韓 婧，梁 偉

(中國石油大學(xué)(北京)機械與儲運工程學(xué)院,北京 102249)

隨著中國石油海外業(yè)務(wù)量的不斷增長，國內(nèi)外石油公司的競爭愈演愈烈[1]，我國石油企業(yè)必須建立與國際慣例接軌的HSE管理體系[即健康(Health)、安全(Safety)和環(huán)境(Environment)三位一體的管理體系]，提高HSE管理水平，才能提升核心競爭力，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。針對HSE管理體系績效的評價，傳統(tǒng)評價方法主要有模糊綜合評價法[2-3]、層次分析法[4-6]、概率風(fēng)險評價法[7]和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法[8-10]等。但這些方法只是將評價指標(biāo)的評價結(jié)果進行綜合，僅考慮了評價指標(biāo)本身，忽略了對應(yīng)指標(biāo)的可信度，并且不能實現(xiàn)動態(tài)評價，因此評價結(jié)果與實際存在偏差。一次次慘痛的石油工業(yè)事故警示我們，偏離客觀實際的HSE管理體系績效評價結(jié)果將會造成極大的人員傷亡、財產(chǎn)損失和環(huán)境破壞[11]。因此，研究石油企業(yè)HSE管理體系績效評價的方法具有現(xiàn)實意義。

模糊Petri網(wǎng)(Fuzzy Petri Nets,FPN)結(jié)合了Petri網(wǎng)直觀的圖形描述能力，可以形象地刻畫系統(tǒng)的靜態(tài)結(jié)構(gòu)特性和動態(tài)信息傳遞，并且對并行異步系統(tǒng)具有較好的處理能力[12]，同時具備模糊推理能力，便于對不確定性知識處理、分析和決策[13]，因此已得到廣泛的應(yīng)用[14-15]。

鑒于此，本文建立了基于FPN的石油企業(yè)HSE管理體系績效評價模型，在評價的同時考慮要素的可信度，以獲得更加客觀的評價結(jié)果。首先結(jié)合模糊產(chǎn)生式的FPN模型給出模糊推理算法，將HSE管理體系的指標(biāo)要素按照原有的層次結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為FPN庫所，評價指標(biāo)的轉(zhuǎn)變過程轉(zhuǎn)化為FPN的變遷，建立了石油企業(yè)HSE管理體系的FPN績效評價模型；然后為了避免主觀和客觀因素對評價結(jié)果造成的偏差，將層次分析法(AHP)和粗糙集法分別計算得到的指標(biāo)權(quán)重值進行線性組合；最后依據(jù)專家經(jīng)驗得到輸入?yún)?shù)值，經(jīng)過模糊推理計算，得到績效評價結(jié)果。經(jīng)實例分析驗證，F(xiàn)PN績效評價模型不僅適用于HSE管理體系的績效評價，并且可以為HSE管理提供決策支持。

1 FPN評價模型和推理算法

1. 1 FPN的相關(guān)定義

模糊Petri網(wǎng)定義為如下八元組：

FPN=(P,T,IN,OUT,D,U,F,M)

1. 2 模糊產(chǎn)生式規(guī)則的FPN表示

以常見的HSE管理體系為例，建立對應(yīng)的FPN績效評價模型時，將各級要素按照原有的層次結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為FPN庫所，評價指標(biāo)的轉(zhuǎn)變過程轉(zhuǎn)化為FPN的變遷，并經(jīng)常使用“與”和“或”等連接FPN的多個庫所，進而建立形象直觀的FPN模型。常見的模糊產(chǎn)生式規(guī)則有以下幾種：

(1) 如果d1(μ1)與d2(μ2)與…與dn(μn)，則dG(μG)(CF=μj)，第1類模糊產(chǎn)生式的FPN模型如圖1所示。

(2) 如果d1(μ1)或d2(μ2)或…或dn(μn)，則dG(μG)(CF=μj)，第2類模糊產(chǎn)生式的FPN模型如圖2所示。

圖2 第2類模糊產(chǎn)生式的FPN模型Fig.2 Type-2 fuzzy rule presentation with FPN

其中,d1，d2，…，dn表示前提條件;dG表示結(jié)論命題;μ1,μ2,…,μn表示命題的可信度；vj表示變遷置信度。圖1和圖2中兩種規(guī)則的命題可信度計算公式如下：

μG1=min(vμ1,vμ2,…,vμn)

(1)

μG2=max(v1μ1,v2μ2,…,μnμn)

(2)

本文選用第2類模糊產(chǎn)生式規(guī)則進行推理計算。

1. 3 指標(biāo)權(quán)重的計算

權(quán)重體現(xiàn)要素對評價體系的貢獻程度，在評價過程中至關(guān)重要。不同的計算方法會得到不同的指標(biāo)權(quán)重值，進而對評價結(jié)果造成差異。指標(biāo)權(quán)重的計算方法主要分為主觀權(quán)重法和客觀權(quán)重法兩種，主觀權(quán)重法是指專家根據(jù)經(jīng)驗對指標(biāo)的重要程度進行判斷，再通過計算得到指標(biāo)的權(quán)重值，目前應(yīng)用較廣的是層次分析法[16]；客觀權(quán)重法是根據(jù)指標(biāo)的實際、歷史數(shù)據(jù)信息，利用數(shù)學(xué)方法直接計算出指標(biāo)的權(quán)重值，其目的在于摒棄主觀判斷的影響，常用的方法主要有熵值法[17]、粗糙集法[18]等。本文綜合主客觀因素的影響，在考慮專家經(jīng)驗的基礎(chǔ)上為了保證權(quán)重的客觀性，采用層次分析法和粗糙集法組合得到評價要素的權(quán)重值。

1.3.1 指標(biāo)主觀權(quán)重計算——層次分析法

采用層次分析法獲取要素的主觀權(quán)重值，其具體步驟如下：

(1) 構(gòu)造判斷矩陣。結(jié)合經(jīng)驗知識對要素進行兩兩比較，確定其相對重要度，建立判斷矩陣。

(2) 計算指標(biāo)權(quán)重。采用特征根法對判斷矩陣進行計算，將特征向量經(jīng)過歸一化處理，可得到同一層要素對上層要素的相對重要性，即指標(biāo)主觀權(quán)重wi1。

(3) 一致性檢驗。如果一致性指標(biāo)CI<0.1，則判斷矩陣的一致性成立。

1.3.2 指標(biāo)客觀權(quán)重計算——粗糙集方法

粗糙集理論中的屬性重要度可描述不同要素對評價對象的影響，反映在現(xiàn)有的數(shù)據(jù)條件下屬性對目標(biāo)的重要性。采用粗糙集方法計算指標(biāo)客觀權(quán)重的步驟如下：

(1) 計算要素重要度。設(shè)要素ci∈C，在指標(biāo)集合C中的重要度可表示為

SigC-{ci}=I(C)-I(C-{ci})

(2) 計算指標(biāo)權(quán)重。ci的重要性可通過指標(biāo)集合C中刪去ci后造成的信息量變化大小計算。經(jīng)歸一化處理，可獲得ci在指標(biāo)體系C={c1,c2,…,cn}中的客觀權(quán)重wi2:

wi2=SigC-{ci}(ci)∑ni=1SigC-{ci}(ci)=I(C)-I(C-{ci})nI(C)-∑ni=1I(C-{ci})

(4)

1.3.3 指標(biāo)組合權(quán)重計算

采用組合法可求得各指標(biāo)要素的最終權(quán)重：

wi=βwi1+(1-β)wi2

(5)

式中：wi1、wi2分別為指標(biāo)的主、客觀權(quán)重；β為依據(jù)評價期望對專家經(jīng)驗依賴程度確定的經(jīng)驗因子，本文中β取0.6。

1. 4 模糊推理算法

首先定義兩種特殊的算子。設(shè)A、B、C、E為4個n×q階矩陣，aij、bij、cij和eij分別表示對應(yīng)矩陣的元素;D為n×1矩陣，di表示其第i行元素，則做如下定義：

加法算子?：

C=A?B?cij=max(aij,bij)

(6)

直乘算子?:

E=D?B?eij=di×bij

(7)

建立FPN績效評價模型，將各級要素按HSE管理體系層次結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為FPN庫所，評價指標(biāo)的轉(zhuǎn)變過程轉(zhuǎn)化為FPN的變遷；寫出輸入矩陣IN和輸出矩陣OUT，依據(jù)先驗知識確定初始狀態(tài)矩陣M(0)；計算權(quán)重向量W={wj}；確定績效評價等級標(biāo)準(zhǔn)，即評價矩陣Q；采用MATLAB軟件進行模糊推理，具體步驟如下：

輸入：IN，OUT，W，Q，M(0)。

輸出：績效評價值。

(1) 首先令k=0，當(dāng)變遷發(fā)生時，輸入狀態(tài)矩陣為INTM(k)，輸入權(quán)重為W?OUT。

(2) 變遷發(fā)生后下一個狀態(tài)：M(k+1)=M(k)?[W?OUT][INTM(k)]。

(3) 若M(k+1)≠M(k)，則令k=k+1，重復(fù)步驟(2);若M(k+1)=M(k)，則推理計算結(jié)束。

(4) 計算各庫所的評價指標(biāo)：

F=M(k)QT

(8)

式中:F為n×1的矩陣，該矩陣的最后一個元素fn表示一級要素評價指標(biāo)。

(5) 計算可信度。依據(jù)FPN模型結(jié)構(gòu)，結(jié)合公式(2)計算輸出要素可信度μG。

(6) 計算體系綜合績效評價值：

S=fnμG

(9)

該模糊推理算法中，績效評價值由可信度μG與評價指標(biāo)fn共同決定，因而評價結(jié)果更加客觀。

2 基于FPN的石油企業(yè)HSE管理體系績效評價實例分析

本文選擇中國石油天然氣集團公司(CNPC)的全資油田子公司作為評價實例，驗證建立的FPN績效評價模型的有效性和可靠性。該公司主要從事石油天然氣的勘探和生產(chǎn)、集輸和儲運、勘探開發(fā)工藝和規(guī)劃研究等石油勘探開發(fā)核心業(yè)務(wù)。

2. 1 建立FPN績效評價模型

通過歷史資料查閱和現(xiàn)場勘查，并結(jié)合專家知識庫[19]，選擇石油企業(yè)HSE管理體系的績效評價要素，建立了該石油企業(yè)HSE管理體系的FPN績效評價模型，見圖1。該模型中各級庫所表示的要素含義詳見表1。

圖3 某石油企業(yè)HSE管理體系的FPN績效評價模型Fig.3 FPN performance evaluation model of HSE management system

一級要素二級要素三級要素承諾p1有感領(lǐng)導(dǎo)p2領(lǐng)導(dǎo)與承諾pa安全價值觀p3事故、事件管理p4組織保障p5組織機構(gòu)與行政pb方針、目標(biāo)的表述與落實p6文件p7風(fēng)險控制策劃p8危險因素識別與危害因素識別p9HSE管理體系績效水平pG風(fēng)險評價pc風(fēng)險評價p10風(fēng)險管理p11能力要求和評價p12能力培訓(xùn)和意識pd培訓(xùn)的策劃和實施p13員工有意識p14承包商管理pe承包商管理程序p15承包商績效評價p16溝通參與協(xié)商pf溝通參與協(xié)商的策劃和效果p17應(yīng)急準(zhǔn)備和響應(yīng)pg應(yīng)急預(yù)案和演練p18應(yīng)急響應(yīng)p19管理評審ph評審組織和改進p20

定義HSE管理體系績效評價等級矩陣Q=(2,4,6,8,10)：[0,2)表示基礎(chǔ)級;[2,4)表示啟動級;[4,6)表示良好級;[6,8)表示優(yōu)秀級;[8,10)表示卓越級。

由5名專家依據(jù)文獻[19]給出的評估指南和近五年該石油企業(yè)HSE管理體系的績效水平，通過打分求均值的方法得到FPN的初始狀態(tài)矩陣M(0)(mij表示要素pi在第j績效等級下的初始狀態(tài))：

M(0)=0.010.090.210.300.38;0.020.080.230.300.37;

0.010.090.220.310.37;0.160.090.230.300.37;

0.040.120.210.280.35;0.030.110.220.290.35;

0.030.110.200.290.37;0.040.120.190.280.37;

0.040.110.200.300.35;0.030.110.200.280.38;

0.010.110.220.290.37;0.010.080.220.300.38;

0.020.070.220.330.36;0.020.090.230.310.37;

0.160.090.200.330.37;0.040.110.200.290.36;

0.030.110.220.290.35;0.040.110.210.270.37;

0.040.120.180.290.38;0.030.110.210.300.35;

0.000.000.000.000.00;0.000.000.000.000.00;

0.000.000.000.000.00;0.000.000.000.000.00；

0.000.000.000.000.00;0.000.000.000.000.00；

0.000.000.000.000.00;0.000.000.000.000.00；

0.000.000.000.000.00 〗

依據(jù)專家知識庫，令三級要素p1～p20可信度μ1～μ20為μi=0.92,0.93,0.94,0.95,0.91,0.90,0.92,0.92,0.93,0.92,0.90,0.91,0.94,0.94,0.91,0.94,0.91,0.90,0.92,0.93。變遷表示要素對HSE管理體系績效水平的影響，令變遷v1～v28的置信度vi=0.85,0.81,0.80,0.85,0.85,0.82,0.81,0.85,0.81,0.76,0.90,0.85,0.81,0.83,0.82,0.88,0.85,0.86,0.79,0.94,0.81,0.75,0.81,0.80,0.81,0.75,0.82,0.81。

2. 2 計算指標(biāo)的權(quán)重

依據(jù)第1.3節(jié)的內(nèi)容，計算各級要素的權(quán)重值，其結(jié)果見表2。

表2 HSE管理體系各級要素的權(quán)重

2. 3 模糊推理

結(jié)合FPN的模糊產(chǎn)生規(guī)則和推理算法，帶入相關(guān)參數(shù)值，經(jīng)過三次模糊推理計算，得到M(3)=M(2)，推理計算結(jié)束。

2. 4 評價結(jié)果與討論

經(jīng)推理計算，可得到該石油公司HSE管理體系的績效評價結(jié)果，詳見圖4。

圖4 兩種績效評價結(jié)果的對比Fig.4 Comparison of performance results

由圖4可見，由FPN績效評價模型得到的評價結(jié)果中：組織機構(gòu)與行政pb的績效評價值最低為5.893，屬于良好級，這可能是由于組織機構(gòu)人員較多，機構(gòu)臃腫、職責(zé)分散引起的，此外制定方針政策的合理性也會影響該項績效水平；管理評審ph的績效評價值最高為6.624，屬于優(yōu)秀級，這表明該石油企業(yè)HSE管理體系具有較好的適宜性、充分性和有效性，持續(xù)改進能力較強；其他中間級要素的績效水平均處于優(yōu)秀級；該石油企業(yè)HSE管理體系pG的績效總體評價值為5.428，績效水平屬于良好級，表明該HSE管理體系絕大部分要求得到了充分落實，包括承包商在內(nèi)的絕大部分員工能夠做到遵章守紀(jì)，但是該HSE管理體系并不完全盡如人意，在今后的安全管理中，應(yīng)該著重加強得分較低要素的監(jiān)管。而不考慮評價要素的可信度時，得到的績效評價值均較高，所有要素績效水平都處于優(yōu)秀級，評價結(jié)果與實際管理取得的效果存在偏差。

通過對比兩種績效評價結(jié)果可知，F(xiàn)PN績效評價模型因考慮了評價要素可信度得到的評價結(jié)果更加客觀，可以為安全管理尤其是短板管理提供決策支持。

3 結(jié) 論

為了得到更加客觀的HSE管理體系績效評價結(jié)果，針對HSE管理體系的復(fù)雜性和傳統(tǒng)評價方法不能結(jié)合評價要素的可信度、無法進行動態(tài)評價等局限性，建立了基于模糊Petri網(wǎng)(FPN)的HSE管理體系績效評價模型。首先，結(jié)合模糊產(chǎn)生式的FPN模型給出模糊推理算法，將HSE管理體系的指標(biāo)要素按照原有的層次結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為FPN庫所，評價指標(biāo)的轉(zhuǎn)變過程轉(zhuǎn)化為FPN的變遷，建立石油企業(yè)HSE管理體系FPN績效評價模型；然后,針對主客觀因素對評價結(jié)果的影響，采用層次分析法和粗糙集法相結(jié)合的組合權(quán)重法確定要素權(quán)重，以獲得更貼合實際的評價結(jié)果；最后,以某一石油企業(yè)為實例，利用建立的FPN績效評價模型對其HSE管理體系進行績效評價，結(jié)果表明：較沒有考慮要素可信度的評價結(jié)果，F(xiàn)PN績效評價模型在評價過程中綜合了要素可信度，得到的評價結(jié)果更加符合實際，并且可以為安全管理尤其是短板管理提供決策支持。

[1] 殷煥召,劉宏菊,張蓮芳.風(fēng)險評價模式在HSE管理中的應(yīng)用[J].油氣田環(huán)境保護,2009,19(4):48-50.

[2] 殷筱琴.模糊綜合評價法在企業(yè)績效評價中的應(yīng)用研究[D].南京：河海大學(xué),2005.

[3] 賀輝宗,徐峰,王廷春,等.模糊綜合評價方法在HSE管理體系審核中的應(yīng)用[J].中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù),2012,8(9):197-200.

[4] 王娟.模糊層次分析法在儲罐施工HSE風(fēng)險中的應(yīng)用[J].安全與環(huán)境工程,2011,18(5):96-99.

[3] Ratnayake R M C,Markeset T.Technical integrity management:measuring HSE awareness using AHP in selecting a maintenance strategy[J].JournalofQualityinMaintenanceEngineering,2010,16(1):44-63.

[6] 王秀香,施紅勛,牟善軍,等.基于層次分析法的企業(yè)HSE管理績效評估[J].中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù),2011,7(3):98-103.

[7] 周海京,遇今,鄭恒.概率風(fēng)險評價技術(shù)及應(yīng)用[J].質(zhì)量與可靠性,2007(6):11-15

[8] Azadeh A,Rouzbahman M,Saberi M,et al.An adaptive neural network algorithm for assessment and improvement of job satisfaction with respect to HSE and ergonomics program:The case of a gas refinery[J].JournalofLossPreventionintheProcessIndustries,2011,31:26-40.

[9] 曾春焱.基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的企業(yè)HSE管理績效評估[J].安全、健康和環(huán)境,2012,12(2):25-28.

[10]鄧寶,宋瑞.基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的安全評價方法研究[J].安全與環(huán)境工程,2005,12(2):61-64.

[11]魏學(xué)文.HSE管理績效考核在石油鉆井企業(yè)的成功應(yīng)用[J].安全與環(huán)境工程,2011,18(2):85-88.

[12]Guo Y,Meng X,Wang D,et al.Comprehensive risk evaluation of long-distance oil and gas transportation pipelines using a fuzzy Petri net model[J].JournalofNaturalGasScience&Engineering,2016,33:18-29.

[13]孟曉麗,王德國,郭巖寶,等.基于模糊Petri網(wǎng)的燃氣PE管道風(fēng)險評價[J].安全與環(huán)境工程,2016,23(4):126-131.

[14]胡瑾秋,曹雅琴,張來斌,等.考慮保護層響應(yīng)的煉化過程系統(tǒng)風(fēng)險動態(tài)轉(zhuǎn)移模型[J].中國安全科學(xué)學(xué)報,2015,25(3):83-89.

[15]Bharathi S V,Pramod D,Raman R.A conceptual model for ERP failure prediction using fuzzy petri-nets for small and medium enterprises[J].EuropeanJournalofScientificResearch,2012,87(3):330-338.

[16]鄧雪,李家銘,曾浩健,等.層次分析法權(quán)重計算方法分析及其應(yīng)用研究[J].數(shù)學(xué)的實踐與認識,2012,42(7):93-100.

[17]肖艷玲,劉曉晶,劉劍波.基于熵值法的員工績效指標(biāo)權(quán)重確定方法[J].大慶石油學(xué)院學(xué)報,2005,29(1):107-109.

[18]程愛寶,古德生,劉洪強.基于AHP與粗糙集理論的采空區(qū)穩(wěn)定性影響因素權(quán)重分析[J].中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù),2011,7(9):50-55.

[19]韓文成.HSE管理體系審核與評估[M].北京:石油工業(yè)出版社,2015:90-96.