基于層次分析的化工機(jī)械運(yùn)行安全評(píng)價(jià)

任峰濤，胡卓華，康曉光，張妙苗

（眾誠安環(huán)（天津）科技有限公司，天津 300457）

化工企業(yè)往往為了追求高效益，使得機(jī)械超負(fù)荷工作，并且沒有準(zhǔn)時(shí)對(duì)機(jī)械進(jìn)行維護(hù)和保養(yǎng)，導(dǎo)致有些機(jī)械存在故障不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)，從而給化工企業(yè)帶來重大損失。為了提高化工機(jī)械的安全性，國內(nèi)學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了不同研究，比如通過監(jiān)控的方式對(duì)機(jī)械設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，從而及時(shí)發(fā)現(xiàn)存在問題，或者是使用一些方式對(duì)機(jī)械進(jìn)行安全評(píng)價(jià)。層次分析法由于其優(yōu)勢較多，能夠?qū)⒍ㄐ詥栴}變?yōu)槎繂栴}，對(duì)于一些復(fù)雜問題的求解具有一定作用。本文將基于層次分析對(duì)化工機(jī)械運(yùn)行安全進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1 基于層次分析的安全評(píng)價(jià)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(tǒng)評(píng)價(jià)方法，其將定性分析和定量分析相結(jié)合使用，使得復(fù)雜系統(tǒng)的評(píng)價(jià)過程變得數(shù)學(xué)化，有利于簡化復(fù)雜決策問題，這種評(píng)價(jià)方法更適合于決策結(jié)構(gòu)難于直接準(zhǔn)確計(jì)量的場合，比如多目標(biāo)、多因素、多準(zhǔn)則和多層次的復(fù)雜問題，通過使用層次分析法能夠簡化應(yīng)用過程，是一種非常有效的方法。這種方法的優(yōu)勢較多，比如思路清晰、實(shí)用性、系統(tǒng)性強(qiáng)、應(yīng)用簡單、靈活性高等，所以能夠在很多領(lǐng)域中進(jìn)行使用。

層次分析法的基本原理如下：

首先通過對(duì)復(fù)雜問題進(jìn)行分析，將其劃分為目標(biāo)、準(zhǔn)則、方案等不同層次的系統(tǒng)，復(fù)雜問題分層之后，使用相應(yīng)的準(zhǔn)則對(duì)每一層的元素進(jìn)行逐對(duì)比較，對(duì)其進(jìn)行標(biāo)度定量化，然后形成相應(yīng)的矩陣。

（1）通過矩陣計(jì)算其正價(jià)化特征向量和最大特征值，目的在于計(jì)算出該元素對(duì)該準(zhǔn)則的權(quán)重；

（2）通過上述計(jì)算權(quán)重方式，能夠計(jì)算出每層元素對(duì)目標(biāo)準(zhǔn)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(duì)復(fù)雜問題進(jìn)行簡化，然后再進(jìn)行綜合分析，并將定性的因素使用定量化的方式進(jìn)行表述，使得該因素更加具體化、可比化，尤其適用于無結(jié)構(gòu)特性的問題評(píng)價(jià)中，或者是對(duì)多目標(biāo)、多時(shí)期和多準(zhǔn)則的系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)價(jià)；

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(gè)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(duì)問題進(jìn)行詳細(xì)分析，主要分析不同問題之間的因果關(guān)系，在此基礎(chǔ)之上，建立層次結(jié)構(gòu)，層次分析結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，其中主要包含3個(gè)層次，分別為目標(biāo)層、指標(biāo)層和方案層，每一個(gè)指標(biāo)層都可以對(duì)其進(jìn)行細(xì)分為不同的子指標(biāo)層。合理的建立層次結(jié)構(gòu)分析模型，有助于提高評(píng)價(jià)結(jié)果。

圖2 層次分析結(jié)構(gòu)圖Fig.2 The structure diagram of hierarchical analysis

該步驟屬于層次分析法中非常關(guān)鍵的一步，主要是根據(jù)不同指標(biāo)的重要程度建立矩陣。比如一共存在個(gè)指標(biāo)，分別用{…A}進(jìn)行表示，對(duì)不同指標(biāo)進(jìn)行比較，即指標(biāo)A相對(duì)于指標(biāo)A的重要程度為a，也被稱為比例標(biāo)度值。比例標(biāo)度值可以使用表1的方式的進(jìn)表示。

表1 指標(biāo)的比例標(biāo)度值Tab.1 Proportional scale value of the index

通過經(jīng)驗(yàn)豐富的專家對(duì)指標(biāo)進(jìn)行打分，即得到比例標(biāo)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(jì)算出相對(duì)重要度權(quán)值，然后對(duì)其進(jìn)行從大到小的排序，表示的本層次中所有指標(biāo)相對(duì)于上一層次的重要。計(jì)算權(quán)重的方式本文選擇比較簡單的特征值法。首先計(jì)算出最大特征值和與之相對(duì)應(yīng)的特征向量，然后根據(jù)下述公式即可得到本層次指標(biāo)的相對(duì)權(quán)重。

還需要對(duì)矩陣進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，防止指標(biāo)之間出現(xiàn)邏輯混亂，一致性驗(yàn)證公式如下：

其中表示的是一致性指標(biāo)。當(dāng)計(jì)算出的值越小時(shí)，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(jìn)行比較的一致性一般情況下會(huì)使用一致性比率，一致性比率也就是一致性指標(biāo)除以隨機(jī)一致性指標(biāo)得到的結(jié)果，然后隨機(jī)一致性指標(biāo)和判斷矩陣階數(shù)的關(guān)系如表2所示。

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

當(dāng)計(jì)算的值小于0.1時(shí)，說明判斷矩陣具有滿意一致性，否則一致性不符合標(biāo)準(zhǔn)，需要對(duì)判斷矩陣進(jìn)行重新調(diào)整，直至使其滿足小于0.1的要求。

通過上述步驟之后已經(jīng)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(jì)算到最高層，此時(shí)得到的排序也就是總排序。比如第-1層上的n個(gè)因素相對(duì)于中目標(biāo)的重要度權(quán)值向量已經(jīng)計(jì)算出來，其表達(dá)方式如下：

然后第層上的n個(gè)因素對(duì)于下一層上的每個(gè)因素重要度權(quán)值可以用矩陣W 進(jìn)行表示，如下：

于是第層上的n個(gè)因素相對(duì)于總目標(biāo)的重要度權(quán)值向量如下所示：

在層次總排序中進(jìn)行一致性檢驗(yàn)的方式和第三步中的一致性檢測差不多，但是在實(shí)際情況中，由于整體上對(duì)判斷矩陣進(jìn)行一致性檢驗(yàn)比較復(fù)雜，而且由于單排序時(shí)進(jìn)行的一致性檢驗(yàn)依據(jù)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(jìn)行層次總排序的一致性檢驗(yàn)。

上述分析即為層次分析法的一般步驟。層次分析法的應(yīng)用非常廣泛，但是往往需要和其他方法進(jìn)行結(jié)合使用，能夠發(fā)揮其良好的使用效果。經(jīng)過國內(nèi)外對(duì)層次分析法幾十年的研究，該方法和不同的方法進(jìn)行結(jié)合使用具有不同的應(yīng)用效果。研究表明層次分析法和模糊集理論進(jìn)行結(jié)合使用，能夠?qū)⑦吔绮磺濉⒉灰琢炕氖录M(jìn)行定量化處理。由于化工機(jī)械運(yùn)行中存在不同的影響因素，對(duì)其進(jìn)行安全評(píng)價(jià)屬于一個(gè)復(fù)雜問題，如果結(jié)合使用模糊集理論和層次分析法對(duì)其進(jìn)行安全評(píng)價(jià)，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(jìn)行化工機(jī)械運(yùn)行安全評(píng)價(jià)，通過實(shí)例分析，從而表明層次分析法的重要作用，能夠高效率、準(zhǔn)確地對(duì)化工機(jī)械安全進(jìn)行評(píng)價(jià)。

2 化工機(jī)械運(yùn)行安全評(píng)價(jià)

化工機(jī)械的種類非常豐富，在使用層次分析法進(jìn)行安全評(píng)價(jià)時(shí)，由于不同的機(jī)械設(shè)備的性能和影響因素等存在差別，在構(gòu)建遞階層次結(jié)構(gòu)模型時(shí)，每種化工機(jī)械的構(gòu)建方式不一樣，但是使用層次分析法對(duì)不同化工機(jī)械運(yùn)行安全進(jìn)行評(píng)價(jià)的方式和方法大同小異。本文主要對(duì)化工機(jī)械離心泵作為研究對(duì)象，該機(jī)械屬于化工中常用的一種輸送和提升液體動(dòng)力機(jī)械，通過結(jié)合使用模糊集理論和層次分析法對(duì)其進(jìn)行安全評(píng)價(jià)，不僅可以分析影響離心泵運(yùn)行的各種不同因素，還可以對(duì)其工作狀態(tài)進(jìn)行及時(shí)了解，以防出現(xiàn)嚴(yán)重故障，在預(yù)防故障上具有重要作用；另外，使用層次分析法，能夠?qū)﹄x心泵進(jìn)行綜合全面分析，能夠提高其安全評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性和可靠性。

2.1 認(rèn)識(shí)問題

首先對(duì)離心泵運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行了解，分析其可能出現(xiàn)的故障。本文將某化工公司的一套離心泵作為研究對(duì)象，分析該公司中近6年的故障數(shù)據(jù)，將其進(jìn)行匯總，并且結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)資料，總結(jié)離心泵可能會(huì)出現(xiàn)的故障位置，并且還需要分析其發(fā)生故障的可能性。對(duì)問題有了一個(gè)深入認(rèn)識(shí)之后，再對(duì)其進(jìn)行安全評(píng)價(jià)，將會(huì)更有利于評(píng)價(jià)的可靠性。

2.2 構(gòu)建層次結(jié)構(gòu)模型

通過對(duì)離心泵的綜合分析之后，其出現(xiàn)故障的主要原因有3個(gè)方面，分別為離心泵的本質(zhì)安全性、安全管理和水力，分析離心泵出現(xiàn)故障的原因，同時(shí)還需要分析出離心泵出現(xiàn)的各種故障結(jié)果，即對(duì)離心泵出現(xiàn)故障的因果進(jìn)行分析，最后將分析的結(jié)果構(gòu)建層次分析模型，如圖3所示。

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

2.3 構(gòu)造判斷矩陣

邀請(qǐng)8位關(guān)于離心泵安全研究的專家對(duì)其安全性轉(zhuǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)指標(biāo)打分，然后構(gòu)建的判斷矩陣，判斷矩陣構(gòu)建完成之后還需要對(duì)每個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重進(jìn)行計(jì)算，然后得到如表3所示的準(zhǔn)則層a相對(duì)于目標(biāo)層的判斷矩陣和權(quán)重，其中最大特征值為3.02，并且通過相關(guān)公式進(jìn)行一致性檢測，一致性指標(biāo)的結(jié)果為0.007 7，隨機(jī)一致性指標(biāo)為0.013 5，結(jié)果表明滿足一致性要求。

表3 判斷矩陣及對(duì)應(yīng)權(quán)重值Tab.3 Judgment matrix and corresponding weight value

使用同樣的方式分析下一層對(duì)上一層的權(quán)重分配集，并且對(duì)每一個(gè)判斷矩陣進(jìn)行一致性檢測之后發(fā)現(xiàn)，均能夠滿足一致性要求。

2.4 綜合評(píng)價(jià)計(jì)算

在離心機(jī)運(yùn)行安全狀態(tài)下面一共包含3個(gè)方面，對(duì)該層進(jìn)行單排序的方式如下；

首先對(duì)安全管理評(píng)價(jià)進(jìn)行分析：

針對(duì)職工素質(zhì)的單因素模糊評(píng)價(jià)矩陣和權(quán)重值如下：

于是可以根據(jù)評(píng)價(jià)模糊集=·計(jì)算出如下：

根據(jù)這種計(jì)算方式得到維修管理的評(píng)價(jià)模糊集和制度的制定執(zhí)行評(píng)價(jià)模糊集分別如下：

于是通過上述得到的、、，然后結(jié)合、能夠組成一個(gè)指標(biāo)層的評(píng)價(jià)矩陣，如下：

參照上述方式，能夠?qū)α硗鈨蓚€(gè)方面進(jìn)行計(jì)算，然后得到本質(zhì)安全性評(píng)價(jià)的、、矩陣和水力的、、矩陣。然后根據(jù)上述計(jì)算的3個(gè)模糊綜合評(píng)價(jià)B即可得到離心泵系統(tǒng)的模糊綜合評(píng)價(jià)和權(quán)重值。最后就可以計(jì)算出評(píng)價(jià)模糊集。

2.5 確定離心泵的安全等級(jí)

表4為安全級(jí)別評(píng)價(jià)，然后根據(jù)該表可以計(jì)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(jí)為中等。

表4 安全級(jí)別評(píng)價(jià)Tab.4 Evaluation of security level

3 結(jié)語

本文主要分析了層次分析法的步驟，然后結(jié)合模糊集理論應(yīng)用到化工機(jī)械運(yùn)行安全評(píng)價(jià)中。化工機(jī)械在運(yùn)行過程中容易出現(xiàn)各種問題，如果沒有及時(shí)發(fā)現(xiàn)，將會(huì)造成較大的經(jīng)濟(jì)損失。通過對(duì)離心泵進(jìn)行安全評(píng)價(jià)，發(fā)現(xiàn)安全等級(jí)為中等，檢驗(yàn)結(jié)果正好與其實(shí)際情況相符，所以能夠說明基于層次分析法的化工機(jī)械運(yùn)行安全評(píng)價(jià)準(zhǔn)確度較高。本文只對(duì)離心泵進(jìn)行了安全評(píng)價(jià)，如果需要對(duì)其他化工機(jī)械進(jìn)行安全評(píng)價(jià)，一樣可以使用該方法，并且使用方法原理相同，所以，還能夠?qū)ζ渌C(jī)械進(jìn)行安全評(píng)價(jià)。