基于AHP－PCA法的危险化学品重大危险源分级研究

王 冰谢 杰高 巍王 凤

(1:吉林建筑大学城建学院，长春 130111;2:哈尔滨安博威飞机工业有限公司，哈尔滨 150066)

0 引言

随着我国工业的快速发展，危险化学品的生产使用越来越多，发生火灾、爆炸，中毒事故的数量也随之增长，并且事故后果严重[1].如2013年6月2日14时20分，中石油大连石化分公司发生油渣罐爆炸事故，造成4人死亡;2013年6月3日上午6时，吉林宝源丰禽业有限公司发生火灾，火灾原因是该公司一车间内电气线路短路引燃可燃物，高温导致氨气管道发生爆炸，氨气泄露介入燃烧，导致百余人丧生.因此，根据实际情况对危险化学品重大危险源进行准确、科学的分级，对事故后果严重程度准确评估，可为按层次、分等级监管重大危险源提供数据支持[2].目前，重大危险源分级方法主要有美国道化学公司的火灾、爆炸指数法、英国帝国化学公司蒙德工厂的蒙德评价法、我国化工厂危险程度分级方法、动态聚类分级法以及模糊动态聚类分级法等[3].本文采用层次－主成分分析方法对危险化学品重大危险源分级进行研究论证.通过安全领域的专家运用层次分析法确定风险指标的相对权重，然后结合实际数据进行主成分分析，最后进行危险化学品重大危险源的综合危险等级计算.

1 分级指标的建立

1.1 指标选取依据

在参考国内外研究成果的基础上，结合危化行业发生火灾、爆炸及毒物泄漏事故的风险特征，通过对某些重点大型危化生产、经营企业实际调研走访，对生产企业生产及储存的各个环节进行风险因素的综合分析评价，最终将分级指标确定为物量系数、物质危险性、工艺危险性、人员数量、财产价值5个指标.

1.2 指标解释及计算

(1)物量系数X1.将单元内各种危险化学品的总量与其临界量的比值即物量系数作为分级指标(临界量参考《危险化学品重大危险源辨识》(GB18218－2009)).对于单元内存在多种危险化学品重大危险源的，将各物量系数相加为单元总的危险物量系数[4];

(2)物质危险性X2.采用火灾、爆炸危险性指数F和毒性指数P进行计算:X2=F+P.物质火灾、爆炸，毒性危险性指数参考道化学方法确定;

(3)工艺危险性X3.不同单元装置的工艺设计过程是不同的，其工艺参数也有差别.具体危险性大小可通过道化学方法及蒙德法来确定;

(4)人员数量X4.在毒物浓度，火灾、爆炸能量和接触时间相同的情况下，人群密度越大，死伤人数可能会越多.人员数量的确定根据危险源500 m范围内的人员数计算;

(5)财产价值X5.对于火灾爆炸事故，按财产损失半径内的财产全部损坏确定财产损失价值系数;对于发生泄露中毒事故可能性大的，按财产损失价值系数为0.5计算.

2 层次－主成分分析法评价模型

2.1 层次分析法计算指标权重

通过专家调查法，发放多份调查表采集两两比较判断矩阵[5－6].对判断矩阵进行加权计算，得出物量系数、物质危险性、工艺危险性、人员数量、财产价值的权重依次为:0.2727，0.2620，0.1003，0.2518，0.1131.

2.2 主成分分析法的综合得分模型

本文运用SPSS 17.0统计分析软件对5个指标的原始数据进行处理，求取标准化数据，进行矩阵的相关性分析，计算相关系数矩阵的特征值、特征向量及贡献率，确定主成分.

(1)原始数据的收集与整理.通过对某化工企业危险化学品重大危险源的实际调研，收集并计算物量系数、物质危险性、工艺危险性、事故死亡半径内人员数量和财产损失半径内的损失价值系数(见表1).

表1 某化工业区危险化学品重大危险源分级指标数据调研

(2)原始数据标准化.不同的指标因素的实际数据具有不同的量纲，需要对指标的数值进行标准化处理，以消除不同的量纲的差异.考虑到分级指标间重要程度的差异，还需要对标准化矩阵进行加权处理.加权标准化数据见表2.

表2 危险化学品重大危险源分级指标加权标准化数据

(3)指标因素矩阵的相关性分析.对标准化数据进行加权后，选取数据的协方差矩阵作为衡量样本数据的相关系数矩阵见表3.

表3 加权标准化后的相关系数矩阵

(4)相关系数矩阵的特征值、特征向量及贡献率.特征向量反映了每一指标因素在综合得分中的影响大小.方差贡献率的大小反映的是主成分综合各指标因素的能力强弱.相关系数矩阵的特征值及方差贡献率见表4.

表4 相关系数矩阵的特征值及方差贡献率

由表4可以看出，第一主成分的特征值最大为3.945，其次为第二主成分0.719.本文按照特征值大于0.5及方差累积贡献率＞85%的原则，提取第一、第二主成分作为综合指标.

特征向量的获取通过成分矩阵中每一列的系数除以其相对应的特征值的开方后得到.成分矩阵及特征向量见表5.

表5 成分矩阵及特征向量

(5)综合得分值模型.结合表4和表5，由第一、第二向量对应的标准化特征向量值得到前两个主成分关系式为:

将加权标准化数据表2中的数据代入(1)，(2)中得到主成分的得分值.虽然从两方面反应了指标体系，综合信息能力较强，但并不能做出综合得分，将以其方差贡献率为系数加权求和得到综合得分模型公式:

将加权标准化数据表2带入式(1)，(2)，(3)得分及分级结果见表6.

表6 某化工业区危险化学品重大危险源分级结果

3 结论

本文在大量的调查及多位专家评分基础上，结合层次分析法得出的权重系数，对实际调研数据进行科学计算整理，应用主成分分析法进行综合分级，取得以下几方面成果:

(1)通过层次分析法得出:物量系数、物质危险性、人员数量的权重分别为0.2727，0.2620，0.2518，在指标体系中相对权重较大;

(2)第一主成分分析中物量系数、物质危险性、人员数量3个指标系数较大，第二主成分中物量系数、物质危险性、工艺危险性3个指标，分别在危险化学品重大危险源危险等级的成分中起了重要作用;

(3)综合得分等级与第一主成分等级一致，原因是第一主成分的方差贡献率达到了78.903%，在较大程度上反应了实际情况，综合得分越高，说明危险化学品重大危险源的危险等级越高，反之则越低.

[1]胡海军，程光旭，禹盛林，王玉亮，杜阡陌.一种基于层次分析法的危险化学品源安全评价综合模型[J].安全与环境学报，2007，7(3):141－144.

[2]张 巍，蒋军成，张明广，虞汉华.城市重大危险源普查与分级技术探讨[J].安全与环境学报，2005，5(4):105－108.

[3]牛 伟，蒋仲安，丁厚成，丁进田，刘双双.聚类分析法在行业事故风险分级中的应用[J].中国安全科学学报，2008，18(4):163－167.

[4]中华人民共国国家标准.危险化学品重大危险源辨识(GB 18218－2009)[S].北京:中国标准出版社，2009.

[5]余福茂，肖 亮，袁 飞.主成分分析在重大危险源风险评价中的应用研究[J].中国安全生产科学技术，2008，4(5):42－45.

[6]徐 青，郭忠印，丁 艺.应用层次—主成分分析法评价高等级公路安全性[J].森林工程，2005，21(1):37－48.