孟宇強，宮博，于立富

基于改進IAHP-云模型的化工園區(qū)風(fēng)險評估

孟宇強，宮博，于立富

（沈陽化工大學(xué) 環(huán)境與安全工程學(xué)院， 遼寧 沈陽 110142）

為了解決化工園區(qū)風(fēng)險評估過程中風(fēng)險因素的復(fù)雜性與不確定性而導(dǎo)致評估指標(biāo)值存在模糊性與主觀性的不足，提出一種基于改進區(qū)間層次分析法與云模型的化工園區(qū)風(fēng)險評估模型。綜合區(qū)間層次分析法與集對理論以及云模型理論對化工園區(qū)進行風(fēng)險評估；以沈陽化工園區(qū)進行實例分析，結(jié)果表明沈陽化工園區(qū)風(fēng)險等級為Ⅲ級；該模型所得結(jié)果與區(qū)間可拓模型、可變模糊集對評價和AHP-模糊綜合評價方法的評估結(jié)果基本一致，驗證了該模型的有效性，為化工園區(qū)安全管理提供新思路。

化工園區(qū)；區(qū)間層次分析法；集對理論；云模型

化工園區(qū)內(nèi)化工企業(yè)高度集中，其中涉及種類眾多的危險化學(xué)品及重大危險源，隨時面臨發(fā)生泄漏、火災(zāi)、爆炸等重大安全事故的危險，容易引發(fā)多米諾效應(yīng)，造成嚴(yán)重災(zāi)難事故。因此對化工園區(qū)進行風(fēng)險評估具有重要意義。

針對化工園區(qū)的風(fēng)險評估，學(xué)者們通過不同角度開展了研究。紀(jì)爽[1]等提出AHP-模糊綜合評價結(jié)合的方法對化工園區(qū)內(nèi)化工企業(yè)環(huán)境進行風(fēng)險評估；許開立[2]等利用集對分析理論結(jié)合保護層分析法定量評估化工危險源風(fēng)險后果嚴(yán)重度；陽富強[3]等提出從本質(zhì)安全角度利用正態(tài)云模型對化工安全生產(chǎn)過程進行風(fēng)險評估?；@區(qū)風(fēng)險影響因素具有很強的模糊性和復(fù)雜性，上述方法無法克服客觀數(shù)據(jù)的隨機性與主觀因素的模糊性，并且評估指標(biāo)不能系統(tǒng)全面地反映化工園區(qū)整體風(fēng)險影響因素，從而導(dǎo)致評估結(jié)果不準(zhǔn)確。

區(qū)間層次分析法（IAHP）[4]通常采用區(qū)間特征根法、迭代法、構(gòu)造互補矩陣法[5]等求得權(quán)重區(qū)間，本文采用區(qū)間對數(shù)最小二乘法求得權(quán)重區(qū)間并結(jié)合集對理論，從同、異和反的角度精化權(quán)重區(qū)間得到權(quán)重區(qū)間精確值，避免了根據(jù)決策矩陣調(diào)整權(quán)重向量，能夠有效削弱風(fēng)險評估過程的主觀性與不確定性。云模型在處理定性與定量關(guān)系之間的模糊性與不確定性方面具有優(yōu)勢，利用改進的IAHP法結(jié)合云模型理論構(gòu)建化工園區(qū)風(fēng)險評估模型，更利于描述化工園區(qū)風(fēng)險影響因素。與其他方法相比，該模型的綜合云圖能夠直觀反映化工園區(qū)風(fēng)險評估等級的模糊隸屬情況，并且削弱了專家打分導(dǎo)致評價值主觀性較強的問題，實現(xiàn)了化工園區(qū)整體風(fēng)險評估，為化工園區(qū)安全管理提供了新思路。

1 構(gòu)建化工園區(qū)風(fēng)險評估指標(biāo)體系

化工園區(qū)事故發(fā)生涉及諸多風(fēng)險因素，在考慮園區(qū)安全生產(chǎn)管理制度、園區(qū)規(guī)劃布局、工藝過程危險性等基礎(chǔ)上，從化工園區(qū)整體風(fēng)險角度構(gòu)建化工園區(qū)風(fēng)險評價體系。如表1所示。

表1 化工園區(qū)風(fēng)險評估指標(biāo)體系

2 化工園區(qū)風(fēng)險評估方法

2.1 區(qū)間層次分析法

區(qū)間層次分引入?yún)^(qū)間數(shù)代替點值描述其不確定性，從而削弱專家評價過程中的主觀傾向，對于化工園區(qū)風(fēng)險評估的應(yīng)用更合理。本文采用1～9級標(biāo)度法[6]對化工園區(qū)風(fēng)險影響因素相互比較，構(gòu)造專家評價相對重要度區(qū)間數(shù)，形成化工園區(qū)風(fēng)險影響因素判斷矩陣。如式（1）所示。

區(qū)間權(quán)重向量如式（6）所示。

2.2 基于集對理論優(yōu)化的IAHP法

權(quán)重區(qū)間=[-,+]在[0,1]之間。1為理想的權(quán)重，根據(jù)集對分析的同異反理論將[0,1]劃分為[0，-)，[-，+)，[+，1]三個區(qū)間，與[0,1]組成的集對分析表達式為[8]；如式（7）所示

式中：=-表示確定可以達到理想權(quán)重的程度，即同一性；=+表示不確定可以達到理想權(quán)重的程度，即差異性；=1--，表示不能達到理想權(quán)重的程度，即對立性。表示不確定，表示不接近。將屬性權(quán)重區(qū)間數(shù)轉(zhuǎn)換為二元聯(lián)系數(shù)；如式（8）所示

對式（8）中的賦值，區(qū)間屬性權(quán)重由評價專家組成的同一系統(tǒng)決定，假定同一系統(tǒng)給出的每個區(qū)間權(quán)重上下界對其目標(biāo)權(quán)重的偏差比例是一個恒定值。如式（9）所示

為常數(shù)，如式(10)所示

得到屬性區(qū)間權(quán)重優(yōu)化值，如式(11)所示。

2.3 構(gòu)建化工園區(qū)風(fēng)險評估云模型

云模型[9]是結(jié)合語言值描述的隨機性和模糊性的特點，通過云發(fā)生器實現(xiàn)定性與定量之間相互轉(zhuǎn)化的理論模型。設(shè)為論域的定性概念，對論域中的任意元素均為定性概念的一次隨機實現(xiàn)，對的隸屬度為()∈[0,1]，[,()]為論域上的一個云滴。如式（12）所示。

云模型利用期望、熵、超熵來描述云的定量特征，期望表示定性概念的中心值，反映化工園區(qū)風(fēng)險評價等級；熵表示風(fēng)險的模糊度，反映定性概念的承受范圍；超熵表示云的厚度，反映風(fēng)險等級模糊度的離散程度。

表 2 風(fēng)險等級云模型

利用MATLAB得到對應(yīng)的風(fēng)險等級云模型，如圖1所示。

圖1 風(fēng)險等級云圖

對參與化工園區(qū)風(fēng)險評價的專家的定性評價值x通過逆向云發(fā)生器[11]轉(zhuǎn)化為云模型，如式(14)所示；

2.4 化工園區(qū)風(fēng)險評估云集成方法

3 實例分析

本文以沈陽化工園區(qū)為例進行實例分析。沈陽化工園區(qū)位于沈陽市區(qū)西部，東距沈陽經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)2 km，北距京沈高速公路1.1 km，南距102省道900 m，距渾河北岸3 km。沈陽化工園區(qū)由煤化工、石油化工、橡膠加工、氯堿化工和精細化工五部分為核心，構(gòu)建化工園區(qū)整體產(chǎn)業(yè)鏈。

3.1 確定園區(qū)風(fēng)險因素指標(biāo)權(quán)重

針對化工園區(qū)風(fēng)險因素，邀請化工園區(qū)領(lǐng)域10名專家，通過1～9標(biāo)度法對指標(biāo)因素兩兩比較，經(jīng)過6次反復(fù)循環(huán)，對風(fēng)險重要程度形成較一致意見，規(guī)范化處理后得到區(qū)間判斷矩陣，由于篇幅有限，以一級指標(biāo)A3為例構(gòu)建判斷矩陣，如表3所示。

表 3 一級指標(biāo)判斷矩陣

根據(jù)式(2)、(3)計算得到二級指標(biāo)31、32、33、34的權(quán)重區(qū)間為-=(0.468，0.304，0.167，0.049)，W+=(0.471, 0.314, 0.179, 0.054)，再根據(jù)式(4)、（5）可知=0.887，=1.101，則權(quán)重區(qū)間為1= [0.415, 0.518]、2=[0.269, 0.345]、3=[0.148, 0.197]、4= [0.043, 0.059]。

根據(jù)式(10)、(11)優(yōu)化權(quán)重區(qū)間，確定區(qū)間精確值?？傻?1、32、33、34的權(quán)重精確值為[0.463, 0.312, 0.182, 0.051]。同理可以得出1、2、4的二級指標(biāo)權(quán)重以及一級指標(biāo)權(quán)重分別為：W1=[0.132, 0.324, 0.151, 0.216, 0.113, 0.064]

W2=[0.137, 0.209, 0.237, 0.146, 0.112, 0.159]

W4=[0.165, 0.263, 0.242, 0.143, 0.187]

W=[0.263, 0.376, 0.125, 0.236]

3.2 建立風(fēng)險評估云模型

由10位專家對沈陽化工園區(qū)指標(biāo)體系進行定量評價，確定化工園區(qū)風(fēng)險值，并進行規(guī)范化處理，以3的二級指標(biāo)31、32、33、34為例，評價結(jié)果如表4所示。

表 4 化工園區(qū)風(fēng)險指標(biāo)規(guī)范化值

根據(jù)式 (14) ，得到A3的二級指標(biāo)云模型，C31（0.516, 0.093, 0.037）、C32（0.844, 0.06, 0.012）、C33（0.816, 0.06, 0.012）、C34（0.736, 0.074, 0.016），同理可得其他指標(biāo)的云模型，如表5所示。

由公式(15)可得一級指標(biāo)云模型，以A3為例，可得A3綜合云模型為C3（0.682 7, 0.069, 0.041），同理可得C1（0.500 5, 0.048, 0.026）、C2（0.607 9，0.062 5, 0.037）、C4（0.470 9, 0.092 9, 0.054）。由此可得化工園區(qū)綜合云圖C（0.556 3, 0.036 6, 0.014），如圖2所示。

圖2 化工園區(qū)綜合云圖

表5 風(fēng)險指標(biāo)云模型

3.3 結(jié)果分析

正根據(jù)云模型的3E原則[13]，當(dāng)/3＞時，化工園區(qū)的評估結(jié)果可靠，反之需要重新評估。由綜合云模型（0.556 3, 0.036 6, 0.008）可知/3＞，故評估結(jié)果可靠。

根據(jù)式（12）由隸屬度計算可得綜合云模型與各個等級云的隸屬度為（0, 0, 0.306, 0.000 4, 0），確定化工園區(qū)風(fēng)險評估結(jié)果為中等風(fēng)險。期望為0.556 3，介于中等風(fēng)險與較高風(fēng)險之間；熵為0.036 6，反映出本次風(fēng)險評價結(jié)果與實際水平偏差程度小，模糊度低；超熵反映云圖的穩(wěn)定性，/=0.218 6＜1表明云圖霧化程度低，評價結(jié)果穩(wěn)定。根據(jù)園區(qū)綜合云以及各二級指標(biāo)云顯示，化工園區(qū)應(yīng)急救援管理能力不足，部分企業(yè)應(yīng)急救援預(yù)案缺乏針對性與實用性，應(yīng)急演練不足，難以高效的救援。另外，應(yīng)建立健全安全管理制度，加強安全培訓(xùn)，提高全員安全素質(zhì)。

3.4 對比驗證

為了驗證該模型的可靠性，本文采用區(qū)間可拓模型、可變模糊集對評價和AHP-模糊綜方法對沈陽化工園區(qū)進行風(fēng)險評估，驗證了該模型的可靠性，結(jié)果如表6所示。本模型與其他方法相比，極大程度削弱了復(fù)雜系統(tǒng)中專家評估的主觀性，充分考慮了化工園區(qū)風(fēng)險評估過程中風(fēng)險因素的復(fù)雜性與模糊性對評估結(jié)果的影響，通過綜合云圖中云滴的聚集情況可以更加直觀清晰地反映化工園區(qū)風(fēng)險等級。

表6 化工園區(qū)風(fēng)險評估結(jié)果

4 結(jié) 論

1）針對化工園區(qū)風(fēng)險特點，從園區(qū)整體安全規(guī)劃、企業(yè)生產(chǎn)安全、應(yīng)急救援管理和安全生產(chǎn)管理等4個方面，建立化工園區(qū)風(fēng)險評估指標(biāo)體系，實現(xiàn)了從化工園區(qū)整體風(fēng)險角度進行風(fēng)險評估。

2）利用集對理論優(yōu)化區(qū)間權(quán)重，對同一性與差異性進行處理，得到的權(quán)重值更能精確的反映風(fēng)險程度。對化工園區(qū)風(fēng)險評估指標(biāo)體系建立綜合云模型，利用逆向云發(fā)生器實現(xiàn)化工園區(qū)的定量風(fēng)險評估。

3）本模型與區(qū)間可拓模型、可變模糊集對評估和AHP-模糊綜合評估的結(jié)果基本一致，驗證了本模型的可靠性。通過綜合云圖中云滴聚集情況全面直觀地反映沈陽化工園區(qū)的風(fēng)險等級。為化工園區(qū)風(fēng)險評價研究提供了新的思路。

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Risk Assessment of Chemical Industrial Park Based on Improved IAHP-Cloud Model

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（School of Environmental and Safety Engineering,Shenyang University of Chemical Technology, Shenyang Liaoning 110142, China）

In order to solve the problem of fuzziness and subjectivity of evaluation index value caused by the complexity and uncertainty of risk factors in the process of risk assessment of chemical industry park, a risk assessment model of chemical industry park based on improved interval analytic hierarchy process and cloud model was proposed. Interval analytic hierarchy process, set pair theory and cloud model theory were comprehensively used to evaluate the risk of chemical industry park. Taking a Shenyang chemical industry park as an example, case analysis was carried. The results showed that the risk level of the Shenyang chemical industry park was grade III, and was consistent with the actual situation, which verified the effectiveness of the model and can provide new ideas for the safety management of chemical industry park.

Chemical park; Interval analytic hierarchy process; Set pair theory; Cloud model

遼寧省教育廳青年科技人才“育苗”，項目編號：LQ2020024。

2021-05-31

孟宇強（1997-），男，遼寧省本溪市人，研究生在讀，沈陽化工大學(xué)安全工程專業(yè)，從事化工園區(qū)風(fēng)險辨識與評價方面研究。

宮博（1981-），男，講師，博士，研究方向：化工過程危險分析與化工園區(qū)風(fēng)險評價。

X937

A

1004-0935（2021）12-1818-05