基于熵權(quán)法-TOPSIS的冶金企業(yè)作業(yè)循環(huán)更新研究

馮亞凝 周 艷副教授

(天津理工大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與安全工程學(xué)院，天津 300384)

0 引言

長時間以來，我國一直是世界金屬冶煉和消費的大國。對于正在加快工業(yè)化進(jìn)程，決勝全面實現(xiàn)小康社會的中國來說，冶金工業(yè)仍是推動中國經(jīng)濟(jì)又好又快發(fā)展的一個支柱產(chǎn)業(yè)。生產(chǎn)安全是每一個企業(yè)的生命，對于冶金企業(yè)來說，安全更是至關(guān)重要。冶金工業(yè)作業(yè)種類繁多、分布廣、固有危險性高，按照工藝產(chǎn)品可劃分為煉鐵廠、煉鋼廠、軋鋼廠、冷軋廠等廠區(qū)，且每個廠區(qū)包括3-5個車間不等，工種多、數(shù)量大、工序復(fù)雜。最新統(tǒng)計表明，與交通事故、化工事故不同，冶金工業(yè)事故多為中毒和窒息事故，占死亡事故總數(shù)的40%，事故一旦發(fā)生影響大、波及范圍廣、傷害嚴(yán)重，且大多是由于人員的不安全行為——“自選操作”造成。

目前，國家大力推動“風(fēng)險分級管控和隱患排查治理”雙重預(yù)防機(jī)制，運用安全管理原理及PDCA管理原理，致力于企業(yè)安全管理水平提升。企業(yè)為控制人員作業(yè)過程中的風(fēng)險，運用以上原理力求打破現(xiàn)狀，實現(xiàn)管理水平螺旋上升趨勢，達(dá)到提升安全管理績效的最終目的。PDCA是科學(xué)的循環(huán)程序，在廣泛使用的同時，會逐漸形成管理人員的慣性思維，限制其創(chuàng)新性。基于此，中石油公司在2009年頒布工作循環(huán)檢查管理規(guī)范，通過初步、現(xiàn)場和最終評估，每年至少一次驗證實際操作是否符合操作規(guī)程，以及操作程序的完整性和可靠性，實現(xiàn)改進(jìn)操作程序、規(guī)范人員作業(yè)的目的。周期檢查的方法同樣體現(xiàn)在職業(yè)健康檢查方面，2017年何朋等提出在生產(chǎn)作業(yè)活動中增加崗位職業(yè)健康檢查周期表；傅成林在2018年提出將作業(yè)場所職業(yè)病危害因素按照分級方法，對人員進(jìn)行不同周期職業(yè)健康檢查；岳德全等在宏觀系統(tǒng)檢查中，提出定期和隨機(jī)檢查2種模型，計算最優(yōu)周期檢測策略。從微觀角度來說，冶金工業(yè)大多企業(yè)沒有結(jié)合自身生產(chǎn)作業(yè)特點制定周期修訂制度，且現(xiàn)有操作規(guī)程不能覆蓋全部人員作業(yè)活動，單憑經(jīng)驗進(jìn)行修改征訂，缺乏有效性和針對性。由此，安全操作規(guī)程的綜合評價、周期更新還有待研究。

筆者擬在安全管理原理和作業(yè)循環(huán)檢查規(guī)范指導(dǎo)下，選用危險與可操作性分析方法(Hazard and Operability Study，HAZOP)系統(tǒng)辨識某冶金高爐車間操作程序，建立相關(guān)操作程序評價信息表，以風(fēng)險發(fā)生次數(shù)、受傷程度、經(jīng)濟(jì)損失、倒班作業(yè)次數(shù)4個指標(biāo)進(jìn)行綜合評價；再結(jié)合熵權(quán)法—逼近理想解排序法(Technique for Order Preference by Similarity to an Ideal Solution，TOPSIS)數(shù)學(xué)模型，判定危險性程度，確定更新操作程序的優(yōu)先級及周期，驗證模型實際效應(yīng)，完善操作規(guī)程修訂制度，并探索作業(yè)循環(huán)檢查機(jī)制擴(kuò)展適用性。

1 構(gòu)建熵權(quán)法-TOPSIS評價模型

1.1 熵權(quán)法

熵權(quán)法僅依賴于數(shù)據(jù)本身離散程度，根據(jù)各指標(biāo)所含信息的差異性來確定各指標(biāo)權(quán)重的客觀賦權(quán)法，不同于經(jīng)驗打分、主觀定權(quán)的賦權(quán)方法。熵用于度量不確定性，指標(biāo)離散程度越大則熵值越小，指標(biāo)提供信息量就越多，則該指標(biāo)權(quán)重越大。

1.1.1 原始矩陣歸一化

設(shè)評價方案為

n

個，各個方案的評價指標(biāo)為

m

個，某

i

個評價方案下的第

j

個評價指標(biāo)表示為

a

，其中1≤

i

≤

n

，1≤

j

≤

m

。則構(gòu)造原始矩陣

A

，并對其進(jìn)行歸一化處理：

(1)

(2)

1.1.2 各指標(biāo)熵值

(3)

式中：

k

—正數(shù)調(diào)整系數(shù)，確保計算結(jié)果始終為正，與樣本數(shù)量有關(guān)，常取

k

=1/ln

n

。

1.1.3 各指標(biāo)權(quán)系數(shù)

(4)

其中，

ω

越大，則該指標(biāo)的信息量越大，其權(quán)重越大。

1.2 TOPSIS法

1981年，C.L.Hwang和K.Yoon首次提出TOPSIS方法，是一種逼近于理想解的排序法，在處理現(xiàn)實世界中多屬性或多標(biāo)準(zhǔn)決策問題時是一種非常有用的技術(shù)。該方法可充分利用原始數(shù)據(jù)信息，精確地反映各評價方案之間差距。采用余弦法找出有限方案中最優(yōu)方案和最劣方案，分別計算各評價對象與最優(yōu)方案、最劣方案之間距離，以此作為評價優(yōu)劣依據(jù)。

1.2.1 指標(biāo)屬性同向化

TOPSIS法使用距離尺度來度量樣本差距，需要對指標(biāo)屬性進(jìn)行同向化處理，一般選擇指標(biāo)正向化。

極小型指標(biāo)：

x

′=

T

-

x

(5)

(6)

式中：

x

′—

x

正向化后的數(shù)據(jù)；

T

—

x

可能取值的最大值；

t

—

x

可能取的最小值。

1.2.2 初始矩陣標(biāo)準(zhǔn)化

初始矩陣為

A

，正向化矩陣設(shè)為

A

′，將

A

′標(biāo)準(zhǔn)化，得到標(biāo)準(zhǔn)化矩陣

Z

。

(7)

(8)

1.2.3 最優(yōu)方案與最劣方案

最優(yōu)方案

Z

由

Z

中每列元素最大值構(gòu)成：

Z

=(max{

z

,

z

,…,

z

1}，max{

z

,

z

,…,

z

2}，…，max{

z

1,

z

2,…,

z

})=(

Z

，

Z

，…，

Z

)最劣方案

Z

由

Z

中每列元素最小值構(gòu)成：

Z

=(min{

z

,

z

,…,

z

1}，min{

z

,

z

,…,

z

2}，…，min{

z

1,

z

2,…,

z

})=(

Z

，

Z

，…，

Z

)

1.2.4 各評價對象與最優(yōu)、最劣方案的接近程度

與最優(yōu)解的接近程度：

(9)

與最劣解的接近程度：

(10)

1.2.5 各評價對象與最劣方案的貼近程度

C

(11)

式(11)表示與最劣方案貼近程度，0≤

C

≤1，根據(jù)大小將評價結(jié)果進(jìn)行排序，則

C

→0表明評價對象越優(yōu)。

2 確定更新周期

2.1 識別操作程序

采用HAZOP分析方法對某冶金高爐車間操作程序進(jìn)行識別，將一個完整工藝過程或操作行為分割成多個節(jié)點，按照節(jié)點劃分依次進(jìn)行分析、辨識，可達(dá)到全面、系統(tǒng)的目的，并與現(xiàn)場人員作業(yè)時的“自選操作”進(jìn)行對比，通過引導(dǎo)詞提示找出偏差，及偏差引起的后續(xù)風(fēng)險。該冶金高爐車間操作程序部分截取，見表1。

2.2 數(shù)據(jù)分析確定

統(tǒng)計分析某企業(yè)近一年事故，并結(jié)合文獻(xiàn)資料、相關(guān)行業(yè)背景及安全生產(chǎn)規(guī)章制度，針對以上操作程序，將偏差帶來的安全風(fēng)險，以風(fēng)險發(fā)生次數(shù)、受傷程度、經(jīng)濟(jì)損失、倒班作業(yè)次數(shù)為指標(biāo)，進(jìn)行綜合評價。其中作業(yè)次數(shù)按照生產(chǎn)現(xiàn)場4班倒的作業(yè)制度統(tǒng)計，見表2。

2.3 模型實例計算

(1)將表2中內(nèi)容進(jìn)行量化賦值，其中重傷、輕傷、險肇事故按照3、2、1數(shù)值進(jìn)行量化，形成初始矩陣

A

。

表1 操作程序部分信息表Tab.1 The partial information table of operation program

表2 綜合評估數(shù)據(jù)Tab.2 Comprehensive assessment data

(2)使用熵權(quán)法確定各指標(biāo)權(quán)重，利用公式(2)將

A

中數(shù)據(jù)歸一化處理，采用公式(3)、(4)計算得各指標(biāo)熵值

e

和權(quán)重

w

，見表3。

表3 各指標(biāo)熵值與權(quán)重Tab.3 Entropy value and weight of each index

(3)初始矩陣中風(fēng)險發(fā)生次數(shù)、受傷程度、經(jīng)濟(jì)損失期望值越少越好，即為極小型指標(biāo)，選用公式(5)正向化。作業(yè)次數(shù)可多可少，即為中間型指標(biāo)，選用公式(6)正向化，而后數(shù)據(jù)需采用公式(7)標(biāo)準(zhǔn)化處理，得矩陣

Z

。

表4 最優(yōu)方案和最劣方案Tab.4 The best and the worst

(5)依據(jù)表3、表4中數(shù)據(jù)，采用公式(9)求得正理想解，采用公式(10)求得負(fù)理想解。計算結(jié)果綜合公式(11)計算各評價對象的最終得分，并進(jìn)行排序，見表5。

表5 熵權(quán)法-TOPSIS綜合評價結(jié)果Tab.5 Comprehensive evaluation results by entropy weight method and TOPSIS

由評價結(jié)果可知，燒鐵口作業(yè)綜合危險性最高，卸布袋除塵箱體灰綜合危險性最低，并與現(xiàn)場人員評估驗證，排序結(jié)果與實際情況相符。因此在制定更新操作程序周期時，關(guān)注度應(yīng)按照排序結(jié)果判定，優(yōu)先關(guān)注燒鐵口作業(yè)，制作泥套次之，以此類推，設(shè)置月檢、季檢、半年檢、一年檢的更新周期。

根據(jù)文獻(xiàn)6和綜合評價結(jié)果，可制定作業(yè)周期檢查表，開展現(xiàn)場評估，見表6?，F(xiàn)場操作員按照安全操作規(guī)程作業(yè)，如果部分操作行為未按照規(guī)程工作，則操作主管應(yīng)記錄操作員的實際操作行為。而后，操作主管和操作員討論評估中發(fā)現(xiàn)的問題，與現(xiàn)場各崗位工作人員商定改進(jìn)建議，最終更新到相應(yīng)安全操作規(guī)程中。

結(jié)果表明，量化、排序后的操作規(guī)程更新周期，改善了原有一次性集中、大規(guī)模的粗糙修訂方式，對于安全操作規(guī)程更加方便、有針對性，有效節(jié)約安全管理時間、精力、資源成本。

表6 現(xiàn)場評估表Tab.6 Site assessment table

3 結(jié)論

(1)運用HAZOP分析方法對某冶金高爐車間操作程序進(jìn)行辨識，形成操作程序信息表，以風(fēng)險發(fā)生次數(shù)、受傷程度、經(jīng)濟(jì)損失、作業(yè)次數(shù)4個指標(biāo)建立判據(jù)。

(2)采用熵權(quán)法和TOPSIS法相結(jié)合的綜合評判模型，可以對4個指標(biāo)賦予客觀權(quán)重，避免人員的主觀賦權(quán)；計算出各作業(yè)任務(wù)與最劣解的貼近程度，幫助人員合理分配關(guān)注度，制定周期更新制度。驗證評價結(jié)果與現(xiàn)場實際相吻合，表明該模型是合理可行的。

(3)在安全管理原理和作業(yè)循環(huán)檢查機(jī)制的指導(dǎo)下，建立了冶金企業(yè)某高爐車間的安全操作規(guī)程更新制度，有效地將作業(yè)循環(huán)檢查機(jī)制應(yīng)用于冶金企業(yè)當(dāng)中，擴(kuò)展其適用性。

(4)根據(jù)作業(yè)循環(huán)分析規(guī)范和綜合評價結(jié)果制定周期檢查信息表，優(yōu)化、規(guī)范人員“自選操作”，最終可有效更新制定符合現(xiàn)場實際的安全操作規(guī)程。

(5)可基于法律法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)原理提出新方法，或持續(xù)優(yōu)化現(xiàn)有方法，對人員作業(yè)的危害程度進(jìn)行合理評判，進(jìn)一步研究探討。