基于SPA 的涂料企業重大危險源安全風險評價

冷朝陽，董萬強*，2，胡立嵩，王 美，王 帥，吳悠悠

1. 武漢工程大學資源與安全工程學院，湖北 武漢 430074；

2. 武漢渠清工程咨詢有限公司，湖北 武漢 430074

隨著中國經濟向高質量發展轉變，化工安全管理體系在各行業都變得越來越重要。特別是在涂料行業，由于該行業涉及危險品的生產和使用，因此在化工安全管理方面需要特別重視。由于涂料企業的制造原料具有易燃，易爆，有毒等危險化學品的屬性，非常容易導致發生重大火災、爆炸及泄漏事故，且一旦發生事故，就會給被困人員與救援人員生命安全造成嚴重威脅，因此提升涂料企業安全風險分級管控水平、安全監管工作準確性與有效性，進而提升涂料企業的整體安全性具有重要的現實意義［1］。相關研究表明對涂料生產企業進行重大危險源安全風險等級評價，確定涂料生產企業重大危險源評價標準、分級標準有利于實現企業風險分級管控水平提升，進而可以實現從源頭上預防涂料生產企業火災事故［2］。

目前，國內統一的重大危險源分級標準有煙花爆竹行業、金屬非金屬地下礦山行業、煤礦礦井行業等，尚未就涂料行業制定統一的重大危險源分級標準。在對重大危險源分級實踐中，靜態分級法和動態分級法是常用的重大危險源分級方法，但實際上影響重大危險源安全狀況的因素是復雜多源的［3-4］。例如，王曉麗等基于LabVIEW平臺開發出的重大危險源動態分級系統［5］；徐尚仲等基于模糊綜合評判的方法，對導致事故發生的因素進行量化，利用等級參數評判法得出危險性的大小［6］。通過文獻調研可以發現，重大危險源安全風險評價涉及眾多因素和數據，其中很多因素都存在不確定性，這就要求在評價過程中充分考慮這些因素，并通過合適的方法來消除不確定性帶來的影響，以保證評價結果的可靠性和準確性。為此，本文建立了一個基于集對分析理論的重大危險源安全風險等級評價模型，并基于湖北某涂料企業的安全風險分級管控現狀對該評價模型進行了驗證，本研究可為涂料企業的安全風險分級管控提供一定的技術和理論支撐。

1 重大危險源評價指標體系的構建

由于涂料生產中發生火災的因素眾多，且各因素之間相互影響，參考《涂料行業企業安全生產風險分級管控體系實施指南》（DB37/T 3219—2018）中的重大危險源辨識方法，以科學性、導向性、針對性和易操作性為原則，為涂料企業建立了重大危險源評價指標體系。該指標體系主要分為固有危險因子和危險抵消因子兩個類別，通過對兩個類別進行參數計算，從而對重大危險源進行安全風險等級分級［7-8］。重大危險源評價指標如圖1 所示。

圖1 重大危險源評價指標Fig.1 Evaluation indexes of major hazard installations

2 組合賦權-集對分析評價模型

2.1 集對分析法的理論基礎

集對分析理論是將兩個具有一定聯系，互相關聯的集合A與B構建為一個對子H（A，B），在同一個具體問題背景下，分析集對的同一性、差異性和對立性，并且對此進行數據刻畫［9］。該方法可以用來處理不同評價體系中的各種指標不確定性問題［10］。例如，可以根據具體問題對該集對進行分析，得出集對共有N個特性，其中S個特性為兩個集合所共有，兩個集合在P個特性上相互對立，而在剩余的F = N-S-P個特性上兩個集合則既不對立，也不同一。這兩個集合組成的集對H的聯系度公式如下：

式（1）中：集對的聯系度用μ表示，用a、b、c表示集對的同一度、差異度、對立度，其中A=S/G，B=F/G，C=P/G；聯系度公式中差異度系數用i表示，j為對立度系數。差異度系數的取值區間為［-1，1］，對立度系數在通常情況下的取值為-1。

在實際問題中，通過分析集對分析模型的同一度、差異度、對立度并不能滿足有些問題的具體要求，通過查閱文獻發現，可以對集對分析理論的同一度、差異度、對立度進行細化，得到集對同一度、偏同差異度、偏反差異度、集對的對立度，由此可得到集對的四元聯系數公式［11］。具體表達式如下：

式（2）中：集對同一度、偏同差異度、偏反差異度、集對對立度分別用a、b、c、d表示，差異度系數用i和j表示，對立度系數用k表示，其中i的取值區間為［0，1］、j的取值區間為［-1，0］、k取值為-1。

對于重大危險源安全風險等級評價的聯系數函數可表示為：

其矩陣形式為：

式（4）中：重大危險源安全風險等級評價中各指標綜合權重集合用W＝｛ω1，ω2，ω3，…，ωn｝表示，重大危險源安全風險等級評價中各指標聯系數集合用U＝｛Ur1，Ur2，Ur1，…，Urm｝表示，Urm表示第r個指標對第m個評價等級的標準化數值。

2.2 組合賦權

2.2.1 層次分析法計算指標權重 層次分析法（analytic hierarchy process，AHP）是一種評價方法，它通過9 級標度法對各指標之間的相互重要性進行比較，并根據專家經驗建立判斷矩陣，從而進行主觀權重計算。為確保評價結果的可信度，需要對計算結果進行一致性檢驗［12］。層次分析法具體實施步驟如下：

1）構造矩陣判斷矩陣Aij：

2）計算矩陣Aij的每行元素的幾何平均值，得到矩陣M：

（3）對矩陣M進行歸一化處理后，得到相對權重矩陣W:

式中ωi為主觀權重，為矩陣里的元素。

（4）通過判斷矩陣Aij左乘相對權重矩陣W得到列向量AW中第i個分量，求出判斷矩陣最大特征值φmax，并檢驗其一致性：

當CR＜0.1 時，可以認為其一致性滿足要求。否則必須對判斷矩陣進行調整，直至其一致性檢驗符合要求。

2.2.2 熵權法計算指標權重 熵權法（entropy weight method，EWM）是一種常見的客觀賦權方法，根據實測數據的差異程度和提供的信息量多少來確定評價指標，最終得到各個指標的權重值［13］。熵權法具體實施步驟如下：

（1）構建評價矩陣：通過待評價對象Mi對評價指標Dj可記作Xij，評價矩陣如下：

（2）對于不同的評價指標，其量綱和值域范圍可能會有很大的差異，所以在進行評價之前，需要分別對危險抵消因子指標和固有危險因子指標進行數據歸一化處理，避免因指標量綱、值域范圍不同而導致的結果不準確問題

危險抵消因子指標：

固有危險因子指標：

將評價矩陣X進行歸一化處理得到歸一化矩陣V：

（3）計算各指標的信息熵：

其中，Ej為第j項指標的信息熵；i= 1,2,…,L;j=1,2,…,K。如果Pij= 0，則定義確定各項指標的權重。通過求得的信息熵按下式計算各指標的權重，計算評價指標的熵權［14］。計算第j個評價指標的熵權為：

2.2.3 組合權重的確定 對熵權法和層次分析法計算出的權重進行處理，得到組合權重，公式如下：

式中，ai、bi為第i個屬性值的熵權法權重和層次分析法權重。

2.3 評價模型

2.3.1 安全風險等級劃分 依據《危險化學品重大危險源監督管理暫行規定》中重大危險源的分級方法［15］，基于對危險源性質、危害程度、風險管理措施等因素的綜合考量，重大危險源根據其危險程度可分為一級、二級、三級和四級，其中一級為最高級別。本文在此重大危險源分級的基礎上，將該評價等級進行細化，并且基于德爾菲問卷調查法、文案調查法以及企業實地調查以確保該評價標準的客觀、科學和可靠性。據此本文將涂料企業重大危險源安全風險等級劃分為安全（Ⅴ級）、較安全（Ⅳ級）、一般危險（Ⅲ級）、較危險（Ⅱ級）和危險（Ⅰ級）5 個等級。重大危險源安全風險等級及聯系數見表1。

表1 重大危險源安全風險等級及聯系數Tab.1 Safety risk level and connection number of major hazard installations

2.3.2 集對勢 集對勢是一種用來反映集合動態演化趨勢的指標，在特定問題下通過比較兩個集合的同一度、差異度和對立度大小來進行計算［16］。在四元聯系數函數公式μ=a+bi+cj+dk中，不同的集對勢值會表達不同的情況：如果a/d>1，則表示兩個集合存在相同的趨勢，但還需要結合b和c來進行討論，進一步細分為準同勢、強同勢和弱同勢；如果a/d=1，則表明兩集合中“同一”與“對立”的趨勢相當，根據a、b和c的大小還可以得到準均勢、強均勢、弱均勢；而a/d<1 則表示兩集合存在對立的趨勢，同樣也可以根據b和c的大小比較進一步細分為弱反勢、強反勢和準反勢。因此，集對勢不僅可以用來評估集合的動態演化趨勢，也是判斷集合之間相互作用關系的重要依據之一［17-18］。集對勢排序表見表2。

表2 集對勢排序表Tab.2 Set pair potential sorting table

2.3.2 集對聯系數函數的構建 本文將重大危險源評價指標和重大危險源安全風險等級作為兩個集合，并通過構成集對H（C，V）的方式來評價分析實際項目重大危險源情況。其中，集合C代表重大危險源評價指標集合，集合V代表重大危險源安全風險等級的集合。在集對H（C，V）中，聯系數是用來描述集合C和集合V之間聯系程度的指標。通過計算兩個集合的聯系數，可以評價分析實際項目重大危險源情況。

對于固有危險型指標，集對H（C，V）的聯系數函數為：

對于危險抵消型指標，集對H（C，V）的聯系數函數為：

式（22）代表固有危險型指標，從大到小排列即ej(4)~ej(1)；式（23）代表危險抵消型指標，從大到小排列即ej(1)~ej(4)；xj為專家對第j項指標打分值；μj代表第j項評價指標的單聯系數；ej(k)是第j項評價指標安全風險等級的閾值。

2.3.4 安全風險等級的確定 根據式（4）計算出重大危險源安全風險等級評價的總體聯系數μ后，采用相似貼近度法計算差異度系數i和i的取值，從而判斷出重大危險源的安全風險等級，計算公式為：

3 實例應用與分析

湖北某涂料有限公司年產高固體分涂料5 000 t、水性涂料3 000 t、合成樹脂2 000 t，總占地面積60 385.5 m2，總建筑面積28 994.1 m2。本文利用組合賦權集對分析模型對該公司的高固體分涂料生產車間、水性涂料生產車間、工程公用車間、原材料倉庫和成品倉庫進行重大危險源安全風險等級評價，以下以高固體分涂料生產車間為例。

3.1 綜合權重確定

本次研究邀請10 名業內技術專家采用專家評分法以得到每個指標間重要程度的主觀權重；隨后使用層次分析法根據式（5）-（13）來計算最終權重向量，以確定主觀權重的相對大小；然后運用熵權法，根據式（14）-（20）來計算各指標客觀權重；最終，根據式（20）計算出組合權重。各項指標權重計算結果見表3。

表3 各項指標權重計算結果Tab.3 Calculation results of each index weight

3.2 評價指標分級標準

為了確定重大危險源評價指標的分級閾值，本文充分借鑒了國內外重大危險源安全評價標準，并對該涂料企業安全生產報告和安全檢查記錄表等進行了系統整理分析，以此為依據制定了科學、合理的評價指標的安全風險等級閾值［15］。各項指標的安全風險等級閾值見表4。

表4 各項指標的安全風險等級閾值Tab.4 Thresholds of safety risk levels of each index

3.3 綜合聯系數計算

依據集對分析理論計算方法，結合表3 中的評價指標權重和表4 中的各指標實測值，得到高固體分涂料生產車間的具體二級指標的四元聯系數。各項指標的聯系數分量見表5。

表5 各項指標的聯系數分量Tab.5 Connection number component of each index

3.4 結果分析

根據表5 中的數據結果，可以得到各個評價指標的聯系數分量，根據式（2），可以計算出準則層易燃易爆性μC11的聯系數表達式為：μC11= 0.8 +0.2i+ 0j+ 0k，準則層物質毒性μC12的聯系數表達式為：μC12= 1 + 0i+ 0j+ 0k。由表2 和式（3）可知，一級指標物質特性的各二級指標的權向量為：W1=(ω1,ω2)= (0.063,0.238)；因此可以得到物質特性的聯系數表達式為：

同理可計算出其他一級指標聯系數分別為：μC2= 0.237 + 0.201i+ 0.001j+ 0k；μC3= 0.012 +0.003i+ 0j+ 0k；μC4= 0.011 + 0.005i+ 0j+ 0k；μC5=0+0.009i+0.011j+0k；μC6=0.045+0.059i+0.040j+0.004k。

由表1 可知，目標層重大危險源安全風險等級的各二級指標的權向量為：

則重大危險源安全風險等級的聯系數為：

同理，可以依次得出水性涂料生產車間、工程公用車間、原材料倉庫、成品倉庫的聯系數和重大危險源的安全風險等級。涂料企業聯系數和安全風險等級見表6。

表6 涂料企業聯系數和安全風險等級Tab.6 Connection number and safety risk levels of coating enterprises

3.4.1 風險等級分析 在集對四元聯系數中，通過計算求得高固體分涂料生產車間差異度系數i與j的值：i＝0.508，j＝-0.023，此時系統聯系數μ＝0.251，對比重大危險源安全風險等級表可知高固體分涂料生產車間整體處于較安全狀態。如果當i＝0，j＝－1 時，通過計算可以得到高固體分涂料生產車間的總聯系數μ=0.192，表明最不利狀態下高固體分涂料生產車間安全狀態處于一般危險狀態，說明此時高固體分涂料生產車間有向“危險狀態”轉變的可能。

3.4.2 集對勢分析 通過計算得出了高固體分涂料生產車間的整體聯系數表達式μC= 0.200 +0.102i+ 0.007j+ 0.001k。由聯系數表達公式可知該車間的集對同一度、偏同差異度、偏反差異度、集對對立度分別為a=0.200，b=0.102，c=0.007，d=0.001。經過分析表2 的內容，發現該車間的集對勢處于強同勢，整體上呈同一的趨勢。然而，二級指標中人員安全疏散因素指標處于弱同勢，說明在疏散的過程中可能存在較大的風險。通過計算得知，a=0.201，說明該車間的安全狀態整體上來說比較安全，但是差異度也占了0.109，這意味著部分指標存在向“危險”轉變的可能性，需要加強對車間疏散演練和增加指示標志、緊急照明燈和出口數量。通過對該企業的重大危險源安全風險等級進行綜合評價，發現物質毒性、人的操作失誤和建筑強度耐火等級這幾個指標因素在該企業的重大危險源安全風險等級評價中影響較大，這意味著企業在管理過程中應該更加關注這些指標的管控，以確保對應風險因素能夠得到更好的控制和管理，進而降低重大危險源安全風險等級。

4 結 論

（1）本文結合集對分析理論，構建了涂料企業總體聯系數公式分析模型，通過計算聯系數公式模型中的可變因素得到聯系數來判斷重大危險源的安全風險等級。

（2）在評價指標體系中將因素分成固有危險因子和危險抵消因子，將熵權法和層次分析法進行組合賦權，減少了人為主觀因素的影響，從而提高了對涂料企業重大危險源安全風險等級評價結果的真實性與可靠性，并基于該方法得到湖北某涂料企業的各個車間與倉庫的重大危險源安全風險等級。

（3）通過對二級指標和一級指標整體聯系數集對勢的分析，可以獲得各指標與系統發展趨勢，進而通過對有轉變為危險狀態趨勢指標進行針對性整改、防范，可一定程度降低企業重大危險源安全風險等級。