基于模糊層次分析的合成氨裝置安全現狀評價

摘要：以合成氨裝置安全現狀評價為目的，結合“人—機—環境—管理”系統思想將影響合成氨裝置安全現狀的因素，分為工藝條件、員工素質、設備安全可靠度、職業衛生和安全管理等5大類和21小類。運用模糊數學方法對層次分析法進行改進，確定各指標因素的權重，構建合成氨裝置安全現狀綜合評價模型，并運用該模型對某合成氨裝置安全現狀進行綜合評價。結果表明：該評價方法可以有效地對合成氨裝置安全現狀進行綜合評價。

關鍵詞：模糊層次分析；安全現狀；模糊綜合評價；合成氨

中圖分類號：X937文獻標志碼：A

[WT]文章編號：1672-1098（2012）04-0060-07

作者簡介：劉維（1986-），男，安徽來安人，在讀碩士，研究方向：安全評價技術與方法。

安全現狀評價是掌握企業生產安全狀況綜合等級的一種有效方法。近年來，為使得安全現狀評價結果更客觀、更準確，相繼提出一些安全現狀綜合評價方法。文獻[1]提出了“安全檢查表—危險指數的計算、分級與評估—系統安全分析”的評價模式，對安全狀況的等級采用危險指數法確定。文獻[2]針對石化企業提出了一種基于熵技術的安全模糊綜合評價模型。文獻[3]介紹了一種石化企業在役裝置的安全評價方法——美國達信風險評價，該方法能夠確定裝置的風險等級。文獻[4]運用基于層次分析-模糊綜合評判的方法對電解車間安全現狀評價進行了研究。

合成氨工藝被列為首批重點監管的危險化工工藝，合成氨生產過程具有高壓、高溫、深冷、連續化、大型化的特點，原料和產品大多為易燃、易爆、有毒、有害物質，與其他行業生產相比，合成氨生產過程涉及的危險有害因素較多，如果操作失誤或設備管理不善、年久失修等，這些危險有害因素就會轉變為各種事故，危及人們的生命安全同時會造成財產損失，甚至會造成嚴重的環境污染。

合成氨生產工藝復雜，涉及的危險因素多，因此影響合成氨裝置安全因素是多方面的，涵蓋員工素質、工藝過程、生產設備、職業衛生和安全管理，每個因素的權重決定了對裝置安全現狀的影響程度，而各種因素又受其隸屬因素的影響，因素相互關聯、相互制約構成了一個復雜系統，具有一定的模糊性和隨機性。

基于模糊層次分析的安全現狀綜合評價方法，適應了合成氨裝置安全狀況模糊性和隨機性的特點。本文在分析合成氨裝置安全現狀綜合評價指標體系的基礎上，運用模糊層次分析的指標權重確定方法和模糊綜合評判理論，提出了一種合成氨裝置安全現狀綜合評價方法，并應用于本地某合成氨裝置的安全現狀綜合評價中，取得了較好的效果。

1安全現狀綜合評價模型構建

通過對本地某化工企業合成氨裝置的調查，并參考大量化工企業安全評價文獻[4-8]，建立了合成氨裝置安全現狀綜合評價模型。

1.1評價流程

根據模糊層次分析法確定各指標因素對于裝置安全的影響權值，采用模糊數學方法構建各影響因素對合成氨裝置安全現狀評價的隸屬函數，然后進行綜合評判，判斷分析安全現狀（見圖1）。

1.2評價指標體系的確立

建立安全現狀綜合評價指標體系時，要借鑒和參考系統理論和已有研究者的研究成果，反復研究，形成比較科學的評價指標體系。本文將合成氨裝置安全現狀指標體系分為兩個層次。第一層包括工藝條件、員工素質、設備安全可靠性、職業衛生和安全管理，第二層次由第一層次指標分解組成（見圖2）。

1.3模糊層次分析確定各指標權重

指標權重的確定方法有很多，如德爾菲法、相對比較法、最優權法、熵值法等[9]，每種方法都有各自的適用范圍和優缺點。但這些都不能直接用于合成氨裝置安全現狀評價指標權重的確定，因為它不能直接通過定量計算確定，需要經過一個從定性到定量的轉換過程。層次分析法就是一種很好的選擇，但是其應用有一定的局限性。層次分析法采用1～9的整數及其倒數作為標度來構造判斷矩陣，確定的數字表示評價者的主觀判斷，因此忽略了主觀判斷的模糊性。而且層次分析法建立判斷矩陣后，對判斷矩陣的一致性檢驗困難[10]。

為了克服上述困難和局限性，文獻[11]將模糊理論與層次分析法結合起來，提出了模糊層次分析方法。該方法具有簡單、實用、系統性強的特點。在構造判斷矩陣時，利用模糊化得到模糊權重，再將模糊判斷的不確定性轉換為確定性[12]。

為了考慮極限情況，采用11個等級的“0～1”標度[13]（見表1）。

有了定量的標度，就容易通過比較得出模糊評判矩陣

模糊判斷矩陣的一致性反映了人們思維判斷的一致性，但在實際決策分析中，由于所研究問題的復雜性和人們認識上可能產生的片面性，使初步得到的判斷矩陣常常是不一致的，這時需要進行變換以獲得模糊一致矩陣。變換的原則是以符合專家的判斷習慣為前提，在盡可能多地保留原判斷矩陣信息的基礎上，使變換過程盡可能簡便、易操作和計算量小。

利用文獻[14]提出的經過文獻[13]參數修正后的轉換公式把模糊互補矩陣變換為模糊一致矩陣。

1.4建立評語集與模糊關系矩陣

評語集是評價者對評價對象做出的各種總的評價結果的集合。評價等級分為：很安全、較安全、一般安全、較不安全、不安全。設V為評價等級構成的評價集合：V={V 1，V 2，…，V p}分別表示由高到低的各級。

獲得各層次權重后，分別對各底層指標進行專家打分和無量綱化處理，利用隸屬函數進行模糊化，然后形成模糊關系矩陣D。

然而指標因素既有定性因素，也有定量因素，對于不同因素，應采取不同的方法確定各自的隸屬度[15]。

1）定量指標的隸屬度確定。求解定量指標隸屬度的思路是選定各指標的合理取值范圍，應用模糊數學的方法來建立各個指標具體的隸屬函數，將各指標的具體值帶入相應的隸屬函數得到隸屬度[16]。

2）定性指標的單因素評價方法。對于定性指標，通常采用專家打分再綜合取值的辦法，然后采用5個檔次的評語集。一些已經量化分析的指標也可能因為統計數值等原因而降低評價的準確性，可采用定性與定量相結合的辦法[16]。

3）確定單因素模糊評價矩陣。綜合上述定量與定性指標的評判結果，可得到模糊關系矩陣D=[d 1d 2…d n] T

1.5模糊綜合評價

在求出因素權重集W和評價因素隸屬度評價矩陣D后，即可求出綜合評價結果B=W*D=（b 1，b 2，…，b p），即：

評價結果B是V的一個模糊子集，而b j的大小反映了評價對象屬于評語集V j的程度。其中“*”表示模糊變換算子符號，在這里采用加權平均算子M（*，），該算子的優點是體現權重明顯，綜合度高，利用R信息充分。

得到評價結果之后，可以按照最大隸屬原則確定評價對象的具體等級，即取與最大的評價指標maxb j相對應的評語集V j為評價結果。

2應用實例

結合本地一合成氨車間實際情況，運用模糊層次分析的綜合評價方法對其安全現狀進行綜合評價。

2.1評價數據的收集

某化工企業擁有兩套合成氨裝置，總氨年生產能力達到36萬t。生產工序采用焦煤、白煤以及焦爐氣為原料聯產粗甲醇和合成氨。主要設備有氨合成塔，脫硫、脫碳精煉系統，機泵和壓縮機等。搜集的相關數據如表2所示。

2.2權重計算

結合合成氨裝置安全現狀評價指標體系，運用模糊層次分析計算確定各因素重要性的權重。

U層相對于一級指標（U～Ui）的模糊判斷矩陣R為

R不是模糊一致矩陣，所以利用式（1）將其變換為相應的模糊一致矩陣，變換后的模糊一致矩陣

2.3模糊評判矩陣

結合表2數據運用定量指標隸屬函數求出各定量指標的隸屬度。運用專家打分再綜合取值的辦法確定各定性指標的隸屬度，結果如表3所示。

2.4模糊綜合評價

1）單因素評模糊評價結果。運用相關公式，計算工藝條件模糊評價結果。

同理，員工素質模糊評價結果B 2=w 2*d 2=（0.15，0.4283，0.2717，0.10，0.05）；設備安全可靠度模糊評價結果B 3=（0.23，0.34，0.3533，0.0767，0）；職業衛生模糊評價結果B 4=（0.1380，0.2465，0.2427，0.2420，0.0341）；安全管理因素模糊評價結果B 5=（0.109，0.254，0.452，0.139，0.046）

2）模糊綜合評價。由總排序權重值分配W和單因素評判矩陣B′=[B 1；B 2；B 3；B 4；B 5]T，可得到模糊層次評價結果B=W*B′=（0.2321，0.3509，0.2859，0.0971，0.0270）

2.5安全現狀綜合評價結果分析

由模糊綜合評價結果可以看出，該合成氨裝置安全現狀對應的各安全等級的隸屬度最大值為0.3509，根據最大隸屬原則確定該合成氨裝置安全現狀等級屬于較安全級別。

1）在影響合成氨裝置安全現狀的因素中，員工素質影響最為顯著，其次是工藝條件、安全管理水平和設備安全可靠度，相比較而言職業衛生影響較小。

2）由模糊綜合評價分析可知，該合成氨企業員工素質因素總體上屬于較安全級別，其隸屬度高達42.83%；工藝條件因素屬于很安全級別，隸屬度高達45.29%；該企業安全管理水平和設備安全可靠度總體上屬于一般安全級別，隸屬度分別為45.2%、35.33%。職業衛生方面屬于較安全級別，但隸屬度只有24.65%。

3）對于安全等級屬于一般安全級別的安全管理水平和設備安全可靠度，在整個評價系統中占據重要位置，因此注重針對這些因素提出合理的安全對策措施。應加強管理，完善規章制度，加大對員工的技術培訓力度，構建企業安全文化，提高設備安全可靠度，改善企業職業衛生系統，這些對于提高合成氨裝置安全現狀等級有重要意義。

3結論

1）建立合成氨裝置安全現狀綜合評價指標體系，并提出相應的安全現狀模糊綜合評價方法，能比較客觀地反映合成氨裝置的安全現狀。

2）采取模糊層次分析評價方法，將主觀判斷與客觀計算相結合，增加了權重的可信性，從而提高了安全現狀評價的科學性和可靠性。

3）根據合成氨裝置安全現狀模糊綜合評價的結果，不僅可以了解裝置的安全現狀，而且可以通過對安全等級較差的指標的進一步分析提出合理的安全對策措施，實現改善裝置安全狀況的目標。

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（責任編輯：何學華，吳曉紅）