基于綜合權(quán)重的涂料化工企業(yè)老舊裝置安全風(fēng)險評價

林海珠 唐文娟 成海量

（1.佛山市海納百川企業(yè)服務(wù)有限公司；2.重慶理工大學(xué)經(jīng)濟(jì)金融學(xué)院；3.廣東達(dá)康安全技術(shù)咨詢有限公司）

老舊裝置運行多年，設(shè)備、管道老化，自動化程度低，監(jiān)控、預(yù)警設(shè)施不足，系統(tǒng)故障率攀升，安全風(fēng)險增大， 因此開展老舊裝置風(fēng)險辨識，建立老舊裝置風(fēng)險量化評估系統(tǒng)及改善老舊裝置安全管控措施是十分必要的。

熵權(quán)法 （Entropy Weight，EW）、 層次分析法（Analytic Hierarchy Process，AHP）、 危險預(yù)先評價法、 指數(shù)分析法及六階段評價法等在事故原因分析及風(fēng)險因素量化評估中發(fā)揮著重要作用。 王建斌基于改進(jìn)熵權(quán)法提出了危險化學(xué)品企業(yè)安全管理狀態(tài)量化分級的方法［1］；趙公民和申悅基于熵權(quán)法構(gòu)建了煤焦油加工企業(yè)安全標(biāo)準(zhǔn)化評估方法［2］；魏慶輝利用熵權(quán)模糊綜合法得出安全管理制度與作業(yè)環(huán)境是影響安全生產(chǎn)的關(guān)鍵因素［3］。余辛等利用層次分析法確定了危險化學(xué)品倉庫選址的影響因素［4，5］；辛晶和楊玉勝基于網(wǎng)絡(luò)層次分析法對石油化工安全設(shè)施進(jìn)行了量化分析［6］；韓海榮和王巖基于層次分析-模糊綜合評價法得出危險化學(xué)品生產(chǎn)企業(yè)安全評價的量化結(jié)果［7］；蒲李莉等基于DEA-AHP法建立判斷矩陣計算各風(fēng)險元素的權(quán)重大小，從而確定施工階段城市地下綜合管廊存在的主要風(fēng)險，并提出管控措施［8］；康文倩基于改進(jìn)AHP算法構(gòu)建電力監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)安全評估系統(tǒng)以度量監(jiān)控的整體風(fēng)險值，實現(xiàn)了電力監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)安全風(fēng)險評估［9］；黃志勝等基于AHP-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法針對加氫裂化裝置中存在的危險因素，建立了安全性預(yù)警指標(biāo)體系和安全性預(yù)警模型［10］；趙向南等基于模糊層次分析法，對埋地PE燃?xì)夤艿赖氖Э赡苄赃M(jìn)行深入分析，并提出重點管控措施［11］；王嘉豪等在充分識別和分析化工園區(qū)風(fēng)險的基礎(chǔ)上以企業(yè)環(huán)境風(fēng)險危害性、安全性、應(yīng)急管理和污染治理能力為準(zhǔn)則層指標(biāo)以及17個二級指標(biāo)構(gòu)建了事故風(fēng)險評估預(yù)警指標(biāo)體系并對風(fēng)險進(jìn)行預(yù)警［12］。 然而目前對老舊裝置安全風(fēng)險因素的定量分析研究則鮮有報道。

筆者在事故調(diào)查、文獻(xiàn)分析和專家意見研究的基礎(chǔ)上，構(gòu)建老舊裝置安全風(fēng)險評價指標(biāo)體系和EW-AHP模型。 EW-AHP模型采用熵權(quán)法計算指標(biāo)客觀權(quán)重，采用層次分析法計算指標(biāo)主觀權(quán)重，然后將熵權(quán)法與層次分析法的結(jié)果優(yōu)化為綜合權(quán)重，從而分析老舊裝置中各安全風(fēng)險因素之間的關(guān)系，并實例驗證某涂料企業(yè)的老舊裝置安全風(fēng)險量化水平，以期為危險化學(xué)品企業(yè)老舊裝置安全風(fēng)險管控提供參考和依據(jù)。

1 方法

1.1 評價指標(biāo)體系的建立

分析近十年內(nèi)化工、危險化學(xué)品、醫(yī)藥制造企業(yè)發(fā)生的事故報告及有關(guān)文獻(xiàn)資料［6，10，13～15］，在《危險化學(xué)品生產(chǎn)使用企業(yè)老舊裝置安全風(fēng)險評估指南（試行）》的基礎(chǔ)上，通過優(yōu)化并考慮老舊裝置的實際運行情況， 建立以下安全風(fēng)險類型：設(shè)備設(shè)施性能退化、設(shè)計建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)低、監(jiān)測預(yù)警能力薄弱。

以設(shè)備設(shè)施性能退化、 設(shè)計建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)低、監(jiān)測預(yù)警能力薄弱為一級指標(biāo)，建立老舊裝置安全風(fēng)險評價指標(biāo)體系如圖1所示［14～18］。

圖1 老舊裝置安全風(fēng)險評價指標(biāo)體系

1.2 構(gòu)建安全評價模型

EW-AHP模型構(gòu)建中， 首先使用熵權(quán)法對各項指標(biāo)的權(quán)重進(jìn)行確定； 在層級結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，以上一層的指標(biāo)為目標(biāo)，與下一層指標(biāo)之間比較重要度，得出重要度數(shù)值，然后層層遞進(jìn)，計算總目標(biāo)權(quán)重值。

1.2.1 確定評價指標(biāo)因素集

評價指標(biāo)體系中的指標(biāo)因素集如下：

a.一級指標(biāo)因素C={C1，C2，C3}；

b.二級指標(biāo)因素C1={C11，C12，C13}，C2={C21，C22，C23，C24，C25}，C3={C31，C32，C33}。

1.2.2 劃分安全風(fēng)險等級

將安全風(fēng)險等級劃分為較低風(fēng)險、一般安全風(fēng)險、較高風(fēng)險、高風(fēng)險，分別對應(yīng)的評分?jǐn)?shù)值為［90，100］、［80，90）、［70，80）、［0，70）。

1.3 評價指標(biāo)權(quán)重的確定

1.3.1 EW法確定權(quán)重

1.3.1.1 熵權(quán)法基本理論

熵是由熱力學(xué)第二定律引出的描述能量均勻程度的概念，由Shannon引入信息論中，用來描述信息無序化程度，其值越小，系統(tǒng)無序度就越小，因此可用信息熵評價系統(tǒng)信息的有序度［16～20］。在評價指標(biāo)體系中給定了評估對象后，不同指標(biāo)因素的差異性亦不同， 信息的有效性也不同，指標(biāo)因素的信息熵越小，代表該指標(biāo)因素反映的信息就越多，評價過程中其作用就越大，權(quán)重就越高。 熵權(quán)法能夠消除各指標(biāo)權(quán)重計算的主觀行為，是一種客觀賦值法，得到的結(jié)果能夠反映客觀事實。

1.3.1.2 確定系統(tǒng)的熵

根據(jù)信息熵的定義，可以得到第j個指標(biāo)的熵值Hj為：

其中，λij表示第j個指標(biāo)在第i個指標(biāo)中的比重；Yij表示第i個指標(biāo)對第j個指標(biāo)的評分；n為專家數(shù)量。

1.3.1.3 指標(biāo)權(quán)重的計算

第j個指標(biāo)的權(quán)重ωj為：

其中，ωj之和為1；m為指標(biāo)的數(shù)量。

1.3.2 層次分析法

層次分析法［16～20］綜合了定性和定量評估，具有系統(tǒng)性和層次性。 層次分析法簡單明了，適用范圍廣，可用于信息不完善的情況也可用于主觀經(jīng)營判斷的情況。 層次分析法能夠較好地展示出不同層次的相對重要程度。 在涂料企業(yè)安全評價中使用層次分析法分析專家意見，可防止由專家主觀意見、經(jīng)驗不足等引起的判斷錯誤［19～21］。

1.3.2.1 構(gòu)造判斷矩陣

構(gòu)造判斷矩陣c如下：

其中，cij表示第i個指標(biāo)與第j個指標(biāo)兩者之間的相對重要程度，其值越大，相對重要程度就越大。

1.3.2.2 計算權(quán)重

根據(jù)判斷矩陣計算其最大特征值，并將其歸一化處理，可以得到不同指標(biāo)所對應(yīng)的權(quán)重。 計算權(quán)重最大特征值的方法有方根法、 迭代法、和積法［22］。 文中筆者采用方根法計算判斷矩陣的特征向量和特征根［23～25］，計算過程如下。

對判斷矩陣c中的每個元素cij進(jìn)行歸一化處理，可以得到矩陣B：

其中，bij為判斷矩陣c歸一化后的矩陣B中的元素。

將元素bij按行乘積，可得權(quán)重向量W=（W1，W2，…，Wm），其中Wi為權(quán)重向量W的第i個元素：

將權(quán)重向量W再進(jìn)行歸一化處理得到特征向量R，其中Ri為特征向量R的第i個元素：

對特征向量R進(jìn)行最大特征值計算， 可得到判斷矩陣c的最大特征根μmax為：

其中，［CR］i為向量CR的第i個元素。

1.3.2.3 一致性檢驗

為了檢驗判斷矩陣在構(gòu)造時邏輯的合理性，減少人為因素干擾，采用一致性指標(biāo)CI來判斷矩陣的一致性。同時引入一致性比率CR判斷矩陣是否一致，當(dāng)一致性比率計算結(jié)果小于0.1時，即可認(rèn)為判斷矩陣是一致的，否則需要重新構(gòu)造判斷矩陣直到結(jié)果符合一致性要求。 其中，采用平均隨機(jī)一致性指標(biāo)值RI來表征一致性比率， 表1為1～9階判斷矩陣的RI值［26］。

表1 平均隨機(jī)一致性指標(biāo)值

1.3.3 確定綜合權(quán)重

根據(jù)特征向量R與指標(biāo)權(quán)重ω計算評價指標(biāo)的綜合權(quán)重［14］：

其中，Vij為綜合權(quán)重向量V中第i行第j個元素；α為模糊數(shù)值，0＜α＜1；ωij為權(quán)重向量ω中第i行第j個元素；Rij為特征向量R中第i行第j個元素。

1.3.4 構(gòu)造安全評價模糊關(guān)系

利用綜合權(quán)重向量V=（Vi1，Vi2，Vi3，…，Vim）對二級評價指標(biāo)進(jìn)行綜合評價，得到二級評價指標(biāo)層的評價向量U為：

1.3.5 因素隸屬度

邀請專家對現(xiàn)場安全管理情況進(jìn)行逐一評分，將安全風(fēng)險等級劃分為較低風(fēng)險、一般安全風(fēng)險、較高風(fēng)險、高風(fēng)險4個等級。 將各風(fēng)險等級的專家數(shù)除以專家總數(shù)，作為風(fēng)險因素Cij對安全等級的隸屬度gij，則隸屬度矩陣G表示為：

1.3.6 確定風(fēng)險等級

采用加權(quán)評價原則確定安全風(fēng)險得分。取各個風(fēng)險等級的上限值組成E=（100，89，79，69），計算涂料企業(yè)老舊裝置安全風(fēng)險得分D為：

由得分D所在分?jǐn)?shù)區(qū)間即可確定相應(yīng)的安全風(fēng)險等級。

2 應(yīng)用實例

以華南某涂料化工企業(yè)為研究對象，該企業(yè)屬于危險化學(xué)生產(chǎn)企業(yè)， 建廠運行已有30年，其中樹脂合成車間構(gòu)成四級重大危險源，且主要反應(yīng)釜、常壓中間罐等設(shè)備設(shè)施已達(dá)到設(shè)計使用年限，其中F生產(chǎn)裝置為老舊裝置。 目前，F(xiàn)生產(chǎn)裝置已開展反應(yīng)安全風(fēng)險評估、 危險與可操作性（Hazard and Operability，HAZOP）分析和安全完整性等級（Safety Integrity Level，SIL）評估。

2.1 評分結(jié)果及因素隸屬度的確定

邀請10名行業(yè)專家對企業(yè)管理情況進(jìn)行評分，結(jié)果見表2。

表2 F生產(chǎn)裝置安全風(fēng)險評價指標(biāo)評分結(jié)果

經(jīng)統(tǒng)計學(xué)分析， 得到各因素的隸屬度矩陣G為：

2.2 綜合權(quán)重的確定

2.2.1 熵權(quán)權(quán)重

利用表2給出的專家評價分值，通過式（3）計算得出相應(yīng)的熵權(quán)法權(quán)重特征向量ω=（0.075，0.048，0.117，0.103，0.061，0.081，0.091，0.094，0.085，0.134，0.110）。

2.2.2 AHP權(quán)重

建立各指標(biāo)因素矩陣如下：

計算判斷矩陣，并進(jìn)行歸一化處理得到合成權(quán) 重R=（0.038，0.135，0.160，0.018，0.037，0.044，0.108，0.127，0.036，0.103，0.194）。

根據(jù)式（7）計算得出CR=（0.051，0.028，0.004，0.067，0.013），各元素均小于0.1，一致性檢驗通過。

2.2.3 綜合權(quán)重的確定

根據(jù)文獻(xiàn)［26］并經(jīng)專家組討論后，確定α=0.5時，綜合權(quán)重V=（0.064，0.074，0.130，0.078，0.054，0.070，0.096，0.104，0.070，0.125，0.135）。

2.2.4 安全模糊關(guān)系的確定

按式（9）計算得到評價向量U=（0.260，0.334，0.203，0.203）。

2.2.5 確定安全風(fēng)險等級

通過式（10）計算得到老舊裝置安全風(fēng)險得分D=85.84，表明F生產(chǎn)裝置安全風(fēng)險狀態(tài)處于一般安全風(fēng)險，與企業(yè)的實際情況相符。

2.3 層次排序

計算判斷矩陣，得到因素C1～C3的層次排序見表3。 由表3可知，設(shè)計建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)低最重要，其次為設(shè)備設(shè)施性能退化和監(jiān)測預(yù)警能力薄弱； 其中，自動化程度低、安全措施不完善、布局不合理、檢維修作業(yè)、變更風(fēng)險最為重要，企業(yè)應(yīng)加強(qiáng)相應(yīng)管理。 通過各因素權(quán)重值與一級指標(biāo)權(quán)重值的乘積可以得到總層次排序（表4），以明確安全管理過程中應(yīng)加強(qiáng)的環(huán)節(jié)。

表3 各指標(biāo)因素層次單排序

表4 安全風(fēng)險評價指標(biāo)層次總排序

3 結(jié)果分析

在C1指標(biāo)因素層次單排序中檢維修作業(yè)多、變更風(fēng)險加大起關(guān)鍵作用，因此企業(yè)在日常管理過程中需加強(qiáng)檢維修作業(yè)、變更管理，嚴(yán)格履行危險化學(xué)品企業(yè)特殊作業(yè)審批制度，嚴(yán)格落實變更管理。 在C2指標(biāo)因素層次單排序中C24、C25的權(quán)重分別為0.324、0.381，遠(yuǎn)大于其他因素，表明安全措施不完善、自動化程度低是建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)低的最主要原因， 因此后期應(yīng)結(jié)合檢維修計劃完善安全防護(hù)措施及自動化建設(shè)， 以提高生產(chǎn)裝置的本質(zhì)安全水平。 在C3指標(biāo)因素層次單排序中C33的權(quán)重遠(yuǎn)大于其他指標(biāo)因素， 表明監(jiān)測預(yù)警設(shè)施有效投用率不夠。安全風(fēng)險評價指標(biāo)層次總排序中C24、C25的權(quán)重遠(yuǎn)大于其他指標(biāo)因素，驗證了老舊裝置自動化程度低、安全防護(hù)設(shè)施不完善、本質(zhì)安全差的結(jié)論。 在日常管理過程中應(yīng)重點關(guān)注老舊裝置的安全設(shè)施、自動化改造及檢維修、變更管理，這也是安全監(jiān)管部門監(jiān)管的重要工作。

通過構(gòu)建模糊函數(shù)計算F生產(chǎn)裝置安全風(fēng)險得分為85.84分，為一般安全風(fēng)險，與企業(yè)的老舊裝置安全風(fēng)險評估報告結(jié)果相符，說明該評價指標(biāo)體系的構(gòu)建是有效、合理的。

4 結(jié)束語

針對化工企業(yè)易燃易爆物料多、 工藝復(fù)雜、人員素質(zhì)要求高等特點，將EW法與AHP法結(jié)合，建立了涂料企業(yè)老舊裝置安全評價的理論模型，研究了設(shè)備設(shè)施性能退化、 設(shè)計建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)低、監(jiān)測預(yù)警能力薄弱等安全風(fēng)險因素的影響。

通過構(gòu)建EW-AHP安全評價模型， 定量風(fēng)險可知安全措施不完善、自動化程度低、檢維修作業(yè)多、變更風(fēng)險加大、監(jiān)測預(yù)警設(shè)施有效投用率不夠是導(dǎo)致老舊裝置發(fā)生安全風(fēng)險事故的主要原因。

EW-AHP安全評價模型消除了主觀因素和客觀因素的不足，為評價企業(yè)的安全現(xiàn)狀提供了簡單、可行的技術(shù)方法。 同時，也規(guī)避了不同專家的知識、經(jīng)驗、能力水平對老舊裝置評價結(jié)果的影響，適用于《危險化學(xué)品生產(chǎn)使用企業(yè)老舊裝置安全風(fēng)險評估指南（試行）》中所定義的涂料企業(yè)老舊裝置的評價。

因老舊裝置比較復(fù)雜，指標(biāo)體系的評分?jǐn)?shù)據(jù)主要來源于行業(yè)專家、企業(yè)管理者等對企業(yè)安全現(xiàn)狀的評分，受限于樣本規(guī)模及局限于專家的安全知識水平，故存在一定的不足。 因此，在今后的研究過程中應(yīng)盡可能收集企業(yè)全員及行業(yè)專家對研究對象的評分，以減少不確定性的影響。

筆者構(gòu)建的老舊裝置安全評價指標(biāo)體系有望推廣至其他化工行業(yè)，為化工老舊裝置的安全評價提供簡單、可靠、科學(xué)的技術(shù)方法，以便整治提升及精準(zhǔn)監(jiān)管。