基于DEMATEL-ANP+Z-numbers方法的核安全文化評價研究

李鵬程,許 倩,王 燁

(南華大學 資源環境與安全工程學院,湖南 衡陽 421001)

自國際核安全咨詢組(INSAG)首次提出核安全文化的定義后,核能領域尤其是核電廠安全文化的建設取得了長足進步,推動核電廠的安全業績不斷提升。我國的核電廠非常重視核安全文化建設,開展了大量實踐探索,取得了重要成效。但是,由于核安全文化建設的復雜性,可能存在核安全文化要素建設不良的情況。核電人因事件分析表明,核安全文化是引起人因失誤的重要原因之一。核電廠是一個復雜的人—機—環境系統,為防止出現安全問題,僅靠管理和技術不夠,還需提高人的行為安全水平,加強核安全文化建設提高人員的核安全意識、改善安全思想、規范安全行為等。因此,如何進一步提高核安全文化建設水平已經成為廣受關注的問題。

在指標體系設計方面,國際以及各國組織機構都有相關研究,比如國際原子能機構(IAEA)從5個方面構建37項具體評價指標體系①,世界核電運營者協會(WANO)從3個大類構建包含10個特征和40個具體屬性的指標體系②,美國核管會(NRC)采用WANO核安全文化的40個具體屬性作為指標對核安全文化進行評估③,我國生態環境部核與輻射安全中心制定了中國核設施的核安全文化檢查指標[1]等。此外也有諸多學者進行了探討,如HAN S M選擇了適合核電廠運行組評估的36個核電廠基本工作單元作為評價指標[2],李鵬程等基于人因理論建立核安全文化評估指標體系[3],王亦虹以企業決策層、管理層和執行層為主體,結合外部環境和內部環境因素建立了評價指標體系[4],DOS SANTOS GRECCO C H提出一種基于發展安全文化所需的6個要素建立能夠預測組織安全績效變化的安全績效指標體系[5],Zwetsloot G基于工藝安全建立與工藝安全文化和工藝安全績效相關的14個維度的評價指標體系等[6]。

在評價方法方面,DOS SANTOS GRECCO C H等人提出一種提高放射性設施安全績效的安全文化評估模糊模型,利用模糊集理論評估核安全文化[5]。KHAKPOUR等人提出一種基于模糊推理系統的安全績效評估模型來評估組織的安全績效[7]。李鵬程等通過調查和訪談,從人因視角建立詳細的核安全文化評估體系,運用Z-number進行核電廠安全文化評估[3]。李闖等提出一種基于模糊貼近度的核電組織安全文化評估方法并進行實證研究[8]。田水承等提出基于網絡層次分析法(ANP)的企業安全文化模糊綜合評價法,運用ANP法確定權重并結合模糊評價法構建了評價模型[9]。時照等人開發了安全文化定量分析系統對安全文化進行在線評估等[10]。

核安全文化評估是一個復雜的系統工程,上述文獻針對核電廠安全文化的指標體系設計不夠全面和具體,各具體指標并非完全獨立,存在相互影響關系,使得具體指標權重的確定不夠精確。同時已有的評估方法沒有考慮評估結果的置信度,從而導致評估結果不夠精準。因此,建立更為客觀合理的評估方法對于更精準評估核電廠核安全文化建設水平具有重要的研究價值。

為了克服上述問題,本文通過核電廠安全文化相關文獻分析并結合核電廠的特點,建立更為合理和具體的核安全文化評估指標體系,構建一種DEMATEL-ANP+Z-numbers的綜合評估方法。DEMATEL-ANP方法考慮了指標體系的非獨立性,Z-numbers方法有效解決專家評價的主觀性、模糊性和不確定性以及考慮了評估結果的置信度問題,從而有利于提高評價結果的可靠性和精準度,為核電廠安全文化評估提供理論指導。

一 核安全文化評價指標體系

根據IAEA的《開展安全文化自評估》④中提到的安全文化冰山模型以及《在核活動中培育安全文化》⑤中提到的安全文化通用評估模型,結合IAEA的《核電安全:調試和運行》⑥、《核電廠的運營組織》⑦、《核電項目運行前各階段的安全文化》⑧、《核電廠維修的安全文化》⑨以及相關文獻,運用合并同類下級指標,抽象地進行具體分解,減少交叉重復并以盡可能可測量的原則來確定指標體系,我們建立了核電廠運行階段安全文化評價指標體系的三個層次,包括一級指標、二級指標和三級指標。由于冰山模型提出安全文化包括可見的人致表象(Artifacts)以及不可見的價值觀(Values)和基本假設(Basic assumptions),人致表象主要包含可見的系統(Systems)和行為(Behaviors),表現為績效指標(Performance indicators)和安全結果(Safety outcomes),價值觀主要涉及個人的行為準則(Norms)、態度(Attitudes)與信念(Beliefs),基本假設主要指對現實世界的共同理解,是做出行為響應的基礎,能夠對安全文化進行較好地闡釋。另外,核電廠安全運行涉及復雜的人—系統—環境,因此,針對核電廠運行階段的安全文化特點,本文選取價值觀、行為、系統和環境作為一級指標,二、三級指標則基于一級指標進一步細分。

具體分類為:一級指標(A)包括價值觀A1、行為A2、系統A3、環境A4四個維度;二級指標(B)由決策層價值觀B1、管理層價值觀B2、執行層價值觀B3、決策層行為B4、管理層行為B5、執行層行為B6、設備系統B7、責任體系B8、培訓體系B9、管理體系B10、審查制度B11、工作環境B12、社會環境B13共13個指標組成;三級指標(C)共61個,是具體反映核電運行安全文化發展水平的主要因素,見圖1所示。

圖1 核安全文化評價指標體系

二 核安全文化定量評價方法

(一)確定核安全文化指標的權重

由于構建的指標體系非完全獨立,或多或少存在相互影響關系,而決策試驗和評價實驗法(Decision-making Trial and Evaluation Laboratory,DEMATEL)能確定指標之間的相互影響關系。網絡層次分析法(Analytic Network Process,ANP)是針對非獨立因素基于網絡結構的決策方法,該方法考慮到了各因素之間的相互影響,并通過綜合分析獲得權重。因此,將DEMATEL與ANP結合既可識別指標之間的影響關系,又可獲得指標權重。依據構建的核安全文化評價指標體系設計調查問卷并進行調查。本次共邀請從事核安全文化研究和核電廠有經驗的安全管理專家12名,發放問卷24份,包括指標體系影響關系和影響程度調查12份、指標體系相對重要性調查12份,回收有效問卷24份。采用SPSSAU進行DEMATEL分析,得到指標之間的相互影響關系,見圖2所示。采用超級決策(Super Decision,SD)軟件進行指標權重的計算,獲得二、三級指標權重,結果見圖3和圖4,并得到最終結果見表1所示。

表1 各級指標權重

圖2 指標網絡層次結構模型

圖3 二級指標權重

圖4 三級指標權重

(二)核安全文化綜合評價

由于核安全文化各指標所處狀態水平難以精準定量評估,需要專家判斷,而專家評估存在主觀性、模糊性和不確定性,因此,采用Z-Numbers(Z數)方法可克服上述不足。ADEH L A在2011年提出了Z數的概念[11],以模糊評判和置信度的方式來表征不確定、不精確和不完整的信息。Z數由A和B兩部分組成,記為Z=(A,B),其中第一部分A是對于不確定變量X的模糊限制,第二部分B是對于第一部分的可靠性度量。具體步驟包括:

1.確定Z數方法下的指標模糊評價等級

考慮到評估的模糊性,將Z-numbers中等級變量的約束值(或狀態等級值)A及其可靠度(或置信度)B用語言變量描述。約束值A選用梯形模糊隸屬度函數,可靠度B選用三角模糊隸屬度函數,并基于7分制語言變量的轉化規則將A部分轉化為梯形模糊數[12];B部分基于5分制語言變量轉化規則[13]轉化,分別見表2和表3。比如,如果核電廠安全文化評估專家對某三級指標的評價結果為(一般、非常高),則可(M,VH),利用相應隸屬函數可將其表示為數值形式為(0.4,0.5,0.5,0.6),(0.7,1,1)。

表2 約束部分語言變量和梯形模糊數轉化規則

表3 可靠性語言變量與三角模糊數轉化規則

2.Z數轉化為綜合模糊數

本文在經典模糊集理論[14]的基礎上,運用KANG B等人提出的Z數和經典模糊數之間的轉化方法將Z數轉化為綜合模糊數[15]?；舅悸肥?首先將Z數第二部分(可靠性部分B)通過去模糊化的方式化為精確值a,然后將該精確值以權重的方式乘以約束限制部分A,最后得到綜合模糊數。具體操作步驟如下:

步驟一:利用重心法將可靠性部分B轉化為確切值。

假設Z=(A,B)為一個Z數,其中A是對于變量X的約束限制,且隸屬函數為{A=(x,μa)|x∈[0,1]},B是對于約束限制可靠性的描述,其隸屬函數為{B=(x,μb)|x∈[0,1]}。本文假設Z數的第一部分A為梯形模糊數,表示為A=(a1,a2,a3,a4),Z數的第二部分B為三角模糊數,記為B=(b1,b2,b3)。采用重心法將可靠性部分化為精確值,見公式(1)[15]:

(1)

對于三角模糊數,重心計算公式(2)如下:

(2)

步驟二:將Z數中約束部分A轉化為綜合模糊數。

利用公式(2)將可靠性部分B轉化為精確值α加乘到約束部分A,轉化為不規則模糊數。模糊期望近似不變規則將不規則模糊數轉化為綜合模糊數,加權后的Z值(綜合模糊數)見公式(3):

Zα={(x,μAα|μAα(x)=αμA(x),x=[0,1]}

(3)

如果A是一個梯形模糊數A=(a1,a2,a3,a4),那么Z的計算公式(4)如下:

(4)

例如,Z=(A,B),約束部分A為“非常好(VG)”(A=VG),可靠性B為“高”(B=H),由表2和表3可知,Z數可表示為:

Z=(VG,H)=[(0.8,0.9,1,1);(0.5,0.7,0.9)]

根據上述公式可得,加權Zα的值為:

同理可得表2和表3中的所有元素兩兩組合,經加權后得到綜合模糊數,見表4。

表4 Z數轉化為綜合模糊數

3.將綜合模糊數轉化為Z數的精確值

基于SHEN K等人提出的梯形模糊數的去模糊化方法[16],將模糊數Zα=(α1,α2,α3,α4)轉化為精確值A,公式如下:

(5)

根據具體指標Ci的權重值W和Z數的精確值A,計算出考慮指標權重的核安全文化三級評價指標的綜合評估值R,公式如下:

R=∑ACiWCi

(6)

4.確定核安全文化水平等級

為了確定核安全文化等級水平,本文采用10級評語建立核安全文化指標分級標準,即:V={絕對低、極低、較低、低、中、高、較高、很高、極高、絕對高}={V1,V2,V3,V4,V5、V6、V7、V8、V9、V10}。結合區間0-1,采用三角模糊隸屬度函數表示核安全文化水平等級,見圖5。最終運用最大隸屬度原則確定評價結果的等級。三角模糊隸屬度函數表達式如下所示(以V2為例):

圖5 核安全文化水平等級的隸屬度函數

(7)

四 應用實例

以某核電廠為研究對象,基于前面構建的核安全文化指標體系設計調查問卷,共18名有經驗的核電廠人員參與調查(包括調試人員、運行人員、安全管理人員以及維修人員),回收有效問卷18份,具體數據統計和分析過程如下:

第一,調查得到核安全文化各具體指標的評估結果(A,B)用語言值表示,見表5(由于篇幅有限,只給出部分數據,下同)。

表5 語言描述的評價矩陣(部分)

第二,將Z數轉化為綜合模糊數。運用重心法將可靠性B轉化為確切數α,將可靠性B的確切數α乘以約束部分A,再轉化為綜合模糊數。將語言值轉化為數值形式,見表6所示。

表6 數值描述的評價矩陣(部分)

第三,將綜合模糊數去模糊轉化為精確數。運用梯形模糊數的去模糊化方法,將模糊數轉化為精確值,見表7。

第四,各指標綜合得分。求取18位參與評估的人員對各指標評分的均值,得到未加權指標評分,見表8?；谑?6),將DEMATEL-ANP方法求得的三級指標權重(表1)與評價指標的Z值的精確值相乘得到綜合評分,見表9,同理可得上級指標的綜合評價結果,見表10。

表8 未加權評價指標模糊值

表9 三級指標綜合評價得分

表10 一、二級指標以及綜合評價得分

第五,利用條形—折線組合圖將指標評價結果進行顯示,見圖6—圖8所示。圖中“理想得分”是指當評估得分為最高時的分數,“實際得分”是指對該核電廠進行評估的實際得分,該圖可以反映出核安全文化建設各環節與理想的核安全文化建設各環節的差距。

圖6 三級指標評價結果

第六,由以上結果可知,該核電廠核安全文化水平綜合評分為0.671分,由圖5可知,該核電廠的核安全文化水平屬于V6(高)的隸屬度為0.29,屬于V7(較高)的隸屬度為0.71,因此,該核電廠的核安全文化水平處于V7,即核安全文化水平“較高”。另外,由表9和圖6三級指標綜合評估得分可知,三級指標綜合得分大部分集中在0.65—0.75之間,但有少部分指標得分低于0.60,包括C10(核風險認知),C13(質疑態度),C19(謹慎決策),C20(傳遞經驗),C27(持續學習),C31(人機界面),C56(信任氛圍),C57(質疑氛圍)等,這些指標相對來說是核安全文化指標體系中的薄弱點,需要重點關注和提升。同理,由表10和圖7、圖8可知,二級指標中的設備系統、管理層行為、執行層價值觀等指標得分較低,一級指標中相對來說,行為和價值觀的得分較低,需要進一步提升。

圖7 二級指標評價結果

圖8 一級指標評價結果

四 結 論

核安全文化水平的高低對于確保核電廠的安全運行至關重要,為了更精準評估核電廠安全文化水平,本文構建了具體的核安全文化評價指標體系,并提出一種混合的DEMATEL-ANP+Z-numbers核安全文化評價方法,得到如下結論:

第一,基于核安全文化冰山模型,結合國內外文獻研究,本文建立了以價值觀、行為、系統、環境4個一級指標,決策層價值觀、管理層價值觀、執行層價值觀、決策層行為、管理層行為、執行層行為、設備系統、責任體系、培訓體系、管理體系、審查制度、工作環境、社會環境共13個二級指標,以及61個因素為三級指標的核安全文化評價指標體系,指標體系的構建全面具體。

第二,傳統方法(如層次分析法)沒有考慮指標之間的相互影響關系,故構建DEMATEL-ANP來確定指標的權重系數,考慮專家評估的主觀性、模糊性和不確定性,采用Z-numbers評價方法來進行定量評價,兩者綜合提出一種基于DEMATEL-ANP+Z-numbers方法的核安全文化評價模型,克服了傳統方法的不足,使評估結果更為精準。

第三,針對某具體核電廠進行應用,得出該核電廠核安全文化水平綜合評分為0.671分,處于“較高”階段,同時得到該核電廠核安全文化的具體薄弱之處,包括人機界面、質疑態度、謹慎決策等諸多方面。

盡管本文所建立的方法有諸多優點,但由于受各種客觀原因的限制,調查的樣本有限,可能對指標體系的權重確定和評估結果的精確度有一定的影響,但不會影響總體的趨勢和分布。

注釋：

①參見Application of the Management System for Facilities and Activities. Vienna: International Atomic Energy Agency, 2006.

②參見 Traits of a Healthy Nuclear Safety Culture. Atlanta: WANO, 2014.

③參見 Safety Culture Common Language. Maryland: NRC, 2013.

④參見Performing Safety Culture Self-assessments. Vienna: International Atomic Energy Agency, 2016.

⑤參見Developing Safety Culture In Nuclear Activities-Practical Suggestions to Assist Progress. Vienna: International Atomic Energy Agency, 1998.

⑥參見Safety of Nuclear Power Plants: Commissioning and Operation. Vienna: International Atomic Energy Agency, 2016.

⑦參見The Operating Organization for Nuclear Power Plants. Vienna: International Atomic Energy Agency, 2001.

⑧參見Safety Culture in Pre-operational Phases of Nuclear Power Plant Projects. Vienna: International Atomic Energy Agency, 2012.

⑨參見Safety Culture in the Maintenance of Nuclear Power Plants. Vienna: International Atomic Energy Agency, 2005.