張秀敏　許開立　姚錫文　閆放　姜婷婷　賈彥強

(東北大學資源與土木工程學院　沈陽 110819)

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基于云模型的SPA模型在石化裝置危險性評價中的應用*

張秀敏許開立姚錫文閆放姜婷婷賈彥強

(東北大學資源與土木工程學院沈陽 110819)

針對現(xiàn)有石化裝置危險性評價模型未能充分反映評價指標模糊性和隨機性的不足，提出了一種基于云模型的SPA模型，用于石化裝置的危險性評價。首先利用云模型中的逆向云發(fā)生器計算云權重Wcloud=(Ex,En,He)。然后將云權重應用于五元聯(lián)系數(shù)的集對分析中，進行綜合評判可以得到綜合評價云模型。通過MATLAB編程將其與標準評語云模型進行比較，確定評價對象的危險等級。結果表明，該模型對石化生產裝置的危險性評價能夠充分體現(xiàn)評價指標的隨機性與模糊性，評價結果更為符合實際。

石化裝置危險性云模型SPA云權重

0　引言

石化裝置是存在著可燃性、爆炸性、毒害性、高溫高壓作業(yè)等危險性的高風險系統(tǒng)。因此，為確保石化裝置安全運轉，有必要對其進行危險性評價。當前用于研究石化裝置危險性的評價方法已有很多，如：采用安全檢查表-危險指數(shù)的計算方法，對系統(tǒng)安全狀況的等級采用危險指數(shù)法來確定[1]；應用層析分析法對石化企業(yè)風險進行評價[2]；將一種基于改進的AHP應用于石化裝置的危險性評價方法[3]；對于石化生產裝置采用模糊綜合評判方法[4]。這些評價方法均有各自的優(yōu)點，也有不足之處，主要為權重賦值存在主觀性、忽略評價過程存在的不確定性等。

本文提出一種處理不確定性因素的云模型與集對分析(SPA)相結合的評價方法，該方法利用云模型的模糊性和隨機性來確定云權重是對傳統(tǒng)意義上權重的軟化，減少了賦值的主觀性，在此基礎上與五元聯(lián)系數(shù)集對分析結合，對石化企業(yè)生產裝置進行綜合評價，得出綜合評價云模型，從而確定評價對象的危險等級，且以云滴的形式直觀的表現(xiàn)出來。

1　云模型和SPA簡介

1.1云模型理論介紹

1.1.1云模型的概念

云模型是實現(xiàn)某一定性概念與定量值之間相互轉化的模型，能夠充分體現(xiàn)不確定概念的隨機性和模糊性，且將兩者有機地結合起來。

對于一個給定的論域U，C是對應U上的定性概念，x是具體數(shù)值(x∈U)，且是C的一次隨機性的實現(xiàn)，如果x對于C的隸屬度u(x)是在0和1之間具有穩(wěn)定傾向性的隨機數(shù)，則x在U上的分布就叫作云[5]。

在描述某一定性概念的不確定性時，一般的模糊數(shù)學方法經常采用隸屬度，云模型的不同之處在于從數(shù)字特征層面進行全面詳細地刻畫。云模型的數(shù)字特征有3個，分別為Ex,En,He。Ex是期望，能夠集中體現(xiàn)這一定性概念C的點；En是熵，表示C的隨機性、模糊性的度量；He是超熵，表征云的厚度且呈正比關系。

1.1.2云權重的計算[6]

云權重的表達式為Wcloud=(Ex,En,He)。它不同于傳統(tǒng)意義上的權重，引入了軟化權重的熵En和超熵He。云權重的計算首先運用Delphi Method，請專家進行重要性打分，利用公式(1)求得初步云權重。但是可能會存在誤差，所以再采用正向云發(fā)生器計算生成云模型的圖像。專家通過對云模型圖像的觀察，重新進行打分計算，可以得到一個相對精確的結果。

(1)

1.2五元聯(lián)系數(shù)SPA理論

集對分析(set pair analysis)是將確定性和不確定性看作一個整體的分析方法。一般情況下，集對中的兩個集合的確定和不確定的關系從“同、異、反”3個方面進行表述，而聯(lián)系數(shù)可以詳細地刻畫這種關系，其表達式如下[7]：

u=a+bi+cj

(2)

式中，a，b，c為同一度、差異度、對立度，且三者和為1；i為差異度系數(shù)，-1到1之間賦值。若i取-1，則差異度轉換成對立度；若i取1，則轉換成同一度；若在-1與1之間取值，則各轉換一部分。j為對立度系數(shù),取值為-1。

在安全評價過程中，被評價的指標構成的集合與標準值構成的集合共同組成一個集對。首先確定每一個指標所占的權重構成的權系數(shù)矩陣W；然后請專家確定各個指標的危險等級，對應于各個指標的實際情況，求得同異反向量矩陣R。由W，R，E表示的聯(lián)系數(shù)如下[8]：

(3)

危險等級與聯(lián)系數(shù)的元數(shù)是相對應的，式(2)，(3)均是三元聯(lián)系數(shù)，對應危險等級分為3級。如果進一步將危險等級劃分為5級，則聯(lián)系數(shù)也應該是五元的[9]?？紤]特性權重的向量形式的五元聯(lián)系數(shù)集對分析形式如下：

u=A+BI+CJ+DK+EL

(4)

2　基于云模型的五元聯(lián)系數(shù)SPA評價法

在利用五元聯(lián)系數(shù)集對分析法進行評價時，如果權重擯棄傳統(tǒng)的方式而采用逆向云發(fā)生器求云權重Wcloud=(Ex,En,He)，以云權重代替?zhèn)鹘y(tǒng)的權重，是一種新的更為精確的方法，減輕主觀因素對于評價結果的影響。依據五元聯(lián)系數(shù)對危險性等級進行劃分為(危險,較危險,一般安全,較安全,安全)比以往的三元聯(lián)系數(shù)更為合理。并且對五元聯(lián)系數(shù)采用向量形式，其實是由于采用了矩陣形式的云權重，最后得到的聯(lián)系數(shù)同樣也是矩陣形式。與此同時考慮五位專家自身的權重，減輕了主觀因素的影響。

2.1評語云模型的建立[10]

聯(lián)系數(shù)u∈[-1,1]，依據“均分原則”，將五元聯(lián)系數(shù)對應數(shù)值進行危險等級區(qū)間劃分，結果見表1。

表1　危險等級劃分標準

假設Cmax，Cmin分別為危險等級對應區(qū)間的最大值與最小值，則評語云模型數(shù)字特征的計算為：

(5)

根據表1和公式(5)可以得出危險等級評語云模型見表2。運用matlab軟件編程得出標準評語云模型對應的圖形見圖1。

表2　危險等級標準評語云模型

圖1　標準評語云模型

2.2評價過程

基于云模型的五元聯(lián)系數(shù)SPA評價法分析流程圖如圖2所示。

圖2　基于云模型的五元聯(lián)系數(shù)SPA評價方法分析流程圖

(1)根據危險因素和評價標準來建立因素集和評語集。

(2)運用Delphi法請專家依據標準進行打分(見表3)，通過逆向云發(fā)生器求得云權重，且經過修改使其更準確，再對處于一個層次的指標進行歸一化。

(3)將五元聯(lián)系數(shù)集對分析中權重以云權重的形式來表示，并根據云模型的四則運算進行綜合評判，最終求得綜合評價云模型，將其與標準評語云模型比較，數(shù)值最相近的就作為最后的評價結果。

表3　專家打分標準

3　應用實例與結果

石化企業(yè)生產過程中復雜的工藝、苛刻的運行條件、裝置的大型化、連續(xù)化及自動化等特點，使得一旦發(fā)生火災爆炸就會造成嚴重的后果。本文在采用文獻[11]中實際數(shù)據的基礎上對石化生產裝置進行危險性評價。與文獻不同之處是對權重確定方法進行改進----采用云權重，且多元聯(lián)系數(shù)是采用向量形式，最后根據綜合評價云模型進行綜合評價。

聘請5位專家，首先對各個評價指標的危險性等級進行分級[11]，然后再對各個評價指標相對于石化企業(yè)生產裝置安全狀況的重要性進行打分(參照表3的打分標準)，打分結果見表4。

表4　某石化企業(yè)生產裝置各指標對于系統(tǒng)

計算專家1的評價結果分為3種情況：

其間運算不是直接相加減，而是要用到云模型的四則運算。

(6)

u1min=(-0.216 7,0.028 3,0.015 6)。

u1max=(0.199 3,0.013 0,0.007 5)。

u1m=(-0.008 7,0.017 7,0.010 0)。

同理分別計算專家2～5的聯(lián)系度。

若考慮專家自身的權重(0.3，0.1，0.2，0.3，0.1)，最終評價結果為：

umin=(-0.193 0,0.014 7,0.008 3)；

umax=(0.118 5,0.011 7,0.006 5)；

um=(-0.094 5，0.019 0,0.011 9)。

運用matlab軟件，將最終評價結果與評語云模型進行比較(見圖3)。由圖3結合評價結果可得：umin=(-0.193 0,0.014 7,0.008 3)，umax=(0.118 5,0.011 7,0.006 5)，um=(-0.094 5，0.019 0,0.011 9)。

圖3最終評價結果與評語云模型比較

可以看出，該石化企業(yè)生產裝置危險性最悲觀安全狀況(淺灰色)是在較危險與一般安全之間，最理想安全狀況(深灰色)在一般安全與較安全之間，中間狀態(tài)(灰色)是處于較危險與一般安全之間，與文獻[11]結果接近，表明該綜合評價方法具有可行性。從云權重的計算、基于五元聯(lián)系數(shù)的系統(tǒng)危險等級的劃分和綜合評價模型的建立都考慮了評價指標的模糊性和隨機性，這些都是以前的評價方法未曾用到的。云模型不僅可以反映各個評價指標對于評價對象的影響程度，而且能夠得到評價結果所屬的危險等級，能夠詳細并且直觀地判斷系統(tǒng)的危險性。

4　結論

(1)云模型理論中的云權重是對評價指標傳統(tǒng)意義上權重的軟化，大大減少了賦值的主觀性。

(2)該模型的主要優(yōu)點是能很好地反映評價指標的隨機性和模糊性，與標準評語云模型比較可以簡單直觀地確定危險等級。

(3)在對石化生產裝置危險性評價過程中采用基于云模型的五元聯(lián)系數(shù)集對分析模型，結果表明該方法比傳統(tǒng)的安全檢查表法、層次分析法和模糊綜合評價方法更為科學與合理。

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許開立，男，1965年生，東北大學教授，博士生導師，研究方向為系統(tǒng)安全理論、安全技術、安全評價、危險與危害的預警及監(jiān)控、生物質能等。

Application of SPA Model Based on Cloud Model in Risk Assessment of Petrochemical Plant

ZHANG XiuminXU KailiYAO XiwenYAN FangJIANG TingtingJIA Yanqiang

(CollegeofResources&CivilEngineering,NortheasternUniversityShenyang110819)

In the risk assessment of petrochemical plant, owing to the deficiency of qualitative concept of randomness and fuzziness coexistence, a SPA model based on cloud model is proposed. First, the cloud weight[Wcloud=(Ex,En,He)] is calculated by backward cloud generator. Then the cloud weight should be used in the analysis of the set of the five element connection number, and the comprehensive evaluation cloud model can be obtained. Through the MATLAB programming, the comprehensive evaluation cloud model is compared with the standard one, and the risk level of the evaluation object is determined. The results show that the model can fully reflect the randomness and fuzziness of the evaluation index, and the evaluation results are more realistic.

petrochemical plant riskcloud modelSPAcloud weight

2015-10-01)

農業(yè)部農村能源專項(2015-36)。

張秀敏，女，1994年生，東北大學資源與土木工程學院碩士研究生，研究方向為生物質能、系統(tǒng)安全理論、風險評價等。