董丁穩(wěn)　王紅剛

（西安科技大學能源學院　西安710054）

多層級系統(tǒng)安全狀態(tài)量化及動態(tài)評價方法*

董丁穩(wěn)王紅剛

（西安科技大學能源學院西安710054）

為及時、合理評價生產系統(tǒng)安全狀況 ，促進現(xiàn)場安全管理工作的持續(xù)改進，依據生產現(xiàn)場日常隱患排查的安全管理機制，將反映生產現(xiàn)場系統(tǒng)安全屬性的安全要素集，根據行業(yè)特點進行歸類來提取評價指標，形成一個表達系統(tǒng)安全狀態(tài)的邏輯結構，研究以諸多安全要素風險值來量化評價指標的方法，用以刻畫系統(tǒng)安全邏輯結構中指標層的安全狀態(tài)。采用適用于多樣本關聯(lián)分析的熵權法 ，客觀、動態(tài)地確定指標權重；采用加權灰色關聯(lián)分析法，描述評價樣本接近于系統(tǒng)安全目標的程度來確定評價等級，實現(xiàn)了生產現(xiàn)場系統(tǒng)安全動態(tài)、定量評價。實例分析表明，通過系統(tǒng)安全狀態(tài)量化與動態(tài)評價能及時甄別反映系統(tǒng)薄弱環(huán)節(jié)的系統(tǒng)安全主控因素，為現(xiàn)場安全管理提供決策依據。

多層級 系統(tǒng)安全 量化 動態(tài)評價

0　引言

生產現(xiàn)場安全系統(tǒng)，是由與生產過程有關的相互聯(lián)系、相互作用、相互制約的若干因素結合成的具有特定功能的有機整體。工業(yè)生產涉及人、機、環(huán)境、管理等因素，每一個方面都包含諸多不確定性因素。這些因素還具有模糊性和動態(tài)性，構成了各種因素相互關聯(lián)、動態(tài)變化的綜合體，并且存在由于危險因素識別的模糊性導致系統(tǒng)安全狀態(tài)難以量化的問題。因此，根據具體行業(yè)的實際情況，及時評估生產系統(tǒng)安全性，促進安全生產持續(xù)改進，實現(xiàn)動態(tài)評價與閉環(huán)管理結合的模式 ，對消除事故隱患、預防和控制事故的發(fā)生具有重要意義。系統(tǒng)安全評價方法在諸多行業(yè)及相關環(huán)節(jié)有著廣泛的應用。由于生產安全系統(tǒng)本身的復雜性，系統(tǒng)各因素往往形成多層級結構，很難用“線性的”、“局部的”和“確定性的”分析方法來描述其安全狀態(tài)，進行系統(tǒng)安全動態(tài)評價。本文基于復雜系統(tǒng)安全因素量化處理，結合熵權法和灰色系統(tǒng)方法，研究多層級系統(tǒng)安全狀態(tài)量化及動態(tài)評價的方法。

1　系統(tǒng)安全狀態(tài)量化

對于一個工業(yè)生產過程中的復雜系統(tǒng)，安全狀態(tài)可表示為 u=｛u1，u2，…，un｝，ui（i=1，2，…，n）表示系統(tǒng)中第 i個安全要素，將其轉化為一個多層級遞階模型如圖1所示。

圖1表示了一個4層遞階結構，其中U為系統(tǒng)目標層，A=｛Ai|i=1，2，…，n｝為評價指標層，表示所屬系統(tǒng)U的安全評價指標層元素 ，Ai=｛Aij|i=1，2，…，n，j=1，2，…｝為所屬A中各指標的下一級指標，u=｛uijk|i=1，2，…，n，j=1，2，…，k=1，2，…｝為安全要素層，表示最低一級安全評價指標所依賴的安全要素。在生產現(xiàn)場，日常隱患排查中通過風險矩陣法可得到每個安全要素的風險值 ，風險等級的劃分見表1。通過以下方法將所屬每個指標的安全要素風險值轉化為指標量化值。

圖1　系統(tǒng)安全狀態(tài)多層級遞階評價模型

表1　風險等級劃分

對應于風險等級，預先設定安全評價等級 Rp（p =1，2，…，5），對應評價指標量化取值區(qū)間為 Rp→（Mlp，Mhp］，對于安全要素層 u的上一級指標層Ai，依賴安全要素 uk（k=1，2，…，N）的取值 ak（k=1，2，…，N），按照下式計算評價指標 Aij的量化值：

其中，dpk為衰減因子 ，表示該評價指標包含的安全要素按照其風險等級和風險值的扣分系數(shù) ，ˉak為 uk所屬風險等級對應風險值范圍內的平均值 ，aij為多等級結構中第i層第j個指標的量化值。

2　動態(tài)安全評價

在評價指標量化的基礎上 ，確定安全評價等級的劃分方法采用灰色系統(tǒng)綜合評價法［1］。用評價指標的量化值刻畫系統(tǒng)屬性在某一時段所處的安全狀態(tài) ，用安全等級中較高等級限值作為預定目標 ，用加權灰色關聯(lián)度表達評價指標對于預定目標的不確定性關聯(lián)，其大小表示各評價對象對于系統(tǒng)安全目標的接近程度，用來確定評價等級。評價計算過程如下：

（1）確定指標最優(yōu)值。設由 m項評價對象，n項評價指標得到的原始數(shù)據矩陣為 A=（aij）m×n，選取每個評價指標的最優(yōu)值構成序列 ：以系統(tǒng)安全評價等級限值的最大值作為系統(tǒng)安全目標，來確定最優(yōu)值序列。

（2）評價指標原始數(shù)據無量綱化處理。根據本文指標量化值的特點，采用線性比例法：

其中 a′j為一特定值，取均值

（3）確定參考數(shù)列。確定影響系統(tǒng)行為的比較數(shù)列為｛xi｝=｛xi（k），k=1，…，n｝，由指標最優(yōu)值序列確定反映系統(tǒng)主行為的參考數(shù)列為｛x0｝=｛x0（1），x0（2），…，x0（n）｝。

（4）計算灰色關聯(lián)系數(shù)：

其中，Δi（K）=|x0（k）-xi（k）|為比較數(shù)列對參考數(shù)列的偏差，M=maixmakx （Δi（K）），m=miinmkin（Δi（K））。

（5）指標定權。在動態(tài)評價過程中，隨著評價樣本的增多，用指標熵來表達指標在系統(tǒng)中所起作用的大小，指標熵表達其提供的信息量的大?。?］，熵值越大，權重越高，反之權重越小，以此避免權重確定中的主觀性和模糊性問題。第j項指標權重表示為

式中，Hj為指標熵，Pij為指標值比重 ，當 Pij=0時，Pijln Pij=0。

（6）計算灰色加權關聯(lián)度：

其中，wj為第 j項指標權值，當只有1個評價樣本時采用等權法定權，隨著評價樣本的增多，由指標等權重產生的模糊性會減弱。

（7）綜合評價。將加權灰色關聯(lián)度計算結果按照無量綱化方法作還原處理之后 ，得到的結果就能對應得到評價等級 ，評價等級表示為｛I，II，III，IV，V｝，分別代表不同等級的安全程度。

3　實例分析

應用以上方法對陜西某煤礦井下安全生產狀況進行系統(tǒng)安全動態(tài)評價。實施評價過程中，設定計算樣本數(shù)為10，對于當日安全狀況的評價需要調用前9 d的安全評價歷史數(shù)據。通過礦井當日隱患排查得到的原始數(shù)據形成系統(tǒng)安全要素集見表2。根據煤礦生產行業(yè)特征 ，以煤礦生產中不同專業(yè)劃分來提取評價指標 ，得到安全評價指標層為 A=｛通風，地測防治水，采煤，掘進，機電，運輸，綜合管理，職業(yè)衛(wèi)生，調度，監(jiān)測監(jiān)控，應急救援｝，設定評價等級｛I—安全，II—較安全，III—一般安全，IV—較不安全，V—不安全｝，對應評價等級劃分標準為｛（90，100］，（80，90］，（70，80］，（60，70］，（0，60］｝，以此設定評價指標層最優(yōu)值為100，依據式（1）～式（3）計算得到當日評價指標量化數(shù)據，以及前9 d的評價指標量化數(shù)據見表3，表中序號代表了時間先后順序 ，限于篇幅前9 d隱患排查數(shù)據不予列出。依據式（7）、式（8）計算各指標權重見表2，依據式（4）～式（6）和式（9）計算加權灰色關聯(lián)度，經還原處理得到當日評價得分為83.51，對應確定評價等級為II級。

表2　安全要素及指標權重

表3　評價指標量化數(shù)據

從表3可以看出 ，通風與監(jiān)測監(jiān)控兩專業(yè)對于系統(tǒng)安全狀態(tài)影響較大，為當日系統(tǒng)安全主控因素，所屬安全要素應當重點防范。結合評價結果可知，當日評價結果為83.51，屬II級，安全狀況良好，符合煤礦實際情況。

4　結論

（1）將反映系統(tǒng)安全屬性的要素集通過指標提取，形成一個多層級結構，以系統(tǒng)安全要素的風險值來量化評價指標，實現(xiàn)系統(tǒng)安全動態(tài)、量化評價，提供了一種基于精細化風險評估的系統(tǒng)安全量化評價方法和思路。

（2）基于熵權法客觀、準確地確定指標權重的優(yōu)點，結合灰色關聯(lián)分析法適合處理復雜系統(tǒng)的不確定性關聯(lián)問題的特點，應用于系統(tǒng)安全動態(tài)評價，保

Quantization of Multi-level System Safety Status and Its Dynamic Evaluation

DONG Dingwen WANG Honggang
（School of Energy Engineering，Xi’an University of Science and Technology Xi’an 710054）

In order to timely and reasonably evaluate the safety situation and promote continuous improvementof safety management in the production system，based on the daily hazard identification at the production site，the safety factors set reflecting the scene of system safety attributes are classified to extractthe evaluation index according to industry characteristics，to form an logical structure for expressing system safety status and a method of quantizing process by the risk value of the safety factors is studied to characterize the safety state of the index layer in the logical structure.The entropy method，suitable for multiple samples correlation analysis is applied to dynamically determine the index weight，and the weighted gray correlation analysis method is used to describe the closeness between the evaluation sample and the extent of system safety goal and determine the evaluation level，which has achieved a safety dynamic and quantitative evaluation of production site. The case study shows that the system status quantification and dynamic evaluation are capable to discern the main factors of system safety of reflecting the system weaknesses and provide basis for on-site safety management.

multi-level system safety quantitative dynamic evaluation

國家自然科學基金（51104116），陜西省教育廳科研計劃項目（15JK1454），西安科技大學能源學院青年教工創(chuàng)新項目（2014-NY-023）。