基于組合權重與風險矩陣法的煤氣泄漏事件風險預測

劉 慶，謝大星

(湖南有色冶金勞動保護研究院，湖南 長沙 410014)

冶金煤氣包含CO、H2易燃氣體，其也是煤氣的主要成分[1-2]。因物質具有危害性，冶金煤氣在生產儲存過程中要求較高，稍有不慎可能出現易泄漏、易燃、易爆等連鎖性災害，可能引發不可估量的后果，威脅著周圍人員的安全。為此，有必要掌握風險狀態，為決策者預測煤氣泄露風險提供參考意見。

關于氣體泄漏的辨識評估模型很多。許永莉[3]等煤氣泄漏事故發生的原因與管道及其附屬設備有關，并利用Fluent軟件對管道煤氣泄漏模擬。劉祖德[4]等利用LES湍流模型對煤氣泄露后果評估并對CO濃度的分布規律進行了分析。李嫦娥[5]等對氣體儲存易泄漏部位總結了6處易泄漏部位。劉燁明[6]等利用定量風險分析軟件計算個人風險值及社會風險曲線，由ALARP原則確定罐區風險等級。為便于從根源查找風險，有必要對煤氣儲存設備設施固有風險屬性辨識，并提出有效預測模型。

基于此，對冶金企業煤氣儲存系統可能引發泄露的因素進行辨識，為有效地管控煤氣泄漏引發的不良后果做準備。研究將基于煤氣柜區域煤氣的固有風險屬性，探討一種便于辨識風險的評估模型對煤氣泄漏風險因素進行模擬分析，為冶金企業煤氣生產儲存系統有效地管控提供科學依據。

1 基于組合權重的風險矩陣法

風險具有不確定性，影響風險的因素較多，考慮到各風險因素的比重有差異，選用Borda序值法對風險要素進行排序，利用層次分析法(Analytic Hierarchy Process,“AHP”)求解煤氣生產儲存區間煤氣泄露事件指標的主觀權重，再利用熵權法確定事件指標的客觀權重，由組合權重確定綜合風險指標權重，引入風險矩陣判定表確定風險等級，預測煤氣泄漏的風險大小。

1.1 基于Borda序數法的AHP法的確定主觀權重

1.1.1 Borda序數法確定排序

Borda序數法[7]在風險評估中可起到量化排序的作用，則評估指標的Borda數可由式(1)求得：

其中，N為風險指標數量；k為評估指標對應的準則；rik表示風險指標g在與應準則k的風險評估等級。

1.1.2 層次分析法求主觀權重

根據AHP法運算規則，由標度值[8]比較法將各元素進行兩兩比較可得到判斷矩陣表。隨后根據需要化簡計算矩陣表，目前可選用計算方法較多，也可利用yaahp軟件求解。但最終都需計算矩陣特征值及一致性檢驗。

研究將采用yaahp軟件[9]求解確定矩陣特征值λmax，由式(2)檢驗判斷矩陣的一致性：

表1 一致性指標值

1.2 熵權法確定客觀權重

為避免主觀賦權引起的誤差，考慮結合熵權法確定評價對象的客觀權重[11]。首先，設有m個評價對象，且分別對應有n個評價因素，建立歸一化判斷矩陣為：

其次，求解評價因素的熵為：

最后，確定第j個評價因素的權重為：

1.3 組合權重

將AHP法求得的主觀權重與熵權法的客觀權重相結合獲得評價對象的組合權重集。權重組合方法有線性加權組合法、乘法合成法兩種，但乘法合成法在權重均衡分配中較合適，而線性加權組合法相對應用較廣[12-13]。由式(6)確定線性加權組合法權重為：

由式(7)確定乘法合成法權重為：

其中，cj為評價指標的組合權重；aj為經yaahp軟件求得的第j個評價指標的AHP法權重；bj為第j個評價指標的熵權；β為分配系數。

1.4 風險矩陣法確定風險等級

1.4.1 判定事件發生概率和后果影響

危險事件發生的概率、后果嚴重性是判斷風險等級的基礎[14]。事件后果影響等級說明見表2，可能性概率等級見表3。

表2 后果影響等級說明

表3 可能性概率等級說明

1.4.2 確定風險等級

風險等級的確定與表2和表3密切相關，為此，構建風險等級判定表，風險等級描述及量值見表4[15]。

表4 風險等級判定表

確定指標權重集與單個風險等級后，由式(8)確定煤氣泄漏風險綜合等級值為：

其中，rj為第j個指標的風險等級，n為風險指標數量。

2 煤氣泄漏風險預測

選擇某鋼鐵企業對高爐煤氣的煤氣柜區域煤氣泄露進行風險預測。

2.1 確定冶金企業區域煤氣泄漏風險要素

事件發生的原因常與人、物、環、管有關，針對該企業煤氣柜區煤氣泄漏也不例外，生產儲存煤氣的罐體及管道為煤氣泄露的主要部位，而高爐煤氣中的CO含量較高，物質有中毒窒息、火災爆炸危害性。因此，從高風險人群、工藝、管理、設備、物質、環境等因素來權衡煤氣泄漏的風險大小，采用比較法有針對性地選擇出7類影響煤氣柜區煤氣泄漏的風險指標考慮人員密集程度、工藝完好水平、安全管理現狀、儲罐及其附件合格程度、物質危害性、防護裝置設施情況、周圍環境布局合理性的風險性。

2.2 煤氣柜區域煤氣泄漏風險等級分析

由Borda序數法確定每類指標發生的可能性概率及后果影響的重要性排序，AHP法、熵權法確定組合權重值，由風險矩陣法對指標評估。以“物質危害性”為例，專家評估其發生的概率等級為5，影響等級為4，由風險判定表可知物質危害性風險等級很高，量化值為0.5。同理可求得其他6類風險指標的風險等級及量化值，見表5。

表5 煤氣泄漏風險評估

由Borda原理及式(1)，從風險固有屬性分析，影響該企業整體安全的關鍵風險指標有7類，故N=7，而煤氣柜區域煤氣泄漏風險的風險矩陣有2個準則，即k=1指煤氣柜區域煤氣泄漏風險概率準則；k=2指煤氣柜區域煤氣泄漏風險影響準則。以“物質危害性”為例，“物質危害性”的風險概率排序r11=4，而“物質危害性”的風險影響r12=3，求得b1=7。

同理可求得其他6類煤氣泄漏風險指標的Borda序數法，則7類風險指標按表中順序的Borda數依次為：12、11、11、10、9、8、7。由Borda序數法的原理，取其相對數依次為：0、1、1、2、3、4、5。

根據Borda序值的對數排序，依次將評估指標兩兩對比，確定綜合判斷矩陣為：

利用yaahp軟件計算各風險要素的權重，經驗證一次通過，求得主觀權重集：

A=[0.035，0.051，0.078，0.123，0.198，0.199，0.316]。

由熵權法規則，此處有7個評價對象，各有2個歸屬指標，構建判斷矩陣后由(4)、(5)判定泄漏風險的權重集：

B=[0.103，0.085，0.098，0.153，0.183，0.289，0.089]。

由此，可知風險權重值并不均等，選用式(6)確定組合權重更合理。因客觀權重在調查統計時可能有誤差，應優先考慮基于Borda序值的AHP法求得的權值，故取=0.65，由式(6)確定AHP法與熵權法的組合權重集：

C=[0.059，0.063，0.085，0.132，0.193，0.231，0.237]

依照式(8)，求得煤氣柜區域煤氣泄漏風險等級：R=2.113。最終，可確定該企業煤氣柜區域煤氣泄漏綜合風險等級屬“較高”風險。

3 結論

將風險矩陣法引入到了煤氣泄漏的風險分級預測中，運用基于Borda序數法的AHP法確定主觀權重，使得風險指標排序更為明確，又避免了權重驗證的繁瑣性。為克服權重的單一性，將主觀賦權法與熵權法的客觀賦權法相合，由組合權重法確定風險指標綜合權重，使得賦值更加科學，能較好地反映各風險指標對煤氣柜區域煤氣泄漏風險的重要程度。結合各指標風險等級，確定煤氣泄漏風險等級，開發了簡單易用的煤氣泄漏風險預測分級評估方法。以風險固有屬性為基礎，分析出人員密集程度、工藝完好水平、安全管理現狀、儲罐及其附件合格程度、物質危害性、防護裝置設施情況、周圍環境布局合理性7類影響煤氣柜煤氣泄漏的風險指標。通過工程實例分析，運用該模型預測煤氣泄漏風險，表明構建的組合權重的風險矩陣法是可行的，可為工程領域風險預測提供參考價值。