基于熵權(quán)可變模糊集的化工工藝本質(zhì)安全評(píng)價(jià)

＊羅群光 金龍 馮云 余航 楊信林

（1.普洱超冠化工有限責(zé)任公司 云南 665000 2.成都市城市安全與應(yīng)急管理研究院 四川 610000）

化工行業(yè)生產(chǎn)工藝復(fù)雜[1]，設(shè)備串聯(lián)廣且工作條件嚴(yán)苛，大多數(shù)在高溫高壓或者低溫真空工況下運(yùn)行，其物料也具有易燃易爆、有毒的顯著特點(diǎn)。對(duì)于化工過(guò)程安全的風(fēng)險(xiǎn)管控，最根本的措施還在于源頭治理終極目標(biāo)是本質(zhì)安全[2]，本質(zhì)安全概念自1978年由Trevor Kletz[3]教授首次提出以來(lái)就受到研究者的廣泛關(guān)注。本質(zhì)安全屬于模糊的定性概念，因此量化本質(zhì)安全對(duì)化工工藝設(shè)計(jì)與安全生產(chǎn)決策具有重要意義。研究者對(duì)此提出很多評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)與本質(zhì)安全量化評(píng)價(jià)方法?；み^(guò)程概念設(shè)計(jì)初期階段的本質(zhì)安全評(píng)價(jià)主要用于篩選與分析工藝路線，目前評(píng)價(jià)方法主要?dú)w納于3大類：指標(biāo)型評(píng)價(jià)法、圖示型評(píng)價(jià)法[2]以及不確定性量化評(píng)價(jià)法。指標(biāo)型評(píng)價(jià)包括本質(zhì)安全原型指數(shù)法PIIS[4]、i-Safe[5]、本質(zhì)安全指數(shù)法ISI[6]等。PIIS以化工過(guò)程中的工藝參數(shù)例如溫度、壓力和收率等作為分析指標(biāo)，未考慮物料性質(zhì)的危險(xiǎn)性，評(píng)價(jià)結(jié)果采用專家打分求和的方式獲得。i-Safe著眼于反應(yīng)步驟，未考慮物料儲(chǔ)存量及工藝控制參數(shù)，評(píng)價(jià)結(jié)果采用各反應(yīng)步驟本質(zhì)安全指數(shù)加和的方式獲得。ISI考慮指標(biāo)較多，覆蓋范圍較廣，但是部分評(píng)價(jià)指標(biāo)在工藝概念設(shè)計(jì)初期無(wú)法獲得，它適用于已經(jīng)設(shè)計(jì)投產(chǎn)使用的工藝安全評(píng)價(jià)，因此在運(yùn)用中有一定的難度。圖示型評(píng)價(jià)法是J.P.Gupta等[7]于2003年提出的一種可視化化工工藝安全評(píng)價(jià)方法，其評(píng)價(jià)思想較指標(biāo)型評(píng)價(jià)有所進(jìn)步，該方法考慮了指標(biāo)量綱及權(quán)重對(duì)工藝本質(zhì)安全程度的影響，將溫度、壓力和FET（可燃性、爆炸性和毒性）分別在圖中表示并依次相互比較得出安全性的高低。2008年，王艷華[8]利用基于模糊邏輯的數(shù)據(jù)推理方法實(shí)現(xiàn)了評(píng)價(jià)過(guò)程可視化，并對(duì)甲苯高溫加氫脫烷烴制取苯的工藝過(guò)程本質(zhì)安全進(jìn)行了評(píng)價(jià)，取得了較好的評(píng)價(jià)結(jié)果；2009年，李求進(jìn)等[9]利用遺傳算法的Shepard插值對(duì)甲基丙烯酸甲酯的合成工藝進(jìn)行了本質(zhì)安全度的區(qū)分，取得了理想的區(qū)分效果；2010年，葉君樂(lè)[10]與王芳[11]等利用模糊綜合評(píng)價(jià)建立本質(zhì)安全指數(shù)評(píng)價(jià)模型，實(shí)現(xiàn)不同化工工藝的本質(zhì)安全性評(píng)價(jià)；2013年，劉維[12]引入可拓物元模型并結(jié)合熵權(quán)法賦權(quán)實(shí)現(xiàn)了甲基丙烯酸甲酯（Methyl Methacrylate，以下簡(jiǎn)稱MMA）合成工藝的本質(zhì)安全性評(píng)價(jià)；2013年，王芳[13]將Petri網(wǎng)與模糊數(shù)學(xué)結(jié)合，構(gòu)造了基于Petri拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)的方案優(yōu)選模型，并應(yīng)用到丙烯酸生產(chǎn)方案中，成功篩選到了本質(zhì)安全程度最高的生產(chǎn)方案；2016年，鄔長(zhǎng)城[14]引入集對(duì)分析，通過(guò)構(gòu)造同異反評(píng)估模型，實(shí)現(xiàn)了對(duì)MMA合成工藝本質(zhì)安全度等級(jí)的確定；2018年，魏丹[15]引入未確知測(cè)度理論，利用置信度識(shí)別準(zhǔn)則對(duì)酯化反應(yīng)的不同合成工藝進(jìn)行了本質(zhì)安全度的區(qū)分；2018年，蔡逸倫[16]利用云模型，通過(guò)計(jì)算云模型的云最大綜合隸屬度實(shí)現(xiàn)了對(duì)MMA合成工藝本質(zhì)安全性的比較。

本文提出引入可變模糊集作為評(píng)價(jià)模型，該模型同時(shí)融合了模糊線性、非線性逼近、方案優(yōu)選和理想點(diǎn)4個(gè)不確定性模型的評(píng)價(jià)結(jié)果，為多種不確定性理論的結(jié)合體，該模型考慮的不確定性范圍更廣。同時(shí)利用客觀熵權(quán)法為指標(biāo)賦權(quán)，避免了主觀因素影響評(píng)價(jià)結(jié)果。引入該模型，是對(duì)工藝本質(zhì)安全評(píng)價(jià)方法多樣性的補(bǔ)充與有益探索，也是實(shí)現(xiàn)評(píng)價(jià)方法之間的相互印證。

1.評(píng)價(jià)指標(biāo)體系與指標(biāo)權(quán)重

(1)評(píng)價(jià)指標(biāo)及閾值

化工工藝本質(zhì)安全性取決于物料、工藝條件、反應(yīng)能量釋放的安全性?；み^(guò)程復(fù)雜，工藝涉及的參數(shù)眾多，評(píng)價(jià)指標(biāo)應(yīng)當(dāng)選擇對(duì)物料、工藝條件、反應(yīng)能量釋放安全性影響較大且具有典型性、便于監(jiān)測(cè)的參數(shù)，做到通用性、廣泛性、覆蓋性。本文參照文獻(xiàn)[8-16]及國(guó)家文件安監(jiān)總管三〔2009〕116號(hào)《國(guó)家安全監(jiān)管總局關(guān)于公布首批重點(diǎn)監(jiān)管的危險(xiǎn)化工工藝目錄的通知》[17]篩選了表征物料安全性的可燃性、爆炸性、毒性、物料儲(chǔ)量，表征反應(yīng)能量釋放安全性的反應(yīng)性，表征工藝條件安全性的工藝溫度、工藝壓力構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，本文參考國(guó)家化學(xué)品安全卡（ICSC）與化學(xué)品安全說(shuō)明書（MSDS），以及文獻(xiàn)[8-16]的研究成果，確定各評(píng)價(jià)指標(biāo)的具體參數(shù)及對(duì)應(yīng)的本質(zhì)安全等級(jí)閾值見(jiàn)表1。

表1 化工工藝本質(zhì)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)及等級(jí)閾值

(2)評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重

化工工藝本質(zhì)安全評(píng)價(jià)屬于多指標(biāo)復(fù)雜系統(tǒng)的評(píng)價(jià)問(wèn)題，指標(biāo)權(quán)重的合理性影響最終結(jié)果?？紤]化工生產(chǎn)中工藝參數(shù)之間關(guān)聯(lián)度較大，參數(shù)間相互影響，本文為排除主觀因素干擾，遵照客觀實(shí)際，采用基于指標(biāo)信息熵大小賦權(quán)的熵權(quán)法[12,18]。在利用熵權(quán)法求指標(biāo)權(quán)重前，需對(duì)指標(biāo)做標(biāo)準(zhǔn)化處理，目的是為排除指標(biāo)數(shù)量級(jí)、量綱、指標(biāo)優(yōu)劣取向差異對(duì)決策結(jié)果的干擾。假設(shè)待評(píng)系統(tǒng)有n個(gè)待評(píng)樣本，系統(tǒng)有n個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，則構(gòu)成初始決策矩陣X=(xij)n×m標(biāo)準(zhǔn)化處理后形成標(biāo)準(zhǔn)化矩陣V=(vij)n×m。根據(jù)指標(biāo)大小對(duì)決策貢獻(xiàn)類型，分為高優(yōu)型指標(biāo)與低優(yōu)型指標(biāo)。如果將數(shù)值越大本質(zhì)安全等級(jí)越高的認(rèn)為越優(yōu)，從表1可以看出可燃性、毒性指標(biāo)屬于高優(yōu)型，其余指標(biāo)屬于低優(yōu)型。

2.可變模糊集基本理論

2005年，陳守煜針對(duì)Zadeh[19]的模糊集理論中采用靜態(tài)型隸屬度與隸屬函數(shù)處理模糊隨機(jī)動(dòng)態(tài)變化系統(tǒng)不適用的問(wèn)題，并運(yùn)用到了水文領(lǐng)域[19-20]的復(fù)雜分析與評(píng)價(jià)問(wèn)題，取得了較好的成果。該模型近年來(lái)被應(yīng)用在礦山安全、環(huán)境安全、交通安全、地質(zhì)災(zāi)害等領(lǐng)域的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)中[21-24]。

(1)可變模糊集定義

設(shè)論域U上的一個(gè)模糊概念A(yù)，對(duì)U中任意的元素u(u∈U)對(duì)模糊概念A(yù)存在吸引性質(zhì)與排斥性質(zhì)，則μA(u)與分別表示吸引性質(zhì)與排斥性質(zhì)的隸屬度，吸引與排斥的相對(duì)強(qiáng)弱用相對(duì)差異度函數(shù)DA(u)表示，則有：

由（1）式可得吸引性隸屬函數(shù)為：

(2)相對(duì)差異度函數(shù)模型

設(shè)X0= [a，b]為數(shù)軸上可變模糊集合V的吸引域，在吸引域中μA(u)>μAc(u)，X= [c，d]為包括X0(X0?X)的某一可變擴(kuò)展閾值區(qū)間，區(qū)間軸表示如圖1所示。

圖1 點(diǎn)與區(qū)間的相對(duì)位置關(guān)系

根據(jù)可變模糊集定義，如圖1所示，區(qū)間[c，a]與區(qū)間[b，d]均為集合的排斥域，在排斥域中排斥占主導(dǎo)即。點(diǎn)M∈[a，b]為吸引域中吸引最強(qiáng)的點(diǎn)即吸引隸屬度μA(u)=1的點(diǎn)。假設(shè)x為X區(qū)間可活動(dòng)的任意點(diǎn)，則點(diǎn)x位于點(diǎn)M左側(cè)的相對(duì)差異度函數(shù)有兩種情況：一種為x位于左側(cè)吸引域，即x∈ [a，M]；另一種為x位于左側(cè)排斥域，即x∈ [c，a]。這兩種情況下的相對(duì)差異度函數(shù)DA(u)的計(jì)算公式如式（3）：

同理，點(diǎn)x位于點(diǎn)M右側(cè)的相對(duì)差異度函數(shù)DA(u)計(jì)算公式如式（4）：

若任意點(diǎn)x不在論域討論范圍即超出閾限，在擴(kuò)展區(qū)間X以外即x? (c，d)表現(xiàn)出絕對(duì)排斥，此時(shí)相對(duì)差異度函數(shù)DA(u)=-1。相對(duì)差異度函數(shù)DA(u)通常為線性函數(shù)，式子中的β為非負(fù)指數(shù)，常取β=1。

(3)可變模糊集評(píng)價(jià)模型

①確定評(píng)價(jià)區(qū)間矩陣

參照表1而言，對(duì)于有n個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，c個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)的評(píng)價(jià)體系而言，吸引域X0= [a，b]與可變擴(kuò)展域X=[c，d]以及相對(duì)隸屬度為1的點(diǎn)M均應(yīng)為矩陣形式，將三者的矩陣分別定義為Iab、Icd、IM，具體的矩陣表達(dá)如下：

式中，[ajh,bjh](j=1,2…,n;h=1,2,…,c)為指標(biāo)j的h評(píng)價(jià)等級(jí)的吸引閾值區(qū)間；ajh，bjh分別為閾值的上限與下限。

式中，[cjh,djh](j=1,2…,n;h=1,2,…,c)為指標(biāo)i的h評(píng)價(jià)等級(jí)的可變擴(kuò)展閾值區(qū)間；cjh，djh分別為閾值的上限與下限。

式中，Mjh為對(duì)應(yīng)吸引閾值區(qū)間[ajh,bjh](j=1,2…,n;h=1,2,…,c)的相對(duì)隸屬度為1的點(diǎn)，參照文獻(xiàn)[25]，具體表達(dá)式如式（8）所示。

確定上述矩陣Iab、Icd、IM后，由式（1）～（4）可得相對(duì)隸屬度矩陣μA(u)。

②可變模糊集評(píng)價(jià)模型

可變模糊集模型的表達(dá)式[25]如式（9）所示。

式中，wj為指標(biāo)權(quán)重；α為可變優(yōu)化標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)；p為可變距離參數(shù)；uh為加權(quán)綜合相對(duì)隸屬度；α與p各有兩種取值，因此存在4種不同組合形式的子模型，具體如表2所示。由此可見(jiàn)可變模糊集模型通過(guò)自身參數(shù)變化實(shí)現(xiàn)模型動(dòng)態(tài)可變，從不同角度逼近結(jié)果。本文將4個(gè)子模型在5個(gè)等級(jí)下的加權(quán)綜合相對(duì)隸屬度所構(gòu)成的矩陣定義為U'4×5，該矩陣經(jīng)過(guò)歸一化處理后得到的矩陣定義為U4×5。

表2 不同參數(shù)組合的子模型

③評(píng)價(jià)的等級(jí)判定

將待評(píng)價(jià)對(duì)象的級(jí)別特征值構(gòu)成的矩陣定義為H，由矩陣U4×5的轉(zhuǎn)置矩陣得出，計(jì)算公式如式（10）：

最終隸屬度取上述4種子模型隸屬度的均值：

利用表3中的判定準(zhǔn)則得到等級(jí)隸屬關(guān)系。

表3 可變模糊集評(píng)價(jià)結(jié)果判定準(zhǔn)則

3.實(shí)例

甲基丙烯酸甲酯（Methyl Methacrylate，MMA）為無(wú)色揮發(fā)性液體，廣泛用于生產(chǎn)有機(jī)玻璃及有機(jī)玻璃塑料，分子式為CH2=C(CH3)COOCH3。就目前的主要合成方法主要是有三種，分別為丙酮氰醇法（ACH法，C-3路線）、異丁烯法（C-4路線）、乙烯法（C-2路線），3條不同合成路線的反應(yīng)式及實(shí)際參數(shù)如表4所示?；陲L(fēng)險(xiǎn)從嚴(yán)，通過(guò)查詢國(guó)際化學(xué)品安全卡（ICSC）與材料安全數(shù)據(jù)表（MSDS）提取了3條反應(yīng)路線中最危險(xiǎn)的本質(zhì)安全指標(biāo)量值作為待評(píng)特征值如表4所示。

表4 MMA不同合成工藝的參數(shù)

表4中的樣本數(shù)據(jù)做標(biāo)準(zhǔn)化預(yù)處理，再利用熵權(quán)法求取指標(biāo)權(quán)重為wj={0 .1333，0.1526，0.1374，0.1388，0. 1447，，0. 1524，0. 1408}。

表5 MMA不同合成工藝路線

參照表1與圖1，以閃點(diǎn)為例，各風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的排斥閾與吸引閾如圖2所示：

圖2 閃點(diǎn)各風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)排斥閾的吸引閾

參照?qǐng)D2以及公式（5）～（8），計(jì)算Iab、Icd、IM如下：

以丙酮氰醇法為例，根據(jù)式（9）及矩陣Iab、Icd、IM求取相對(duì)隸屬度矩陣μA(u)：

已知評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重為wj={0 .1333，0.1526，0.1374，0. 1388，0，0.1447，0. 1524，0.1408}，調(diào)用式（10），結(jié)合表2中的參數(shù)取值，計(jì)算4種子模型的在5個(gè)本質(zhì)安全等級(jí)下加權(quán)綜合相對(duì)隸屬度uh，將所構(gòu)成的矩陣U′做歸一化處理得到矩陣U。

利用式（10）、式（11）計(jì)算工藝本質(zhì)安全的級(jí)別特征值Ht(t=1,2,3,4)及其均值。同理可以求出異丁烯法、乙烯法的本質(zhì)安全級(jí)別特征值Ht(t=1,2,3,4)及其均值，并利用表3中的判別準(zhǔn)則對(duì)3種工藝的本質(zhì)安全性進(jìn)行比較，結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 三種工藝本質(zhì)安全性的可變模糊集評(píng)價(jià)值

4.結(jié)論

（1）針對(duì)化工工藝本質(zhì)安全受多因素耦合影響，引入可變模糊集從過(guò)渡態(tài)定量描述入手，并采用基于客觀熵權(quán)法賦權(quán)，以可變模糊集模型為母體模型，4個(gè)子模型分別從模糊線性、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)非線性擬合、模糊優(yōu)選、理想點(diǎn)不同角度逼近真實(shí)結(jié)果，實(shí)現(xiàn)了工藝處于本質(zhì)安全過(guò)渡態(tài)時(shí)相對(duì)隸屬度大小的動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)。同時(shí)可變模糊集模型級(jí)別特征值檔次拉開(kāi)較大，說(shuō)明對(duì)不同工藝本質(zhì)性具有較強(qiáng)的區(qū)分度。

（2）可變模糊集與熵權(quán)法結(jié)合從不確定性量化與客觀權(quán)重的角度為企業(yè)在工藝線路的選取，復(fù)雜生產(chǎn)工藝的本質(zhì)安全評(píng)價(jià)，工藝路線概念設(shè)計(jì)初期的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。同時(shí)也可以對(duì)現(xiàn)有工藝路線的本質(zhì)安全性作出準(zhǔn)確評(píng)估，為未來(lái)工藝安全技術(shù)改造提供指引，具有一定的指導(dǎo)意義。