基于突变理论的化工企业安全状态度量模型构建

郑琰 高明雪 张福群 毛宁 柳静献

(1. 沈阳化工大学环境与安全工程学院 沈阳 110142； 2. 东北大学资源与土木工程学院 沈阳 110819)

0 引言

化工企业的危险化学品、重大危险源种类繁多、数量较大，集中了大量具有毒害性、燃爆性的物质，生产过程大多涉及高温、高压或低温、深冷等危险工艺，增大了化工企业事故发生的概率[1-2]。同时，化工企业发生事故后容易引起多米诺效应。据统计，多米诺事故中由火灾引发的事故升级约占50%[3]，而火灾爆炸是化工企业的典型事故类型之一，有38.6%的化工风险事故会引起多米诺事故[4]。一旦引发多米诺效应，一次事故会发展成为二次事故甚至更加严重的次生事故，波及范围将会进一步扩大，甚至危及周围居民，导致更加严重的人员伤亡和财产损失。

为协调经济发展与安全生产，促进化工行业可持续发展，有必要对化工企业的安全状态进行系统性研究。

化工安全分析方法在长期的研究应用中得到发展改进。从传统的安全检查表、事故树分析、事件树分析等[5]，到基于计算机技术发展而来的现代分析方法，如层次分析、模糊评价、神经网络评价等[6]，都在化工企业危险性分析中有着广泛应用。这些方法的缺点是操作复杂，对个人判断和主观经验依赖性较大，缺乏科学性和系统性，使得分析结果的不确定性增加，也缺乏对系统安全的动态评价，进而影响到结果的客观性和准确性[2]。

突变理论作为重要的系统经济理论之一，结合定性评价与定量评价，综合考虑主观因素和客观因素的相对重要性，从系统的角度对渐变引发突变的过程和规律进行了研究，通过归一化公式本身的内在作用机理量化确定指标的重要性，可以有效避免主观性对指标权重的影响，从而保证度量结果更具有客观性。目前，突变理论在安全分析领域有着较为广泛的应用。贾宝山等[6]运用突变理论思想建立了煤矿安全状态的突变理论评价模型，并进行了实际应用；肖琴等[7]基于突变理论和模糊集提出了机场飞行区安全风险评价新思路；陈伟珂等[8]建立了建筑工人不安全行为的尖点突变模型，并据此提出了防范建筑工人不安全行为的措施。同时，也有少数学者将突变理论应用于化工企业安全状态的度量分析。陈国华等[9]采用尖点突变模型建立了化工园区熵增、熵减计算模型；林大建等[10-11]通过建立突变模型对化工园区风险容量进行了量化，还利用蝴蝶型突变理论建立了化工储存单元的突变级数数学模型；裴甲坤等[12]构建了基于尖点突变理论的化工事故致因模型。

上述研究主要利用突变理论对化工园区或企业的某个单元进行安全分析，而对于化工企业整体安全状态的研究较少。本文将突变理论应用于化工企业整体安全状态度量评价，具有重要的探索意义。

1 化工企业生产安全事故突变特征分析

突变模型具有突跳性、双模态性、不可达性、滞后性和发散性等5个基本特征，系统一般具有上述两个及以上特征时就满足了突变理论分析的要求[13]。在具体应用分析中，首先明确系统具有突变特征，然后根据控制变量数量选择突变模型，最后再以此为基础进行后续具体分析。

(1)突跳性。化工企业存在多种危险有害因素，危险受控即安全，危险失控会导致事故发生。控制变量的变化会使化工系统状态瞬间改变，由安全变为事故，所以化工生产安全事故的突跳性即事故的突发性。

(2)双模态性。化工企业事故发生前后呈现出两种状态，事故前是危险受控、相对稳定状态，事故后是危险失控、有序稳定的系统被破坏，与突变理论的双模态性相符。

(3)不可达性。突变理论模型中分布着稳定点和不稳定区域，稳定点属于不能达到的位置，也就是不可达点，所谓的系统“突变”即是在系统演变过程中跨越这些不可达点。化工生产事故具有很强的突发性，危险有害因素在演变成为事故、再经历发展、最后造成严重后果的过程中，不能达到的平衡位置存在于安全控制系统中，与突变模型相一致。

(4)滞后性。当控制变量的状态变化停止时，突变结果不会随之立即终止。如化工企业工作人员使用明火等不安全行为，能导致火灾爆炸事故，即引发系统突变，当停止这些行为时，火灾爆炸事故不会立即终止。

(5)发散性。系统状态的突变可能由多种控制变量的变化引发，如化工生产中的火灾爆炸事故可由可燃气体监测系统失效、工作人员不安全行为等引起。

综上分析，化工企业生产安全事故符合突变模型特征，可运用突变模型分析度量化工企业安全状态。

2 突变理论的基本原理及化工企业安全状态度量模型构建

2.1 突变理论的基本原理

突变理论以拓扑概念为基础，以系统结构稳定性为研究对象，已发展成为一种新的数学理论并成为不确定事件风险评估的有效方法。对于存在多种属性的决策性问题，一般评价方法需要对各指标权重进行确定，而突变理论通过指标归一化度量确定各指标之间的重要性，可以有效避免主观性对指标权重的影响，从而保证度量结果更具有客观性。

在现有的7种初等突变模型中，3种较为常用的是蝴蝶、燕尾、尖点突变，如表1所示。

表1 3种常用突变模型[9]

运用突变理论进行分析时，隶属度值、总隶属函数值由表1中归一化公式递归计算求得。多数突变属于非单一目标情况，控制变量之间的关系存在两种：①相互弥补不足或替代，称为互补；②相互不可代替或彼此不能弥补不足，称为非互补。针对两种不同的情况，所采用的计算原则也不尽相同[13]。对于互补关系，系统状态变量值等于各控制变量取值的平均值；对于非互补关系，状态变量值取各控制变量取值中的最小值。

2.2 化工企业安全状态度量模型的构建2.2.1 指标体系构建

参考相关文献及专家意见[1,14-16]，结合化工企业实际情况，以安全系统工程为依据，将化工企业安全状态的影响因素划分为4个二级指标，分别是人、物、环境、管理，并依次逐级分解，构建了化工企业安全状态影响指标体系，如表2所示。

2.2.2 指标分级标准

结合突变模型及化工企业危险特点，参考相关标准规范并结合专家意见，将化工企业安全状态按安全程度从低到高分为5个等级，如表3所示；影响指标按分值范围分为5个等级，如表4所示。

表2 化工企业安全状态影响指标体系

表3 化工企业安全状态分级标准

表4 指标分级标准

2.2.3 原始数据的无量纲化处理

指标无量纲化便于直接比较，依照式(1)、式(2)[13]进行。

正向指标，即越大越好：

(1)

负向指标，即越小越好：

(2)

式中，xmax、xmin分别为最大、最小临界值；xi为原始值；yi为无量纲化处理后的指标值。

2.2.4 突变模型的确定

各层级指标所属的突变类型由其分解的指标数量确定，因同一级指标之间可以弥补上一级指标影响的不足，因此符合互补性原则。据此，构建化工企业安全状态突变模型如图1所示。

3 实例应用

3.1 企业概况

某化工企业采用氧化脱氢法年产5 000 t甲醛。通过企业提供的资料及现场调研，详细了解了该企业周边环境及平面布置、生产工艺、装置、储存设施、人员配置、企业制度等基本情况(篇幅所限，在此不赘述)。

3.2 指标分值的确定

按照表4确定的评分标准，邀请5位安全和化工等行业专家进行打分评价，结果如表5所示。

表5 指标专家打分结果

3.3 评分结果的无量纲化处理

专家打分的原则是安全状态越好则分值越高，因此均为正向指标，采用式(1)进行计算，所有四级指标评分标准化结果如表6所示。

3.4 基于突变理论的化工企业安全状态度量

根据表1中的归一化公式和互补性原则，对化工企业安全状态突变模型(图1)进行计算处理，分别求得突变级数值xD1～xD24、xC1～xC9、xB1～xB4和指标值yC1～yC9、yB1～yB4，最终求出总突变隶属函数值xA=0.968 6，如表6所示。

图1 化工企业安全状态突变模型

表6 某化工企业安全状态度量结果

续表6

3.5 度量分析方法的优化

对照表3，总突变隶属函数值xA=0.968 6对应安全等级为极高，但该安全水平与实际情况偏差较大，故而不能将上述计算结果直接作为度量安全状态的依据。因为突变模型中的底层指标值是有绝对意义的，能直接反映出实际情况，但经过逐级递归运算后，计算结果变大、差距缩小，与实际情况偏离较大。如分别假设四级指标隶属度值都为0.1和1.0，经过计算，此时总突变隶属函数值分别为0.897 2和1.0，差距明显缩小，不符合实际情况，即递归计算结果不能作为绝对的“好”“坏”表征。为了对安全状态等级直接进行度量，需要将其转变为一种具有绝对意义的数值。

采用如下过程对前述度量方法进行优化，用M表示指标隶属度值，对其取值进行假设，计算出对应的总突变隶属函数值xA，结果如表7所示。

表7 总突变隶属函数值与隶属度值的对应关系

将表7中的数据进行拟合处理，如图2所示。拟合公式为

(3)

该企业总突变隶属函数值优化后为MA=0.514 2，此时安全级别为III级，属于“一般”安全，符合实际情况。

3.6 结果综合分析

按照所构建的化工企业安全状态度量模型以及分析步骤，对某化工企业进行安全状态分析，确定该企业安全状态级别为III级，即“一般”安全。根据该企业安全状态度量结果(表6)，二级指标值yB4最低，为0.878 1，据此分析管理因素为该企业安全工作中的薄弱环节，下一步需重点提高安全和应急管理水平，加强企业安全管理工作。

图2 总突变隶属函数值与隶属度值的拟合曲线

4 结论

(1)基于突变理论的原理和特征，对化工企业生产安全事故过程进行分析，判定其符合突变过程的特征，因此基于突变理论构建化工企业安全状态度量模型合理可行。

(2)构建了化工企业安全状态影响指标体系，建立了化工企业安全状态度量的突变模型。

(3)应用构建的模型进行实际化工企业安全状态分析，结果表明计算过程合理可行且简单方便。针对突变模型分析中存在的计算结果变大、差距变小的缺点，对度量方法进行了优化，通过总突变隶属函数值的拟合转换计算，使结果更加科学合理。根据分析结果可准确掌握企业安全状态，充分了解实际安全水平及薄弱环节，及时采取有针对性的安全对策措施。