基于組合權(quán)重與風(fēng)險(xiǎn)矩陣法的煤氣泄漏事件風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)

劉 慶，謝大星

(湖南有色冶金勞動(dòng)保護(hù)研究院，湖南 長沙 410014)

冶金煤氣包含CO、H2易燃?xì)怏w，其也是煤氣的主要成分[1-2]。因物質(zhì)具有危害性，冶金煤氣在生產(chǎn)儲(chǔ)存過程中要求較高，稍有不慎可能出現(xiàn)易泄漏、易燃、易爆等連鎖性災(zāi)害，可能引發(fā)不可估量的后果，威脅著周圍人員的安全。為此，有必要掌握風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)，為決策者預(yù)測(cè)煤氣泄露風(fēng)險(xiǎn)提供參考意見。

關(guān)于氣體泄漏的辨識(shí)評(píng)估模型很多。許永莉[3]等煤氣泄漏事故發(fā)生的原因與管道及其附屬設(shè)備有關(guān)，并利用Fluent軟件對(duì)管道煤氣泄漏模擬。劉祖德[4]等利用LES湍流模型對(duì)煤氣泄露后果評(píng)估并對(duì)CO濃度的分布規(guī)律進(jìn)行了分析。李嫦娥[5]等對(duì)氣體儲(chǔ)存易泄漏部位總結(jié)了6處易泄漏部位。劉燁明[6]等利用定量風(fēng)險(xiǎn)分析軟件計(jì)算個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)值及社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)曲線，由ALARP原則確定罐區(qū)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。為便于從根源查找風(fēng)險(xiǎn)，有必要對(duì)煤氣儲(chǔ)存設(shè)備設(shè)施固有風(fēng)險(xiǎn)屬性辨識(shí)，并提出有效預(yù)測(cè)模型。

基于此，對(duì)冶金企業(yè)煤氣儲(chǔ)存系統(tǒng)可能引發(fā)泄露的因素進(jìn)行辨識(shí)，為有效地管控煤氣泄漏引發(fā)的不良后果做準(zhǔn)備。研究將基于煤氣柜區(qū)域煤氣的固有風(fēng)險(xiǎn)屬性，探討一種便于辨識(shí)風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)估模型對(duì)煤氣泄漏風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行模擬分析，為冶金企業(yè)煤氣生產(chǎn)儲(chǔ)存系統(tǒng)有效地管控提供科學(xué)依據(jù)。

1 基于組合權(quán)重的風(fēng)險(xiǎn)矩陣法

風(fēng)險(xiǎn)具有不確定性，影響風(fēng)險(xiǎn)的因素較多，考慮到各風(fēng)險(xiǎn)因素的比重有差異，選用Borda序值法對(duì)風(fēng)險(xiǎn)要素進(jìn)行排序，利用層次分析法(Analytic Hierarchy Process,“AHP”)求解煤氣生產(chǎn)儲(chǔ)存區(qū)間煤氣泄露事件指標(biāo)的主觀權(quán)重，再利用熵權(quán)法確定事件指標(biāo)的客觀權(quán)重，由組合權(quán)重確定綜合風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)權(quán)重，引入風(fēng)險(xiǎn)矩陣判定表確定風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，預(yù)測(cè)煤氣泄漏的風(fēng)險(xiǎn)大小。

1.1 基于Borda序數(shù)法的AHP法的確定主觀權(quán)重

1.1.1 Borda序數(shù)法確定排序

Borda序數(shù)法[7]在風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中可起到量化排序的作用，則評(píng)估指標(biāo)的Borda數(shù)可由式(1)求得：

其中，N為風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)數(shù)量；k為評(píng)估指標(biāo)對(duì)應(yīng)的準(zhǔn)則；rik表示風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)g在與應(yīng)準(zhǔn)則k的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等級(jí)。

1.1.2 層次分析法求主觀權(quán)重

根據(jù)AHP法運(yùn)算規(guī)則，由標(biāo)度值[8]比較法將各元素進(jìn)行兩兩比較可得到判斷矩陣表。隨后根據(jù)需要化簡計(jì)算矩陣表，目前可選用計(jì)算方法較多，也可利用yaahp軟件求解。但最終都需計(jì)算矩陣特征值及一致性檢驗(yàn)。

研究將采用yaahp軟件[9]求解確定矩陣特征值λmax，由式(2)檢驗(yàn)判斷矩陣的一致性：

表1 一致性指標(biāo)值

1.2 熵權(quán)法確定客觀權(quán)重

為避免主觀賦權(quán)引起的誤差，考慮結(jié)合熵權(quán)法確定評(píng)價(jià)對(duì)象的客觀權(quán)重[11]。首先，設(shè)有m個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象，且分別對(duì)應(yīng)有n個(gè)評(píng)價(jià)因素，建立歸一化判斷矩陣為：

其次，求解評(píng)價(jià)因素的熵為：

最后，確定第j個(gè)評(píng)價(jià)因素的權(quán)重為：

1.3 組合權(quán)重

將AHP法求得的主觀權(quán)重與熵權(quán)法的客觀權(quán)重相結(jié)合獲得評(píng)價(jià)對(duì)象的組合權(quán)重集。權(quán)重組合方法有線性加權(quán)組合法、乘法合成法兩種，但乘法合成法在權(quán)重均衡分配中較合適，而線性加權(quán)組合法相對(duì)應(yīng)用較廣[12-13]。由式(6)確定線性加權(quán)組合法權(quán)重為：

由式(7)確定乘法合成法權(quán)重為：

其中，cj為評(píng)價(jià)指標(biāo)的組合權(quán)重；aj為經(jīng)yaahp軟件求得的第j個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的AHP法權(quán)重；bj為第j個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的熵權(quán)；β為分配系數(shù)。

1.4 風(fēng)險(xiǎn)矩陣法確定風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)

1.4.1 判定事件發(fā)生概率和后果影響

危險(xiǎn)事件發(fā)生的概率、后果嚴(yán)重性是判斷風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的基礎(chǔ)[14]。事件后果影響等級(jí)說明見表2，可能性概率等級(jí)見表3。

表2 后果影響等級(jí)說明

表3 可能性概率等級(jí)說明

1.4.2 確定風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)

風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的確定與表2和表3密切相關(guān)，為此，構(gòu)建風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)判定表，風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)描述及量值見表4[15]。

表4 風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)判定表

確定指標(biāo)權(quán)重集與單個(gè)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)后，由式(8)確定煤氣泄漏風(fēng)險(xiǎn)綜合等級(jí)值為：

其中，rj為第j個(gè)指標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，n為風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)數(shù)量。

2 煤氣泄漏風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)

選擇某鋼鐵企業(yè)對(duì)高爐煤氣的煤氣柜區(qū)域煤氣泄露進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)。

2.1 確定冶金企業(yè)區(qū)域煤氣泄漏風(fēng)險(xiǎn)要素

事件發(fā)生的原因常與人、物、環(huán)、管有關(guān)，針對(duì)該企業(yè)煤氣柜區(qū)煤氣泄漏也不例外，生產(chǎn)儲(chǔ)存煤氣的罐體及管道為煤氣泄露的主要部位，而高爐煤氣中的CO含量較高，物質(zhì)有中毒窒息、火災(zāi)爆炸危害性。因此，從高風(fēng)險(xiǎn)人群、工藝、管理、設(shè)備、物質(zhì)、環(huán)境等因素來權(quán)衡煤氣泄漏的風(fēng)險(xiǎn)大小，采用比較法有針對(duì)性地選擇出7類影響煤氣柜區(qū)煤氣泄漏的風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)考慮人員密集程度、工藝完好水平、安全管理現(xiàn)狀、儲(chǔ)罐及其附件合格程度、物質(zhì)危害性、防護(hù)裝置設(shè)施情況、周圍環(huán)境布局合理性的風(fēng)險(xiǎn)性。

2.2 煤氣柜區(qū)域煤氣泄漏風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)分析

由Borda序數(shù)法確定每類指標(biāo)發(fā)生的可能性概率及后果影響的重要性排序，AHP法、熵權(quán)法確定組合權(quán)重值，由風(fēng)險(xiǎn)矩陣法對(duì)指標(biāo)評(píng)估。以“物質(zhì)危害性”為例，專家評(píng)估其發(fā)生的概率等級(jí)為5，影響等級(jí)為4，由風(fēng)險(xiǎn)判定表可知物質(zhì)危害性風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)很高，量化值為0.5。同理可求得其他6類風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)及量化值，見表5。

表5 煤氣泄漏風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

由Borda原理及式(1)，從風(fēng)險(xiǎn)固有屬性分析，影響該企業(yè)整體安全的關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)有7類，故N=7，而煤氣柜區(qū)域煤氣泄漏風(fēng)險(xiǎn)的風(fēng)險(xiǎn)矩陣有2個(gè)準(zhǔn)則，即k=1指煤氣柜區(qū)域煤氣泄漏風(fēng)險(xiǎn)概率準(zhǔn)則；k=2指煤氣柜區(qū)域煤氣泄漏風(fēng)險(xiǎn)影響準(zhǔn)則。以“物質(zhì)危害性”為例，“物質(zhì)危害性”的風(fēng)險(xiǎn)概率排序r11=4，而“物質(zhì)危害性”的風(fēng)險(xiǎn)影響r12=3，求得b1=7。

同理可求得其他6類煤氣泄漏風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)的Borda序數(shù)法，則7類風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)按表中順序的Borda數(shù)依次為：12、11、11、10、9、8、7。由Borda序數(shù)法的原理，取其相對(duì)數(shù)依次為：0、1、1、2、3、4、5。

根據(jù)Borda序值的對(duì)數(shù)排序，依次將評(píng)估指標(biāo)兩兩對(duì)比，確定綜合判斷矩陣為：

利用yaahp軟件計(jì)算各風(fēng)險(xiǎn)要素的權(quán)重，經(jīng)驗(yàn)證一次通過，求得主觀權(quán)重集：

A=[0.035，0.051，0.078，0.123，0.198，0.199，0.316]。

由熵權(quán)法規(guī)則，此處有7個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象，各有2個(gè)歸屬指標(biāo)，構(gòu)建判斷矩陣后由(4)、(5)判定泄漏風(fēng)險(xiǎn)的權(quán)重集：

B=[0.103，0.085，0.098，0.153，0.183，0.289，0.089]。

由此，可知風(fēng)險(xiǎn)權(quán)重值并不均等，選用式(6)確定組合權(quán)重更合理。因客觀權(quán)重在調(diào)查統(tǒng)計(jì)時(shí)可能有誤差，應(yīng)優(yōu)先考慮基于Borda序值的AHP法求得的權(quán)值，故取=0.65，由式(6)確定AHP法與熵權(quán)法的組合權(quán)重集：

C=[0.059，0.063，0.085，0.132，0.193，0.231，0.237]

依照式(8)，求得煤氣柜區(qū)域煤氣泄漏風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)：R=2.113。最終，可確定該企業(yè)煤氣柜區(qū)域煤氣泄漏綜合風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)屬“較高”風(fēng)險(xiǎn)。

3 結(jié)論

將風(fēng)險(xiǎn)矩陣法引入到了煤氣泄漏的風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)預(yù)測(cè)中，運(yùn)用基于Borda序數(shù)法的AHP法確定主觀權(quán)重，使得風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)排序更為明確，又避免了權(quán)重驗(yàn)證的繁瑣性。為克服權(quán)重的單一性，將主觀賦權(quán)法與熵權(quán)法的客觀賦權(quán)法相合，由組合權(quán)重法確定風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)綜合權(quán)重，使得賦值更加科學(xué)，能較好地反映各風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)對(duì)煤氣柜區(qū)域煤氣泄漏風(fēng)險(xiǎn)的重要程度。結(jié)合各指標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，確定煤氣泄漏風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，開發(fā)了簡單易用的煤氣泄漏風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)分級(jí)評(píng)估方法。以風(fēng)險(xiǎn)固有屬性為基礎(chǔ)，分析出人員密集程度、工藝完好水平、安全管理現(xiàn)狀、儲(chǔ)罐及其附件合格程度、物質(zhì)危害性、防護(hù)裝置設(shè)施情況、周圍環(huán)境布局合理性7類影響煤氣柜煤氣泄漏的風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)。通過工程實(shí)例分析，運(yùn)用該模型預(yù)測(cè)煤氣泄漏風(fēng)險(xiǎn)，表明構(gòu)建的組合權(quán)重的風(fēng)險(xiǎn)矩陣法是可行的，可為工程領(lǐng)域風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)提供參考價(jià)值。