多層級(jí)系統(tǒng)安全狀態(tài)量化及動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)方法*

董丁穩(wěn)　王紅剛

（西安科技大學(xué)能源學(xué)院　西安710054）

多層級(jí)系統(tǒng)安全狀態(tài)量化及動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)方法*

董丁穩(wěn)王紅剛

（西安科技大學(xué)能源學(xué)院西安710054）

為及時(shí)、合理評(píng)價(jià)生產(chǎn)系統(tǒng)安全狀況 ，促進(jìn)現(xiàn)場(chǎng)安全管理工作的持續(xù)改進(jìn)，依據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)日常隱患排查的安全管理機(jī)制，將反映生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)安全屬性的安全要素集，根據(jù)行業(yè)特點(diǎn)進(jìn)行歸類來(lái)提取評(píng)價(jià)指標(biāo)，形成一個(gè)表達(dá)系統(tǒng)安全狀態(tài)的邏輯結(jié)構(gòu)，研究以諸多安全要素風(fēng)險(xiǎn)值來(lái)量化評(píng)價(jià)指標(biāo)的方法，用以刻畫(huà)系統(tǒng)安全邏輯結(jié)構(gòu)中指標(biāo)層的安全狀態(tài)。采用適用于多樣本關(guān)聯(lián)分析的熵權(quán)法 ，客觀、動(dòng)態(tài)地確定指標(biāo)權(quán)重；采用加權(quán)灰色關(guān)聯(lián)分析法，描述評(píng)價(jià)樣本接近于系統(tǒng)安全目標(biāo)的程度來(lái)確定評(píng)價(jià)等級(jí)，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)安全動(dòng)態(tài)、定量評(píng)價(jià)。實(shí)例分析表明，通過(guò)系統(tǒng)安全狀態(tài)量化與動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)能及時(shí)甄別反映系統(tǒng)薄弱環(huán)節(jié)的系統(tǒng)安全主控因素，為現(xiàn)場(chǎng)安全管理提供決策依據(jù)。

多層級(jí) 系統(tǒng)安全 量化 動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)

0　引言

生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)安全系統(tǒng)，是由與生產(chǎn)過(guò)程有關(guān)的相互聯(lián)系、相互作用、相互制約的若干因素結(jié)合成的具有特定功能的有機(jī)整體。工業(yè)生產(chǎn)涉及人、機(jī)、環(huán)境、管理等因素，每一個(gè)方面都包含諸多不確定性因素。這些因素還具有模糊性和動(dòng)態(tài)性，構(gòu)成了各種因素相互關(guān)聯(lián)、動(dòng)態(tài)變化的綜合體，并且存在由于危險(xiǎn)因素識(shí)別的模糊性導(dǎo)致系統(tǒng)安全狀態(tài)難以量化的問(wèn)題。因此，根據(jù)具體行業(yè)的實(shí)際情況，及時(shí)評(píng)估生產(chǎn)系統(tǒng)安全性，促進(jìn)安全生產(chǎn)持續(xù)改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)與閉環(huán)管理結(jié)合的模式 ，對(duì)消除事故隱患、預(yù)防和控制事故的發(fā)生具有重要意義。系統(tǒng)安全評(píng)價(jià)方法在諸多行業(yè)及相關(guān)環(huán)節(jié)有著廣泛的應(yīng)用。由于生產(chǎn)安全系統(tǒng)本身的復(fù)雜性，系統(tǒng)各因素往往形成多層級(jí)結(jié)構(gòu)，很難用“線性的”、“局部的”和“確定性的”分析方法來(lái)描述其安全狀態(tài)，進(jìn)行系統(tǒng)安全動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)。本文基于復(fù)雜系統(tǒng)安全因素量化處理，結(jié)合熵權(quán)法和灰色系統(tǒng)方法，研究多層級(jí)系統(tǒng)安全狀態(tài)量化及動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)的方法。

1　系統(tǒng)安全狀態(tài)量化

對(duì)于一個(gè)工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的復(fù)雜系統(tǒng)，安全狀態(tài)可表示為 u=｛u1，u2，…，un｝，ui（i=1，2，…，n）表示系統(tǒng)中第 i個(gè)安全要素，將其轉(zhuǎn)化為一個(gè)多層級(jí)遞階模型如圖1所示。

圖1表示了一個(gè)4層遞階結(jié)構(gòu)，其中U為系統(tǒng)目標(biāo)層，A=｛Ai|i=1，2，…，n｝為評(píng)價(jià)指標(biāo)層，表示所屬系統(tǒng)U的安全評(píng)價(jià)指標(biāo)層元素 ，Ai=｛Aij|i=1，2，…，n，j=1，2，…｝為所屬A中各指標(biāo)的下一級(jí)指標(biāo)，u=｛uijk|i=1，2，…，n，j=1，2，…，k=1，2，…｝為安全要素層，表示最低一級(jí)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)所依賴的安全要素。在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，日常隱患排查中通過(guò)風(fēng)險(xiǎn)矩陣法可得到每個(gè)安全要素的風(fēng)險(xiǎn)值 ，風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的劃分見(jiàn)表1。通過(guò)以下方法將所屬每個(gè)指標(biāo)的安全要素風(fēng)險(xiǎn)值轉(zhuǎn)化為指標(biāo)量化值。

圖1　系統(tǒng)安全狀態(tài)多層級(jí)遞階評(píng)價(jià)模型

表1　風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分

對(duì)應(yīng)于風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，預(yù)先設(shè)定安全評(píng)價(jià)等級(jí) Rp（p =1，2，…，5），對(duì)應(yīng)評(píng)價(jià)指標(biāo)量化取值區(qū)間為 Rp→（Mlp，Mhp］，對(duì)于安全要素層 u的上一級(jí)指標(biāo)層Ai，依賴安全要素 uk（k=1，2，…，N）的取值 ak（k=1，2，…，N），按照下式計(jì)算評(píng)價(jià)指標(biāo) Aij的量化值：

其中，dpk為衰減因子 ，表示該評(píng)價(jià)指標(biāo)包含的安全要素按照其風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)和風(fēng)險(xiǎn)值的扣分系數(shù) ，ˉak為 uk所屬風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)對(duì)應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)值范圍內(nèi)的平均值 ，aij為多等級(jí)結(jié)構(gòu)中第i層第j個(gè)指標(biāo)的量化值。

2　動(dòng)態(tài)安全評(píng)價(jià)

在評(píng)價(jià)指標(biāo)量化的基礎(chǔ)上 ，確定安全評(píng)價(jià)等級(jí)的劃分方法采用灰色系統(tǒng)綜合評(píng)價(jià)法［1］。用評(píng)價(jià)指標(biāo)的量化值刻畫(huà)系統(tǒng)屬性在某一時(shí)段所處的安全狀態(tài) ，用安全等級(jí)中較高等級(jí)限值作為預(yù)定目標(biāo) ，用加權(quán)灰色關(guān)聯(lián)度表達(dá)評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)于預(yù)定目標(biāo)的不確定性關(guān)聯(lián)，其大小表示各評(píng)價(jià)對(duì)象對(duì)于系統(tǒng)安全目標(biāo)的接近程度，用來(lái)確定評(píng)價(jià)等級(jí)。評(píng)價(jià)計(jì)算過(guò)程如下：

（1）確定指標(biāo)最優(yōu)值。設(shè)由 m項(xiàng)評(píng)價(jià)對(duì)象，n項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)得到的原始數(shù)據(jù)矩陣為 A=（aij）m×n，選取每個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的最優(yōu)值構(gòu)成序列 ：以系統(tǒng)安全評(píng)價(jià)等級(jí)限值的最大值作為系統(tǒng)安全目標(biāo)，來(lái)確定最優(yōu)值序列。

（2）評(píng)價(jià)指標(biāo)原始數(shù)據(jù)無(wú)量綱化處理。根據(jù)本文指標(biāo)量化值的特點(diǎn)，采用線性比例法：

其中 a′j為一特定值，取均值

（3）確定參考數(shù)列。確定影響系統(tǒng)行為的比較數(shù)列為｛xi｝=｛xi（k），k=1，…，n｝，由指標(biāo)最優(yōu)值序列確定反映系統(tǒng)主行為的參考數(shù)列為｛x0｝=｛x0（1），x0（2），…，x0（n）｝。

（4）計(jì)算灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)：

其中，Δi（K）=|x0（k）-xi（k）|為比較數(shù)列對(duì)參考數(shù)列的偏差，M=maixmakx （Δi（K）），m=miinmkin（Δi（K））。

（5）指標(biāo)定權(quán)。在動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)過(guò)程中，隨著評(píng)價(jià)樣本的增多，用指標(biāo)熵來(lái)表達(dá)指標(biāo)在系統(tǒng)中所起作用的大小，指標(biāo)熵表達(dá)其提供的信息量的大?。?］，熵值越大，權(quán)重越高，反之權(quán)重越小，以此避免權(quán)重確定中的主觀性和模糊性問(wèn)題。第j項(xiàng)指標(biāo)權(quán)重表示為

式中，Hj為指標(biāo)熵，Pij為指標(biāo)值比重 ，當(dāng) Pij=0時(shí)，Pijln Pij=0。

（6）計(jì)算灰色加權(quán)關(guān)聯(lián)度：

其中，wj為第 j項(xiàng)指標(biāo)權(quán)值，當(dāng)只有1個(gè)評(píng)價(jià)樣本時(shí)采用等權(quán)法定權(quán)，隨著評(píng)價(jià)樣本的增多，由指標(biāo)等權(quán)重產(chǎn)生的模糊性會(huì)減弱。

（7）綜合評(píng)價(jià)。將加權(quán)灰色關(guān)聯(lián)度計(jì)算結(jié)果按照無(wú)量綱化方法作還原處理之后 ，得到的結(jié)果就能對(duì)應(yīng)得到評(píng)價(jià)等級(jí) ，評(píng)價(jià)等級(jí)表示為｛I，II，III，IV，V｝，分別代表不同等級(jí)的安全程度。

3　實(shí)例分析

應(yīng)用以上方法對(duì)陜西某煤礦井下安全生產(chǎn)狀況進(jìn)行系統(tǒng)安全動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)。實(shí)施評(píng)價(jià)過(guò)程中，設(shè)定計(jì)算樣本數(shù)為10，對(duì)于當(dāng)日安全狀況的評(píng)價(jià)需要調(diào)用前9 d的安全評(píng)價(jià)歷史數(shù)據(jù)。通過(guò)礦井當(dāng)日隱患排查得到的原始數(shù)據(jù)形成系統(tǒng)安全要素集見(jiàn)表2。根據(jù)煤礦生產(chǎn)行業(yè)特征 ，以煤礦生產(chǎn)中不同專業(yè)劃分來(lái)提取評(píng)價(jià)指標(biāo) ，得到安全評(píng)價(jià)指標(biāo)層為 A=｛通風(fēng)，地測(cè)防治水，采煤，掘進(jìn)，機(jī)電，運(yùn)輸，綜合管理，職業(yè)衛(wèi)生，調(diào)度，監(jiān)測(cè)監(jiān)控，應(yīng)急救援｝，設(shè)定評(píng)價(jià)等級(jí)｛I—安全，II—較安全，III—一般安全，IV—較不安全，V—不安全｝，對(duì)應(yīng)評(píng)價(jià)等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)為｛（90，100］，（80，90］，（70，80］，（60，70］，（0，60］｝，以此設(shè)定評(píng)價(jià)指標(biāo)層最優(yōu)值為100，依據(jù)式（1）～式（3）計(jì)算得到當(dāng)日評(píng)價(jià)指標(biāo)量化數(shù)據(jù)，以及前9 d的評(píng)價(jià)指標(biāo)量化數(shù)據(jù)見(jiàn)表3，表中序號(hào)代表了時(shí)間先后順序 ，限于篇幅前9 d隱患排查數(shù)據(jù)不予列出。依據(jù)式（7）、式（8）計(jì)算各指標(biāo)權(quán)重見(jiàn)表2，依據(jù)式（4）～式（6）和式（9）計(jì)算加權(quán)灰色關(guān)聯(lián)度，經(jīng)還原處理得到當(dāng)日評(píng)價(jià)得分為83.51，對(duì)應(yīng)確定評(píng)價(jià)等級(jí)為II級(jí)。

表2　安全要素及指標(biāo)權(quán)重

表3　評(píng)價(jià)指標(biāo)量化數(shù)據(jù)

從表3可以看出 ，通風(fēng)與監(jiān)測(cè)監(jiān)控兩專業(yè)對(duì)于系統(tǒng)安全狀態(tài)影響較大，為當(dāng)日系統(tǒng)安全主控因素，所屬安全要素應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)防范。結(jié)合評(píng)價(jià)結(jié)果可知，當(dāng)日評(píng)價(jià)結(jié)果為83.51，屬I(mǎi)I級(jí)，安全狀況良好，符合煤礦實(shí)際情況。

4　結(jié)論

（1）將反映系統(tǒng)安全屬性的要素集通過(guò)指標(biāo)提取，形成一個(gè)多層級(jí)結(jié)構(gòu)，以系統(tǒng)安全要素的風(fēng)險(xiǎn)值來(lái)量化評(píng)價(jià)指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)安全動(dòng)態(tài)、量化評(píng)價(jià)，提供了一種基于精細(xì)化風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的系統(tǒng)安全量化評(píng)價(jià)方法和思路。

（2）基于熵權(quán)法客觀、準(zhǔn)確地確定指標(biāo)權(quán)重的優(yōu)點(diǎn)，結(jié)合灰色關(guān)聯(lián)分析法適合處理復(fù)雜系統(tǒng)的不確定性關(guān)聯(lián)問(wèn)題的特點(diǎn)，應(yīng)用于系統(tǒng)安全動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)，保

Quantization of Multi-level System Safety Status and Its Dynamic Evaluation

DONG Dingwen WANG Honggang
（School of Energy Engineering，Xi’an University of Science and Technology Xi’an 710054）

In order to timely and reasonably evaluate the safety situation and promote continuous improvementof safety management in the production system，based on the daily hazard identification at the production site，the safety factors set reflecting the scene of system safety attributes are classified to extractthe evaluation index according to industry characteristics，to form an logical structure for expressing system safety status and a method of quantizing process by the risk value of the safety factors is studied to characterize the safety state of the index layer in the logical structure.The entropy method，suitable for multiple samples correlation analysis is applied to dynamically determine the index weight，and the weighted gray correlation analysis method is used to describe the closeness between the evaluation sample and the extent of system safety goal and determine the evaluation level，which has achieved a safety dynamic and quantitative evaluation of production site. The case study shows that the system status quantification and dynamic evaluation are capable to discern the main factors of system safety of reflecting the system weaknesses and provide basis for on-site safety management.

multi-level system safety quantitative dynamic evaluation

國(guó)家自然科學(xué)基金（51104116），陜西省教育廳科研計(jì)劃項(xiàng)目（15JK1454），西安科技大學(xué)能源學(xué)院青年教工創(chuàng)新項(xiàng)目（2014-NY-023）。