基于改进IAHP-云模型的化工园区风险评估

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2024年5月6日发(作者：)

第

2021

50

年

卷第

12

12

月 Liaoning

期 辽 宁 化 工 Vol.50，

Chemical Industry December，2021

No. 12

基于改进IAHP-云模型的化工园区风险评估

孟宇强，宫博，于立富

（沈阳化工大学 环境与安全工程学院， 辽宁 沈阳 110142）

摘 要： 为了解决化工园区风险评估过程中风险因素的复杂性与不确定性而导致评估指标值存在

模糊性与主观性的不足，提出一种基于改进区间层次分析法与云模型的化工园区风险评估模型。综合

区间层次分析法与集对理论以及云模型理论对化工园区进行风险评估；以沈阳化工园区进行实例分析，

结果表明沈阳化工园区风险等级为Ⅲ级；该模型所得结果与区间可拓模型、可变模糊集对评价和AHP-

模糊综合评价方法的评估结果基本一致，验证了该模型的有效性，为化工园区安全管理提供新思路。

关 键 词：化工园区；区间层次分析法；集对理论；云模型

中图分类号：X937 文献标识码： A 文章编号： 1004-0935（2021）12-1818-05

化工园区内化工企业高度集中，其中涉及种类的模糊隶属情况，并且削弱了专家打分导致评价值

众多的危险化学品及重大危险源，随时面临发生泄主观性较强的问题，实现了化工园区整体风险评估，

漏、火灾、爆炸等重大安全事故的危险，容易引发为化工园区安全管理提供了新思路。

多米诺效应，造成严重灾难事故。因此对化工园区

进行风险评估具有重要意义。

1 构建化工园区风险评估指标体系

针对化工园区的风险评估，学者们通过不同角

化工园区事故发生涉及诸多风险因素，在考虑

度开展了研究。纪爽

[1]

等提出AHP-模糊综合评价结

园区安全生产管理制度、园区规划布局、工艺过程

合的方法对化工园区内化工企业环境进行风险评

危险性等基础上，从化工园区整体风险角度构建化

估；许开立

[2]

等利用集对分析理论结合保护层分析

工园区风险评价体系。如表1所示。

法定量评估化工危险源风险后果严重度；阳富强

[3]

等提出从本质安全角度利用正态云模型对化工安全

表1 化工园区风险评估指标体系

生产过程进行风险评估。化工园区风险影响因素具

一级指标 二级指标

有很强的模糊性和复杂性，上述方法无法克服客观

周边人口密度与分布

A

11

企业布局规划

A

12

数据的随机性与主观因素的模糊性，并且评估指标

园区整体安全规划

A

建筑属性与结构

A

13

1

不能系统全面地反映化工园区整体风险影响因素，

安全容量

A

14

从而导致评估结果不准确。

消防规划

A

15

化

交通规划

A

16

区间层次分析法（IAHP）

[4]

通常采用区间特征

工危险品储存

A

21

根法、迭代法、构造互补矩阵法

[5]

等求得权重区间，

园重大危险源管控情况

A

22

区工业过程危险性

A

23

本文采用区间对数最小二乘法求得权重区间并结合

风

企业生产安全

A

2

安全距离

A

24

集对理论，从同、异和反的角度精化权重区间得到

险设备使用与维护

A

25

权重区间精确值，避免了根据决策矩阵调整权重向

评人员安全素质

A

26

估

应急救援预案

A

31

量，能够有效削弱风险评估过程的主观性与不确定

指

应急演练

A

32

性。云模型在处理定性与定量关系之间的模糊性与

标

应急救援管理

A

3

应急救援物资储备

A

33

应急协调与指挥能力

A

34

不确定性方面具有优势，利用改进的IAHP法结合

安全准入制度

A

41

云模型理论构建化工园区风险评估模型，更利于描

安全监管部门建立情况

A

42

述化工园区风险影响因素。与其他方法相比，该模

安全生产管理

A

4

安全管理制度

A

43

安全培训

A

44

型的综合云图能够直观反映化工园区风险评估等级

安全生产规章制度

A

45

基金项目

收稿日期

： 辽宁省教育厅青年科技人才“育苗”

： 2021-05-31

，项目编号：LQ2020024。

作者简介

通信作者

： 孟宇强（1997-）

： 宫博（1981-），男，讲师，博士，研究方向：化工过程危险分析与化工园区风险评价。

，男，辽宁省本溪市人，研究生在读，沈阳化工大学安全工程专业，从事化工园区风险辨识与评价方面研究。

.. All Rights Reserved.

第50卷第12期 孟宇强，等：基于改进IAHP-云模型的化工园区风险评估 1819

2 化工园区风险评估方法

2.1 区间层次分析法

区间层次分引入区间数代替点值描述其不确定

性，从而削弱专家评价过程中的主观倾向，对于化

工园区风险评估的应用更合理。本文采用1~9级标

度法

[6]

对化工园区风险影响因素相互比较，构造专

家评价相对重要度区间数，形成化工园区风险影响

因素判断矩阵。如式（1）所示。

A



A



ij

A

ij







，







11





a



，

a



1212







a

1n

，

a

1n









，

1











1



a





1，1







a

2n

，

a



2n





12







a

12









（1）







，

1







1



a





1，1







1n

a



1n







11





a



，

2n

a





2n







式中：

a



,

a



ij

ij

分别为区间下限和上限。

对区间

A



，

A



运用区间对数最小二乘法

[7]

求得

权重向量区间上下限

W

-

，

W



;如式（2）、（3）所示。

w







w

1



，

w



，

w



T

2

，

n



w







w

1



，

w



2

，，

w





T

n

1







n

a

ki



a





2n

w







i1

a



kk

ik

a







ii





k

1

,k1,2,...,n







n

（2）

2n



n

a



ik

a





j1





i1

a



ij

a



ii



ii





1



n

a



a





2n







kikk



w



k





i1

a



ik

a



ii





1

,k1,2,...,n

（3）



n

2n



n





a



ji

a



jj





j1





i1

a



ij

a



ii





由

A







a



ij



,

nn

A







a



ij



nn

计算k、m，如式（4）、

（5）所示。

k



n

1

j1



n



（4）

i1

a

ij

n

m



1

j1



n



（5）

i1

a

ij

区间权重向量如式（6）所示。

W



k

w



,m

w





（6）

2.2 基于集对理论优化的IAHP法

权重区间W=[kw

-

, m w

+

]在[0,1]之间。1为理想

的权重，根据集对分析的同异反理论将[0,1]划分为

[0，kw

-

)，[kw

-

，m w

+

)，[m w

+

，1]三个区间，W与[0,1]

组成的集对分析表达式为

[8]

；如式（7）所示

Uabicj

（7）

式中：a=kw

-

表示确定可以达到理想权重的程

度，即同一性；b=mw

+

表示不确定可以达到理想权

重的程度，即差异性；c=1-a-b，表示不能达到理

想权重的程度，即对立性。i表示不确定，j表示不

接近。将属性权重区间数转换为二元联系数；如式

（8）所示

w

*

r



w

r

(

w



r



w

r

)i,0i1

（8）

式中：

w

*

r

表示权重精确值，

w

r

表示权重区间

下界，

w



r

表示权重区间上界。

对式（8）中的i赋值，区间属性权重由评价

专家组成的同一系统决定，假定同一系统给出的每

个区间权重上下界对其目标权重的偏差比例是一个

恒定值L。如式（9）所示

d



r



d



L

（9）

r

w

其中，

d

**



r



w

r

-

w

r

，

d

r



r

-

w

r

。

d

r

表示权重

区间下界对于权重精确值的偏差，

d



r

表示表示权值

区间上界对于权重精确值的偏差。

L为常数，如式(10)所示



L

d

r



n

d



r

1



n

w



r

d



r1

n



r1



n

（10）

r



1

d



r



r1

w



r

1

r

得到属性区间权重优化值，如式(11)所示。

1-



n

w

*

l

（

w



w



r



r



w

r



l1

r

-

w

r

）

w



r1

r

（



n



n



w



r

-

w

r

）

（11）

r1

w

r

-



r1

w

r

2.3 构建化工园区风险评估云模型

云模型

[9]

是结合语言值描述的随机性和模糊性

的特点，通过云发生器实现定性与定量之间相互转

化的理论模型。设A为论域U的定性概念，对论域

中的任意元素a均为定性概念A的一次随机实现，

a 对A的隶属度为u(a)∈[0,1]，[a,u(a)]为论域上的

一个云滴。如式（12）所示。

u(a)exp{(x

E

'

n

)^2/(2

E

n

^2)}

（12）

.. All Rights Reserved.

1820 辽 宁 化 工 2021年12月

式中：

E

'

~N（

EH

2

nn

，

e

）

云模型利用期望Ex、熵En、超熵He来描述云

的定量特征，期望Ex表示定性概念a的中心值，

反映化工园区风险评价等级；熵En表示风险的模

糊度，反映定性概念a的承受范围；超熵He表示

云的厚度，反映风险等级模糊度的离散程度。

化工园区风险评价中的定性概念利用云发生器

实现定量化，通过主观判定、客观数据统计等方式

划分化工园区风险评价等级对应的云模型，如式

（13）所示。建立风险等级

S{

S

1

，

S

2

，

S

3

...

S

n

}

，n为化

工园区风险等级个数，邀请多位长期从事化工园区

生产安全管理的专家对风险指标进行评价，评价值

x在[0,1]之间。针对化工园区风险特点，采用黄金分

割法

[10]

，将五个风险等级定性概念转化为云模型，

进而构建风险等级云模型，如表2所示。

Ex

ij



X

max



X

min

2

En



X

max

-

X

min

（13）

ij

6

H

e





式中：X

max

、X

min

为评价值的上下限，



为常数，

取0.005。

表 2 风险等级云模型

风险等级 风险描述 云模型

Ⅰ

低风险 （0, 0.085, 0.005）

Ⅱ

较低风险 （0.3, 0.085, 0.005）

Ⅲ

中等风险 （0.5, 0.085, 0.005）

Ⅳ

较高风险 （0.7, 0.085, 0.005）

Ⅴ

高风险 （1, 0.085, 0.005）

利用MATLAB得到对应的风险等级云模型，如

图1所示。

图1 风险等级云图

对参与化工园区风险评价的专家的定性评价值

x通过逆向云发生器

[11]

转化为云模型，如式(14)所示；

E

n

x



1

n



i1

x

i

E

1

n





/2

n



n

i1

x

i

-

E

x

（14）

H



1

n

2

2

e

n1



-

i1



x

i

-

E

x



E

n

2.4 化工园区风险评估云集成方法

假设论域中有n朵云

{

C

i



E

xi

，

E

ni

，

E

ei



}

，

W{

w

***

*

1

,

w

2

,...,

w

n

}

为权重值，

w

i

为所求权重精确值。

综合云

[12]

{C



E

x

，

E

n

，

E

e



}

计算公式如式(15)所示。

E

***

x



w

1

E

x

1



w

2

E

x

2

...

w

n

E

x

n

**

E

E

xn

*

n



w

1

1

E

n

1



w

2

E

x

2

E

2

...

w

n

E

x

n

E

n

n

w

***

（15）

1

E

x

1



w

2

E

x

2

...

w

n

E

x

n

E



He

2

He

222

1



2



He

3

...

He

n

3 实例分析

本文以沈阳化工园区为例进行实例分析。沈阳

化工园区位于沈阳市区西部，东距沈阳经济技术开

发区2 km，北距京沈高速公路1.1 km，南距102省

道900 m，距浑河北岸3 km。沈阳化工园区由煤化

工、石油化工、橡胶加工、氯碱化工和精细化工五

部分为核心，构建化工园区整体产业链。

3.1 确定园区风险因素指标权重

针对化工园区风险因素，邀请化工园区领域10

名专家，通过1~9标度法对指标因素两两比较，经

过6次反复循环，对风险重要程度形成较一致意见，

规范化处理后得到区间判断矩阵，由于篇幅有限，

以一级指标A

3

为例构建判断矩阵，如表3所示。

表 3 一级指标判断矩阵

属性

A

31

A

32

A

33

A

34

A

31

[1,1] [2,1] [3,4] [6,7]

A

32

[2/5,1] [1,1] [1,3] [6,5]

A

33

[1/5,1/3] [1/3,1] [1,1] [4,5]

A

34

[1/7,1/6] [1/6,1/5] [1/5,1/4] [1,1]

根据式(2)、(3)计算得到二级指标A

31

、A

32

、A

33

、

A

34

的权重区间为W

-

=(0.468，0.304，0.167，0.049)，

W

+

=(0.471, 0.314, 0.179, 0.054)，再根据式(4)、（5）

可知k=0.887，m=1.101，则权重区间为w

1

= [0.415,

0.518]、w

2

=[0.269, 0.345]、w

3

=[0.148, 0.197]、w

4

=

[0.043, 0.059]。

根据式(10)、(11)优化权重区间，确定区间精确

.. All Rights Reserved.

第50卷第12期 孟宇强，等：基于改进IAHP-云模型的化工园区风险评估 1821

值。可得A

31

、A

32

、A

33

、A

34

的权重精确值为[0.463,

0.312, 0.182, 0.051]。同理可以得出A

1

、A

2

、A

4

的二

级指标权重以及一级指标权重分别为：W

A1

=[0.132,

0.324, 0.151, 0.216, 0.113, 0.064]

W

A

2

=[0.137, 0.209, 0.237, 0.146, 0.112, 0.159]

W

A

4

=[0.165, 0.263, 0.242, 0.143, 0.187]

W

A

=[0.263, 0.376, 0.125, 0.236]

3.2 建立风险评估云模型

由10位专家对沈阳化工园区指标体系进行定量

评价，确定化工园区风险值，并进行规范化处理，

以

A

3

的二级指标

A

31

、

A

32

、

A

33

、

A

34

为例，评价结果

如表4所示。

表 4 化工园区风险指标规范化值

指标 专家1 专家2 专家3 专家4 专家5

A31 0.601 0.624 0.471 0.442 0.687

A32 0.843 0.821 0.904 0.792 0.913

A33 0.843 0.784 0.745 0.861 0.734

A34 0.627 0.797 0.806 0.726 0.743

指标 专家7 专家8 专家9 专家10 专家6

A32 0.706 0.637 0.424 0.568 0.502

A33 0.746 0.921 0.844 0.931 0.816

A34 0.841 0.790 0.826 0.894 0.810

A31 0.716 0.614 0.640 0.725 0.824

根据式 (14) ，得到A

3

的二级指标云模型，C31

（0.516, 0.093, 0.037）、C32（0.844, 0.06, 0.012）、

C33（0.816, 0.06, 0.012）、C34（0.736, 0.074, 0.016），

同理可得其他指标的云模型，如表5所示。

由公式(15)可得一级指标云模型，以A

3

为例，

可得A3综合云模型为C3（0.682 7, 0.069, 0.041），

同理可得C1（0.500 5, 0.048, 0.026）、C2（0.607 9，

0.062 5, 0.037）、C4（0.470 9, 0.092 9, 0.054）。由此

可得化工园区综合云图C（0.556 3, 0.036 6, 0.014），

如图2所示。

图2 化工园区综合云图

表5 风险指标云模型

指标层 云模型

周边人口密度与分布

A

11

（0.461, 0.043, 0.004）

企业布局规划

A

12

（0.424, 0.048, 0.007）

建筑属性与结构

A

13

（0.572, 0.048, 0.007）

安全容量

A

14

（0.615, 0.051, 0.008）

消防规划

A

15

（0.538, 0.044, 0.005）

交通规划

A

16

（0.384, 0.054, 0.007）

危险品储存

A

21

（0.701, 0.065, 0.008）

重大危险源管控情况

A

22

（0.463, 0.043, 0.007）

工业过程危险性

A

23

（0.661, 0.059, 0.011）

安全距离

A

24

（0.603, 0.098, 0.021）

设备使用与维护

A

25

（0.653, 0.059, 0.007）

人员安全素质

A

26

（0.616, 0.058, 0.007）

应急救援预案

A

31

（0.516, 0.093, 0.037）

应急演练

A

32

（0.844, 0.06, 0.012）

应急救援物资储备

A

33

（0.816, 0.06, 0.012）

应急协调与指挥能力

A

34

（0.736, 0.074, 0.016）

安全准入制度

A

41

（0.574, 0.104, 0.007）

安全监管部门建立情况

A

42

（0.304, 0.073, 0.008）

安全管理制度

A

43

（0.332, 0.094, 0.012）

安全培训

A

44

（0.581, 0.104, 0.007）

安全生产规章制度

A

45

（0.724, 0.087, 0.007）

3.3 结果分析

正根据云模型的3E原则

[13]

，当En/3＞He时，

化工园区的评估结果可靠，反之需要重新评估。由

综合云模型C（0.556 3, 0.036 6, 0.008）可知En/3＞

He，故评估结果可靠。

根据式（12）由隶属度u计算可得综合云模型

与各个等级云的隶属度为（0, 0, 0.306, 0.000 4, 0），

确定化工园区风险评估结果为中等风险。期望Ex

为0.556 3，介于中等风险与较高风险之间；熵En

为0.036 6，反映出本次风险评价结果与实际水平偏

差程度小，模糊度低；超熵反映云图的稳定性，

He/En=0.218 6＜1表明云图雾化程度低，评价结果

稳定。根据园区综合云以及各二级指标云显示，化

工园区应急救援管理能力不足，部分企业应急救援

预案缺乏针对性与实用性，应急演练不足，难以高

效的救援。另外，应建立健全安全管理制度，加强

安全培训，提高全员安全素质。

3.4 对比验证

为了验证该模型的可靠性，本文采用区间可拓

模型、可变模糊集对评价和AHP-模糊综方法对沈

阳化工园区进行风险评估，验证了该模型的可靠性，

结果如表6所示。本模型与其他方法相比，极大程

度削弱了复杂系统中专家评估的主观性，充分考虑

.. All Rights Reserved.

1822 辽 宁 化 工 2021年12月

了化工园区风险评估过程中风险因素的复杂性与模和AHP-模糊综合评估的结果基本一致，验证了本

糊性对评估结果的影响，通过综合云图中云滴的聚模型的可靠性。通过综合云图中云滴聚集情况全面

集情况可以更加直观清晰地反映化工园区风险等直观地反映沈阳化工园区的风险等级。为化工园区

级。 风险评价研究提供了新的思路。

表6 化工园区风险评估结果

参考文献：

方法 结果 风险等级

［1］纪爽. 化工企业环境风险评估模型优化[J]. 辽宁化工, 2020, 49 (12):

1542-1544.

评估值与风险等级关联度为

区间可拓模型 （-0.625，-0.334,1.115，-0.268，

Ⅲ级

［2］闫放,张舒,许开立.化工危险源定量保护层分析[J].中国安全科学学

-0.551）

报,2019,29(01):100-105.

［3］蔡逸伦,阳富强,朱伟方,等.化工工艺本质安全评价的云模型及应用

可变模糊集对评估

评估值与风险等级最大隶属度为

Ⅱ级偏向Ⅲ

0.563，级别特征值为2.41

级

[J].中国安全科学学报,2018,28(06):116-121.

［4］肖峻,王成山,罗凤章.区间层次分析法的权重求解方法初探[J].系统

工程与电子技术,2004(11):1597-1600.

AHP-模糊综合评估

评估值与风险等级最大隶属度为

0.4901

Ⅲ级

［5］王双川,贾希胜,胡起玮,等.基于正态灰云模型的装备维修保障系统

效能评估[J].系统工程与电子技术,2019,41(07):1567-1582.

改进IAHP -云模型的化

综合云数字特征（0.556 3, 0.036 6,

［6］韩维,李正阳,苏析超.基于改进ANP和可拓理论的航空保障系统效

工园区风险评估

0.014），评估值与风险等级最大隶Ⅲ级

属度为0.306

能评估[J].兵器装备工程学报,2019,40(08):100-105.

［7］郑侨宏,韩勇.基于多元联系数的矿工不安全行为风险姿态评估[J].

4 结 论

中国安全生产科学技术,2018,14(02):186-192.

［8］叶跃祥,麋仲春,王宏宇,等.一种基于集对分析的区间数多属性决策

1）针对化工园区风险特点，从园区整体安全规

方法[J].系统工程与电子技术,2006(09):1344-1347.

划、企业生产安全、应急救援管理和安全生产管理

［9］LI D Y, LIU C Y，LIU L Y. Study on the universality of the normal

cloud model [J]. Engineering Sciences, 2005, 3 (02)：18-24.

等4个方面，建立化工园区风险评估指标体系，实

［10］李海林,郭崇慧,邱望仁.正态云模型相似度计算方法[J].电子学

现了从化工园区整体风险角度进行风险评估。

报,2011,39(11):2561-2567.

2）利用集对理论优化区间权重，对同一性与差

［11］陈伟炯,苏俊方,张善英,等.基于云模型的海上船舶溢油应急管理能

异性进行处理，得到的权重值更能精确的反映风险

力评估方法[J].中国安全生产科学技术,2020,16(02):110-116.

程度。对化工园区风险评估指标体系建立综合云模

［12］姚建业,张珊,郝国强.基于集对云模型的边坡稳定性评价[J].煤田地

质与勘探,2019,47(01):162-167.

型，利用逆向云发生器实现化工园区的定量风险评

［13］付净,聂方超,刘虹,等.化工企业安全管理体系评估指标集的构建及

估。

实证分析[J].安全与环境工程,2020,27(01):126-132.

3）本模型与区间可拓模型、可变模糊集对评估

Risk Assessment of Chemical Industrial Park Based on

Improved IAHP-Cloud Model

MENG Yu-qiang, GONG Bo, YU Li-fu

（School of Environmental and Safety Engineering,

Shenyang Liaoning 110142, China

Shenyang University of Chemical Technology,

）

Abstract: In order to solve the problem of fuzziness and subjectivity of evaluation index value caused by the complexity and

uncertainty of risk factors in the process of risk assessment of chemical industry park, a risk assessment model of chemical industry

park based on improved interval analytic hierarchy process and cloud model was proposed. Interval analytic hierarchy process, set pair

theory and cloud model theory were comprehensively used to evaluate the risk of chemical industry park. Taking a Shenyang chemical

industry park as an example, case analysis was carried. The results showed that the risk level of the Shenyang chemical industry park

was grade III, and was consistent with the actual situation, which verified the effectiveness of the model and can provide new ideas for

the safety management of chemical industry park.

Key words: Chemical park; Interval analytic hierarchy process; Set pair theory; Cloud model

.. All Rights Reserved.

本文标签： 风险园区化工评估模型