基于層次分析-云模型的化工機械系統(tǒng)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(yè)生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴大，化工企業(yè)的安全生產(chǎn)成為重中之重?；て髽I(yè)的機械設(shè)備是完成生產(chǎn)任務的物資基礎(chǔ)，化工機械的安全工作在化工企業(yè)運作中占有重要位置[1]。據(jù)統(tǒng)計，1981—2019年間我國共計發(fā)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(fā)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(fā)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(yè)事故每年的死亡人數(shù)占安全生產(chǎn)事故總死亡人數(shù)的比重較大，這些典型事故的發(fā)生,充分說明我國化工行業(yè)的安全形勢較為嚴峻,必須加以重視。

化工機械系統(tǒng)的本質(zhì)安全體現(xiàn)在人、機、環(huán)境、管理各個環(huán)節(jié)，在機械設(shè)備方面，由于很多化工企業(yè)單純追求利潤，盲目拼搶工期，導致機械設(shè)備超負荷運轉(zhuǎn)與長時間運轉(zhuǎn)，機械設(shè)備投入數(shù)量與繁重的生產(chǎn)任務不相匹配，甚至“帶病作業(yè)”，且無法做到定期檢測和維護保養(yǎng)，產(chǎn)生了安全隱患。而化工企業(yè)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(jīng)常出現(xiàn)機械設(shè)備操作人員無證上崗的現(xiàn)象，缺少相關(guān)的工程崗位培訓，操作人員受技術(shù)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(shè)備安全管理方面，主要存在機械設(shè)備安全管理制度不完善，未及時做好設(shè)備安全檢查，沒有形成規(guī)范化的機械設(shè)備安全監(jiān)管機制，機械施工安全監(jiān)管制度的內(nèi)容不夠完善，缺乏涉及機械使用過程、機械安全檢查、機械設(shè)備統(tǒng)一配置規(guī)范的內(nèi)容等問題；未全面執(zhí)行機械安全責任制，未派專人管理各類設(shè)備[3-5]。

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

安全評價是企業(yè)安全生產(chǎn)工作的重點，而選擇合適的評價方法是關(guān)鍵，只有針對評價系統(tǒng)的特點，在充分掌握現(xiàn)場數(shù)據(jù)并了解每種評價方法的特點和使用范圍的基礎(chǔ)上，選擇合適的評價方法，才能確保評價結(jié)果的合理性和可靠性。在化工企業(yè)機械系統(tǒng)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(shù)以及暴露區(qū)域半徑、面積、體積和危險等級，為站場安全管理提供了依據(jù)；閆志國等[10]運用符號有向圖對化工企業(yè)故障進行了安全評價，定性描述了過程系統(tǒng)故障與故障源之間的因果關(guān)系，并通過實例驗證，對未來發(fā)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(yè)風險進行了識別，并制定了有效的風險防控措施。

在傳統(tǒng)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(quán)重是根據(jù)判斷矩陣求解得到的，但這種判斷矩陣無法體現(xiàn)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(shù)，在采用層次分析法計算指標權(quán)重的基礎(chǔ)上包含了評價過程的模糊性和隨機性，使評價結(jié)果更為準確。同時，云模型可以實現(xiàn)定性與定量之間的轉(zhuǎn)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(tǒng)進行安全評價。

1 基于層次分析法確定評價指標權(quán)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(jù)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(quán)重的基本步驟

采用AHP法確定評價指標權(quán)重的基本步驟如下：

(1) 構(gòu)建遞階層次結(jié)構(gòu):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(jié)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(huán)節(jié)；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(gòu)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(gòu)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(shù)(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(shù)。

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(shù)n的變化而變化，其取值見表2。

表2 RI與判斷矩陣階數(shù)n的關(guān)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(tǒng)因素的模糊性和隨機性，正態(tài)云建立在正態(tài)分布和正態(tài)隸屬函數(shù)的普遍性的基礎(chǔ)之上，具有良好的數(shù)學性質(zhì)，其期望曲線是一個正態(tài)型曲線[20-21]。

2.2 云模型的數(shù)字特征

云模型是由3個參數(shù)(期望Ex、熵En、超熵He)來表示云的數(shù)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(shù)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(jié)果與該評價等級越接近。云模型相似度與特征參數(shù)的評價等級，見表3[22-23]。

表3 云模型相似度與特征參數(shù)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(tài)隨機數(shù)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(tǒng)進行安全評價的關(guān)鍵。本文以武漢市某化工公司為例，根據(jù)化工企業(yè)的特點對該化工機械系統(tǒng)安全進行綜合評價。本文從化工機械系統(tǒng)的本質(zhì)安全即人、機、環(huán)境、管理等各個環(huán)節(jié)，建立了包括4大類、16項指標的化工機械系統(tǒng)安全評價指標體系A(chǔ)，見圖2。

圖2 化工機械系統(tǒng)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(quán)重

本文邀請6位安全工程領(lǐng)域的專家結(jié)合該化工企業(yè)現(xiàn)有的安全現(xiàn)狀對評價指標進行打分， 并根據(jù)層次分析法構(gòu)建判斷矩陣A，計算各評價指標的權(quán)重。構(gòu)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(tǒng)安全評價

由于影響化工機械系統(tǒng)的因素具有隨機性和不確定性，利用傳統(tǒng)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(yè)機械系統(tǒng)安全評價中，即采用層次分析法確定評價指標的權(quán)重，并基于綜合評價云圖確定其安全水平。運用公式并結(jié)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(huán)境條件指標A3、操作人員指標A4的云參數(shù)見表4，并通過正向云發(fā)生器生成評價云圖，見圖3。

表4 某化工企業(yè)機械系統(tǒng)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(yè)機械系統(tǒng)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(yè)機械系統(tǒng)安全綜合評價云模型的數(shù)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(yè)機械系統(tǒng)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(jù)最大隸屬度原則，可以判定該化工企業(yè)機械系統(tǒng)的安全水平為“較好”水平。

4 結(jié)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(xiàn)化工機械運行風險的分級管控。針對化工機械系統(tǒng)安全評價受多種因素影響的問題，本文從機械本體、環(huán)境條件、組織管理和操作人員4個方面構(gòu)建了化工機械系統(tǒng)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(tǒng)安全評價方法，最后通過某化工企業(yè)實例驗證了該評價方法的有效性，可為化工企業(yè)安全評價的研究工作提供參考。隨著化工行業(yè)減人化、無人化的發(fā)展趨勢，不同化工機械的任務分工和作業(yè)范圍、運行時間都存在著極大的區(qū)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。