有序工艺流程系统安全分析*

谢汉青 谢溆翔 段在鹏 邱少辉 王寓霖 黄月铃

(1.中铝东南材料院(福建)科技有限公司 福州 350015； 2.福州大学环境与资源学院 福州 350108)

0 引言

工艺流程指生产活动中为了得到某项产品或完成某项计划而执行的从原料采集到产出产品的全部活动的总称。工艺流程一般是有计划的、有序而不可逆的生产环节的集合，比如石油加工工艺流程，其中的各项生产环节均不能轻易变动顺序。现阶段有序工艺流程安全评价特点及其与常规工业安全评价比较研究较少，所以对其进行研究，对有序工艺流程对安全性的影响进行一个科学的评价是很有必要的。

现阶段学界对于安全评价的研究有很多，MENTES A等[1]开创性地结合模糊集理论(FST)，有序加权几何平均算子(OWGA)与决策试验和评价实验室技术(DEMATEL)进行正式安全评估(FSA)。MENTES A等[2]基于有序加权几何平均(OWGA)和广义混合的方法，提出了一种新的算子(GMOs)。JIANG W等[3]基于可视图平均算子(VGA)提出用于网络分析的可视图图功率平均(VGPA)汇聚算子。ESAWEY M E等[4]运用经验贝叶斯的方法对乡村公路电缆屏障的安装进行安全评价。GANJI S S等[5]最先在使用交叉效率法进行道路安全评价时通过考虑最佳和最差边界并采用OWA聚合算子提出了双边界交叉效率法。WEI C F等[6]首次提出了一个诱导的语言有序加权几何平均算子，并在此基础上，给出了煤矿安全评价的决策方法。CHEN Q J[7]采用基于GIS的模糊OWA(有序加权平均)方法，对研究区的生态环境条件进行了研究。COPPO M等[8]运用多导体法建立一个新的电网模型评价故障电流的大小进行安全性评价。李忠源等[9]用可变模糊集理论,以相对隶属度和相对差异函数为基础,应用重要一致性排序定理确定指标权重,并通过级别特征值量化评价结果,以提高评价结果的可靠性。何金平等[10]将专门研究不确定性问题的云模型理论引入到大坝安全综合评价之中,提出了基于云模型的大坝安全多层次综合评价方法。马占新等[11]在对船舶综合安全评估中的评价方法研究的基础上 ,系统分析了目前综合安全评估方法的优势与不足 ,提出了若干有待解决的问题和值得关注的研究方向。宇仁德等[12]通过对评价指标体系的优化,引入二次相对评价方法,提出了基于数据包络分析(DEA)的道路交通安全评价方法。牛会永[13]在综合分析国内外道路交通安全评价方法的基础上,建立了城市道路交通安全的灰色评价方法。王玉振等[14]运用灰色统计理论对影响煤矿安全生产的4M因素进行了讨论,提出了一种新的煤矿安全综合评价方法。王玉振等[15]还采用灰色聚类方法,提出了一种新的安全评价方法——灰色聚类综合法讨论了煤矿掘进工作面安全评价问题。但是对于有序工艺流程的研究尚在起步阶段。

本文首先分析有序工艺流程的安全影响特性，并建立数学模型描述该特性，根据有序工艺流程的各项特性建立了S型安全影响模型并点明了该模型的3种典型影响。之后本文采用有序可视图模型，依据有序可视图加权聚合算子(OGWA)对一条生产链上的各项生产环节的安全评分进行赋权，这种评价方式将工艺间安全性的影响考虑入安全评价范围内，可以有效消除传统的专家评议法赋权时的主观性造成的误差影响。最终得到一个更加准确、客观、科学的评价结果，并依据评价对其生产安全提供合理的建议。

1 有序工艺流程的S型安全系统分析

现阶段对于工业生产的安全评价多以安全系统工程为理论依据与指导方法。安全系统工程将整个有序生产流程的安全工作视为一个独立的系统，系统内的各项要素都具有相关性，因此各项环节的安全工作对彼此的安全性的提升效果不是互相孤立而是会互相影响的。通过提升一个生产环节的安全性对其他生产环节安全性提升进行辐射影响从而可以促进整个系统的安全性整体提升，可以帮助决策者根据评价结果优化安全生产工作安排，尽量以较低的安全成本获得更高的安全效益。

对于一条完整的工业生产链条，尽管人们并不能直观的感知到，但工艺环节的排列顺序对于整个工艺链的安全性确实有着明显的影响。那么如何判断一条有序工艺流程中的各项环节的安全性对其他后续环节的影响程度呢？在这里提出“有序工艺流程的S型安全系统”。

1.1 有序工艺流程的S型安全特性

“有序工艺流程的S型安全特性”指的是在一条有序工艺流程中，各工艺环节安全现状不尽相同，形成一条高低起伏的S型曲线。例如某工艺如图1共由8个先后贯序相关的环节组成，图中每条柱长为该对应环节的安全得分，则将该8个安全得分可连接为1条起伏的S型曲线如图1。

图1 有序工艺流程的S型安全系统

有序工艺流程中位于前面的生产环节对于后续生产环节的安全性有一定的影响，但如果后续生产环节中存在安全性接近或更高的生产环节，该影响将会被新环节对后续环节的更强烈的影响遮蔽。在一条有序工艺流程中，随着两个生产环节的距离增大，中间生产环节达到的足以遮蔽二者间影响的安全性大小会逐步降低。

在实际的生产过程中，对于一条有序工艺流程，某一环节危险度提高可能不会立刻引发事故发生，却会提高整个工艺流程的危险性，这不仅表现在该环节发生事故的可能性增大，还有这个环节产生的危险因素有可能随着工艺流程的顺序传递给下一个环节，如果后续环节的危险度较高，则传递的危险因素便容易引发安全事故；如果后续环节的危险度较低，则危险因素可能会被更加严格的安全操作消除而无法继续传递下去。所以顺序较前的生产环节对于后续邻近的低安全性的生产环节的安全性具有一定的影响作用，并且对拥有相近安全性的后续环节之后的生产环节的影响力几乎可忽略不计。故通过S型安全系统可以对单项生产环节在整个生产链上的综合影响进行比较式的判断，这种判断不仅考虑到生产环节对后续生产环节的辐射影响程度，也将该生产环节能够抵消来自前序生产环节影响的程度纳入考虑，具有一定的合理性和客观性。

1.2 典型S型安全系统分析

在S型曲线中，截取4个贯序环节，即可截取一个最小的S型单元，从而可以进一步精细刻画各贯序环节的影响关系，一般安全影响情况可分为以下4种类型。

(1)单优异型。单优异型S型安全系统分析如图2所示，生产环节A的安全性远高于其余3项生产环节，即生产环节A的安全性能在模型中处于一个单优异的位置。生产环节C虽然比生产环节B、D安全性较高，但较之生产环节A仍然逊色不少。故生产环节A对后续3项生产环节的安全性影响均能明显的体现出来，反应在图上即是生产环节A与后续3项生产环节均能达成可视关系。

图2 单优异型S型安全系统分析模型

(2)双优异接近型。双优异接近型S型安全系统分析模型如图3所示，生产环节A的安全性依然高于其余3项生产环节，但是在该模型中，生产环节A与生产环节C的安全性十分接近，即生产环节A与生产环节C的安全性能在模型中处于一个接近的双优异的位置。故生产环节A对后续的生产环节D的安全性影响会被生产环节C对生产环节D的影响掩盖，反应在图上即是生产环节A仅能与生产环节B、生产环节C达成可视关系。

(3)双优异持平型。双优异持平型S型安全系统分析模型如图4所示，双优异接近型S型安全系统分析模型如图3所示，生产环节A的安全性依然高于其余生产环节B与生产环节D，但是在该模型中，生产环节A与生产环节C的安全性处于持平状态，即生产环节A与生产环节C的安全性能在模型中处于一个持平的双优异的位置。故生产环节A对后续的生产环节D的安全性影响会被生产环节C对生产环节D的影响掩盖，反应在图上即是生产环节A仅能与生产环节B、生产环节C达成可视关系。

图3 双优异接近型S型安全系统分析模型

图4 双优异持平型S型安全系统分析模型

2 有序可视图模型

本文采用有序可视图模型以刻画有序工艺流程的S型安全系统，有序可视图是在2008年被提出的系统分析模型，该模型将有序问题藉由图论抽象为数学问题，从而实现对有序系统的定量分析，且该模型可以尽量规避专家赋权的主观性，实现安全系统分析的客观性与可靠性。

有序可视图加权平均聚合算子基于有序可视图随机游走以及以下3个假设：

(1)被考虑的网络是1个有限网络。

(2)被考虑的网络处处连通，不然应该将1个整体网络分隔为数个处处连通的部分进行考虑。

(3)被考虑的网络是1个无向网络。

在满足了以上3个假设的情况下，对于1个含有n个节点的有序可视图，有序可视图中的节点之间的连接关系用邻接矩阵A表示。如果存在1个节点a到节点b的连接，那么邻接矩阵的Aab则为1，否则为0。每一个节点的关联度用Ki表示，Ki=∑jAij。

转移概率规则如下：在时间t，一个漫游者在节点a处会等概率的从与节点a相联通的Ki个节点挑选一个相邻节点b。然后到时间t+1时，他会离开节点a而转移到节点b。易得漫游者从节点a到达节点b的概率为Aij/Ki。

又因为有序可视图映射得到网络是无向的，所以当时间t为无限时，漫游者在不同的节点的转移概率是恒定不变的。这个概率可由下式求出。

(1)

由上式可以看出，一个节点的联通度越高，那么它被漫游者访问到的概率就越大。故采用这个概率来作为有序可视图加权平均算子的权重，即得到权重的方法如下：

对于一个需要进行聚合参数操作的含有n个元素的集合，在其所映射的有序可视图中将会得到N个节点，即得到映射F：

In→I,I∈R

(2)

其中F(a1,a2,…,an)=w1a1+w2a2+…+wnan，式中ai是集合中第i个数值，wi则是ai对应的权重，且有：

(3)

又因为已经稳定的概率分布可以反映漫游者在有序可视图到达每一个节点的概率，故将这个概率重新定义为数据ai对应的权重wi。即：

(4)

式中，Ki=∑jAij，N=∑iKi。

另外，若集合内只有一个参数，那么有序可视图内将只有一个节点且其关联度为0。因此规定若只有一个参数，其权重恒定为1。

3 实践应用

3.1 评价工艺简介

本文以某地石蜡精细化工厂的其中一条工艺链为例简述有序工艺流程的S型安全影响模型的安全评价应用。如图5，该工艺链的主要工艺流程概述如下。

图5 工艺流程

3.2 基于 OGWA聚合算子的有序工艺安全系统分析

通过运用专家评议法对该工艺链上的各项环节进行打分，最终得到的各环节安全性评分如表1所示。

表1 各项生产环节的安全评价分数

将该有序工艺流程的安全性评分制作成可视图如图6、图7。

图6 有序工艺流程的安全性评分可视图

图7 有序工艺流程的安全性评分可视关系图

根据可视图制作出各项生产环节的邻接矩阵及连通度如表2所示。

表2 有序工艺连通关系

表3 各项生产环节的指标权重及总分

该工艺链安全评价总分：

根据评价结果，该工艺链的安全性属于比较安全层次。

3.3 系统有序与常规安全分析对比

根据表1所示各生产环节安全评分与权重和常规安全评分权重进行对比分析，得到如图8的折线对比图。

图8 有序安全系统分析与常规分析对比

从图8中可以发现虽然在日常工业生产中难以从主观感受上感知到有序工艺流程中各项生产环节的安全性对后续安全生产的影响，但是在数据反映上却有着明显的差异。从图8折线对比来看，一些在常规安全分析中评分相近、权重相近的生产环节，在将其可视关系纳入安全分析后，彼此的权重得分便大相径庭。

(1)以常减压蒸馏与催化裂化生产环节为例，在常规安全分析中这两个生产环节因为安全评分相近而得到了近似的权重，而在有序安全系统分析中因为可视关系的不同使得常减压蒸馏生产环节在有序安全系统分析中的权重达到了丙烷脱沥青的两倍。这代表在有序安全系统分析中，生产环节在系统中的顺序得到了考虑，在这种情境下常减压蒸馏对后续生产安全环节的影响比丙烷脱沥青更深远，所以在有序安全系统分析中常减压蒸馏的权重便更加得到重视。

(2)在常规安全系统分析中，液化气脱硫与贮存运输环节的安全性评分相同，因而他们拥有相同的权重，但是在有序安全系统分析中，这两个生产环节因其所处顺序差异而形成的可视关系不同而得到了不同的权重。在有序安全系统分析中，贮存运输环节处于整个生产环节的末尾，同时只与聚丙烯达成了可视关系；而液化气脱硫处于生产环节的中间位置，与前后多个环节达成了可视关系，这代表液化气脱硫的安全影响力比运输贮存要深远的多，所以在进行安全评价时对于液化气脱硫环节会赋予更大的权重。

(3)常规安全系统分析中获得较高权重的生产环节依次是制聚丙烯、常减压蒸馏、气体分离，而在有序安全系统分析中则依次是催化裂化、常减压蒸馏、气体分离和制聚丙烯。有序安全系统在评价单项环节时会将该环节所处工艺链的位置顺序及对其他环节的影响纳入考虑因素从而对于评价权重的赋予进行修正。

以上差异性结果说明，与常规安全分析的安全性权重对比，在有序安全系统分析中，即使是得分相近的各项安全环节的指标，其权重根据其所处顺序与可视关系会出现明显的差异。表明了在确定各项指标权重时不单单考虑数值的大小还考虑到各项生产环节的安全性与邻近的生产环节的安全性相对高度的因素这样得到的指标权重在全局考虑上更加具有系统性、可靠性、科学性。同时也证明了有序安全系统分析在考虑生产环节所处的生产链上的顺序对于整个系统安全性的影响上是具有指导意义的。

4 结论

(1)有序工艺流程的S型安全系统研究。本文基于有序工艺流程中的各项生产环节的安全性对其余生产环节的辐射影响，提出了S型安全系统分析模型，该模型指的是在一条有序工艺流程中，各工艺环节安全现状不尽相同，形成一条高低起伏的S型曲线，运用该模型可以很好的将有序工艺流程中各项工艺所处位置对整体的安全性影响纳入考虑中。

(2)典型S型安全系统分析。本文对S型安全系统分析模型在实际生产应用的可能表现进行探讨，并归纳出3种典型的安全S型影响：单优异型、双优异接近型、双优异持平型，并对这三种典型安全S型进行阐述与探讨。

(3)基于可视图模型的有序工艺流程安全分析。本文运用有序可视图模型对于有序工艺流程中安全性影响进行分析，以某地精细石蜡化工厂的一条工艺链为例进行有序安全系统分析，有序安全系统分析最终得到了该工艺流程的有序可视图与各环节的评分和权重，再运用OWA聚合算子对评价结果进行聚合得到总体的安全评价。

(4)对比研究。本文对比了在不同安全分析方法下的各项生产环节的权重排序并发现在有序系统安全分析下生产环节的权重差异会更大，并且各项生产环节的权重排序也与常规安全分析有所不同。故在有序系统安全分析下易于发现生产链中的标杆生产环节并根据此来指导安全生产工作。