基于云模型的化工園區(qū)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

肖振航，周德紅，李維東，常 林，王 妮，劉 洋，代婷偉

武漢工程大學(xué)資源與安全工程學(xué)院，湖北 武漢430074

化工安全生產(chǎn)事故一直是政府安全生產(chǎn)監(jiān)管的重中之中，嚴(yán)重威脅人民生命財(cái)產(chǎn)安全［1］。為了提高化工園區(qū)安全性，提升安全評(píng)價(jià)、安全監(jiān)管工作的有效性和準(zhǔn)確性，政府相關(guān)管理部門(mén)相繼出臺(tái)《化工園區(qū)安全風(fēng)險(xiǎn)排查治理導(dǎo)則（試行）》（應(yīng)急〔2019〕78號(hào)）、《化工園區(qū)綜合評(píng)價(jià)導(dǎo)則》（GB/T 39217-2020）等文件及標(biāo)準(zhǔn)為安全生產(chǎn)管理工作提供依據(jù)。但即便如此，化工園區(qū)安全生產(chǎn)事故依舊頻發(fā)，依據(jù)應(yīng)急管理部公布的《2019年全國(guó)化工事故分析報(bào)告》，2019年全國(guó)共發(fā)生化工事故164起，死亡274人，其中發(fā)生了3起重特大事故，江蘇響水天嘉宜化工有限公司“3·21”特別重大事故造成78人死亡、76人重傷，直接經(jīng)濟(jì)損失19.86億元。濟(jì)南齊魯天和惠世制藥有限公司“4·15”重大著火中毒事故造成10人死亡、12人受傷，直接經(jīng)濟(jì)損失1 867萬(wàn)元。三門(mén)峽市義烏氣化廠“7·19”重大爆炸事故造成15人死亡、16人重傷，直接經(jīng)濟(jì)損失8 170萬(wàn)元。

為推進(jìn)韌性化工園區(qū)建設(shè)，提高化工園區(qū)整體安全性，降低風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)化工園區(qū)安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)防控制方法的研究具有十分重大的意義［2］。2015年潘長(zhǎng)城［3］結(jié)合事故致因理論與“人、物、管、環(huán)”建立化工園區(qū)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)體系，并最先采用優(yōu)化誤差反向傳播算法（error back propagation training，BP）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評(píng)價(jià)法對(duì)園區(qū)安全風(fēng)險(xiǎn)水平進(jìn)行研究，建立了基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的化工園區(qū)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型。2017年周德紅等［4］依據(jù)事故樹(shù)分析法執(zhí)果索因構(gòu)建層次模型，首次運(yùn)用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評(píng)價(jià)法和遺傳優(yōu)化-誤差反向傳播算法（genetic algorithm-error back propagation training，GA-BP）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評(píng)價(jià)法對(duì)園區(qū)應(yīng)急能力進(jìn)行評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)結(jié)果顯示GA-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評(píng)價(jià)法優(yōu)于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法，并建立了基于GA-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的化工園區(qū)應(yīng)急能力評(píng)價(jià)模型。2018年王勇等［5］最先提出運(yùn)用定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)法（quantitative risk assessment，QRA）從個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)值和社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)值兩個(gè)角度對(duì)化工園區(qū)整體風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)。同年裴甲坤等［6］從企業(yè)內(nèi)部固有風(fēng)險(xiǎn)、企業(yè)安全生產(chǎn)現(xiàn)狀以及事故應(yīng)急處置能力3個(gè)角度建立了化工園區(qū)安全評(píng)價(jià)體系，并第一次采用密切值法評(píng)價(jià)得到園區(qū)整體的密切值，進(jìn)而評(píng)判園區(qū)整體安全水平。2020年王起全等［7］首次將情景構(gòu)建分析運(yùn)用到化工園區(qū)重大危險(xiǎn)源的風(fēng)險(xiǎn)控制中，通過(guò)將園區(qū)事故發(fā)生的情景進(jìn)行構(gòu)建，分析在不同應(yīng)對(duì)措施下事故的演化過(guò)程，進(jìn)而為提出更有效的應(yīng)急措施奠定基礎(chǔ)。

當(dāng)前研究中化工園區(qū)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)體系的構(gòu)建普遍不具備權(quán)威性，且所采用的綜合評(píng)價(jià)方法仍以模糊數(shù)學(xué)綜合評(píng)價(jià)法和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評(píng)價(jià)法為主。本研究依據(jù)國(guó)家新出臺(tái)的《化工園區(qū)安全風(fēng)險(xiǎn)排查治理導(dǎo)則（試行）》（應(yīng)急〔2019〕78號(hào)）構(gòu)建的化工園區(qū)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)體系更具備權(quán)威性和全面性；同時(shí)依據(jù)《化工園區(qū)安全風(fēng)險(xiǎn)排查治理導(dǎo)則（試行）》（應(yīng)急〔2019〕78號(hào)）對(duì)3家化工園區(qū)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研并打分作為實(shí)際結(jié)果，再采用層次分析法對(duì)評(píng)價(jià)體系中各指標(biāo)因素權(quán)重進(jìn)行計(jì)算，最后依據(jù)模糊數(shù)學(xué)綜合評(píng)價(jià)法和云模型評(píng)價(jià)法對(duì)園區(qū)進(jìn)行安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，將兩種綜合評(píng)價(jià)法所得的結(jié)果與實(shí)際結(jié)果進(jìn)行對(duì)比研究，綜合得出一種更優(yōu)的化工園區(qū)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型。

1 三種風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估理論

1.1 層次分析法

層次分析法是建立在系統(tǒng)理論基礎(chǔ)上的一種解決實(shí)際問(wèn)題的方法。該方法將實(shí)際問(wèn)題層次化，根據(jù)具體問(wèn)題的特點(diǎn)和目標(biāo)，將問(wèn)題剖析為不同的組成因素，并依據(jù)因素之間的關(guān)系構(gòu)建成多層次的結(jié)構(gòu)分析模型，并依據(jù)因素之間的對(duì)比判斷，對(duì)其比率定量化，形成比較矩陣，最終得到各個(gè)層級(jí)中各因素的權(quán)重［8-9］。

1.2 模糊數(shù)學(xué)綜合評(píng)價(jià)法

模糊數(shù)學(xué)綜合評(píng)價(jià)法是將專(zhuān)家主觀意見(jiàn)轉(zhuǎn)換為客觀數(shù)據(jù)的定量評(píng)價(jià)方法。一般分為4個(gè)步驟進(jìn)行計(jì)算：①模糊綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)的構(gòu)建，本文中依據(jù)《化工園區(qū)安全風(fēng)險(xiǎn)排查治理導(dǎo)則（試行）》（應(yīng)急〔2019〕78號(hào)）構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)體系；②采用層次分析法得到因素權(quán)重結(jié)果，構(gòu)建權(quán)重向量；③建立適合的隸屬函數(shù)，從而構(gòu)建評(píng)價(jià)矩陣；④評(píng)價(jià)矩陣和權(quán)重采用適合的合成因子對(duì)其進(jìn)行合成，并對(duì)結(jié)果向量進(jìn)行解釋?zhuān)?0-11］。

1.3 云模型評(píng)價(jià)法

云模型主要用于定性與定量之間的轉(zhuǎn)換，自然界的不確定性從屬性角度來(lái)說(shuō)主要有隨機(jī)性和模糊性，與單色光的“波粒二象性”相似。“云”是云模型的基本單元，是指在其論域上的分布，可以以聯(lián)合概率的形式（x，μ）來(lái)類(lèi)比［12-13］。

1.3.1 云模型數(shù)值特征值 期望：云滴在論域空間分部的期望，在云圖中表示云滴在論域中的數(shù)學(xué)期望，一般用Ex表示；熵：不確定性程度，由離散程度和模糊程度共同決定，在云圖中表示云滴在論域中分布的橫向范圍，一般用En表示；超熵：用來(lái)度量熵的不確定性，亦即熵的熵，在云圖中表示云滴的集中程度，也表示云層的厚度，一般用He表示。

1.3.2 正態(tài)云發(fā)生器 正態(tài)云發(fā)生器是依據(jù)（Ex，En，He）生成n個(gè)云滴所形成云圖的程序，其中每個(gè)云滴都是依據(jù)這3個(gè)數(shù)值特征量所產(chǎn)生［14］，工作流程如圖1所示。

一維正向正態(tài)云發(fā)生器的算法實(shí)現(xiàn)流程如下：

2 樣本參數(shù)選取

2.1 現(xiàn)場(chǎng)隱患排查治理檢查及調(diào)研

課題組于2020年11-12月隨專(zhuān)家組赴湖北省內(nèi)3家化工園區(qū)進(jìn)行檢查，調(diào)研園區(qū)現(xiàn)場(chǎng)安全情況，收集專(zhuān)家評(píng)分資料及相關(guān)數(shù)據(jù)資料?，F(xiàn)場(chǎng)檢查評(píng)分結(jié)果如表1所示。

表1 化工園區(qū)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估分值匯總表Tab.1 Summary of safety risk evaluation scores in chemical industry parks

2.2 層次分析法分析

研究中參考《化工園區(qū)安全風(fēng)險(xiǎn)排查治理導(dǎo)則（試行）》（應(yīng)急〔2019〕78號(hào)）安全風(fēng)險(xiǎn)排查治理檢查表中的檢查條款，構(gòu)建風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系，廣泛采納專(zhuān)家意見(jiàn)，構(gòu)建判斷矩陣，并進(jìn)行一致性檢驗(yàn)得出權(quán)重結(jié)果?；@區(qū)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系如圖2所示，各因素的權(quán)重如表2所示。

表2 化工園區(qū)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系各因素權(quán)重Tab.2 Weights of various factors in safety risk assessment index system of chemical industry parks

圖2 化工園區(qū)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系Fig.2 Safety risk assessment index system of chemical industry parks

3 計(jì)算實(shí)例

3.1 模糊數(shù)學(xué)綜合評(píng)價(jià)法

依據(jù)層次分析法得到各因素權(quán)重，因此各評(píng)估權(quán)重集如下：

基于現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研收集的相關(guān)資料和記錄，邀請(qǐng)9名專(zhuān)家采用專(zhuān)家打分法對(duì)園區(qū)的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估，評(píng)估的主要內(nèi)容為指標(biāo)層各因素的打分項(xiàng)，評(píng)估共分為5個(gè)級(jí)別，分別為優(yōu)秀、良好、合格、差以及極差，具體等級(jí)劃分如表3所示（指標(biāo)打分同為此標(biāo)準(zhǔn)）［16］。

表3 風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分Tab.3 Risk classification

依據(jù)專(zhuān)家意見(jiàn)結(jié)合園區(qū)實(shí)際情況，確定化工園區(qū)安全風(fēng)險(xiǎn)二級(jí)評(píng)估指標(biāo)的評(píng)價(jià)矩陣Bi，分別如下所示（以園區(qū)①為例）：

計(jì)算一級(jí)評(píng)估指標(biāo)評(píng)估矩陣中各矩陣：

由J1～J6合成一級(jí)評(píng)估矩陣J。

最后將一級(jí)評(píng)估矩陣J與一級(jí)指標(biāo)權(quán)重陣相乘得到綜合評(píng)級(jí)隸屬矩陣：

得到隸屬度矩陣后，可以依據(jù)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分表，將各區(qū)間隸屬度乘上區(qū)間中位數(shù)并累加得到園區(qū)①安全風(fēng)險(xiǎn)模糊數(shù)學(xué)綜合評(píng)價(jià)得分為：

依據(jù)表3，園區(qū)①的風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)為較低風(fēng)險(xiǎn)，安全等級(jí)為良好。

同理可得園區(qū)②和園區(qū)③的總得分為38.42和82.50，風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)為高風(fēng)險(xiǎn)和較低風(fēng)險(xiǎn)。

3.2 云模型評(píng)價(jià)法

云模型評(píng)價(jià)法采用與模糊數(shù)學(xué)綜合評(píng)價(jià)法相同的百分制計(jì)分方式和五級(jí)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。評(píng)價(jià)依據(jù)層次分析法所得的因素權(quán)重和專(zhuān)家打分結(jié)果（評(píng)價(jià)所取因素權(quán)重與專(zhuān)家打分結(jié)果均與模糊數(shù)學(xué)方法保持一致）確定綜合評(píng)價(jià)云，并最終得到評(píng)價(jià)結(jié)果。

3.2.1 標(biāo)準(zhǔn)云 將風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)通過(guò)式（1）計(jì)算得到標(biāo)準(zhǔn)云的數(shù)值特征值，如表4所示。

表4 標(biāo)準(zhǔn)云的數(shù)值特征值Tab.4 Numerical eigenvaluesof standard clouds

得到標(biāo)準(zhǔn)云數(shù)值特征值后，可運(yùn)用Matlab軟件繪制標(biāo)準(zhǔn)云圖，如圖3（a）所示，從左到右依次為極差～優(yōu)秀標(biāo)準(zhǔn)云圖。

圖3 化工園區(qū)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)云圖：（a）標(biāo)準(zhǔn)，（b）綜合Fig.3 Cloud maps of safety risk assessment for chemical industry parks：（a）standard，（b）comprehensive

3.2.2 評(píng)價(jià)云和綜合云 取專(zhuān)家打分法9位專(zhuān)家打分結(jié)果為樣本，用式（2）計(jì)算得到各指標(biāo)數(shù)值特征值。再將所得結(jié)果結(jié)合層次分析法所得指標(biāo)權(quán)重代入式（3）計(jì)算得綜合云數(shù)值特征值。評(píng)價(jià)云與綜合云數(shù)值特征值具體結(jié)果如表5所示。

表5 云模型評(píng)價(jià)數(shù)值特征值Tab.5 Numerical eigenvalues of cloud model evaluation

3.2.3 云模型評(píng)價(jià)結(jié)果 經(jīng)計(jì)算得到化工園區(qū)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)綜合云數(shù)值特征值為（90.021 4，8.019 9，2.253 2），采用Matlab繪制綜合云圖，如圖3（b）所示。

所得數(shù)值特征值中的期望代表云模型綜合評(píng)價(jià)分值［17］，所以園區(qū)①安全風(fēng)險(xiǎn)云模型評(píng)價(jià)分值為90.021 4，依據(jù)表3可知風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為低風(fēng)險(xiǎn)、安全等級(jí)為優(yōu)秀。

同理可得園區(qū)、園區(qū)綜合云數(shù)值特征值分別為（38.552 4，7.125 3，1.256 3）和（82.232 8，8.231 4，2.224 5），依據(jù)表3風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)分別為高風(fēng)險(xiǎn)和較低風(fēng)險(xiǎn)。

3.3 誤差分析

研究中兩種綜合評(píng)價(jià)方法的研究對(duì)象都是調(diào)研的3個(gè)化工園區(qū)，同時(shí)計(jì)算所使用的專(zhuān)家打分結(jié)果與指標(biāo)權(quán)重也均相同。因此將評(píng)價(jià)所得結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)打分結(jié)果（實(shí)際結(jié)果）進(jìn)行對(duì)比研究，具體如表6所示。

由表6知，云模型評(píng)價(jià)結(jié)果、模糊數(shù)學(xué)評(píng)價(jià)結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)打分結(jié)果的平均誤差分別為0.596%和0.608%，顯然云模型評(píng)價(jià)法與模糊綜合評(píng)價(jià)法的評(píng)價(jià)結(jié)果均十分接近于現(xiàn)場(chǎng)打分結(jié)果，因此云模型評(píng)價(jià)法的評(píng)價(jià)分值準(zhǔn)確可靠。

表6 三種評(píng)價(jià)方法對(duì)比研究Tab.6 Comparative study of three evaluation methods

4 結(jié) 論

（1）文中采用的化工園區(qū)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)體系是依據(jù)《化工園區(qū)安全風(fēng)險(xiǎn)排查治理導(dǎo)則（試行）》（應(yīng)急〔2019〕78號(hào)）構(gòu)建的，所建體系更具有權(quán)威性和準(zhǔn)確性。

（2）模糊數(shù)學(xué)綜合評(píng)價(jià)法與云模型評(píng)價(jià)法評(píng)價(jià)結(jié)果與實(shí)際打分?jǐn)?shù)值的誤差基本相同，說(shuō)明云模型評(píng)價(jià)法評(píng)價(jià)結(jié)果基本貼合實(shí)際，且準(zhǔn)確性可靠。同時(shí)云模型評(píng)價(jià)法還可從熵、超熵等定量因素綜合評(píng)價(jià)化工園區(qū)安全風(fēng)險(xiǎn)，云圖也能更形象地表示評(píng)價(jià)對(duì)象的安全情況。因此，云模型評(píng)價(jià)法能夠更全面有效地評(píng)價(jià)化工園區(qū)安全風(fēng)險(xiǎn)。

（3）現(xiàn)場(chǎng)檢查評(píng)分法具有天然的局限性，主要適用于運(yùn)行中化工園區(qū)現(xiàn)狀安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)分，無(wú)法對(duì)化工園區(qū)安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行安全預(yù)評(píng)價(jià)，所以云模型評(píng)價(jià)法在化工園區(qū)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)上的應(yīng)用，既有準(zhǔn)確性高也有適用范圍廣的優(yōu)點(diǎn)。