基于加權模糊Petri網的化工安全風險評估方法

張曉靜

(山西興新安全生產技術服務有限公司，山西 太原 030024)

引 言

在石化工業中，大量的危險化學品在生產或儲存活動中被處理產生極大的危險，因此，相應的生產、儲存或運輸設施應該加強安全防范[1-2]。

Bajpai等修改了SRFT(安全風險因素表)模型使用模糊邏輯的概念[3]。Zhang和Reniers分析了流程工廠的通用入侵檢測系統，提出了流程工廠安全風險評估的博弈論模型。

1 加權模糊Petri網

1.1 Petri網

Petri網是用于分析和模擬并發系統的數學建模工具。系統被建模為一個有向圖，有兩個節點集：表示狀態或系統對象的位置集和事件集決定系統動態的位置，通常，位置用圓圈表示，轉換用矩形表示，見式(1)。

PN={P,T,I,O,M}

(1)

式中，P是位的有限集合，T是過渡有限集合，I是輸入函數，O是輸出函數，M是映射值。

1.2 模糊邏輯

模糊邏輯網絡用于修改Petri網，允許基于規則的模糊決策系統的表示和執行。

Zadeh為了處理人類思維中的模糊性，首先提出了模糊集理論，該理論能夠處理不確定的數據和所擁有的信息。此外，模糊集理論被設計用數學表示不確定性和模糊性，并為處理決策問題中固有的不精確性提供形式化工具。

集合X的一個模糊子集A，稱為論域，可以定義為有序對[X，mA(x)]，mA(x)為模糊集A的隸屬函數，定義為式(2)。

μA=X→[0,1]

(2)

這個函數可以取0到1區間內的任何值。在這種情況下，x是屬于隸屬程度,mA(x)表示特定情況下模糊集的隸屬函數是連續的。隸屬度函數可以有不同的形狀，三角形或梯形是最典型的，其特征是參數數量較少，但高斯型或廣義鐘形也很常見。

模糊邏輯可以用來表示具有模糊性的產生式規則(if-then規則)。if-then類型的模糊規則有以下形式：

如果x是A，那么y是B。

其中，A和B是對語言變量的具體評估。“x是A”這個詞被稱為先行詞，而“y是B”這個詞被稱為后件詞。前因和后因都采用成員關系來表達真理價值。此外，模糊規則通常有一個確定因子(CF)，CF是在0到1區間內的一個值，表示應用該規則時的置信度。

1.3 加權模糊Petri網

基于規則的系統的模糊產生式規則可以用模糊petri網模型表示。每個位置可能包含也可能不包含與0到1之間的真值相關聯的標記。每個轉換都與0到1之間的確定性因子值相關聯。從地點到轉場以及從轉場到地點的關系用有向弧表示。基于Chen和Gao的模糊Petri網定義，廣義模糊Petri網可以定義為9元組，見式(3)。

FPN={P，T，I，O，M,D,U,R,α}

(3)

其中，{P，T，I，O，M}是定義的petri網，FPN是模糊Petri網。

在很多決策過程中，決策因素會對決策目標產生影響，而且每個因素的重要性是不同的。因此，在產生式規則中，先行詞中的命題通常具有不同的重要性。Chen提出了一種加權模糊petri網模型來表示基于規則的系統的模糊產生式規則。在此基礎上，廣義加權模糊Petri網(WFPN)結構可以定義為一個10元組[式(4)]。

WFPN={P，T，I，O，M,D,U,R,α,w}

(4)

其中，WFPN是加權模糊Petri網。

2 基于WFPN的安全風險評估

2.1 安全風險評估的WFPN模型

WFPN可以用來建立直觀的圖形化產生式規則模型。在安全風險評估中，風險因素之間的邏輯關系可以轉化為WFPN的過渡關系和地點關系。在分級風險評估中，產生式規則有“與”和“或”兩種基本關系，如圖1和圖2所示。

圖1 “與”模糊生產的WFPN模型

圖2 “或”模糊生產的WFPN模型

采用SRFT風險因素建立安全風險分級評價指標體系，并在安全風險評價指標體系的基礎上，根據圖1和圖2所示的轉換方法建立相應的WFPN模型。

2.2 風險指數的權重

在WFPN模型中，由式(3)所確定的風險因素的“與”關系需要各因素的權重來明確其重要性。而由式(4)確定的“或”關系不需要各因素的權重。

如果風險指標的重要性不同，其權重對風險評價結果的影響較大。有很多方法可以用來確定權重。層次分析法(AHP)是一種用于組織和分析復雜決策的結構化技術。它將定量和定性分析相結合，量化專家經驗判斷。決策者通過比較的方法系統地評價層次系統中各要素的重要性。

2.3 案例分析

以煤油廠為例，煤油廠本案例風險因素如表1所示。

表1 煉油廠的因素價值

因此，根據真值函數，可以得到WFPN模型的位置的真值，如表2所示。

表2 煉油廠WFPN真值表

在這個說明性示例中，WFPN模型的安全風險等級均較高。但在某些情況下，WFPN模型的評估結果可能有很大差異。根據WFPN模型，標記地點p17的情況下為0.67，安全風險等級為高。

3 結論

通過安全風險評估，采取有針對性的措施來降低風險。通過編制安全風險因素表(SRFT)來評估化工廠的安全風險狀況，該表綜合了安全風險評估的主要部分：威脅分析、脆弱性分析、安全對策、緩解和應急響應。在SRFT的基礎上，提出了一種加權模糊Petri網安全風險評估方法。

通過一個算例對該方法進行了驗證，并對WFPN模型的計算結果進行了驗證。結果之間的差異反映了風險因素之間的關系建模的不同，在評估安全風險時，正確地確定和建模各因素之間的關系是獲得合理結果的關鍵。