基于层次分析-云模型的化工机械系统安全评价

付 犇，詹晓玲，雷 刚

(1.湖北聚平注册安全工程师事务所有限公司，湖北 武汉 430012；2.湖北省应急管理宣传教育中心，湖北 武汉 430070；3.湖北省应急救援中心，湖北 武汉 430070)

随着我国化工企业生产规模的不断扩大，化工企业的安全生产成为重中之重。化工企业的机械设备是完成生产任务的物资基础，化工机械的安全工作在化工企业运作中占有重要位置[1]。据统计，1981—2019年间我国共计发生了246例较大的危险化学品事故，例如2010年江苏原南京塑料四厂发生了火灾爆炸事故,共造成22人死亡、120人受伤；2015年天津港瑞海公司危险品仓库发生了特别重大火灾爆炸事故，共造成165人死亡[2]。全国化工行业事故每年的死亡人数占安全生产事故总死亡人数的比重较大，这些典型事故的发生,充分说明我国化工行业的安全形势较为严峻,必须加以重视。

化工机械系统的本质安全体现在人、机、环境、管理各个环节，在机械设备方面，由于很多化工企业单纯追求利润，盲目拼抢工期，导致机械设备超负荷运转与长时间运转，机械设备投入数量与繁重的生产任务不相匹配，甚至“带病作业”，且无法做到定期检测和维护保养，产生了安全隐患。而化工企业大部分的故障和事故都是由人为因素引起的，在操作人员方面,经常出现机械设备操作人员无证上岗的现象，缺少相关的工程岗位培训，操作人员受技术水平的限制，在人员管理方面，当遇到机械故障或安全事故的情况下不能合理处置并及时消除故障，操作人员安全意识淡薄、自我保护能力差等；在机械设备安全管理方面，主要存在机械设备安全管理制度不完善，未及时做好设备安全检查，没有形成规范化的机械设备安全监管机制，机械施工安全监管制度的内容不够完善，缺乏涉及机械使用过程、机械安全检查、机械设备统一配置规范的内容等问题；未全面执行机械安全责任制，未派专人管理各类设备[3-5]。

目前许多学者对化工机械系统的安全问题进行了研究。如张文霞[6]探究了化工生产技术管理对于安全生产的作用；张明广等[7]针对化工企业安全监控系统，通过量化装置自身事故风险，提出了基于风险分布确定监控系统布局设计的方法；冯仁专等[8]研究了化工机械制造行业的安全因素，分析了在机械制造作业中所面临的安全问题,并提出了解决方案。

安全评价是企业安全生产工作的重点，而选择合适的评价方法是关键，只有针对评价系统的特点，在充分掌握现场数据并了解每种评价方法的特点和使用范围的基础上，选择合适的评价方法，才能确保评价结果的合理性和可靠性。在化工企业机械系统安全评价方面，王海秀[9]运用道化学方法对某LNG加气合建站进行了安全评价,计算了火灾爆炸指数以及暴露区域半径、面积、体积和危险等级，为站场安全管理提供了依据；闫志国等[10]运用符号有向图对化工企业故障进行了安全评价，定性描述了过程系统故障与故障源之间的因果关系，并通过实例验证，对未来发展趋势进行了展望；邹吉然等[11]运用故障树分析方法对化工企业风险进行了识别，并制定了有效的风险防控措施。

在传统的层次分析法中，对两因素的重要性比较往往采用1～9标度法来表示，各指标的权重是根据判断矩阵求解得到的，但这种判断矩阵无法体现因素的随机性和模糊性。云模型的云中有两个反映因素模糊性和随机性的参数，在采用层次分析法计算指标权重的基础上包含了评价过程的模糊性和随机性，使评价结果更为准确。同时，云模型可以实现定性与定量之间的转换，能够在一定程度上改进层次分析法完全依赖专家打分法而主观性较强的问题。因此，本文引入云模型方法对化工机械系统进行安全评价。

1 基于层次分析法确定评价指标权重

1.1 层次分析法的基本原理

层次分析法(Analytic Hierarchy Process，AHP)是由美国运筹专家、匹兹堡大学教授萨蒂于20世纪20年代提出，目的是将多目标多方案的定性问题通过定量分析进行科学决策。该方法先将问题分解成不同层次和若干因素，根据评价标度理论，确定各级各因素的相对重要性，再进行综合运算[12-16]。

1.2 层次分析法确定评价指标权重的基本步骤

采用AHP法确定评价指标权重的基本步骤如下：

(1) 构建递阶层次结构:层次分析模型由目标层、准则层、若干子准则层和指标层组成。目标层是分析问题的预定目标或理想结果，即建立科学、合理的安全评价指标体系；准则层是为了建立该评价指标体系的中间环节；指标层是为了建立该评价指标体系选择的措施或决策方案。

(2) 构造判断矩阵:以A为目标，其所支配的下一层元素为a1，a2,…,an，以aij表示元素ai与aj相对于目标的比例性标度，标度法的含义见表1[17-19]。则构造的判断矩阵A为

(1)

(3) 一致性检验：建立判断矩阵后，求出判断矩阵的最大特征值和相应的特征向量，进而对判断矩阵进行一致性检验。通过下式计算一致性指数(CI):

AX=λX

(2)

(3)

式中：A为判断矩阵；X为判断矩阵A对应于特征值λ的特征向量；λmax为判断矩阵A的最大特征值；n为判断矩阵阶数。

表1 标度法的含义Table 1 Meaning of the scale method

两两之间比较的一致性是采用一致性比率来计算，其计算公式为

(4)

式中：RI为随机一致性指标，随判断矩阵阶数n的变化而变化，其取值见表2。

表2 RI与判断矩阵阶数n的关系Table 2 Relations between RI and the judgment matrix order n

当CR<0.1时，则称判断矩阵具有满意的一致性；若CR≥0.1，必须返回重新进行专家评分，直到通过一致性检验为止。

2 云模型安全评价

2.1 云模型的定义

云模型能够反映系统因素的模糊性和随机性，正态云建立在正态分布和正态隶属函数的普遍性的基础之上，具有良好的数学性质，其期望曲线是一个正态型曲线[20-21]。

2.2 云模型的数字特征

云模型是由3个参数(期望Ex、熵En、超熵He)来表示云的数字特征的模型，见图1。其中，云的期望Ex表示云滴在空间分布的期望值；云的熵En表示定性概念的不确定性度量，能够反映云滴的离散程度；云的超熵He表示熵的不确定性度量，可用来描述云的厚度，云的超熵越大，云的厚度也越大。

图1 云模型的数字特征Fig.1 Digital characteristics of cloud models

2.3 计算云相似度与安全评价

通过计算综合云C(Ex，En,He)与各评价等级标准云Couldi(Exi,Eni,Hei)之间的云相似度δi，可确定安全水平评价等级。云相似度越大，则意味着安全水平评价结果与该评价等级越接近。云模型相似度与特征参数的评价等级，见表3[22-23]。

表3 云模型相似度与特征参数的评价等级Table 3 Evaluation grades of similarity and feature parameters of the cloud model

云相似度δi的计算步骤如下：

(1) 在综合评价云C中生成一个以En为期望、He2为方差的正态随机数Exk=Norm(En,He2)。

(4) 重复上述步骤(2)、(3)，直至生成n个μk，一般取n=1 000～2 000，按下式计算云相似度δi：

(5)

3 案例应用与分析

3.1 安全评价指标体系的建立

建立科学、合理的安全评价指标体系是对化工机械系统进行安全评价的关键。本文以武汉市某化工公司为例，根据化工企业的特点对该化工机械系统安全进行综合评价。本文从化工机械系统的本质安全即人、机、环境、管理等各个环节，建立了包括4大类、16项指标的化工机械系统安全评价指标体系A，见图2。

图2 化工机械系统安全评价指标体系Fig.2 Safety evaluation index system of the chemical machinery system

3.2 采用层次分析法计算评价指标的权重

本文邀请6位安全工程领域的专家结合该化工企业现有的安全现状对评价指标进行打分， 并根据层次分析法构建判断矩阵A，计算各评价指标的权重。构建的判断矩阵A为

对判断矩阵进行一致性检验，计算得到CR=0.073 596<0.1，即该判断矩阵具有满意的一致性。

3.3 基于云模型的化工机械系统安全评价

由于影响化工机械系统的因素具有随机性和不确定性，利用传统的评价方法进行安全评价时具有局限性，故本文将云模型引入到该化工企业机械系统安全评价中，即采用层次分析法确定评价指标的权重，并基于综合评价云图确定其安全水平。运用公式并结合Matlab程序，可计算得到一级评价指标即机械本体指标A1、组织管理指标A2、环境条件指标A3、操作人员指标A4的云参数见表4，并通过正向云发生器生成评价云图，见图3。

表4 某化工企业机械系统安全评价一级评价指标最终评分及云向量Table 4 Final scores and cloud vectors of the first level evaluation indicators for the mechanical system safety evaluation of a chemical enterprise

图3 某化工企业机械系统安全评价一级评价指标的评价云图Fig.3 Evaluation cloud charts of the first level evaluation indicators for the mechanical system safety evaluation of a chemical enterprise

将得到的综合云向量代入公式(5)，确定该化工企业机械系统安全综合评价云模型的数字特征值为(91.087 0，3.783 2，1.670 1)，其综合评价云图见图4。

图4 某化工企业机械系统安全综合评价云图 Fig.4 Comprehensive evaluation cloud chart for the mechanical system of a chemical enterprise

由图4可见，最终得到的评价云图属于“较好”评价等级的隶属度最大，两者之间的云相似度δi为0.098 6，根据最大隶属度原则，可以判定该化工企业机械系统的安全水平为“较好”水平。

4 结论与建议

化工机械安全问题一直是应急管理的重要组成部分，对其开展有效的安全评价，有利于实现化工机械运行风险的分级管控。针对化工机械系统安全评价受多种因素影响的问题，本文从机械本体、环境条件、组织管理和操作人员4个方面构建了化工机械系统安全评价指标体系，并提出了基于层次分析-云模型的化工机械系统安全评价方法，最后通过某化工企业实例验证了该评价方法的有效性，可为化工企业安全评价的研究工作提供参考。随着化工行业减人化、无人化的发展趋势，不同化工机械的任务分工和作业范围、运行时间都存在着极大的区别，因而需要进一步深入研究适用于不同化工机械安全风险评价的方法。