作者：何山、施世良、林志军、卢毅、李贺
单位：湖南科技大学资源、环境与安全工程学院，湘潭411201，中国
摘要
化学工业园区（CIPs）中的多米诺效应可能导致严重事故和巨大的经济损失。在预防CIPs中多米诺效应的安全投资方面，传统方法在定量分析、动态控制和预测能力方面存在不足。本研究基于蒙特卡洛模拟、改进的G1熵权重方法和系统动力学（SD）理论，提出了一种优化的安全投资决策方法，以降低CIPs中的多米诺风险。此外，还计算了CIP中多米诺事故可能造成的潜在经济损失，这些信息结合安全投资和降低的多米诺风险，为决策者提供了指导。结果表明，安全评估投资是降低多米诺风险的最重要因素，其次是应急管理和防护设备投资。根据SD模拟得到的最优比例增加安全投资，可以显著降低CIPs中的多米诺风险。此外，该模型的可行性已通过中国湖南省一个CIP的实际数据得到验证。所提出的优化决策模型能够动态预测不同投资策略下的结果，使管理者能够精确分配资源，有效预防或减轻多米诺风险。
引言
工业时代的进步导致了化学产业集群的扩张和集中，从而加剧了潜在危险的严重性。一旦化学工业园区（CIP）发生事故，相邻企业之间的相互作用可能会引发多米诺效应[1][2][3]，可能导致大规模人员伤亡、重大经济损失和严重环境污染[4,5]。根据2000年至2023年的事故调查报告不完全统计，中国CIPs共发生了41起重大事故。其中，由多米诺效应引起的人员伤亡比其他因素造成的伤亡更为严重，占总数的40.1%[7]。因此，针对CIPs中多米诺效应的安全投资对于最小化事故的范围和严重性至关重要。
关于化学工业中多米诺效应的研究主要集中在事故概率分析和风险评估上。Cozzani等人[8]建立了一种系统分析方法来评估初始事故概率。Al-shanini等人[9]提出了化学工业的动态顺序事故建模系统（DSAMS），支持对事故升级概率的深入分析。Abdolhamidzadeh等人[10]引入了Freedom模型来评估多米诺效应，并使用算法和数学工具计算事故概率。Ahmed等人[11]应用蒙特卡洛模拟分析了工业事故和多米诺事故及其影响概率。Khakzad等人（2015年）利用动态贝叶斯网络识别多米诺效应网络中最可能的事故序列，并根据不同时间间隔的观察结果更新概率估计。Kourniotis等人[13][14][15]根据过去事故的统计数据绘制了多米诺效应的社会风险曲线。Cozzani等人[16]将最初为多米诺效应设计的定量风险评估方法扩展为评估NaTech风险的框架。
此外，一些学者根据他们的研究提出了预防或减轻多米诺效应的措施。Bernechea等人[17]和Khakzad等人（2015年）通过分析和评估不同布局方案中的多米诺风险来优化设施布局。Khan等人[19]基于多米诺效应的定量风险评估方法开发了Domifect软件，以辅助决策过程。Reniers等人[20][21]利用博弈论模型分析了CIPs中企业之间的投资决策过程，以预防多米诺效应。他们还提出了Hazwim框架，该框架整合了危险与操作性（HAZOP）分析、假设分析（What-If分析）和风险矩阵，旨在促进CIPs中的企业间合作，共同预防外部多米诺效应。Zhou等人[22]使用事件序列图建模和基于Petri网的仿真提出了火灾引发的多米诺事故的应急措施。Zhang等人[24]设计了一个离散岛屿模型，以限制CIPs或企业内部危险源的扩散。
尽管对化学工业中的多米诺效应进行了大量研究，但针对CIPs中多米诺风险的安全措施和投资仍然不足。由于CIPs中安全投资的滞后性和长期性，许多企业的高层决策者过于关注法律合规性。因此，安全投资的资金往往有限，难以在所有方面实现最佳的安全效果。这需要在预算受限的情况下，优化多米诺风险的安全投资分配。近年来，系统动力学（SD）越来越多地应用于解决各种研究领域中的复杂和动态挑战[26][27][28]。与传统方法不同，SD从整体角度考虑了复杂系统的结构、功能和行为之间的动态关系。它提供了一种合理的方法来评估随时间的变化，并作为模拟和动态分析的有效工具[29]。许多研究[30][31][32]使用SD建模来支持电网企业的安全投资决策。此外，McAlister等人[33]还采用多层次系统动力学方法对美国佛罗里达州坦帕市的移动性和水利基础设施系统进行了建模。
基于SD理论，本研究提出了一种用于预防CIPs中多米诺效应的安全投资决策模型（图1）。SD、蒙特卡洛模拟和改进的G1熵权重方法的结合，实现了从“静态、单向、技术性”分析到“动态、交互式、整体性”分析的飞跃。SD提供了宏观和动态的因果视角，将关键投资等子系统纳入统一框架，揭示了可靠性的内在演变机制。改进的G1熵权重方法构建了一个动态且全面的评估模型，结合了专家的先验知识和系统输出的不确定性，得出了更科学合理和现实的指数权重，确保了SD参数的客观性。蒙特卡洛模拟能够对多米诺事故风险进行定量评估。这种综合方法为管理者提供了动态的、概率性的、系统导向的决策洞察，超越了传统的技术分析。它支持识别关键干预点、评估政策韧性，并实现了从被动维护到主动风险管理的范式转变。该模型能够根据CIPs的实时数据动态更新，预测安全投资的影响，并优化资源分配，有效减轻多米诺效应。
G1改进的熵权重方法
序列关系分析方法（G1方法）通过基于专家评估对指标进行排序来解决复杂的决策问题（Xie等人，2021年）。该方法源自复杂系统理论，主要用于解决具有序数关系的决策问题。它将复杂的决策问题表示为决策事件的顺序组合。在m个评估指标和n个评估对象中，相对重要性比率...
经济损失评估
CIPs中事故的不确定性使投资者产生“赌徒心态”，他们往往不愿意投入大量资源来预防可能不会发生的事故[42]。追求利润最大化往往导致安全投资不足和决策挑战。提高管理者对事故成本和安全相关支出的认识对于应对这些挑战至关重要[43]。因此，本研究对事故进行了经济损失评估...
CIP中的一个例子
在调查了CIP中的化学设施（例如，危险材料的数量、单元类型等）后，选择了故障概率高和/或危险材料库存大的单元作为主要研究对象[48]。火灾或爆炸被认为是多米诺效应的主要触发因素，其中关键的升级向量包括热辐射、超压和碎片。然而，由于对碎片破坏机制建模的不确定性...
讨论
本研究构建了一个用于CIPs安全投资的SD模型。该模型包括四个子系统：安全培训、安全防护、安全评估和应急管理，不是一个固定模型，而是一个可适应的建模框架。这四个核心子系统适用于所有园区。但是，可以根据特定园区的数据和专家判断来估计和调整模型参数...
结论
本研究引入了蒙特卡洛模拟来分析CIPs中的多米诺事故并评估相应的经济损失。此外，基于2000年至2024年CIPs中多米诺事故的调查，定义了SD模型的边界，并使用改进的G1熵权重方法确定了模型参数。在此基础上，提出了一种针对CIPs中多米诺事故的动态综合安全投资决策方法。最后...
未引用参考文献
[6,12,18,23,25,34,36,37,40,41,50]
CRediT作者贡献声明
何山：撰写——原始草案、方法论、数据整理。施世良：撰写——审阅与编辑。林志军：可视化。卢毅：验证。李贺：监督。
