基于熵权可变模糊集的化工工艺本质安全评价

＊罗群光 金龙 冯云 余航 杨信林

（1.普洱超冠化工有限责任公司 云南 665000 2.成都市城市安全与应急管理研究院 四川 610000）

化工行业生产工艺复杂[1]，设备串联广且工作条件严苛，大多数在高温高压或者低温真空工况下运行，其物料也具有易燃易爆、有毒的显著特点。对于化工过程安全的风险管控，最根本的措施还在于源头治理终极目标是本质安全[2]，本质安全概念自1978年由Trevor Kletz[3]教授首次提出以来就受到研究者的广泛关注。本质安全属于模糊的定性概念，因此量化本质安全对化工工艺设计与安全生产决策具有重要意义。研究者对此提出很多评判标准与本质安全量化评价方法。化工过程概念设计初期阶段的本质安全评价主要用于筛选与分析工艺路线，目前评价方法主要归纳于3大类：指标型评价法、图示型评价法[2]以及不确定性量化评价法。指标型评价包括本质安全原型指数法PIIS[4]、i-Safe[5]、本质安全指数法ISI[6]等。PIIS以化工过程中的工艺参数例如温度、压力和收率等作为分析指标，未考虑物料性质的危险性，评价结果采用专家打分求和的方式获得。i-Safe着眼于反应步骤，未考虑物料储存量及工艺控制参数，评价结果采用各反应步骤本质安全指数加和的方式获得。ISI考虑指标较多，覆盖范围较广，但是部分评价指标在工艺概念设计初期无法获得，它适用于已经设计投产使用的工艺安全评价，因此在运用中有一定的难度。图示型评价法是J.P.Gupta等[7]于2003年提出的一种可视化化工工艺安全评价方法，其评价思想较指标型评价有所进步，该方法考虑了指标量纲及权重对工艺本质安全程度的影响，将温度、压力和FET（可燃性、爆炸性和毒性）分别在图中表示并依次相互比较得出安全性的高低。2008年，王艳华[8]利用基于模糊逻辑的数据推理方法实现了评价过程可视化，并对甲苯高温加氢脱烷烃制取苯的工艺过程本质安全进行了评价，取得了较好的评价结果；2009年，李求进等[9]利用遗传算法的Shepard插值对甲基丙烯酸甲酯的合成工艺进行了本质安全度的区分，取得了理想的区分效果；2010年，叶君乐[10]与王芳[11]等利用模糊综合评价建立本质安全指数评价模型，实现不同化工工艺的本质安全性评价；2013年，刘维[12]引入可拓物元模型并结合熵权法赋权实现了甲基丙烯酸甲酯（Methyl Methacrylate，以下简称MMA）合成工艺的本质安全性评价；2013年，王芳[13]将Petri网与模糊数学结合，构造了基于Petri拓扑网络的方案优选模型，并应用到丙烯酸生产方案中，成功筛选到了本质安全程度最高的生产方案；2016年，邬长城[14]引入集对分析，通过构造同异反评估模型，实现了对MMA合成工艺本质安全度等级的确定；2018年，魏丹[15]引入未确知测度理论，利用置信度识别准则对酯化反应的不同合成工艺进行了本质安全度的区分；2018年，蔡逸伦[16]利用云模型，通过计算云模型的云最大综合隶属度实现了对MMA合成工艺本质安全性的比较。

本文提出引入可变模糊集作为评价模型，该模型同时融合了模糊线性、非线性逼近、方案优选和理想点4个不确定性模型的评价结果，为多种不确定性理论的结合体，该模型考虑的不确定性范围更广。同时利用客观熵权法为指标赋权，避免了主观因素影响评价结果。引入该模型，是对工艺本质安全评价方法多样性的补充与有益探索，也是实现评价方法之间的相互印证。

1.评价指标体系与指标权重

(1)评价指标及阈值

化工工艺本质安全性取决于物料、工艺条件、反应能量释放的安全性。化工过程复杂，工艺涉及的参数众多，评价指标应当选择对物料、工艺条件、反应能量释放安全性影响较大且具有典型性、便于监测的参数，做到通用性、广泛性、覆盖性。本文参照文献[8-16]及国家文件安监总管三〔2009〕116号《国家安全监管总局关于公布首批重点监管的危险化工工艺目录的通知》[17]筛选了表征物料安全性的可燃性、爆炸性、毒性、物料储量，表征反应能量释放安全性的反应性，表征工艺条件安全性的工艺温度、工艺压力构建评价指标体系，本文参考国家化学品安全卡（ICSC）与化学品安全说明书（MSDS），以及文献[8-16]的研究成果，确定各评价指标的具体参数及对应的本质安全等级阈值见表1。

表1 化工工艺本质安全评价指标及等级阈值

(2)评价指标权重

化工工艺本质安全评价属于多指标复杂系统的评价问题，指标权重的合理性影响最终结果。考虑化工生产中工艺参数之间关联度较大，参数间相互影响，本文为排除主观因素干扰，遵照客观实际，采用基于指标信息熵大小赋权的熵权法[12,18]。在利用熵权法求指标权重前，需对指标做标准化处理，目的是为排除指标数量级、量纲、指标优劣取向差异对决策结果的干扰。假设待评系统有n个待评样本，系统有n个评价指标，则构成初始决策矩阵X=(xij)n×m标准化处理后形成标准化矩阵V=(vij)n×m。根据指标大小对决策贡献类型，分为高优型指标与低优型指标。如果将数值越大本质安全等级越高的认为越优，从表1可以看出可燃性、毒性指标属于高优型，其余指标属于低优型。

2.可变模糊集基本理论

2005年，陈守煜针对Zadeh[19]的模糊集理论中采用静态型隶属度与隶属函数处理模糊随机动态变化系统不适用的问题，并运用到了水文领域[19-20]的复杂分析与评价问题，取得了较好的成果。该模型近年来被应用在矿山安全、环境安全、交通安全、地质灾害等领域的风险评价中[21-24]。

(1)可变模糊集定义

设论域U上的一个模糊概念A，对U中任意的元素u(u∈U)对模糊概念A存在吸引性质与排斥性质，则µA(u)与分别表示吸引性质与排斥性质的隶属度，吸引与排斥的相对强弱用相对差异度函数DA(u)表示，则有：

由（1）式可得吸引性隶属函数为：

(2)相对差异度函数模型

设X0= [a，b]为数轴上可变模糊集合V的吸引域，在吸引域中µA(u)>µAc(u)，X= [c，d]为包括X0(X0⊂X)的某一可变扩展阈值区间，区间轴表示如图1所示。

图1 点与区间的相对位置关系

根据可变模糊集定义，如图1所示，区间[c，a]与区间[b，d]均为集合的排斥域，在排斥域中排斥占主导即。点M∈[a，b]为吸引域中吸引最强的点即吸引隶属度µA(u)=1的点。假设x为X区间可活动的任意点，则点x位于点M左侧的相对差异度函数有两种情况：一种为x位于左侧吸引域，即x∈ [a，M]；另一种为x位于左侧排斥域，即x∈ [c，a]。这两种情况下的相对差异度函数DA(u)的计算公式如式（3）：

同理，点x位于点M右侧的相对差异度函数DA(u)计算公式如式（4）：

若任意点x不在论域讨论范围即超出阈限，在扩展区间X以外即x∉ (c，d)表现出绝对排斥，此时相对差异度函数DA(u)=-1。相对差异度函数DA(u)通常为线性函数，式子中的β为非负指数，常取β=1。

(3)可变模糊集评价模型

①确定评价区间矩阵

参照表1而言，对于有n个评价指标，c个评价等级的评价体系而言，吸引域X0= [a，b]与可变扩展域X=[c，d]以及相对隶属度为1的点M均应为矩阵形式，将三者的矩阵分别定义为Iab、Icd、IM，具体的矩阵表达如下：

式中，[ajh,bjh](j=1,2…,n;h=1,2,…,c)为指标j的h评价等级的吸引阈值区间；ajh，bjh分别为阈值的上限与下限。

式中，[cjh,djh](j=1,2…,n;h=1,2,…,c)为指标i的h评价等级的可变扩展阈值区间；cjh，djh分别为阈值的上限与下限。

式中，Mjh为对应吸引阈值区间[ajh,bjh](j=1,2…,n;h=1,2,…,c)的相对隶属度为1的点，参照文献[25]，具体表达式如式（8）所示。

确定上述矩阵Iab、Icd、IM后，由式（1）～（4）可得相对隶属度矩阵μA(u)。

②可变模糊集评价模型

可变模糊集模型的表达式[25]如式（9）所示。

式中，wj为指标权重；α为可变优化标准参数；p为可变距离参数；uh为加权综合相对隶属度；α与p各有两种取值，因此存在4种不同组合形式的子模型，具体如表2所示。由此可见可变模糊集模型通过自身参数变化实现模型动态可变，从不同角度逼近结果。本文将4个子模型在5个等级下的加权综合相对隶属度所构成的矩阵定义为U'4×5，该矩阵经过归一化处理后得到的矩阵定义为U4×5。

表2 不同参数组合的子模型

③评价的等级判定

将待评价对象的级别特征值构成的矩阵定义为H，由矩阵U4×5的转置矩阵得出，计算公式如式（10）：

最终隶属度取上述4种子模型隶属度的均值：

利用表3中的判定准则得到等级隶属关系。

表3 可变模糊集评价结果判定准则

3.实例

甲基丙烯酸甲酯（Methyl Methacrylate，MMA）为无色挥发性液体，广泛用于生产有机玻璃及有机玻璃塑料，分子式为CH2=C(CH3)COOCH3。就目前的主要合成方法主要是有三种，分别为丙酮氰醇法（ACH法，C-3路线）、异丁烯法（C-4路线）、乙烯法（C-2路线），3条不同合成路线的反应式及实际参数如表4所示。基于风险从严，通过查询国际化学品安全卡（ICSC）与材料安全数据表（MSDS）提取了3条反应路线中最危险的本质安全指标量值作为待评特征值如表4所示。

表4 MMA不同合成工艺的参数

表4中的样本数据做标准化预处理，再利用熵权法求取指标权重为wj={0 .1333，0.1526，0.1374，0.1388，0. 1447，，0. 1524，0. 1408}。

表5 MMA不同合成工艺路线

参照表1与图1，以闪点为例，各风险等级的排斥阈与吸引阈如图2所示：

图2 闪点各风险等级排斥阈的吸引阈

参照图2以及公式（5）～（8），计算Iab、Icd、IM如下：

以丙酮氰醇法为例，根据式（9）及矩阵Iab、Icd、IM求取相对隶属度矩阵μA(u)：

已知评价指标权重为wj={0 .1333，0.1526，0.1374，0. 1388，0，0.1447，0. 1524，0.1408}，调用式（10），结合表2中的参数取值，计算4种子模型的在5个本质安全等级下加权综合相对隶属度uh，将所构成的矩阵U′做归一化处理得到矩阵U。

利用式（10）、式（11）计算工艺本质安全的级别特征值Ht(t=1,2,3,4)及其均值。同理可以求出异丁烯法、乙烯法的本质安全级别特征值Ht(t=1,2,3,4)及其均值，并利用表3中的判别准则对3种工艺的本质安全性进行比较，结果见表6。

表6 三种工艺本质安全性的可变模糊集评价值

4.结论

（1）针对化工工艺本质安全受多因素耦合影响，引入可变模糊集从过渡态定量描述入手，并采用基于客观熵权法赋权，以可变模糊集模型为母体模型，4个子模型分别从模糊线性、神经网络非线性拟合、模糊优选、理想点不同角度逼近真实结果，实现了工艺处于本质安全过渡态时相对隶属度大小的动态评价。同时可变模糊集模型级别特征值档次拉开较大，说明对不同工艺本质性具有较强的区分度。

（2）可变模糊集与熵权法结合从不确定性量化与客观权重的角度为企业在工艺线路的选取，复杂生产工艺的本质安全评价，工艺路线概念设计初期的优化设计提供参考。同时也可以对现有工艺路线的本质安全性作出准确评估，为未来工艺安全技术改造提供指引，具有一定的指导意义。