基于DEMATEL-ANP+Z-numbers方法的核安全文化评价研究

李鹏程,许 倩,王 烨

(南华大学 资源环境与安全工程学院,湖南 衡阳 421001)

自国际核安全咨询组(INSAG)首次提出核安全文化的定义后,核能领域尤其是核电厂安全文化的建设取得了长足进步,推动核电厂的安全业绩不断提升。我国的核电厂非常重视核安全文化建设,开展了大量实践探索,取得了重要成效。但是,由于核安全文化建设的复杂性,可能存在核安全文化要素建设不良的情况。核电人因事件分析表明,核安全文化是引起人因失误的重要原因之一。核电厂是一个复杂的人—机—环境系统,为防止出现安全问题,仅靠管理和技术不够,还需提高人的行为安全水平,加强核安全文化建设提高人员的核安全意识、改善安全思想、规范安全行为等。因此,如何进一步提高核安全文化建设水平已经成为广受关注的问题。

在指标体系设计方面,国际以及各国组织机构都有相关研究,比如国际原子能机构(IAEA)从5个方面构建37项具体评价指标体系①,世界核电运营者协会(WANO)从3个大类构建包含10个特征和40个具体属性的指标体系②,美国核管会(NRC)采用WANO核安全文化的40个具体属性作为指标对核安全文化进行评估③,我国生态环境部核与辐射安全中心制定了中国核设施的核安全文化检查指标[1]等。此外也有诸多学者进行了探讨,如HAN S M选择了适合核电厂运行组评估的36个核电厂基本工作单元作为评价指标[2],李鹏程等基于人因理论建立核安全文化评估指标体系[3],王亦虹以企业决策层、管理层和执行层为主体,结合外部环境和内部环境因素建立了评价指标体系[4],DOS SANTOS GRECCO C H提出一种基于发展安全文化所需的6个要素建立能够预测组织安全绩效变化的安全绩效指标体系[5],Zwetsloot G基于工艺安全建立与工艺安全文化和工艺安全绩效相关的14个维度的评价指标体系等[6]。

在评价方法方面,DOS SANTOS GRECCO C H等人提出一种提高放射性设施安全绩效的安全文化评估模糊模型,利用模糊集理论评估核安全文化[5]。KHAKPOUR等人提出一种基于模糊推理系统的安全绩效评估模型来评估组织的安全绩效[7]。李鹏程等通过调查和访谈,从人因视角建立详细的核安全文化评估体系,运用Z-number进行核电厂安全文化评估[3]。李闯等提出一种基于模糊贴近度的核电组织安全文化评估方法并进行实证研究[8]。田水承等提出基于网络层次分析法(ANP)的企业安全文化模糊综合评价法,运用ANP法确定权重并结合模糊评价法构建了评价模型[9]。时照等人开发了安全文化定量分析系统对安全文化进行在线评估等[10]。

核安全文化评估是一个复杂的系统工程,上述文献针对核电厂安全文化的指标体系设计不够全面和具体,各具体指标并非完全独立,存在相互影响关系,使得具体指标权重的确定不够精确。同时已有的评估方法没有考虑评估结果的置信度,从而导致评估结果不够精准。因此,建立更为客观合理的评估方法对于更精准评估核电厂核安全文化建设水平具有重要的研究价值。

为了克服上述问题,本文通过核电厂安全文化相关文献分析并结合核电厂的特点,建立更为合理和具体的核安全文化评估指标体系,构建一种DEMATEL-ANP+Z-numbers的综合评估方法。DEMATEL-ANP方法考虑了指标体系的非独立性,Z-numbers方法有效解决专家评价的主观性、模糊性和不确定性以及考虑了评估结果的置信度问题,从而有利于提高评价结果的可靠性和精准度,为核电厂安全文化评估提供理论指导。

一 核安全文化评价指标体系

根据IAEA的《开展安全文化自评估》④中提到的安全文化冰山模型以及《在核活动中培育安全文化》⑤中提到的安全文化通用评估模型,结合IAEA的《核电安全:调试和运行》⑥、《核电厂的运营组织》⑦、《核电项目运行前各阶段的安全文化》⑧、《核电厂维修的安全文化》⑨以及相关文献,运用合并同类下级指标,抽象地进行具体分解,减少交叉重复并以尽可能可测量的原则来确定指标体系,我们建立了核电厂运行阶段安全文化评价指标体系的三个层次,包括一级指标、二级指标和三级指标。由于冰山模型提出安全文化包括可见的人致表象(Artifacts)以及不可见的价值观(Values)和基本假设(Basic assumptions),人致表象主要包含可见的系统(Systems)和行为(Behaviors),表现为绩效指标(Performance indicators)和安全结果(Safety outcomes),价值观主要涉及个人的行为准则(Norms)、态度(Attitudes)与信念(Beliefs),基本假设主要指对现实世界的共同理解,是做出行为响应的基础,能够对安全文化进行较好地阐释。另外,核电厂安全运行涉及复杂的人—系统—环境,因此,针对核电厂运行阶段的安全文化特点,本文选取价值观、行为、系统和环境作为一级指标,二、三级指标则基于一级指标进一步细分。

具体分类为:一级指标(A)包括价值观A1、行为A2、系统A3、环境A4四个维度;二级指标(B)由决策层价值观B1、管理层价值观B2、执行层价值观B3、决策层行为B4、管理层行为B5、执行层行为B6、设备系统B7、责任体系B8、培训体系B9、管理体系B10、审查制度B11、工作环境B12、社会环境B13共13个指标组成;三级指标(C)共61个,是具体反映核电运行安全文化发展水平的主要因素,见图1所示。

图1 核安全文化评价指标体系

二 核安全文化定量评价方法

(一)确定核安全文化指标的权重

由于构建的指标体系非完全独立,或多或少存在相互影响关系,而决策试验和评价实验法(Decision-making Trial and Evaluation Laboratory,DEMATEL)能确定指标之间的相互影响关系。网络层次分析法(Analytic Network Process,ANP)是针对非独立因素基于网络结构的决策方法,该方法考虑到了各因素之间的相互影响,并通过综合分析获得权重。因此,将DEMATEL与ANP结合既可识别指标之间的影响关系,又可获得指标权重。依据构建的核安全文化评价指标体系设计调查问卷并进行调查。本次共邀请从事核安全文化研究和核电厂有经验的安全管理专家12名,发放问卷24份,包括指标体系影响关系和影响程度调查12份、指标体系相对重要性调查12份,回收有效问卷24份。采用SPSSAU进行DEMATEL分析,得到指标之间的相互影响关系,见图2所示。采用超级决策(Super Decision,SD)软件进行指标权重的计算,获得二、三级指标权重,结果见图3和图4,并得到最终结果见表1所示。

表1 各级指标权重

图2 指标网络层次结构模型

图3 二级指标权重

图4 三级指标权重

(二)核安全文化综合评价

由于核安全文化各指标所处状态水平难以精准定量评估,需要专家判断,而专家评估存在主观性、模糊性和不确定性,因此,采用Z-Numbers(Z数)方法可克服上述不足。ADEH L A在2011年提出了Z数的概念[11],以模糊评判和置信度的方式来表征不确定、不精确和不完整的信息。Z数由A和B两部分组成,记为Z=(A,B),其中第一部分A是对于不确定变量X的模糊限制,第二部分B是对于第一部分的可靠性度量。具体步骤包括:

1.确定Z数方法下的指标模糊评价等级

考虑到评估的模糊性,将Z-numbers中等级变量的约束值(或状态等级值)A及其可靠度(或置信度)B用语言变量描述。约束值A选用梯形模糊隶属度函数,可靠度B选用三角模糊隶属度函数,并基于7分制语言变量的转化规则将A部分转化为梯形模糊数[12];B部分基于5分制语言变量转化规则[13]转化,分别见表2和表3。比如,如果核电厂安全文化评估专家对某三级指标的评价结果为(一般、非常高),则可(M,VH),利用相应隶属函数可将其表示为数值形式为(0.4,0.5,0.5,0.6),(0.7,1,1)。

表2 约束部分语言变量和梯形模糊数转化规则

表3 可靠性语言变量与三角模糊数转化规则

2.Z数转化为综合模糊数

本文在经典模糊集理论[14]的基础上,运用KANG B等人提出的Z数和经典模糊数之间的转化方法将Z数转化为综合模糊数[15]。基本思路是:首先将Z数第二部分(可靠性部分B)通过去模糊化的方式化为精确值a,然后将该精确值以权重的方式乘以约束限制部分A,最后得到综合模糊数。具体操作步骤如下:

步骤一:利用重心法将可靠性部分B转化为确切值。

假设Z=(A,B)为一个Z数,其中A是对于变量X的约束限制,且隶属函数为{A=(x,μa)|x∈[0,1]},B是对于约束限制可靠性的描述,其隶属函数为{B=(x,μb)|x∈[0,1]}。本文假设Z数的第一部分A为梯形模糊数,表示为A=(a1,a2,a3,a4),Z数的第二部分B为三角模糊数,记为B=(b1,b2,b3)。采用重心法将可靠性部分化为精确值,见公式(1)[15]:

(1)

对于三角模糊数,重心计算公式(2)如下:

(2)

步骤二:将Z数中约束部分A转化为综合模糊数。

利用公式(2)将可靠性部分B转化为精确值α加乘到约束部分A,转化为不规则模糊数。模糊期望近似不变规则将不规则模糊数转化为综合模糊数,加权后的Z值(综合模糊数)见公式(3):

Zα={(x,μAα|μAα(x)=αμA(x),x=[0,1]}

(3)

如果A是一个梯形模糊数A=(a1,a2,a3,a4),那么Z的计算公式(4)如下:

(4)

例如,Z=(A,B),约束部分A为“非常好(VG)”(A=VG),可靠性B为“高”(B=H),由表2和表3可知,Z数可表示为:

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

根据上述公式可得,加权Zα的值为:

同理可得表2和表3中的所有元素两两组合,经加权后得到综合模糊数,见表4。

表4 Z数转化为综合模糊数

3.将综合模糊数转化为Z数的精确值

基于SHEN K等人提出的梯形模糊数的去模糊化方法[16],将模糊数Zα=(α1,α2,α3,α4)转化为精确值A,公式如下:

(5)

根据具体指标Ci的权重值W和Z数的精确值A,计算出考虑指标权重的核安全文化三级评价指标的综合评估值R,公式如下:

R=∑ACiWCi

(6)

4.确定核安全文化水平等级

为了确定核安全文化等级水平,本文采用10级评语建立核安全文化指标分级标准,即:V={绝对低、极低、较低、低、中、高、较高、很高、极高、绝对高}={V1,V2,V3,V4,V5、V6、V7、V8、V9、V10}。结合区间0-1,采用三角模糊隶属度函数表示核安全文化水平等级,见图5。最终运用最大隶属度原则确定评价结果的等级。三角模糊隶属度函数表达式如下所示(以V2为例):

图5 核安全文化水平等级的隶属度函数

(7)

四 应用实例

以某核电厂为研究对象,基于前面构建的核安全文化指标体系设计调查问卷,共18名有经验的核电厂人员参与调查(包括调试人员、运行人员、安全管理人员以及维修人员),回收有效问卷18份,具体数据统计和分析过程如下:

第一,调查得到核安全文化各具体指标的评估结果(A,B)用语言值表示,见表5(由于篇幅有限,只给出部分数据,下同)。

表5 语言描述的评价矩阵(部分)

第二,将Z数转化为综合模糊数。运用重心法将可靠性B转化为确切数α,将可靠性B的确切数α乘以约束部分A,再转化为综合模糊数。将语言值转化为数值形式,见表6所示。

表6 数值描述的评价矩阵(部分)

第三,将综合模糊数去模糊转化为精确数。运用梯形模糊数的去模糊化方法,将模糊数转化为精确值,见表7。

第四,各指标综合得分。求取18位参与评估的人员对各指标评分的均值,得到未加权指标评分,见表8。基于式(6),将DEMATEL-ANP方法求得的三级指标权重(表1)与评价指标的Z值的精确值相乘得到综合评分,见表9,同理可得上级指标的综合评价结果,见表10。

表8 未加权评价指标模糊值

表9 三级指标综合评价得分

表10 一、二级指标以及综合评价得分

第五,利用条形—折线组合图将指标评价结果进行显示,见图6—图8所示。图中“理想得分”是指当评估得分为最高时的分数,“实际得分”是指对该核电厂进行评估的实际得分,该图可以反映出核安全文化建设各环节与理想的核安全文化建设各环节的差距。

图6 三级指标评价结果

第六,由以上结果可知,该核电厂核安全文化水平综合评分为0.671分,由图5可知,该核电厂的核安全文化水平属于V6(高)的隶属度为0.29,属于V7(较高)的隶属度为0.71,因此,该核电厂的核安全文化水平处于V7,即核安全文化水平“较高”。另外,由表9和图6三级指标综合评估得分可知,三级指标综合得分大部分集中在0.65—0.75之间,但有少部分指标得分低于0.60,包括C10(核风险认知),C13(质疑态度),C19(谨慎决策),C20(传递经验),C27(持续学习),C31(人机界面),C56(信任氛围),C57(质疑氛围)等,这些指标相对来说是核安全文化指标体系中的薄弱点,需要重点关注和提升。同理,由表10和图7、图8可知,二级指标中的设备系统、管理层行为、执行层价值观等指标得分较低,一级指标中相对来说,行为和价值观的得分较低,需要进一步提升。

图7 二级指标评价结果

图8 一级指标评价结果

四 结 论

核安全文化水平的高低对于确保核电厂的安全运行至关重要,为了更精准评估核电厂安全文化水平,本文构建了具体的核安全文化评价指标体系,并提出一种混合的DEMATEL-ANP+Z-numbers核安全文化评价方法,得到如下结论:

第一,基于核安全文化冰山模型,结合国内外文献研究,本文建立了以价值观、行为、系统、环境4个一级指标,决策层价值观、管理层价值观、执行层价值观、决策层行为、管理层行为、执行层行为、设备系统、责任体系、培训体系、管理体系、审查制度、工作环境、社会环境共13个二级指标,以及61个因素为三级指标的核安全文化评价指标体系,指标体系的构建全面具体。

第二,传统方法(如层次分析法)没有考虑指标之间的相互影响关系,故构建DEMATEL-ANP来确定指标的权重系数,考虑专家评估的主观性、模糊性和不确定性,采用Z-numbers评价方法来进行定量评价,两者综合提出一种基于DEMATEL-ANP+Z-numbers方法的核安全文化评价模型,克服了传统方法的不足,使评估结果更为精准。

第三,针对某具体核电厂进行应用,得出该核电厂核安全文化水平综合评分为0.671分,处于“较高”阶段,同时得到该核电厂核安全文化的具体薄弱之处,包括人机界面、质疑态度、谨慎决策等诸多方面。

尽管本文所建立的方法有诸多优点,但由于受各种客观原因的限制,调查的样本有限,可能对指标体系的权重确定和评估结果的精确度有一定的影响,但不会影响总体的趋势和分布。

注释：

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

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

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

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

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

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

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

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

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