基于熵權法-TOPSIS的冶金企業作業循環更新研究

馮亞凝 周 艷副教授

(天津理工大學 環境科學與安全工程學院，天津 300384)

0 引言

長時間以來，我國一直是世界金屬冶煉和消費的大國。對于正在加快工業化進程，決勝全面實現小康社會的中國來說，冶金工業仍是推動中國經濟又好又快發展的一個支柱產業。生產安全是每一個企業的生命，對于冶金企業來說，安全更是至關重要。冶金工業作業種類繁多、分布廣、固有危險性高，按照工藝產品可劃分為煉鐵廠、煉鋼廠、軋鋼廠、冷軋廠等廠區，且每個廠區包括3-5個車間不等，工種多、數量大、工序復雜。最新統計表明，與交通事故、化工事故不同，冶金工業事故多為中毒和窒息事故，占死亡事故總數的40%，事故一旦發生影響大、波及范圍廣、傷害嚴重，且大多是由于人員的不安全行為——“自選操作”造成。

目前，國家大力推動“風險分級管控和隱患排查治理”雙重預防機制，運用安全管理原理及PDCA管理原理，致力于企業安全管理水平提升。企業為控制人員作業過程中的風險，運用以上原理力求打破現狀，實現管理水平螺旋上升趨勢，達到提升安全管理績效的最終目的。PDCA是科學的循環程序，在廣泛使用的同時，會逐漸形成管理人員的慣性思維，限制其創新性。基于此，中石油公司在2009年頒布工作循環檢查管理規范，通過初步、現場和最終評估，每年至少一次驗證實際操作是否符合操作規程，以及操作程序的完整性和可靠性，實現改進操作程序、規范人員作業的目的。周期檢查的方法同樣體現在職業健康檢查方面，2017年何朋等提出在生產作業活動中增加崗位職業健康檢查周期表；傅成林在2018年提出將作業場所職業病危害因素按照分級方法，對人員進行不同周期職業健康檢查；岳德全等在宏觀系統檢查中，提出定期和隨機檢查2種模型，計算最優周期檢測策略。從微觀角度來說，冶金工業大多企業沒有結合自身生產作業特點制定周期修訂制度，且現有操作規程不能覆蓋全部人員作業活動，單憑經驗進行修改征訂，缺乏有效性和針對性。由此，安全操作規程的綜合評價、周期更新還有待研究。

筆者擬在安全管理原理和作業循環檢查規范指導下，選用危險與可操作性分析方法(Hazard and Operability Study，HAZOP)系統辨識某冶金高爐車間操作程序，建立相關操作程序評價信息表，以風險發生次數、受傷程度、經濟損失、倒班作業次數4個指標進行綜合評價；再結合熵權法—逼近理想解排序法(Technique for Order Preference by Similarity to an Ideal Solution，TOPSIS)數學模型，判定危險性程度，確定更新操作程序的優先級及周期，驗證模型實際效應，完善操作規程修訂制度，并探索作業循環檢查機制擴展適用性。

1 構建熵權法-TOPSIS評價模型

1.1 熵權法

熵權法僅依賴于數據本身離散程度，根據各指標所含信息的差異性來確定各指標權重的客觀賦權法，不同于經驗打分、主觀定權的賦權方法。熵用于度量不確定性，指標離散程度越大則熵值越小，指標提供信息量就越多，則該指標權重越大。

1.1.1 原始矩陣歸一化

設評價方案為

n

個，各個方案的評價指標為

m

個，某

i

個評價方案下的第

j

個評價指標表示為

a

，其中1≤

i

≤

n

，1≤

j

≤

m

。則構造原始矩陣

A

，并對其進行歸一化處理：

(1)

(2)

1.1.2 各指標熵值

(3)

式中：

k

—正數調整系數，確保計算結果始終為正，與樣本數量有關，常取

k

=1/ln

n

。

1.1.3 各指標權系數

(4)

其中，

ω

越大，則該指標的信息量越大，其權重越大。

1.2 TOPSIS法

1981年，C.L.Hwang和K.Yoon首次提出TOPSIS方法，是一種逼近于理想解的排序法，在處理現實世界中多屬性或多標準決策問題時是一種非常有用的技術。該方法可充分利用原始數據信息，精確地反映各評價方案之間差距。采用余弦法找出有限方案中最優方案和最劣方案，分別計算各評價對象與最優方案、最劣方案之間距離，以此作為評價優劣依據。

1.2.1 指標屬性同向化

TOPSIS法使用距離尺度來度量樣本差距，需要對指標屬性進行同向化處理，一般選擇指標正向化。

極小型指標：

x

′=

T

-

x

(5)

(6)

式中：

x

′—

x

正向化后的數據；

T

—

x

可能取值的最大值；

t

—

x

可能取的最小值。

1.2.2 初始矩陣標準化

初始矩陣為

A

，正向化矩陣設為

A

′，將

A

′標準化，得到標準化矩陣

Z

。

(7)

(8)

1.2.3 最優方案與最劣方案

最優方案

Z

由

Z

中每列元素最大值構成：

Z

=(max{

z

,

z

,…,

z

1}，max{

z

,

z

,…,

z

2}，…，max{

z

1,

z

2,…,

z

})=(

Z

，

Z

，…，

Z

)最劣方案

Z

由

Z

中每列元素最小值構成：

Z

=(min{

z

,

z

,…,

z

1}，min{

z

,

z

,…,

z

2}，…，min{

z

1,

z

2,…,

z

})=(

Z

，

Z

，…，

Z

)

1.2.4 各評價對象與最優、最劣方案的接近程度

與最優解的接近程度：

(9)

與最劣解的接近程度：

(10)

1.2.5 各評價對象與最劣方案的貼近程度

C

(11)

式(11)表示與最劣方案貼近程度，0≤

C

≤1，根據大小將評價結果進行排序，則

C

→0表明評價對象越優。

2 確定更新周期

2.1 識別操作程序

采用HAZOP分析方法對某冶金高爐車間操作程序進行識別，將一個完整工藝過程或操作行為分割成多個節點，按照節點劃分依次進行分析、辨識，可達到全面、系統的目的，并與現場人員作業時的“自選操作”進行對比，通過引導詞提示找出偏差，及偏差引起的后續風險。該冶金高爐車間操作程序部分截取，見表1。

2.2 數據分析確定

統計分析某企業近一年事故，并結合文獻資料、相關行業背景及安全生產規章制度，針對以上操作程序，將偏差帶來的安全風險，以風險發生次數、受傷程度、經濟損失、倒班作業次數為指標，進行綜合評價。其中作業次數按照生產現場4班倒的作業制度統計，見表2。

2.3 模型實例計算

(1)將表2中內容進行量化賦值，其中重傷、輕傷、險肇事故按照3、2、1數值進行量化，形成初始矩陣

A

。

表1 操作程序部分信息表Tab.1 The partial information table of operation program

表2 綜合評估數據Tab.2 Comprehensive assessment data

(2)使用熵權法確定各指標權重，利用公式(2)將

A

中數據歸一化處理，采用公式(3)、(4)計算得各指標熵值

e

和權重

w

，見表3。

表3 各指標熵值與權重Tab.3 Entropy value and weight of each index

(3)初始矩陣中風險發生次數、受傷程度、經濟損失期望值越少越好，即為極小型指標，選用公式(5)正向化。作業次數可多可少，即為中間型指標，選用公式(6)正向化，而后數據需采用公式(7)標準化處理，得矩陣

Z

。

表4 最優方案和最劣方案Tab.4 The best and the worst

(5)依據表3、表4中數據，采用公式(9)求得正理想解，采用公式(10)求得負理想解。計算結果綜合公式(11)計算各評價對象的最終得分，并進行排序，見表5。

表5 熵權法-TOPSIS綜合評價結果Tab.5 Comprehensive evaluation results by entropy weight method and TOPSIS

由評價結果可知，燒鐵口作業綜合危險性最高，卸布袋除塵箱體灰綜合危險性最低，并與現場人員評估驗證，排序結果與實際情況相符。因此在制定更新操作程序周期時，關注度應按照排序結果判定，優先關注燒鐵口作業，制作泥套次之，以此類推，設置月檢、季檢、半年檢、一年檢的更新周期。

根據文獻6和綜合評價結果，可制定作業周期檢查表，開展現場評估，見表6。現場操作員按照安全操作規程作業，如果部分操作行為未按照規程工作，則操作主管應記錄操作員的實際操作行為。而后，操作主管和操作員討論評估中發現的問題，與現場各崗位工作人員商定改進建議，最終更新到相應安全操作規程中。

結果表明，量化、排序后的操作規程更新周期，改善了原有一次性集中、大規模的粗糙修訂方式，對于安全操作規程更加方便、有針對性，有效節約安全管理時間、精力、資源成本。

表6 現場評估表Tab.6 Site assessment table

3 結論

(1)運用HAZOP分析方法對某冶金高爐車間操作程序進行辨識，形成操作程序信息表，以風險發生次數、受傷程度、經濟損失、作業次數4個指標建立判據。

(2)采用熵權法和TOPSIS法相結合的綜合評判模型，可以對4個指標賦予客觀權重，避免人員的主觀賦權；計算出各作業任務與最劣解的貼近程度，幫助人員合理分配關注度，制定周期更新制度。驗證評價結果與現場實際相吻合，表明該模型是合理可行的。

(3)在安全管理原理和作業循環檢查機制的指導下，建立了冶金企業某高爐車間的安全操作規程更新制度，有效地將作業循環檢查機制應用于冶金企業當中，擴展其適用性。

(4)根據作業循環分析規范和綜合評價結果制定周期檢查信息表，優化、規范人員“自選操作”，最終可有效更新制定符合現場實際的安全操作規程。

(5)可基于法律法規和標準原理提出新方法，或持續優化現有方法，對人員作業的危害程度進行合理評判，進一步研究探討。