危险化工工艺安全评估系统构建

张以坚

摘要：为降低化工工艺生产过程中事故发生的概率，构建一种基于TFN-AHP的危险化工工艺安全评估系统。通过无线传感器对化工工艺生产数据进行收集;然后采用Kriging插值算法对数据进行预处理，最后通过TEN-AHP模糊综合评估方法对工艺生产的安全程度进行综合评价。系统测试表明，通过该系统可实现危险化工工艺安全的整体评估。

关键词：TEN-AHP;Kriging插值算法;多层次综合评估;化工工艺

中图分类号：TQ 086

文献标识码：A文章编号：1001-5922（2022）06-0077-06

Construction of safety assessment system for hazardous chemical process

ZHANG Yijian

（Guangdong Green Detection Technology Co.， Ltd.， Guangzhou 510000， China

）

Abstract：In order to reduce the probability of accidents in chemical process production， a dangerous chemical process safety assessment system based on TFN-AHP is constructed. Firstly， the chemical process production data are collected by wireless sensor， then the Kriging interpolation algorithm is used to preprocess the data， and finally the safety degree of process production is comprehensively evaluated by TFN-AHP fuzzy comprehensive evaluation method. The system test shows that the system can realize the overall evaluation of dangerous chemical process safety.

Key words：TEN-AHP; Kriging interpolation algorithm; multi-level comprehensive evaluation; chemical technology

危险化工生产过程往往伴随易燃、易爆的特点，危险程度也高于其他行业。通过以往爆炸事故的统计，危险化工事故占到了30%。因此，加强对化工企业安全风险评估具有重要意义。有学者提出一种新加氢工艺安全评价体系，在一定基础上促进了化工企业风险评估体系的构建工作[1];还有提出化工企业安全生产标准化的方法，有助于构建风险指标体系[2]。由于化工生产具有危险性，且生产具有复杂性、连续性的特点，因此在化工安全监管时，仅依靠传统的人工监管和评价已经不能满足需求。鉴于此，本文结合相关信息技术，提出一种危险化工工艺安全评估系统，通过信息化的方式，综合对化工生产进行评估，从而提高危险化工安全评估的效率。

1危险化工工艺安全评估系统整体架构

1.1总体功能架构设计

考虑到根据危险化工工艺安全评估的信息化需求，以及评估的定性与定量问题，在结合信息化技术的基础上，引入定量评价模型，且通过信息化的方式实现危险化工工艺安全的评估。架构包括安全参数监控、设备维护管理、人员安全管理等功能模块，具体如图1所示。

1.2系统网络架构

本评估系统支持多種传感节点、标签和读写器接入，具体网络架构如图2所示。该网络架构包括3个部分：（1）互联网节点，它支持TCP、IP和http等协议，通过WiFi传输连接云服务平台，可接入温度、储量和压力等传感器;（2）Zigbee自组织网络，它可以通过专用的Zigbee网关和协议转换对接云服务平台，可接入温度、CO、CO、压力等传感器;（3）RFID读写器，采用232或485串口通信和以太网通信连接终端电脑，并通过采集数据管理系统，云服务平台提供数据。

1.3危险化工工艺评估系统技术架构

危险化工工艺评估系统技术架构包括4个部分：（1）系统应用层，该层包括基于RFID的数据采集管理系统和基于无线传感器网络的数据采集管理系统。这两个应用系统的作用是对采集的数据展示、设备和人员信息进行管理，并且可以统计、查询和导出数据;（2）核心组件层，这一层包括分布式数据存储和管理系统以及数据信息预处理系统。它们的作用分别是控制通信访问、数据访问和对数据进行清洗和格式化;（3）基础支撑层，负责数据库管理;（4）信息接入层。具体技术架构图如图8所示。

2危险化工工艺生产数据的融合和预处理

通过以上架构设计看出，构建危险化工工艺安全评估系统的首要问题是实现数据的采集与数据融合。由于在化工工艺中通过无线传感器采集的数据往往存在误差[3-5]，本研究采用Kriging插值算法对数据进行融合和预处理。Kriging插值算法是一种根据样本信息的空间位置和形状大小等，其给每个样本提供一个系数，然后对预测区域进行加权平均评估的方法。

2.1建立依存关系

采用Kriging插值算法对实时传感器数据储量、温度等进行位置预测时，首先建立样本数据之间的依存关系。两两配对样本数据的所有节点，然后建立时间距离与实时数据的关系对，具体如图3所示。最后利用关系对建立互相关性和自相关性的空间模型。

建立依存关系共有2个步骤：

（1）根据数据样本时间分布情况获得半变异函数，从而得到关系对的半变异函数值，具体如式（1）所示[6];

式中：n表示关系对数量;h为时间距离。

（2）在半变异函数值和时间距离关系的基础上，采用最小二乘法进行拟合预测，由此建立依存关系。

2.2预测估计

根据上述的半变异模型来预测未知的数据点（温度、储量等），具体如式（2）所示：

式中：S为样本数量;W为权重系数;Z表示预测值;Z为预测样本点;数据点的计算过程如式（3）所示。本研究采用距离待预测位置最近的4个样本点进行预测，则S=4，预测过程如图4所示。

式中：λ表示未知参数;W、W、W、W分别表示4个权值。假设待预测的位置为0号，距离待预测点最近的4个样本数据点分别为1、2、3、4号，则利用这4个点来预测0号位置的过程：首先计算半变异函数值y（h）;然后根据式（3）计算4个样本点的权重系数;最后利用式（2）对0号位置进行预测，具体如图4所示。

3基于TFN-AHP的危险化工工艺安全评估算法

在数据预处理基础上，构建危险化工工艺安全评估算法，从而对当前的化工工艺安全等级进行定量分析。为此，本部分首先构建风险评估体系，然后采用TFN-AHP对化工工艺安全进行综合评估。

3.1风险指标体系

风险指标体系由工艺参数、危险物料、安全控制组成。其中危险物料的评估包括燃料物、爆炸物的危险性及毒害性、物质腐蚀等;工艺参数评估包括储量、流量、氧含量、温度、压力等。而安全控制评估包括紧急冷却系统、温度参数报警联锁、安全泄放系统、紧急停车装置、可燃有毒气体监测报警装置等。危险化工工艺安全评估指标体系如图5所示。

3.2TFN-AHP各级指标权重的确定

由图5可知，评估指标体系共有3层。由于主观性带来的影响，导致不同专家的评估存在不确定性，因此本研究采用三角模糊数来确定指标体系。

3.2.1模糊判断矩阵的构建

两量比较各层评估指标可得到一个具有科学量化的判断矩阵。假设评价指标数量为n，模糊判断矩阵为A=（a）×n，其中a=[l，m，u]（1≤m≤u）为描述事件的重要程度[7]。同时，邀请多名专家进行评估工作，则综合三角模糊数：

3.2.2计算各层指标权重

3.3模糊综合评价法

3.3.1判断对象和评判级的确定

对化工工艺生产设备的安全控制进行评估时，受到多方面指标的影响。根据所构建的指标体系和多名专家经验，令评判集V={V，V，V，...，V}，其中V表示“异常”、“危险”、“安全”等评判等级。

3.3.2正态分布构建模糊关系矩阵

正态分布能够采集隶属度较高的信息，过滤隶属度低的信息。因此，采用模糊正态分布隶属函数构建关系矩阵，其函数公式：

式中：μ表示正态分布的期望值;σ表示标准差。其隶属度函数变化如图6所示。

由图6可知，评判区间分别为安全、异常和危险，对应的期望值分别为 μ、μ和μ。根据正态分布的特点可知，函数大部分位于期望值的3个标

准差区域内，因此本研究将隶属度函数的定义域设为6σ，则安全、异常和危险区间的具体隶属函数为[9]：

3.4多层次综合评价

根据各层指标权重系数和模糊关系矩阵，并依次向上合并可得到不同评判集的最终合成权重（RPS）[10]：

3.5综合评价流程设计

根据各指标间存在的逻辑关系，给出综合评估结果，从而完成多层次模糊综合评判。具体评价流程如图7所示。

由图7可知，模糊评价流程分为以下几个步骤：（1）根据各个因素之间的关系对评价递阶层次结构进行构建;（2）采用层次分析法，两两比较每一层的各个指标，从而建立判断矩阵，得到层次要素的重要性排序，实现权重向量的建立;（3）建立评价集V;（4）根据专家评估构建多层模糊评判矩阵;（5）通过加权计算得到最终评价结果。

4危险化工工艺安全评估系统实现

危险化工工艺安全评估系统应该实现用户对化工企业监控对象节点进行新建、编辑和管理，并管理设施设备。同时，还需要提供能够直接显示检测数据的监控画面，便于观察和记录数据信息，发现设备故障。此外，系统还应提供开放式的数据接口，允许用户灵活配置监控参数相关信息。

图8表示系统的登录界面。系统的登录用户分为管理员登录和普通用戶登录，系统登录中设有账号记忆功能。只有管理员拥有账户权限分配、修改和删除账号，如图9所示。

危险化工工艺安全评估系统由系统工具、分布式数据管理、人员视频管理、系统配置、系统管理组成。其中系统配置对象为网络、传感器信息和监测对象等;系统工具的作用是传达通信状态，如移动节点的连网状态;分布式数据采集模块可以显示移动节点的数量，并对移动节点进行连接或断开操作。系统管理模块包括历史数据、数据备份和用户管理。

图10为系统的整体界面，系统的首页的展现方式包括数据列表和网络拓扑。其中网络拓扑所展现的是传感器的布局，数据列表展示了传感器的传输频率和监控参数。同时，系统的页面包含了传感器的编号、名称、类型和运行状态等信息，便于获取实时数据，具体如图11、图12所示。

图13为系统的风险评估指标体系，包括危险物料、工艺参数和安全控制这3个模块，其标准值分别为0.1、0.6和0.3。工艺参数决定了风险评估的最终结果，通过风险评估算法，导入数据就可得到最终的风险评估结果。

4结语

本研究通过对传感器所获取的实时数据进行融合和预处理，并结合层次综合风险评估方法对化工工艺安全状态进行定量和半定量风险评价管理，构建层次指标体系。在此基础上，成功实现对危险化工工艺评估系统的设计，有助于对化工企业的安全状态进行评估。本研究存在一定的不足之處，如无法验证数据的可信度，无法认定决策数据的可靠性等。因此，本研究还需对危险化工工艺安全评估系统进行完善。

【参考文献】

[1]袁东升，张鹤雨，耿剑统，等. 基于云模型的新加氢工艺安全评价体系的研究与应用[J]. 山东化工，2021，50（11）：136-140.

[2]季斌. 化工企业安全生产标准化一级达标创建方法[J]. 石油化工安全环保技术，2020，36（6）：19-20

[3]邵斐豪，赵明，戴东楠. 某大型橡胶企业消防水系统专项风险评估分析[J]. 中国公共安全（学术版），2019，4（2）：29-33.

[4]吴静，谭忠富，王珂珂，等. 基于人工鱼群与最小二乘支持向量机的电能替代多情景预测研究[J]. 数学的实践与认识，2021，51（12）：11-21.

[5]张朝炜，柳云祥，朱永利. 基于改进人工鱼群算法的大规模多目标机组组合优化[J]. 电力系统保护与控制，2021，49（8）：100-108.

[6]尤号田，邢艳秋，丁建华. 基于LiDAR数据不同插值算法DEM构建研究[J]. 森林工程，2019，35（3）：20-25.

[7]温家隆，张满银，何维达. 东北振兴规划实施成效评估研究——基于多层次模糊综合评价方法[J]. 经济问题，2020，4（7）：97-105.

[8]张文保，施伟锋，兰莹. 基于层次分析——模糊综合评估法的电力推进船舶电能质量实时评估系统[J]. 中国舰船研究，2019，14（6）：48-57.

[9]刘子腾，徐永海，雷达. 基于多层次模糊综合评判的谐波综合责任评估指标[J]. 电测与仪表，2021，58（3）：1-8.

[10]竺超明，方飞，李鹏欢，等. 基于TFN-AHP的化工工艺安全评估分析[J]. 浙江工业大学学报，2018，46（5）：528-532.

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