基于改進IAHP-云模型的化工園區(qū)風險評估

孟宇強，宮博，于立富

基于改進IAHP-云模型的化工園區(qū)風險評估

孟宇強，宮博，于立富

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

為了解決化工園區(qū)風險評估過程中風險因素的復雜性與不確定性而導致評估指標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)進行風險評估；以沈陽化工園區(qū)進行實例分析，結果表明沈陽化工園區(qū)風險等級為Ⅲ級；該模型所得結果與區(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)內化工企業(yè)高度集中，其中涉及種類眾多的危險化學品及重大危險源，隨時面臨發(fā)生泄漏、火災、爆炸等重大安全事故的危險，容易引發(fā)多米諾效應，造成嚴重災難事故。因此對化工園區(qū)進行風險評估具有重要意義。

針對化工園區(qū)的風險評估，學者們通過不同角度開展了研究。紀爽[1]等提出AHP-模糊綜合評價結合的方法對化工園區(qū)內化工企業(yè)環(huán)境進行風險評估；許開立[2]等利用集對分析理論結合保護層分析法定量評估化工危險源風險后果嚴重度；陽富強[3]等提出從本質安全角度利用正態(tài)云模型對化工安全生產過程進行風險評估。化工園區(qū)風險影響因素具有很強的模糊性和復雜性，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，并且評估指標不能系統(tǒng)全面地反映化工園區(qū)整體風險影響因素，從而導致評估結果不準確。

區(qū)間層次分析法（IAHP）[4]通常采用區(qū)間特征根法、迭代法、構造互補矩陣法[5]等求得權重區(qū)間，本文采用區(qū)間對數(shù)最小二乘法求得權重區(qū)間并結合集對理論，從同、異和反的角度精化權重區(qū)間得到權重區(qū)間精確值，避免了根據(jù)決策矩陣調整權重向量，能夠有效削弱風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法結合云模型理論構建化工園區(qū)風險評估模型，更利于描述化工園區(qū)風險影響因素。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)風險評估等級的模糊隸屬情況，并且削弱了專家打分導致評價值主觀性較強的問題，實現(xiàn)了化工園區(qū)整體風險評估，為化工園區(qū)安全管理提供了新思路。

1 構建化工園區(qū)風險評估指標體系

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

表1 化工園區(qū)風險評估指標體系

2 化工園區(qū)風險評估方法

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)風險評估的應用更合理。本文采用1～9級標度法[6]對化工園區(qū)風險影響因素相互比較，構造專家評價相對重要度區(qū)間數(shù)，形成化工園區(qū)風險影響因素判斷矩陣。如式（1）所示。

區(qū)間權重向量如式（6）所示。

2.2 基于集對理論優(yōu)化的IAHP法

權重區(qū)間=[-,+]在[0,1]之間。1為理想的權重，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重的程度，即同一性；=+表示不確定可以達到理想權重的程度，即差異性；=1--，表示不能達到理想權重的程度，即對立性。表示不確定，表示不接近。將屬性權重區(qū)間數(shù)轉換為二元聯(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)間權重上下界對其目標權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)間權重優(yōu)化值，如式(11)所示。

2.3 構建化工園區(qū)風險評估云模型

云模型[9]是結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化的理論模型。設為論域的定性概念，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)風險評價等級；熵表示風險的模糊度，反映定性概念的承受范圍；超熵表示云的厚度，反映風險等級模糊度的離散程度。

表 2 風險等級云模型

利用MATLAB得到對應的風險等級云模型，如圖1所示。

圖1 風險等級云圖

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

2.4 化工園區(qū)風險評估云集成方法

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，構建化工園區(qū)整體產業(yè)鏈。

3.1 確定園區(qū)風險因素指標權重

針對化工園區(qū)風險因素，邀請化工園區(qū)領域10名專家，通過1～9標度法對指標因素兩兩比較，經(jīng)過6次反復循環(huán)，對風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A3為例構建判斷矩陣，如表3所示。

表 3 一級指標判斷矩陣

根據(jù)式(2)、(3)計算得到二級指標31、32、33、34的權重區(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)化權重區(qū)間，確定區(qū)間精確值?？傻?1、32、33、34的權重精確值為[0.463, 0.312, 0.182, 0.051]。同理可以得出1、2、4的二級指標權重以及一級指標權重分別為：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 建立風險評估云模型

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

表 4 化工園區(qū)風險指標規(guī)范化值

根據(jù)式 (14) ，得到A3的二級指標云模型，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），同理可得其他指標的云模型，如表5所示。

由公式(15)可得一級指標云模型，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 風險指標云模型

3.3 結果分析

正根據(jù)云模型的3E原則[13]，當/3＞時，化工園區(qū)的評估結果可靠，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)風險評估結果為中等風險。期望為0.556 3，介于中等風險與較高風險之間；熵為0.036 6，反映出本次風險評價結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，評價結果穩(wěn)定。根據(jù)園區(qū)綜合云以及各二級指標云顯示，化工園區(qū)應急救援管理能力不足，部分企業(yè)應急救援預案缺乏針對性與實用性，應急演練不足，難以高效的救援。另外，應建立健全安全管理制度，加強安全培訓，提高全員安全素質。

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)進行風險評估，驗證了該模型的可靠性，結果如表6所示。本模型與其他方法相比，極大程度削弱了復雜系統(tǒng)中專家評估的主觀性，充分考慮了化工園區(qū)風險評估過程中風險因素的復雜性與模糊性對評估結果的影響，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)風險等級。

表6 化工園區(qū)風險評估結果

4 結 論

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

2）利用集對理論優(yōu)化區(qū)間權重，對同一性與差異性進行處理，得到的權重值更能精確的反映風險程度。對化工園區(qū)風險評估指標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)的風險等級。為化工園區(qū)風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，沈陽化工大學安全工程專業(yè)，從事化工園區(qū)風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)風險評價。

X937

A

1004-0935（2021）12-1818-05