基于層次分析法和模糊理論的液氨泄漏風(fēng)險研究

周德紅，王浩然，2，李文，馮豪

1.武漢工程大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，湖北 武漢 430074；2.仙桃職業(yè)學(xué)院計算機(jī)科學(xué)技術(shù)學(xué)院，湖北 仙桃 433000

基于層次分析法和模糊理論的液氨泄漏風(fēng)險研究

周德紅1，王浩然1，2，李文1，馮豪1

1.武漢工程大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，湖北 武漢 430074；2.仙桃職業(yè)學(xué)院計算機(jī)科學(xué)技術(shù)學(xué)院，湖北 仙桃 433000

采用層次模糊數(shù)學(xué)理論評價法對液氨企業(yè)進(jìn)行定性和定量的風(fēng)險評估，從員工的不安全行為、設(shè)備設(shè)施的不安全狀態(tài)、安全管理的缺陷、不良的作業(yè)環(huán)境4個方面構(gòu)建液氨泄漏事故原因的階級層結(jié)構(gòu)模型，研究分析事件發(fā)生泄漏原因的影響水平，并進(jìn)行綜合性的評判.以液氨使用企業(yè)為例，運用該模型可分析出不同企業(yè)的安全優(yōu)劣等級和共同存在的泄漏風(fēng)險特征.提出應(yīng)完善企業(yè)法律法規(guī)定性指標(biāo)檢測的方法、提升員工的專業(yè)知識和技術(shù)水平、強(qiáng)化生產(chǎn)工藝系統(tǒng)和儲罐系統(tǒng)定期與不定期安全檢查的力度、建立設(shè)備的維修及更新淘汰機(jī)制、加強(qiáng)人工智能化檢測的建設(shè)實現(xiàn)人與科技的雙控防范的措施.

液氨泄漏；階層結(jié)構(gòu)模型；模糊理論；層次分析法風(fēng)險評估

液氨是企業(yè)生產(chǎn)的基礎(chǔ)材料，使用非常普遍，在各個行業(yè)都有重要的應(yīng)用.由于市場的需求量大，企業(yè)生產(chǎn)的自動化、連續(xù)化，給液氨企業(yè)帶來巨大經(jīng)濟(jì)效益.同時，液氨泄漏的事故每年也層出不窮.由于液氨獨有的特性，發(fā)生泄漏能給周圍很大范圍內(nèi)的人員、財產(chǎn)、生態(tài)環(huán)境帶來十分嚴(yán)重的后果.由于液氨泄漏的事故發(fā)生的偶然性、不確定性、泄漏原因的復(fù)雜性，給人們的安全生產(chǎn)、生活帶來了極其的不便［1］.針對液氨泄漏的事故進(jìn)行全面的分析、考慮各類影響的因素，構(gòu)建可靠的階級層次結(jié)構(gòu)模型，并結(jié)合MATLAB程序編程計算確定各評價指標(biāo)的權(quán)重［2］.最后結(jié)合模糊數(shù)學(xué)理論構(gòu)建風(fēng)險評判模型.該評價方法全面評價了液氨泄漏風(fēng)險的可能性.既體現(xiàn)了評價過程對客觀事物復(fù)雜性、多樣性的定性和定量分析，又盡可能減少了個人的主觀性和局限性.

1 層次模糊數(shù)學(xué)理論構(gòu)建的風(fēng)險評判模型

1.1 評價指標(biāo)體系的選取

依據(jù)液氨泄漏的致因全面分析，盡量選取少的定量、定性指標(biāo)來反映全面的信息.指標(biāo)的選取遵循國家的標(biāo)準(zhǔn)、法規(guī)以及企業(yè)規(guī)章制度等，還需詳細(xì)理解保護(hù)對象的主要特點［3-4］.

可以從人員的不安全行為、設(shè)備的不安全狀態(tài)、安全管理的缺陷、環(huán)境的不良因素四個方面分析建立指標(biāo)體系：

一是人員（P1），可從業(yè)務(wù)技術(shù)水平（X1）、職業(yè)素質(zhì)（X2）、安全意識（X3）、違章操作（X4）、崗位變動（X5）等來分析.

二是設(shè)備設(shè)施（P2），可從生產(chǎn)工藝系統(tǒng)（X6）、消防系統(tǒng)（X7）、儲罐系統(tǒng)（X8）、安全輔助系統(tǒng)（X9）、設(shè)備安全使用規(guī)范（X10）、應(yīng)急報警系統(tǒng)（X11）、濃度檢測預(yù)警系統(tǒng)（X12）等來分析.

三是安全管理（P3），可以從安全投入（X13）、安全教育（X14）、專職安全的規(guī)章制度（X15）、安全預(yù)案的演練（X16）、安全專職機(jī)構(gòu)的業(yè)務(wù)能力（X17）、安全組織和培訓(xùn)（X18）等來分析.

四是環(huán)境（P4），可從車間布局（X19）、作業(yè)環(huán)境（X20）、工作環(huán)境（X21）、企業(yè)文化（X22）等來分析.

在現(xiàn)實的評價操作過程中，選取應(yīng)按照實際情況隨機(jī)應(yīng)變的運用，對上述的指標(biāo)，適當(dāng)?shù)脑鰷p.

1.2 評價指標(biāo)權(quán)重的確定

在全面評價中，各因素成分的權(quán)重的分配關(guān)乎整個評價成效的高低.利用層次分析法原理來實現(xiàn)決策過程中各個因素的權(quán)重的有效分配，從而構(gòu)建出科學(xué)、合理的評價模型.在模型中把難以解決的問題具體化，這些成分又根據(jù)本身的屬性和從屬關(guān)系形成階級層.層次分析分為單層和多層，這里研究二級層次分析［5-6］.

判斷矩陣A=(aij).aij反映元素i與元素j對比的標(biāo)度.判斷矩陣的定義如表1所示.

表1 判斷矩陣的定義Tab.1Definition of judgment matrix

針對液氨泄漏風(fēng)險評價的目標(biāo)，構(gòu)造出準(zhǔn)則層各成分依據(jù)表1量化出上一級層次的某成分對下一級層次相關(guān)成分的相對重要性［7］.按照兩兩元素比較的結(jié)果，即用數(shù)字直觀的表達(dá)出來，并寫出判斷距陣.

按行計算矩陣元素的乘積Mi（i=1，2，…，n），運算公式為然后計算Mi的n次方根值，公式為

式（3）中：wi為各個元素的權(quán)重值.

判斷距陣A的λmax.利用MATLAB進(jìn)行程序的編程計算λmax.

判斷距陣是評判者依靠本身的認(rèn)知、履歷的積累給出的判斷，很難避免誤差的存在.因此，需要對評價指標(biāo)進(jìn)行一致性的查驗.公式為

再計算CR，計算公式為式（5）中CR=0時，矩陣A能完全滿足設(shè)計的要求.當(dāng)CR<0.1時，矩陣A較好的完成一致性的查驗要求.如果矩陣不能完成上述指標(biāo)查驗的條件，應(yīng)重新對各個因素進(jìn)行再次相對重要度評價，直到判斷矩陣完成一致性指標(biāo)查驗為止.

RI平均隨機(jī)一致性如表2所示.

表2 平均隨機(jī)一致性Tab.2Average random consistency

1.3 模糊數(shù)學(xué)評價

該模型方法是憑借模糊數(shù)學(xué)的理論，把難以量化的、模糊不清的、非定量的問題等價為定量的評價.即用該模型解決受多成分互相影響的對象或目標(biāo)，給定一個針對性強(qiáng)、成果清晰的綜合評判.本文建立二階的評價模型.

1.3.1 建立因素集按照液氨評價風(fēng)險指標(biāo)選取的原則，成立因素集，即

評價集是決策者對對象或目標(biāo)可能做出評判結(jié)果的集合.從研究實際情況出發(fā)，取n=5，即評價的結(jié)果主要分為5類

V1（0.85～1）為優(yōu)秀可以認(rèn)為達(dá)到本質(zhì)安全的級別.

V2（0.75～0.85）為良好（可以認(rèn)為達(dá)到較（非常）安全的級別.

V3（0.60～0.75）為及格可以認(rèn)為達(dá)到安全生產(chǎn)的級別.

V4（0.55～0.60）為不及格可以認(rèn)為存在安全隱患，需要排除隱患.

V5（0～0.55）為差可以認(rèn)為必須停產(chǎn)整頓，責(zé)令整改.

1.3.2 各因素的權(quán)重（w）的確定利用階層結(jié)構(gòu)模型，來進(jìn)行諸多因素的權(quán)重集w的構(gòu)建.

1.3.3 隸屬矩陣的建立隸屬度函數(shù)的構(gòu)建包含定性與定量指標(biāo)的運算.

1）對于非定性或可量化的指標(biāo)構(gòu)建的隸屬矩陣是指對n個不同的涉氨企業(yè)m個指標(biāo)組成的：

非定性的指標(biāo)或可量化的指標(biāo)可采用梯形分布函數(shù)的升半梯形分布?xì)w一化處理，從而獲得對象或者目標(biāo)相對隸屬度矩陣U.計算公式如下：

式（6）中Xmin，Xmax各自為第i評價指標(biāo)中的最小值和最大值.

采用公式（6）進(jìn)行歸一化處理，可得矩陣U為

2）對于非定量的指標(biāo)和難以量化的指標(biāo)，運用相對二元比較法［8-10］.

目標(biāo)集中的目標(biāo)元素Xi與Xj相比：

①若Xi比Xj重要，則令排序標(biāo)度eij=1，eji=0；

②若Xj比Xj同等重要，則令eij=0.5，eji=0.5；

由此可得到二元比較矩陣E.

當(dāng)0≤eij≤1，eij+eji=1，eij=eji=0.5(i=j)時，稱矩陣E為二元比較矩陣.eij為目標(biāo)i對j作二元比較時，目標(biāo)i對于j的重要性模糊標(biāo)度；eji為目標(biāo)j對于i的重要性模糊標(biāo)度.目標(biāo)集中的不同元素在進(jìn)行最優(yōu)評價時，無法精確的定量描述.因此只有用模糊語言來形容優(yōu)劣的概念.因此需借助排序，查語氣算子與定量標(biāo)度表（見表3）.令語氣算子標(biāo)度為u，隸屬度選取為（1-u）/u.

表3 相對隸屬度關(guān)系表Tab.3Relative membership degree

1.4 綜合評價

由上述評價指標(biāo)構(gòu)建的隸屬度距陣U、因素權(quán)重分配集采用矩陣的運算可得到目標(biāo)集的綜合評價向量為：

式（7）中，W為階層結(jié)構(gòu)模型確定權(quán)重值，U為評價指標(biāo)構(gòu)建的模糊矩陣，B為綜合評價向量.

綜合評價方法的模型，可以針對合成氨企業(yè)液氨泄漏的風(fēng)險進(jìn)行評價、安全等級的劃分，為預(yù)測事故發(fā)生的可能性做出依據(jù).綜合評價結(jié)果可根據(jù)評價語集進(jìn)行安全類型排序的劃分.

2 工程實例

以湖北省某化工園區(qū)的合成氨企業(yè)為例，采用上述綜合模型的方法對4家企業(yè)（企業(yè)M、企業(yè)N、企業(yè)O、企業(yè)Q）進(jìn)行液氨泄漏風(fēng)險的評價［10-13］.研究區(qū)域不同涉氨企業(yè)專家評價打分的結(jié)果，如表4所示.

表4 不同涉氨企業(yè)綜合評價的結(jié)果Tab.4Results of comprehensive evaluation of different ammonia related enterprises

2.1 評價指標(biāo)權(quán)重的確定

利用階層結(jié)構(gòu)模型，成立上下層不同成分的相互評比結(jié)果如表5所示.

表5 相互評比結(jié)果Tab.5Judgment matrix

根據(jù)式（1）和式（2）計算因素權(quán)重的近似值wi：

利用公式（3）作規(guī)范歸一化可得評價因素權(quán)重即

再采用MATLAB計算判斷矩陣A的λmax，可得4.009 8.根據(jù)公式（4）、（5）進(jìn)行一致性指標(biāo)判斷.

通過查表2可得RI=0.89，則一致性比率為

由此可知，各個權(quán)重滿足一致性的要求，可以接受.

同理，可得各二級指標(biāo)的權(quán)重如下：

對上述指標(biāo)進(jìn)行查驗，均滿足要求.因此各項指標(biāo)權(quán)重均可接受.即可得出綜合指標(biāo)的權(quán)重值如表6所示.

表6 綜合指標(biāo)的權(quán)重Tab.6Weight of comprehensive index

2.2 隸屬矩陣的確定

評價體系由定量和定性指標(biāo)組成的特征向量矩陣［14-15］.

1）采取相對二元比較法，對不同涉氨企業(yè)綜合評價的結(jié)果中的定性指標(biāo)進(jìn)行量化：

①根據(jù)不同涉氨企業(yè)的員工的職業(yè)素質(zhì)高低，可得特征向量矩陣.

②根據(jù)各企業(yè)的員工安全意識高低，可得

③根據(jù)各企業(yè)的專職規(guī)章制度完善的情況，可得

④根據(jù)安全專職機(jī)構(gòu)的業(yè)務(wù)能力的大小，可得

⑤根據(jù)工作環(huán)境的氛圍的好壞，可得

⑥根據(jù)企業(yè)文化的建設(shè)和底蘊，可得

2）采用公式（6）對可量指化指標(biāo)歸一化處理，在結(jié)合上述定性指標(biāo)的隸屬度距陣，可得出總的隸屬度矩陣.

2.3 研究區(qū)域風(fēng)險的綜合評價

根據(jù)公式（7）可得不同涉氨企業(yè)的綜合評價的結(jié)果為

綜上所述可知不同涉氨企業(yè)的綜合評價的安全優(yōu)劣等級為：企業(yè)Q為0.758 4處于較安全的級別，（良好）.企業(yè)O為0.647 7處于安全生產(chǎn)的級別（及格）.企業(yè)M和企業(yè)N分別為0.574 1、0.558 2，處于存在安全隱患的階段，需要排除和治理隱患，進(jìn)一步達(dá)到安全生產(chǎn)的級別.

3 結(jié)語

液氨泄漏的二級風(fēng)險評價綜合模型，能完全實現(xiàn)多屬性、多樣本、多目標(biāo)的定性和定量指標(biāo)的綜合性評判.該評價模型優(yōu)于其它模型.

運用該模型建立了4個一級指標(biāo)，22個二級指標(biāo).系統(tǒng)的分析引起合成氨企業(yè)發(fā)生液氨泄漏產(chǎn)生的問題的主要原因是人員業(yè)務(wù)技術(shù)水平和職業(yè)素質(zhì)與安全意識的高低，主要的隱患和缺陷為生產(chǎn)工藝系統(tǒng)和儲罐系統(tǒng)，并按相互的關(guān)聯(lián)研究了各個因素的危害程度，綜合地評估出合成氨企業(yè)液氨泄漏的風(fēng)險大小.

運用此方法可知：應(yīng)加強(qiáng)員工的專業(yè)知識和技術(shù)水平、崗前的培訓(xùn)和職場的教育、企業(yè)安全文化教育專欄的設(shè)置、增加安全機(jī)構(gòu)的業(yè)務(wù)能力、完善法律法規(guī)企業(yè)定性指標(biāo)的檢測方法形成高目標(biāo)、高質(zhì)量、高要求的標(biāo)準(zhǔn)，以便降低企業(yè)的泄漏風(fēng)險，達(dá)到人們可接受的安全范圍.

加強(qiáng)生產(chǎn)工藝系統(tǒng)和儲罐系統(tǒng)的定期與不定期的檢查力度、實施設(shè)備的維修及更新淘汰機(jī)制、加強(qiáng)人工智能化檢測的建設(shè)，達(dá)到人與科技的雙控防范措施，對于提高合成氨企業(yè)安全生產(chǎn)目標(biāo)的控制、應(yīng)急救援、編寫應(yīng)急預(yù)案的水平有著重要的作用，也為降低風(fēng)險達(dá)到可接受的水平提供決策和技術(shù)指導(dǎo).

［1］沈斐敏.安全系統(tǒng)工程理論與應(yīng)用［M］.北京：北京煤炭工業(yè)出版社，2001.

［2］李剛.MATLAB函數(shù)速查手冊［M］.北京：北京清華大學(xué)出版社，2011.

［3］相艷景，劉茂.液氨儲罐泄漏中毒事故的個人風(fēng)險分析［J］.安全與環(huán)境學(xué)報，2009（1）：176-179.

XIANG Y J，LIU M.Personal risk analysis over the ammonia poisoning accidents caused by the use of liquidammoniatanks［J］.JournalofSafetyandEnvironment，2009（1）：176-179.

［4］孟凡亭，吳欣甜，張苗，等.液氨泄漏爆炸的模糊事故樹分析研究［J］.南開大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2014（4）：14-20.

MENG F T，WU X T，ZHANG M，et al.Fuzzy tree analysis model for liquid ammonia leakage explosion［J］. Acta Scientiarum Naturalium Universitatis Nankaiensis，2014（4）：14-20.

［5］許樹柏.譯.SATTYTL層次分析法［M］.北京：北京煤炭工業(yè)出版社，1988.

［6］趙煥臣，許樹柏，和金生.層次分析法［M］.北京：北京科學(xué)出版社，1988.

［7］鄧雪，李家銘，曾浩健，等.層次分析法權(quán)重計算方法分析及其應(yīng)用研究［J］.數(shù)學(xué)的實踐與認(rèn)識，2012（7）：93-100.

DENG X，LI J M，ZENG H J，et al.Research on computation methods of AHP wight vector and its applications［J］.Mathematics in Practice and Theory，2012（7）：93-100.

［8］阮鋮巍，寇英信，徐安，等.基于二元模糊比較法的單步空戰(zhàn)機(jī)動決策研究［J］.指揮控制與仿真，2012（5）：10-13.

RUAN C W，KOU Y X，XU A，et al.Research on single step manuvering decision in air combat based on binary Fuzzy comparison method［J］.Command Control &Simulation，2012（5）：10-13.

［9］趙峰，廖志海，喬洪波，等.二元比例X射線熒光光譜法測定鈾鋯體系中鈾和鋯［J］.冶金分析，2015（7）：44-47.

ZHAO F，LIAO Z H，QIAO H P，et al.Determination of uranium and zirconium in uranium-zirconium system by binary ratio X-ray fluorescence spectrometry［J］. Metallurgical Analysis，2015（7）：44-47.

［10］徐兵兵，張妙仙，王肖.改進(jìn)的模糊層次分析法在南苕溪臨安段水質(zhì)評價中的應(yīng)用［J］.環(huán)境科學(xué)學(xué)報，2011（9）：2066-2072.

XU B B，ZHANG M X，WANG X.Application of an improved fuzzy analytic hierarchy process in water quality evaluation of the South Tiaoxi River，Linan section［J］.Acta Scientiae Circumstantiae，2011（9）：2066-2072.

［11］張杰，趙明.液氨泄漏事故的定量風(fēng)險評價研究［J］.安全與環(huán)境工程，2012（1）：69-72.

ZHANG J，ZHAO M.Study on the quantitative risk assessment of ammonia leakage accident［J］.Safety and Environmental Engineering，2012（1）：69-72.

［12］柳紅衛(wèi)，黃沿波.液氨泄漏風(fēng)險評估和風(fēng)險分級方法［J］.安全與環(huán)境工程，2010（1）：70-74.

LIU H W，HUANG Y B.Risk assessment of liquid ammonia leakage and method of risk classification［J］. Safety and Environmental Engineering，2010（1）：70-74.

［13］夏登友，錢新明，黃金印，等.液氨泄漏擴(kuò)散模擬及危害評估［J］.中國安全科學(xué)學(xué)報，2014（3）：22-27.

XIA D Y，QIAN X M，HUANG J Y，et al.Diffusion simulation and hazard evaluation for liquid ammonia leakage［J］.China Safety Science Journal，2014（3）：22-27.

［14］孫莉，趙穎，曹飛，等.危險化學(xué)品泄漏擴(kuò)散模型的研究現(xiàn)狀分析與比較［J］.中國安全科學(xué)學(xué)報，2011（1）：37-42.

SUN L，ZHAO Y，CAO F，et al.Comparison and analysis on the research situation of release and dispersion models of hazardous chemicals at home and abroad［J］.China Safety Science Journal，2011（1）：37-42.

［15］王靜，葉海明.液氨少量泄漏事故風(fēng)險預(yù)測分析［J］.化學(xué)工程師，2013（5）：46-49.

WANG J，YE H M.Discussion on environment risk assessment of accident of small amount of liquid ammonia［J］.Chemical Engineer，2013（5）：46-49.

本文編輯：陳小平

Risk Analysis of Liquid Ammonia Leakage Based on Analytic Hierarchy Process and Fuzzy Theory

ZHOU Dehong1，WANG Haoran1，2，LI Wen1，F(xiàn)NEG Hao1
1.School of Resources and Civil Engineering，Wuhan Institute of Technology，Wuhan 430074，China；2.School of Computer Science and Technology，Xiantao Vocational College，Xiantao 433000，China

The hierarchical-fuzzy theory was executed in liquid ammonia enterprises for qualitative and quantitative risk assessment.The class layer structure model of accident causes was built from four aspects，the unsafe behavior of employees，the unsafe condition of equipment and facilities，safety management deficiencies and poor working environment.The affect level of incident cause was evaluated.The safety merits order and existence of leakage risk characteristics were analyzed by using the models of some ammonia enterprises.It is suggested that we should implement the corporate legal law，develop the professional knowledge and technology of staffs，improve the regular and irregular safety inspection for production process system and storage tank system，establish equipment maintenance and update mechanism，strengthen the artificial intelligence detection to realize the dual control of people and technology.

liquidammonialeakage；classstructuremodel；fuzzytheory；analytichierarchyprocessriskassessment

TD853，TD325

A

10.3969/j.issn.1674?2869.2017.03.013

1674-2869（2017）03-0281-07

2016-05-20

2015年安全生產(chǎn)重大事故防治關(guān)鍵技術(shù)科技項目（hubei-0008-2015AQ）；湖北省安全生產(chǎn)監(jiān)督管理局2015年安全生產(chǎn)專項資金（鄂安監(jiān)發(fā)［2015］73號）；湖北省安全生產(chǎn)監(jiān)督管理局2016年安全生產(chǎn)專項資金（鄂安監(jiān)發(fā)［2016］54號）；武漢工程大學(xué)第二批校級課程綜合改革項目（校教［2016］6號）；武漢工程大學(xué)研究生教育創(chuàng)新基金（CX2015038）；武漢工程大學(xué)2016年研究生教育改革研究項目（yjg201601）

周德紅，博士，副教授.E-mail：zhoudehongwuhan@163.com

周德紅，王浩然，李文，等.基于層次分析法和模糊理論的液氨泄漏風(fēng)險研究［J］.武漢工程大學(xué)學(xué)報，2017，39（3）：281-287. ZHOU D H，WANG H R，LI W，et al.Risk analysis of liquid ammonia leakage based on analytic hierarchy process and fuzzy theory［J］.Journal of Wuhan Institute of Technology，2017，39（3）：281-287.