基于熵權可變模糊集的化工工藝本質安全評價

＊羅群光 金龍 馮云 余航 楊信林

（1.普洱超冠化工有限責任公司 云南 665000 2.成都市城市安全與應急管理研究院 四川 610000）

化工行業生產工藝復雜[1]，設備串聯廣且工作條件嚴苛，大多數在高溫高壓或者低溫真空工況下運行，其物料也具有易燃易爆、有毒的顯著特點。對于化工過程安全的風險管控，最根本的措施還在于源頭治理終極目標是本質安全[2]，本質安全概念自1978年由Trevor Kletz[3]教授首次提出以來就受到研究者的廣泛關注。本質安全屬于模糊的定性概念，因此量化本質安全對化工工藝設計與安全生產決策具有重要意義。研究者對此提出很多評判標準與本質安全量化評價方法。化工過程概念設計初期階段的本質安全評價主要用于篩選與分析工藝路線，目前評價方法主要歸納于3大類：指標型評價法、圖示型評價法[2]以及不確定性量化評價法。指標型評價包括本質安全原型指數法PIIS[4]、i-Safe[5]、本質安全指數法ISI[6]等。PIIS以化工過程中的工藝參數例如溫度、壓力和收率等作為分析指標，未考慮物料性質的危險性，評價結果采用專家打分求和的方式獲得。i-Safe著眼于反應步驟，未考慮物料儲存量及工藝控制參數，評價結果采用各反應步驟本質安全指數加和的方式獲得。ISI考慮指標較多，覆蓋范圍較廣，但是部分評價指標在工藝概念設計初期無法獲得，它適用于已經設計投產使用的工藝安全評價，因此在運用中有一定的難度。圖示型評價法是J.P.Gupta等[7]于2003年提出的一種可視化化工工藝安全評價方法，其評價思想較指標型評價有所進步，該方法考慮了指標量綱及權重對工藝本質安全程度的影響，將溫度、壓力和FET（可燃性、爆炸性和毒性）分別在圖中表示并依次相互比較得出安全性的高低。2008年，王艷華[8]利用基于模糊邏輯的數據推理方法實現了評價過程可視化，并對甲苯高溫加氫脫烷烴制取苯的工藝過程本質安全進行了評價，取得了較好的評價結果；2009年，李求進等[9]利用遺傳算法的Shepard插值對甲基丙烯酸甲酯的合成工藝進行了本質安全度的區分，取得了理想的區分效果；2010年，葉君樂[10]與王芳[11]等利用模糊綜合評價建立本質安全指數評價模型，實現不同化工工藝的本質安全性評價；2013年，劉維[12]引入可拓物元模型并結合熵權法賦權實現了甲基丙烯酸甲酯（Methyl Methacrylate，以下簡稱MMA）合成工藝的本質安全性評價；2013年，王芳[13]將Petri網與模糊數學結合，構造了基于Petri拓撲網絡的方案優選模型，并應用到丙烯酸生產方案中，成功篩選到了本質安全程度最高的生產方案；2016年，鄔長城[14]引入集對分析，通過構造同異反評估模型，實現了對MMA合成工藝本質安全度等級的確定；2018年，魏丹[15]引入未確知測度理論，利用置信度識別準則對酯化反應的不同合成工藝進行了本質安全度的區分；2018年，蔡逸倫[16]利用云模型，通過計算云模型的云最大綜合隸屬度實現了對MMA合成工藝本質安全性的比較。

本文提出引入可變模糊集作為評價模型，該模型同時融合了模糊線性、非線性逼近、方案優選和理想點4個不確定性模型的評價結果，為多種不確定性理論的結合體，該模型考慮的不確定性范圍更廣。同時利用客觀熵權法為指標賦權，避免了主觀因素影響評價結果。引入該模型，是對工藝本質安全評價方法多樣性的補充與有益探索，也是實現評價方法之間的相互印證。

1.評價指標體系與指標權重

(1)評價指標及閾值

化工工藝本質安全性取決于物料、工藝條件、反應能量釋放的安全性。化工過程復雜，工藝涉及的參數眾多，評價指標應當選擇對物料、工藝條件、反應能量釋放安全性影響較大且具有典型性、便于監測的參數，做到通用性、廣泛性、覆蓋性。本文參照文獻[8-16]及國家文件安監總管三〔2009〕116號《國家安全監管總局關于公布首批重點監管的危險化工工藝目錄的通知》[17]篩選了表征物料安全性的可燃性、爆炸性、毒性、物料儲量，表征反應能量釋放安全性的反應性，表征工藝條件安全性的工藝溫度、工藝壓力構建評價指標體系，本文參考國家化學品安全卡（ICSC）與化學品安全說明書（MSDS），以及文獻[8-16]的研究成果，確定各評價指標的具體參數及對應的本質安全等級閾值見表1。

表1 化工工藝本質安全評價指標及等級閾值

(2)評價指標權重

化工工藝本質安全評價屬于多指標復雜系統的評價問題，指標權重的合理性影響最終結果。考慮化工生產中工藝參數之間關聯度較大，參數間相互影響，本文為排除主觀因素干擾，遵照客觀實際，采用基于指標信息熵大小賦權的熵權法[12,18]。在利用熵權法求指標權重前，需對指標做標準化處理，目的是為排除指標數量級、量綱、指標優劣取向差異對決策結果的干擾。假設待評系統有n個待評樣本，系統有n個評價指標，則構成初始決策矩陣X=(xij)n×m標準化處理后形成標準化矩陣V=(vij)n×m。根據指標大小對決策貢獻類型，分為高優型指標與低優型指標。如果將數值越大本質安全等級越高的認為越優，從表1可以看出可燃性、毒性指標屬于高優型，其余指標屬于低優型。

2.可變模糊集基本理論

2005年，陳守煜針對Zadeh[19]的模糊集理論中采用靜態型隸屬度與隸屬函數處理模糊隨機動態變化系統不適用的問題，并運用到了水文領域[19-20]的復雜分析與評價問題，取得了較好的成果。該模型近年來被應用在礦山安全、環境安全、交通安全、地質災害等領域的風險評價中[21-24]。

(1)可變模糊集定義

設論域U上的一個模糊概念A，對U中任意的元素u(u∈U)對模糊概念A存在吸引性質與排斥性質，則μA(u)與分別表示吸引性質與排斥性質的隸屬度，吸引與排斥的相對強弱用相對差異度函數DA(u)表示，則有：

由（1）式可得吸引性隸屬函數為：

(2)相對差異度函數模型

設X0= [a，b]為數軸上可變模糊集合V的吸引域，在吸引域中μA(u)>μAc(u)，X= [c，d]為包括X0(X0?X)的某一可變擴展閾值區間，區間軸表示如圖1所示。

圖1 點與區間的相對位置關系

根據可變模糊集定義，如圖1所示，區間[c，a]與區間[b，d]均為集合的排斥域，在排斥域中排斥占主導即。點M∈[a，b]為吸引域中吸引最強的點即吸引隸屬度μA(u)=1的點。假設x為X區間可活動的任意點，則點x位于點M左側的相對差異度函數有兩種情況：一種為x位于左側吸引域，即x∈ [a，M]；另一種為x位于左側排斥域，即x∈ [c，a]。這兩種情況下的相對差異度函數DA(u)的計算公式如式（3）：

同理，點x位于點M右側的相對差異度函數DA(u)計算公式如式（4）：

若任意點x不在論域討論范圍即超出閾限，在擴展區間X以外即x? (c，d)表現出絕對排斥，此時相對差異度函數DA(u)=-1。相對差異度函數DA(u)通常為線性函數，式子中的β為非負指數，常取β=1。

(3)可變模糊集評價模型

①確定評價區間矩陣

參照表1而言，對于有n個評價指標，c個評價等級的評價體系而言，吸引域X0= [a，b]與可變擴展域X=[c，d]以及相對隸屬度為1的點M均應為矩陣形式，將三者的矩陣分別定義為Iab、Icd、IM，具體的矩陣表達如下：

式中，[ajh,bjh](j=1,2…,n;h=1,2,…,c)為指標j的h評價等級的吸引閾值區間；ajh，bjh分別為閾值的上限與下限。

式中，[cjh,djh](j=1,2…,n;h=1,2,…,c)為指標i的h評價等級的可變擴展閾值區間；cjh，djh分別為閾值的上限與下限。

式中，Mjh為對應吸引閾值區間[ajh,bjh](j=1,2…,n;h=1,2,…,c)的相對隸屬度為1的點，參照文獻[25]，具體表達式如式（8）所示。

確定上述矩陣Iab、Icd、IM后，由式（1）～（4）可得相對隸屬度矩陣μA(u)。

②可變模糊集評價模型

可變模糊集模型的表達式[25]如式（9）所示。

式中，wj為指標權重；α為可變優化標準參數；p為可變距離參數；uh為加權綜合相對隸屬度；α與p各有兩種取值，因此存在4種不同組合形式的子模型，具體如表2所示。由此可見可變模糊集模型通過自身參數變化實現模型動態可變，從不同角度逼近結果。本文將4個子模型在5個等級下的加權綜合相對隸屬度所構成的矩陣定義為U'4×5，該矩陣經過歸一化處理后得到的矩陣定義為U4×5。

表2 不同參數組合的子模型

③評價的等級判定

將待評價對象的級別特征值構成的矩陣定義為H，由矩陣U4×5的轉置矩陣得出，計算公式如式（10）：

最終隸屬度取上述4種子模型隸屬度的均值：

利用表3中的判定準則得到等級隸屬關系。

表3 可變模糊集評價結果判定準則

3.實例

甲基丙烯酸甲酯（Methyl Methacrylate，MMA）為無色揮發性液體，廣泛用于生產有機玻璃及有機玻璃塑料，分子式為CH2=C(CH3)COOCH3。就目前的主要合成方法主要是有三種，分別為丙酮氰醇法（ACH法，C-3路線）、異丁烯法（C-4路線）、乙烯法（C-2路線），3條不同合成路線的反應式及實際參數如表4所示。基于風險從嚴，通過查詢國際化學品安全卡（ICSC）與材料安全數據表（MSDS）提取了3條反應路線中最危險的本質安全指標量值作為待評特征值如表4所示。

表4 MMA不同合成工藝的參數

表4中的樣本數據做標準化預處理，再利用熵權法求取指標權重為wj={0 .1333，0.1526，0.1374，0.1388，0. 1447，，0. 1524，0. 1408}。

表5 MMA不同合成工藝路線

參照表1與圖1，以閃點為例，各風險等級的排斥閾與吸引閾如圖2所示：

圖2 閃點各風險等級排斥閾的吸引閾

參照圖2以及公式（5）～（8），計算Iab、Icd、IM如下：

以丙酮氰醇法為例，根據式（9）及矩陣Iab、Icd、IM求取相對隸屬度矩陣μA(u)：

已知評價指標權重為wj={0 .1333，0.1526，0.1374，0. 1388，0，0.1447，0. 1524，0.1408}，調用式（10），結合表2中的參數取值，計算4種子模型的在5個本質安全等級下加權綜合相對隸屬度uh，將所構成的矩陣U′做歸一化處理得到矩陣U。

利用式（10）、式（11）計算工藝本質安全的級別特征值Ht(t=1,2,3,4)及其均值。同理可以求出異丁烯法、乙烯法的本質安全級別特征值Ht(t=1,2,3,4)及其均值，并利用表3中的判別準則對3種工藝的本質安全性進行比較，結果見表6。

表6 三種工藝本質安全性的可變模糊集評價值

4.結論

（1）針對化工工藝本質安全受多因素耦合影響，引入可變模糊集從過渡態定量描述入手，并采用基于客觀熵權法賦權，以可變模糊集模型為母體模型，4個子模型分別從模糊線性、神經網絡非線性擬合、模糊優選、理想點不同角度逼近真實結果，實現了工藝處于本質安全過渡態時相對隸屬度大小的動態評價。同時可變模糊集模型級別特征值檔次拉開較大，說明對不同工藝本質性具有較強的區分度。

（2）可變模糊集與熵權法結合從不確定性量化與客觀權重的角度為企業在工藝線路的選取，復雜生產工藝的本質安全評價，工藝路線概念設計初期的優化設計提供參考。同時也可以對現有工藝路線的本質安全性作出準確評估，為未來工藝安全技術改造提供指引，具有一定的指導意義。