有序工藝流程系統安全分析*

謝漢青 謝溆翔 段在鵬 邱少輝 王寓霖 黃月鈴

(1.中鋁東南材料院(福建)科技有限公司 福州 350015； 2.福州大學環境與資源學院 福州 350108)

0 引言

工藝流程指生產活動中為了得到某項產品或完成某項計劃而執行的從原料采集到產出產品的全部活動的總稱。工藝流程一般是有計劃的、有序而不可逆的生產環節的集合，比如石油加工工藝流程，其中的各項生產環節均不能輕易變動順序。現階段有序工藝流程安全評價特點及其與常規工業安全評價比較研究較少，所以對其進行研究，對有序工藝流程對安全性的影響進行一個科學的評價是很有必要的。

現階段學界對于安全評價的研究有很多，MENTES A等[1]開創性地結合模糊集理論(FST)，有序加權幾何平均算子(OWGA)與決策試驗和評價實驗室技術(DEMATEL)進行正式安全評估(FSA)。MENTES A等[2]基于有序加權幾何平均(OWGA)和廣義混合的方法，提出了一種新的算子(GMOs)。JIANG W等[3]基于可視圖平均算子(VGA)提出用于網絡分析的可視圖圖功率平均(VGPA)匯聚算子。ESAWEY M E等[4]運用經驗貝葉斯的方法對鄉村公路電纜屏障的安裝進行安全評價。GANJI S S等[5]最先在使用交叉效率法進行道路安全評價時通過考慮最佳和最差邊界并采用OWA聚合算子提出了雙邊界交叉效率法。WEI C F等[6]首次提出了一個誘導的語言有序加權幾何平均算子，并在此基礎上，給出了煤礦安全評價的決策方法。CHEN Q J[7]采用基于GIS的模糊OWA(有序加權平均)方法，對研究區的生態環境條件進行了研究。COPPO M等[8]運用多導體法建立一個新的電網模型評價故障電流的大小進行安全性評價。李忠源等[9]用可變模糊集理論,以相對隸屬度和相對差異函數為基礎,應用重要一致性排序定理確定指標權重,并通過級別特征值量化評價結果,以提高評價結果的可靠性。何金平等[10]將專門研究不確定性問題的云模型理論引入到大壩安全綜合評價之中,提出了基于云模型的大壩安全多層次綜合評價方法。馬占新等[11]在對船舶綜合安全評估中的評價方法研究的基礎上 ,系統分析了目前綜合安全評估方法的優勢與不足 ,提出了若干有待解決的問題和值得關注的研究方向。宇仁德等[12]通過對評價指標體系的優化,引入二次相對評價方法,提出了基于數據包絡分析(DEA)的道路交通安全評價方法。牛會永[13]在綜合分析國內外道路交通安全評價方法的基礎上,建立了城市道路交通安全的灰色評價方法。王玉振等[14]運用灰色統計理論對影響煤礦安全生產的4M因素進行了討論,提出了一種新的煤礦安全綜合評價方法。王玉振等[15]還采用灰色聚類方法,提出了一種新的安全評價方法——灰色聚類綜合法討論了煤礦掘進工作面安全評價問題。但是對于有序工藝流程的研究尚在起步階段。

本文首先分析有序工藝流程的安全影響特性，并建立數學模型描述該特性，根據有序工藝流程的各項特性建立了S型安全影響模型并點明了該模型的3種典型影響。之后本文采用有序可視圖模型，依據有序可視圖加權聚合算子(OGWA)對一條生產鏈上的各項生產環節的安全評分進行賦權，這種評價方式將工藝間安全性的影響考慮入安全評價范圍內，可以有效消除傳統的專家評議法賦權時的主觀性造成的誤差影響。最終得到一個更加準確、客觀、科學的評價結果，并依據評價對其生產安全提供合理的建議。

1 有序工藝流程的S型安全系統分析

現階段對于工業生產的安全評價多以安全系統工程為理論依據與指導方法。安全系統工程將整個有序生產流程的安全工作視為一個獨立的系統，系統內的各項要素都具有相關性，因此各項環節的安全工作對彼此的安全性的提升效果不是互相孤立而是會互相影響的。通過提升一個生產環節的安全性對其他生產環節安全性提升進行輻射影響從而可以促進整個系統的安全性整體提升，可以幫助決策者根據評價結果優化安全生產工作安排，盡量以較低的安全成本獲得更高的安全效益。

對于一條完整的工業生產鏈條，盡管人們并不能直觀的感知到，但工藝環節的排列順序對于整個工藝鏈的安全性確實有著明顯的影響。那么如何判斷一條有序工藝流程中的各項環節的安全性對其他后續環節的影響程度呢？在這里提出“有序工藝流程的S型安全系統”。

1.1 有序工藝流程的S型安全特性

“有序工藝流程的S型安全特性”指的是在一條有序工藝流程中，各工藝環節安全現狀不盡相同，形成一條高低起伏的S型曲線。例如某工藝如圖1共由8個先后貫序相關的環節組成，圖中每條柱長為該對應環節的安全得分，則將該8個安全得分可連接為1條起伏的S型曲線如圖1。

圖1 有序工藝流程的S型安全系統

有序工藝流程中位于前面的生產環節對于后續生產環節的安全性有一定的影響，但如果后續生產環節中存在安全性接近或更高的生產環節，該影響將會被新環節對后續環節的更強烈的影響遮蔽。在一條有序工藝流程中，隨著兩個生產環節的距離增大，中間生產環節達到的足以遮蔽二者間影響的安全性大小會逐步降低。

在實際的生產過程中，對于一條有序工藝流程，某一環節危險度提高可能不會立刻引發事故發生，卻會提高整個工藝流程的危險性，這不僅表現在該環節發生事故的可能性增大，還有這個環節產生的危險因素有可能隨著工藝流程的順序傳遞給下一個環節，如果后續環節的危險度較高，則傳遞的危險因素便容易引發安全事故；如果后續環節的危險度較低，則危險因素可能會被更加嚴格的安全操作消除而無法繼續傳遞下去。所以順序較前的生產環節對于后續鄰近的低安全性的生產環節的安全性具有一定的影響作用，并且對擁有相近安全性的后續環節之后的生產環節的影響力幾乎可忽略不計。故通過S型安全系統可以對單項生產環節在整個生產鏈上的綜合影響進行比較式的判斷，這種判斷不僅考慮到生產環節對后續生產環節的輻射影響程度，也將該生產環節能夠抵消來自前序生產環節影響的程度納入考慮，具有一定的合理性和客觀性。

1.2 典型S型安全系統分析

在S型曲線中，截取4個貫序環節，即可截取一個最小的S型單元，從而可以進一步精細刻畫各貫序環節的影響關系，一般安全影響情況可分為以下4種類型。

(1)單優異型。單優異型S型安全系統分析如圖2所示，生產環節A的安全性遠高于其余3項生產環節，即生產環節A的安全性能在模型中處于一個單優異的位置。生產環節C雖然比生產環節B、D安全性較高，但較之生產環節A仍然遜色不少。故生產環節A對后續3項生產環節的安全性影響均能明顯的體現出來，反應在圖上即是生產環節A與后續3項生產環節均能達成可視關系。

圖2 單優異型S型安全系統分析模型

(2)雙優異接近型。雙優異接近型S型安全系統分析模型如圖3所示，生產環節A的安全性依然高于其余3項生產環節，但是在該模型中，生產環節A與生產環節C的安全性十分接近，即生產環節A與生產環節C的安全性能在模型中處于一個接近的雙優異的位置。故生產環節A對后續的生產環節D的安全性影響會被生產環節C對生產環節D的影響掩蓋，反應在圖上即是生產環節A僅能與生產環節B、生產環節C達成可視關系。

(3)雙優異持平型。雙優異持平型S型安全系統分析模型如圖4所示，雙優異接近型S型安全系統分析模型如圖3所示，生產環節A的安全性依然高于其余生產環節B與生產環節D，但是在該模型中，生產環節A與生產環節C的安全性處于持平狀態，即生產環節A與生產環節C的安全性能在模型中處于一個持平的雙優異的位置。故生產環節A對后續的生產環節D的安全性影響會被生產環節C對生產環節D的影響掩蓋，反應在圖上即是生產環節A僅能與生產環節B、生產環節C達成可視關系。

圖3 雙優異接近型S型安全系統分析模型

圖4 雙優異持平型S型安全系統分析模型

2 有序可視圖模型

本文采用有序可視圖模型以刻畫有序工藝流程的S型安全系統，有序可視圖是在2008年被提出的系統分析模型，該模型將有序問題藉由圖論抽象為數學問題，從而實現對有序系統的定量分析，且該模型可以盡量規避專家賦權的主觀性，實現安全系統分析的客觀性與可靠性。

有序可視圖加權平均聚合算子基于有序可視圖隨機游走以及以下3個假設：

(1)被考慮的網絡是1個有限網絡。

(2)被考慮的網絡處處連通，不然應該將1個整體網絡分隔為數個處處連通的部分進行考慮。

(3)被考慮的網絡是1個無向網絡。

在滿足了以上3個假設的情況下，對于1個含有n個節點的有序可視圖，有序可視圖中的節點之間的連接關系用鄰接矩陣A表示。如果存在1個節點a到節點b的連接，那么鄰接矩陣的Aab則為1，否則為0。每一個節點的關聯度用Ki表示，Ki=∑jAij。

轉移概率規則如下：在時間t，一個漫游者在節點a處會等概率的從與節點a相聯通的Ki個節點挑選一個相鄰節點b。然后到時間t+1時，他會離開節點a而轉移到節點b。易得漫游者從節點a到達節點b的概率為Aij/Ki。

又因為有序可視圖映射得到網絡是無向的，所以當時間t為無限時，漫游者在不同的節點的轉移概率是恒定不變的。這個概率可由下式求出。

(1)

由上式可以看出，一個節點的聯通度越高，那么它被漫游者訪問到的概率就越大。故采用這個概率來作為有序可視圖加權平均算子的權重，即得到權重的方法如下：

對于一個需要進行聚合參數操作的含有n個元素的集合，在其所映射的有序可視圖中將會得到N個節點，即得到映射F：

In→I,I∈R

(2)

其中F(a1,a2,…,an)=w1a1+w2a2+…+wnan，式中ai是集合中第i個數值，wi則是ai對應的權重，且有：

(3)

又因為已經穩定的概率分布可以反映漫游者在有序可視圖到達每一個節點的概率，故將這個概率重新定義為數據ai對應的權重wi。即：

(4)

式中，Ki=∑jAij，N=∑iKi。

另外，若集合內只有一個參數，那么有序可視圖內將只有一個節點且其關聯度為0。因此規定若只有一個參數，其權重恒定為1。

3 實踐應用

3.1 評價工藝簡介

本文以某地石蠟精細化工廠的其中一條工藝鏈為例簡述有序工藝流程的S型安全影響模型的安全評價應用。如圖5，該工藝鏈的主要工藝流程概述如下。

圖5 工藝流程

3.2 基于 OGWA聚合算子的有序工藝安全系統分析

通過運用專家評議法對該工藝鏈上的各項環節進行打分，最終得到的各環節安全性評分如表1所示。

表1 各項生產環節的安全評價分數

將該有序工藝流程的安全性評分制作成可視圖如圖6、圖7。

圖6 有序工藝流程的安全性評分可視圖

圖7 有序工藝流程的安全性評分可視關系圖

根據可視圖制作出各項生產環節的鄰接矩陣及連通度如表2所示。

表2 有序工藝連通關系

表3 各項生產環節的指標權重及總分

該工藝鏈安全評價總分：

根據評價結果，該工藝鏈的安全性屬于比較安全層次。

3.3 系統有序與常規安全分析對比

根據表1所示各生產環節安全評分與權重和常規安全評分權重進行對比分析，得到如圖8的折線對比圖。

圖8 有序安全系統分析與常規分析對比

從圖8中可以發現雖然在日常工業生產中難以從主觀感受上感知到有序工藝流程中各項生產環節的安全性對后續安全生產的影響，但是在數據反映上卻有著明顯的差異。從圖8折線對比來看，一些在常規安全分析中評分相近、權重相近的生產環節，在將其可視關系納入安全分析后，彼此的權重得分便大相徑庭。

(1)以常減壓蒸餾與催化裂化生產環節為例，在常規安全分析中這兩個生產環節因為安全評分相近而得到了近似的權重，而在有序安全系統分析中因為可視關系的不同使得常減壓蒸餾生產環節在有序安全系統分析中的權重達到了丙烷脫瀝青的兩倍。這代表在有序安全系統分析中，生產環節在系統中的順序得到了考慮，在這種情境下常減壓蒸餾對后續生產安全環節的影響比丙烷脫瀝青更深遠，所以在有序安全系統分析中常減壓蒸餾的權重便更加得到重視。

(2)在常規安全系統分析中，液化氣脫硫與貯存運輸環節的安全性評分相同，因而他們擁有相同的權重，但是在有序安全系統分析中，這兩個生產環節因其所處順序差異而形成的可視關系不同而得到了不同的權重。在有序安全系統分析中，貯存運輸環節處于整個生產環節的末尾，同時只與聚丙烯達成了可視關系；而液化氣脫硫處于生產環節的中間位置，與前后多個環節達成了可視關系，這代表液化氣脫硫的安全影響力比運輸貯存要深遠的多，所以在進行安全評價時對于液化氣脫硫環節會賦予更大的權重。

(3)常規安全系統分析中獲得較高權重的生產環節依次是制聚丙烯、常減壓蒸餾、氣體分離，而在有序安全系統分析中則依次是催化裂化、常減壓蒸餾、氣體分離和制聚丙烯。有序安全系統在評價單項環節時會將該環節所處工藝鏈的位置順序及對其他環節的影響納入考慮因素從而對于評價權重的賦予進行修正。

以上差異性結果說明，與常規安全分析的安全性權重對比，在有序安全系統分析中，即使是得分相近的各項安全環節的指標，其權重根據其所處順序與可視關系會出現明顯的差異。表明了在確定各項指標權重時不單單考慮數值的大小還考慮到各項生產環節的安全性與鄰近的生產環節的安全性相對高度的因素這樣得到的指標權重在全局考慮上更加具有系統性、可靠性、科學性。同時也證明了有序安全系統分析在考慮生產環節所處的生產鏈上的順序對于整個系統安全性的影響上是具有指導意義的。

4 結論

(1)有序工藝流程的S型安全系統研究。本文基于有序工藝流程中的各項生產環節的安全性對其余生產環節的輻射影響，提出了S型安全系統分析模型，該模型指的是在一條有序工藝流程中，各工藝環節安全現狀不盡相同，形成一條高低起伏的S型曲線，運用該模型可以很好的將有序工藝流程中各項工藝所處位置對整體的安全性影響納入考慮中。

(2)典型S型安全系統分析。本文對S型安全系統分析模型在實際生產應用的可能表現進行探討，并歸納出3種典型的安全S型影響：單優異型、雙優異接近型、雙優異持平型，并對這三種典型安全S型進行闡述與探討。

(3)基于可視圖模型的有序工藝流程安全分析。本文運用有序可視圖模型對于有序工藝流程中安全性影響進行分析，以某地精細石蠟化工廠的一條工藝鏈為例進行有序安全系統分析，有序安全系統分析最終得到了該工藝流程的有序可視圖與各環節的評分和權重，再運用OWA聚合算子對評價結果進行聚合得到總體的安全評價。

(4)對比研究。本文對比了在不同安全分析方法下的各項生產環節的權重排序并發現在有序系統安全分析下生產環節的權重差異會更大，并且各項生產環節的權重排序也與常規安全分析有所不同。故在有序系統安全分析下易于發現生產鏈中的標桿生產環節并根據此來指導安全生產工作。