基于FPN的石油企業HSE管理體系績效評價

韓 婧，梁 偉

(中國石油大學(北京)機械與儲運工程學院,北京 102249)

隨著中國石油海外業務量的不斷增長，國內外石油公司的競爭愈演愈烈[1]，我國石油企業必須建立與國際慣例接軌的HSE管理體系[即健康(Health)、安全(Safety)和環境(Environment)三位一體的管理體系]，提高HSE管理水平，才能提升核心競爭力，實現可持續發展。針對HSE管理體系績效的評價，傳統評價方法主要有模糊綜合評價法[2-3]、層次分析法[4-6]、概率風險評價法[7]和神經網絡法[8-10]等。但這些方法只是將評價指標的評價結果進行綜合，僅考慮了評價指標本身，忽略了對應指標的可信度，并且不能實現動態評價，因此評價結果與實際存在偏差。一次次慘痛的石油工業事故警示我們，偏離客觀實際的HSE管理體系績效評價結果將會造成極大的人員傷亡、財產損失和環境破壞[11]。因此，研究石油企業HSE管理體系績效評價的方法具有現實意義。

模糊Petri網(Fuzzy Petri Nets,FPN)結合了Petri網直觀的圖形描述能力，可以形象地刻畫系統的靜態結構特性和動態信息傳遞，并且對并行異步系統具有較好的處理能力[12]，同時具備模糊推理能力，便于對不確定性知識處理、分析和決策[13]，因此已得到廣泛的應用[14-15]。

鑒于此，本文建立了基于FPN的石油企業HSE管理體系績效評價模型，在評價的同時考慮要素的可信度，以獲得更加客觀的評價結果。首先結合模糊產生式的FPN模型給出模糊推理算法，將HSE管理體系的指標要素按照原有的層次結構轉化為FPN庫所，評價指標的轉變過程轉化為FPN的變遷，建立了石油企業HSE管理體系的FPN績效評價模型；然后為了避免主觀和客觀因素對評價結果造成的偏差，將層次分析法(AHP)和粗糙集法分別計算得到的指標權重值進行線性組合；最后依據專家經驗得到輸入參數值，經過模糊推理計算，得到績效評價結果。經實例分析驗證，FPN績效評價模型不僅適用于HSE管理體系的績效評價，并且可以為HSE管理提供決策支持。

1 FPN評價模型和推理算法

1. 1 FPN的相關定義

模糊Petri網定義為如下八元組：

FPN=(P,T,IN,OUT,D,U,F,M)

1. 2 模糊產生式規則的FPN表示

以常見的HSE管理體系為例，建立對應的FPN績效評價模型時，將各級要素按照原有的層次結構轉化為FPN庫所，評價指標的轉變過程轉化為FPN的變遷，并經常使用“與”和“或”等連接FPN的多個庫所，進而建立形象直觀的FPN模型。常見的模糊產生式規則有以下幾種：

(1) 如果d1(μ1)與d2(μ2)與…與dn(μn)，則dG(μG)(CF=μj)，第1類模糊產生式的FPN模型如圖1所示。

(2) 如果d1(μ1)或d2(μ2)或…或dn(μn)，則dG(μG)(CF=μj)，第2類模糊產生式的FPN模型如圖2所示。

圖2 第2類模糊產生式的FPN模型Fig.2 Type-2 fuzzy rule presentation with FPN

其中,d1，d2，…，dn表示前提條件;dG表示結論命題;μ1,μ2,…,μn表示命題的可信度；vj表示變遷置信度。圖1和圖2中兩種規則的命題可信度計算公式如下：

μG1=min(vμ1,vμ2,…,vμn)

(1)

μG2=max(v1μ1,v2μ2,…,μnμn)

(2)

本文選用第2類模糊產生式規則進行推理計算。

1. 3 指標權重的計算

權重體現要素對評價體系的貢獻程度，在評價過程中至關重要。不同的計算方法會得到不同的指標權重值，進而對評價結果造成差異。指標權重的計算方法主要分為主觀權重法和客觀權重法兩種，主觀權重法是指專家根據經驗對指標的重要程度進行判斷，再通過計算得到指標的權重值，目前應用較廣的是層次分析法[16]；客觀權重法是根據指標的實際、歷史數據信息，利用數學方法直接計算出指標的權重值，其目的在于摒棄主觀判斷的影響，常用的方法主要有熵值法[17]、粗糙集法[18]等。本文綜合主客觀因素的影響，在考慮專家經驗的基礎上為了保證權重的客觀性，采用層次分析法和粗糙集法組合得到評價要素的權重值。

1.3.1 指標主觀權重計算——層次分析法

采用層次分析法獲取要素的主觀權重值，其具體步驟如下：

(1) 構造判斷矩陣。結合經驗知識對要素進行兩兩比較，確定其相對重要度，建立判斷矩陣。

(2) 計算指標權重。采用特征根法對判斷矩陣進行計算，將特征向量經過歸一化處理，可得到同一層要素對上層要素的相對重要性，即指標主觀權重wi1。

(3) 一致性檢驗。如果一致性指標CI<0.1，則判斷矩陣的一致性成立。

1.3.2 指標客觀權重計算——粗糙集方法

粗糙集理論中的屬性重要度可描述不同要素對評價對象的影響，反映在現有的數據條件下屬性對目標的重要性。采用粗糙集方法計算指標客觀權重的步驟如下：

(1) 計算要素重要度。設要素ci∈C，在指標集合C中的重要度可表示為

SigC-{ci}=I(C)-I(C-{ci})

(2) 計算指標權重。ci的重要性可通過指標集合C中刪去ci后造成的信息量變化大小計算。經歸一化處理，可獲得ci在指標體系C={c1,c2,…,cn}中的客觀權重wi2:

wi2=SigC-{ci}(ci)∑ni=1SigC-{ci}(ci)=I(C)-I(C-{ci})nI(C)-∑ni=1I(C-{ci})

(4)

1.3.3 指標組合權重計算

采用組合法可求得各指標要素的最終權重：

wi=βwi1+(1-β)wi2

(5)

式中：wi1、wi2分別為指標的主、客觀權重；β為依據評價期望對專家經驗依賴程度確定的經驗因子，本文中β取0.6。

1. 4 模糊推理算法

首先定義兩種特殊的算子。設A、B、C、E為4個n×q階矩陣，aij、bij、cij和eij分別表示對應矩陣的元素;D為n×1矩陣，di表示其第i行元素，則做如下定義：

加法算子?：

C=A?B?cij=max(aij,bij)

(6)

直乘算子?:

E=D?B?eij=di×bij

(7)

建立FPN績效評價模型，將各級要素按HSE管理體系層次結構轉化為FPN庫所，評價指標的轉變過程轉化為FPN的變遷；寫出輸入矩陣IN和輸出矩陣OUT，依據先驗知識確定初始狀態矩陣M(0)；計算權重向量W={wj}；確定績效評價等級標準，即評價矩陣Q；采用MATLAB軟件進行模糊推理，具體步驟如下：

輸入：IN，OUT，W，Q，M(0)。

輸出：績效評價值。

(1) 首先令k=0，當變遷發生時，輸入狀態矩陣為INTM(k)，輸入權重為W?OUT。

(2) 變遷發生后下一個狀態：M(k+1)=M(k)?[W?OUT][INTM(k)]。

(3) 若M(k+1)≠M(k)，則令k=k+1，重復步驟(2);若M(k+1)=M(k)，則推理計算結束。

(4) 計算各庫所的評價指標：

F=M(k)QT

(8)

式中:F為n×1的矩陣，該矩陣的最后一個元素fn表示一級要素評價指標。

(5) 計算可信度。依據FPN模型結構，結合公式(2)計算輸出要素可信度μG。

(6) 計算體系綜合績效評價值：

S=fnμG

(9)

該模糊推理算法中，績效評價值由可信度μG與評價指標fn共同決定，因而評價結果更加客觀。

2 基于FPN的石油企業HSE管理體系績效評價實例分析

本文選擇中國石油天然氣集團公司(CNPC)的全資油田子公司作為評價實例，驗證建立的FPN績效評價模型的有效性和可靠性。該公司主要從事石油天然氣的勘探和生產、集輸和儲運、勘探開發工藝和規劃研究等石油勘探開發核心業務。

2. 1 建立FPN績效評價模型

通過歷史資料查閱和現場勘查，并結合專家知識庫[19]，選擇石油企業HSE管理體系的績效評價要素，建立了該石油企業HSE管理體系的FPN績效評價模型，見圖1。該模型中各級庫所表示的要素含義詳見表1。

圖3 某石油企業HSE管理體系的FPN績效評價模型Fig.3 FPN performance evaluation model of HSE management system

一級要素二級要素三級要素承諾p1有感領導p2領導與承諾pa安全價值觀p3事故、事件管理p4組織保障p5組織機構與行政pb方針、目標的表述與落實p6文件p7風險控制策劃p8危險因素識別與危害因素識別p9HSE管理體系績效水平pG風險評價pc風險評價p10風險管理p11能力要求和評價p12能力培訓和意識pd培訓的策劃和實施p13員工有意識p14承包商管理pe承包商管理程序p15承包商績效評價p16溝通參與協商pf溝通參與協商的策劃和效果p17應急準備和響應pg應急預案和演練p18應急響應p19管理評審ph評審組織和改進p20

定義HSE管理體系績效評價等級矩陣Q=(2,4,6,8,10)：[0,2)表示基礎級;[2,4)表示啟動級;[4,6)表示良好級;[6,8)表示優秀級;[8,10)表示卓越級。

由5名專家依據文獻[19]給出的評估指南和近五年該石油企業HSE管理體系的績效水平，通過打分求均值的方法得到FPN的初始狀態矩陣M(0)(mij表示要素pi在第j績效等級下的初始狀態)：

M(0)=0.010.090.210.300.38;0.020.080.230.300.37;

0.010.090.220.310.37;0.160.090.230.300.37;

0.040.120.210.280.35;0.030.110.220.290.35;

0.030.110.200.290.37;0.040.120.190.280.37;

0.040.110.200.300.35;0.030.110.200.280.38;

0.010.110.220.290.37;0.010.080.220.300.38;

0.020.070.220.330.36;0.020.090.230.310.37;

0.160.090.200.330.37;0.040.110.200.290.36;

0.030.110.220.290.35;0.040.110.210.270.37;

0.040.120.180.290.38;0.030.110.210.300.35;

0.000.000.000.000.00;0.000.000.000.000.00;

0.000.000.000.000.00;0.000.000.000.000.00；

0.000.000.000.000.00;0.000.000.000.000.00；

0.000.000.000.000.00;0.000.000.000.000.00；

0.000.000.000.000.00 〗

依據專家知識庫，令三級要素p1～p20可信度μ1～μ20為μi=0.92,0.93,0.94,0.95,0.91,0.90,0.92,0.92,0.93,0.92,0.90,0.91,0.94,0.94,0.91,0.94,0.91,0.90,0.92,0.93。變遷表示要素對HSE管理體系績效水平的影響，令變遷v1～v28的置信度vi=0.85,0.81,0.80,0.85,0.85,0.82,0.81,0.85,0.81,0.76,0.90,0.85,0.81,0.83,0.82,0.88,0.85,0.86,0.79,0.94,0.81,0.75,0.81,0.80,0.81,0.75,0.82,0.81。

2. 2 計算指標的權重

依據第1.3節的內容，計算各級要素的權重值，其結果見表2。

表2 HSE管理體系各級要素的權重

2. 3 模糊推理

結合FPN的模糊產生規則和推理算法，帶入相關參數值，經過三次模糊推理計算，得到M(3)=M(2)，推理計算結束。

2. 4 評價結果與討論

經推理計算，可得到該石油公司HSE管理體系的績效評價結果，詳見圖4。

圖4 兩種績效評價結果的對比Fig.4 Comparison of performance results

由圖4可見，由FPN績效評價模型得到的評價結果中：組織機構與行政pb的績效評價值最低為5.893，屬于良好級，這可能是由于組織機構人員較多，機構臃腫、職責分散引起的，此外制定方針政策的合理性也會影響該項績效水平；管理評審ph的績效評價值最高為6.624，屬于優秀級，這表明該石油企業HSE管理體系具有較好的適宜性、充分性和有效性，持續改進能力較強；其他中間級要素的績效水平均處于優秀級；該石油企業HSE管理體系pG的績效總體評價值為5.428，績效水平屬于良好級，表明該HSE管理體系絕大部分要求得到了充分落實，包括承包商在內的絕大部分員工能夠做到遵章守紀，但是該HSE管理體系并不完全盡如人意，在今后的安全管理中，應該著重加強得分較低要素的監管。而不考慮評價要素的可信度時，得到的績效評價值均較高，所有要素績效水平都處于優秀級，評價結果與實際管理取得的效果存在偏差。

通過對比兩種績效評價結果可知，FPN績效評價模型因考慮了評價要素可信度得到的評價結果更加客觀，可以為安全管理尤其是短板管理提供決策支持。

3 結 論

為了得到更加客觀的HSE管理體系績效評價結果，針對HSE管理體系的復雜性和傳統評價方法不能結合評價要素的可信度、無法進行動態評價等局限性，建立了基于模糊Petri網(FPN)的HSE管理體系績效評價模型。首先，結合模糊產生式的FPN模型給出模糊推理算法，將HSE管理體系的指標要素按照原有的層次結構轉化為FPN庫所，評價指標的轉變過程轉化為FPN的變遷，建立石油企業HSE管理體系FPN績效評價模型；然后,針對主客觀因素對評價結果的影響，采用層次分析法和粗糙集法相結合的組合權重法確定要素權重，以獲得更貼合實際的評價結果；最后,以某一石油企業為實例，利用建立的FPN績效評價模型對其HSE管理體系進行績效評價，結果表明：較沒有考慮要素可信度的評價結果，FPN績效評價模型在評價過程中綜合了要素可信度，得到的評價結果更加符合實際，并且可以為安全管理尤其是短板管理提供決策支持。

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