基于Borda-RMM的航天产品步入式试验设备风险评价

2023-10-23杨天娇米海波韩慧超陈皓王诏宣王一婷薛兆鹏

环境技术 2023年8期

杨天娇，米海波，韩慧超，陈皓，王诏宣，王一婷，薛兆鹏

（中国航天标准化研究所，北京 100071）

引言

国家十分重视企业的安全生产管理工作，在推动企业的安全生产隐患排查、规范企业安全生产治理体系、强化企业安全生产管理工作等方面均作出了重要规定，有限空间作业风险隐患也是国家安全隐患治理的重要内容之一。与其他企业相比，航天企业的危险程度和所承担的风险更高，对企业的安全生产管理工作也提出了更高的要求。相较其他企业，航天企业在科研生产过程中使用存储危险品种类多、数量大，可能涉及易燃易爆品、推进剂以及高温、高压等特殊作业活动，航天企业的安全管理难度也愈发增大。在产品研制生产过程中，会使用特种设备储存固态及液态等各种危险化学品，如在进行大型液体火箭发动机试验等情况时，具有极高的危险性和特殊性，可能会出现高温、高压、剧毒、强腐蚀、易燃、易爆等危险情况。在步入式试验设备设施有限空间作业过程中，在环境或人为等因素的影响下，可能会出现窒息、烫伤、人身伤害以及微波辐射风险等多种安全隐患，容易引发安全生产事故。作为一种常用的航天型号产品科研研制试验验证手段，全面识别出全流程风险因素，确定试验过程中各类风险的等级水平，并针对不同等级的风险制定可行的防控策略和预防措施具有重要意义。

1 步入式试验设备风险评价研究现状

目前，国内外专家学者已针对试验设备开展了风险评价研究工作，主要集中在试验设备风险评价方法、试验设备风险管控技术与措施等方面。在试验设备风险评价方法方面，国外学者提出了层次分析法、LEC评价法、德尔菲法、情景分析法等风险分析评价方法，建立了较为完善的风险分析方法体系。国内研究多在国外基础上，结合本行业特点开展方法的优化研究。在试验设备安全风险管控措施方面，多数学者以电力、石油及化工行业的设备设施为例，分析设备设施的安全风险因素；同时采用大数据、云计算、物联网技术等技术，构建试验设备设施的安全风险防控系统，并基于风险理论提出改进方法与措施。总结来看，现有试验设备风险评价方法及防范措施的研究主要集中于电力、石油、煤炭开采等行业，针对航天行业的步入式试验设备设施的安全风险水平评价、风险防控措施的研究相对较少，同时航天企业试验设备总体安全风险水平的评价研究还有待补充完善[1,2]。

因此，本研究以航天产品步入式试验设备为研究对象，首先基于风险管理理论与风险评价方法，分析当前步入式试验设备风险评价研究现状；其次综合利用Borda序值、层析分析法和风险矩阵法，构建步入式试验设备的风险水平综合评价模型；最后基于提出的风险评价模型，以航天产品步入式试验设备实际案例，分析其安全风险等级水平，明确试验设备的关键风险因素，并提出针对可操作的风险管控策略和预防措施，以期为航天企业的安全评价及管理工作提供理论依据和评价标准。

2 基于Borda-RMM的试验设备风险评价方法

2.1 试验设备风险因素等级的确定

风险矩阵法（Risk Matrix Method，RMM）源于“风险概率=事故发生的可能性大小×事故后果的严重程度”的模型。风险矩阵法既有优点，但也存在主观性较强的缺点。通过文献调研分析可知，通过将Borad序值法与风险矩阵法结合能够大大减少主观判断的影响，能够快速识别关键因素风险，具有客观性、全面性、简便性和科学性等优点[3-5]。

使用改进的风险矩阵法进行风险评估时，应逐步确定计算出风险因子、风险影响程度、风险发生概率、风险等级水平、Borda值、Borda序值和风险权重。首先，根据事故发生后人员伤亡、设备损害程度和后果的影响程度，可将事件的后果严重度分为4个等级。其次，根据事故发生的概率，可将事件的发生概率分为5个等级。之后，可根据事故后果的后果严重度和发生概率确定风险的等级水平，并建立事件的风险矩阵，具体如表1所示。

表1 危险事件的风险等级对照表

2.2 试验设备风险因素的重要性排序

采用原始风险矩阵法进行风险评价时，不同的风险因素可能会出现相同的风险等级，即出现风险结。为解决风险结的问题，提出一种将Borda序值法与风险矩阵法相结合的风险评价方法[4]，并在风险矩阵中增加四类序值计算，即“后果的严重度序值”、“发生的可能性序值”、“Borda数”、“Borda序值”。计算方法如下：

1）后果的严重度序值Ij：是对风险因素的后果严重度的排序。设Qj代表第j（j≤4）种后果严重度，其中Q1为Ⅰ级灾难，Q2为Ⅱ级严重，Q3为Ⅲ级轻度，Q4为Ⅳ级轻微。若某种危险因素的严重度为Qj级，则其后果严重度序值Ij的计算方法如下：

2）发生的可能性序值Pj：是对风险因素的发生概率的排序。设Hj代表第j（j≤5）种可能性大小，其中H1为A级频繁，H2为B级很可能，H3为C级有时，H4为D级极少，H5为E级不可能。若某种危险因素的可能性为Hj级，则其发生的可能性序值Pj的计算方法如下：

3）危险因素的Borda数Bi与Borda序值：是对风险因素的风险重要程度的度量。若危险因素的Borda数Bi最大，则该危险因素为最重要的风险。将所有风险因素的Borda数由大到小进行排列，得出相对应的Borda序值分别为0，1，2，…，N。Borda数Bi的表达式如下：

按照如上计算方法，首先确定危险因素后果的严重度序值Ij和可能性大小序值Pj，然后计算得出该危险因素的Borda数Bi，最后对Borda数进行排序得出Borda序值，即为应用Borda序值法改进的风险矩阵法。

2.3 试验设备风险因素权重的确定

本文利用AHP层次分析法确定各风险因素的权重，并由专家对不同层次中指标的权重进行评定，并引入1-9标度法进行两两比较，从而确定指标的重要性[6,7]。此外，在对目标问题进行拆分分层后，需要对每个层级中的组成成分都进行具体分析，并用权重衡量该层级对上一层级的重要程度。权重的计算可采用方根法，通过对判断矩阵A按行元素求积，再求1/n次幂，经归一化处理后可得到权重系数wi。之后，需要对判断矩阵进行一致性检验，其判断准则为：当CR＜0.1时，可认为判断矩阵通过一致性检验，否则需要对判断矩阵进行调整。

2.4 试验设备风险水平综合评价模型

试验设备综合风险水平是对设备总体风险程度的衡量，通过评价模型将高、较高、中、低四类风险等级进行量化，并与其对应的风险权重系数相乘，求和后可得出试验设备的综合风险水平，计算方式如下：

上文列出的资金使用率的计算方法，考虑了考核期间内发生的所有贷款业务的金额及时间，较只考虑贷款余额来计算资金使用率的方法而言，更为真实和全面，数值也更为精确。同时，该方法也考虑了小额贷款公司出现增资和外部融资的情况，笔者认为是较为科学的计算方法。

3 应用案例

步入式试验设备设施由一台高低温试验箱、振动台及一套微波暗室组合而成。试验台通过透波窗与暗室衔接，在进行环境试验的同时，可与暗室另一侧的射频微波设备互动，形成电磁测试环境。该试验设备系统主要功能包括：提供微波产品在全状态下的综合试验环境条件；适用产品可靠性鉴定试验/验收试验、环境鉴定试验、环境应力筛选试验等试验项目；满足在全状态接收或发射工作时，完成电性能综合测试的任务要求。采用该步入式试验设备设施开展航天型号产品科研研制试验时，试验期间设备设施内的环境条件具有高温差、快温变、高湿度等特点，其中最高温度可达150 ℃，最低温度可达-70 ℃，试验湿度范围在（20～98）%。

3.1 步入式试验设备的风险识别

按照步入式试验设备设施的试验流程，以试验准备阶段、试验实施阶段、试验结束阶段，分析试验过程中三个阶段的试验风险事件。在试验准备阶段，试验开始前，如试验人员开展吊车或叉车作业时，可能会因人员违规操作、设备损坏等因素而出现人身伤害等危害事件；同时，当试验人员需进入试验箱内检查工装时，可能会出现试验人员违规操作等风险事件，造成人身伤害等危害事件。同时，试验箱侧滑门应具备开启后人员可进入的环境条件，避免出现人员窒息等危害事件。检查工作完成后，待试验人员确认试验箱内产品及试验设备状态无故障后，才可关闭试验箱侧滑门。在试验实施阶段，一般情况下不开启试验箱侧滑门及暗室侧滑门。如试验过程中出现需开启箱门等紧急情况，需在确认试验箱内无风险后，才可开启试验箱门，人员方可进入。在试验结束阶段，试验箱内可能仍处于低温或缺氧环境，若此时试验人员进入可能会发生窒息或人身伤害等风险事件。

根据试验流程，按照不同的作业类型，采用检查表法对不同试验环境下的风险进行识别后可知：设备试验环境安全风险类型包括三种：外部环境因素、质量因素、人为因素。共形成风险指标共12个，包括：液氮爆炸、火灾、微波辐射、液氮泄露、危险吊装、设备损坏、货物坠落、损害健康、触电伤害、高温烫伤、人员窒息、人身伤害，具体如表2所示。

表2 试验设备风险因素清单

表3 准则层对指标层判断矩阵（A）

表4 外部环境因素判断矩阵（A1）

表5 质量因素判断矩阵（A2）

表6 人为因素判断矩阵（A3）

表7 步入式试验设备设施安全风险矩阵

3.2 步入式试验设备的风险评价指标

按照科学性、系统性和实用性原则，将最终得出的步入式试验设备设施的安全风险因素、作业类型进行归类分析，利用AHP层析分析法构建步入式试验设备设施的安全风险因素评价的三级指标体系，包括目标层、准则层、指标层。其中，准则层包括3类二级指标：外部环境因素、质量因素、人为因素；指标层包括12类三级指标：液氮爆炸、火灾、微波辐射、液氮泄露、危险吊装、设备损坏、货物坠落、健康损害、触电、高温烫伤、窒息、人身伤害。

3.3 步入式试验设备的风险评价结果

依据上述提出的风险评价方法，针对12类风险因素指标进行综合评价，包括步入式试验设备风险等级的确定、步入式试验设备风险的重要性排序、步入式试验设备风险指标权重的确定以及步入式试验设备风险综合水平的评估四个步骤，评价结果如下：

1）步入式试验设备风险等级的确定

图1 步入式试验设备设施安全风险因素评价指标体系

根据对影响步入式试验设备安全风险的损失程度和发生的概率进行评估，通过文献调研和专家咨询确定步入式试验设备各风险评价指标的后果的严重程度和发生的可能性。而后，通过参照危险事件的风险等级，判断得出各风险评价指标的风险等级。利用原始的风险矩阵法将12类安全风险因素进行排序的结果为：A33窒息＞A11液氮爆炸=A12火灾=A32高温烫伤=A34人身伤害＞A13微波辐射＞A21液氮泄露=A22危险吊装=A23设备损坏=A24货物坠落=A25健康损害=A31触电。

应用Borda序值法计算步入式试验设备各风险因素指标的“后果的严重度序值Ij”、“发生的可能性序值Pj”、“Borda数Bj”和“Borda序值”。从计算结果可知，利用Borda序值法将12类安全风险因素进行排序分级的结果为：A33窒息＞A11液氮爆炸=A12火灾=A34人身伤害＞A32高温烫伤＞A22危险吊装=A23设备损坏=A24货物坠落＞A21液氮泄露=A31触电＞A13微波辐射=A25健康损害。对比原始的风险矩阵法的风险等级排序结果，采用改进的风险矩阵法减少了风险结的数量，使得危险因素的排序效果明显好于原始的风险矩阵法。

3）步入式试验设备风险指标权重的确定

在分析现场相关数据和资料等的基础上，通过分析比较步入式试验设备设施安全风险因素评价指标体系的层次结构，采用层次分析法构建判断矩阵，利用1～9标度法进行两两比较来确定指标间的相对重要性，利用MATLAB对准则层与指标层判断矩阵进行权重计算及一致性检验，从而确定风险指标的权重系数。准则层及指标层判断矩阵的指标权重计算步骤及结果如下：

判断矩阵A权重系数的计算结果为：最大特征根为3.024 6；随机一致性指标CI为0.012 3，相对一致性比例CR为0.023 6（CR＜0.1），一致性在可接受范围内；权重系数。

判断矩阵A1权重系数的计算结果为：最大特征根为3.0735；随机一致性指标CI为0.036 8，相对一致性比例CR为0.070 7（CR＜0.1），一致性在可接受范围内；权重系数。

判断矩阵A2权重系数的计算结果为：最大特征根为5.272 7；随机一致性指标CI为0.068 2，相对一致性比例CR为0.060 9（CR＜0.1），一致性在可接受范围内；权重系数为。

判断矩阵A3权重系数的计算结果为：最大特征根为4.176 9；随机一致性指标CI为0.059 0，相对一致性比例CR为0.066 2（CR＜0.1），一致性在可接受范围内；权重系数为。

4）步入式试验设备风险综合水平的评估

根据上述计算结果可知，步入式试验设备设施安全风险根据Borda序值按重要性从大到小顺序排列的结果为：①外部环境因素：液氮爆炸/火灾、微波辐射；②质量因素：危险吊装/设备损坏/货物坠落、液氮泄露、健康损害；③人为因素：窒息、人身伤害、高温烫伤、触电。由表中可知A33窒息风险指标的权重系数最高，说明窒息风险为试验设备设施风险的最关键的因素，风险的重要程度其次为A12火灾风险、A21液氮泄露风险。因此，应重点针对窒息风险、火灾风险、液氮泄露风险制定专项的安全防范措施。

根据式10描述的试验设备设施安全风险水平的综合评估模型，计算得出步入式试验设备设施的外部环境因素指标的风险综合水平为0.576 56，质量因素指标的风险综合水平为0.4，人为因素指标的风险综合水平为0.713 52，据此得出试验设备设施的总体安全风险水平值为0.563 36。对照风险等级表，步入式试验设备设施外部环境因素指标的风险等级为中级偏上，质量因素指标的风险等级为中级，人为因素指标的风险等级为较高，总体风险水平等级为中等偏上。