張以堅(jiān)

摘要：為降低化工工藝生產(chǎn)過(guò)程中事故發(fā)生的概率，構(gòu)建一種基于TFN-AHP的危險(xiǎn)化工工藝安全評(píng)估系統(tǒng)。通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳感器對(duì)化工工藝生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行收集;然后采用Kriging插值算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，最后通過(guò)TEN-AHP模糊綜合評(píng)估方法對(duì)工藝生產(chǎn)的安全程度進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。系統(tǒng)測(cè)試表明，通過(guò)該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)危險(xiǎn)化工工藝安全的整體評(píng)估。

關(guān)鍵詞：TEN-AHP;Kriging插值算法;多層次綜合評(píng)估;化工工藝

中圖分類(lèi)號(hào)：TQ 086

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1001-5922（2022）06-0077-06

Construction of safety assessment system for hazardous chemical process

ZHANG Yijian

（Guangdong Green Detection Technology Co.， Ltd.， Guangzhou 510000， China

）

Abstract：In order to reduce the probability of accidents in chemical process production， a dangerous chemical process safety assessment system based on TFN-AHP is constructed. Firstly， the chemical process production data are collected by wireless sensor， then the Kriging interpolation algorithm is used to preprocess the data， and finally the safety degree of process production is comprehensively evaluated by TFN-AHP fuzzy comprehensive evaluation method. The system test shows that the system can realize the overall evaluation of dangerous chemical process safety.

Key words：TEN-AHP; Kriging interpolation algorithm; multi-level comprehensive evaluation; chemical technology

危險(xiǎn)化工生產(chǎn)過(guò)程往往伴隨易燃、易爆的特點(diǎn)，危險(xiǎn)程度也高于其他行業(yè)。通過(guò)以往爆炸事故的統(tǒng)計(jì)，危險(xiǎn)化工事故占到了30%。因此，加強(qiáng)對(duì)化工企業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估具有重要意義。有學(xué)者提出一種新加氫工藝安全評(píng)價(jià)體系，在一定基礎(chǔ)上促進(jìn)了化工企業(yè)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估體系的構(gòu)建工作[1];還有提出化工企業(yè)安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化的方法，有助于構(gòu)建風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)體系[2]。由于化工生產(chǎn)具有危險(xiǎn)性，且生產(chǎn)具有復(fù)雜性、連續(xù)性的特點(diǎn)，因此在化工安全監(jiān)管時(shí)，僅依靠傳統(tǒng)的人工監(jiān)管和評(píng)價(jià)已經(jīng)不能滿(mǎn)足需求。鑒于此，本文結(jié)合相關(guān)信息技術(shù)，提出一種危險(xiǎn)化工工藝安全評(píng)估系統(tǒng)，通過(guò)信息化的方式，綜合對(duì)化工生產(chǎn)進(jìn)行評(píng)估，從而提高危險(xiǎn)化工安全評(píng)估的效率。

1危險(xiǎn)化工工藝安全評(píng)估系統(tǒng)整體架構(gòu)

1.1總體功能架構(gòu)設(shè)計(jì)

考慮到根據(jù)危險(xiǎn)化工工藝安全評(píng)估的信息化需求，以及評(píng)估的定性與定量問(wèn)題，在結(jié)合信息化技術(shù)的基礎(chǔ)上，引入定量評(píng)價(jià)模型，且通過(guò)信息化的方式實(shí)現(xiàn)危險(xiǎn)化工工藝安全的評(píng)估。架構(gòu)包括安全參數(shù)監(jiān)控、設(shè)備維護(hù)管理、人員安全管理等功能模塊，具體如圖1所示。

1.2系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

本評(píng)估系統(tǒng)支持多種傳感節(jié)點(diǎn)、標(biāo)簽和讀寫(xiě)器接入，具體網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖2所示。該網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)包括3個(gè)部分：（1）互聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)，它支持TCP、IP和http等協(xié)議，通過(guò)WiFi傳輸連接云服務(wù)平臺(tái)，可接入溫度、儲(chǔ)量和壓力等傳感器;（2）Zigbee自組織網(wǎng)絡(luò)，它可以通過(guò)專(zhuān)用的Zigbee網(wǎng)關(guān)和協(xié)議轉(zhuǎn)換對(duì)接云服務(wù)平臺(tái)，可接入溫度、CO、CO、壓力等傳感器;（3）RFID讀寫(xiě)器，采用232或485串口通信和以太網(wǎng)通信連接終端電腦，并通過(guò)采集數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，云服務(wù)平臺(tái)提供數(shù)據(jù)。

1.3危險(xiǎn)化工工藝評(píng)估系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)

危險(xiǎn)化工工藝評(píng)估系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)包括4個(gè)部分：（1）系統(tǒng)應(yīng)用層，該層包括基于RFID的數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)和基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)。這兩個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)的作用是對(duì)采集的數(shù)據(jù)展示、設(shè)備和人員信息進(jìn)行管理，并且可以統(tǒng)計(jì)、查詢(xún)和導(dǎo)出數(shù)據(jù);（2）核心組件層，這一層包括分布式數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和管理系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)信息預(yù)處理系統(tǒng)。它們的作用分別是控制通信訪(fǎng)問(wèn)、數(shù)據(jù)訪(fǎng)問(wèn)和對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗和格式化;（3）基礎(chǔ)支撐層，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)庫(kù)管理;（4）信息接入層。具體技術(shù)架構(gòu)圖如圖8所示。

2危險(xiǎn)化工工藝生產(chǎn)數(shù)據(jù)的融合和預(yù)處理

通過(guò)以上架構(gòu)設(shè)計(jì)看出，構(gòu)建危險(xiǎn)化工工藝安全評(píng)估系統(tǒng)的首要問(wèn)題是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集與數(shù)據(jù)融合。由于在化工工藝中通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳感器采集的數(shù)據(jù)往往存在誤差[3-5]，本研究采用Kriging插值算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合和預(yù)處理。Kriging插值算法是一種根據(jù)樣本信息的空間位置和形狀大小等，其給每個(gè)樣本提供一個(gè)系數(shù)，然后對(duì)預(yù)測(cè)區(qū)域進(jìn)行加權(quán)平均評(píng)估的方法。

2.1建立依存關(guān)系

采用Kriging插值算法對(duì)實(shí)時(shí)傳感器數(shù)據(jù)儲(chǔ)量、溫度等進(jìn)行位置預(yù)測(cè)時(shí)，首先建立樣本數(shù)據(jù)之間的依存關(guān)系。兩兩配對(duì)樣本數(shù)據(jù)的所有節(jié)點(diǎn)，然后建立時(shí)間距離與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的關(guān)系對(duì)，具體如圖3所示。最后利用關(guān)系對(duì)建立互相關(guān)性和自相關(guān)性的空間模型。

建立依存關(guān)系共有2個(gè)步驟：

（1）根據(jù)數(shù)據(jù)樣本時(shí)間分布情況獲得半變異函數(shù)，從而得到關(guān)系對(duì)的半變異函數(shù)值，具體如式（1）所示[6];

式中：n表示關(guān)系對(duì)數(shù)量;h為時(shí)間距離。

（2）在半變異函數(shù)值和時(shí)間距離關(guān)系的基礎(chǔ)上，采用最小二乘法進(jìn)行擬合預(yù)測(cè)，由此建立依存關(guān)系。

2.2預(yù)測(cè)估計(jì)

根據(jù)上述的半變異模型來(lái)預(yù)測(cè)未知的數(shù)據(jù)點(diǎn)（溫度、儲(chǔ)量等），具體如式（2）所示：

式中：S為樣本數(shù)量;W為權(quán)重系數(shù);Z表示預(yù)測(cè)值;Z為預(yù)測(cè)樣本點(diǎn);數(shù)據(jù)點(diǎn)的計(jì)算過(guò)程如式（3）所示。本研究采用距離待預(yù)測(cè)位置最近的4個(gè)樣本點(diǎn)進(jìn)行預(yù)測(cè)，則S=4，預(yù)測(cè)過(guò)程如圖4所示。

式中：λ表示未知參數(shù);W、W、W、W分別表示4個(gè)權(quán)值。假設(shè)待預(yù)測(cè)的位置為0號(hào)，距離待預(yù)測(cè)點(diǎn)最近的4個(gè)樣本數(shù)據(jù)點(diǎn)分別為1、2、3、4號(hào)，則利用這4個(gè)點(diǎn)來(lái)預(yù)測(cè)0號(hào)位置的過(guò)程：首先計(jì)算半變異函數(shù)值y（h）;然后根據(jù)式（3）計(jì)算4個(gè)樣本點(diǎn)的權(quán)重系數(shù);最后利用式（2）對(duì)0號(hào)位置進(jìn)行預(yù)測(cè)，具體如圖4所示。

3基于TFN-AHP的危險(xiǎn)化工工藝安全評(píng)估算法

在數(shù)據(jù)預(yù)處理基礎(chǔ)上，構(gòu)建危險(xiǎn)化工工藝安全評(píng)估算法，從而對(duì)當(dāng)前的化工工藝安全等級(jí)進(jìn)行定量分析。為此，本部分首先構(gòu)建風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估體系，然后采用TFN-AHP對(duì)化工工藝安全進(jìn)行綜合評(píng)估。

3.1風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)體系

風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)體系由工藝參數(shù)、危險(xiǎn)物料、安全控制組成。其中危險(xiǎn)物料的評(píng)估包括燃料物、爆炸物的危險(xiǎn)性及毒害性、物質(zhì)腐蝕等;工藝參數(shù)評(píng)估包括儲(chǔ)量、流量、氧含量、溫度、壓力等。而安全控制評(píng)估包括緊急冷卻系統(tǒng)、溫度參數(shù)報(bào)警聯(lián)鎖、安全泄放系統(tǒng)、緊急停車(chē)裝置、可燃有毒氣體監(jiān)測(cè)報(bào)警裝置等。危險(xiǎn)化工工藝安全評(píng)估指標(biāo)體系如圖5所示。

3.2TFN-AHP各級(jí)指標(biāo)權(quán)重的確定

由圖5可知，評(píng)估指標(biāo)體系共有3層。由于主觀(guān)性帶來(lái)的影響，導(dǎo)致不同專(zhuān)家的評(píng)估存在不確定性，因此本研究采用三角模糊數(shù)來(lái)確定指標(biāo)體系。

3.2.1模糊判斷矩陣的構(gòu)建

兩量比較各層評(píng)估指標(biāo)可得到一個(gè)具有科學(xué)量化的判斷矩陣。假設(shè)評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)量為n，模糊判斷矩陣為A=（a）×n，其中a=[l，m，u]（1≤m≤u）為描述事件的重要程度[7]。同時(shí)，邀請(qǐng)多名專(zhuān)家進(jìn)行評(píng)估工作，則綜合三角模糊數(shù)：

3.2.2計(jì)算各層指標(biāo)權(quán)重

3.3模糊綜合評(píng)價(jià)法

3.3.1判斷對(duì)象和評(píng)判級(jí)的確定

對(duì)化工工藝生產(chǎn)設(shè)備的安全控制進(jìn)行評(píng)估時(shí)，受到多方面指標(biāo)的影響。根據(jù)所構(gòu)建的指標(biāo)體系和多名專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)，令評(píng)判集V={V，V，V，...，V}，其中V表示“異?！?、“危險(xiǎn)”、“安全”等評(píng)判等級(jí)。

3.3.2正態(tài)分布構(gòu)建模糊關(guān)系矩陣

正態(tài)分布能夠采集隸屬度較高的信息，過(guò)濾隸屬度低的信息。因此，采用模糊正態(tài)分布隸屬函數(shù)構(gòu)建關(guān)系矩陣，其函數(shù)公式：

式中：μ表示正態(tài)分布的期望值;σ表示標(biāo)準(zhǔn)差。其隸屬度函數(shù)變化如圖6所示。

由圖6可知，評(píng)判區(qū)間分別為安全、異常和危險(xiǎn)，對(duì)應(yīng)的期望值分別為 μ、μ和μ。根據(jù)正態(tài)分布的特點(diǎn)可知，函數(shù)大部分位于期望值的3個(gè)標(biāo)

準(zhǔn)差區(qū)域內(nèi)，因此本研究將隸屬度函數(shù)的定義域設(shè)為6σ，則安全、異常和危險(xiǎn)區(qū)間的具體隸屬函數(shù)為[9]：

3.4多層次綜合評(píng)價(jià)

根據(jù)各層指標(biāo)權(quán)重系數(shù)和模糊關(guān)系矩陣，并依次向上合并可得到不同評(píng)判集的最終合成權(quán)重（RPS）[10]：

3.5綜合評(píng)價(jià)流程設(shè)計(jì)

根據(jù)各指標(biāo)間存在的邏輯關(guān)系，給出綜合評(píng)估結(jié)果，從而完成多層次模糊綜合評(píng)判。具體評(píng)價(jià)流程如圖7所示。

由圖7可知，模糊評(píng)價(jià)流程分為以下幾個(gè)步驟：（1）根據(jù)各個(gè)因素之間的關(guān)系對(duì)評(píng)價(jià)遞階層次結(jié)構(gòu)進(jìn)行構(gòu)建;（2）采用層次分析法，兩兩比較每一層的各個(gè)指標(biāo)，從而建立判斷矩陣，得到層次要素的重要性排序，實(shí)現(xiàn)權(quán)重向量的建立;（3）建立評(píng)價(jià)集V;（4）根據(jù)專(zhuān)家評(píng)估構(gòu)建多層模糊評(píng)判矩陣;（5）通過(guò)加權(quán)計(jì)算得到最終評(píng)價(jià)結(jié)果。

4危險(xiǎn)化工工藝安全評(píng)估系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

危險(xiǎn)化工工藝安全評(píng)估系統(tǒng)應(yīng)該實(shí)現(xiàn)用戶(hù)對(duì)化工企業(yè)監(jiān)控對(duì)象節(jié)點(diǎn)進(jìn)行新建、編輯和管理，并管理設(shè)施設(shè)備。同時(shí)，還需要提供能夠直接顯示檢測(cè)數(shù)據(jù)的監(jiān)控畫(huà)面，便于觀(guān)察和記錄數(shù)據(jù)信息，發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障。此外，系統(tǒng)還應(yīng)提供開(kāi)放式的數(shù)據(jù)接口，允許用戶(hù)靈活配置監(jiān)控參數(shù)相關(guān)信息。

圖8表示系統(tǒng)的登錄界面。系統(tǒng)的登錄用戶(hù)分為管理員登錄和普通用戶(hù)登錄，系統(tǒng)登錄中設(shè)有賬號(hào)記憶功能。只有管理員擁有賬戶(hù)權(quán)限分配、修改和刪除賬號(hào)，如圖9所示。

危險(xiǎn)化工工藝安全評(píng)估系統(tǒng)由系統(tǒng)工具、分布式數(shù)據(jù)管理、人員視頻管理、系統(tǒng)配置、系統(tǒng)管理組成。其中系統(tǒng)配置對(duì)象為網(wǎng)絡(luò)、傳感器信息和監(jiān)測(cè)對(duì)象等;系統(tǒng)工具的作用是傳達(dá)通信狀態(tài)，如移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的連網(wǎng)狀態(tài);分布式數(shù)據(jù)采集模塊可以顯示移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的數(shù)量，并對(duì)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行連接或斷開(kāi)操作。系統(tǒng)管理模塊包括歷史數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)備份和用戶(hù)管理。

圖10為系統(tǒng)的整體界面，系統(tǒng)的首頁(yè)的展現(xiàn)方式包括數(shù)據(jù)列表和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?。其中網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渌宫F(xiàn)的是傳感器的布局，數(shù)據(jù)列表展示了傳感器的傳輸頻率和監(jiān)控參數(shù)。同時(shí)，系統(tǒng)的頁(yè)面包含了傳感器的編號(hào)、名稱(chēng)、類(lèi)型和運(yùn)行狀態(tài)等信息，便于獲取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，具體如圖11、圖12所示。

圖13為系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系，包括危險(xiǎn)物料、工藝參數(shù)和安全控制這3個(gè)模塊，其標(biāo)準(zhǔn)值分別為0.1、0.6和0.3。工藝參數(shù)決定了風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的最終結(jié)果，通過(guò)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估算法，導(dǎo)入數(shù)據(jù)就可得到最終的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果。

4結(jié)語(yǔ)

本研究通過(guò)對(duì)傳感器所獲取的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合和預(yù)處理，并結(jié)合層次綜合風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法對(duì)化工工藝安全狀態(tài)進(jìn)行定量和半定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)管理，構(gòu)建層次指標(biāo)體系。在此基礎(chǔ)上，成功實(shí)現(xiàn)對(duì)危險(xiǎn)化工工藝評(píng)估系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，有助于對(duì)化工企業(yè)的安全狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估。本研究存在一定的不足之處，如無(wú)法驗(yàn)證數(shù)據(jù)的可信度，無(wú)法認(rèn)定決策數(shù)據(jù)的可靠性等。因此，本研究還需對(duì)危險(xiǎn)化工工藝安全評(píng)估系統(tǒng)進(jìn)行完善。

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