荔枝冷庫貯藏風險識別與分析

鄒熾導， 陸華忠， 呂恩利， 曾志雄， 楊松夏

(1.華南農(nóng)業(yè)大學工程學院，廣東廣州 510642； 2.廣東省農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流工程技術(shù)研究中心，廣東廣州 510642；3.廣東省教育考試院，廣東廣州 510631)

我國是荔枝的主產(chǎn)區(qū)，其產(chǎn)量占世界總產(chǎn)量的65%～70%。荔枝屬于無呼吸高峰型果實，若采摘后置于常溫下其呼吸強度將會直線上升，并失水變褐，當褐變指數(shù)>2時，失去商品性。低溫冷庫貯藏能顯著抑制荔枝果實的呼吸強度和乙烯釋放量，在0 ℃下果實幾乎不產(chǎn)生乙烯，且能抑制多酚氧化酶的活性和微生物的活動，延長荔枝果實的貯藏期。荔枝貯藏期間的溫度、濕度須保持相對穩(wěn)定，不宜多變或驟變[1-2]。

近年來，關(guān)于荔枝冷庫貯藏的研究主要集中在不同貯藏技術(shù)條件下荔枝衰老指標的變化方面，研究重點主要是荔枝的內(nèi)外品質(zhì)、營養(yǎng)物質(zhì)、呼吸作用、果皮褐變機制、自由基衰老理論、細胞結(jié)構(gòu)理論等[3-6]。從系統(tǒng)角度構(gòu)建模型，對荔枝冷庫貯藏過程進行風險識別、風險分析、風險控制的研究成果尚不多見。

本研究運用系統(tǒng)安全工程思想將霍爾三維結(jié)構(gòu)模型、因素空間數(shù)學方法、故障樹分析方法、模糊數(shù)學等結(jié)合起來，通過構(gòu)建霍爾三維因素空間模型及模糊故障樹模型，實現(xiàn)對冷庫貯藏的風險識別與分析。根據(jù)風險識別及分析結(jié)果，提出荔枝冷庫貯藏的風險防控措施，以期達到降低食品安全風險的目的。

1 荔枝冷庫貯藏霍爾三維因素空間模型

1.1 荔枝冷庫貯藏概述

荔枝保鮮主要采用低溫冷藏，目前低溫冷庫和低溫氣調(diào)庫是被廣泛應用的低溫貯藏設(shè)施。在貯藏過程中，荔枝品質(zhì)變化主要表現(xiàn)為機械損傷、失水增多、果皮褐變、可滴定酸含量和可溶性固形物含量下降等。對于多數(shù)荔枝品種而言，適宜的保鮮參數(shù)分別是溫度為1～5 ℃，O2濃度為3%～5%，CO2濃度為3%～5%，相對濕度為90%～95%；保鮮參數(shù)中優(yōu)先級最高的是溫度[7]。

1.2 霍爾三維結(jié)構(gòu)及因素空間理論

霍爾三維結(jié)構(gòu)是系統(tǒng)工程的分析方法，它為解決大型復雜系統(tǒng)的分析、規(guī)劃、組織、協(xié)調(diào)、控制問題提供了一種統(tǒng)一的思想方法，已被廣泛應用于工程設(shè)計、系統(tǒng)管理等[8]。霍爾三維結(jié)構(gòu)將系統(tǒng)工程整個活動過程分為前后緊密銜接的多個階段和相關(guān)的影響因素，形成了由時間維、邏輯維、知識維所組成的三維空間結(jié)構(gòu)[9]，該三維空間結(jié)構(gòu)體系形象地描述了系統(tǒng)工程研究的框架，對其中任一階段和每一個步驟又可進一步展開，形成分層次的立體結(jié)構(gòu)體系。

因素空間是一種建立在模糊數(shù)學基礎(chǔ)上的新型知識信息表示方法，將可觀測與分析的事物信息作為知識概念的表現(xiàn)外延，對概念進行量化描述，進而可以采取一系列數(shù)學方法進行處理，這就為系統(tǒng)安全的風險識別提供了基礎(chǔ)[10-11]。因此，因素空間在事件描述、風險識別、故障診斷等方面均有良好的應用前景。

1.3 荔枝冷庫貯藏霍爾三維因素空間模型構(gòu)建

荔枝冷庫貯藏是一個比較復雜的系統(tǒng)，包含較多的時空結(jié)構(gòu)(工位)及影響因素。生產(chǎn)活動安全事件的發(fā)生分布在不同的工位上，而且不同工位的事故致因也不相同[12]。依據(jù)霍爾三維結(jié)構(gòu)，將荔枝冷庫貯藏的風險情況劃分為事故致因(X軸)、時空結(jié)構(gòu)(Y軸)、安全事件(Z軸)等3個維度(圖1)，這3個維度在空間上存在著互相映射的關(guān)系。荔枝冷庫貯藏的安全事件發(fā)生在一定的時空結(jié)構(gòu)中，并且由某個事故致因造成。

在霍爾三維結(jié)構(gòu)劃分(圖1)中，X軸為事故致因維度，表示荔枝冷庫貯藏中造成事故損傷的致因因素，設(shè)事故致因的因素集為U={u1,u2,…，un}。在X軸事故致因維度上有U={處理速度，荔枝待處理量，擠壓，碰撞，震動，溫度，濕度、風度，…，衛(wèi)生狀況}。

生產(chǎn)流程中的不同工位同時具有時間及空間特征，因此Y軸表示時空結(jié)構(gòu)(工位)維度，設(shè)工位的因素集為W={w1,w2,…,wi}。在Y軸時空結(jié)構(gòu)(工位)維度上有W={裝卸工位，冷庫工人操作工位，冷庫設(shè)備工位，冷庫儲存工位，冷庫工藝工位}。

Z軸表示生產(chǎn)環(huán)節(jié)中具體的安全事件維度，設(shè)安全事件的因素集為V={v1,v2,…,vm}。在Z軸的安全事件維度上有V={冷庫貯藏延誤，靜壓機械損傷，碰撞機械損傷，摩擦震動機械損傷，果肉變質(zhì)，表皮褐變，細菌感染等污染}。

X軸坐標與Z軸坐標的交叉點表示事故致因的因素造成了安全事件的發(fā)生；Y軸坐標與Z軸坐標的交叉點表示某一個工位上發(fā)生的安全事件。X軸坐標與Y軸坐標的交叉點表示在某一個工位上存在造成安全事件的事故致因。任何一個危險源事件，可以在三維結(jié)構(gòu)空間中找到它對應的坐標。

1.4 荔枝冷庫風險識別

設(shè)F(v,u)為安全事件集V到事故致因的因素集U的關(guān)系，v∈V、u∈U。關(guān)系F(v,u)可以用一個矩陣F(v,u)=[fij]m×n來描述，稱之為安全事件—事故致因因素關(guān)系矩陣。類似地，建立V到W的關(guān)系矩陣P(v,w)=[pij]m×q，稱之為安全事件—工位關(guān)系矩陣。

(1)

其中，i=1,2,…,m；j=1,2,…,n。

(2)

其中，i=1,2,…,m；j=1,2,…,q。

根據(jù)實地調(diào)研分析冷庫的各個風險事件集與事故致因集的關(guān)系及風險事件集與工位集的關(guān)系，建立因素關(guān)系矩陣F(v,u) 與P(v,w)：

因為P(v,w)是集合V到W的關(guān)系，F(xiàn)(v,u)是集合V到U的關(guān)系，于是，P(v,w)的轉(zhuǎn)置PT(v,w)是集合W到V的關(guān)系。合成PT(v,w)與F(v,u)得到安全事件關(guān)鍵工位集合W到事故致因U的工位—事故致因關(guān)系S(w,u)。

(3)

記PT(v,w)與F(v,u)的合成關(guān)系：

(4)

根據(jù)前面分析得到的F(v,u)及P(v,w)，對矩陣進行布爾運算得到：

根據(jù)上面分析得到的矩陣S(w,u)所體現(xiàn)的關(guān)系，結(jié)合對荔枝冷庫各環(huán)節(jié)的調(diào)研及小組討論，分析各個工位的事故致因活動因素，得到基本風險事件。例如，裝卸工位主要事故致因有碰撞、震動，主要原因是裝卸操作流程不規(guī)范。依次類推，得到的風險基本事件為冷庫設(shè)備故障(D1)、冷庫設(shè)備不足(D2)、冷庫環(huán)境參數(shù)不適宜(D3)、冷庫衛(wèi)生環(huán)境狀況差(D4)、裝卸操作流程不規(guī)范(D5)、溫度監(jiān)控缺失(D6)、冷庫操作失誤(D7)、冷庫堆放方式不當(D8)、違反冷庫操作規(guī)程(D9)、冷庫作業(yè)管理松散(D10)、冷藏流程銜接不暢(D11)等。

2 荔枝冷庫貯藏故障樹模型分析

2.1 荔枝冷庫貯藏故障樹模型構(gòu)建

故障樹分析方法是一種演繹推理法，把系統(tǒng)可能發(fā)生的某種事故與導致事故發(fā)生的各種原因之間的邏輯關(guān)系通過樹形圖表示出來，通過對故障樹的定性與定量分析找出事故發(fā)生的主要原因，為確定安全對策、提高系統(tǒng)可靠性提供依據(jù)，以達到預測與預防事故發(fā)生的目的[13-14]。根據(jù)前面分析得到的風險基本事件，結(jié)合冷庫貯藏的實際生產(chǎn)情況，構(gòu)建荔枝冷庫貯藏故障樹。通過對冷庫生產(chǎn)環(huán)節(jié)進行分析得到中間事件為冷庫延誤(M1)、冷藏損傷(M2)、冷藏品質(zhì)變質(zhì)(M3)、冷藏操作因素(M4)、冷庫環(huán)境因素(M5)。構(gòu)建頂事件為荔枝冷庫貯藏事故(T)的故障樹(圖2)，該故障樹由前面分析得到的11個基本風險事件及5個中間事件組成。

2.2 荔枝冷庫貯藏故障樹最小割集

根據(jù)布爾運算規(guī)則[15]，運算得到10個最小割集，具體的割集為{D2}、{D5}、{D1，D6}、{D11}、{D10}、{D4}、{D6，D7}、{D6，D9}、{D6，D8}、{D3}。對這10個事件而言，只要任意1個最小割集發(fā)生，就會導致頂事故發(fā)生。

3 荔枝冷庫貯藏模糊故障樹分析

3.1 專家評判語言的梯形模糊數(shù)構(gòu)建

由于冷庫貯藏危險事件發(fā)生致因的復雜性及偶然性，即使專家也難以對其風險發(fā)生概率給出精確的數(shù)值表征，因此，采用主觀的語言對風險概率進行描述并建立模糊集進行處理往往具有獨到的優(yōu)勢。本研究采用梯形模糊數(shù)方法將專家對冷庫貯藏危險事件發(fā)生概率的主觀評價語言轉(zhuǎn)化為定量表征，構(gòu)建風險低、風險較低、風險中、風險較高、風險高等5個評價指標。根據(jù)指標的隸屬習慣，采用梯形模糊數(shù)表示這些語言變量。

根據(jù)語言變量的模糊數(shù)形式(圖3)，得到隸屬函數(shù)梯形模糊數(shù)f=(x，a，b，c，d)的隸屬函數(shù)，其表達式為

(5)

模糊數(shù)形式和模糊截集如表1所示，其中下標L、FL、M、FH、H分別表示小、較小、中等、較大、大。

表1 模糊數(shù)形式和截集

3.2 模糊數(shù)轉(zhuǎn)化為風險事件發(fā)生概率

選擇該領(lǐng)域的高校、科研院所以及企業(yè)的專家共發(fā)放24份專家調(diào)查問卷，專家對各個基本事件進行評價，通過計算評價數(shù)據(jù)的平均值形成各個基本事件在評價標準上的隸屬度。如對事件D1的專家權(quán)重為(0.292，0.250，0.208，0.167，0.083)；通過對專家權(quán)重與λ截集的合成，可以得到D1事件的截集合成為W1=[0.244+0.106λ，0.567-0.138λ]。

平均模糊數(shù)W1的關(guān)系函數(shù)為

(6)

根據(jù)左右模糊排序法，把D1的模糊數(shù)轉(zhuǎn)化為一個清晰的數(shù)值，稱為模糊可能性值(fuzzy possibly set，簡稱FPS)，則建立的最大模糊集和最小模糊集分別為[18-19]

(7)

(8)

則模糊數(shù)W1的左(FPSR)、右(FPSL)模糊可能性值分別為

模糊數(shù)W1的可能性值為

FPS(W1)={FPSR(W1)+[1-FPSL(W1)]}/2=0.407。

把模糊可能性值FPS轉(zhuǎn)化為模糊失效概率(fuzzy failure greater than R，簡稱FFR)[20]：

(9)

以此類推，計算出其他風險基本事件的發(fā)生概率(表2)。

表2 風險基本事件發(fā)生概率

4 荔枝冷庫貯藏風險評價及優(yōu)化

4.1 荔枝冷庫貯藏風險評價

在求出各基本事件發(fā)生概率的情況下，計算或估算系統(tǒng)頂事件發(fā)生的概率以及與系統(tǒng)有關(guān)的可靠性特征。設(shè)荔枝冷庫貯藏風險事故發(fā)生概率為g，由于最小割集中存在重復事件，因此，通過最小割集計算頂事件發(fā)生概率的公式為[21-22]：

(10)

將得到的各個風險基本事件發(fā)生概率代入上述公式，經(jīng)過計算得出頂事故發(fā)生概率為g=0.028。根據(jù)食品安全事故風險等級劃分[23-24]，荔枝冷庫貯藏的風險等級為低風險。

4.2 荔枝冷庫貯藏風險基本事件概率重要度

基本事件發(fā)生概率的變化會給頂事件發(fā)生概率以多大影響，就要分析基本事件的概率重要度[25]。利用頂事件發(fā)生概率Q函數(shù)的多重線性函數(shù)性質(zhì)，只要對自變量qi求一次偏導數(shù)，就可得出該基本事件的概率重要度系數(shù)[26]。公式為

(8)

根據(jù)公式(8)求得各個風險基本事件概率重要度(表3)。

表3 風險基本事件概率重要度

4.3 荔枝冷庫貯藏風險防范對策

由表3可知，在荔枝冷庫貯藏風險基本事件的概率重要度中大于0.900的有6個事件，占風險事件總數(shù)的比例為54.5%，主要有冷庫設(shè)備不足(D2)、冷藏流程銜接不暢(D11)、裝卸操作流程不規(guī)范(D5)、冷庫作業(yè)管理松散(D10)、冷庫衛(wèi)生環(huán)境狀況差(D4)、冷庫環(huán)境參數(shù)不適宜(D3)。

4.3.1 加強安全培訓，提高工人技能 裝卸操作流程不規(guī)范(D5)主要是由于員工安全意識薄弱、生產(chǎn)技能低下、違章作業(yè)等造成的。首先應加強員工安全意識教育，讓員工牢固樹立安全生產(chǎn)意識，對荔枝冷庫貯藏中事故造成的損失有深入的認識。其次要加強技能培訓，圍繞荔枝冷庫貯藏作業(yè)的流程、工藝要求和設(shè)備設(shè)施操作規(guī)范等加強對員工安全生產(chǎn)技能培訓。

4.3.2 加大設(shè)備投入，提高冷庫技術(shù)水平 冷庫設(shè)備不足(D2)、冷庫衛(wèi)生環(huán)境狀況差(D4)、冷庫環(huán)境參數(shù)不適宜(D3)，這些風險基本事件主要是由于冷庫設(shè)施投入不足，技術(shù)及作業(yè)水平偏低造成的。冷庫設(shè)備投入不足是制約冷庫貯藏質(zhì)量水平的首要影響因素，加大冷庫設(shè)備投入能提高冷庫的貯藏質(zhì)量水平。其次，冷庫衛(wèi)生狀況、環(huán)境參數(shù)的調(diào)節(jié)與冷庫作業(yè)水平息息相關(guān)，提高冷庫作業(yè)的標準化水平有助于降低冷庫風險事故的發(fā)生。

4.3.3 加強信息化建設(shè)，提高冷庫管理水平 冷藏流程銜接不暢(D11)、冷庫作業(yè)管理松散(D10)，這些風險基本事件主要是由管理水平不高造成的。在現(xiàn)代冷庫的建設(shè)中，應加強信息化建設(shè)，通過計算機輔助管理，能有效克服流程銜接不暢，冷庫作業(yè)管理松散等問題。

5 結(jié)論

針對荔枝冷庫貯藏的危險源風險識別，構(gòu)建霍爾三維因素空間模型，將荔枝冷庫貯藏的系統(tǒng)風險通過由安全事件、時空結(jié)構(gòu)(工位)、事故致因組成的三維因素集進行有效刻畫。通過危險源因素集之間的映射矩陣關(guān)系，形成反映荔枝冷庫貯藏系統(tǒng)安全狀態(tài)的因素空間結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)對風險基本事件的識別。

構(gòu)建荔枝冷庫貯藏故障樹模型，將荔枝冷庫貯藏事故的內(nèi)在邏輯關(guān)系進行有效描述，克服了風險評價過程中由于危險源信息龐雜、積聚與耦合狀態(tài)下難以分析的問題。

針對荔枝冷庫貯藏危險源難以量化分析的現(xiàn)狀，將故障樹模型與模糊數(shù)學理論融合，構(gòu)建模糊故障樹模型。通過對24位專家進行問卷調(diào)查，得到荔枝冷庫貯藏事故發(fā)生概率(g=0.028)及風險基本事件概率重要度。通過對計算結(jié)果的分析，提出有效促進荔枝冷庫貯藏現(xiàn)場安全管理工作的建議。

荔枝冷庫貯藏安全屬于食品安全范疇，本研究對荔枝冷庫貯藏的風險識別與分析所構(gòu)建的模型可以為食品安全領(lǐng)域的研究提供新的參考視角。