危險(xiǎn)化工工藝安全評估系統(tǒng)構(gòu)建

張以堅(jiān)

摘要：為降低化工工藝生產(chǎn)過程中事故發(fā)生的概率，構(gòu)建一種基于TFN-AHP的危險(xiǎn)化工工藝安全評估系統(tǒng)。通過無線傳感器對化工工藝生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行收集;然后采用Kriging插值算法對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，最后通過TEN-AHP模糊綜合評估方法對工藝生產(chǎn)的安全程度進(jìn)行綜合評價(jià)。系統(tǒng)測試表明，通過該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)危險(xiǎn)化工工藝安全的整體評估。

關(guān)鍵詞：TEN-AHP;Kriging插值算法;多層次綜合評估;化工工藝

中圖分類號：TQ 086

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1001-5922（2022）06-0077-06

Construction of safety assessment system for hazardous chemical process

ZHANG Yijian

（Guangdong Green Detection Technology Co.， Ltd.， Guangzhou 510000， China

）

Abstract：In order to reduce the probability of accidents in chemical process production， a dangerous chemical process safety assessment system based on TFN-AHP is constructed. Firstly， the chemical process production data are collected by wireless sensor， then the Kriging interpolation algorithm is used to preprocess the data， and finally the safety degree of process production is comprehensively evaluated by TFN-AHP fuzzy comprehensive evaluation method. The system test shows that the system can realize the overall evaluation of dangerous chemical process safety.

Key words：TEN-AHP; Kriging interpolation algorithm; multi-level comprehensive evaluation; chemical technology

危險(xiǎn)化工生產(chǎn)過程往往伴隨易燃、易爆的特點(diǎn)，危險(xiǎn)程度也高于其他行業(yè)。通過以往爆炸事故的統(tǒng)計(jì)，危險(xiǎn)化工事故占到了30%。因此，加強(qiáng)對化工企業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)評估具有重要意義。有學(xué)者提出一種新加氫工藝安全評價(jià)體系，在一定基礎(chǔ)上促進(jìn)了化工企業(yè)風(fēng)險(xiǎn)評估體系的構(gòu)建工作[1];還有提出化工企業(yè)安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化的方法，有助于構(gòu)建風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)體系[2]。由于化工生產(chǎn)具有危險(xiǎn)性，且生產(chǎn)具有復(fù)雜性、連續(xù)性的特點(diǎn)，因此在化工安全監(jiān)管時，僅依靠傳統(tǒng)的人工監(jiān)管和評價(jià)已經(jīng)不能滿足需求。鑒于此，本文結(jié)合相關(guān)信息技術(shù)，提出一種危險(xiǎn)化工工藝安全評估系統(tǒng)，通過信息化的方式，綜合對化工生產(chǎn)進(jìn)行評估，從而提高危險(xiǎn)化工安全評估的效率。

1危險(xiǎn)化工工藝安全評估系統(tǒng)整體架構(gòu)

1.1總體功能架構(gòu)設(shè)計(jì)

考慮到根據(jù)危險(xiǎn)化工工藝安全評估的信息化需求，以及評估的定性與定量問題，在結(jié)合信息化技術(shù)的基礎(chǔ)上，引入定量評價(jià)模型，且通過信息化的方式實(shí)現(xiàn)危險(xiǎn)化工工藝安全的評估。架構(gòu)包括安全參數(shù)監(jiān)控、設(shè)備維護(hù)管理、人員安全管理等功能模塊，具體如圖1所示。

1.2系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

本評估系統(tǒng)支持多種傳感節(jié)點(diǎn)、標(biāo)簽和讀寫器接入，具體網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖2所示。該網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)包括3個部分：（1）互聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)，它支持TCP、IP和http等協(xié)議，通過WiFi傳輸連接云服務(wù)平臺，可接入溫度、儲量和壓力等傳感器;（2）Zigbee自組織網(wǎng)絡(luò)，它可以通過專用的Zigbee網(wǎng)關(guān)和協(xié)議轉(zhuǎn)換對接云服務(wù)平臺，可接入溫度、CO、CO、壓力等傳感器;（3）RFID讀寫器，采用232或485串口通信和以太網(wǎng)通信連接終端電腦，并通過采集數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，云服務(wù)平臺提供數(shù)據(jù)。

1.3危險(xiǎn)化工工藝評估系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)

危險(xiǎn)化工工藝評估系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)包括4個部分：（1）系統(tǒng)應(yīng)用層，該層包括基于RFID的數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)和基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)。這兩個應(yīng)用系統(tǒng)的作用是對采集的數(shù)據(jù)展示、設(shè)備和人員信息進(jìn)行管理，并且可以統(tǒng)計(jì)、查詢和導(dǎo)出數(shù)據(jù);（2）核心組件層，這一層包括分布式數(shù)據(jù)存儲和管理系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)信息預(yù)處理系統(tǒng)。它們的作用分別是控制通信訪問、數(shù)據(jù)訪問和對數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗和格式化;（3）基礎(chǔ)支撐層，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)庫管理;（4）信息接入層。具體技術(shù)架構(gòu)圖如圖8所示。

2危險(xiǎn)化工工藝生產(chǎn)數(shù)據(jù)的融合和預(yù)處理

通過以上架構(gòu)設(shè)計(jì)看出，構(gòu)建危險(xiǎn)化工工藝安全評估系統(tǒng)的首要問題是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集與數(shù)據(jù)融合。由于在化工工藝中通過無線傳感器采集的數(shù)據(jù)往往存在誤差[3-5]，本研究采用Kriging插值算法對數(shù)據(jù)進(jìn)行融合和預(yù)處理。Kriging插值算法是一種根據(jù)樣本信息的空間位置和形狀大小等，其給每個樣本提供一個系數(shù)，然后對預(yù)測區(qū)域進(jìn)行加權(quán)平均評估的方法。

2.1建立依存關(guān)系

采用Kriging插值算法對實(shí)時傳感器數(shù)據(jù)儲量、溫度等進(jìn)行位置預(yù)測時，首先建立樣本數(shù)據(jù)之間的依存關(guān)系。兩兩配對樣本數(shù)據(jù)的所有節(jié)點(diǎn)，然后建立時間距離與實(shí)時數(shù)據(jù)的關(guān)系對，具體如圖3所示。最后利用關(guān)系對建立互相關(guān)性和自相關(guān)性的空間模型。

建立依存關(guān)系共有2個步驟：

（1）根據(jù)數(shù)據(jù)樣本時間分布情況獲得半變異函數(shù)，從而得到關(guān)系對的半變異函數(shù)值，具體如式（1）所示[6];

式中：n表示關(guān)系對數(shù)量;h為時間距離。

（2）在半變異函數(shù)值和時間距離關(guān)系的基礎(chǔ)上，采用最小二乘法進(jìn)行擬合預(yù)測，由此建立依存關(guān)系。

2.2預(yù)測估計(jì)

根據(jù)上述的半變異模型來預(yù)測未知的數(shù)據(jù)點(diǎn)（溫度、儲量等），具體如式（2）所示：

式中：S為樣本數(shù)量;W為權(quán)重系數(shù);Z表示預(yù)測值;Z為預(yù)測樣本點(diǎn);數(shù)據(jù)點(diǎn)的計(jì)算過程如式（3）所示。本研究采用距離待預(yù)測位置最近的4個樣本點(diǎn)進(jìn)行預(yù)測，則S=4，預(yù)測過程如圖4所示。

式中：λ表示未知參數(shù);W、W、W、W分別表示4個權(quán)值。假設(shè)待預(yù)測的位置為0號，距離待預(yù)測點(diǎn)最近的4個樣本數(shù)據(jù)點(diǎn)分別為1、2、3、4號，則利用這4個點(diǎn)來預(yù)測0號位置的過程：首先計(jì)算半變異函數(shù)值y（h）;然后根據(jù)式（3）計(jì)算4個樣本點(diǎn)的權(quán)重系數(shù);最后利用式（2）對0號位置進(jìn)行預(yù)測，具體如圖4所示。

3基于TFN-AHP的危險(xiǎn)化工工藝安全評估算法

在數(shù)據(jù)預(yù)處理基礎(chǔ)上，構(gòu)建危險(xiǎn)化工工藝安全評估算法，從而對當(dāng)前的化工工藝安全等級進(jìn)行定量分析。為此，本部分首先構(gòu)建風(fēng)險(xiǎn)評估體系，然后采用TFN-AHP對化工工藝安全進(jìn)行綜合評估。

3.1風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)體系

風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)體系由工藝參數(shù)、危險(xiǎn)物料、安全控制組成。其中危險(xiǎn)物料的評估包括燃料物、爆炸物的危險(xiǎn)性及毒害性、物質(zhì)腐蝕等;工藝參數(shù)評估包括儲量、流量、氧含量、溫度、壓力等。而安全控制評估包括緊急冷卻系統(tǒng)、溫度參數(shù)報(bào)警聯(lián)鎖、安全泄放系統(tǒng)、緊急停車裝置、可燃有毒氣體監(jiān)測報(bào)警裝置等。危險(xiǎn)化工工藝安全評估指標(biāo)體系如圖5所示。

3.2TFN-AHP各級指標(biāo)權(quán)重的確定

由圖5可知，評估指標(biāo)體系共有3層。由于主觀性帶來的影響，導(dǎo)致不同專家的評估存在不確定性，因此本研究采用三角模糊數(shù)來確定指標(biāo)體系。

3.2.1模糊判斷矩陣的構(gòu)建

兩量比較各層評估指標(biāo)可得到一個具有科學(xué)量化的判斷矩陣。假設(shè)評價(jià)指標(biāo)數(shù)量為n，模糊判斷矩陣為A=（a）×n，其中a=[l，m，u]（1≤m≤u）為描述事件的重要程度[7]。同時，邀請多名專家進(jìn)行評估工作，則綜合三角模糊數(shù)：

3.2.2計(jì)算各層指標(biāo)權(quán)重

3.3模糊綜合評價(jià)法

3.3.1判斷對象和評判級的確定

對化工工藝生產(chǎn)設(shè)備的安全控制進(jìn)行評估時，受到多方面指標(biāo)的影響。根據(jù)所構(gòu)建的指標(biāo)體系和多名專家經(jīng)驗(yàn)，令評判集V={V，V，V，...，V}，其中V表示“異?！薄ⅰ拔ｋU(xiǎn)”、“安全”等評判等級。

3.3.2正態(tài)分布構(gòu)建模糊關(guān)系矩陣

正態(tài)分布能夠采集隸屬度較高的信息，過濾隸屬度低的信息。因此，采用模糊正態(tài)分布隸屬函數(shù)構(gòu)建關(guān)系矩陣，其函數(shù)公式：

式中：μ表示正態(tài)分布的期望值;σ表示標(biāo)準(zhǔn)差。其隸屬度函數(shù)變化如圖6所示。

由圖6可知，評判區(qū)間分別為安全、異常和危險(xiǎn)，對應(yīng)的期望值分別為 μ、μ和μ。根據(jù)正態(tài)分布的特點(diǎn)可知，函數(shù)大部分位于期望值的3個標(biāo)

準(zhǔn)差區(qū)域內(nèi)，因此本研究將隸屬度函數(shù)的定義域設(shè)為6σ，則安全、異常和危險(xiǎn)區(qū)間的具體隸屬函數(shù)為[9]：

3.4多層次綜合評價(jià)

根據(jù)各層指標(biāo)權(quán)重系數(shù)和模糊關(guān)系矩陣，并依次向上合并可得到不同評判集的最終合成權(quán)重（RPS）[10]：

3.5綜合評價(jià)流程設(shè)計(jì)

根據(jù)各指標(biāo)間存在的邏輯關(guān)系，給出綜合評估結(jié)果，從而完成多層次模糊綜合評判。具體評價(jià)流程如圖7所示。

由圖7可知，模糊評價(jià)流程分為以下幾個步驟：（1）根據(jù)各個因素之間的關(guān)系對評價(jià)遞階層次結(jié)構(gòu)進(jìn)行構(gòu)建;（2）采用層次分析法，兩兩比較每一層的各個指標(biāo)，從而建立判斷矩陣，得到層次要素的重要性排序，實(shí)現(xiàn)權(quán)重向量的建立;（3）建立評價(jià)集V;（4）根據(jù)專家評估構(gòu)建多層模糊評判矩陣;（5）通過加權(quán)計(jì)算得到最終評價(jià)結(jié)果。

4危險(xiǎn)化工工藝安全評估系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

危險(xiǎn)化工工藝安全評估系統(tǒng)應(yīng)該實(shí)現(xiàn)用戶對化工企業(yè)監(jiān)控對象節(jié)點(diǎn)進(jìn)行新建、編輯和管理，并管理設(shè)施設(shè)備。同時，還需要提供能夠直接顯示檢測數(shù)據(jù)的監(jiān)控畫面，便于觀察和記錄數(shù)據(jù)信息，發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障。此外，系統(tǒng)還應(yīng)提供開放式的數(shù)據(jù)接口，允許用戶靈活配置監(jiān)控參數(shù)相關(guān)信息。

圖8表示系統(tǒng)的登錄界面。系統(tǒng)的登錄用戶分為管理員登錄和普通用戶登錄，系統(tǒng)登錄中設(shè)有賬號記憶功能。只有管理員擁有賬戶權(quán)限分配、修改和刪除賬號，如圖9所示。

危險(xiǎn)化工工藝安全評估系統(tǒng)由系統(tǒng)工具、分布式數(shù)據(jù)管理、人員視頻管理、系統(tǒng)配置、系統(tǒng)管理組成。其中系統(tǒng)配置對象為網(wǎng)絡(luò)、傳感器信息和監(jiān)測對象等;系統(tǒng)工具的作用是傳達(dá)通信狀態(tài)，如移動節(jié)點(diǎn)的連網(wǎng)狀態(tài);分布式數(shù)據(jù)采集模塊可以顯示移動節(jié)點(diǎn)的數(shù)量，并對移動節(jié)點(diǎn)進(jìn)行連接或斷開操作。系統(tǒng)管理模塊包括歷史數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)備份和用戶管理。

圖10為系統(tǒng)的整體界面，系統(tǒng)的首頁的展現(xiàn)方式包括數(shù)據(jù)列表和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?。其中網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渌宫F(xiàn)的是傳感器的布局，數(shù)據(jù)列表展示了傳感器的傳輸頻率和監(jiān)控參數(shù)。同時，系統(tǒng)的頁面包含了傳感器的編號、名稱、類型和運(yùn)行狀態(tài)等信息，便于獲取實(shí)時數(shù)據(jù)，具體如圖11、圖12所示。

圖13為系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)評估指標(biāo)體系，包括危險(xiǎn)物料、工藝參數(shù)和安全控制這3個模塊，其標(biāo)準(zhǔn)值分別為0.1、0.6和0.3。工藝參數(shù)決定了風(fēng)險(xiǎn)評估的最終結(jié)果，通過風(fēng)險(xiǎn)評估算法，導(dǎo)入數(shù)據(jù)就可得到最終的風(fēng)險(xiǎn)評估結(jié)果。

4結(jié)語

本研究通過對傳感器所獲取的實(shí)時數(shù)據(jù)進(jìn)行融合和預(yù)處理，并結(jié)合層次綜合風(fēng)險(xiǎn)評估方法對化工工藝安全狀態(tài)進(jìn)行定量和半定量風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)管理，構(gòu)建層次指標(biāo)體系。在此基礎(chǔ)上，成功實(shí)現(xiàn)對危險(xiǎn)化工工藝評估系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，有助于對化工企業(yè)的安全狀態(tài)進(jìn)行評估。本研究存在一定的不足之處，如無法驗(yàn)證數(shù)據(jù)的可信度，無法認(rèn)定決策數(shù)據(jù)的可靠性等。因此，本研究還需對危險(xiǎn)化工工藝安全評估系統(tǒng)進(jìn)行完善。

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