數(shù)學(xué)模型的組合在HAZOPLOPA分析中的應(yīng)用

摘要：隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)學(xué)模型在化工安全風(fēng)險分析中越來越重要，在傳統(tǒng)的HAZOPLOPA分析中，某些模糊參數(shù)需要借助專家的判斷完成。通過層次分析、模糊邏輯、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型及公開報道的有關(guān)文獻(xiàn)數(shù)據(jù)，對某化工企業(yè)的儲罐進(jìn)行HAZOPLOPA分析，分析表明層次權(quán)重與風(fēng)險矩陣相結(jié)合、層次分析與模糊邏輯相結(jié)合、模糊邏輯和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)先假設(shè)檢驗相結(jié)合，對分析中需要專家判斷的數(shù)據(jù)進(jìn)行模型化處理，可以得到相對客觀的分析結(jié)果。在層次分析中確定3個可能導(dǎo)致火災(zāi)泄漏的風(fēng)險相對較大的權(quán)重因素。通過模糊邏輯分析得出該儲罐發(fā)生火災(zāi)泄漏的風(fēng)險較低。利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)驗證了PFD=0.1的假設(shè)可接受，進(jìn)而得出完整的HAZOPLOPA分析結(jié)果。為使用數(shù)學(xué)模型進(jìn)行危害分析提供一種新思路，對HAZOPLOPA分析的模糊參數(shù)定值方法具有重要指引意義。

關(guān)鍵詞：HAZOPLOPA;數(shù)學(xué)模型;危害分析;化工安全

1目的與意義

數(shù)學(xué)模型是使用數(shù)學(xué)方式表達(dá)模擬客觀世界的模型。隨著科技的發(fā)展與進(jìn)步，數(shù)學(xué)模型涵蓋眾多功能，如預(yù)測、決策、結(jié)構(gòu)等。其中Bayesian預(yù)測模型、AHP層次分析模型、貝葉斯神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型、模糊矩陣模型、遺傳算法模型、BNN離散分析模型、模糊數(shù)學(xué)模型等在化工過程安全分析和工藝優(yōu)化控制中起到極其重要的作用。2024年Fatma M. Eltahan等人在英國《自然》雜志發(fā)表名為Applying a semiquantitative risk assessment on petroleum production unit的論文，詳細(xì)論述了針對原油輸送泵系統(tǒng)的危害分析，使用模糊邏輯最合適的模糊隸屬函數(shù)，實現(xiàn)了降低潛在危險的簡單可靠的控制方法，但文章僅使用一種數(shù)學(xué)模型，未能實現(xiàn)HAZOPLOPA系統(tǒng)其他參數(shù)客觀化的期望。2021年GUO Xiaoxue等人在Safety science報道，利用Bayesian網(wǎng)絡(luò)模型實現(xiàn)了對動態(tài)系統(tǒng)的風(fēng)險評估，是數(shù)學(xué)模型在偶聯(lián)關(guān)系的危害分析中應(yīng)用很好的范例。2020年P(guān)anagiotis等人發(fā)表論文，闡述了決策風(fēng)險矩陣（DRMA）和模糊層次分析法（FAHP）對綜合危險與可操作性（HAZOP）的研究［1］，為HAZOP分析提供一種新的解決方案，重點(diǎn)解決了危害決策問題。

本文旨在綜合運(yùn)用數(shù)學(xué)模型的組合解決企業(yè)風(fēng)險評估中遇到的模糊參數(shù)定值問題。在傳統(tǒng)HAZOPLOPA分析過程中，很多模糊參數(shù)都依靠專家的判斷，但是現(xiàn)實中不同專家對同一參數(shù)可能有著不同意見，這給企業(yè)的安全管理帶來了挑戰(zhàn)。本文以某?；髽I(yè)的常壓儲罐HAZOPLOPA分析為例，通過數(shù)學(xué)模型為分析模糊參數(shù)提供有力支持。因為HAZOPLOPA分析是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程，存在多因數(shù)非偶聯(lián)關(guān)系，且分析步驟較多，可參考的數(shù)據(jù)有限，這就要求運(yùn)用多種數(shù)學(xué)模型（層次分析模型、模糊邏輯模型、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型）的組合來解決分析中的模糊參數(shù)。本文目的是為HAZOPLOPA分析提供一種相對客觀的數(shù)學(xué)模型組合方案，為企業(yè)危害分析提供一種新的思路，對HAZOPLOPA分析的模糊參數(shù)的定值方法具有重要指引意義。

2材料與方法

2.1數(shù)據(jù)與方法

本文針對某化工企業(yè)的常壓儲罐進(jìn)行HAZOPLOPA危害分析。該儲罐位于罐區(qū)，存儲介質(zhì)為甲B類和乙類易燃液體，儲罐四周有圍堰，罐區(qū)安裝了可燃?xì)怏w報警儀和消防泡沫及噴淋系統(tǒng)。本文引用《HALOPA分析在罐區(qū)中的應(yīng)用》《HAZOPLOPA分析方法在儲罐風(fēng)險評估中的應(yīng)用》等國內(nèi)公開報道的15篇論文作為HAZOPLOPA分析的參考數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)選取不同作者關(guān)于儲罐泄漏導(dǎo)致火災(zāi)場景的分析報道，雖然不同作者的分析對象介質(zhì)略有不同，但是總體與本文的分析介質(zhì)比較重合，因此參數(shù)參考依據(jù)選擇合理。

HAZOP分析方法是將化工生產(chǎn)工藝劃分不同的節(jié)點(diǎn)，通過會議討論的形式，分析每個節(jié)點(diǎn)的主要安全風(fēng)險隱患，對風(fēng)險進(jìn)行定性分析。LOPA分析方法一般應(yīng)用在定性風(fēng)險分析之后，通常與HAZOP聯(lián)合使用，其主要目的是判斷保護(hù)層能力是否具有抵御風(fēng)險或者降低風(fēng)險為可接受的風(fēng)險水平的能力。通過HAZOP進(jìn)行定性分析后，使用LOPA分析方法對初始風(fēng)險等級較高的場景進(jìn)行分析、判斷、控制與評估，確保該風(fēng)險處于可接受狀態(tài)。

2.2數(shù)學(xué)模型

層次分析法是一種多因素排序決策方法，用于處理復(fù)雜的決策問題。其基本原理是將系統(tǒng)分解成若干層次結(jié)構(gòu)，然后通過兩兩比較來確定各個層次及相同層次中不同因素之間的相對重要性。在層次分析中，需要結(jié)合專業(yè)知識和主觀判斷來進(jìn)行比較和權(quán)衡。通過層次分析可以對不同要素給出權(quán)重值，為決策提供了客觀的參考依據(jù)。

模糊邏輯是基于部分隸屬度的概念在由隸屬函數(shù)（μA）描述的集合中。當(dāng)元素X完全屬于集合A的值，函數(shù)μA（X）=1，而如果元素X不屬于設(shè)置函數(shù)，μA（X）=0;小數(shù)的隸屬度是被允許的，通過實數(shù)0≤μA（X）≤1來描述。這些元素屬于多個或者一個集合，每個集合對應(yīng)不同程度的模糊詞語，通過數(shù)學(xué)函數(shù)對模糊詞語建立相應(yīng)的分析模型，這樣就將現(xiàn)實生活中人的直覺轉(zhuǎn)化成數(shù)學(xué)函數(shù)［2］。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)基于任何連續(xù)多元函數(shù)都能被一組一元函數(shù)的有限次疊加而成。其中，每一個一元函數(shù)的自變量都是一組連續(xù)單變量函數(shù)的有限次加權(quán)疊加;在內(nèi)部層，每一個單變量函數(shù)的自變量都是一維變量。固定一種統(tǒng)一的有限層計算網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，調(diào)整輸出變量每個節(jié)點(diǎn)的參數(shù)和每層節(jié)點(diǎn)之間疊加計算的權(quán)重，來一致性逼近輸入函數(shù)，這樣就可以用于先假設(shè)驗證或者適應(yīng)性等分析工作。

3數(shù)據(jù)與分析

3.1層次分析

利用層次分析對儲罐的危害進(jìn)行權(quán)重分析。因為所有因素屬于同層要素，通過HAZOP分析得出的潛在失效可能為：A液位傳感器失效，B液位傳感器失效，C環(huán)境溫度（如火災(zāi)），D環(huán)境溫度（如極冷天氣），E呼吸閥堵塞，F(xiàn)入孔密封圈失效，G盲板密封失效，H制氮機(jī)故障，I焊接口腐蝕。對分析出的危害通過專家打分法兩兩對比，可以得出專家判斷矩陣（A;A=1，B∶A=1，C∶A=5，C∶B=5，D∶A=2，D∶B=2，D∶C=1/3，E∶A=1/2，E∶B=1/2，E∶C=1/9，E∶D=1/2，F(xiàn)∶A=3，F(xiàn)∶B=3，F(xiàn)∶C=1/5，F(xiàn)∶D=2，F(xiàn)∶E=2，G∶A=3，G∶B=3，G∶C=1/5，G∶D=2，G∶E=2，G∶F=1，H∶A=1，H∶B=1，H∶C=1/5，H∶D=1，H∶E=2，H∶F=1/2，H∶G=1/2，I∶A=C，I∶B=3，I∶C=1/5，I∶D=2，I∶E=2，I∶F=1，I∶G=2，I∶H=1），經(jīng)過分析可以得出儲罐潛在危害的特征向量和權(quán)重值為A=（0.466，5.177%），B=（0.466，5.177%），C=（3.282，36.469%），D=（0.707，7.851%），E=（0.353，3.918%），F(xiàn)=（1.051，11.676%），G=（1.002，11.130%），H=（0.603，6.698%），I=（1.071，11.905%）。該判斷通過一致性檢驗CI值=0.054，RI值=1.460，CR值=0.037。

3.2模糊邏輯

通過設(shè)置儲罐泄漏失火的風(fēng)險可能性、風(fēng)險后果變量之間的關(guān)系，分別使用不同隸屬函數(shù)分析，得出Triangular函數(shù)值為（-10.42 2.22e-16 10.42，2.08 12.5 22.92，2.08 12.5 22.92），Gaussian函數(shù)值為（4.425 2.22e-16，4.425 12.5，4.425 25），Trapezoidal函數(shù)值為（-9.378 -1.042 1.042 9.378，3.122 11.46 13.54 21.88，3.122 11.46 13.54 21.88）。模糊矩陣反映了風(fēng)險度在損失程度和頻率共同作用下的變化曲線，該曲線表明不同模糊詞語所產(chǎn)生的風(fēng)險大小不同。根據(jù)模糊風(fēng)險矩陣的規(guī)則進(jìn)行風(fēng)險值計算，解模糊化后得到最終的風(fēng)險清晰值。根據(jù)分析對象的風(fēng)險矩陣區(qū)間，通過Trapezoidal隸屬函數(shù)，可以得出該儲罐泄漏失火的風(fēng)險模糊邏輯值為4.12，為一般風(fēng)險。

3.3神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

因為部分引用數(shù)據(jù)缺失，不能完全滿足分析要求，因此采用先假設(shè)PFD=0.1對缺失數(shù)據(jù)補(bǔ)足，再使用Sigmoid隱藏神經(jīng)元和線性輸出神經(jīng)元對數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸性分析，以驗證假設(shè)數(shù)據(jù)的一致性。通過4輪迭代驗證發(fā)現(xiàn)最佳驗證性能為第一輪，方差誤差為0.035 779，其中訓(xùn)練值為0.153 45，驗證值為0.760 97，測試值為1.540 7 e-34，擬合函數(shù)為Y=0.08X+0.18，證明該假設(shè)可以接受。

4結(jié)果與討論

通過HAZOP的分析結(jié)果和《保護(hù)層分析（LOPA）應(yīng)用指南》，可以確定LOPA危害發(fā)生概率等級和嚴(yán)重等級為一般風(fēng)險。通過先假設(shè)檢驗，可以確定LOPA的條件修正值和PFD值為0.1比較合理。以場景“入孔密封圈失效泄露導(dǎo)致火災(zāi)”為例，其容忍值為1×10-5，初始事件發(fā)生概率為0.1，點(diǎn)火概率和暴露概率為0.1，其IPLs（BPCS、消防系統(tǒng)、可燃?xì)怏w報警儀）的PFD根據(jù)本文分析均定值為0.1。該風(fēng)險的IPLs可以被接受。通過層次模型、模糊邏輯、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以及參考文獻(xiàn)的數(shù)據(jù)，對某化工企業(yè)儲罐的HAZOPLOPA進(jìn)行分析，能夠相對客觀地確定一些相對模糊的參數(shù)。因為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等數(shù)學(xué)模型工具目前處于起步階段，在以后的HAZOPLOPA分析工作中應(yīng)不斷發(fā)揮數(shù)學(xué)模型的重要作用。

參考文獻(xiàn)：

［1］MARHAVILAS P K， FILIPPIDIS M， KOULINAS G K， et al. An expanded HAZOPstudy with fuzzyAHP （XPAHAZOP technique）： Application in a sour crudeoil processing plant［J］. Safety Science，2020（3）：124.

［2］GENTILE M， ROGERS W J， MANNAN M S， et al. Development of a fuzzy logicbased inherent safety index［J］. Process Safety and Environmental Protection，2003（81）：6.

作者簡介：宋鉑，男，陜西韓城人，中級注冊安全工程師，碩士，研究方向：化工安全。