基于層次分析的化工機械運行安全評價

任峰濤，胡卓華，康曉光，張妙苗

（眾誠安環（天津）科技有限公司，天津 300457）

化工企業往往為了追求高效益，使得機械超負荷工作，并且沒有準時對機械進行維護和保養，導致有些機械存在故障不能及時發現，從而給化工企業帶來重大損失。為了提高化工機械的安全性，國內學者對其進行了不同研究，比如通過監控的方式對機械設備進行實時監控，從而及時發現存在問題，或者是使用一些方式對機械進行安全評價。層次分析法由于其優勢較多，能夠將定性問題變為定量問題，對于一些復雜問題的求解具有一定作用。本文將基于層次分析對化工機械運行安全進行評價。

1 基于層次分析的安全評價模型分析

1.1 層次分析法的基本原理

層次分析法簡稱AHP，屬于一種系統評價方法，其將定性分析和定量分析相結合使用，使得復雜系統的評價過程變得數學化，有利于簡化復雜決策問題，這種評價方法更適合于決策結構難于直接準確計量的場合，比如多目標、多因素、多準則和多層次的復雜問題，通過使用層次分析法能夠簡化應用過程，是一種非常有效的方法。這種方法的優勢較多，比如思路清晰、實用性、系統性強、應用簡單、靈活性高等，所以能夠在很多領域中進行使用。

層次分析法的基本原理如下：

首先通過對復雜問題進行分析，將其劃分為目標、準則、方案等不同層次的系統，復雜問題分層之后，使用相應的準則對每一層的元素進行逐對比較，對其進行標度定量化，然后形成相應的矩陣。

（1）通過矩陣計算其正價化特征向量和最大特征值，目的在于計算出該元素對該準則的權重；

（2）通過上述計算權重方式，能夠計算出每層元素對目標準則的比重，最終即可得到問題的解；

（3）通過上述分析，層次分析也就是對復雜問題進行簡化，然后再進行綜合分析，并將定性的因素使用定量化的方式進行表述，使得該因素更加具體化、可比化，尤其適用于無結構特性的問題評價中，或者是對多目標、多時期和多準則的系統進行評價；

1.2 層次分析法的基本步驟

層次分析法的基本步驟如圖1所示，其中主要包含5個重要步驟。

圖1 層次分析法的基本步驟Fig.1 The basic steps of analytic hierarchy process

首先對問題進行詳細分析，主要分析不同問題之間的因果關系，在此基礎之上，建立層次結構，層次分析結構圖如圖2所示，其中主要包含3個層次，分別為目標層、指標層和方案層，每一個指標層都可以對其進行細分為不同的子指標層。合理的建立層次結構分析模型，有助于提高評價結果。

圖2 層次分析結構圖Fig.2 The structure diagram of hierarchical analysis

該步驟屬于層次分析法中非常關鍵的一步，主要是根據不同指標的重要程度建立矩陣。比如一共存在個指標，分別用{…A}進行表示，對不同指標進行比較，即指標A相對于指標A的重要程度為a，也被稱為比例標度值。比例標度值可以使用表1的方式的進表示。

表1 指標的比例標度值Tab.1 Proportional scale value of the index

通過經驗豐富的專家對指標進行打分，即得到比例標度值，于是可得判斷矩陣：

通過該判斷矩陣能夠知道其滿足下面公式：

層次單排序就是通過判斷矩陣，計算出相對重要度權值，然后對其進行從大到小的排序，表示的本層次中所有指標相對于上一層次的重要。計算權重的方式本文選擇比較簡單的特征值法。首先計算出最大特征值和與之相對應的特征向量，然后根據下述公式即可得到本層次指標的相對權重。

還需要對矩陣進行一致性檢驗，防止指標之間出現邏輯混亂，一致性驗證公式如下：

其中表示的是一致性指標。當計算出的值越小時，說明判斷矩陣的一致性越好，如果該值為0，則說明具有完全一致性。

兩兩之間進行比較的一致性一般情況下會使用一致性比率，一致性比率也就是一致性指標除以隨機一致性指標得到的結果，然后隨機一致性指標和判斷矩陣階數的關系如表2所示。

表2 隨機一致性指標 (RI)Tab.2 Random index (RI)

當計算的值小于0.1時，說明判斷矩陣具有滿意一致性，否則一致性不符合標準，需要對判斷矩陣進行重新調整，直至使其滿足小于0.1的要求。

通過上述步驟之后已經完成了層次單排序，然后還需要完成層次總排序，也就是從下而上逐層開始，直至計算到最高層，此時得到的排序也就是總排序。比如第-1層上的n個因素相對于中目標的重要度權值向量已經計算出來，其表達方式如下：

然后第層上的n個因素對于下一層上的每個因素重要度權值可以用矩陣W 進行表示，如下：

于是第層上的n個因素相對于總目標的重要度權值向量如下所示：

在層次總排序中進行一致性檢驗的方式和第三步中的一致性檢測差不多，但是在實際情況中，由于整體上對判斷矩陣進行一致性檢驗比較復雜，而且由于單排序時進行的一致性檢驗依據符合要求，最后在整體上獲得一致性往往也滿足要求，可以不進行層次總排序的一致性檢驗。

上述分析即為層次分析法的一般步驟。層次分析法的應用非常廣泛，但是往往需要和其他方法進行結合使用，能夠發揮其良好的使用效果。經過國內外對層次分析法幾十年的研究，該方法和不同的方法進行結合使用具有不同的應用效果。研究表明層次分析法和模糊集理論進行結合使用，能夠將邊界不清、不易量化的事件進行定量化處理。由于化工機械運行中存在不同的影響因素，對其進行安全評價屬于一個復雜問題，如果結合使用模糊集理論和層次分析法對其進行安全評價，將有助于降低問題的求解難度。本文接下來將基于層次分析法進行化工機械運行安全評價，通過實例分析，從而表明層次分析法的重要作用，能夠高效率、準確地對化工機械安全進行評價。

2 化工機械運行安全評價

化工機械的種類非常豐富，在使用層次分析法進行安全評價時，由于不同的機械設備的性能和影響因素等存在差別，在構建遞階層次結構模型時，每種化工機械的構建方式不一樣，但是使用層次分析法對不同化工機械運行安全進行評價的方式和方法大同小異。本文主要對化工機械離心泵作為研究對象，該機械屬于化工中常用的一種輸送和提升液體動力機械，通過結合使用模糊集理論和層次分析法對其進行安全評價，不僅可以分析影響離心泵運行的各種不同因素，還可以對其工作狀態進行及時了解，以防出現嚴重故障，在預防故障上具有重要作用；另外，使用層次分析法，能夠對離心泵進行綜合全面分析，能夠提高其安全評價的準確性和可靠性。

2.1 認識問題

首先對離心泵運行狀態進行了解，分析其可能出現的故障。本文將某化工公司的一套離心泵作為研究對象，分析該公司中近6年的故障數據，將其進行匯總，并且結合相關文獻資料，總結離心泵可能會出現的故障位置，并且還需要分析其發生故障的可能性。對問題有了一個深入認識之后，再對其進行安全評價，將會更有利于評價的可靠性。

2.2 構建層次結構模型

通過對離心泵的綜合分析之后，其出現故障的主要原因有3個方面，分別為離心泵的本質安全性、安全管理和水力，分析離心泵出現故障的原因，同時還需要分析出離心泵出現的各種故障結果，即對離心泵出現故障的因果進行分析，最后將分析的結果構建層次分析模型，如圖3所示。

圖3 離心泵運行層次分析模型Fig.3 Analytic hierarchy model of centrifugal pump operation

2.3 構造判斷矩陣

邀請8位關于離心泵安全研究的專家對其安全性轉進行評價指標打分，然后構建的判斷矩陣，判斷矩陣構建完成之后還需要對每個評價指標的權重進行計算，然后得到如表3所示的準則層a相對于目標層的判斷矩陣和權重，其中最大特征值為3.02，并且通過相關公式進行一致性檢測，一致性指標的結果為0.007 7，隨機一致性指標為0.013 5，結果表明滿足一致性要求。

表3 判斷矩陣及對應權重值Tab.3 Judgment matrix and corresponding weight value

使用同樣的方式分析下一層對上一層的權重分配集，并且對每一個判斷矩陣進行一致性檢測之后發現，均能夠滿足一致性要求。

2.4 綜合評價計算

在離心機運行安全狀態下面一共包含3個方面，對該層進行單排序的方式如下；

首先對安全管理評價進行分析：

針對職工素質的單因素模糊評價矩陣和權重值如下：

于是可以根據評價模糊集=·計算出如下：

根據這種計算方式得到維修管理的評價模糊集和制度的制定執行評價模糊集分別如下：

于是通過上述得到的、、，然后結合、能夠組成一個指標層的評價矩陣，如下：

參照上述方式，能夠對另外兩個方面進行計算，然后得到本質安全性評價的、、矩陣和水力的、、矩陣。然后根據上述計算的3個模糊綜合評價B即可得到離心泵系統的模糊綜合評價和權重值。最后就可以計算出評價模糊集。

2.5 確定離心泵的安全等級

表4為安全級別評價，然后根據該表可以計算出離心泵的總得分為70分，即可說明離心泵的安全狀況等級為中等。

表4 安全級別評價Tab.4 Evaluation of security level

3 結語

本文主要分析了層次分析法的步驟，然后結合模糊集理論應用到化工機械運行安全評價中。化工機械在運行過程中容易出現各種問題，如果沒有及時發現，將會造成較大的經濟損失。通過對離心泵進行安全評價，發現安全等級為中等，檢驗結果正好與其實際情況相符，所以能夠說明基于層次分析法的化工機械運行安全評價準確度較高。本文只對離心泵進行了安全評價，如果需要對其他化工機械進行安全評價，一樣可以使用該方法，并且使用方法原理相同，所以，還能夠對其他化工機械進行安全評價。