基于主成分分析法的危險(xiǎn)化學(xué)品事故統(tǒng)計(jì)分析方法研究

●劉 靜,陳 雷

(1.濰坊市消防支隊(duì),山東濰坊 261061;2.秦皇島市消防支隊(duì),河北秦皇島 066000)

0 引言

隨著現(xiàn)代化學(xué)工業(yè)的迅猛發(fā)展,危險(xiǎn)化學(xué)物品已被廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)部門和千家萬戶,而且在化學(xué)生產(chǎn)過程中,要使用大量易燃、易爆、有毒原料。在生產(chǎn)、儲(chǔ)存、運(yùn)輸過程中所發(fā)生的事故越來越多,造成的危害也越來越大,危險(xiǎn)化學(xué)品事故對(duì)人類安全提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)[1]。危險(xiǎn)化學(xué)品事故的主要危害可以歸納為[2]：引發(fā)火災(zāi)、爆炸事故;具有毒性,危及人的生命;造成環(huán)境污染。危險(xiǎn)化學(xué)品事故也會(huì)帶來巨大的直接和間接損失。例如 1984年 12月 3日,印度中央聯(lián)邦首府博帕爾的美國聯(lián)合炭化公司農(nóng)藥廠發(fā)生毒氣泄漏事故,造成 3 500余人死亡,經(jīng)濟(jì)損失近百億美元。1997年 6月 27日,北京化工集團(tuán)有限公司東方化工廠發(fā)生石腦油外溢遇火源發(fā)生爆炸,進(jìn)而引起火災(zāi),造成 9人死亡,39人受傷,直接經(jīng)濟(jì)損失 1.17億元。2004年 4月 15日晚,重慶天原化工總廠發(fā)生氯氣泄漏,并引發(fā)爆炸。事故造成 9人失蹤死亡,3人受傷,15萬人被疏散撤離。2005年 11月 13日,中石油吉林石化公司雙苯廠苯胺裝置發(fā)生爆炸著火事故,造成 5人死亡,2人重傷,21人輕傷,1人下落不明,疏散群眾達(dá) 1萬多人。2008年 6月 5日,黑龍江齊齊哈爾鐵鋒區(qū)光宇廢品收購站發(fā)生光氣泄漏事故,造成 3人死亡,1人重傷,11人中毒住院。面對(duì)越來越多的事故,對(duì)于如何采取措施抑制危險(xiǎn)化學(xué)品事故的增長趨勢(shì)成為一個(gè)越來越受人們關(guān)注的問題。

1 主成分分析法建模基本原理

主成分分析法是一種常用的多元統(tǒng)計(jì)分析(即多指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)分析)方法,是一種化繁為簡,將指標(biāo)數(shù)盡可能的降維(即空間壓縮)技術(shù),也是一種綜合評(píng)價(jià)方法[3]。主成分分析法具有簡單、客觀、準(zhǔn)確度高的特點(diǎn)。應(yīng)用主成分分析法能夠盡可能的避免原有數(shù)據(jù)中的信息丟失,所得到的結(jié)果更加具有可信性。因而主成分分析法有比較廣泛的應(yīng)用。

主成分分析法的數(shù)學(xué)模型是：對(duì)于隨機(jī)向量 X,想選一些常數(shù)向量 ci,用 c′iX盡可能多反映隨機(jī)向量X的主要信息,也即 D(c′iX)盡量大(D(c′iX)表示方

主成分分析的基本思路可概述如下[4]：借助一個(gè)正交變換,將分量相關(guān)的原隨機(jī)變量轉(zhuǎn)換成分量不相關(guān)的新變量,從代數(shù)角度,即將原變量的協(xié)方差陣轉(zhuǎn)換成對(duì)角陣,從幾何角度,將原變量系統(tǒng)變換成新的正交系統(tǒng),使之指向樣本點(diǎn)散布最開的正交方向,進(jìn)而對(duì)多維變量系統(tǒng)進(jìn)行降維處理。按照特征提取的觀點(diǎn),主成分分析相當(dāng)于一種基于最小均方誤差的提取方法。

基于 2002～2007年全國危險(xiǎn)化學(xué)品事故數(shù)據(jù),本文采用主成分分析法對(duì)全國的危險(xiǎn)化學(xué)品事故的狀況進(jìn)行了分析,得出危險(xiǎn)化學(xué)品事故在生產(chǎn)、使用、運(yùn)輸、儲(chǔ)存過程中發(fā)生的主要環(huán)節(jié),為有針對(duì)性的提出預(yù)防措施提供科學(xué)依據(jù)。

2 基于主成分分析法的危險(xiǎn)化學(xué)品事故統(tǒng)計(jì)分析

2.1 原始數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)

通過查閱文獻(xiàn)資料整理 6年來我國危險(xiǎn)化學(xué)品事故數(shù)據(jù)如表 1所示。

2.2 主成分計(jì)算程序的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

依據(jù)主成分分析法的建模思路,得到 PCA步驟流程圖如圖 1所示。

2.3 計(jì)算結(jié)果及分析

由上述過程,運(yùn)用 GNU Octave軟件進(jìn)行編程運(yùn)算。根據(jù)公式將原始數(shù)據(jù)預(yù)處理,由Octave處理得出計(jì)算數(shù)據(jù)的相關(guān)矩陣,然后求取相關(guān)矩陣的特征根和特征向量如表 2所示,而計(jì)算得出各主成分的貢獻(xiàn)率如表 3所示。

表1 事故在各過程中發(fā)生的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

圖1 PCA流程圖

表2 特征根和特征向量

表3 主成分貢獻(xiàn)率

根據(jù)經(jīng)驗(yàn),貢獻(xiàn)率大于85%[5]的情況下,主成分分析法是比較明顯的。由表 3可知,第一個(gè)主成分的累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)到 98.03%,滿足主成分分析的要求,丟失的信息僅為 1.97%,不會(huì)影響結(jié)果分析,因此決定取第一主成分即可。

如果以 x記為預(yù)處理變量,X為原變量,則有：

帶入具體數(shù)據(jù)到上面的主分量方程有：

由結(jié)果可以看出,第一主成分的各原變量系數(shù)中,變量 X2系數(shù)最大,變量 X1的系數(shù)次之,都比后兩個(gè)變量的系數(shù)大很多,這表明第一主成分主要由 X2和 X1決定。它們分別表示使用過程和生產(chǎn)過程中事故發(fā)生的次數(shù)。這說明對(duì)于危險(xiǎn)化學(xué)品事故,其主要發(fā)生在使用過程和生產(chǎn)過程中,這也與圖 2危險(xiǎn)化學(xué)品事故數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)圖顯示一致。所以,要有效控制危險(xiǎn)化學(xué)品事故,就要從控制危險(xiǎn)化學(xué)品的使用過程和生產(chǎn)過程入手,加強(qiáng)監(jiān)管措施和防護(hù)力度,減小使用和生產(chǎn)過程中發(fā)生的事故起數(shù),就能從根本上抑制危險(xiǎn)化學(xué)品事故的發(fā)生。

3 結(jié)論

本文通過運(yùn)用主成分分析法對(duì) 2002～2007年全國危險(xiǎn)化學(xué)品事故數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析,得出危險(xiǎn)化學(xué)品事故在生產(chǎn)、使用、運(yùn)輸、儲(chǔ)存過程中發(fā)生的主要環(huán)節(jié)在于使用過程和生產(chǎn)過程,這與實(shí)際情況相一致,因而要控制危險(xiǎn)化學(xué)品事故的發(fā)生,可以有針對(duì)性的在這兩個(gè)環(huán)節(jié)提出預(yù)防措施,加大監(jiān)管力度,從而遏制安全事故的發(fā)生。

[1]蔡鳳英,等.化工安全工程[M].北京：科技出版社,2001.

[2]中國安全生產(chǎn)科學(xué)研究院.危險(xiǎn)化學(xué)品事故案例[M].北京：化學(xué)工業(yè)主版社,2005.

[3]余錦華,楊維權(quán).多元統(tǒng)計(jì)分析與應(yīng)用[M].廣州：中山大學(xué)出版社,2005.

[4]Principal Component Analysis(PCA)and Factor Analysis in Oasis Montaj[EB/OL].Geosoft Technical Note,(1999-12-08).http：//www.geosoft.com.

[5]吳克海,丁光明,雷茂錦.基于主成分法的道路交通事故綜合評(píng)價(jià)方法研究[J].交通標(biāo)準(zhǔn)化,2005,(11)：142-145.