灰色層次模型在光氣化工生產(chǎn)安全評估中的應(yīng)用

王長虹

中石油西南油氣田川東北作業(yè)分公司HSE管理中心 達州 635000

光氣化工是化工行業(yè)一個重要領(lǐng)域，涉及高分子材料、染料、醫(yī)藥、農(nóng)藥、工程塑料等領(lǐng)域。近年來，全球范圍內(nèi)光氣產(chǎn)量以每年3.5%～4.0%速度遞增[1],光氣生產(chǎn)和使用更加廣泛，因光氣具有特殊的危險性，對其安全性的評估顯得尤為重要。

光氣化工生產(chǎn)安全狀況涉及多因素、多層次的人、機、環(huán)境體系，體系中存在大量已知信息和未知信息，使其中某些因數(shù)呈現(xiàn)出灰色性，靠單一定性評價或傳統(tǒng)評價方法難以實現(xiàn)對光氣化工安全生產(chǎn)進行科學、客觀、系統(tǒng)評價。因此，基于灰色系統(tǒng)理論[2]，將光氣生產(chǎn)體系中各種不確定灰色量，通過建立灰色數(shù)學模型將其量化，進行綜合評價尤為重要。

1 評價指標體系的建立

通過對光氣化工生產(chǎn)的特殊危險性與復雜性深入分析與研究[ 3,4]，依據(jù)指標體系的建立和篩選原則，采用Delphi法[ 5]，建立的光氣化工生產(chǎn)安全評價指標體系見表1。

2 多層次灰色評價模型

多層次灰色評價模型建立于灰色系統(tǒng)理論基礎(chǔ)上，并結(jié)合AHP權(quán)重確定法，利用灰色數(shù)學計算方法將得出的數(shù)據(jù)加以統(tǒng)計、整理，確定綜合評估結(jié)果。

2.1 AHP權(quán)重確定法[ 7]

在化工生產(chǎn)安全評價體系中，各因數(shù)的重要度對評價結(jié)果有重要影響。因此選用AHP方法求權(quán)重，其目的在于計算出某一層因數(shù)相對于上一層次某一準則的優(yōu)先權(quán)重。

(1)建立層次結(jié)構(gòu)模型后，相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜裔槍ν粶蕜t下的不同評價指標進行兩兩對比，采用1-9標度法構(gòu)造判斷矩陣A，并求解AW=λmaxW的最大特征值λmax及特征向量W，W即為各評價指標所對應(yīng)的權(quán)重。

2.2 評價指標的標準化及量化

根據(jù)光氣化工生產(chǎn)安全評價模型的特點，為將指標的類型盡可能減少，保持指標類型統(tǒng)一性。本文主要采用極大型指標。根據(jù)評價指標體系設(shè)立綜合評價指標C，第一層指標集U，U={u1，u2,…um};第二層指標集Ui={ui1，ui2, …uimi}，i=(1，2，…m);第三層指標集Uij={uij1，uij2，…uijmij}，j=(1，2，…mi)，另設(shè)n={1，2，…，mij}。其中m，mi，mij分別為相對應(yīng)上一層某一準則所包含的總子集個數(shù)。

表1 真空分液模型特性對比表

為將定性指標定量化處理，引入安全評價等級并給每個等級賦值。設(shè)有P個專家組成的專家組按照評價等級，評價對象Uij進行打分。記dijk，dijnk分別表示第k個專家對評價指標uij，uijn的評價值，k=(1，2，…p)。由此，可建立被評價指標的評價樣本矩陣D。

如：二級指標矩陣：Di=(dijk)mi×p

三級指標矩陣：Dij=(dijnk)mij×p

2.3 灰色統(tǒng)計

灰色統(tǒng)計就是通過建立不同的評估灰類等級，將以上統(tǒng)計的樣本矩陣，按照特定灰數(shù)的白化權(quán)函數(shù)進行計算，并將結(jié)果進行歸納整理。

(1)設(shè)立評估灰類集合H={?1,?2,…?g}，即有g(shù)個評估灰類，然后確定第e(e=1，2，…g)個評價灰類的灰數(shù)取值區(qū)間，并根據(jù)灰數(shù)的特性選擇不同類型的白化權(quán)函數(shù)fe(x)。

(2)sije表示指標uij屬于第e個灰類的灰色評價系數(shù)

(3)rije表示指標uij屬于第e個灰類的灰色評價權(quán)

(4)建立灰色評價權(quán)矩陣Ri=(rije)mi×p

同理，可建立Rij=(rijne)mij×p

2.4 灰色綜合評價

若對評價指標uij作第二層次灰色綜合評價，則得到綜合評價權(quán)向量Bi：

Bi=Wi×Ri

式中，wi=(wi1，wi2，…wimi)，即為各評價指標uij的權(quán)向量。同理，可求得具有三級指標uijn的綜合評價權(quán)向量

Bij=Wij×Rij。

對于評價指標ui的灰色評價權(quán)矩陣R：

R=(B1,B2,…Bm)T

則綜合評價指標C的綜合評價結(jié)果：

B=W×R={b1,b2,…bg}

式中，w=(w1，w2，…wm)，即為各評價指標ui的權(quán)向量。

在確定綜合評價結(jié)果時，如果按照評價選優(yōu)準則be*=max(be)，e*表示最優(yōu)評價灰類。該綜合評價結(jié)果屬于第e*評價灰類，但當結(jié)果be相差不大時容易丟失很多信息，使結(jié)果不準確。因此，本文采用加權(quán)平均法，將B歸一化處理后，給各灰類等級按“灰水平”賦值[ 8]，則綜合評價值V：

V=B×XT

式中，X=(x1,x2,…,xg)即為各評估灰類等級值化向量。

3 實例分析

3.1 建立評價指標體系并求取權(quán)重

如前文所述，建立表1所示的光氣化工生產(chǎn)安全評價指標體系，采用AHP法進行科學權(quán)重分配。建立不同層次的ui-wi，uij-wij，uijn-wijn各指標相對重要度判斷矩陣，計算出最大特征值與特征向量，并進行一致性檢驗。

如以工藝單元為例，建立u11n-w11n的判斷矩陣，見表2。

表2 U11n-w11n的判斷矩陣

W12=(w121,w122,w123,w,124,w125)=

(0.073，0.122，0.375，0.215，0.215)

第二層次各評價指標所對應(yīng)的權(quán)重計算結(jié)果如下：

W1=(w11,w12)=(0.5,0.5)

W2=(w21,w22,w23,w,24)=(0.141，0.455，0.263，0.141)

W3=(w31,w32,w33)=(0.2，0.4，0.4)

W4=(w41,w42,w43,w44)=(0.25，0.5，0.125，0.125)

第一層次各指標所對應(yīng)的權(quán)重：

W=(w1,w2,w3,w4)=

(0.155，0.09，0.288，0.476)

3.2 評價樣本矩陣的確定

由五位專家組成評價小組，按照安全評價等級(安全的，較安全的、臨界的、較危險的、危險的)，采用十分制原則對評價對象進行評分，并建立評價樣本矩陣，評分值f見表3。

表3 評價標準

則評價指標的各評價樣本矩陣：

3.3 建立評估灰類[ 9]

根據(jù)評價體系建立5類灰類等級(安全、較安全、臨界、較危險、危險)，并選擇相應(yīng)的灰數(shù)以及白化權(quán)函數(shù)。見表4：

3.4 求取灰色評價權(quán)矩陣

例如，對于評價指標u111的總灰色評價系數(shù)：

同理，可求得r112，r113，r114及其他評價指標的灰色評價權(quán)向量。對于U11所屬的第三層評價指標所組成的灰色評價權(quán)矩陣R11：

表4 灰類等級、灰數(shù)及白化權(quán)函數(shù)的確定

依照同樣的算法，可求得R2，R3，R4。

3.5 灰色綜合評價

若對U11作第三層次灰色綜合評價，則得到的評價權(quán)向量B11：

B11=W11×R11=R11=(0.391,0.391,0.151,0.067)×

(0.460,0.423,0.117,0,0)

同理，可得到：B11=W11×R11=(0.443,0.381,0.176,0,0)

若對Ui作第二層次灰色綜合評價，則得到的綜合評價權(quán)向量Bi：

B2=W2×R2=(0.442,0.426,0.131,0,0)

B3=W3×R3=(0.438,0.427,0.135,0,0)

B4=W4×R4=(0.422,0.389,0.189,0,0)

對于評價指標ui的灰色評價權(quán)矩陣R：

R=(B1,B2,B3,B4)T

則綜合評價指標C的綜合評價結(jié)果：

C=W×R=(0.433,0.405,0.162,0,0)

對各評價灰類等級進行賦值，將評價標準的中間值作為各評價灰類等級的值化向量，即X=(x1,x2,x3,x4,x5)=(9,7,5,3,1)

V=C×XT=(0.433,0.405,0.162,0,0)×(9,7,5,3,1)T=7.542

由以上結(jié)果和評價選優(yōu)準則可以得出:光氣化工安全生產(chǎn)安全性屬于“安全”級別。但通過加權(quán)平均法得出的結(jié)果來看，被評對象的安全性整體屬于“較安全”級別，說明光氣化工生產(chǎn)體系的安全狀況良好，但仍存在許多隱患，符合實際情況。

4 結(jié)語

本文探討了灰色系統(tǒng)理論在光氣化工生產(chǎn)安全評價中的應(yīng)用。對光氣化工生產(chǎn)中的諸多不確定因素通過給定的灰色模型進行了量化，并采用了AHP權(quán)重確定法來降低評價的主觀偏見性，通過實例計算驗證了該評價方法的有效性和實用性。