李曉東
(中石化石油銷售有限責(zé)任公司,北京 100020)
煉化企業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中管線的正常維修改造或突發(fā)事故的搶修是不可避免的,但作業(yè)過(guò)程的連續(xù)性裝置仍正常運(yùn)行,因此常需開展帶壓搶修、更換腐蝕管段、改造或加裝設(shè)備設(shè)施等作業(yè)。帶壓打孔作業(yè)是一種高效、經(jīng)濟(jì)的在役管線搶維修技術(shù),開孔過(guò)程中無(wú)需停工停產(chǎn),但同時(shí)也存在很大的風(fēng)險(xiǎn)。特別是煉化企業(yè)生產(chǎn)過(guò)程存在易燃易爆、有毒有害、高溫高壓的風(fēng)險(xiǎn),且裝置內(nèi)帶壓作業(yè)影響因素錯(cuò)綜復(fù)雜,不僅存在動(dòng)火、起重、臨時(shí)用電等風(fēng)險(xiǎn)較大的特殊作業(yè),還存在管道試壓、管道帶壓開孔等高風(fēng)險(xiǎn)作業(yè),極易誘發(fā)事故,如帶壓焊接時(shí)燒穿設(shè)備、操作不當(dāng)或事先準(zhǔn)備不充分易造成管內(nèi)介質(zhì)突然泄漏等。因此,研究并建立煉化企業(yè)管道帶壓打孔作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)管控機(jī)制,對(duì)提高現(xiàn)場(chǎng)安全作業(yè)管理水平,降低事故發(fā)生具有重要意義。
目前針對(duì)帶壓打孔作業(yè)的文獻(xiàn)大多限于研究如何提升帶壓打孔技術(shù)或設(shè)備機(jī)具,以及論述帶壓打孔在化工生產(chǎn)中實(shí)施步驟、實(shí)施的限制條件和注意事項(xiàng)等[1,2],或者分析帶壓打孔作業(yè)的管理流程、主要風(fēng)險(xiǎn)及相應(yīng)的對(duì)策。上述存在以下兩個(gè)突出問(wèn)題:一是各個(gè)風(fēng)險(xiǎn)要素的權(quán)重采用經(jīng)驗(yàn)法、層次分析法等理論,過(guò)重依賴主觀經(jīng)驗(yàn),影響最終的評(píng)價(jià)結(jié)果;二是錯(cuò)綜復(fù)雜的風(fēng)險(xiǎn)因素對(duì)整個(gè)作業(yè)的安全影響程度是不確定的,具有模糊性和隨機(jī)性,傳統(tǒng)的方法是采用概率理論或者模糊集理論[3,4]研究隨機(jī)性問(wèn)題,但無(wú)法解決模糊性和隨機(jī)性共存的問(wèn)題。針對(duì)上述問(wèn)題,筆者引用改進(jìn)的粗糙集(RS)[5-7]和云模型[8-14](Cloud Model)相結(jié)合的方法來(lái)研究煉化企業(yè)帶壓打孔作業(yè)的風(fēng)險(xiǎn),一是利用改進(jìn)的RS計(jì)算各風(fēng)險(xiǎn)影響因素的權(quán)重,避免了專家統(tǒng)計(jì)、層次分析法等方法過(guò)多依賴主觀經(jīng)驗(yàn)的缺點(diǎn),同時(shí)避免了利用傳統(tǒng)的粗糙集理論易出現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)冗余的現(xiàn)象,實(shí)現(xiàn)各指標(biāo)因素的權(quán)重計(jì)算結(jié)果更符合實(shí)際、更客觀;二是云模型理論將概率論和模糊理論進(jìn)行交互滲透的基礎(chǔ)上,通過(guò)綜合云算法、浮動(dòng)云算法等方法,形成定性和定量的轉(zhuǎn)變模型,同時(shí)闡明評(píng)價(jià)過(guò)程中的模糊性和隨機(jī)性的內(nèi)在關(guān)聯(lián),解決了模糊性和隨機(jī)性共存的問(wèn)題。
煉化企業(yè)帶壓打孔作業(yè)時(shí),專家會(huì)根據(jù)作業(yè)具體情況對(duì)現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)分,綜合處理后提供給作業(yè)負(fù)責(zé)人或?qū)俚刎?fù)責(zé)人用于機(jī)動(dòng)決策。為了提高決策的速度和準(zhǔn)確性,提出了改進(jìn)粗糙集-云模型的煉化企業(yè)帶壓作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法,該方法評(píng)價(jià)流程如圖1所示。
圖1 改進(jìn)粗糙集-云模型的煉化企業(yè)帶壓作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)流程
參考SY 6554—2011《石油工業(yè)帶壓開孔作業(yè)安全規(guī)范》、GBT13861—2022《生產(chǎn)過(guò)程危險(xiǎn)和有害因素分類代碼》、GB50316—2000《工業(yè)金屬管道設(shè)計(jì)規(guī)范》等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),并結(jié)合煉化企業(yè)帶壓打孔作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)險(xiǎn)管控現(xiàn)狀和相關(guān)專家的調(diào)研,構(gòu)建了煉化企業(yè)帶壓打孔作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)體系,包括4個(gè)一級(jí)指標(biāo),28個(gè)二級(jí)指標(biāo),如圖2所示。
圖2 煉化企業(yè)帶壓打孔作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)體系
粗糙集理論是在1982年由波蘭科學(xué)家Pawlak Z創(chuàng)立的,用于定量分析不完整、模糊信息并研究其潛在規(guī)律的數(shù)學(xué)工具。改進(jìn)的RS與傳統(tǒng)的RS相比,計(jì)算指標(biāo)權(quán)重的過(guò)程簡(jiǎn)單易懂,且解決了傳統(tǒng)RS理論容易忽略某個(gè)(些)指標(biāo)問(wèn)題,步驟如下:
a) 收集、整理各項(xiàng)信息,構(gòu)建知識(shí)表示系統(tǒng)
設(shè)S={U,A,V,f}為一個(gè)信息系統(tǒng),D相對(duì)于C的條件熵公式如式(1):
(1)
式中:I——D相對(duì)于C的條件熵;
U——所有研究對(duì)象的集合;
C——條件屬性;
D——決策屬性;
k——Ci的個(gè)數(shù);
m——Dj的個(gè)數(shù);
Dj——第j個(gè)決策屬性;
Ci——第i個(gè)條件屬性。
b) 預(yù)處理各項(xiàng)數(shù)據(jù),明確條件屬性和決策屬性,生成RS形式的決策表。
c) 依據(jù)改進(jìn)RS理論分別計(jì)算管理因素各二級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)的條件熵、重要度和權(quán)重,見公式(2)、(3):
(2)
式中:?c∈C,a∈C,x∈U,a(x)∈U/D;
C——條件屬性;
U——所有研究對(duì)象的集合;
c——條件屬性C的單個(gè)指標(biāo);
sig(c)——單個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的重要度。
(3)
式中:w(c)——單個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重。
云模型理論是李德毅在1995年建立的,旨在解決屬性定性與定量之間轉(zhuǎn)換的不確定性問(wèn)題。
a) 設(shè)U是一個(gè)數(shù)值論域,X表示U的定性概念,如果定量值x∈U,并且x是通過(guò)定性概念X的一次隨機(jī)實(shí)現(xiàn),x對(duì)于定性概念X的確定度μX(x)∈[0,1]具有穩(wěn)定的傾向隨機(jī)性。如果μ:U→[0,1],?x∈U,x→U(x),則稱x在U的分布為云模型,簡(jiǎn)稱云,其中每一個(gè)x就成為一個(gè)云滴。
b) 云主要由期望Ex,熵En,超熵He3個(gè)數(shù)字特征表示整體的表征云的概念。
c) 風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)云是根據(jù)云模型理論生成各個(gè)等級(jí)的云模型圖,用來(lái)直觀展示評(píng)價(jià)指標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)狀況及多個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的排序,便于決策者根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)大小制定、投入安全措施,見公式(4)~(6):
(4)
(5)
He=k
(6)
式中:Ex——期望,在論域空間U中,云滴是最能代表定性概念的點(diǎn),其期望是論域空間中的中心值;
En——熵,云滴在論域空間U離散程度;
Cmax、Cmin——每個(gè)區(qū)間內(nèi)最大、最小的邊界值;
He——超熵,對(duì)熵En的不確定度的度量,也就是熵的熵;
k——常數(shù),用以表示熵的離散程度,文中k取0.01。
d) 云發(fā)生器分為正向云發(fā)生器和逆向云發(fā)生器:正向云發(fā)生器根據(jù)3個(gè)特征參數(shù)值生成云滴(x,y),云滴生成函數(shù)見式(7)~(9)。
(7)
(8)
(9)
式中:y(xi)——云生成函數(shù);
xi——第i個(gè)研究對(duì)象。
e) 虛擬云中浮動(dòng)云算法和綜合云算法。風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)體系中各級(jí)指標(biāo)對(duì)應(yīng)的子層之間的關(guān)聯(lián)性或獨(dú)立性不同,采用的算法不一樣,分別采用虛擬云中浮動(dòng)云算法和綜合云算法,公式分別為式(10)~(15)。
(10)
(11)
(12)
式(10)~(12)中:
(13)
E?n=En1ω1+En2ω2+…+Eniωi
(14)
(15)
式(13)~(15)中:
E?x——綜合云算法的期望;
E?n——綜合云算法的熵;
H?e——綜合云算法的超熵;
Exi、Eni、Hei——第i個(gè)研究對(duì)象的期望、熵、超熵。
以某煉化企業(yè)《280×104t/a重油催化裂化裝置在線開孔》工程項(xiàng)目為例,共計(jì)7處打孔項(xiàng)目改造:P-11穩(wěn)定汽油線DN250一處、氮?dú)饩€DN50一處、P-17開工柴油線DN150一處、P-18頂循油線DN350一處、P-19頂循油線DN350一處、180×104t/a柴油加氫輕烴線DN50一處、新鮮水線DN100一處。
不同企業(yè)的各級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重是統(tǒng)一、固定的,主要根據(jù)行業(yè)專家對(duì)多個(gè)帶壓作業(yè)指標(biāo)進(jìn)行分析,并通過(guò)改進(jìn)RS理論計(jì)算可得。文中以管理因素為例,RM的條件屬性記為C={R41、R42、R43、R44、R45、R46、R47、R48、R49},其中R41表示作業(yè)方案的合規(guī)性,R42表示作業(yè)人員的培訓(xùn)及考核,R43表示風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別的全面性、精準(zhǔn)性,R44表示作業(yè)許可執(zhí)行情況,R45表示安全技術(shù)交底的有效性,R46表示相關(guān)方信息溝通協(xié)調(diào)的有效性,R47表示作業(yè)場(chǎng)所封閉化情況,R48表示監(jiān)督檢查的有效性,R49表示應(yīng)急處置機(jī)制完善情況。評(píng)價(jià)結(jié)果記為URE={x1,x2,…x10},決策屬性D={1,2},數(shù)值1和2表示可接受和不可接受的風(fēng)險(xiǎn),其中V={1,2,3,4},分別表示風(fēng)險(xiǎn)為低風(fēng)險(xiǎn)(85分以上)、一般風(fēng)險(xiǎn)(70~85分,不含85分)、較高風(fēng)險(xiǎn)(60-70分,不含70分)和高風(fēng)險(xiǎn)(60分以下,不含60分),風(fēng)險(xiǎn)程度越高,表示整改的需要越迫切。
選取了10組專家對(duì)管理因素對(duì)應(yīng)的二級(jí)指標(biāo)的分析結(jié)果,評(píng)價(jià)決策見表1。
表1 帶壓打孔作業(yè)管理因素評(píng)價(jià)決策
根據(jù)公式(1)、(2)、(3)可得出管理因素各二級(jí)指標(biāo)權(quán)重。同理可得出人、物、環(huán)境因素各二級(jí)指標(biāo)及一級(jí)指標(biāo)的權(quán)重,結(jié)果見表2。
將煉化企業(yè)帶壓打孔作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分為高風(fēng)險(xiǎn)、較高風(fēng)險(xiǎn)、一般風(fēng)險(xiǎn)和低風(fēng)險(xiǎn)4個(gè)等級(jí),根據(jù)公式(4)~(6)可得4個(gè)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)下云模型的3個(gè)特征值,各個(gè)等級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)云如表3所示。
將各級(jí)云模型特征值輸入正向云發(fā)生器,生成風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)云,如圖3所示。
圖3中,自左向右風(fēng)險(xiǎn)值越來(lái)越小,依次是高風(fēng)險(xiǎn)、較高風(fēng)險(xiǎn)、一般風(fēng)險(xiǎn)和低風(fēng)險(xiǎn)。
通過(guò)對(duì)各級(jí)指標(biāo)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià),并按風(fēng)險(xiǎn)大小進(jìn)行排序。其原理是引用云模型理論中適用的方法分別計(jì)算各級(jí)指標(biāo)的3個(gè)特征值參數(shù),一方面利用MATLAB軟件輸入正向云發(fā)生器生成各個(gè)指標(biāo)的云模型圖,可以直觀展示各個(gè)指標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)排序;另一方面利用MATLAB軟件將計(jì)算結(jié)果與風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)云進(jìn)行相似度比較,并根據(jù)最大隸屬度原則,獲得指標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果。
表2 帶壓打孔作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)體系各指標(biāo)權(quán)重
表3 風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)云
圖3 煉化企業(yè)帶壓打孔作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)云
4.3.1 二級(jí)指標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)價(jià)
a) 二級(jí)指標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)云模型的形成。以管理因素為例,邀請(qǐng)10位行業(yè)專家結(jié)合示例作業(yè)場(chǎng)景的風(fēng)險(xiǎn)特點(diǎn)分別對(duì)評(píng)價(jià)體系的各二級(jí)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)分,評(píng)分結(jié)果如表4所示。
表4 帶壓打孔作業(yè)管理因素各專家打分
根據(jù)公式(10)~(12)得出管理因素各二級(jí)指標(biāo)云模型3個(gè)特征值參數(shù)及對(duì)應(yīng)的隸屬度,見表5。同理可得人的因素、物的因素及環(huán)境因素各二級(jí)指標(biāo)云模型3個(gè)特征值參數(shù)及對(duì)應(yīng)的隸屬度,利用MATLAB軟件將計(jì)算結(jié)果輸入正向云發(fā)生器生成管理因素各2個(gè)指標(biāo)的云模型評(píng)價(jià)圖,如圖4所示。
由圖4得出管理因素各二級(jí)指標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)大小由低到高的排序是:作業(yè)場(chǎng)所封閉化情況<相關(guān)方信息溝通協(xié)調(diào)的有效性<作業(yè)方案的合規(guī)性<作業(yè)人員的培訓(xùn)及考核<安全技術(shù)交底的有效性<監(jiān)督檢查的有效性<作業(yè)許可執(zhí)行情況<應(yīng)急處置機(jī)制完善情況<風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別的全面性、精準(zhǔn)性。
表5 管理要素各二級(jí)指標(biāo)云相似度計(jì)算結(jié)果
圖4 管理因素各二級(jí)指標(biāo)云模型評(píng)價(jià)
以管理要素各二級(jí)指標(biāo)為例,分別將各評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)應(yīng)的云與4個(gè)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)云進(jìn)行相似度比較,并根據(jù)最大隸屬度原則,結(jié)果見表5。
由表5可得管理要素中風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別的全面性、精準(zhǔn)性和應(yīng)急處置機(jī)制完善情況。兩個(gè)二級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)屬于較高風(fēng)險(xiǎn),其他的二級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)屬于一般風(fēng)險(xiǎn)。說(shuō)明該帶壓打孔作業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別和應(yīng)急處置方面需要重點(diǎn)加強(qiáng)。若風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別不全面,如作業(yè)人員技能能力不合格造成管道焊穿或者使用非防爆工具等危害未識(shí)別出來(lái),有可能造成嚴(yán)重的事故;若應(yīng)急準(zhǔn)備不充分或者人員應(yīng)急處置能力未滿足要求,有可能造成事故后果或擴(kuò)大化。
4.3.2 一級(jí)指標(biāo)和整體作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)價(jià)
a) 一級(jí)指標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)云模型的形成。一級(jí)指標(biāo)下二級(jí)指標(biāo)之間的相關(guān)性比較小,且基本都是獨(dú)立的,評(píng)價(jià)過(guò)程中可能存在沒有覆蓋的空白區(qū)。如物的因素的二級(jí)要素分別涉及不同類型的設(shè)備完好性影響,而虛擬云中的浮動(dòng)云計(jì)算能夠在兩種基云之間未覆蓋的空白區(qū)域內(nèi)生成虛擬語(yǔ)言值,適用于兩兩相對(duì)獨(dú)立的評(píng)價(jià)指標(biāo),因此根據(jù)公式(7)~(9)可計(jì)算出人的因素、物的因素、管理因素及環(huán)境因素對(duì)應(yīng)的云,根據(jù)最大隸屬度原則,與4個(gè)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)云進(jìn)行相似度比較,結(jié)果見表6。
帶入正向云發(fā)生器分別生成云模型,如圖5所示。由表6和圖5可知,人的因素、物的因素、管理因素屬于一般風(fēng)險(xiǎn),環(huán)境管理要素屬于低風(fēng)險(xiǎn),且各一級(jí)指標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)大小由高到低的排序是:管理因素>人的因素>物的因素>環(huán)境因素。
表6 一級(jí)指標(biāo)云模型參數(shù)及相似度
圖5 各一級(jí)指標(biāo)云模型評(píng)價(jià)
b) 整體風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)云模型的形成。整體風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)云模型的形成,實(shí)際上屬于低層次概念綜合到高層次概念的問(wèn)題。本質(zhì)上是將2個(gè)或2個(gè)以上的指標(biāo)云模型綜合為更廣義的云,覆蓋了更大范圍論域空間,采用虛擬云中的綜合云算法,根據(jù)公式(13)~(15)可計(jì)算出綜合云,與4個(gè)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)云進(jìn)行相似度比較,并根據(jù)最大隸屬度原則,可得出:云模型參數(shù)—(76.75,4.908 5,0.01);云相似度—(0.070 5,0.239 7,0.327 6,0.204 8),根據(jù)最大化原則,示例的煉化企業(yè)帶壓打孔作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)是一般風(fēng)險(xiǎn)。帶入正向云發(fā)生器分別生成云模型圖,如圖6所示。
由圖6可知,該煉化企業(yè)帶壓打孔作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為一般風(fēng)險(xiǎn),這與該帶壓作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況相符,表明了基于改進(jìn)粗糙集-云模型理論的評(píng)價(jià)方法是合理可行的。該模型最終利用云模型圖實(shí)現(xiàn)了定性語(yǔ)言與定量數(shù)值之間的轉(zhuǎn)換,其表現(xiàn)形式更加直觀、生動(dòng),便于決策者根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果采取針對(duì)性的管控措施。
圖6 試點(diǎn)煉化企業(yè)某帶壓作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)云模型
a) 以人—物—環(huán)—管為主線,結(jié)合煉化企業(yè)帶壓打孔作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)特點(diǎn),構(gòu)建了帶壓打孔作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)體系。提出了采用改進(jìn)粗糙集-云模型結(jié)合的方法對(duì)各級(jí)要素進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià),以便計(jì)算結(jié)果客觀,且保證了各指標(biāo)在決策中存在的意義。同時(shí)采用云模型中不同的方法計(jì)算各級(jí)指標(biāo)的云模型,體現(xiàn)了各級(jí)指標(biāo)之間的相關(guān)性,結(jié)果更符合實(shí)際。
b) 通對(duì)某企業(yè)的帶壓打孔作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià),風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)是“一般風(fēng)險(xiǎn)”;環(huán)境因素的風(fēng)險(xiǎn)是“低風(fēng)險(xiǎn)”,人的因素、物的因素和管理因素綜合評(píng)價(jià)是“一般風(fēng)險(xiǎn)”,且管理因素>人的因素>物的因素>環(huán)境因素;風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別的全面性、精準(zhǔn)性及應(yīng)急處置機(jī)制完善情況屬于“較高風(fēng)險(xiǎn)”。
c) 針對(duì)得出的評(píng)價(jià)結(jié)果,建議:一是提高作業(yè)前的風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別質(zhì)量。屬地單位和承包商的負(fù)責(zé)人、技術(shù)人員應(yīng)集中討論分析作業(yè)前、中和后可能存在的危害,并根據(jù)識(shí)別出來(lái)的危害制定針對(duì)定性、有效的管控措施。二是完善應(yīng)急處置機(jī)制。保障應(yīng)急救援流程的暢通,以便事故發(fā)生后受傷人員能在最短時(shí)間內(nèi)得到救治;提高人員的應(yīng)急處置能力,強(qiáng)化人員的應(yīng)急預(yù)案培訓(xùn),提高應(yīng)急演練的有效性;配備充足的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急物資。