王貝貝　孫家偉　許開立　張輝

(1.東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院　沈陽 110819；　2.山東鋼鐵集團(tuán)日照有限公司　山東日照 276800；　3.一汽-大眾汽車有限公司　長春 130013)

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基于RS-SPA-Markov chain的生物質(zhì)氣化站安全評價與預(yù)測模型研究*

王貝貝1孫家偉2許開立1張輝3

(1.東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院沈陽 110819；2.山東鋼鐵集團(tuán)日照有限公司山東日照 276800；3.一汽-大眾汽車有限公司長春 130013)

摘要本文在資料收集、實(shí)地考察、專家評估的基礎(chǔ)上，建立了相對通用的生物質(zhì)氣化站安全評價指標(biāo)體系，引入了RS-SPA-Markov chain安全評價與預(yù)測模型。通過實(shí)例應(yīng)用，證明了該模型應(yīng)用于生物質(zhì)氣化站安全評價與預(yù)測的可行性和科學(xué)性，為生物質(zhì)氣化站安全評價與預(yù)測提供了一種新的途徑。

關(guān)鍵詞生物質(zhì)氣化站粗糙集集對分析馬爾科夫鏈安全評價與預(yù)測

0引言

隨著現(xiàn)代化建設(shè)的日益深入，生產(chǎn)、生活各個領(lǐng)域的安全問題逐漸顯現(xiàn)并成為我國構(gòu)建和諧社會的主要障礙之一，安全評價與預(yù)測是解決這些安全問題的基本程序和重要手段。本文在建立安全評價指標(biāo)體系的基礎(chǔ)上，將粗糙集(Rough sets)理論、集對分析(Set Pair Analysis)、馬爾可夫鏈(Markov chain)相結(jié)合構(gòu)建了RS-SPA-Markov chain安全評價與預(yù)測模型，并將其應(yīng)用于危險因素眾多且具有不確定性特點(diǎn)的生物質(zhì)氣化站。經(jīng)驗(yàn)證，評價與預(yù)測結(jié)果均與該生物質(zhì)氣化站的實(shí)際安全狀況相吻合，證明了將RS-SPA-Markov chain模型應(yīng)用于生物質(zhì)氣化站安全評價與預(yù)測的可行性與科學(xué)性。

1安全評價指標(biāo)體系的建立

建立一個合理、客觀、完善的指標(biāo)體系是安全評價的基礎(chǔ)，也是整個評價的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。本文按照科學(xué)性、系統(tǒng)性和實(shí)用性原則，結(jié)合生物質(zhì)氣化站的實(shí)際特點(diǎn)，建立如圖1所示的指標(biāo)體系。

2基于RS-SPA-Markov chain的安全評價與預(yù)測模型的建立

2.1基于RS的指標(biāo)權(quán)重的確定

粗糙集理論是一種新的處理模糊和不確定性知識的數(shù)學(xué)工具，其主要思想就是在保持分類能力不變的前提下，通過知識約減，導(dǎo)出問題的決策或分類規(guī)則。目前，粗糙集理論已被成功地應(yīng)用于機(jī)器學(xué)習(xí)、決策分析、過程控制、模式識別與數(shù)據(jù)挖掘等領(lǐng)域。本文在對多個生物質(zhì)氣化站進(jìn)行資料收集、實(shí)地考察并征求多位專家意見的基礎(chǔ)上，建立了生物質(zhì)氣化站安全知識表達(dá)系統(tǒng)，以其子系統(tǒng)安全管理知識表達(dá)系統(tǒng)為例說明基于粗糙集理論的安全評價指標(biāo)權(quán)重的確定過程。C={C1，C2，C3，C4}，其中，C1：安全管理制度；C2：安全管理組織及人員素質(zhì)；C3：安全技術(shù)措施及費(fèi)用；C4：事故應(yīng)急與救援。D為決策因素。取離散值(1，2，3，4)，分別代表優(yōu)秀、良好、合格、不合格。預(yù)處理結(jié)果如表1所示。

圖1　生物質(zhì)氣化站安全評價指標(biāo)體系

論域C1C2C3C4D11121121322231212141223351132161222271321281111192111110211321123222122221213211111423322152112216322221732133183213219312122033323

利用粗糙集理論計(jì)算指標(biāo)權(quán)重的具體過程如下：

U/C={{1},{2},{3},{4},{5},{6},{7},{8},{9,13},{10},{11},{12},{14},{15},{16},{17,18},{19},{20}}

U/{C1}={{1,2,3,4,5,6,7,8},{9,10,11,12,13,14,15},{16,17,18,19,20}}

U/{C2}={{1,5,8,9,10,13,15,19},{3,4,6,12,16,17,18},{2,7,11,14,20}}

U/{C3}={{3,8,9,10,13,15,17,18},{1,2,4,6,7,11,12,16,19},{5,14,20}}

U/{C4}={{1,7,8,9,12,13,19},{2,3,5,6,11,14,15,16,20},{4,10,17,18}}

U/{C1,C2,C3}={{1},{2,7},{3},{4,6},{5},{8},{9,10,13,15},{11},{12},{14},{16},{17,18},{19},{20}}

U/{C1,C2,C4}={{1,8},{2},{3,6},{4},{5},{7},{9,13},{10},{11,14},{12},{15},{16},{17,18},{19},{20}}

U/{C1,C3,C4}={{1,7},{2,6},{3},{4},{5},{8},{9,13},{10},{11},{12},{14},{15},{16},{17,18},{19},{20}}

U/{C2,C3,C4}={{1,19},{2,11},{3},{4},{5},{6,16},{7},{8,9,13},{10},{12},{14,20},{15},{17,18}}

U/D={{1,3,5,8,9,13},{2,6,7,10,11,12,15,16,18,19},{4,14,17,20}}

posC(D)={1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,19,20}

γC(D)=|posC(D)|/|U|=18/20

pos(C-{C1})(D)={2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,20}

γ(C一{C1})(D)=|pos(C一{C1})(D)|/|U|=16/20

pos(C-{C2})(D)={2,3,4,5,6,8,9,10,11,12,13,14,15,16,19,20}

γ(C一{C2})(D)=|pos(C一{C2})(D)|/|U|=16/20

pos(C-{C3})(D)={1,2,4,5,7,8,9,10,12,13,15,16,19,20}

γ(C一{C3})(D)=|pos(C一{C3})(D)|/|U|=14/20

pos(C-{C4})(D)={1,2,3,5,7,8,11,12,14,16,19,20}

γ(C一{C4})(D)=|pos(C一{C4})(D)|/|U|=12/20

σCD(C1)=γC(D)-γ(C一{C1})(D)=18/20-16/20=2/20

σCD(C2)=γC(D)-γ(C一{C2})(D)=18/20-16/20=2/20

σCD(C3)=γC(D)-γ(C一{C3})(D)=18/20-14/20=4/20

σCD(C4)=γC(D)-γ(C一{C4})(D)=18/20-12/20=6/20

進(jìn)行歸一化處理，得到各指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)：aC1=0.143，aC2=0.143，aC3=0.286，aC4=0.428。

采用同樣方法，可得到其他各級安全評價指標(biāo)權(quán)重，如表2所示。經(jīng)專家評估，下表中各級指標(biāo)的權(quán)重與生物質(zhì)氣化站實(shí)際狀況相符。

表2　生物質(zhì)氣化站安全評價指標(biāo)體系中各級指標(biāo)權(quán)重

2.2基于SPA-Markov chain的安全評價與預(yù)測

馬爾科夫鏈?zhǔn)茄芯肯到y(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)移規(guī)律，分析隨機(jī)事件未來變化規(guī)律及可能結(jié)果的一種方法。文獻(xiàn)[1]將馬爾科夫鏈與考慮元素權(quán)重的集對的同異反特性變化規(guī)律相結(jié)合，建立了基于馬爾科夫鏈的集對分析動態(tài)模型[2]。本文以該模型為基礎(chǔ)，對沈陽周邊某生物質(zhì)氣化站進(jìn)行安全評價與預(yù)測。首先將該生物質(zhì)氣化站2009年至2013年的數(shù)據(jù)進(jìn)行收集、整理，在此基礎(chǔ)上對其安全狀況進(jìn)行評價；利用2009至2013年間的數(shù)據(jù)對2014年的安全狀況進(jìn)行預(yù)測，并與2014年的實(shí)際安全狀況進(jìn)行比較，以評判該模型的適用性、可行性與科學(xué)性；最終得到該生物質(zhì)氣化站穩(wěn)定的安全狀況。2009—2013年專家評價結(jié)果見表3，評價等級分為A，B，C三級，分別代表“安全”、“一般安全”、“危險”。

按照文獻(xiàn)[1]中考慮特性權(quán)重的聯(lián)系度計(jì)算方法，可得到各年的聯(lián)系度如下：

μ2009=0.695+0.238i+0.067j

μ2010=0.535+0.448i+0.017j

μ2011=0.419+0.549i+0.032j

μ2012=0.220+0.762i+0.018j

μ2013=0.418+0.380i+0.202j

在聯(lián)系度表達(dá)式中，j=-1，按照“均分原則”，取i=0，聯(lián)系數(shù)所對應(yīng)的危險等級見表4，由此可得各年的危險等級如表5所示。經(jīng)驗(yàn)證，評價結(jié)果與該生物質(zhì)氣化站的實(shí)際安全狀況相吻合，證明了將該模型用于生物質(zhì)氣化站安全評價的可行性與科學(xué)性。

表3　2009年—2013年某生物質(zhì)氣化站專家評價結(jié)果匯總

表4　危險等級劃分標(biāo)準(zhǔn)

表5　2009—2013年某生物質(zhì)氣化站安全狀況評價結(jié)果

按照文獻(xiàn)[1]中的同異反轉(zhuǎn)移矩陣計(jì)算方法，可得到各年間的轉(zhuǎn)移矩陣如下：

按照“厚今薄古”的原則，2009—2013年聯(lián)系度的權(quán)重為W1=(0.10，0.15，0.20，0.25，0.30)，轉(zhuǎn)移矩陣的權(quán)重為W2=(0.10，0.20，0.30，0.40)，計(jì)算得到平均聯(lián)系度與平均轉(zhuǎn)移矩陣如下：

=0.355+0.576i+0.068j

2014年專家評價結(jié)果如表6所示，經(jīng)計(jì)算，μ2014=0.353+0.579i+0.068j。

表6　2014年某生物質(zhì)氣化站專家評價結(jié)果

3結(jié)論

(1) 在生物質(zhì)氣化站安全評價與預(yù)測中應(yīng)用RS-SPA-Markovchain模型，評價與預(yù)測結(jié)果均與實(shí)際安全狀況相吻合，表明了該模型的可行性與科學(xué)性，為生物質(zhì)氣化站安全評價與預(yù)測提供了一種新的途徑，也為管理者進(jìn)行決策提供了更加可靠、客觀的依據(jù)。

(2)RS-SPA-Markovchain模型同時具有很強(qiáng)的實(shí)用性與兼容性。本文中建立的安全評價指標(biāo)體系及根據(jù)粗糙集理論確定的指標(biāo)權(quán)重，可適用于全部的生物質(zhì)氣化站。在利用本模型對其他生物質(zhì)氣化站進(jìn)行安全評價時，只需進(jìn)行專家打分，即可得到評價結(jié)果。

參考文獻(xiàn)

[1]孫晉眾，陳世權(quán). 一種集對分析的動態(tài)模型及其應(yīng)用[J].系統(tǒng)工程，2004，22(5)：35-38.

[2]周家紅，許開立，陳志勇. 系統(tǒng)動態(tài)安全評價研究[J].東北大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2008，29(3)：416-419.

*基金項(xiàng)目：遼寧省自然科學(xué)基金(2013020137)，農(nóng)業(yè)部農(nóng)村能源綜合建設(shè)項(xiàng)目(2013-43)。

作者簡介王貝貝，女，博士，從事系統(tǒng)安全理論與安全技術(shù)研究。

(收稿日期：2015-01-05)

Research on Safety Assessment and Prediction Model of Biomass Gasification Station Based on RS-SPA-Markov Chain

WANG Beibei1SUN Jiawei2XU Kaili1ZHANG Hui3

(1.SchoolofResources&CivilEngineering,NortheasternUniversityShenyang110819)

AbstractA relatively general safety assessment index system of biomass gasification station is established based on data collection, on-the-spot investigation and expert evaluation and RS-SPA-Markov chain safety assessment and prediction model is also introduced. It is proved feasible and scientific to apply the model in safety assessment and prediction of biomass gasification station by example application. A new way of safety assessment and prediction of biomass gasification station is provided.

Key Wordsbiomass gasification stationrough setsset pair analysisMarkov chainsafety assessment and prediction