基于層次分析-云模型的化工機械系統安全評價

付 犇，詹曉玲，雷 剛

(1.湖北聚平注冊安全工程師事務所有限公司，湖北 武漢 430012；2.湖北省應急管理宣傳教育中心，湖北 武漢 430070；3.湖北省應急救援中心，湖北 武漢 430070)

隨著我國化工企業生產規模的不斷擴大，化工企業的安全生產成為重中之重。化工企業的機械設備是完成生產任務的物資基礎，化工機械的安全工作在化工企業運作中占有重要位置[1]。據統計，1981—2019年間我國共計發生了246例較大的危險化學品事故，例如2010年江蘇原南京塑料四廠發生了火災爆炸事故,共造成22人死亡、120人受傷；2015年天津港瑞海公司危險品倉庫發生了特別重大火災爆炸事故，共造成165人死亡[2]。全國化工行業事故每年的死亡人數占安全生產事故總死亡人數的比重較大，這些典型事故的發生,充分說明我國化工行業的安全形勢較為嚴峻,必須加以重視。

化工機械系統的本質安全體現在人、機、環境、管理各個環節，在機械設備方面，由于很多化工企業單純追求利潤，盲目拼搶工期，導致機械設備超負荷運轉與長時間運轉，機械設備投入數量與繁重的生產任務不相匹配，甚至“帶病作業”，且無法做到定期檢測和維護保養，產生了安全隱患。而化工企業大部分的故障和事故都是由人為因素引起的，在操作人員方面,經常出現機械設備操作人員無證上崗的現象，缺少相關的工程崗位培訓，操作人員受技術水平的限制，在人員管理方面，當遇到機械故障或安全事故的情況下不能合理處置并及時消除故障，操作人員安全意識淡薄、自我保護能力差等；在機械設備安全管理方面，主要存在機械設備安全管理制度不完善，未及時做好設備安全檢查，沒有形成規范化的機械設備安全監管機制，機械施工安全監管制度的內容不夠完善，缺乏涉及機械使用過程、機械安全檢查、機械設備統一配置規范的內容等問題；未全面執行機械安全責任制，未派專人管理各類設備[3-5]。

目前許多學者對化工機械系統的安全問題進行了研究。如張文霞[6]探究了化工生產技術管理對于安全生產的作用；張明廣等[7]針對化工企業安全監控系統，通過量化裝置自身事故風險，提出了基于風險分布確定監控系統布局設計的方法；馮仁專等[8]研究了化工機械制造行業的安全因素，分析了在機械制造作業中所面臨的安全問題,并提出了解決方案。

安全評價是企業安全生產工作的重點，而選擇合適的評價方法是關鍵，只有針對評價系統的特點，在充分掌握現場數據并了解每種評價方法的特點和使用范圍的基礎上，選擇合適的評價方法，才能確保評價結果的合理性和可靠性。在化工企業機械系統安全評價方面，王海秀[9]運用道化學方法對某LNG加氣合建站進行了安全評價,計算了火災爆炸指數以及暴露區域半徑、面積、體積和危險等級，為站場安全管理提供了依據；閆志國等[10]運用符號有向圖對化工企業故障進行了安全評價，定性描述了過程系統故障與故障源之間的因果關系，并通過實例驗證，對未來發展趨勢進行了展望；鄒吉然等[11]運用故障樹分析方法對化工企業風險進行了識別，并制定了有效的風險防控措施。

在傳統的層次分析法中，對兩因素的重要性比較往往采用1～9標度法來表示，各指標的權重是根據判斷矩陣求解得到的，但這種判斷矩陣無法體現因素的隨機性和模糊性。云模型的云中有兩個反映因素模糊性和隨機性的參數，在采用層次分析法計算指標權重的基礎上包含了評價過程的模糊性和隨機性，使評價結果更為準確。同時，云模型可以實現定性與定量之間的轉換，能夠在一定程度上改進層次分析法完全依賴專家打分法而主觀性較強的問題。因此，本文引入云模型方法對化工機械系統進行安全評價。

1 基于層次分析法確定評價指標權重

1.1 層次分析法的基本原理

層次分析法(Analytic Hierarchy Process，AHP)是由美國運籌專家、匹茲堡大學教授薩蒂于20世紀20年代提出，目的是將多目標多方案的定性問題通過定量分析進行科學決策。該方法先將問題分解成不同層次和若干因素，根據評價標度理論，確定各級各因素的相對重要性，再進行綜合運算[12-16]。

1.2 層次分析法確定評價指標權重的基本步驟

采用AHP法確定評價指標權重的基本步驟如下：

(1) 構建遞階層次結構:層次分析模型由目標層、準則層、若干子準則層和指標層組成。目標層是分析問題的預定目標或理想結果，即建立科學、合理的安全評價指標體系；準則層是為了建立該評價指標體系的中間環節；指標層是為了建立該評價指標體系選擇的措施或決策方案。

(2) 構造判斷矩陣:以A為目標，其所支配的下一層元素為a1，a2,…,an，以aij表示元素ai與aj相對于目標的比例性標度，標度法的含義見表1[17-19]。則構造的判斷矩陣A為

(1)

(3) 一致性檢驗：建立判斷矩陣后，求出判斷矩陣的最大特征值和相應的特征向量，進而對判斷矩陣進行一致性檢驗。通過下式計算一致性指數(CI):

AX=λX

(2)

(3)

式中：A為判斷矩陣；X為判斷矩陣A對應于特征值λ的特征向量；λmax為判斷矩陣A的最大特征值；n為判斷矩陣階數。

表1 標度法的含義Table 1 Meaning of the scale method

兩兩之間比較的一致性是采用一致性比率來計算，其計算公式為

(4)

式中：RI為隨機一致性指標，隨判斷矩陣階數n的變化而變化，其取值見表2。

表2 RI與判斷矩陣階數n的關系Table 2 Relations between RI and the judgment matrix order n

當CR<0.1時，則稱判斷矩陣具有滿意的一致性；若CR≥0.1，必須返回重新進行專家評分，直到通過一致性檢驗為止。

2 云模型安全評價

2.1 云模型的定義

云模型能夠反映系統因素的模糊性和隨機性，正態云建立在正態分布和正態隸屬函數的普遍性的基礎之上，具有良好的數學性質，其期望曲線是一個正態型曲線[20-21]。

2.2 云模型的數字特征

云模型是由3個參數(期望Ex、熵En、超熵He)來表示云的數字特征的模型，見圖1。其中，云的期望Ex表示云滴在空間分布的期望值；云的熵En表示定性概念的不確定性度量，能夠反映云滴的離散程度；云的超熵He表示熵的不確定性度量，可用來描述云的厚度，云的超熵越大，云的厚度也越大。

圖1 云模型的數字特征Fig.1 Digital characteristics of cloud models

2.3 計算云相似度與安全評價

通過計算綜合云C(Ex，En,He)與各評價等級標準云Couldi(Exi,Eni,Hei)之間的云相似度δi，可確定安全水平評價等級。云相似度越大，則意味著安全水平評價結果與該評價等級越接近。云模型相似度與特征參數的評價等級，見表3[22-23]。

表3 云模型相似度與特征參數的評價等級Table 3 Evaluation grades of similarity and feature parameters of the cloud model

云相似度δi的計算步驟如下：

(1) 在綜合評價云C中生成一個以En為期望、He2為方差的正態隨機數Exk=Norm(En,He2)。

(4) 重復上述步驟(2)、(3)，直至生成n個μk，一般取n=1 000～2 000，按下式計算云相似度δi：

(5)

3 案例應用與分析

3.1 安全評價指標體系的建立

建立科學、合理的安全評價指標體系是對化工機械系統進行安全評價的關鍵。本文以武漢市某化工公司為例，根據化工企業的特點對該化工機械系統安全進行綜合評價。本文從化工機械系統的本質安全即人、機、環境、管理等各個環節，建立了包括4大類、16項指標的化工機械系統安全評價指標體系A，見圖2。

圖2 化工機械系統安全評價指標體系Fig.2 Safety evaluation index system of the chemical machinery system

3.2 采用層次分析法計算評價指標的權重

本文邀請6位安全工程領域的專家結合該化工企業現有的安全現狀對評價指標進行打分， 并根據層次分析法構建判斷矩陣A，計算各評價指標的權重。構建的判斷矩陣A為

對判斷矩陣進行一致性檢驗，計算得到CR=0.073 596<0.1，即該判斷矩陣具有滿意的一致性。

3.3 基于云模型的化工機械系統安全評價

由于影響化工機械系統的因素具有隨機性和不確定性，利用傳統的評價方法進行安全評價時具有局限性，故本文將云模型引入到該化工企業機械系統安全評價中，即采用層次分析法確定評價指標的權重，并基于綜合評價云圖確定其安全水平。運用公式并結合Matlab程序，可計算得到一級評價指標即機械本體指標A1、組織管理指標A2、環境條件指標A3、操作人員指標A4的云參數見表4，并通過正向云發生器生成評價云圖，見圖3。

表4 某化工企業機械系統安全評價一級評價指標最終評分及云向量Table 4 Final scores and cloud vectors of the first level evaluation indicators for the mechanical system safety evaluation of a chemical enterprise

圖3 某化工企業機械系統安全評價一級評價指標的評價云圖Fig.3 Evaluation cloud charts of the first level evaluation indicators for the mechanical system safety evaluation of a chemical enterprise

將得到的綜合云向量代入公式(5)，確定該化工企業機械系統安全綜合評價云模型的數字特征值為(91.087 0，3.783 2，1.670 1)，其綜合評價云圖見圖4。

圖4 某化工企業機械系統安全綜合評價云圖 Fig.4 Comprehensive evaluation cloud chart for the mechanical system of a chemical enterprise

由圖4可見，最終得到的評價云圖屬于“較好”評價等級的隸屬度最大，兩者之間的云相似度δi為0.098 6，根據最大隸屬度原則，可以判定該化工企業機械系統的安全水平為“較好”水平。

4 結論與建議

化工機械安全問題一直是應急管理的重要組成部分，對其開展有效的安全評價，有利于實現化工機械運行風險的分級管控。針對化工機械系統安全評價受多種因素影響的問題，本文從機械本體、環境條件、組織管理和操作人員4個方面構建了化工機械系統安全評價指標體系，并提出了基于層次分析-云模型的化工機械系統安全評價方法，最后通過某化工企業實例驗證了該評價方法的有效性，可為化工企業安全評價的研究工作提供參考。隨著化工行業減人化、無人化的發展趨勢，不同化工機械的任務分工和作業范圍、運行時間都存在著極大的區別，因而需要進一步深入研究適用于不同化工機械安全風險評價的方法。