一种基于突变理论的铝粉爆炸风险评估方法与流程

本发明涉及工业灾害风险评估技术领域，具体涉及一种铝粉爆炸风险评估方法。

背景技术：

随着现代工业的发展，抛光工艺得到越来越多的应用，使得粉末产物日益增多，粉尘爆炸的危险性越来越大。近年来出现的铝粉爆炸事故不得不引起重视，而铝粉爆炸的研究在我国起步较晚，建国以前基本处于空白状态。随着社会经济的发展和铝粉爆炸的不断发生，防爆思路逐渐由以往的事故发生后的“被动防爆”向灾害风险管理的“主动防爆”转变。目前，虽然我国在铝粉爆炸风险性研究方面有了一定的基础，但由于这些评价方法既复杂又难以正确处理权重问题，且未能很好地实现动态的安全评价。因此，为铝制品厂提供一个风险评估突变模型，以预防铝粉爆炸提高铝制品厂安全状态为目标为管理者提供参考就显得十分重要。

铝粉爆炸事故的发生与发展，受具有不确定性、随机性与模糊性特点的诸多因素的影响与控制，是一个具有突跳性、不可逆性、系统性的复杂过程。由于突变理论是一种比较成熟且相对完善的奇点理论，是系统的状态随不断变化的外部控制参数而产生间断性改变的数学理论，并且该理论常被用于认识和预测复杂系统的状态行为。

技术实现要素：

为了解决现有技术缺少基于突变理论的铝粉爆炸风险评估这一缺陷，本发明提供了一种基于突变理论的铝粉爆炸风险评估方法；旨在为铝制品厂提供一个风险评估的突变模型，既要避免原始数据采集、指标权重分配方面主观性强的缺点，又要从铝制品厂系统的内在机制获得更为准确的风险性等级。

其技术解决方案包括：

一种基于突变理论的铝粉爆炸风险评估方法，其所采用的风险评估系统包括初始评价系统、风险评价系统及预警系统，所述的评估方法依次包括以下步骤：

a、通过所述的初始评价系统对铝粉爆炸的铝制品厂的相关主要影响因素进行初步测评，对影响铝制品厂的相关主要因素进行初步计算，其中，涉及的因素有c1安全培训教育、c2岗位规章制度、c3应急救援预案、c4隐患排查治理、c5安全意识、c6违规操作、c7专业素质主要通过现场调查方法获取，c8除尘系统、c9通风系统、c10防爆设施、c11防雷电系统、c12温度和湿度、c13氧气浓度、c14初始压力、c15工厂的建设标准；

b、通过所述风险评估系统进行二次评估

b1、构建层次结构模型，根据系统的内在作用机制，将总目标进行多层次主次矛盾分解，先主后次排列成倒立的树枝状结构，逐层向下分解，直至分解到可以计量的评价指标为止；其中，准则层由b1管理制度、b2操作员工、b3设施设备和b4环境因素组成，b1管理制度由指标层的c1安全培训教育、c2岗位规章制度、c3应急救援预案、c4隐患排查治理组成，b2操作员工由指标层的c5安全意识、c6违规操作、c7专业素质组成，b3设施设备由指标层的c8除尘系统、c9通风系统、c10防爆设施、c11防雷电系统组成，b4环境因素由指标层的c12温度和湿度、c13氧气浓度、c14初始压力、c15工厂的建设标准组成；

b2、评价指标进行无量纲化处理

其中，c12温度和湿度、c13氧气浓度、c14初始压力为正指标；

c1安全培训教育、c2岗位规章制度、c3应急救援预案、c4隐患排查治理、c5安全意识、c6违规操作、c7专业素质、c8除尘系统、c9通风系统、c10防爆设施、c11防雷电系统、c15工厂的建设标准为负指标；

对于所述正指标按照式(1)进行标准化：

对于所述负指标按照式(2)进行标准化：

式(1)、式(2)中，xi为评价指标值；xi'为评价指标的标准化值；xmin和xmax分别为评价指标的最小值和最大值；

b3、按照不同模型的归一化公式计算突变级数

在确定控制变量的数目后就可以选择对应的初等突变模型，按照不同模型的归一化公式和最底层指标的无量纲数据逐层向上计算突变级数，最终求出总突变级数进行评价；

b4、划分铝制品厂安全等级

将铝制品厂安全等级划分为4个等级，分别为优秀、良好、中等、较差；首先，将铝粉爆炸风险性各等级的单指标值进行标准化，然后将其带入到相应模型的归一化公式中计算，并得到突变级数的等级标准；最后，将待评样本的总突变级数与突变级数的等级标准进行比较，从而确定待评铝制品厂安全等级；

c、将步骤b所得评估结果传输给所述预警系统，经所述预警系统对安全等级进行预警分级。

作为本发明的一个优选方案，步骤b3中归一化公式的推导步骤为：突变系统的势函数为f(x)，其中x表示状态变量，x的系数u、v、w、t表示控制变量，通过对f(x)求一阶导数，并令f'(x)＝0，得到它的平衡曲面；通过对f(x)求二阶导数，并令f"(x)＝0，得到平衡曲面的奇点集；由方程f'(x)＝0和f"(x)＝0联立求解，得分歧方程；当各控制变量满足分歧方程时，系统将发生突变，通过分解形式的分歧方程可导出归一化公式。

与现有技术相比，本发明带来了以下有益技术效果：

1)本发明全面分析了影响铝粉爆炸的各种因素，在进行铝粉爆炸分析时可以自动获取影响因素，提高了工作效率，也避免了人为探寻铝粉爆炸因素的不准确性；

2)铝粉爆炸的发生过程与突变理论完美契合，突变理论运用生动的数学工具描述了铝粉爆炸这一突跳、不可逆的复杂过程，准确刻画了铝粉爆炸的机理，精确评估了铝粉爆炸的风险性。

3)突变理论根据系统的内在作用机制，将总目标进行多层次主次矛盾分解，且将评价指标按先主后次排序，该理论采用定性与定量相结合的方法，不仅权衡了各评价指标的相对重要性，而且避免了评价指标权重分配方面主观性强的缺点；

4)本发明评估得出的结果可以通过分层预警系统将型号传达给管理人员或职工，可以达到及时准确的效果，有效地给员工生命安全提供了保障。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步说明：

图1为本发明铝粉爆炸风险评价方法流程图；

图2是本发明基于突变理论构建的评价指标体系与层次结构模型。

具体实施方式

本发明提出了一种基于突变理论的铝粉爆炸风险评估方法，为了使本发明的优点、技术方案更加清楚、明确，下面结合具体实施例对本发明做详细说明。

结合图1和图2所示，本发明一种基于突变理论的铝粉爆炸风险评估方法，其所采用的评估系统包括初始评价系统、风险等级评价系统和分级预警系统。

一、初始评价系统的评价步骤如下：

1、确定评价指标体系

以发生铝粉爆炸的铝制品厂为研究对象，选取影响工厂安全的主要因素，主要包括：

c1安全培训教育：反映了工厂管理人员对于员工安全教育的重视程度及员工对安全规章制度的熟悉程度，安全培训教育开展越成功，铝粉爆炸的危险度越小。

c2岗位规章制度：此制度可以实现以最小合理的投入安全有效地达到最大产出合格产品、现场整洁之管理目的。岗位规章制度制定越规范、详实，爆炸发生的概率越小。

c3应急救援预案：决定了事故发生时应急救援的范围和体系，使应急管理不再无据可依，无章可循。应急救援预案越详实，降低事故损失的可能性越大。

c4隐患排查治理：指对高危行业等重点行业的排查治理。排查治理隐患越充分，工厂越安全。

c5安全意识：安全意识越高，发生铝粉爆炸的危险度越低。

c6违规操作：杜绝违章操作现象是企业预防事故发生的重要手段。违规操作越多，铝粉爆炸发生的危险度越大。

c7专业素质：决定了员工在日常生产活动中是否能严格按照正确的操作规程进行生产活动，这在很大程度上影响了是否会因为人的因素而导致的潜在危险因素。

c8除尘系统：除尘系统性能的好坏直接决定了一个工厂降尘和抑制铝粉浓度能力的大小，而铝粉浓度一旦达到爆炸下限时很可能发生铝粉燃爆的。

c9通风系统：工厂的通风可以实验对温度和铝粉浓度这两个因素的控制来降低铝粉爆炸发生的危险度大小。

c10防爆设施：使用此设备可以在工厂发生爆炸故障时也可以尽量减小设备、人员的损失。

c11防雷电系统：在一些高层建筑物或者工厂内，在雷雨天气如果工厂房顶没有安装避雷系统，极易发生雷电引火最后引爆事件。

c12温度和湿度：研究表明，环境中的温度和湿度都会影响铝粉的着火敏感度，进而影响铝粉的燃爆危险度。

c13氧气浓度：氧气浓度直接决定着燃爆发生的难易程度，是铝粉燃爆风险度评价的重要指标。氧气浓度越高，铝粉燃爆发生的几率越大。

c14初始压力：环境的初始压力影响着铝粉发生燃爆的难易程度。

c15工厂的建设标准：符合建设标准的厂房会使疏通通道畅通，有利于事故发生后人员逃离和泄爆。

2、指标体系评分

邀请对铝粉爆炸方面有深入研究和突出成果的专家数名对各因素进行评价打分，其中、c1安全培训教育、c2岗位规章制度、c3应急救援预案、c4隐患排查治理、c5安全意识、c6违规操作、c7专业素质主要通过现场调查方法获取，c8除尘系统、c9通风系统、c10防爆设施、c11防雷电系统、c12温度和湿度、c13氧气浓度、c14初始压力、c15工厂的建设标准主要通过现场监测方法获取。

二、所述风险等级评价系统包括以下步骤：

1、构建层次结构模型

根据系统的内在作用机制，将总目标进行多层次主次矛盾分解，先主后次排列成倒立的树枝状结构，逐层向下分解，直至分解到可以计量的评价指标为止；

首先，将目标层确定为铝制品厂安全评价指标体系。

然后，准则层由管理制度、操作员工、设施设备、环境因素四个方面组成。

最后，b1管理制度由指标层的c1安全培训教育、c2岗位规章制度、c3应急救援预案、c4隐患排查治理组成，b2操作员工由指标层的c5安全意识、c6违规操作、c7专业素质组成，b3设施设备由指标层的c8除尘系统、c9通风系统、c10防爆设施、c11防雷电系统组成，b4环境因素由指标层的c12温度和湿度、c13氧气浓度、c14初始压力、c15工厂的建设标准组成。

2、评价指标的无量纲化处理

由于各评价指标值的取值范围和单位量纲均不同，需消除不同的计量单位对评价结果的影响，所以需将各评价指标值转化为0～1之间的无量纲数据，同时，突变理论要求最底层指标需转化为“越大越好”型指标；对于正指标(c12温度和湿度、c13氧气浓度、c14初始压力)，采用式(1)进行标准化；对于负指标(c1安全培训教育、c2岗位规章制度、c3应急救援预案、c4隐患排查治理、c5安全意识、c6违规操作、c7专业素质、c8除尘系统、c9通风系统、c10防爆设施、c11防雷电系统、c15工厂的建设标准)，采用式(2)进行标准化；

式中：xi为评价指标值；xi'为评价指标的标准化值；xmin和xmax分别为评价指标的最小值和最大值；

3、归一化公式的推导

突变系统的势函数为f(x)，其中x表示状态变量，x的系数u、v、w、t表示控制变量，通过对f(x)求一阶导数，并令f'(x)＝0，可得到它的平衡曲面；通过对f(x)求二阶导数，并令f"(x)＝0，可得到平衡曲面的奇点集；由方程f'(x)＝0和f"(x)＝0联立求解，可得分歧方程；当各控制变量满足分歧方程时，系统将发生突变，通过分解形式的分歧方程可导出归一化公式，由归一化公式将各控制变量的不同质态化为同一质态，即化为由状态变量表示的质态，其中常用的几种突变模型如下表1所示；

表1常用突变模型及归一公式

4、计算突变级数

在确定控制变量的数目后就可以选择对应的初等突变模型，按照不同模型的归一化公式和最底层指标的无量纲数据逐层向上计算突变级数，最终求出总突变级数进行评价；计算过程中若指标之间无相关性采用“非互补”原则，即“大中取小”；若指标之间具有相关性应采用“互补”原则，即“取平均数”；

5、划分铝制品厂安全等级

将铝制品厂安全等级划分为4个等级，分别为优秀、良好、中等、较差；首先，将铝粉爆炸风险性各等级的单指标值进行标准化，然后将其带入到相应模型的归一化公式中计算，并得到突变级数的等级标准；最后，将待评样本的总突变级数与突变级数的等级标准进行比较，从而确定待评铝制品厂安全等级。

三、分级预警系统的评价步骤如下：

根据安全等级评价系统确定的等级：优秀、良好、中等、较差，建立铝制品厂安全等级分级预警模型，其相应的预警信号依次用蓝色、黄色、橙色、红色表示；

蓝色预警(优秀)：铝粉爆炸隐患极少，其危险性与易损性均很低，受危害导致损毁的风险很小，一般不影响正常生产活动；

黄色预警(良好)：铝粉爆炸隐患少，承灾体易损性低，遭受危害小，灾害综合风险性低，需采取一定预防措施；

橙色预警(中等)：出现一定数量的安全隐患，发生铝粉爆炸风险性较大，系统易损性较高，灾害危害较重，灾害风险水平较高，需布设灾害防治措施以保障生产安全；

红色预警(较差)：铝粉爆炸隐患极多，规模大，破坏力强，危险性与易损性均很高，风险极高，严重影响生产，应立即停止正常生产活动，及时排查隐患进行减灾工程；

在分级预警系统将评价结果转换为相应的预警信号后，会快速的、准确的将预警信号通过无线设备发送给相关工厂负责人和预报给员工，使他们能够及时的做好相应的防爆措施。

实施例1：

将本发明评估方法应用于某铝制品厂。

先按照图1建立的评价指标体系，对整个铝制品厂的安全从系统工程的观点进行总体分析，考虑工厂的安全设计、设备状态、安全设施、除尘设备、监测系统、安全管理、安全检查、安全培训等多个方面因素对建立的指标体系进行评分。评分结果列于表2。按照评价过程和步骤，由归一公式分别计算出各指标的突变级数值(见表2)。其中，c1，c2，c3和c4之间存在明显的相互关联作用，控制变量为4个，与蝴蝶突变相符，为互补型蝴蝶突变模型；依此类推，c5，c6，c7为互补型燕尾突变模型，c8，c9，c10，c11为非互补型蝴蝶突变模型，c12，c13，c14为非互补型燕尾突变模型。工厂安全评判第一层系统b1，b2，b3，b4属于非互补型蝴蝶突变模型。

根据初始分数得出指标层评分，然后对b1层运用蝴蝶突变公式得出指标层突变隶属函数值，计算过程如下：

然后根据“互补”原则取四个值的平均值，得出b1准则层的取值c，计算结果如下：

由于b1，b2，b3，b4为蝴蝶突变模型，所以根据蝴蝶突变公式得出b1准则层突变隶属函数值b。重复这种算法，依次算出各准则层突变隶属函数值，然后根据“非互补”原则，取最小值作为总突变隶属函数值a。

表2某铝制品厂安全评价结果

根据上述方法，确定的此铝制品厂铝粉爆炸风险预警信号为蓝色预警。

本发明中未述及的部分借鉴现有技术即可实现。

需要说明的是，在本说明书的教导下本领域技术人员所做出的任何等同方式，或明显变型方式均应在本发明的保护范围内。