基于层次分析法和SPA-马尔科夫链的煤气单元风险评估

周琪 林坤峰 徐厚友 郝玉泽 杨凯伦

(中钢集团武汉安全环保研究院有限公司 武汉 430081)

0 引言

依据《冶金企业安全生产标准化评定标准(煤气)》在对冶金企业煤气单元进行安全生产标准化评定时会有评分介于分值界限点左右难以明确等级的情况，此时可以结合企业近年来煤气单元管理的综合水平来判断之后煤气单元风险的趋势，辅助对企业煤气单元的分值等级进行界定，避免人为因素造成过多定性评估。国内外关于分析评价方法的研究有很多，如层次分析法、模糊综合评价法、神经网络法、支持向量机(SVM)、集对分析(SPA)、马尔科夫模型以及一些组合方法等。各类评价方法在工贸及金融等领域有一定应用，如矿山经营状况综合评价[1]、桥门式起重机分级评价[2]、股票价格预测[3]、电力客户信用风险评估[4]等。从上述研究可以看出，单一的评价方法对于煤气单元风险评估具有局限性，不能便捷建立指标关联性或不能体现动态变化趋势等，组合评价模型已在很多领域有较为成功的应用，但对煤气单元的动态评估还缺乏相关的研究。本文根据相关法律规范，构建冶金企业煤气单元的评估指标体系，运用层次分析法对评估指标进行权重分配，再通过构建基于马尔科夫链的SPA的动态评估模型，进行煤气单元的后期风险评估，从而为冶金企业煤气单元的风险判定提供参考。

1 煤气单元风险评估指标构建和权重分配

1.1 评估指标构建

构建合理的评估指标体系是进行科学评估的前提[5]，该指标体系应包含影响煤气单元安全运行的主要因素。参考《冶金企业安全生产标准化评定标准(煤气)》、《工业企业煤气安全规程》(GB 6222—2005)等安全技术标准规范，结合企业实际管理经验，构建直接影响煤气系统运行的风险评估指标体系，如表1。

表1 煤气单元风险评估指标体系

1.2 指标体系权重分配

尽管每个评估指标对煤气单元的风险状况都有一定的影响，但影响程度会有不同，例如煤气管道阀组(属于设备设施本质安全)设置不合理，则在抽堵盲板时可能直接导致煤气泄漏，造成人员中毒窒息伤亡。因此，给各个评估指标配置权重系数也是评估过程关键的一环。

本文采用层次分析法(AHP)构造分级判断矩阵并计算权重。将各层级内的指标进行两两对比打分，得到各个层级的判断矩阵，再对各判断矩阵进行一致性检验，检验通过后对二级指标进行层次总排序，再计算RI总、CI总、CR总，若CR总<0.1，则层次总排序结果可靠[5]，因AHP方法已运用非常成熟，故计算过程不详述，得出二级指标的权重及总排序如下表2。

表2 各评估指标权重及总排序

2 SPA-马尔科夫链的动态评估模型

SPA方法在该动态评估模型中的应用思路：假定所有指标均按表现优作为标准集合，即所有指标均为完全达标指标组成的集合，将实际评估指标的集合与标准集合逐一对比进行集对分析，将分析得到的特性按同、异、反进行描述，即分析两个集合在哪些特性上具有同一性，哪些特性上具有对立性，哪些特性上具有既不同一又不对立性(差异性)。对定义同一性、对立性和差异性可参考标准化评分中的原则，若抽查的某指标中达标的点占总抽查点数的90%以上或相等，则该指标与标准集合的该指标具有同一性，若抽查的某指标中达标的点占总抽查点数的75%以下，则该指标与标准集合的该指标具有对立性，处于中间的为差异性指标，由此建立同异反联系度μ：

(1)

(2)

μ=a+bi+cj

(3)

马尔科夫链在该动态评估模型中的应用思路：上述集对分析是基于静态的角度分析的联系度问题，但影响煤气单元风险状况的诸多因素中除相互关联和制约外，还有随机变化可能性，所以在进行煤气单元风险评估时应考虑动态的因素，即某一事件的状态与状态之间转移规律的无后效性的随机过程，分析随机事件未来变化规律及可能的结果。在赋予权重后的SPA评估模型中将待评价集合与标准集合对比后划分的3个等级作为马尔科夫链中的3个状态，即“表现优”、“表现一般”、“表现不合格”，再引入时间的概率，冶金企业在t时刻的联系度为：

(4)

以pij表示某一特性在时段t到时段t+1由状态i转移到状态j的可能性大小，即：

P={xn+1=|xn=i}=pij(i,j=1,2,…,n)

(5)

状态转移概率矩阵为

(6)

在t+T时段待评价集合的联系度为：μ(t+T)=a(t+T)+b(t+T)i+c(t+T)j=[a(t+T),b(t+T),c(t+T)]·p·(1,i,j)T。

(7)

下一个时段的煤气单元风险联系度为：

(8)

由马尔科夫链理论知，经多个周期转移后，系统最后将趋于稳定，且稳定状态的联系度中的a,b,c符合下式的关系(I为单位矩阵)：

(9)

计算出趋于稳定的联系度后，企业煤气单元的风险可按表3进行判定。

表3 风险动态变化趋势判定对照

3 算例分析

以某冶金企业煤气单元风险为例进行动态分析，按每年为一个周期，对比近5年评估指标的集对情形，以煤气工艺设备设施本体设计、安装合规合理性为例，第1时段设备设施总体情况与标准状况比为一般，集对评级为P；第2时段设备设施总体情况与标准状况比为优，集对评级为S；第3时段设备设施总体情况与标准状况比为优，集对评级为S；第4时段设备设施总体情况与标准状况比为一般，集对评级为P；第5时段设备设施总体情况与标准状况比为较对立，集对评级为Q。其他指标判定类同，得出表4的数据。

表4 某冶金企业煤气单元风险评估基础数据

5个时段的煤气单元风险评估联系度为：

μ1=0.303+0.547i+0.15j，μ2=0.771+0.181i+0.048j，μ3=0.382+0.499i+0.119j，μ4=0.048+0.707i+0.245j，μ5=0.194+0.399i+0.407j

5个时段的同异反转移矩阵为:

平均转移矩阵为:

4 结语

本文针对冶金企业煤气单元标准化评审过程中分值介于界限值左右不能明确判定等级的情形，构建了基于层次分析法的SPA-马尔科夫链的煤气单元风险动态评估模型，根据相关标准规范构建了煤气单元风险评估指标体系，运用层次分析法赋予各评估指标合理的权重，通过SPA计算联系度反映单元风险的大小及变化趋势，运用马尔科夫链模型推算下一个时段的联系度等，从而判断煤气单元下一周期的风险动向，为明确冶金企业煤气单元标准化等级提供参考方法。