基于加權(quán)模糊Petri網(wǎng)的化工安全風(fēng)險評估方法

張曉靜

(山西興新安全生產(chǎn)技術(shù)服務(wù)有限公司，山西 太原 030024)

引 言

在石化工業(yè)中，大量的危險化學(xué)品在生產(chǎn)或儲存活動中被處理產(chǎn)生極大的危險，因此，相應(yīng)的生產(chǎn)、儲存或運輸設(shè)施應(yīng)該加強安全防范[1-2]。

Bajpai等修改了SRFT(安全風(fēng)險因素表)模型使用模糊邏輯的概念[3]。Zhang和Reniers分析了流程工廠的通用入侵檢測系統(tǒng)，提出了流程工廠安全風(fēng)險評估的博弈論模型。

1 加權(quán)模糊Petri網(wǎng)

1.1 Petri網(wǎng)

Petri網(wǎng)是用于分析和模擬并發(fā)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模工具。系統(tǒng)被建模為一個有向圖，有兩個節(jié)點集：表示狀態(tài)或系統(tǒng)對象的位置集和事件集決定系統(tǒng)動態(tài)的位置，通常，位置用圓圈表示，轉(zhuǎn)換用矩形表示，見式(1)。

PN={P,T,I,O,M}

(1)

式中，P是位的有限集合，T是過渡有限集合，I是輸入函數(shù)，O是輸出函數(shù)，M是映射值。

1.2 模糊邏輯

模糊邏輯網(wǎng)絡(luò)用于修改Petri網(wǎng)，允許基于規(guī)則的模糊決策系統(tǒng)的表示和執(zhí)行。

Zadeh為了處理人類思維中的模糊性，首先提出了模糊集理論，該理論能夠處理不確定的數(shù)據(jù)和所擁有的信息。此外，模糊集理論被設(shè)計用數(shù)學(xué)表示不確定性和模糊性，并為處理決策問題中固有的不精確性提供形式化工具。

集合X的一個模糊子集A，稱為論域，可以定義為有序?qū)X，mA(x)]，mA(x)為模糊集A的隸屬函數(shù)，定義為式(2)。

μA=X→[0,1]

(2)

這個函數(shù)可以取0到1區(qū)間內(nèi)的任何值。在這種情況下，x是屬于隸屬程度,mA(x)表示特定情況下模糊集的隸屬函數(shù)是連續(xù)的。隸屬度函數(shù)可以有不同的形狀，三角形或梯形是最典型的，其特征是參數(shù)數(shù)量較少，但高斯型或廣義鐘形也很常見。

模糊邏輯可以用來表示具有模糊性的產(chǎn)生式規(guī)則(if-then規(guī)則)。if-then類型的模糊規(guī)則有以下形式：

如果x是A，那么y是B。

其中，A和B是對語言變量的具體評估。“x是A”這個詞被稱為先行詞，而“y是B”這個詞被稱為后件詞。前因和后因都采用成員關(guān)系來表達(dá)真理價值。此外，模糊規(guī)則通常有一個確定因子(CF)，CF是在0到1區(qū)間內(nèi)的一個值，表示應(yīng)用該規(guī)則時的置信度。

1.3 加權(quán)模糊Petri網(wǎng)

基于規(guī)則的系統(tǒng)的模糊產(chǎn)生式規(guī)則可以用模糊petri網(wǎng)模型表示。每個位置可能包含也可能不包含與0到1之間的真值相關(guān)聯(lián)的標(biāo)記。每個轉(zhuǎn)換都與0到1之間的確定性因子值相關(guān)聯(lián)。從地點到轉(zhuǎn)場以及從轉(zhuǎn)場到地點的關(guān)系用有向弧表示。基于Chen和Gao的模糊Petri網(wǎng)定義，廣義模糊Petri網(wǎng)可以定義為9元組，見式(3)。

FPN={P，T，I，O，M,D,U,R,α}

(3)

其中，{P，T，I，O，M}是定義的petri網(wǎng)，F(xiàn)PN是模糊Petri網(wǎng)。

在很多決策過程中，決策因素會對決策目標(biāo)產(chǎn)生影響，而且每個因素的重要性是不同的。因此，在產(chǎn)生式規(guī)則中，先行詞中的命題通常具有不同的重要性。Chen提出了一種加權(quán)模糊petri網(wǎng)模型來表示基于規(guī)則的系統(tǒng)的模糊產(chǎn)生式規(guī)則。在此基礎(chǔ)上，廣義加權(quán)模糊Petri網(wǎng)(WFPN)結(jié)構(gòu)可以定義為一個10元組[式(4)]。

WFPN={P，T，I，O，M,D,U,R,α,w}

(4)

其中，WFPN是加權(quán)模糊Petri網(wǎng)。

2 基于WFPN的安全風(fēng)險評估

2.1 安全風(fēng)險評估的WFPN模型

WFPN可以用來建立直觀的圖形化產(chǎn)生式規(guī)則模型。在安全風(fēng)險評估中，風(fēng)險因素之間的邏輯關(guān)系可以轉(zhuǎn)化為WFPN的過渡關(guān)系和地點關(guān)系。在分級風(fēng)險評估中，產(chǎn)生式規(guī)則有“與”和“或”兩種基本關(guān)系，如圖1和圖2所示。

圖1 “與”模糊生產(chǎn)的WFPN模型

圖2 “或”模糊生產(chǎn)的WFPN模型

采用SRFT風(fēng)險因素建立安全風(fēng)險分級評價指標(biāo)體系，并在安全風(fēng)險評價指標(biāo)體系的基礎(chǔ)上，根據(jù)圖1和圖2所示的轉(zhuǎn)換方法建立相應(yīng)的WFPN模型。

2.2 風(fēng)險指數(shù)的權(quán)重

在WFPN模型中，由式(3)所確定的風(fēng)險因素的“與”關(guān)系需要各因素的權(quán)重來明確其重要性。而由式(4)確定的“或”關(guān)系不需要各因素的權(quán)重。

如果風(fēng)險指標(biāo)的重要性不同，其權(quán)重對風(fēng)險評價結(jié)果的影響較大。有很多方法可以用來確定權(quán)重。層次分析法(AHP)是一種用于組織和分析復(fù)雜決策的結(jié)構(gòu)化技術(shù)。它將定量和定性分析相結(jié)合，量化專家經(jīng)驗判斷。決策者通過比較的方法系統(tǒng)地評價層次系統(tǒng)中各要素的重要性。

2.3 案例分析

以煤油廠為例，煤油廠本案例風(fēng)險因素如表1所示。

表1 煉油廠的因素價值

因此，根據(jù)真值函數(shù)，可以得到WFPN模型的位置的真值，如表2所示。

表2 煉油廠WFPN真值表

在這個說明性示例中，WFPN模型的安全風(fēng)險等級均較高。但在某些情況下，WFPN模型的評估結(jié)果可能有很大差異。根據(jù)WFPN模型，標(biāo)記地點p17的情況下為0.67，安全風(fēng)險等級為高。

3 結(jié)論

通過安全風(fēng)險評估，采取有針對性的措施來降低風(fēng)險。通過編制安全風(fēng)險因素表(SRFT)來評估化工廠的安全風(fēng)險狀況，該表綜合了安全風(fēng)險評估的主要部分：威脅分析、脆弱性分析、安全對策、緩解和應(yīng)急響應(yīng)。在SRFT的基礎(chǔ)上，提出了一種加權(quán)模糊Petri網(wǎng)安全風(fēng)險評估方法。

通過一個算例對該方法進行了驗證，并對WFPN模型的計算結(jié)果進行了驗證。結(jié)果之間的差異反映了風(fēng)險因素之間的關(guān)系建模的不同，在評估安全風(fēng)險時，正確地確定和建模各因素之間的關(guān)系是獲得合理結(jié)果的關(guān)鍵。