基于層次分析法和SPA-馬爾科夫鏈的煤氣單元風險評估

周琪 林坤峰 徐厚友 郝玉澤 楊凱倫

(中鋼集團武漢安全環(huán)保研究院有限公司 武漢 430081)

0 引言

依據(jù)《冶金企業(yè)安全生產(chǎn)標準化評定標準(煤氣)》在對冶金企業(yè)煤氣單元進行安全生產(chǎn)標準化評定時會有評分介于分值界限點左右難以明確等級的情況，此時可以結(jié)合企業(yè)近年來煤氣單元管理的綜合水平來判斷之后煤氣單元風險的趨勢，輔助對企業(yè)煤氣單元的分值等級進行界定，避免人為因素造成過多定性評估。國內(nèi)外關(guān)于分析評價方法的研究有很多，如層次分析法、模糊綜合評價法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、支持向量機(SVM)、集對分析(SPA)、馬爾科夫模型以及一些組合方法等。各類評價方法在工貿(mào)及金融等領(lǐng)域有一定應(yīng)用，如礦山經(jīng)營狀況綜合評價[1]、橋門式起重機分級評價[2]、股票價格預(yù)測[3]、電力客戶信用風險評估[4]等。從上述研究可以看出，單一的評價方法對于煤氣單元風險評估具有局限性，不能便捷建立指標關(guān)聯(lián)性或不能體現(xiàn)動態(tài)變化趨勢等，組合評價模型已在很多領(lǐng)域有較為成功的應(yīng)用，但對煤氣單元的動態(tài)評估還缺乏相關(guān)的研究。本文根據(jù)相關(guān)法律規(guī)范，構(gòu)建冶金企業(yè)煤氣單元的評估指標體系，運用層次分析法對評估指標進行權(quán)重分配，再通過構(gòu)建基于馬爾科夫鏈的SPA的動態(tài)評估模型，進行煤氣單元的后期風險評估，從而為冶金企業(yè)煤氣單元的風險判定提供參考。

1 煤氣單元風險評估指標構(gòu)建和權(quán)重分配

1.1 評估指標構(gòu)建

構(gòu)建合理的評估指標體系是進行科學(xué)評估的前提[5]，該指標體系應(yīng)包含影響煤氣單元安全運行的主要因素。參考《冶金企業(yè)安全生產(chǎn)標準化評定標準(煤氣)》、《工業(yè)企業(yè)煤氣安全規(guī)程》(GB 6222—2005)等安全技術(shù)標準規(guī)范，結(jié)合企業(yè)實際管理經(jīng)驗，構(gòu)建直接影響煤氣系統(tǒng)運行的風險評估指標體系，如表1。

表1 煤氣單元風險評估指標體系

1.2 指標體系權(quán)重分配

盡管每個評估指標對煤氣單元的風險狀況都有一定的影響，但影響程度會有不同，例如煤氣管道閥組(屬于設(shè)備設(shè)施本質(zhì)安全)設(shè)置不合理，則在抽堵盲板時可能直接導(dǎo)致煤氣泄漏，造成人員中毒窒息傷亡。因此，給各個評估指標配置權(quán)重系數(shù)也是評估過程關(guān)鍵的一環(huán)。

本文采用層次分析法(AHP)構(gòu)造分級判斷矩陣并計算權(quán)重。將各層級內(nèi)的指標進行兩兩對比打分，得到各個層級的判斷矩陣，再對各判斷矩陣進行一致性檢驗，檢驗通過后對二級指標進行層次總排序，再計算RI總、CI總、CR總，若CR總<0.1，則層次總排序結(jié)果可靠[5]，因AHP方法已運用非常成熟，故計算過程不詳述，得出二級指標的權(quán)重及總排序如下表2。

表2 各評估指標權(quán)重及總排序

2 SPA-馬爾科夫鏈的動態(tài)評估模型

SPA方法在該動態(tài)評估模型中的應(yīng)用思路：假定所有指標均按表現(xiàn)優(yōu)作為標準集合，即所有指標均為完全達標指標組成的集合，將實際評估指標的集合與標準集合逐一對比進行集對分析，將分析得到的特性按同、異、反進行描述，即分析兩個集合在哪些特性上具有同一性，哪些特性上具有對立性，哪些特性上具有既不同一又不對立性(差異性)。對定義同一性、對立性和差異性可參考標準化評分中的原則，若抽查的某指標中達標的點占總抽查點數(shù)的90%以上或相等，則該指標與標準集合的該指標具有同一性，若抽查的某指標中達標的點占總抽查點數(shù)的75%以下，則該指標與標準集合的該指標具有對立性，處于中間的為差異性指標，由此建立同異反聯(lián)系度μ：

(1)

(2)

μ=a+bi+cj

(3)

馬爾科夫鏈在該動態(tài)評估模型中的應(yīng)用思路：上述集對分析是基于靜態(tài)的角度分析的聯(lián)系度問題，但影響煤氣單元風險狀況的諸多因素中除相互關(guān)聯(lián)和制約外，還有隨機變化可能性，所以在進行煤氣單元風險評估時應(yīng)考慮動態(tài)的因素，即某一事件的狀態(tài)與狀態(tài)之間轉(zhuǎn)移規(guī)律的無后效性的隨機過程，分析隨機事件未來變化規(guī)律及可能的結(jié)果。在賦予權(quán)重后的SPA評估模型中將待評價集合與標準集合對比后劃分的3個等級作為馬爾科夫鏈中的3個狀態(tài)，即“表現(xiàn)優(yōu)”、“表現(xiàn)一般”、“表現(xiàn)不合格”，再引入時間的概率，冶金企業(yè)在t時刻的聯(lián)系度為：

(4)

以pij表示某一特性在時段t到時段t+1由狀態(tài)i轉(zhuǎn)移到狀態(tài)j的可能性大小，即：

P={xn+1=|xn=i}=pij(i,j=1,2,…,n)

(5)

狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率矩陣為

(6)

在t+T時段待評價集合的聯(lián)系度為：μ(t+T)=a(t+T)+b(t+T)i+c(t+T)j=[a(t+T),b(t+T),c(t+T)]·p·(1,i,j)T。

(7)

下一個時段的煤氣單元風險聯(lián)系度為：

(8)

由馬爾科夫鏈理論知，經(jīng)多個周期轉(zhuǎn)移后，系統(tǒng)最后將趨于穩(wěn)定，且穩(wěn)定狀態(tài)的聯(lián)系度中的a,b,c符合下式的關(guān)系(I為單位矩陣)：

(9)

計算出趨于穩(wěn)定的聯(lián)系度后，企業(yè)煤氣單元的風險可按表3進行判定。

表3 風險動態(tài)變化趨勢判定對照

3 算例分析

以某冶金企業(yè)煤氣單元風險為例進行動態(tài)分析，按每年為一個周期，對比近5年評估指標的集對情形，以煤氣工藝設(shè)備設(shè)施本體設(shè)計、安裝合規(guī)合理性為例，第1時段設(shè)備設(shè)施總體情況與標準狀況比為一般，集對評級為P；第2時段設(shè)備設(shè)施總體情況與標準狀況比為優(yōu)，集對評級為S；第3時段設(shè)備設(shè)施總體情況與標準狀況比為優(yōu)，集對評級為S；第4時段設(shè)備設(shè)施總體情況與標準狀況比為一般，集對評級為P；第5時段設(shè)備設(shè)施總體情況與標準狀況比為較對立，集對評級為Q。其他指標判定類同，得出表4的數(shù)據(jù)。

表4 某冶金企業(yè)煤氣單元風險評估基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

5個時段的煤氣單元風險評估聯(lián)系度為：

μ1=0.303+0.547i+0.15j，μ2=0.771+0.181i+0.048j，μ3=0.382+0.499i+0.119j，μ4=0.048+0.707i+0.245j，μ5=0.194+0.399i+0.407j

5個時段的同異反轉(zhuǎn)移矩陣為:

平均轉(zhuǎn)移矩陣為:

4 結(jié)語

本文針對冶金企業(yè)煤氣單元標準化評審過程中分值介于界限值左右不能明確判定等級的情形，構(gòu)建了基于層次分析法的SPA-馬爾科夫鏈的煤氣單元風險動態(tài)評估模型，根據(jù)相關(guān)標準規(guī)范構(gòu)建了煤氣單元風險評估指標體系，運用層次分析法賦予各評估指標合理的權(quán)重，通過SPA計算聯(lián)系度反映單元風險的大小及變化趨勢，運用馬爾科夫鏈模型推算下一個時段的聯(lián)系度等，從而判斷煤氣單元下一周期的風險動向，為明確冶金企業(yè)煤氣單元標準化等級提供參考方法。