-01)

農(nóng)業(yè)部農(nóng)村能源專項(xiàng)(2015-36)。

張秀敏，女，1994年生，東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院碩士研究生，研究方向?yàn)樯镔|(zhì)能、系統(tǒng)安全理論、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)等。