基于犹豫模糊集的移动式压力容器充装站应急预案评价体系

王聪， 吴琳琳， 唐萍， 牟彦春， 金慕达， 王强， 张庆浩

(1.浙江省特种设备科学研究院， 杭州 310020； 2.浙江省特种设备安全检测技术研究重点实验室， 杭州 310020； 3.中国计量大学质量与安全工程学院， 杭州 310018)

近年来，随着石化等行业的高速发展，移动式压力容器已经成为石化原料运输过程中必不可少的装置。移动式压力容器由于具有运输效率高、适用范围广等优点，正成为生活中常见的特种设备之一。但是移动式压力容器对充装、运输过程操作要求高，其中充装站由于囤积着大量液化气瓶，一旦发生事故，将会造成严重后果。2017年6月5日发生在山东临沂市的金誉石化爆炸事故，就最终造成了10人遇难、10人受伤的惨痛后果。液化气生产经营者制定应急预案不仅可以在事故发生后及时启动应急响应措施降低事故危害影响，更可以提高员工们应对风险和事故的防范意识，最大限度地保障企业财产安全和社会公共安全。然而并不是每一份应急预案都能起到良好的启示防范效果，仍有部分应急预案编制过于形式主义，质量低下，无法真正发挥应有的作用。开展应急预案的评价工作，可以有效地评估企业预案编制的质量，同时在评价过程中形成反馈，发现企业预案制定和应急管理工作中的不足之处并加以改进。

目前国内外学者针对应急预案的评估评价已经做了一定的研究工作，并取得了相关研究成果。虎伟龙[1]引入了神经网络，建立了基于人工人神经网络的村镇区域应急预案评价模型，来应对中国村镇区域应急预案评价受资源约束严重、无法大规模普及的情况。朱兴林等[2]从全面性、时效性、经济性、可操作性4个角度出发，使用前景理论和逼近理想解排序法(technique for order preference by similarity to an ideal solution，TOPSIS)法进行权重确定以及评价模型构建工作。于立友等[3]引入了物元可拓集思想，据此建立了电力事故应急预案评估的物元分析模型。陕振沛等[4]提出了通过直觉模糊集方法和TOPSIS方法的组合使用，从而重新定义了直觉模糊集的正理想集和负理想集概念，建立了基于直觉模糊集的突发事件应急预案综合评价模型。李智基[5]首次采用了Petri网和模糊综合法的结合，建立了铁路危险货物运输的应急预案评价模型。赵忠刚等[6]引入了G1法对油气管道应急预案质量评价指标进行赋权，以此来弥补常用的层次分析法的赋权不足之处。常建鹏等[7]首次建立了基于质量功能展开(quality function deployment,QFD)与可能性分布-犹豫模糊语言术语集(probability distribution-hesitance fuzzy linguistic term sets，PD-HFLTS)的预案评估模型，以此来有效表征预案评估人员给出评价时的犹豫性。 Shi等[8]基于团队决策的思想，结合层次分析法建立了一套基于层次分析法群决策理论的化学事故应急预案评价体系。陈露等[9]学者提出了网络层次分析法与改进TOPSIS法结合使用的新概念，建立了一套城轨网络应急能力决策优化模型。田宝林[10]等开创性地通过对应急响应进行分解，为各原子任务后再通过“5W1H”法进行评价，能够直观地量化各应急预案的有效性。此外，何保锋等[11]为了能够解决当下各领域突发事件种类繁多复杂的问题，通过框架理论设计了应急预案智能匹配系统，具有良好的社会实际意义。

然而目前所检索到的评价体系构建多应用于铁路事故应急预案以及生产安全事故应急预案。由于移动式压力容器其装载液体的特殊性，以及充装过程的复杂性，因此需要一套针对性更强的指标体系；同时，由于评估专家在给出评价值时会存在犹豫不决的情况，使用传统评价方法也有可能影响评价的结果准确性，因此需要针对专家的犹豫情况选用合适的评价方法。

针对上述问题，现引入一种基于集值迭代法和犹豫模糊语言集的移动式压力容器充装站应急预案评价体系，以期能够提高预案评价工作的科学性和有效性，改善预案质量。该方法充分地保留专家在打分过程中犹豫不决的心理决策过程，最大限度地保证结果的客观性和真实性。

1 评价指标体系构建

指标体系是一套能够全面反映移动式压力容器充装站应急预案特征的，并具有内在联系的指标合集。科学合理地构建移动式压力容器应急预案充装站指标体系，是能否成功地评价应急预案的关键。通过调研对比国内涉及“移动式压力容器应急预案”的相关法规标准[12]，以及对数10家移动式压力容器充装单位的应急预案实际情况进行调研、分析和总结，同时借鉴相关学者在应急预案评价体系构建方面的指标选取研究成果[13-15]以及相关应急预案编制导则[16-17]，继而使用德尔菲法，根据专家反馈结果，最终决定对评价指标从应急预案全面性、应急预案针对性、应急预案可操作性、应急部门协调性以及事故后期处置完善性5个方面进行分类，选取共27个评价子指标。其中为了体现移动式压力容器充装站的特点，制定了诸如充装站介质性质介绍完整性和站内可能事故发生地等特色指标，具体分析如下。

(1)应急预案全面性。应急预案是否完整，是否符合有关法律法规规章文件，制定的目标是否明确，应急处置程序是否合理，救援人员调配是否合理，保障应急救援装备是否可靠以及整体预案文字是否流畅。

(2)应急预案针对性。预案中对充装站介质性质的介绍是否完整，对站内事故可能发生地点的分析是否完整，对可能出现事故风险的分析是否到位以及应急演练的培训和实际操作要求是否到位。

(3)应急预案可操作性。预警报警流程是否有效，信息报送流程是否完整清晰，应急救援各部门职责是否明确，应急救援方案是否完备，现场处置方案是否完备，应急救援队伍建设是否完整，应急救援装备是否进行日常维护，应急能力的评估状况以及应急演练的有效性。

(4)应急部门协调性。应急抢救行动的指挥是否统一，抢救过程中信息沟通是否及时以及部门与部门之间行动是否协同。

(5)事故后期处置完善性。事故的善后处置是否完善，事故案例学习培训是否有效，事故报告是否有效全面以及对应急预案修订的要求是否完备。

此外，为了能方便进行打分，依照相关法规标准对任一指标进行了“较差”至“优秀”的分级，并给出相应的分级依据。例如，指标“应急演练的有效性”的分级如下。

较差：文本中无提及或只粗略提及需要进行应急演练，但并未详细描述应急演练形式、内容等信息。

尚可：文本中只说明了需要进行应急演练以及应急演练的形式。

一般：文本中说明了应急演练的形式以及参与的部门等信息，但缺少部门间磨合合作的内容，不太具有可操作性。

良好：文本中说明了应急演练的形式、参与的部门等信息以及相对应的合作演练形式，具有一定可操作性，但缺少一年演练2次频率的说明。

优秀：有详细的应急演练的形式、所参与的部门、演练的应急预案种类以及一年演练2次频率等内容，且具有实际可操作性。

基于此，构建了移动式压力容器充装站应急预案评价指标体系，如图1所示。

图1 移动式压力容器充装站应急预案评价指标体系Fig.1 Evaluation index system for emergency plan of mobile pressure vessel filling station

2 综合评价模型构建

2.1 基于集值迭代法的指标权重建立

确定各指标的权重，是进行综合评价的重要一步。目前使用较多的是在20世纪70年代初由美国著名运筹学家匹茨堡大学教授萨蒂所提出的层次分析法。然而该方法确定判断矩阵的元素均由专家给出，由于专家们的知识储备以及从业经验的差异，导致现实的判断矩阵一般都很难满足一致性条件，特别是评价指标较多时，都需要按照一致性检验的步骤进行[18]。在该种情况下，选用集值迭代法来确定权重系数，可有效降低主观因素对权重的影响，使权重结果更加客观真实[19]。

假设目标指标集为

X={x1,x2,…,xm}

(1)

式(1)中：m为指标总数。共有P位专家，可通过以下步骤进行权重的计算。

2.1.1 选取指标子集

选定一个正整数gk(1≤gk

步骤1在X中选取排名在前gk位的指标，得到X的指标子集为

X1,k={x1,k,1,x1,k,2,…,x1,k,gk}

(2)

步骤2在X中选取排名在前2gk位的指标，得到X的指标子集为

X2,k={x2,k,1,x2,k,2,…,x2,k,2gk}

(3)

步骤sk在X中选取排名在前skgk位的指标，得到X的指标子集为

Xsk,k={xsk,k,1,xsk,k,2,…,xsk,k,skgk}

(4)

若存在自然数sk以及rk(0≤rk

skgk+rk=m

(5)

式(5)中：gk为每轮次选取指标数为固定值；sk为指标选取的轮次；rk为经过sk轮后不足一轮次所剩余的指标，即未被专家所选中的指标。

则第k位专家选取指标子集的过程结束，最终得到sk个指标子集。

2.1.2 计算函数

整理所有专家所选取的指标子集，统计各指标的出现次数，记作函数yik(xj)，即

(6)

式(6)中：yik(xj)为j指标在第k位专家的第i个子集中被选中的次数。

令

(7)

式(7)中：g(xj)为j指标最终被所有专家选中次数之和。

2.1.3 计算指标权重

将g(xj)归一化，得到各指标xj所对应的指标权重为

(8)

式(8)中：g(xk)为k指标最终被所有专家选中次数之和；wj为j指标的最终权重。

若计算后发现有某一指标从未在指标子集中被选中，即被专家们统一认为极不重要，其指标权重可做如下调整，即

(9)

2.2 基于犹豫模糊集的评价模型构建

在许多实际的决策问题中，由于客观事物的不确定性和复杂性，以及人类思维的模糊性，用数值标度通常不能有效准确地反映决策者的偏好。为了克服这一缺点并比较合理地表示决策者的主观判断，学者们引入了模糊集理论[20]。在2009年，西班牙学者Torra[21]基于模糊集提出了它的拓展形式：犹豫模糊集理论(hesitant fuzzy sets theory，HFST)。该方法较传统模糊集，允许某个元素可以同时属于一个集合的多个隶属度，能有效地整合各专家的意见、综合不确定性，完善评价的全面性。采用犹豫模糊集进行评价，并使用集成算子对专家们的模糊打分结果进行综合计算，具体过程[22]如下。

步骤1确定评价指标集。

U={u1,u2,…,um}

(10)

所有指标如图1所示。

步骤2确定指标权重集。

W={w1,w2,…,wm}

(11)

使用集值迭代法来确定权重。

步骤3确定评价结果备择集。

设有非空集合X，则犹豫模糊集为

E={[x,hE(x)]/x∈X}

(12)

式(12)中：hE(x)为犹豫模糊元，也称为评价结果备择集，是[0,1]上可能隶属度的合集。根据应急预案评价体系的特点，令移动式压力容器应急预案评价结果为

hE(x)={0,0.1,…,1}

(13)

步骤4确定犹豫模糊评价集。由于犹豫模糊评价方法允许专家对指标评价结果给出多个分值，因此若第j位专家对第i个指标进行打分时，对z个评价等级犹豫不决，则设其犹豫的评价结果集为

(14)

步骤5确定各指标最终分值。犹豫算子是将犹豫模糊信息转化为确定性的重要桥梁，目前常用的犹豫模糊算子包括算数平均算子、区间犹豫模糊集的几何加权平均算子以及犹豫模糊加权平均算子[19]。各算子计算指标得分时均要求各指标相互独立。选用基于犹豫模糊集的加权平均算子(hesitant fuzzy weighted average, HFWA)计算各指标最终分值F(hi)，算子具体定义如下。

(15)

定义2[24]对于任何一个犹豫模糊元hi，其最终评价分值为

(16)

式(16)中：#hi为犹豫模糊元hi中元素的个数；r为犹豫模糊元hi中各元素的具体数值。

步骤6确定最终分值合集。通过HFWA算子，可以将专家们对各指标的犹豫评分集yij进行最终计算合成得到各指标分值F(hi)，最终得到所有指标分值集合为

Y=(y1,y2,…,ym)

(17)

步骤7计算最终评价结果D。将权重系数矩阵与指标分值矩阵相乘，获得最终评价结果。

(18)

式(18)中：W为权重系数矩阵；Y为指标分值矩阵。

步骤8确定评价等级。采用“较差”“尚可”“一般”“良好”和“优秀”5个等级来评定最终评价结果，若分值越大，则预案评价结果越理想，越能起到有效的应急救援效果，同时也可以根据评价分值进行预案的改进修订工作。具体等级标准如表1所示。

表1 评价结果对应等级表Table 1 Rating table corresponding to evaluation results

3 基于综合评价模型的实例验证

为验证评价体系的适用性，以浙江某天然气有限公司突发事故应急预案为例，邀请了5位移动式压力容器应急领域专家，运用构建的评价体系对该应急预案进行综合评分，最终得到该应急预案的评价结果及等级，并给出相应改进建议。

所选取的浙江某天然气有限公司突发事故应急预案，共包含总则、危险源识别、事故分类及判断、应急预案组织机构及职责、事故响应及事故应急处理措施、天然气事故的预防措施、事故信息的收集及报告、资源保障、通信保障、外部救援保障、应急预案关闭、事故原因调查和事故后评估及恢复、培训和演练、附件以及附则共15章节内容。

其中主体内容中着重在于介绍不同类型事故发生后的响应和应急措施以及外部救援保障板块，较为详细地介绍了站内外设备、管线泄漏、运输车泄漏、抛锚等事故的应急响应措施，以及一旦发生事故，地方政府和相关的8个部门的救援保障措施。与之相对的，危险源识别、培训和演练章节内容则稍显不足。危险源识别只用两段话提及了相关危险源，并未介绍完整。培训和演练部分也只是寥寥几句，对培训和演练的形式以及内容方面，并未详细描述。

3.1 集值迭代法确定权重

使用2.1节所介绍的集值迭代法，进行各指标权重的确定。选取gk为5，则根据式(5)易知sk为5，rk为2。默认前一个子集所选取的指标包含在后一个指标子集中，以此类推。最终专家们对指标子集的选取结果如表2所示。

表2 指标子集选取结果表Table 2 Index subset selection result table

通过式(6)和式(7)，可以得到各指标的实性函数g(xi)，计算结果如表3所示。

表3 g(xi)计算结果Table 3 The calculation results of g(xi)

由表1可知，体系中所有指标均被专家们所选中，无需使用式(9)，因此可直接使用式(6)计算各指标权重，最终结果如表4中“指标权重”所示。

3.2 汇总犹豫评价结果集

由2.2节可知，所确定的移动式压力容器应急预案评价结果为：hE(x)={0,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,0.6,0.7,0.8,0.9,1}。

其中分值越大则代表该指标的质量越好。通过邀请5位专家根据自身工作经验及专业知识为该应急预案各指标进行犹豫打分，最终获得犹豫评价结果集，如表4所示。

表4 基于犹豫模糊集的移动式压力容器应急预案打分表Table 4 Scoring table for emergency plan of mobile pressure vessel based on hesitating fuzzy set

3.3 计算各指标最终得分

在使用HFWA算子进行得分计算之前，应先确定专家权重向量。

不同的专家由于工作经验和社会阅历的不同，所占取的权重也有所不同。本文所邀请的5位专家既包括了特检领域的移动式压力容器专家，也包括了充装站企业方面的专家，其中中级职称一位副高级职称4位，均有着十余年的行业从业经验，并参与过移动式压力容器充装站应急预案的编写、修订和演练编排工作，在移动式压力容器领域内专业背景和知识水平相近。因此默认专家权重相同，即

w=(0.2,0.2,0.2,0.2,0.2)T。

以C1指标“预案编制目标的明确性”的得分计算为例，HFWA算子具体运算过程如下。

由定义1计算得

h1=HFWA(h11,h12,h13,h14,h15)

=HFWA[0.9,(0.7,0.8),0.8,(0.7,0.8),0.9]

=U{1-(1-C11)0.2(1-C12)0.2…(1-C15)0.2}

={0.821 7, 0.835 6, 0.835 6, 0.848 4}。

由定义2计算得该指标的最终得分为F(hi)=0.835 325。

所有最终得分均保留4位小数，则F(hi)=0.835 3。

同理，可得出所有评价指标的最终得分，如表5所示。

表5 评价指标最终集成得分Table 5 Final integrated score of evaluation indicators

3.4 计算各准则层最终得分

各指标最终得分集成完毕后，可以根据表4中的各指标权重，计算各准则层最终得分，结果如表6所示。

3.5 计算目标层最终得分

各准则层最终得分集成完毕后，可以根据表4中的各准则层权重，计算目标层最终得分。通过式(7)计算，得到该移动式压力容器充装站突发事故应急预案的最终评价得分为

F(D)=0.729 0。

3.6 应急预案修改建议

通过3.5节，计算得出该应急预案最终评价得分为0.729 0分，对比表1可知该应急预案的最终评价等级为良好。由表6可知，该应急预案的“全面性”“针对性”“可操作性”以及“部门协同性”的最终得分均大于0.7，情况较为良好。然而“后期处置完善性”得分不到0.6，存在较多缺陷。板块得分情况与预案实际情况相符。

对于27个具体的评价指标，得分率最高的为“应急处置程序的合理性”，较高的有“所依据的法律法规的科学性”和“现场处置方案的完备性”等，得分均达到了优秀等级，可以看出该应急预案有较强的科学性以及优秀的现场应急能力，应当在以后继续巩固和保持。得分率较为低下的主要为“事故案例学习有效性”和“应急预案修订完备性”，以及“保障应急救援装备的可靠性”，得分均低于0.5分，需要着重关注。

通过查阅预案文本发现，该预案对于资源保障以及培训和演练内容描写较为简略，对于修订要求较模糊，与得分情况相符。“保障应急救援装备的可靠性”方面只简单提及队伍建设和资料准备，应增加“使用的应急处置装备的采购、维护和日常管理，落实有效的管理方案以及应急处置现场的装备分发、使用，和作业现场的应急物资储备和定期检查制度”。

“应急预案修订完备性”方面应补充“详细的预案修订的频率以及时间，明确应定期以及发生重大事故或法规标准更新等情况时要及时修订事故应急预案，以及其他可能发生的突发事件(例如充装站介质的改变)后要修订事故应急预案。同时也要求在演练后对应急资源的利用和损耗内容进行修订”。“事故案例学习有效性”则需增加“定期搜集梳理去培训学习事故案例并进行分析，同时改进预案并对人员进行相关培训。必要时也可以组织演练实操来进一步强化培训”的内容。

4 结论

(1)从移动式压力容器充装站应急预案的全面性、针对性、可操作性、应急部门协同性和事故后期处置完善性5个角度着手，选取了共计27个评价指标，构建了移动式压力容器充装站应急预案评价指标体系，为接下来应急预案的评价工作奠定了理论基础。

(2)通过集值迭代法确定体系中各指标的权重，继而使用犹豫模糊集的方法来构建评价模型，该模型允许专家在进行评价打分的过程中出现犹豫的情况，允许指标的分值可以同时属于多个隶属度，从而极大程度地综合了专家们的意见，有效提高了最终评价结果的精准度和科学性。

(3)以浙江某天然气有限公司突发事故应急预案作为实例进行指标体系合理性的验证，得出该应急预案总体质量良好，但“后期处置完善性”方面缺陷较大，进而指导其在今后的预案修订工作中，进行针对性的改进和完善。研究成果符合案例应急预案实际，表明该评价体系对于开展应急预案评价和修订工作具有一定的参考价值和现实意义。