鄭琰 高明雪 張福群 毛寧 柳靜獻(xiàn)

(1. 沈陽(yáng)化工大學(xué)環(huán)境與安全工程學(xué)院 沈陽(yáng) 110142； 2. 東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院 沈陽(yáng) 110819)

0 引言

化工企業(yè)的危險(xiǎn)化學(xué)品、重大危險(xiǎn)源種類繁多、數(shù)量較大，集中了大量具有毒害性、燃爆性的物質(zhì)，生產(chǎn)過程大多涉及高溫、高壓或低溫、深冷等危險(xiǎn)工藝，增大了化工企業(yè)事故發(fā)生的概率[1-2]。同時(shí)，化工企業(yè)發(fā)生事故后容易引起多米諾效應(yīng)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，多米諾事故中由火災(zāi)引發(fā)的事故升級(jí)約占50%[3]，而火災(zāi)爆炸是化工企業(yè)的典型事故類型之一，有38.6%的化工風(fēng)險(xiǎn)事故會(huì)引起多米諾事故[4]。一旦引發(fā)多米諾效應(yīng)，一次事故會(huì)發(fā)展成為二次事故甚至更加嚴(yán)重的次生事故，波及范圍將會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大，甚至危及周圍居民，導(dǎo)致更加嚴(yán)重的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。

為協(xié)調(diào)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與安全生產(chǎn)，促進(jìn)化工行業(yè)可持續(xù)發(fā)展，有必要對(duì)化工企業(yè)的安全狀態(tài)進(jìn)行系統(tǒng)性研究。

化工安全分析方法在長(zhǎng)期的研究應(yīng)用中得到發(fā)展改進(jìn)。從傳統(tǒng)的安全檢查表、事故樹分析、事件樹分析等[5]，到基于計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展而來的現(xiàn)代分析方法，如層次分析、模糊評(píng)價(jià)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評(píng)價(jià)等[6]，都在化工企業(yè)危險(xiǎn)性分析中有著廣泛應(yīng)用。這些方法的缺點(diǎn)是操作復(fù)雜，對(duì)個(gè)人判斷和主觀經(jīng)驗(yàn)依賴性較大，缺乏科學(xué)性和系統(tǒng)性，使得分析結(jié)果的不確定性增加，也缺乏對(duì)系統(tǒng)安全的動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)，進(jìn)而影響到結(jié)果的客觀性和準(zhǔn)確性[2]。

突變理論作為重要的系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)理論之一，結(jié)合定性評(píng)價(jià)與定量評(píng)價(jià)，綜合考慮主觀因素和客觀因素的相對(duì)重要性，從系統(tǒng)的角度對(duì)漸變引發(fā)突變的過程和規(guī)律進(jìn)行了研究，通過歸一化公式本身的內(nèi)在作用機(jī)理量化確定指標(biāo)的重要性，可以有效避免主觀性對(duì)指標(biāo)權(quán)重的影響，從而保證度量結(jié)果更具有客觀性。目前，突變理論在安全分析領(lǐng)域有著較為廣泛的應(yīng)用。賈寶山等[6]運(yùn)用突變理論思想建立了煤礦安全狀態(tài)的突變理論評(píng)價(jià)模型，并進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用；肖琴等[7]基于突變理論和模糊集提出了機(jī)場(chǎng)飛行區(qū)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)新思路；陳偉珂等[8]建立了建筑工人不安全行為的尖點(diǎn)突變模型，并據(jù)此提出了防范建筑工人不安全行為的措施。同時(shí)，也有少數(shù)學(xué)者將突變理論應(yīng)用于化工企業(yè)安全狀態(tài)的度量分析。陳國(guó)華等[9]采用尖點(diǎn)突變模型建立了化工園區(qū)熵增、熵減計(jì)算模型；林大建等[10-11]通過建立突變模型對(duì)化工園區(qū)風(fēng)險(xiǎn)容量進(jìn)行了量化，還利用蝴蝶型突變理論建立了化工儲(chǔ)存單元的突變級(jí)數(shù)數(shù)學(xué)模型；裴甲坤等[12]構(gòu)建了基于尖點(diǎn)突變理論的化工事故致因模型。

上述研究主要利用突變理論對(duì)化工園區(qū)或企業(yè)的某個(gè)單元進(jìn)行安全分析，而對(duì)于化工企業(yè)整體安全狀態(tài)的研究較少。本文將突變理論應(yīng)用于化工企業(yè)整體安全狀態(tài)度量評(píng)價(jià)，具有重要的探索意義。

1 化工企業(yè)生產(chǎn)安全事故突變特征分析

突變模型具有突跳性、雙模態(tài)性、不可達(dá)性、滯后性和發(fā)散性等5個(gè)基本特征，系統(tǒng)一般具有上述兩個(gè)及以上特征時(shí)就滿足了突變理論分析的要求[13]。在具體應(yīng)用分析中，首先明確系統(tǒng)具有突變特征，然后根據(jù)控制變量數(shù)量選擇突變模型，最后再以此為基礎(chǔ)進(jìn)行后續(xù)具體分析。

(1)突跳性。化工企業(yè)存在多種危險(xiǎn)有害因素，危險(xiǎn)受控即安全，危險(xiǎn)失控會(huì)導(dǎo)致事故發(fā)生?？刂谱兞康淖兓瘯?huì)使化工系統(tǒng)狀態(tài)瞬間改變，由安全變?yōu)槭鹿?，所以化工生產(chǎn)安全事故的突跳性即事故的突發(fā)性。

(2)雙模態(tài)性?；て髽I(yè)事故發(fā)生前后呈現(xiàn)出兩種狀態(tài)，事故前是危險(xiǎn)受控、相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)，事故后是危險(xiǎn)失控、有序穩(wěn)定的系統(tǒng)被破壞，與突變理論的雙模態(tài)性相符。

(3)不可達(dá)性。突變理論模型中分布著穩(wěn)定點(diǎn)和不穩(wěn)定區(qū)域，穩(wěn)定點(diǎn)屬于不能達(dá)到的位置，也就是不可達(dá)點(diǎn)，所謂的系統(tǒng)“突變”即是在系統(tǒng)演變過程中跨越這些不可達(dá)點(diǎn)?；どa(chǎn)事故具有很強(qiáng)的突發(fā)性，危險(xiǎn)有害因素在演變成為事故、再經(jīng)歷發(fā)展、最后造成嚴(yán)重后果的過程中，不能達(dá)到的平衡位置存在于安全控制系統(tǒng)中，與突變模型相一致。

(4)滯后性。當(dāng)控制變量的狀態(tài)變化停止時(shí)，突變結(jié)果不會(huì)隨之立即終止。如化工企業(yè)工作人員使用明火等不安全行為，能導(dǎo)致火災(zāi)爆炸事故，即引發(fā)系統(tǒng)突變，當(dāng)停止這些行為時(shí)，火災(zāi)爆炸事故不會(huì)立即終止。

(5)發(fā)散性。系統(tǒng)狀態(tài)的突變可能由多種控制變量的變化引發(fā)，如化工生產(chǎn)中的火災(zāi)爆炸事故可由可燃?xì)怏w監(jiān)測(cè)系統(tǒng)失效、工作人員不安全行為等引起。

綜上分析，化工企業(yè)生產(chǎn)安全事故符合突變模型特征，可運(yùn)用突變模型分析度量化工企業(yè)安全狀態(tài)。

2 突變理論的基本原理及化工企業(yè)安全狀態(tài)度量模型構(gòu)建

2.1 突變理論的基本原理

突變理論以拓?fù)涓拍顬榛A(chǔ)，以系統(tǒng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性為研究對(duì)象，已發(fā)展成為一種新的數(shù)學(xué)理論并成為不確定事件風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的有效方法。對(duì)于存在多種屬性的決策性問題，一般評(píng)價(jià)方法需要對(duì)各指標(biāo)權(quán)重進(jìn)行確定，而突變理論通過指標(biāo)歸一化度量確定各指標(biāo)之間的重要性，可以有效避免主觀性對(duì)指標(biāo)權(quán)重的影響，從而保證度量結(jié)果更具有客觀性。

在現(xiàn)有的7種初等突變模型中，3種較為常用的是蝴蝶、燕尾、尖點(diǎn)突變，如表1所示。

表1 3種常用突變模型[9]

運(yùn)用突變理論進(jìn)行分析時(shí)，隸屬度值、總隸屬函數(shù)值由表1中歸一化公式遞歸計(jì)算求得。多數(shù)突變屬于非單一目標(biāo)情況，控制變量之間的關(guān)系存在兩種：①相互彌補(bǔ)不足或替代，稱為互補(bǔ)；②相互不可代替或彼此不能彌補(bǔ)不足，稱為非互補(bǔ)。針對(duì)兩種不同的情況，所采用的計(jì)算原則也不盡相同[13]。對(duì)于互補(bǔ)關(guān)系，系統(tǒng)狀態(tài)變量值等于各控制變量取值的平均值；對(duì)于非互補(bǔ)關(guān)系，狀態(tài)變量值取各控制變量取值中的最小值。

2.2 化工企業(yè)安全狀態(tài)度量模型的構(gòu)建2.2.1 指標(biāo)體系構(gòu)建

參考相關(guān)文獻(xiàn)及專家意見[1,14-16]，結(jié)合化工企業(yè)實(shí)際情況，以安全系統(tǒng)工程為依據(jù)，將化工企業(yè)安全狀態(tài)的影響因素劃分為4個(gè)二級(jí)指標(biāo)，分別是人、物、環(huán)境、管理，并依次逐級(jí)分解，構(gòu)建了化工企業(yè)安全狀態(tài)影響指標(biāo)體系，如表2所示。

2.2.2 指標(biāo)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

結(jié)合突變模型及化工企業(yè)危險(xiǎn)特點(diǎn)，參考相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范并結(jié)合專家意見，將化工企業(yè)安全狀態(tài)按安全程度從低到高分為5個(gè)等級(jí)，如表3所示；影響指標(biāo)按分值范圍分為5個(gè)等級(jí)，如表4所示。

表2 化工企業(yè)安全狀態(tài)影響指標(biāo)體系

表3 化工企業(yè)安全狀態(tài)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

表4 指標(biāo)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

2.2.3 原始數(shù)據(jù)的無(wú)量綱化處理

指標(biāo)無(wú)量綱化便于直接比較，依照式(1)、式(2)[13]進(jìn)行。

正向指標(biāo)，即越大越好：

(1)

負(fù)向指標(biāo)，即越小越好：

(2)

式中，xmax、xmin分別為最大、最小臨界值；xi為原始值；yi為無(wú)量綱化處理后的指標(biāo)值。

2.2.4 突變模型的確定

各層級(jí)指標(biāo)所屬的突變類型由其分解的指標(biāo)數(shù)量確定，因同一級(jí)指標(biāo)之間可以彌補(bǔ)上一級(jí)指標(biāo)影響的不足，因此符合互補(bǔ)性原則。據(jù)此，構(gòu)建化工企業(yè)安全狀態(tài)突變模型如圖1所示。

3 實(shí)例應(yīng)用

3.1 企業(yè)概況

某化工企業(yè)采用氧化脫氫法年產(chǎn)5 000 t甲醛。通過企業(yè)提供的資料及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，詳細(xì)了解了該企業(yè)周邊環(huán)境及平面布置、生產(chǎn)工藝、裝置、儲(chǔ)存設(shè)施、人員配置、企業(yè)制度等基本情況(篇幅所限，在此不贅述)。

3.2 指標(biāo)分值的確定

按照表4確定的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)，邀請(qǐng)5位安全和化工等行業(yè)專家進(jìn)行打分評(píng)價(jià)，結(jié)果如表5所示。

表5 指標(biāo)專家打分結(jié)果

3.3 評(píng)分結(jié)果的無(wú)量綱化處理

專家打分的原則是安全狀態(tài)越好則分值越高，因此均為正向指標(biāo)，采用式(1)進(jìn)行計(jì)算，所有四級(jí)指標(biāo)評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)果如表6所示。

3.4 基于突變理論的化工企業(yè)安全狀態(tài)度量

根據(jù)表1中的歸一化公式和互補(bǔ)性原則，對(duì)化工企業(yè)安全狀態(tài)突變模型(圖1)進(jìn)行計(jì)算處理，分別求得突變級(jí)數(shù)值xD1～xD24、xC1～xC9、xB1～xB4和指標(biāo)值yC1～yC9、yB1～yB4，最終求出總突變隸屬函數(shù)值xA=0.968 6，如表6所示。

圖1 化工企業(yè)安全狀態(tài)突變模型

表6 某化工企業(yè)安全狀態(tài)度量結(jié)果

續(xù)表6

3.5 度量分析方法的優(yōu)化

對(duì)照表3，總突變隸屬函數(shù)值xA=0.968 6對(duì)應(yīng)安全等級(jí)為極高，但該安全水平與實(shí)際情況偏差較大，故而不能將上述計(jì)算結(jié)果直接作為度量安全狀態(tài)的依據(jù)。因?yàn)橥蛔兡Ｐ椭械牡讓又笜?biāo)值是有絕對(duì)意義的，能直接反映出實(shí)際情況，但經(jīng)過逐級(jí)遞歸運(yùn)算后，計(jì)算結(jié)果變大、差距縮小，與實(shí)際情況偏離較大。如分別假設(shè)四級(jí)指標(biāo)隸屬度值都為0.1和1.0，經(jīng)過計(jì)算，此時(shí)總突變隸屬函數(shù)值分別為0.897 2和1.0，差距明顯縮小，不符合實(shí)際情況，即遞歸計(jì)算結(jié)果不能作為絕對(duì)的“好”“壞”表征。為了對(duì)安全狀態(tài)等級(jí)直接進(jìn)行度量，需要將其轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N具有絕對(duì)意義的數(shù)值。

采用如下過程對(duì)前述度量方法進(jìn)行優(yōu)化，用M表示指標(biāo)隸屬度值，對(duì)其取值進(jìn)行假設(shè)，計(jì)算出對(duì)應(yīng)的總突變隸屬函數(shù)值xA，結(jié)果如表7所示。

表7 總突變隸屬函數(shù)值與隸屬度值的對(duì)應(yīng)關(guān)系

將表7中的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合處理，如圖2所示。擬合公式為

(3)

該企業(yè)總突變隸屬函數(shù)值優(yōu)化后為MA=0.514 2，此時(shí)安全級(jí)別為III級(jí)，屬于“一般”安全，符合實(shí)際情況。

3.6 結(jié)果綜合分析

按照所構(gòu)建的化工企業(yè)安全狀態(tài)度量模型以及分析步驟，對(duì)某化工企業(yè)進(jìn)行安全狀態(tài)分析，確定該企業(yè)安全狀態(tài)級(jí)別為III級(jí)，即“一般”安全。根據(jù)該企業(yè)安全狀態(tài)度量結(jié)果(表6)，二級(jí)指標(biāo)值yB4最低，為0.878 1，據(jù)此分析管理因素為該企業(yè)安全工作中的薄弱環(huán)節(jié)，下一步需重點(diǎn)提高安全和應(yīng)急管理水平，加強(qiáng)企業(yè)安全管理工作。

圖2 總突變隸屬函數(shù)值與隸屬度值的擬合曲線

4 結(jié)論

(1)基于突變理論的原理和特征，對(duì)化工企業(yè)生產(chǎn)安全事故過程進(jìn)行分析，判定其符合突變過程的特征，因此基于突變理論構(gòu)建化工企業(yè)安全狀態(tài)度量模型合理可行。

(2)構(gòu)建了化工企業(yè)安全狀態(tài)影響指標(biāo)體系，建立了化工企業(yè)安全狀態(tài)度量的突變模型。

(3)應(yīng)用構(gòu)建的模型進(jìn)行實(shí)際化工企業(yè)安全狀態(tài)分析，結(jié)果表明計(jì)算過程合理可行且簡(jiǎn)單方便。針對(duì)突變模型分析中存在的計(jì)算結(jié)果變大、差距變小的缺點(diǎn)，對(duì)度量方法進(jìn)行了優(yōu)化，通過總突變隸屬函數(shù)值的擬合轉(zhuǎn)換計(jì)算，使結(jié)果更加科學(xué)合理。根據(jù)分析結(jié)果可準(zhǔn)確掌握企業(yè)安全狀態(tài)，充分了解實(shí)際安全水平及薄弱環(huán)節(jié)，及時(shí)采取有針對(duì)性的安全對(duì)策措施。