面向化工企业安全系统的整体涌现性进路*

罗通元 辛倩

（1.西安石油大学 电子工程学院，西安 710065；2.三峡绿色发展公司，北京 100043）

0 引言

化工生产物料多为易燃、易爆、腐蚀性强的危险化学品，危险性比其他行业要大很多。因此在化工生产过程中，要坚持“安全第一”的原则，以保护人身安全为第一出发点，深入研究事故发生的客观规律，完善化工企业安全系统，健全安全管理法律、法规体系，为安全保驾护航。

通过化工企业安全系统整体涌现性度量研究，可以根据化工企业的实际情况，如生产方式、生产环境、工艺流程、生产过程等建立化工企业安全系统整体涌现性的度量模型，对化工企业安全系统整体涌现性进行评价，为化工企业安全生产提供系统整体涌现性的相关要素指标，使系统安全性能更为具体、客观，并可用于指导安全生产，采取强有力的控制措施，降低事故的发生率以及危害程度。根据系统科学的相关论述，可以将这种整体才具有，孤立部分及其总和不具有的性质称为整体涌现性［1］，系统这种整体涌现的性质是实现系统总体功能基础，是系统的基本属性。化工企业长期发展以来，已经形成具有其行业特点的安全系统。化工企业安全系统可根据系统主体的不同划分为3个子系统：人子系统、物质子系统、环境子系统［2］。安全系统中的“人-物质-环境”相互交织，子系统内要素间关系错综复杂，决定了化工企业安全系统整体涌现性突出，间接影响安全生产。系统整体涌现性理论引入化工企业安全系统，能够从工艺流程、装置运行、安装检修、安全管理等多环节入手，预防事故的发生，对于化工企业安全系统具有重要意义。

1 化工企业安全系统整体涌现性分析

1.1 化工企业安全系统

化工企业安全系统是基于化工企业物质种类多、过程复杂多样、操作条件苛刻（高温、高压、深冷、腐蚀）等特点，将化工企业安全系统诸多要素分为人、物质、环境3个方面的因素，构建“人-物-环境安全子系统”的有关化工生产安全的系统。人子系统，即从事化工企业生产经营活动的操作人员以及管理工作人员，也包括企业组织架构，人员安全管理的手段、方法，人的安全意识，生理和心理因素和规章制度、规程标准的制定等方面。物质子系统，即化工生产所需的机器设备、厂房等物质条件，包含设备的安全性与可靠性，设备的人机适应性能、机器设备的自动控制和物料的储存等。环境子系统，即化工生产活动所处的自然环境以及社会环境，包括温度、湿度、雷电等自然环境以及安全教育、安全培训、职业卫生等社会环境［2］。

结合化工生产的实际情况对化工企业安全系统运行机制及功能进行研究。首先，化工企业安全系统子系统：人子系统、物质子系统和环境子系统之间的关系为相互合作。化工企业工作人员（人子系统中要素）掌握各种机器设备（物质子系统）的操作流程、工艺流程，操作各种工艺装置设备，正确的操作方法对机器设备的损伤较小，而自然环境（环境子系统）对机器设备都有影响，舒适的环境温度能让人工作效率提高，在特定的温度、湿度范围内，机器设备的耐腐蚀性最佳，能够增加机器设备的使用年限。其次，子系统要素间关系：相互合作、相互竞争。安全系统要素之间相互竞争的关系的原因是资源的占有情况，例如企业安全投入按一定比例分配，各要素之间对于安全投入就是竞争关系。安全系统内部关系复杂，纵横交错的最后体现、也是最重要的体现是安全系统各子系统间要素关系。根据安全学相关原理，人的不安全行为（误操作、违规操作等）、物的不安全状态（设备故障、局部零件失效等）加上环境的影响，会造成事故的发生。系统安全性能是人、物、环境共同的安全状态的综合表征。

1.2 系统整体涌现的产生机理

化工企业安全系统的涌现现象是一个循环往复、不断变化的过程，其结果虽有正反两方面，但开放系统的发展方向的大趋势不会发生变化，即在人为干预的条件下，系统向有序性发展，系统熵变为负熵流，变得更加有序，实现自组织。那对于安全系统整体涌现而言，必然是安全性能正向提升的结果，对人、物、环境起到更佳的保护作用。基于以上分析，可得出化工企业安全系统整体涌现的模型，如图1所示。

2 化工企业安全系统整体涌现性度量模型构建

2.1 度量方法比较

根据对化工企业安全系统整体涌现性的分析可以发现，该系统的整体涌现性进行度量有如下特点［3］：①指标体系大、要素多且结构复杂；②定性指标较多；③度量应体现指标综合的结果。

基于化工企业安全系统整体涌现性度量的特点，现采用模糊综合评价以及层次分析相结合的方法建立化工企业安全系统整体涌现性度量模型［4-5］。采用模糊综合评价法与层次分析法相结合，能够解决以下几个问题：

1）系统结构复杂，建立系统整体涌现性度量指标层次结构便于梳理系统结构关系，进行层次分析，逐层判断，能够确定各层次因素重要度次序，根据各因素重要程度合理分配有用资源，采取不同控制预防措施。

2）由于在指标体系建立过程中缺乏参考文献以及化工企业大数据支撑，导致指标体系要素间关系有不明朗、清晰现象。采取模糊综合评价的方法，建立两者之间模糊关系，使得量化程序简化、使用方便。

综合两种方法度量系统整体涌现性，总的来说有数据量化程序简单方便，能够反映系统间层次关系，使整体涌现性度量更加准确的优势。

2.2 度量模型

建立度量模型的步骤如下所示：

1）收集化工企业相关信息。

2）根据化工企业安全系统整体涌现性度量指标表，结合化工企业的实际情况，建立化工企业安全系统整体涌现性的指标体系。

3）建立指标层次结构。

4）根据指标的相关重要程度，构造判断矩阵。采用1—9尺度对两两因素之间进行比较。设某层有n个因素：X={x1，x2，…，xn}，用aij表示第i个因素相对于第j个因素的比较结果。为消除主观因素带来的误差，可采取3～5位专家评分，取其平均值。

可得到判断矩阵：

5）逐层进行层次单排序与一致性检验，层次单排序是指，对于上一层某因素而言，本层各因素的重要性排序，具体计算步骤如下［6］：对于判断矩阵，计算满足：BW=maxW。求取矩阵B的特征值和特征向量，式中max为A的最大特征向量，W为对应于max正规化的特征向量，W的分量就是相应元素单排序权值。一致性检验的方法，定义一致性指标，定义公式形式如下：

其中n为矩阵A的对角线元素之和，也为矩阵A的特征根之和。CI越大，不一致越严重。

一般，当一致性比率：CR=CI/RI<0.1时，认为A的不一致程度在容许范围之内，可用其归一化特征向量作为权向量，否则要重新构造判断矩阵，对A加以调整。

6）利用熵理论中的正熵、负熵的概念，判断指标对整体涌现性改变方向，正向权重系数为正，负向权重系数为负。熵可表征体系的状态，有正熵和负熵两类。正熵的增加表示系统向无序的方向发展，是退化的表现；而负熵的增加表示事物向有序的方向发展，是进化的表现。

7）对于定性评价涉及模糊综合评价的指标，选择适合的隶属函数，建立从评价指标集u到评判集v的模糊关系矩阵其中 0≤rij≤1，1≤i≤m，1≤j≤n，rij表示集合A中第i个元素和集合B中第j个元素之间的关联程度。

对模糊关系矩阵P各元素做归一化处理得到最终模糊关系评价矩阵。选用适合的合成因子，或将其权重系数直接作为合成因子对其进行合成，并对最终结果向量进行说明。针对不同的隶属函数，选用不同的合成因子必须根据实际情况所建立模糊关系的相关性质进行选取，论文中采取简单的权重分配作为其合成因子，快捷、方便、实用性强。

8）对化工企业安全系统整体涌现性层次结构进行总排序并进行一致性检验，得出最底层因素对顶层的权重。

9）度量结果处理，可用S表示系统整体涌现性度量得度量结果值。采取各因素对顶层即整体涌现性的影响叠加的方法表示系统整体涌现性，计算步骤为：各因素的影响可用因素指标权重与其实际情况的乘积表示，将各指标实际情况乘以权重，最后将全部因素影响进行相加，得到结果值。计算公式如式（2）所示：

10）根据层次分析的最终结果，对安全系统整体涌现性进行评价。计算系统整体S结果为正，可表明系统相关性能的整体表现向整体涌现性的正向结果发展；结果为负，则情况相反。系统整体涌现性度量值S与系统安全性能关系如图2所示。

3 安全系统整体涌现性度量模型的实证研究

M化工公司成立于1998年，是一家小型集体化工厂公司，公司主要从事磷酸和磷酸盐的生产，现有化工工人17人，其中技术负责人1人，公司成立了一支由5人组成的安全生产领导小组，配备专职安全管理人员。

1）建立某化工企业安全系统整体涌现性度量指标层次结构，图3为某化工企业安全系统整体涌现性要素指标层次结构图［7］。

2）指标预处理。结合系统整体涌现性度量的层次结构图以及该企业安全评价的结果，对评价指标进行一致化、量化处理，可得到指标预处理结果总表，如表2所示。

表2 指标预处理结果

续表2

4）物料危险性、建筑耐火等级、装备设置危险性、操作危险性进行模糊分析。建筑耐火等级评价结果：车间为二级、四级；锅炉房为四级；配电室为四级；库房为四级；更衣室为四级；门卫室为四级［8］。

同理可构建矩阵D7、D11、D12、D9。根据该化工厂的实际情况，权重向量可分别取d7=（0.1，0.3，0.5，0.9）、d11=（0.4，0.3，0.3）、d12=（0.15，0.6，0.85）、c9=（0.15，0.6，0.85），将权重向量分配，选取权重系数进行合成，进行综合评价。建筑耐火等级：D7=0.8，物料危险性D11=0.35，装备设置危险性D13=0.58，操作危险性C9=0.55。

5）根据熵理论中正熵和负熵的定义，判断指标对系统整体涌现性对指标权重进行进一步处理，得出化工企业安全系统整体涌现性度量指标权重。

a0=（0.289 8，0.655 3，0.054 9）；

b1=（0.437 1，0.078 6，0.047 3，0.437 1）、b2=（0.027 5，0.045 4，0.132 0，0.296 6，-0.834 6），b3=（0.7，0.3）；

c3=（0.55，0.45），c5=（0.5，0.5），c6=（0.65，0.35），c7=（0.559 5，0.095 5，0.249 5，0.095 5），c8=（-0.348 4，0.069 5，-0.582 1），c11=（0.066 7，0.466 7，0.466 7）。

将系统安全评价结果处理后的数值与其对应权重向量进行相关运算，S=-0.058 5<0（负值）。

计算分析可得该化工企业安全系统整体涌现性度量最终值为负值，该企业安全系统整体涌现性结果为负向的发展。根据该企业实际情况以及安全评价报告建议，该企业应对企业安全系统进行整改、完善，可验证度量的正负性与实际情况相符，确实需要采取控制措施提高系统安全性［9］。但是考虑到初次建立指标，合理性及系统整体涌现性判断标准性有待考虑，计算结果仅仅只能作为参考，而不能作为该安全系统的安全性能的判断标准。

根据系统整体涌现性S与系统安全性能的关系图可知，该企业安全系统状态发展的趋势为：不安全的状态，需要及时做出整改，优化资源配置，实现整体涌现性正向涌现，系统状态向安全的趋势发展。

4 结论

化工企业安全系统整体涌现性度量是一个探索性、前瞻性的研究，目前还未有研究成果直接显示系统整体涌现性量化结果，将系统科学的思想融入化工安全中，并对系统涌现性进行度量，也是首次应用相关理论进行研究。将系统科学的思想运用于化工企业安全系统的涌现性度量，是一个从无到有、逐渐发展的过程，涌现性度量理论不断发展，构建更为准确反映整体涌现性的度量模型。随着安全生产观念的逐步渗入，化工企业安全系统不断得到完善和发展，这是一个动态变化过程。在未来化工企业安全系统势必将会出现新的涌现。那么，化工企业安全系统整体涌现性度量需要更深层的发展，完善指标体系，改进度量的思路与方法，理论与实际结合，寻找新出路。