张秀敏　许开立　姚锡文　闫放　姜婷婷　贾彦强

(东北大学资源与土木工程学院　沈阳 110819)



基于云模型的SPA模型在石化装置危险性评价中的应用*

张秀敏许开立姚锡文闫放姜婷婷贾彦强

(东北大学资源与土木工程学院沈阳 110819)

针对现有石化装置危险性评价模型未能充分反映评价指标模糊性和随机性的不足，提出了一种基于云模型的SPA模型，用于石化装置的危险性评价。首先利用云模型中的逆向云发生器计算云权重Wcloud=(Ex,En,He)。然后将云权重应用于五元联系数的集对分析中，进行综合评判可以得到综合评价云模型。通过MATLAB编程将其与标准评语云模型进行比较，确定评价对象的危险等级。结果表明，该模型对石化生产装置的危险性评价能够充分体现评价指标的随机性与模糊性，评价结果更为符合实际。

石化装置危险性云模型SPA云权重

0　引言

石化装置是存在着可燃性、爆炸性、毒害性、高温高压作业等危险性的高风险系统。因此，为确保石化装置安全运转，有必要对其进行危险性评价。当前用于研究石化装置危险性的评价方法已有很多，如：采用安全检查表-危险指数的计算方法，对系统安全状况的等级采用危险指数法来确定[1]；应用层析分析法对石化企业风险进行评价[2]；将一种基于改进的AHP应用于石化装置的危险性评价方法[3]；对于石化生产装置采用模糊综合评判方法[4]。这些评价方法均有各自的优点，也有不足之处，主要为权重赋值存在主观性、忽略评价过程存在的不确定性等。

本文提出一种处理不确定性因素的云模型与集对分析(SPA)相结合的评价方法，该方法利用云模型的模糊性和随机性来确定云权重是对传统意义上权重的软化，减少了赋值的主观性，在此基础上与五元联系数集对分析结合，对石化企业生产装置进行综合评价，得出综合评价云模型，从而确定评价对象的危险等级，且以云滴的形式直观的表现出来。

1　云模型和SPA简介

1.1云模型理论介绍

1.1.1云模型的概念

云模型是实现某一定性概念与定量值之间相互转化的模型，能够充分体现不确定概念的随机性和模糊性，且将两者有机地结合起来。

对于一个给定的论域U，C是对应U上的定性概念，x是具体数值(x∈U)，且是C的一次随机性的实现，如果x对于C的隶属度u(x)是在0和1之间具有稳定倾向性的随机数，则x在U上的分布就叫作云[5]。

在描述某一定性概念的不确定性时，一般的模糊数学方法经常采用隶属度，云模型的不同之处在于从数字特征层面进行全面详细地刻画。云模型的数字特征有3个，分别为Ex,En,He。Ex是期望，能够集中体现这一定性概念C的点；En是熵，表示C的随机性、模糊性的度量；He是超熵，表征云的厚度且呈正比关系。

1.1.2云权重的计算[6]

云权重的表达式为Wcloud=(Ex,En,He)。它不同于传统意义上的权重，引入了软化权重的熵En和超熵He。云权重的计算首先运用Delphi Method，请专家进行重要性打分，利用公式(1)求得初步云权重。但是可能会存在误差，所以再采用正向云发生器计算生成云模型的图像。专家通过对云模型图像的观察，重新进行打分计算，可以得到一个相对精确的结果。

(1)

1.2五元联系数SPA理论

集对分析(set pair analysis)是将确定性和不确定性看作一个整体的分析方法。一般情况下，集对中的两个集合的确定和不确定的关系从“同、异、反”3个方面进行表述，而联系数可以详细地刻画这种关系，其表达式如下[7]：

u=a+bi+cj

(2)

式中，a，b，c为同一度、差异度、对立度，且三者和为1；i为差异度系数，-1到1之间赋值。若i取-1，则差异度转换成对立度；若i取1，则转换成同一度；若在-1与1之间取值，则各转换一部分。j为对立度系数,取值为-1。

在安全评价过程中，被评价的指标构成的集合与标准值构成的集合共同组成一个集对。首先确定每一个指标所占的权重构成的权系数矩阵W；然后请专家确定各个指标的危险等级，对应于各个指标的实际情况，求得同异反向量矩阵R。由W，R，E表示的联系数如下[8]：

(3)

危险等级与联系数的元数是相对应的，式(2)，(3)均是三元联系数，对应危险等级分为3级。如果进一步将危险等级划分为5级，则联系数也应该是五元的[9]。考虑特性权重的向量形式的五元联系数集对分析形式如下：

u=A+BI+CJ+DK+EL

(4)

2　基于云模型的五元联系数SPA评价法

在利用五元联系数集对分析法进行评价时，如果权重摈弃传统的方式而采用逆向云发生器求云权重Wcloud=(Ex,En,He)，以云权重代替传统的权重，是一种新的更为精确的方法，减轻主观因素对于评价结果的影响。依据五元联系数对危险性等级进行划分为(危险,较危险,一般安全,较安全,安全)比以往的三元联系数更为合理。并且对五元联系数采用向量形式，其实是由于采用了矩阵形式的云权重，最后得到的联系数同样也是矩阵形式。与此同时考虑五位专家自身的权重，减轻了主观因素的影响。

2.1评语云模型的建立[10]

联系数u∈[-1,1]，依据“均分原则”，将五元联系数对应数值进行危险等级区间划分，结果见表1。

表1　危险等级划分标准

假设Cmax，Cmin分别为危险等级对应区间的最大值与最小值，则评语云模型数字特征的计算为：

(5)

根据表1和公式(5)可以得出危险等级评语云模型见表2。运用matlab软件编程得出标准评语云模型对应的图形见图1。

表2　危险等级标准评语云模型

图1　标准评语云模型

2.2评价过程

基于云模型的五元联系数SPA评价法分析流程图如图2所示。

图2　基于云模型的五元联系数SPA评价方法分析流程图

(1)根据危险因素和评价标准来建立因素集和评语集。

(2)运用Delphi法请专家依据标准进行打分(见表3)，通过逆向云发生器求得云权重，且经过修改使其更准确，再对处于一个层次的指标进行归一化。

(3)将五元联系数集对分析中权重以云权重的形式来表示，并根据云模型的四则运算进行综合评判，最终求得综合评价云模型，将其与标准评语云模型比较，数值最相近的就作为最后的评价结果。

表3　专家打分标准

3　应用实例与结果

石化企业生产过程中复杂的工艺、苛刻的运行条件、装置的大型化、连续化及自动化等特点，使得一旦发生火灾爆炸就会造成严重的后果。本文在采用文献[11]中实际数据的基础上对石化生产装置进行危险性评价。与文献不同之处是对权重确定方法进行改进----采用云权重，且多元联系数是采用向量形式，最后根据综合评价云模型进行综合评价。

聘请5位专家，首先对各个评价指标的危险性等级进行分级[11]，然后再对各个评价指标相对于石化企业生产装置安全状况的重要性进行打分(参照表3的打分标准)，打分结果见表4。

表4　某石化企业生产装置各指标对于系统

计算专家1的评价结果分为3种情况：

其间运算不是直接相加减，而是要用到云模型的四则运算。

(6)

u1min=(-0.216 7,0.028 3,0.015 6)。

u1max=(0.199 3,0.013 0,0.007 5)。

u1m=(-0.008 7,0.017 7,0.010 0)。

同理分别计算专家2～5的联系度。

若考虑专家自身的权重(0.3，0.1，0.2，0.3，0.1)，最终评价结果为：

umin=(-0.193 0,0.014 7,0.008 3)；

umax=(0.118 5,0.011 7,0.006 5)；

um=(-0.094 5，0.019 0,0.011 9)。

运用matlab软件，将最终评价结果与评语云模型进行比较(见图3)。由图3结合评价结果可得：umin=(-0.193 0,0.014 7,0.008 3)，umax=(0.118 5,0.011 7,0.006 5)，um=(-0.094 5，0.019 0,0.011 9)。

图3最终评价结果与评语云模型比较

可以看出，该石化企业生产装置危险性最悲观安全状况(浅灰色)是在较危险与一般安全之间，最理想安全状况(深灰色)在一般安全与较安全之间，中间状态(灰色)是处于较危险与一般安全之间，与文献[11]结果接近，表明该综合评价方法具有可行性。从云权重的计算、基于五元联系数的系统危险等级的划分和综合评价模型的建立都考虑了评价指标的模糊性和随机性，这些都是以前的评价方法未曾用到的。云模型不仅可以反映各个评价指标对于评价对象的影响程度，而且能够得到评价结果所属的危险等级，能够详细并且直观地判断系统的危险性。

4　结论

(1)云模型理论中的云权重是对评价指标传统意义上权重的软化，大大减少了赋值的主观性。

(2)该模型的主要优点是能很好地反映评价指标的随机性和模糊性，与标准评语云模型比较可以简单直观地确定危险等级。

(3)在对石化生产装置危险性评价过程中采用基于云模型的五元联系数集对分析模型，结果表明该方法比传统的安全检查表法、层次分析法和模糊综合评价方法更为科学与合理。

[1]王广亮.化工石化生产装置安全评价的模式与方法[J].化工劳动保护，1998，19(5)：6-13.

[2]杨凯，王云，王勇.层次分析法在石化企业安全风险评价中的应用[J].上海环境科学，1994，13(6)：36-39.

[3]黄敏，左治兴，易斌.基于改进层次分析法的石化生产装置安全评价[J].工业安全与环保，2008，34(4)：40-42.

[4]李树清，谢正文，王鹏飞.石化生产装置安全现状模糊综合评价方法研究[J].中国安全科学学报，2007，17(1)：121-125.

[5]李德毅.不确定性人工智能[M].北京：国防工业出版社，2005.

[6]娄和旭.基于云模型的铁路运输低碳绿色发展研究[D].大连：大连海事大学，2014.

[7]赵克勤.集对分析及其初步应用[M].杭州：浙江科学出版社，2000.

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[9]吴亭.五元联系数在学生成绩发展趋势分析中的应用[J].数学的实践与认识，2009，39(5)：53-59.

[10]徐征捷，张友鹏，苏宏升.基于云模型的模糊综合评判法在风险评估中的应用[J].安全与环境学报，2014，14(2)：69-72.

[11]李德顺.论基于多元联系数的集对分析评价模型[J].中国安全科学生产技术，2009,5(4)：110-114.

许开立，男，1965年生，东北大学教授，博士生导师，研究方向为系统安全理论、安全技术、安全评价、危险与危害的预警及监控、生物质能等。

Application of SPA Model Based on Cloud Model in Risk Assessment of Petrochemical Plant

ZHANG XiuminXU KailiYAO XiwenYAN FangJIANG TingtingJIA Yanqiang

(CollegeofResources&CivilEngineering,NortheasternUniversityShenyang110819)

In the risk assessment of petrochemical plant, owing to the deficiency of qualitative concept of randomness and fuzziness coexistence, a SPA model based on cloud model is proposed. First, the cloud weight[Wcloud=(Ex,En,He)] is calculated by backward cloud generator. Then the cloud weight should be used in the analysis of the set of the five element connection number, and the comprehensive evaluation cloud model can be obtained. Through the MATLAB programming, the comprehensive evaluation cloud model is compared with the standard one, and the risk level of the evaluation object is determined. The results show that the model can fully reflect the randomness and fuzziness of the evaluation index, and the evaluation results are more realistic.

petrochemical plant riskcloud modelSPAcloud weight

2015-10-01)

农业部农村能源专项(2015-36)。

张秀敏，女，1994年生，东北大学资源与土木工程学院硕士研究生，研究方向为生物质能、系统安全理论、风险评价等。