基于模糊层次分析的合成氨装置安全现状评价

摘要：以合成氨装置安全现状评价为目的，结合“人―机―环境―管理”系统思想将影响合成氨装置安全现状的因素，分为工艺条件、员工素质、设备安全可靠度、职业卫生和安全管理等5大类和21小类。运用模糊数学方法对层次分析法进行改进，确定各指标因素的权重，构建合成氨装置安全现状综合评价模型，并运用该模型对某合成氨装置安全现状进行综合评价。结果表明：该评价方法可以有效地对合成氨装置安全现状进行综合评价。

关键词：模糊层次分析；安全现状；模糊综合评价；合成氨

中图分类号：X937文献标志码：A

[WT]文章编号：1672-1098（2012）04-0060-07

作者简介：刘维（1986-），男，安徽来安人，在读硕士，研究方向：安全评价技术与方法。

安全现状评价是掌握企业生产安全状况综合等级的一种有效方法。近年来，为使得安全现状评价结果更客观、更准确，相继提出一些安全现状综合评价方法。文献[1]提出了“安全检查表―危险指数的计算、分级与评估―系统安全分析”的评价模式，对安全状况的等级采用危险指数法确定。文献[2]针对石化企业提出了一种基于熵技术的安全模糊综合评价模型。文献[3]介绍了一种石化企业在役装置的安全评价方法――美国达信风险评价，该方法能够确定装置的风险等级。文献[4]运用基于层次分析-模糊综合评判的方法对电解车间安全现状评价进行了研究。

合成氨工艺被列为首批重点监管的危险化工工艺，合成氨生产过程具有高压、高温、深冷、连续化、大型化的特点，原料和产品大多为易燃、易爆、有毒、有害物质，与其他行业生产相比，合成氨生产过程涉及的危险有害因素较多，如果操作失误或设备管理不善、年久失修等，这些危险有害因素就会转变为各种事故，危及人们的生命安全同时会造成财产损失，甚至会造成严重的环境污染。

合成氨生产工艺复杂，涉及的危险因素多，因此影响合成氨装置安全因素是多方面的，涵盖员工素质、工艺过程、生产设备、职业卫生和安全管理，每个因素的权重决定了对装置安全现状的影响程度，而各种因素又受其隶属因素的影响，因素相互关联、相互制约构成了一个复杂系统，具有一定的模糊性和随机性。

基于模糊层次分析的安全现状综合评价方法，适应了合成氨装置安全状况模糊性和随机性的特点。本文在分析合成氨装置安全现状综合评价指标体系的基础上，运用模糊层次分析的指标权重确定方法和模糊综合评判理论，提出了一种合成氨装置安全现状综合评价方法，并应用于本地某合成氨装置的安全现状综合评价中，取得了较好的效果。

1安全现状综合评价模型构建

通过对本地某化工企业合成氨装置的调查，并参考大量化工企业安全评价文献[4-8]，建立了合成氨装置安全现状综合评价模型。

1.1评价流程

根据模糊层次分析法确定各指标因素对于装置安全的影响权值，采用模糊数学方法构建各影响因素对合成氨装置安全现状评价的隶属函数，然后进行综合评判，判断分析安全现状（见图1）。

1.2评价指标体系的确立

建立安全现状综合评价指标体系时，要借鉴和参考系统理论和已有研究者的研究成果，反复研究，形成比较科学的评价指标体系。本文将合成氨装置安全现状指标体系分为两个层次。第一层包括工艺条件、员工素质、设备安全可靠性、职业卫生和安全管理，第二层次由第一层次指标分解组成（见图2）。

1.3模糊层次分析确定各指标权重

指标权重的确定方法有很多，如德尔菲法、相对比较法、最优权法、熵值法等[9]，每种方法都有各自的适用范围和优缺点。但这些都不能直接用于合成氨装置安全现状评价指标权重的确定，因为它不能直接通过定量计算确定，需要经过一个从定性到定量的转换过程。层次分析法就是一种很好的选择，但是其应用有一定的局限性。层次分析法采用1～9的整数及其倒数作为标度来构造判断矩阵，确定的数字表示评价者的主观判断，因此忽略了主观判断的模糊性。而且层次分析法建立判断矩阵后，对判断矩阵的一致性检验困难[10]。

为了克服上述困难和局限性，文献[11]将模糊理论与层次分析法结合起来，提出了模糊层次分析方法。该方法具有简单、实用、系统性强的特点。在构造判断矩阵时，利用模糊化得到模糊权重，再将模糊判断的不确定性转换为确定性[12]。

为了考虑极限情况，采用11个等级的“0～1”标度[13]（见表1）。

有了定量的标度，就容易通过比较得出模糊评判矩阵

模糊判断矩阵的一致性反映了人们思维判断的一致性，但在实际决策分析中，由于所研究问题的复杂性和人们认识上可能产生的片面性，使初步得到的判断矩阵常常是不一致的，这时需要进行变换以获得模糊一致矩阵。变换的原则是以符合专家的判断习惯为前提，在尽可能多地保留原判断矩阵信息的基础上，使变换过程尽可能简便、易操作和计算量小。

利用文献[14]提出的经过文献[13]参数修正后的转换公式把模糊互补矩阵变换为模糊一致矩阵。

1.4建立评语集与模糊关系矩阵

评语集是评价者对评价对象做出的各种总的评价结果的集合。评价等级分为：很安全、较安全、一般安全、较不安全、不安全。设V为评价等级构成的评价集合：V={V 1，V 2，…，V p}分别表示由高到低的各级。

获得各层次权重后，分别对各底层指标进行专家打分和无量纲化处理，利用隶属函数进行模糊化，然后形成模糊关系矩阵D。

然而指标因素既有定性因素，也有定量因素，对于不同因素，应采取不同的方法确定各自的隶属度[15]。

1）定量指标的隶属度确定。求解定量指标隶属度的思路是选定各指标的合理取值范围，应用模糊数学的方法来建立各个指标具体的隶属函数，将各指标的具体值带入相应的隶属函数得到隶属度[16]。

2）定性指标的单因素评价方法。对于定性指标，通常采用专家打分再综合取值的办法，然后采用5个档次的评语集。一些已经量化分析的指标也可能因为统计数值等原因而降低评价的准确性，可采用定性与定量相结合的办法[16]。

3）确定单因素模糊评价矩阵。综合上述定量与定性指标的评判结果，可得到模糊关系矩阵D=[d 1d 2…d n] T

1.5模糊综合评价

在求出因素权重集W和评价因素隶属度评价矩阵D后，即可求出综合评价结果B=W*D=（b 1，b 2，…，b p），即：

评价结果B是V的一个模糊子集，而b j的大小反映了评价对象属于评语集V j的程度。其中“*”表示模糊变换算子符号，在这里采用加权平均算子M（*，），该算子的优点是体现权重明显，综合度高，利用R信息充分。

得到评价结果之后，可以按照最大隶属原则确定评价对象的具体等级，即取与最大的评价指标maxb j相对应的评语集V j为评价结果。

2应用实例

结合本地一合成氨车间实际情况，运用模糊层次分析的综合评价方法对其安全现状进行综合评价。

2.1评价数据的收集

某化工企业拥有两套合成氨装置，总氨年生产能力达到36万t。生产工序采用焦煤、白煤以及焦炉气为原料联产粗甲醇和合成氨。主要设备有氨合成塔，脱硫、脱碳精炼系统，机泵和压缩机等。搜集的相关数据如表2所示。

2.2权重计算

结合合成氨装置安全现状评价指标体系，运用模糊层次分析计算确定各因素重要性的权重。

U层相对于一级指标（U～Ui）的模糊判断矩阵R为

R不是模糊一致矩阵，所以利用式（1）将其变换为相应的模糊一致矩阵，变换后的模糊一致矩阵

2.3模糊评判矩阵

结合表2数据运用定量指标隶属函数求出各定量指标的隶属度。运用专家打分再综合取值的办法确定各定性指标的隶属度，结果如表3所示。

2.4模糊综合评价

1）单因素评模糊评价结果。运用相关公式，计算工艺条件模糊评价结果。

同理，员工素质模糊评价结果B 2=w 2*d 2=（0.15，0.4283，0.2717，0.10，0.05）；设备安全可靠度模糊评价结果B 3=（0.23，0.34，0.3533，0.0767，0）；职业卫生模糊评价结果B 4=（0.1380，0.2465，0.2427，0.2420，0.0341）；安全管理因素模糊评价结果B 5=（0.109，0.254，0.452，0.139，0.046）

2）模糊综合评价。由总排序权重值分配W和单因素评判矩阵B′=[B 1；B 2；B 3；B 4；B 5]T，可得到模糊层次评价结果B=W*B′=（0.2321，0.3509，0.2859，0.0971，0.0270）

2.5安全现状综合评价结果分析

由模糊综合评价结果可以看出，该合成氨装置安全现状对应的各安全等级的隶属度最大值为0.3509，根据最大隶属原则确定该合成氨装置安全现状等级属于较安全级别。

1）在影响合成氨装置安全现状的因素中，员工素质影响最为显著，其次是工艺条件、安全管理水平和设备安全可靠度，相比较而言职业卫生影响较小。

2）由模糊综合评价分析可知，该合成氨企业员工素质因素总体上属于较安全级别，其隶属度高达42.83%；工艺条件因素属于很安全级别，隶属度高达45.29%；该企业安全管理水平和设备安全可靠度总体上属于一般安全级别，隶属度分别为45.2%、35.33%。职业卫生方面属于较安全级别，但隶属度只有24.65%。

3）对于安全等级属于一般安全级别的安全管理水平和设备安全可靠度，在整个评价系统中占据重要位置，因此注重针对这些因素提出合理的安全对策措施。应加强管理，完善规章制度，加大对员工的技术培训力度，构建企业安全文化，提高设备安全可靠度，改善企业职业卫生系统，这些对于提高合成氨装置安全现状等级有重要意义。

3结论

1）建立合成氨装置安全现状综合评价指标体系，并提出相应的安全现状模糊综合评价方法，能比较客观地反映合成氨装置的安全现状。

2）采取模糊层次分析评价方法，将主观判断与客观计算相结合，增加了权重的可信性，从而提高了安全现状评价的科学性和可靠性。

3）根据合成氨装置安全现状模糊综合评价的结果，不仅可以了解装置的安全现状，而且可以通过对安全等级较差的指标的进一步分析提出合理的安全对策措施，实现改善装置安全状况的目标。

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