基于主成分分析法的危險化學品事故統計分析方法研究

●劉 靜,陳 雷

(1.濰坊市消防支隊,山東濰坊 261061;2.秦皇島市消防支隊,河北秦皇島 066000)

0 引言

隨著現代化學工業的迅猛發展,危險化學物品已被廣泛應用于國民經濟的各個部門和千家萬戶,而且在化學生產過程中,要使用大量易燃、易爆、有毒原料。在生產、儲存、運輸過程中所發生的事故越來越多,造成的危害也越來越大,危險化學品事故對人類安全提出了嚴峻挑戰[1]。危險化學品事故的主要危害可以歸納為[2]：引發火災、爆炸事故;具有毒性,危及人的生命;造成環境污染。危險化學品事故也會帶來巨大的直接和間接損失。例如 1984年 12月 3日,印度中央聯邦首府博帕爾的美國聯合炭化公司農藥廠發生毒氣泄漏事故,造成 3 500余人死亡,經濟損失近百億美元。1997年 6月 27日,北京化工集團有限公司東方化工廠發生石腦油外溢遇火源發生爆炸,進而引起火災,造成 9人死亡,39人受傷,直接經濟損失 1.17億元。2004年 4月 15日晚,重慶天原化工總廠發生氯氣泄漏,并引發爆炸。事故造成 9人失蹤死亡,3人受傷,15萬人被疏散撤離。2005年 11月 13日,中石油吉林石化公司雙苯廠苯胺裝置發生爆炸著火事故,造成 5人死亡,2人重傷,21人輕傷,1人下落不明,疏散群眾達 1萬多人。2008年 6月 5日,黑龍江齊齊哈爾鐵鋒區光宇廢品收購站發生光氣泄漏事故,造成 3人死亡,1人重傷,11人中毒住院。面對越來越多的事故,對于如何采取措施抑制危險化學品事故的增長趨勢成為一個越來越受人們關注的問題。

1 主成分分析法建模基本原理

主成分分析法是一種常用的多元統計分析(即多指標的統計分析)方法,是一種化繁為簡,將指標數盡可能的降維(即空間壓縮)技術,也是一種綜合評價方法[3]。主成分分析法具有簡單、客觀、準確度高的特點。應用主成分分析法能夠盡可能的避免原有數據中的信息丟失,所得到的結果更加具有可信性。因而主成分分析法有比較廣泛的應用。

主成分分析法的數學模型是：對于隨機向量 X,想選一些常數向量 ci,用 c′iX盡可能多反映隨機向量X的主要信息,也即 D(c′iX)盡量大(D(c′iX)表示方

主成分分析的基本思路可概述如下[4]：借助一個正交變換,將分量相關的原隨機變量轉換成分量不相關的新變量,從代數角度,即將原變量的協方差陣轉換成對角陣,從幾何角度,將原變量系統變換成新的正交系統,使之指向樣本點散布最開的正交方向,進而對多維變量系統進行降維處理。按照特征提取的觀點,主成分分析相當于一種基于最小均方誤差的提取方法。

基于 2002～2007年全國危險化學品事故數據,本文采用主成分分析法對全國的危險化學品事故的狀況進行了分析,得出危險化學品事故在生產、使用、運輸、儲存過程中發生的主要環節,為有針對性的提出預防措施提供科學依據。

2 基于主成分分析法的危險化學品事故統計分析

2.1 原始數據的統計

通過查閱文獻資料整理 6年來我國危險化學品事故數據如表 1所示。

2.2 主成分計算程序的設計與實現

依據主成分分析法的建模思路,得到 PCA步驟流程圖如圖 1所示。

2.3 計算結果及分析

由上述過程,運用 GNU Octave軟件進行編程運算。根據公式將原始數據預處理,由Octave處理得出計算數據的相關矩陣,然后求取相關矩陣的特征根和特征向量如表 2所示,而計算得出各主成分的貢獻率如表 3所示。

表1 事故在各過程中發生的數據統計表

圖1 PCA流程圖

表2 特征根和特征向量

表3 主成分貢獻率

根據經驗,貢獻率大于85%[5]的情況下,主成分分析法是比較明顯的。由表 3可知,第一個主成分的累計貢獻率達到 98.03%,滿足主成分分析的要求,丟失的信息僅為 1.97%,不會影響結果分析,因此決定取第一主成分即可。

如果以 x記為預處理變量,X為原變量,則有：

帶入具體數據到上面的主分量方程有：

由結果可以看出,第一主成分的各原變量系數中,變量 X2系數最大,變量 X1的系數次之,都比后兩個變量的系數大很多,這表明第一主成分主要由 X2和 X1決定。它們分別表示使用過程和生產過程中事故發生的次數。這說明對于危險化學品事故,其主要發生在使用過程和生產過程中,這也與圖 2危險化學品事故數據統計圖顯示一致。所以,要有效控制危險化學品事故,就要從控制危險化學品的使用過程和生產過程入手,加強監管措施和防護力度,減小使用和生產過程中發生的事故起數,就能從根本上抑制危險化學品事故的發生。

3 結論

本文通過運用主成分分析法對 2002～2007年全國危險化學品事故數據進行了分析,得出危險化學品事故在生產、使用、運輸、儲存過程中發生的主要環節在于使用過程和生產過程,這與實際情況相一致,因而要控制危險化學品事故的發生,可以有針對性的在這兩個環節提出預防措施,加大監管力度,從而遏制安全事故的發生。

[1]蔡鳳英,等.化工安全工程[M].北京：科技出版社,2001.

[2]中國安全生產科學研究院.危險化學品事故案例[M].北京：化學工業主版社,2005.

[3]余錦華,楊維權.多元統計分析與應用[M].廣州：中山大學出版社,2005.

[4]Principal Component Analysis(PCA)and Factor Analysis in Oasis Montaj[EB/OL].Geosoft Technical Note,(1999-12-08).http：//www.geosoft.com.

[5]吳克海,丁光明,雷茂錦.基于主成分法的道路交通事故綜合評價方法研究[J].交通標準化,2005,(11)：142-145.