荔枝冷庫貯藏風(fēng)險(xiǎn)識別與分析

鄒熾導(dǎo)， 陸華忠， 呂恩利， 曾志雄， 楊松夏

(1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，廣東廣州 510642； 2.廣東省農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流工程技術(shù)研究中心，廣東廣州 510642；3.廣東省教育考試院，廣東廣州 510631)

我國是荔枝的主產(chǎn)區(qū)，其產(chǎn)量占世界總產(chǎn)量的65%～70%。荔枝屬于無呼吸高峰型果實(shí)，若采摘后置于常溫下其呼吸強(qiáng)度將會直線上升，并失水變褐，當(dāng)褐變指數(shù)>2時(shí)，失去商品性。低溫冷庫貯藏能顯著抑制荔枝果實(shí)的呼吸強(qiáng)度和乙烯釋放量，在0 ℃下果實(shí)幾乎不產(chǎn)生乙烯，且能抑制多酚氧化酶的活性和微生物的活動，延長荔枝果實(shí)的貯藏期。荔枝貯藏期間的溫度、濕度須保持相對穩(wěn)定，不宜多變或驟變[1-2]。

近年來，關(guān)于荔枝冷庫貯藏的研究主要集中在不同貯藏技術(shù)條件下荔枝衰老指標(biāo)的變化方面，研究重點(diǎn)主要是荔枝的內(nèi)外品質(zhì)、營養(yǎng)物質(zhì)、呼吸作用、果皮褐變機(jī)制、自由基衰老理論、細(xì)胞結(jié)構(gòu)理論等[3-6]。從系統(tǒng)角度構(gòu)建模型，對荔枝冷庫貯藏過程進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)識別、風(fēng)險(xiǎn)分析、風(fēng)險(xiǎn)控制的研究成果尚不多見。

本研究運(yùn)用系統(tǒng)安全工程思想將霍爾三維結(jié)構(gòu)模型、因素空間數(shù)學(xué)方法、故障樹分析方法、模糊數(shù)學(xué)等結(jié)合起來，通過構(gòu)建霍爾三維因素空間模型及模糊故障樹模型，實(shí)現(xiàn)對冷庫貯藏的風(fēng)險(xiǎn)識別與分析。根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)識別及分析結(jié)果，提出荔枝冷庫貯藏的風(fēng)險(xiǎn)防控措施，以期達(dá)到降低食品安全風(fēng)險(xiǎn)的目的。

1 荔枝冷庫貯藏霍爾三維因素空間模型

1.1 荔枝冷庫貯藏概述

荔枝保鮮主要采用低溫冷藏，目前低溫冷庫和低溫氣調(diào)庫是被廣泛應(yīng)用的低溫貯藏設(shè)施。在貯藏過程中，荔枝品質(zhì)變化主要表現(xiàn)為機(jī)械損傷、失水增多、果皮褐變、可滴定酸含量和可溶性固形物含量下降等。對于多數(shù)荔枝品種而言，適宜的保鮮參數(shù)分別是溫度為1～5 ℃，O2濃度為3%～5%，CO2濃度為3%～5%，相對濕度為90%～95%；保鮮參數(shù)中優(yōu)先級最高的是溫度[7]。

1.2 霍爾三維結(jié)構(gòu)及因素空間理論

霍爾三維結(jié)構(gòu)是系統(tǒng)工程的分析方法，它為解決大型復(fù)雜系統(tǒng)的分析、規(guī)劃、組織、協(xié)調(diào)、控制問題提供了一種統(tǒng)一的思想方法，已被廣泛應(yīng)用于工程設(shè)計(jì)、系統(tǒng)管理等[8]。霍爾三維結(jié)構(gòu)將系統(tǒng)工程整個(gè)活動過程分為前后緊密銜接的多個(gè)階段和相關(guān)的影響因素，形成了由時(shí)間維、邏輯維、知識維所組成的三維空間結(jié)構(gòu)[9]，該三維空間結(jié)構(gòu)體系形象地描述了系統(tǒng)工程研究的框架，對其中任一階段和每一個(gè)步驟又可進(jìn)一步展開，形成分層次的立體結(jié)構(gòu)體系。

因素空間是一種建立在模糊數(shù)學(xué)基礎(chǔ)上的新型知識信息表示方法，將可觀測與分析的事物信息作為知識概念的表現(xiàn)外延，對概念進(jìn)行量化描述，進(jìn)而可以采取一系列數(shù)學(xué)方法進(jìn)行處理，這就為系統(tǒng)安全的風(fēng)險(xiǎn)識別提供了基礎(chǔ)[10-11]。因此，因素空間在事件描述、風(fēng)險(xiǎn)識別、故障診斷等方面均有良好的應(yīng)用前景。

1.3 荔枝冷庫貯藏霍爾三維因素空間模型構(gòu)建

荔枝冷庫貯藏是一個(gè)比較復(fù)雜的系統(tǒng)，包含較多的時(shí)空結(jié)構(gòu)(工位)及影響因素。生產(chǎn)活動安全事件的發(fā)生分布在不同的工位上，而且不同工位的事故致因也不相同[12]。依據(jù)霍爾三維結(jié)構(gòu)，將荔枝冷庫貯藏的風(fēng)險(xiǎn)情況劃分為事故致因(X軸)、時(shí)空結(jié)構(gòu)(Y軸)、安全事件(Z軸)等3個(gè)維度(圖1)，這3個(gè)維度在空間上存在著互相映射的關(guān)系。荔枝冷庫貯藏的安全事件發(fā)生在一定的時(shí)空結(jié)構(gòu)中，并且由某個(gè)事故致因造成。

在霍爾三維結(jié)構(gòu)劃分(圖1)中，X軸為事故致因維度，表示荔枝冷庫貯藏中造成事故損傷的致因因素，設(shè)事故致因的因素集為U={u1,u2,…，un}。在X軸事故致因維度上有U={處理速度，荔枝待處理量，擠壓，碰撞，震動，溫度，濕度、風(fēng)度，…，衛(wèi)生狀況}。

生產(chǎn)流程中的不同工位同時(shí)具有時(shí)間及空間特征，因此Y軸表示時(shí)空結(jié)構(gòu)(工位)維度，設(shè)工位的因素集為W={w1,w2,…,wi}。在Y軸時(shí)空結(jié)構(gòu)(工位)維度上有W={裝卸工位，冷庫工人操作工位，冷庫設(shè)備工位，冷庫儲存工位，冷庫工藝工位}。

Z軸表示生產(chǎn)環(huán)節(jié)中具體的安全事件維度，設(shè)安全事件的因素集為V={v1,v2,…,vm}。在Z軸的安全事件維度上有V={冷庫貯藏延誤，靜壓機(jī)械損傷，碰撞機(jī)械損傷，摩擦震動機(jī)械損傷，果肉變質(zhì)，表皮褐變，細(xì)菌感染等污染}。

X軸坐標(biāo)與Z軸坐標(biāo)的交叉點(diǎn)表示事故致因的因素造成了安全事件的發(fā)生；Y軸坐標(biāo)與Z軸坐標(biāo)的交叉點(diǎn)表示某一個(gè)工位上發(fā)生的安全事件。X軸坐標(biāo)與Y軸坐標(biāo)的交叉點(diǎn)表示在某一個(gè)工位上存在造成安全事件的事故致因。任何一個(gè)危險(xiǎn)源事件，可以在三維結(jié)構(gòu)空間中找到它對應(yīng)的坐標(biāo)。

1.4 荔枝冷庫風(fēng)險(xiǎn)識別

設(shè)F(v,u)為安全事件集V到事故致因的因素集U的關(guān)系，v∈V、u∈U。關(guān)系F(v,u)可以用一個(gè)矩陣F(v,u)=[fij]m×n來描述，稱之為安全事件—事故致因因素關(guān)系矩陣。類似地，建立V到W的關(guān)系矩陣P(v,w)=[pij]m×q，稱之為安全事件—工位關(guān)系矩陣。

(1)

其中，i=1,2,…,m；j=1,2,…,n。

(2)

其中，i=1,2,…,m；j=1,2,…,q。

根據(jù)實(shí)地調(diào)研分析冷庫的各個(gè)風(fēng)險(xiǎn)事件集與事故致因集的關(guān)系及風(fēng)險(xiǎn)事件集與工位集的關(guān)系，建立因素關(guān)系矩陣F(v,u) 與P(v,w)：

因?yàn)镻(v,w)是集合V到W的關(guān)系，F(xiàn)(v,u)是集合V到U的關(guān)系，于是，P(v,w)的轉(zhuǎn)置PT(v,w)是集合W到V的關(guān)系。合成PT(v,w)與F(v,u)得到安全事件關(guān)鍵工位集合W到事故致因U的工位—事故致因關(guān)系S(w,u)。

(3)

記PT(v,w)與F(v,u)的合成關(guān)系：

(4)

根據(jù)前面分析得到的F(v,u)及P(v,w)，對矩陣進(jìn)行布爾運(yùn)算得到：

根據(jù)上面分析得到的矩陣S(w,u)所體現(xiàn)的關(guān)系，結(jié)合對荔枝冷庫各環(huán)節(jié)的調(diào)研及小組討論，分析各個(gè)工位的事故致因活動因素，得到基本風(fēng)險(xiǎn)事件。例如，裝卸工位主要事故致因有碰撞、震動，主要原因是裝卸操作流程不規(guī)范。依次類推，得到的風(fēng)險(xiǎn)基本事件為冷庫設(shè)備故障(D1)、冷庫設(shè)備不足(D2)、冷庫環(huán)境參數(shù)不適宜(D3)、冷庫衛(wèi)生環(huán)境狀況差(D4)、裝卸操作流程不規(guī)范(D5)、溫度監(jiān)控缺失(D6)、冷庫操作失誤(D7)、冷庫堆放方式不當(dāng)(D8)、違反冷庫操作規(guī)程(D9)、冷庫作業(yè)管理松散(D10)、冷藏流程銜接不暢(D11)等。

2 荔枝冷庫貯藏故障樹模型分析

2.1 荔枝冷庫貯藏故障樹模型構(gòu)建

故障樹分析方法是一種演繹推理法，把系統(tǒng)可能發(fā)生的某種事故與導(dǎo)致事故發(fā)生的各種原因之間的邏輯關(guān)系通過樹形圖表示出來，通過對故障樹的定性與定量分析找出事故發(fā)生的主要原因，為確定安全對策、提高系統(tǒng)可靠性提供依據(jù)，以達(dá)到預(yù)測與預(yù)防事故發(fā)生的目的[13-14]。根據(jù)前面分析得到的風(fēng)險(xiǎn)基本事件，結(jié)合冷庫貯藏的實(shí)際生產(chǎn)情況，構(gòu)建荔枝冷庫貯藏故障樹。通過對冷庫生產(chǎn)環(huán)節(jié)進(jìn)行分析得到中間事件為冷庫延誤(M1)、冷藏?fù)p傷(M2)、冷藏品質(zhì)變質(zhì)(M3)、冷藏操作因素(M4)、冷庫環(huán)境因素(M5)。構(gòu)建頂事件為荔枝冷庫貯藏事故(T)的故障樹(圖2)，該故障樹由前面分析得到的11個(gè)基本風(fēng)險(xiǎn)事件及5個(gè)中間事件組成。

2.2 荔枝冷庫貯藏故障樹最小割集

根據(jù)布爾運(yùn)算規(guī)則[15]，運(yùn)算得到10個(gè)最小割集，具體的割集為{D2}、{D5}、{D1，D6}、{D11}、{D10}、{D4}、{D6，D7}、{D6，D9}、{D6，D8}、{D3}。對這10個(gè)事件而言，只要任意1個(gè)最小割集發(fā)生，就會導(dǎo)致頂事故發(fā)生。

3 荔枝冷庫貯藏模糊故障樹分析

3.1 專家評判語言的梯形模糊數(shù)構(gòu)建

由于冷庫貯藏危險(xiǎn)事件發(fā)生致因的復(fù)雜性及偶然性，即使專家也難以對其風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生概率給出精確的數(shù)值表征，因此，采用主觀的語言對風(fēng)險(xiǎn)概率進(jìn)行描述并建立模糊集進(jìn)行處理往往具有獨(dú)到的優(yōu)勢。本研究采用梯形模糊數(shù)方法將專家對冷庫貯藏危險(xiǎn)事件發(fā)生概率的主觀評價(jià)語言轉(zhuǎn)化為定量表征，構(gòu)建風(fēng)險(xiǎn)低、風(fēng)險(xiǎn)較低、風(fēng)險(xiǎn)中、風(fēng)險(xiǎn)較高、風(fēng)險(xiǎn)高等5個(gè)評價(jià)指標(biāo)。根據(jù)指標(biāo)的隸屬習(xí)慣，采用梯形模糊數(shù)表示這些語言變量。

根據(jù)語言變量的模糊數(shù)形式(圖3)，得到隸屬函數(shù)梯形模糊數(shù)f=(x，a，b，c，d)的隸屬函數(shù)，其表達(dá)式為

(5)

模糊數(shù)形式和模糊截集如表1所示，其中下標(biāo)L、FL、M、FH、H分別表示小、較小、中等、較大、大。

表1 模糊數(shù)形式和截集

3.2 模糊數(shù)轉(zhuǎn)化為風(fēng)險(xiǎn)事件發(fā)生概率

選擇該領(lǐng)域的高校、科研院所以及企業(yè)的專家共發(fā)放24份專家調(diào)查問卷，專家對各個(gè)基本事件進(jìn)行評價(jià)，通過計(jì)算評價(jià)數(shù)據(jù)的平均值形成各個(gè)基本事件在評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)上的隸屬度。如對事件D1的專家權(quán)重為(0.292，0.250，0.208，0.167，0.083)；通過對專家權(quán)重與λ截集的合成，可以得到D1事件的截集合成為W1=[0.244+0.106λ，0.567-0.138λ]。

平均模糊數(shù)W1的關(guān)系函數(shù)為

(6)

根據(jù)左右模糊排序法，把D1的模糊數(shù)轉(zhuǎn)化為一個(gè)清晰的數(shù)值，稱為模糊可能性值(fuzzy possibly set，簡稱FPS)，則建立的最大模糊集和最小模糊集分別為[18-19]

(7)

(8)

則模糊數(shù)W1的左(FPSR)、右(FPSL)模糊可能性值分別為

模糊數(shù)W1的可能性值為

FPS(W1)={FPSR(W1)+[1-FPSL(W1)]}/2=0.407。

把模糊可能性值FPS轉(zhuǎn)化為模糊失效概率(fuzzy failure greater than R，簡稱FFR)[20]：

(9)

以此類推，計(jì)算出其他風(fēng)險(xiǎn)基本事件的發(fā)生概率(表2)。

表2 風(fēng)險(xiǎn)基本事件發(fā)生概率

4 荔枝冷庫貯藏風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)及優(yōu)化

4.1 荔枝冷庫貯藏風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)

在求出各基本事件發(fā)生概率的情況下，計(jì)算或估算系統(tǒng)頂事件發(fā)生的概率以及與系統(tǒng)有關(guān)的可靠性特征。設(shè)荔枝冷庫貯藏風(fēng)險(xiǎn)事故發(fā)生概率為g，由于最小割集中存在重復(fù)事件，因此，通過最小割集計(jì)算頂事件發(fā)生概率的公式為[21-22]：

(10)

將得到的各個(gè)風(fēng)險(xiǎn)基本事件發(fā)生概率代入上述公式，經(jīng)過計(jì)算得出頂事故發(fā)生概率為g=0.028。根據(jù)食品安全事故風(fēng)險(xiǎn)等級劃分[23-24]，荔枝冷庫貯藏的風(fēng)險(xiǎn)等級為低風(fēng)險(xiǎn)。

4.2 荔枝冷庫貯藏風(fēng)險(xiǎn)基本事件概率重要度

基本事件發(fā)生概率的變化會給頂事件發(fā)生概率以多大影響，就要分析基本事件的概率重要度[25]。利用頂事件發(fā)生概率Q函數(shù)的多重線性函數(shù)性質(zhì)，只要對自變量qi求一次偏導(dǎo)數(shù)，就可得出該基本事件的概率重要度系數(shù)[26]。公式為

(8)

根據(jù)公式(8)求得各個(gè)風(fēng)險(xiǎn)基本事件概率重要度(表3)。

表3 風(fēng)險(xiǎn)基本事件概率重要度

4.3 荔枝冷庫貯藏風(fēng)險(xiǎn)防范對策

由表3可知，在荔枝冷庫貯藏風(fēng)險(xiǎn)基本事件的概率重要度中大于0.900的有6個(gè)事件，占風(fēng)險(xiǎn)事件總數(shù)的比例為54.5%，主要有冷庫設(shè)備不足(D2)、冷藏流程銜接不暢(D11)、裝卸操作流程不規(guī)范(D5)、冷庫作業(yè)管理松散(D10)、冷庫衛(wèi)生環(huán)境狀況差(D4)、冷庫環(huán)境參數(shù)不適宜(D3)。

4.3.1 加強(qiáng)安全培訓(xùn)，提高工人技能 裝卸操作流程不規(guī)范(D5)主要是由于員工安全意識薄弱、生產(chǎn)技能低下、違章作業(yè)等造成的。首先應(yīng)加強(qiáng)員工安全意識教育，讓員工牢固樹立安全生產(chǎn)意識，對荔枝冷庫貯藏中事故造成的損失有深入的認(rèn)識。其次要加強(qiáng)技能培訓(xùn)，圍繞荔枝冷庫貯藏作業(yè)的流程、工藝要求和設(shè)備設(shè)施操作規(guī)范等加強(qiáng)對員工安全生產(chǎn)技能培訓(xùn)。

4.3.2 加大設(shè)備投入，提高冷庫技術(shù)水平 冷庫設(shè)備不足(D2)、冷庫衛(wèi)生環(huán)境狀況差(D4)、冷庫環(huán)境參數(shù)不適宜(D3)，這些風(fēng)險(xiǎn)基本事件主要是由于冷庫設(shè)施投入不足，技術(shù)及作業(yè)水平偏低造成的。冷庫設(shè)備投入不足是制約冷庫貯藏質(zhì)量水平的首要影響因素，加大冷庫設(shè)備投入能提高冷庫的貯藏質(zhì)量水平。其次，冷庫衛(wèi)生狀況、環(huán)境參數(shù)的調(diào)節(jié)與冷庫作業(yè)水平息息相關(guān)，提高冷庫作業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)化水平有助于降低冷庫風(fēng)險(xiǎn)事故的發(fā)生。

4.3.3 加強(qiáng)信息化建設(shè)，提高冷庫管理水平 冷藏流程銜接不暢(D11)、冷庫作業(yè)管理松散(D10)，這些風(fēng)險(xiǎn)基本事件主要是由管理水平不高造成的。在現(xiàn)代冷庫的建設(shè)中，應(yīng)加強(qiáng)信息化建設(shè)，通過計(jì)算機(jī)輔助管理，能有效克服流程銜接不暢，冷庫作業(yè)管理松散等問題。

5 結(jié)論

針對荔枝冷庫貯藏的危險(xiǎn)源風(fēng)險(xiǎn)識別，構(gòu)建霍爾三維因素空間模型，將荔枝冷庫貯藏的系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)通過由安全事件、時(shí)空結(jié)構(gòu)(工位)、事故致因組成的三維因素集進(jìn)行有效刻畫。通過危險(xiǎn)源因素集之間的映射矩陣關(guān)系，形成反映荔枝冷庫貯藏系統(tǒng)安全狀態(tài)的因素空間結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對風(fēng)險(xiǎn)基本事件的識別。

構(gòu)建荔枝冷庫貯藏故障樹模型，將荔枝冷庫貯藏事故的內(nèi)在邏輯關(guān)系進(jìn)行有效描述，克服了風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)過程中由于危險(xiǎn)源信息龐雜、積聚與耦合狀態(tài)下難以分析的問題。

針對荔枝冷庫貯藏危險(xiǎn)源難以量化分析的現(xiàn)狀，將故障樹模型與模糊數(shù)學(xué)理論融合，構(gòu)建模糊故障樹模型。通過對24位專家進(jìn)行問卷調(diào)查，得到荔枝冷庫貯藏事故發(fā)生概率(g=0.028)及風(fēng)險(xiǎn)基本事件概率重要度。通過對計(jì)算結(jié)果的分析，提出有效促進(jìn)荔枝冷庫貯藏現(xiàn)場安全管理工作的建議。

荔枝冷庫貯藏安全屬于食品安全范疇，本研究對荔枝冷庫貯藏的風(fēng)險(xiǎn)識別與分析所構(gòu)建的模型可以為食品安全領(lǐng)域的研究提供新的參考視角。