基于Borda-RMM的航天產品步入式試驗設備風險評價

楊天嬌，米海波，韓慧超，陳皓，王詔宣，王一婷，薛兆鵬

（中國航天標準化研究所，北京 100071）

引言

國家十分重視企業的安全生產管理工作，在推動企業的安全生產隱患排查、規范企業安全生產治理體系、強化企業安全生產管理工作等方面均作出了重要規定，有限空間作業風險隱患也是國家安全隱患治理的重要內容之一。與其他企業相比，航天企業的危險程度和所承擔的風險更高，對企業的安全生產管理工作也提出了更高的要求。相較其他企業，航天企業在科研生產過程中使用存儲危險品種類多、數量大，可能涉及易燃易爆品、推進劑以及高溫、高壓等特殊作業活動，航天企業的安全管理難度也愈發增大。在產品研制生產過程中，會使用特種設備儲存固態及液態等各種危險化學品，如在進行大型液體火箭發動機試驗等情況時，具有極高的危險性和特殊性，可能會出現高溫、高壓、劇毒、強腐蝕、易燃、易爆等危險情況。在步入式試驗設備設施有限空間作業過程中，在環境或人為等因素的影響下，可能會出現窒息、燙傷、人身傷害以及微波輻射風險等多種安全隱患，容易引發安全生產事故。作為一種常用的航天型號產品科研研制試驗驗證手段，全面識別出全流程風險因素，確定試驗過程中各類風險的等級水平，并針對不同等級的風險制定可行的防控策略和預防措施具有重要意義。

1 步入式試驗設備風險評價研究現狀

目前，國內外專家學者已針對試驗設備開展了風險評價研究工作，主要集中在試驗設備風險評價方法、試驗設備風險管控技術與措施等方面。在試驗設備風險評價方法方面，國外學者提出了層次分析法、LEC評價法、德爾菲法、情景分析法等風險分析評價方法，建立了較為完善的風險分析方法體系。國內研究多在國外基礎上，結合本行業特點開展方法的優化研究。在試驗設備安全風險管控措施方面，多數學者以電力、石油及化工行業的設備設施為例，分析設備設施的安全風險因素；同時采用大數據、云計算、物聯網技術等技術，構建試驗設備設施的安全風險防控系統，并基于風險理論提出改進方法與措施。總結來看，現有試驗設備風險評價方法及防范措施的研究主要集中于電力、石油、煤炭開采等行業，針對航天行業的步入式試驗設備設施的安全風險水平評價、風險防控措施的研究相對較少，同時航天企業試驗設備總體安全風險水平的評價研究還有待補充完善[1,2]。

因此，本研究以航天產品步入式試驗設備為研究對象，首先基于風險管理理論與風險評價方法，分析當前步入式試驗設備風險評價研究現狀；其次綜合利用Borda序值、層析分析法和風險矩陣法，構建步入式試驗設備的風險水平綜合評價模型；最后基于提出的風險評價模型，以航天產品步入式試驗設備實際案例，分析其安全風險等級水平，明確試驗設備的關鍵風險因素，并提出針對可操作的風險管控策略和預防措施，以期為航天企業的安全評價及管理工作提供理論依據和評價標準。

2 基于Borda-RMM的試驗設備風險評價方法

2.1 試驗設備風險因素等級的確定

風險矩陣法（Risk Matrix Method，RMM）源于“風險概率=事故發生的可能性大小×事故后果的嚴重程度”的模型。風險矩陣法既有優點，但也存在主觀性較強的缺點。通過文獻調研分析可知，通過將Borad序值法與風險矩陣法結合能夠大大減少主觀判斷的影響，能夠快速識別關鍵因素風險，具有客觀性、全面性、簡便性和科學性等優點[3-5]。

使用改進的風險矩陣法進行風險評估時，應逐步確定計算出風險因子、風險影響程度、風險發生概率、風險等級水平、Borda值、Borda序值和風險權重。首先，根據事故發生后人員傷亡、設備損害程度和后果的影響程度，可將事件的后果嚴重度分為4個等級。其次，根據事故發生的概率，可將事件的發生概率分為5個等級。之后，可根據事故后果的后果嚴重度和發生概率確定風險的等級水平，并建立事件的風險矩陣，具體如表1所示。

表1 危險事件的風險等級對照表

2.2 試驗設備風險因素的重要性排序

采用原始風險矩陣法進行風險評價時，不同的風險因素可能會出現相同的風險等級，即出現風險結。為解決風險結的問題，提出一種將Borda序值法與風險矩陣法相結合的風險評價方法[4]，并在風險矩陣中增加四類序值計算，即“后果的嚴重度序值”、“發生的可能性序值”、“Borda數”、“Borda序值”。計算方法如下：

1）后果的嚴重度序值Ij：是對風險因素的后果嚴重度的排序。設Qj代表第j（j≤4）種后果嚴重度，其中Q1為Ⅰ級災難，Q2為Ⅱ級嚴重，Q3為Ⅲ級輕度，Q4為Ⅳ級輕微。若某種危險因素的嚴重度為Qj級，則其后果嚴重度序值Ij的計算方法如下：

2）發生的可能性序值Pj：是對風險因素的發生概率的排序。設Hj代表第j（j≤5）種可能性大小，其中H1為A級頻繁，H2為B級很可能，H3為C級有時，H4為D級極少，H5為E級不可能。若某種危險因素的可能性為Hj級，則其發生的可能性序值Pj的計算方法如下：

3）危險因素的Borda數Bi與Borda序值：是對風險因素的風險重要程度的度量。若危險因素的Borda數Bi最大，則該危險因素為最重要的風險。將所有風險因素的Borda數由大到小進行排列，得出相對應的Borda序值分別為0，1，2，…，N。Borda數Bi的表達式如下：

按照如上計算方法，首先確定危險因素后果的嚴重度序值Ij和可能性大小序值Pj，然后計算得出該危險因素的Borda數Bi，最后對Borda數進行排序得出Borda序值，即為應用Borda序值法改進的風險矩陣法。

2.3 試驗設備風險因素權重的確定

本文利用AHP層次分析法確定各風險因素的權重，并由專家對不同層次中指標的權重進行評定，并引入1-9標度法進行兩兩比較，從而確定指標的重要性[6,7]。此外，在對目標問題進行拆分分層后，需要對每個層級中的組成成分都進行具體分析，并用權重衡量該層級對上一層級的重要程度。權重的計算可采用方根法，通過對判斷矩陣A按行元素求積，再求1/n次冪，經歸一化處理后可得到權重系數wi。之后，需要對判斷矩陣進行一致性檢驗，其判斷準則為：當CR＜0.1時，可認為判斷矩陣通過一致性檢驗，否則需要對判斷矩陣進行調整。

2.4 試驗設備風險水平綜合評價模型

試驗設備綜合風險水平是對設備總體風險程度的衡量，通過評價模型將高、較高、中、低四類風險等級進行量化，并與其對應的風險權重系數相乘，求和后可得出試驗設備的綜合風險水平，計算方式如下：

上文列出的資金使用率的計算方法，考慮了考核期間內發生的所有貸款業務的金額及時間，較只考慮貸款余額來計算資金使用率的方法而言，更為真實和全面，數值也更為精確。同時，該方法也考慮了小額貸款公司出現增資和外部融資的情況，筆者認為是較為科學的計算方法。

3 應用案例

步入式試驗設備設施由一臺高低溫試驗箱、振動臺及一套微波暗室組合而成。試驗臺通過透波窗與暗室銜接，在進行環境試驗的同時，可與暗室另一側的射頻微波設備互動，形成電磁測試環境。該試驗設備系統主要功能包括：提供微波產品在全狀態下的綜合試驗環境條件；適用產品可靠性鑒定試驗/驗收試驗、環境鑒定試驗、環境應力篩選試驗等試驗項目；滿足在全狀態接收或發射工作時，完成電性能綜合測試的任務要求。采用該步入式試驗設備設施開展航天型號產品科研研制試驗時，試驗期間設備設施內的環境條件具有高溫差、快溫變、高濕度等特點，其中最高溫度可達150 ℃，最低溫度可達-70 ℃，試驗濕度范圍在（20～98）%。

3.1 步入式試驗設備的風險識別

按照步入式試驗設備設施的試驗流程，以試驗準備階段、試驗實施階段、試驗結束階段，分析試驗過程中三個階段的試驗風險事件。在試驗準備階段，試驗開始前，如試驗人員開展吊車或叉車作業時，可能會因人員違規操作、設備損壞等因素而出現人身傷害等危害事件；同時，當試驗人員需進入試驗箱內檢查工裝時，可能會出現試驗人員違規操作等風險事件，造成人身傷害等危害事件。同時，試驗箱側滑門應具備開啟后人員可進入的環境條件，避免出現人員窒息等危害事件。檢查工作完成后，待試驗人員確認試驗箱內產品及試驗設備狀態無故障后，才可關閉試驗箱側滑門。在試驗實施階段，一般情況下不開啟試驗箱側滑門及暗室側滑門。如試驗過程中出現需開啟箱門等緊急情況，需在確認試驗箱內無風險后，才可開啟試驗箱門，人員方可進入。在試驗結束階段，試驗箱內可能仍處于低溫或缺氧環境，若此時試驗人員進入可能會發生窒息或人身傷害等風險事件。

根據試驗流程，按照不同的作業類型，采用檢查表法對不同試驗環境下的風險進行識別后可知：設備試驗環境安全風險類型包括三種：外部環境因素、質量因素、人為因素。共形成風險指標共12個，包括：液氮爆炸、火災、微波輻射、液氮泄露、危險吊裝、設備損壞、貨物墜落、損害健康、觸電傷害、高溫燙傷、人員窒息、人身傷害，具體如表2所示。

表2 試驗設備風險因素清單

表3 準則層對指標層判斷矩陣（A）

表4 外部環境因素判斷矩陣（A1）

表5 質量因素判斷矩陣（A2）

表6 人為因素判斷矩陣（A3）

表7 步入式試驗設備設施安全風險矩陣

3.2 步入式試驗設備的風險評價指標

按照科學性、系統性和實用性原則，將最終得出的步入式試驗設備設施的安全風險因素、作業類型進行歸類分析，利用AHP層析分析法構建步入式試驗設備設施的安全風險因素評價的三級指標體系，包括目標層、準則層、指標層。其中，準則層包括3類二級指標：外部環境因素、質量因素、人為因素；指標層包括12類三級指標：液氮爆炸、火災、微波輻射、液氮泄露、危險吊裝、設備損壞、貨物墜落、健康損害、觸電、高溫燙傷、窒息、人身傷害。

3.3 步入式試驗設備的風險評價結果

依據上述提出的風險評價方法，針對12類風險因素指標進行綜合評價，包括步入式試驗設備風險等級的確定、步入式試驗設備風險的重要性排序、步入式試驗設備風險指標權重的確定以及步入式試驗設備風險綜合水平的評估四個步驟，評價結果如下：

1）步入式試驗設備風險等級的確定

圖1 步入式試驗設備設施安全風險因素評價指標體系

根據對影響步入式試驗設備安全風險的損失程度和發生的概率進行評估，通過文獻調研和專家咨詢確定步入式試驗設備各風險評價指標的后果的嚴重程度和發生的可能性。而后，通過參照危險事件的風險等級，判斷得出各風險評價指標的風險等級。利用原始的風險矩陣法將12類安全風險因素進行排序的結果為：A33窒息＞A11液氮爆炸=A12火災=A32高溫燙傷=A34人身傷害＞A13微波輻射＞A21液氮泄露=A22危險吊裝=A23設備損壞=A24貨物墜落=A25健康損害=A31觸電。

應用Borda序值法計算步入式試驗設備各風險因素指標的“后果的嚴重度序值Ij”、“發生的可能性序值Pj”、“Borda數Bj”和“Borda序值”。從計算結果可知，利用Borda序值法將12類安全風險因素進行排序分級的結果為：A33窒息＞A11液氮爆炸=A12火災=A34人身傷害＞A32高溫燙傷＞A22危險吊裝=A23設備損壞=A24貨物墜落＞A21液氮泄露=A31觸電＞A13微波輻射=A25健康損害。對比原始的風險矩陣法的風險等級排序結果，采用改進的風險矩陣法減少了風險結的數量，使得危險因素的排序效果明顯好于原始的風險矩陣法。

3）步入式試驗設備風險指標權重的確定

在分析現場相關數據和資料等的基礎上，通過分析比較步入式試驗設備設施安全風險因素評價指標體系的層次結構，采用層次分析法構建判斷矩陣，利用1～9標度法進行兩兩比較來確定指標間的相對重要性，利用MATLAB對準則層與指標層判斷矩陣進行權重計算及一致性檢驗，從而確定風險指標的權重系數。準則層及指標層判斷矩陣的指標權重計算步驟及結果如下：

判斷矩陣A權重系數的計算結果為：最大特征根為3.024 6；隨機一致性指標CI為0.012 3，相對一致性比例CR為0.023 6（CR＜0.1），一致性在可接受范圍內；權重系數。

判斷矩陣A1權重系數的計算結果為：最大特征根為3.0735；隨機一致性指標CI為0.036 8，相對一致性比例CR為0.070 7（CR＜0.1），一致性在可接受范圍內；權重系數。

判斷矩陣A2權重系數的計算結果為：最大特征根為5.272 7；隨機一致性指標CI為0.068 2，相對一致性比例CR為0.060 9（CR＜0.1），一致性在可接受范圍內；權重系數為。

判斷矩陣A3權重系數的計算結果為：最大特征根為4.176 9；隨機一致性指標CI為0.059 0，相對一致性比例CR為0.066 2（CR＜0.1），一致性在可接受范圍內；權重系數為。

4）步入式試驗設備風險綜合水平的評估

根據上述計算結果可知，步入式試驗設備設施安全風險根據Borda序值按重要性從大到小順序排列的結果為：①外部環境因素：液氮爆炸/火災、微波輻射；②質量因素：危險吊裝/設備損壞/貨物墜落、液氮泄露、健康損害；③人為因素：窒息、人身傷害、高溫燙傷、觸電。由表中可知A33窒息風險指標的權重系數最高，說明窒息風險為試驗設備設施風險的最關鍵的因素，風險的重要程度其次為A12火災風險、A21液氮泄露風險。因此，應重點針對窒息風險、火災風險、液氮泄露風險制定專項的安全防范措施。

根據式10描述的試驗設備設施安全風險水平的綜合評估模型，計算得出步入式試驗設備設施的外部環境因素指標的風險綜合水平為0.576 56，質量因素指標的風險綜合水平為0.4，人為因素指標的風險綜合水平為0.713 52，據此得出試驗設備設施的總體安全風險水平值為0.563 36。對照風險等級表，步入式試驗設備設施外部環境因素指標的風險等級為中級偏上，質量因素指標的風險等級為中級，人為因素指標的風險等級為較高，總體風險水平等級為中等偏上。

4 結論

研究采用基于Borda序值的改進風險矩陣法，識別評價步入式試驗設備的安全風險水平等級，得出以下結論：

1）本文基于Borda序值、層析分析法和風險矩陣法，構建了步入式試驗設備設施的安全風險綜合評估模型，并在分析總結現有研究成果的基礎上，基于檢查表法和層次分析法，構建了航天產品步入式試驗設備的安全風險指標體系，并對其進行了風險等級綜合評價。

2）基于研究提出的步入式試驗設備安全風險評估模型，對選取的航天產品步入式試驗設備進行了風險評估，風險評估等級為中等偏上，且發現窒息風險為最高等級的風險，與實際調研情況相符，進一步驗證了該評價方法的可行性。

3）將構建的試驗設備風險評估指標體系和風險評估模型應用于步入式試驗設備設施的安全管理中，能夠預知窒息、火災、液氮泄露、微波輻射、危險吊裝以及設備損壞等風險因素發生的可能性和等級水平，從而能夠有針對性的指導企業的試驗設備風險管理工作。