基于熵权法-TOPSIS的冶金企业作业循环更新研究

冯亚凝 周 艳副教授

(天津理工大学 环境科学与安全工程学院，天津 300384)

0 引言

长时间以来，我国一直是世界金属冶炼和消费的大国。对于正在加快工业化进程，决胜全面实现小康社会的中国来说，冶金工业仍是推动中国经济又好又快发展的一个支柱产业。生产安全是每一个企业的生命，对于冶金企业来说，安全更是至关重要。冶金工业作业种类繁多、分布广、固有危险性高，按照工艺产品可划分为炼铁厂、炼钢厂、轧钢厂、冷轧厂等厂区，且每个厂区包括3-5个车间不等，工种多、数量大、工序复杂。最新统计表明，与交通事故、化工事故不同，冶金工业事故多为中毒和窒息事故，占死亡事故总数的40%，事故一旦发生影响大、波及范围广、伤害严重，且大多是由于人员的不安全行为——“自选操作”造成。

目前，国家大力推动“风险分级管控和隐患排查治理”双重预防机制，运用安全管理原理及PDCA管理原理，致力于企业安全管理水平提升。企业为控制人员作业过程中的风险，运用以上原理力求打破现状，实现管理水平螺旋上升趋势，达到提升安全管理绩效的最终目的。PDCA是科学的循环程序，在广泛使用的同时，会逐渐形成管理人员的惯性思维，限制其创新性。基于此，中石油公司在2009年颁布工作循环检查管理规范，通过初步、现场和最终评估，每年至少一次验证实际操作是否符合操作规程，以及操作程序的完整性和可靠性，实现改进操作程序、规范人员作业的目的。周期检查的方法同样体现在职业健康检查方面，2017年何朋等提出在生产作业活动中增加岗位职业健康检查周期表；傅成林在2018年提出将作业场所职业病危害因素按照分级方法，对人员进行不同周期职业健康检查；岳德全等在宏观系统检查中，提出定期和随机检查2种模型，计算最优周期检测策略。从微观角度来说，冶金工业大多企业没有结合自身生产作业特点制定周期修订制度，且现有操作规程不能覆盖全部人员作业活动，单凭经验进行修改征订，缺乏有效性和针对性。由此，安全操作规程的综合评价、周期更新还有待研究。

笔者拟在安全管理原理和作业循环检查规范指导下，选用危险与可操作性分析方法(Hazard and Operability Study，HAZOP)系统辨识某冶金高炉车间操作程序，建立相关操作程序评价信息表，以风险发生次数、受伤程度、经济损失、倒班作业次数4个指标进行综合评价；再结合熵权法—逼近理想解排序法(Technique for Order Preference by Similarity to an Ideal Solution，TOPSIS)数学模型，判定危险性程度，确定更新操作程序的优先级及周期，验证模型实际效应，完善操作规程修订制度，并探索作业循环检查机制扩展适用性。

1 构建熵权法-TOPSIS评价模型

1.1 熵权法

熵权法仅依赖于数据本身离散程度，根据各指标所含信息的差异性来确定各指标权重的客观赋权法，不同于经验打分、主观定权的赋权方法。熵用于度量不确定性，指标离散程度越大则熵值越小，指标提供信息量就越多，则该指标权重越大。

1.1.1 原始矩阵归一化

设评价方案为

n

个，各个方案的评价指标为

m

个，某

i

个评价方案下的第

j

个评价指标表示为

a

，其中1≤

i

≤

n

，1≤

j

≤

m

。则构造原始矩阵

A

，并对其进行归一化处理：

(1)

(2)

1.1.2 各指标熵值

(3)

式中：

k

—正数调整系数，确保计算结果始终为正，与样本数量有关，常取

k

=1/ln

n

。

1.1.3 各指标权系数

(4)

其中，

ω

越大，则该指标的信息量越大，其权重越大。

1.2 TOPSIS法

1981年，C.L.Hwang和K.Yoon首次提出TOPSIS方法，是一种逼近于理想解的排序法，在处理现实世界中多属性或多标准决策问题时是一种非常有用的技术。该方法可充分利用原始数据信息，精确地反映各评价方案之间差距。采用余弦法找出有限方案中最优方案和最劣方案，分别计算各评价对象与最优方案、最劣方案之间距离，以此作为评价优劣依据。

1.2.1 指标属性同向化

TOPSIS法使用距离尺度来度量样本差距，需要对指标属性进行同向化处理，一般选择指标正向化。

极小型指标：

x

′=

T

-

x

(5)

(6)

式中：

x

′—

x

正向化后的数据；

T

—

x

可能取值的最大值；

t

—

x

可能取的最小值。

1.2.2 初始矩阵标准化

初始矩阵为

A

，正向化矩阵设为

A

′，将

A

′标准化，得到标准化矩阵

Z

。

(7)

(8)

1.2.3 最优方案与最劣方案

最优方案

Z

由

Z

中每列元素最大值构成：

Z

=(max{

z

,

z

,…,

z

1}，max{

z

,

z

,…,

z

2}，…，max{

z

1,

z

2,…,

z

})=(

Z

，

Z

，…，

Z

)最劣方案

Z

由

Z

中每列元素最小值构成：

Z

=(min{

z

,

z

,…,

z

1}，min{

z

,

z

,…,

z

2}，…，min{

z

1,

z

2,…,

z

})=(

Z

，

Z

，…，

Z

)

1.2.4 各评价对象与最优、最劣方案的接近程度

与最优解的接近程度：

(9)

与最劣解的接近程度：

(10)

1.2.5 各评价对象与最劣方案的贴近程度

C

(11)

式(11)表示与最劣方案贴近程度，0≤

C

≤1，根据大小将评价结果进行排序，则

C

→0表明评价对象越优。

2 确定更新周期

2.1 识别操作程序

采用HAZOP分析方法对某冶金高炉车间操作程序进行识别，将一个完整工艺过程或操作行为分割成多个节点，按照节点划分依次进行分析、辨识，可达到全面、系统的目的，并与现场人员作业时的“自选操作”进行对比，通过引导词提示找出偏差，及偏差引起的后续风险。该冶金高炉车间操作程序部分截取，见表1。

2.2 数据分析确定

统计分析某企业近一年事故，并结合文献资料、相关行业背景及安全生产规章制度，针对以上操作程序，将偏差带来的安全风险，以风险发生次数、受伤程度、经济损失、倒班作业次数为指标，进行综合评价。其中作业次数按照生产现场4班倒的作业制度统计，见表2。

2.3 模型实例计算

(1)将表2中内容进行量化赋值，其中重伤、轻伤、险肇事故按照3、2、1数值进行量化，形成初始矩阵

A

。

表1 操作程序部分信息表Tab.1 The partial information table of operation program

表2 综合评估数据Tab.2 Comprehensive assessment data

(2)使用熵权法确定各指标权重，利用公式(2)将

A

中数据归一化处理，采用公式(3)、(4)计算得各指标熵值

e

和权重

w

，见表3。

表3 各指标熵值与权重Tab.3 Entropy value and weight of each index

(3)初始矩阵中风险发生次数、受伤程度、经济损失期望值越少越好，即为极小型指标，选用公式(5)正向化。作业次数可多可少，即为中间型指标，选用公式(6)正向化，而后数据需采用公式(7)标准化处理，得矩阵

Z

。

表4 最优方案和最劣方案Tab.4 The best and the worst

(5)依据表3、表4中数据，采用公式(9)求得正理想解，采用公式(10)求得负理想解。计算结果综合公式(11)计算各评价对象的最终得分，并进行排序，见表5。

表5 熵权法-TOPSIS综合评价结果Tab.5 Comprehensive evaluation results by entropy weight method and TOPSIS

由评价结果可知，烧铁口作业综合危险性最高，卸布袋除尘箱体灰综合危险性最低，并与现场人员评估验证，排序结果与实际情况相符。因此在制定更新操作程序周期时，关注度应按照排序结果判定，优先关注烧铁口作业，制作泥套次之，以此类推，设置月检、季检、半年检、一年检的更新周期。

根据文献6和综合评价结果，可制定作业周期检查表，开展现场评估，见表6。现场操作员按照安全操作规程作业，如果部分操作行为未按照规程工作，则操作主管应记录操作员的实际操作行为。而后，操作主管和操作员讨论评估中发现的问题，与现场各岗位工作人员商定改进建议，最终更新到相应安全操作规程中。

结果表明，量化、排序后的操作规程更新周期，改善了原有一次性集中、大规模的粗糙修订方式，对于安全操作规程更加方便、有针对性，有效节约安全管理时间、精力、资源成本。

表6 现场评估表Tab.6 Site assessment table

3 结论

(1)运用HAZOP分析方法对某冶金高炉车间操作程序进行辨识，形成操作程序信息表，以风险发生次数、受伤程度、经济损失、作业次数4个指标建立判据。

(2)采用熵权法和TOPSIS法相结合的综合评判模型，可以对4个指标赋予客观权重，避免人员的主观赋权；计算出各作业任务与最劣解的贴近程度，帮助人员合理分配关注度，制定周期更新制度。验证评价结果与现场实际相吻合，表明该模型是合理可行的。

(3)在安全管理原理和作业循环检查机制的指导下，建立了冶金企业某高炉车间的安全操作规程更新制度，有效地将作业循环检查机制应用于冶金企业当中，扩展其适用性。

(4)根据作业循环分析规范和综合评价结果制定周期检查信息表，优化、规范人员“自选操作”，最终可有效更新制定符合现场实际的安全操作规程。

(5)可基于法律法规和标准原理提出新方法，或持续优化现有方法，对人员作业的危害程度进行合理评判，进一步研究探讨。