基于AHP-模糊綜合評(píng)價(jià)集成法的氧槍系統(tǒng)綜合安全評(píng)價(jià)*

樊冰婕 許開立 徐曉虎 姚錫文 鞠欣亮 李季碩

(1.東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院 沈陽(yáng) 110004; 2. 中國(guó)安全生產(chǎn)科學(xué)院 北京 100000)

0 引言

轉(zhuǎn)爐煉鋼過程中供氧設(shè)備必不可少，其包括供氧管路、計(jì)量?jī)x表、氧槍及升降機(jī)構(gòu)等，其中氧槍起著關(guān)鍵性作用[1]。氧槍出現(xiàn)異常情況時(shí)，若控制不當(dāng)，往往會(huì)導(dǎo)致鋼水噴濺爆炸等重大生產(chǎn)事故，并造成重大人員傷亡。在轉(zhuǎn)爐煉鋼過程中，吹氧是控制該生產(chǎn)過程的主導(dǎo)因素，氧槍系統(tǒng)的安全性不僅對(duì)鋼水的質(zhì)量和產(chǎn)量造成直接影響[2]，若發(fā)生事故還會(huì)導(dǎo)致人員傷亡和設(shè)備損壞。故對(duì)轉(zhuǎn)爐煉鋼氧槍系統(tǒng)進(jìn)行綜合安全性研究是十分必要的。

目前，諸多學(xué)者對(duì)煉鋼企業(yè)頻發(fā)事故的原因進(jìn)行了研究，運(yùn)用安全系統(tǒng)工程原理和作業(yè)條件風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)法，對(duì)冶金企業(yè)典型事故的原因和主要作業(yè)活動(dòng)場(chǎng)所的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了分析, 并提出預(yù)防措施[3-5]。同時(shí)，也有很多學(xué)者對(duì)轉(zhuǎn)爐煉鋼氧槍系統(tǒng)開展了一系列研究工作，從不同方面論述轉(zhuǎn)爐氧槍的可靠性問題[6]，并運(yùn)用故障類型及影響分析法分析轉(zhuǎn)爐煉鋼過程中氧槍易出現(xiàn)的各種故障[7]。為了優(yōu)化氧槍的性能，通過對(duì)氧槍噴頭或吹煉過程控制的參數(shù)和設(shè)計(jì)做了優(yōu)化[8-10]，進(jìn)而減少事故的發(fā)生，提高氧槍使用壽命。

然而，經(jīng)過分析可知，上述對(duì)于氧槍系統(tǒng)的研究多集中于故障診斷和氧槍工藝控制兩方面，并未從事故預(yù)防角度對(duì)氧槍系統(tǒng)進(jìn)行全面深入研究，且當(dāng)前轉(zhuǎn)爐煉鋼氧槍系統(tǒng)也缺少全面綜合的安全評(píng)價(jià)方法，因此，為提升轉(zhuǎn)爐煉鋼氧槍系統(tǒng)事故預(yù)防水平，對(duì)轉(zhuǎn)爐煉鋼氧槍系統(tǒng)進(jìn)行安全綜合評(píng)價(jià)研究是當(dāng)務(wù)之急。

層次分析法(AHP)可以通過比較兩個(gè)因素的相對(duì)重要性解決多因素問題[11]，在企業(yè)管理、資源分配、環(huán)境和生產(chǎn)決策等領(lǐng)域應(yīng)用較廣泛[12]。 雖然該方法是一種系統(tǒng)性分析決策方法，但其主觀性較強(qiáng)。而模糊綜合評(píng)價(jià)法綜合多個(gè)評(píng)價(jià)主體的判斷，可弱化層次分析法的缺點(diǎn)。所以兩種方法結(jié)合的AHP-模糊綜合評(píng)價(jià)集成分析模型不僅能系統(tǒng)地考慮被評(píng)價(jià)對(duì)象的影響因素，還能減少主觀臆斷給評(píng)價(jià)和決策過程帶來的影響。故本文應(yīng)用AHP-模糊綜合評(píng)價(jià)集成分析法對(duì)氧槍系統(tǒng)的綜合安全性進(jìn)行評(píng)價(jià)，可以為減少氧槍系統(tǒng)事故的發(fā)生以及氧槍系統(tǒng)設(shè)備管理提供理論指導(dǎo)，從而為預(yù)防氧槍系統(tǒng)事故提供依據(jù)。

1 AHP-模糊綜合評(píng)價(jià)集成分析法

該模型中模糊綜合評(píng)價(jià)是在層次分析法的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。AHP-模糊綜合評(píng)價(jià)集成分析模型評(píng)價(jià)氧槍系統(tǒng)的綜合安全性的過程如圖1所示。

第一步，明確影響氧槍系統(tǒng)綜合安全性的因素，建立氧槍系統(tǒng)綜合安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。

第二步，運(yùn)用層次分析法確定氧槍系統(tǒng)綜合安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中各個(gè)指標(biāo)的權(quán)重。

第三步，確定氧槍系統(tǒng)綜合安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系評(píng)價(jià)等級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)集合，并根據(jù)專家打分結(jié)果和隸屬度函數(shù)模型確定指標(biāo)體系中各個(gè)指標(biāo)的隸屬。

第四步，根據(jù)第二、三步中所得每個(gè)指標(biāo)的權(quán)重和隸屬度，進(jìn)行多級(jí)綜合評(píng)價(jià)，由最后一級(jí)指標(biāo)可依次得到上一級(jí)指標(biāo)的評(píng)價(jià)結(jié)果。

第五步，得出氧槍系統(tǒng)綜合安全性評(píng)價(jià)結(jié)果。

圖1 AHP-模糊綜合評(píng)價(jià)集成分析程序

2 AHP-模糊綜合評(píng)價(jià)集成法實(shí)例應(yīng)用

2.1 確定氧槍系統(tǒng)綜合安全性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

為構(gòu)建一個(gè)全面、合理的氧槍系統(tǒng)綜合安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，本文從硬件設(shè)施、安全裝置、安全管理和運(yùn)行環(huán)境4方面入手，將指標(biāo)體系分為4個(gè)層次，分別為目標(biāo)層A；一級(jí)指標(biāo)層B，共4個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)；二級(jí)指標(biāo)層C，共10個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)；三級(jí)指標(biāo)層D，共29個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)。該指標(biāo)體系中的指標(biāo)均為定性指標(biāo)。氧槍系統(tǒng)綜合安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系見表1。

表1 氧槍系統(tǒng)綜合安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系指標(biāo)權(quán)重及評(píng)價(jià)結(jié)果匯總

續(xù)表1

2.2 層次分析法確定指標(biāo)權(quán)重

邀請(qǐng)專家對(duì)氧槍系統(tǒng)綜合安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中各個(gè)指標(biāo)進(jìn)行兩兩比較，考查B、C、D層指標(biāo)的相對(duì)重要性。采用1～9的標(biāo)度法[13]，得到量化的判斷矩陣。例如，由B層指標(biāo)對(duì)A層指標(biāo)的相對(duì)重要性可得A-B判斷矩陣，見表2。

表2 A-B判斷矩陣

對(duì)A-B判斷矩陣，求得矩陣每行的平均值，得到向量：

進(jìn)行歸一化處理得B對(duì)A的權(quán)重：

矩陣A-B的最大特征值：

λmax=4.0310

判斷矩陣的一致性指標(biāo)CI和一致性比CR，檢驗(yàn)其一致性，一般對(duì)于n≥3階的判斷矩陣，當(dāng)CR≤0.1時(shí)，一般認(rèn)為判斷矩陣的一致性是可以接受的，RI取值見文獻(xiàn)[13]。

A-B判斷矩陣的CR值小于0.1，則通過一致性檢驗(yàn)。同理，可依次求得各級(jí)指標(biāo)的權(quán)重。由此可得氧槍系統(tǒng)綜合安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中各指標(biāo)的權(quán)重，計(jì)算結(jié)果見表1。

2.3 模糊綜合評(píng)價(jià)法確定安全等級(jí)

(1)劃分評(píng)價(jià)等級(jí)。本文將氧槍系統(tǒng)安全性劃分為5個(gè)等級(jí)，每個(gè)等級(jí)對(duì)應(yīng)的分?jǐn)?shù)范圍見表3。

表3 評(píng)價(jià)等級(jí)劃分

(2)專家打分，計(jì)算隸屬度。以某鋼廠120 t轉(zhuǎn)爐煉鋼系統(tǒng)為例。首先，專家打分。5位專家分別打分，將每位專家給出的指標(biāo)特征值乘以其權(quán)重，各位專家之和則為一個(gè)指標(biāo)特征值。其次，確定指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)矩陣Ω。取各等級(jí)對(duì)應(yīng)分?jǐn)?shù)范圍的中間值作為指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)矩陣每一行的元素，即標(biāo)準(zhǔn)矩陣Ω中每一行元素均為9，7，5，3，1。再利用三角形隸屬函數(shù)模型確定各指標(biāo)隸屬度。由隸屬度計(jì)算可得C1的模糊綜合評(píng)價(jià)矩陣：

(3)綜合評(píng)價(jià)。查閱表2，可知C1層下級(jí)各個(gè)指標(biāo)(即D1，D2，D3)相對(duì)于C層的權(quán)重分別為0.634，0.269，0.097，記作W1=[0.634 0.269 0.097]。

重復(fù)上述步驟，分別計(jì)算C、B層指標(biāo)和目標(biāo)層的評(píng)價(jià)結(jié)果，將計(jì)算結(jié)果匯總于表1。

(4)確定評(píng)價(jià)等級(jí)。

通過多級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)可知目標(biāo)層A的隸屬度為[0.187 0 0.504 0 0.175 5 0.128 5 0.005]，則總分：

因?yàn)? < 6.48 < 8，所以氧槍系統(tǒng)的安全性等級(jí)屬于“較安全”。

2.4 評(píng)價(jià)結(jié)果分析

由上述計(jì)算結(jié)果可知，該廠轉(zhuǎn)爐煉鋼氧槍系統(tǒng)的綜合安全性屬于“較安全”。其中，4個(gè)一級(jí)指標(biāo)的評(píng)價(jià)結(jié)果均為“較安全”。

在硬件設(shè)施方面，大部分二、三級(jí)指標(biāo)的評(píng)價(jià)結(jié)果為“安全”或“較安全”，說明該廠在選擇氧槍系統(tǒng)結(jié)構(gòu)本體及其安裝和維修方面的工作落實(shí)得比較到位。

在安全裝置方面，氧槍快慢速轉(zhuǎn)換裝置(D16)、氧槍與橫移小車位置聯(lián)鎖裝置(D17)和煤氣回收與放散聯(lián)鎖裝置(D21)這3個(gè)指標(biāo)的評(píng)價(jià)結(jié)果為“一般”，其余指標(biāo)的評(píng)價(jià)結(jié)果為“安全”或“較安全”，說明該廠還需加強(qiáng)對(duì)聯(lián)鎖裝置的定期檢維修工作。

在安全管理方面，安全生產(chǎn)責(zé)任制(D22)、安全教育培訓(xùn)制度(D26)和應(yīng)急救援演練及評(píng)估(D29)的評(píng)價(jià)結(jié)果為“較危險(xiǎn)”，說明這3個(gè)指標(biāo)需要立即整改，要進(jìn)一步完善安全生產(chǎn)責(zé)任制度和安全教育培訓(xùn)制度，并提高對(duì)應(yīng)急管理的重視程度，定期進(jìn)行救援演練和評(píng)估。

在運(yùn)行環(huán)境方面，鋼渣沖刷(C7)的評(píng)價(jià)結(jié)果是“一般”，其他3個(gè)指標(biāo)均為“安全”或“較安全”，表明該廠氧槍系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境還有待完善，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注高溫鋼渣對(duì)氧槍噴頭的沖刷作用，可以通過合理設(shè)計(jì)噴頭、采用質(zhì)量和性能較好的噴頭或優(yōu)化工藝等措施避免噴頭的損壞。

3 結(jié)論

(1)應(yīng)用AHP-模糊綜合評(píng)價(jià)集成分析法建立了轉(zhuǎn)爐煉鋼氧槍系統(tǒng)綜合安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，該指標(biāo)體系分為4個(gè)層次，分別為目標(biāo)層A；一級(jí)指標(biāo)層B，共4個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)；二級(jí)指標(biāo)層C，共10個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)；三級(jí)指標(biāo)層D，共29個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)。

(2)在應(yīng)用AHP-模糊綜合評(píng)價(jià)集成分析法過程中首先采用層次分析法確定了氧槍系統(tǒng)綜合安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中各級(jí)指標(biāo)的權(quán)重，然后利用模糊綜合評(píng)價(jià)數(shù)學(xué)模型對(duì)某鋼廠氧槍系統(tǒng)進(jìn)行綜合安全評(píng)價(jià)，結(jié)果表明，該廠轉(zhuǎn)爐煉鋼氧槍系統(tǒng)的綜合安全性屬于“較安全”等級(jí)。

(3)氧槍系統(tǒng)出現(xiàn)故障易導(dǎo)致鋼水噴濺和火災(zāi)爆炸事故，若要進(jìn)一步提高氧槍系統(tǒng)的安全性，需在安全等級(jí)較低的指標(biāo)上采取措施，如：加強(qiáng)氧槍系統(tǒng)聯(lián)鎖裝置的檢維修工作，完善安全生產(chǎn)責(zé)任制度和安全教育培訓(xùn)制度，對(duì)應(yīng)急預(yù)案進(jìn)行定期的演練和評(píng)估，以及采取合理措施改善鋼渣對(duì)氧槍噴頭的沖刷問題等。