任峰濤　胡卓華　康曉光　張妙苗

摘 要：化工企業(yè)作為一個危險行業(yè)，機(jī)械安全運(yùn)行是保障企業(yè)安全生產(chǎn)的重要基礎(chǔ)。及時發(fā)現(xiàn)化工機(jī)械存在故障非常重要，于是文章基于層次分析對化工機(jī)械運(yùn)行安全進(jìn)行評價。首先對層次分析法的基本原理和一般步驟進(jìn)行分析，然后以化工機(jī)械離心泵作為研究對象，使用層次分析法對其進(jìn)行安全評價，研究結(jié)果和離心泵的實(shí)際情況相符，能夠說明層次分析在機(jī)械運(yùn)行安全評價上具有一定的效果。

關(guān)鍵詞：層次分析;化工機(jī)械;安全評價

中圖分類號：TQ050.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1001-5922（2022）04-0093-05

Abstract： As a dangerous industry， chemical enterprises， in which the safe operation of machinery is an important foundation for ensuring the safe production of enterprises. It is very important to discover the faults of chemical machinery in time， so the paper evaluates the operational safety of chemical machinery based on analytic hierarchy process. First， analyze the basic principles and general steps of the analytic hierarchy process， and then take the chemical machinery centrifugal pump as the research object， and use the analytic hierarchy process to evaluate its safety. The research results are consistent with the actual situation of the centrifugal pump， which shows that the analytic hierarchy process has certain effect on safety evaluation of mechanical operation.

Key words：? analytic hierarchy process ; chemical machinery ; safety evaluation

化工企業(yè)往往為了追求高效益，使得機(jī)械超負(fù)荷工作，并且沒有準(zhǔn)時對機(jī)械進(jìn)行維護(hù)和保養(yǎng)，導(dǎo)致有些機(jī)械存在故障不能及時發(fā)現(xiàn)，從而給化工企業(yè)帶來重大損失[1-2]。為了提高化工機(jī)械的安全性，國內(nèi)學(xué)者對其進(jìn)行了不同研究，比如通過監(jiān)控的方式對機(jī)械設(shè)備進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，從而及時發(fā)現(xiàn)存在問題，或者是使用一些方式對機(jī)械進(jìn)行安全評價[3-5]。層次分析法由于其優(yōu)勢較多，能夠?qū)⒍ㄐ詥栴}變?yōu)槎繂栴}，對于一些復(fù)雜問題的求解具有一定作用[6]。本文將基于層次分析對化工機(jī)械運(yùn)行安全進(jìn)行評價。

1 基于層次分析的安全評價模型分析

1.1 層次分析法的基本原理

層次分析法簡稱AHP，屬于一種系統(tǒng)評價方法，其將定性分析和定量分析相結(jié)合使用，使得復(fù)雜系統(tǒng)的評價過程變得數(shù)學(xué)化，有利于簡化復(fù)雜決策問題，這種評價方法更適合于決策結(jié)構(gòu)難于直接準(zhǔn)確計量的場合，比如多目標(biāo)、多因素、多準(zhǔn)則和多層次的復(fù)雜問題，通過使用層次分析法能夠簡化應(yīng)用過程，是一種非常有效的方法[7]。這種方法的優(yōu)勢較多，比如思路清晰、實(shí)用性、系統(tǒng)性強(qiáng)、應(yīng)用簡單、靈活性高等，所以能夠在很多領(lǐng)域中進(jìn)行使用[8]。

層次分析法的基本原理如下：

首先通過對復(fù)雜問題進(jìn)行分析，將其劃分為目標(biāo)、準(zhǔn)則、方案等不同層次的系統(tǒng)，復(fù)雜問題分層之后，使用相應(yīng)的準(zhǔn)則對每一層的元素進(jìn)行逐對比較，對其進(jìn)行標(biāo)度定量化，然后形成相應(yīng)的矩陣。

（1）通過矩陣計算其正價化特征向量和最大特征值，目的在于計算出該元素對該準(zhǔn)則的權(quán)重;

（2）通過上述計算權(quán)重方式，能夠計算出每層元素對目標(biāo)準(zhǔn)則的比重，最終即可得到問題的解;

（3）通過上述分析，層次分析也就是對復(fù)雜問題進(jìn)行簡化，然后再進(jìn)行綜合分析，并將定性的因素使用定量化的方式進(jìn)行表述，使得該因素更加具體化、可比化，尤其適用于無結(jié)構(gòu)特性的問題評價中，或者是對多目標(biāo)、多時期和多準(zhǔn)則的系統(tǒng)進(jìn)行評價;

1.2 層次分析法的基本步驟

層次分析法的基本步驟如圖1所示，其中主要包含5個重要步驟。

1.2.1 層次分析結(jié)構(gòu)的建立

首先對問題進(jìn)行詳細(xì)分析，主要分析不同問題之間的因果關(guān)系，在此基礎(chǔ)之上，建立層次結(jié)構(gòu)，層次分析結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，其中主要包含3個層次，分別為目標(biāo)層、指標(biāo)層和方案層，每一個指標(biāo)層都可以對其進(jìn)行細(xì)分為不同的子指標(biāo)層。合理的建立層次結(jié)構(gòu)分析模型，有助于提高評價結(jié)果。

1.2.2 判斷矩陣的構(gòu)造

該步驟屬于層次分析法中非常關(guān)鍵的一步，主要是根據(jù)不同指標(biāo)的重要程度建立矩陣。比如一共存在n個指標(biāo)，分別用{ A1? A2? ?…An}進(jìn)行表示，對不同指標(biāo)進(jìn)行比較，即指標(biāo)Ai相對于指標(biāo)Aj的重要程度為aij，也被稱為比例標(biāo)度值。比例標(biāo)度值可以使用表1的方式的進(jìn)表示。

通過經(jīng)驗(yàn)豐富的專家對指標(biāo)進(jìn)行打分，即得到比例標(biāo)度值，于是可得判斷矩陣：

通過該判斷矩陣能夠知道其滿足下面公式：

1.2.3 層次單排序和一致性檢驗(yàn)31A34332-FF5A-4E17-873D-198B4A5FC60E

層次單排序就是通過判斷矩陣，計算出相對重要度權(quán)值，然后對其進(jìn)行從大到小的排序，表示的本層次中所有指標(biāo)相對于上一層次的重要。計算權(quán)重的方式本文選擇比較簡單的特征值法。首先計算出最大特征值λmax和與之相對應(yīng)的特征向量W，然后根據(jù)下述公式即可得到本層次指標(biāo)的相對權(quán)重。

還需要對矩陣進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，防止指標(biāo)之間出現(xiàn)邏輯混亂，一致性驗(yàn)證公式如下：

其中CI表示的是一致性指標(biāo)。當(dāng)計算出的CI值越小時，說明判斷矩陣的一致性越好，如果該值為0，則說明具有完全一致性。

兩兩之間進(jìn)行比較的一致性一般情況下會使用一致性比率，一致性比率CR也就是一致性指標(biāo)除以隨機(jī)一致性指標(biāo)RI得到的結(jié)果，然后隨機(jī)一致性指標(biāo)和判斷矩陣階數(shù)n的關(guān)系如表2所示。

當(dāng)計算的CR值小于0.1時，說明判斷矩陣具有滿意一致性，否則一致性不符合標(biāo)準(zhǔn)，需要對判斷矩陣進(jìn)行重新調(diào)整，直至使其滿足小于0.1的要求。

1.2.4 層次總排序及其一致性檢驗(yàn)

通過上述步驟之后已經(jīng)完成了層次單排序，然后還需要完成層次總排序，也就是從下而上逐層開始，直至計算到最高層，此時得到的排序也就是總排序。比如第k-1層上的nk-1個因素相對于中目標(biāo)的重要度權(quán)值向量已經(jīng)計算出來，其表達(dá)方式如下：

然后第k層上的nk個因素對于下一層上的每個因素重要度權(quán)值可以用矩陣W k進(jìn)行表示，如下：

于是第k層上的nk個因素相對于總目標(biāo)的重要度權(quán)值向量如下所示：

在層次總排序中進(jìn)行一致性檢驗(yàn)的方式和第三步中的一致性檢測差不多，但是在實(shí)際情況中，由于整體上對判斷矩陣進(jìn)行一致性檢驗(yàn)比較復(fù)雜，而且由于單排序時進(jìn)行的一致性檢驗(yàn)依據(jù)符合要求，最后在整體上獲得一致性往往也滿足要求，可以不進(jìn)行層次總排序的一致性檢驗(yàn)。

上述分析即為層次分析法的一般步驟。層次分析法的應(yīng)用非常廣泛，但是往往需要和其他方法進(jìn)行結(jié)合使用，能夠發(fā)揮其良好的使用效果。經(jīng)過國內(nèi)外對層次分析法幾十年的研究，該方法和不同的方法進(jìn)行結(jié)合使用具有不同的應(yīng)用效果[9-10]。研究表明層次分析法和模糊集理論進(jìn)行結(jié)合使用，能夠?qū)⑦吔绮磺?、不易量化的事件進(jìn)行定量化處理[11]。由于化工機(jī)械運(yùn)行中存在不同的影響因素，對其進(jìn)行安全評價屬于一個復(fù)雜問題，如果結(jié)合使用模糊集理論和層次分析法對其進(jìn)行安全評價，將有助于降低問題的求解難度。本文接下來將基于層次分析法進(jìn)行化工機(jī)械運(yùn)行安全評價，通過實(shí)例分析，從而表明層次分析法的重要作用，能夠高效率、準(zhǔn)確地對化工機(jī)械安全進(jìn)行評價。

2 化工機(jī)械運(yùn)行安全評價

化工機(jī)械的種類非常豐富，在使用層次分析法進(jìn)行安全評價時，由于不同的機(jī)械設(shè)備的性能和影響因素等存在差別，在構(gòu)建遞階層次結(jié)構(gòu)模型時，每種化工機(jī)械的構(gòu)建方式不一樣，但是使用層次分析法對不同化工機(jī)械運(yùn)行安全進(jìn)行評價的方式和方法大同小異。本文主要對化工機(jī)械離心泵作為研究對象，該機(jī)械屬于化工中常用的一種輸送和提升液體動力機(jī)械，通過結(jié)合使用模糊集理論和層次分析法對其進(jìn)行安全評價，不僅可以分析影響離心泵運(yùn)行的各種不同因素，還可以對其工作狀態(tài)進(jìn)行及時了解，以防出現(xiàn)嚴(yán)重故障，在預(yù)防故障上具有重要作用;另外，使用層次分析法，能夠?qū)﹄x心泵進(jìn)行綜合全面分析，能夠提高其安全評價的準(zhǔn)確性和可靠性。

2.1 認(rèn)識問題

首先對離心泵運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行了解，分析其可能出現(xiàn)的故障。本文將某化工公司的一套離心泵作為研究對象，分析該公司中近6年的故障數(shù)據(jù)，將其進(jìn)行匯總，并且結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)資料，總結(jié)離心泵可能會出現(xiàn)的故障位置，并且還需要分析其發(fā)生故障的可能性。對問題有了一個深入認(rèn)識之后，再對其進(jìn)行安全評價，將會更有利于評價的可靠性。

2.2 構(gòu)建層次結(jié)構(gòu)模型

通過對離心泵的綜合分析之后，其出現(xiàn)故障的主要原因有3個方面，分別為離心泵的本質(zhì)安全性、安全管理和水力，分析離心泵出現(xiàn)故障的原因，同時還需要分析出離心泵出現(xiàn)的各種故障結(jié)果，即對離心泵出現(xiàn)故障的因果進(jìn)行分析，最后將分析的結(jié)果構(gòu)建層次分析模型，如圖3所示。

2.3 構(gòu)造判斷矩陣

邀請8位關(guān)于離心泵安全研究的專家對其安全性轉(zhuǎn)進(jìn)行評價指標(biāo)打分，然后構(gòu)建的判斷矩陣，判斷矩陣構(gòu)建完成之后還需要對每個評價指標(biāo)的權(quán)重進(jìn)行計算，然后得到如表3所示的準(zhǔn)則層ai相對于目標(biāo)層的判斷矩陣A和權(quán)重，其中最大特征值λmax為3.02，并且通過相關(guān)公式進(jìn)行一致性檢測，一致性指標(biāo)CI的結(jié)果為0.007 7，隨機(jī)一致性指標(biāo)RI為0.013 5，結(jié)果表明滿足一致性要求。

使用同樣的方式分析下一層對上一層的權(quán)重分配集，并且對每一個判斷矩陣進(jìn)行一致性檢測之后發(fā)現(xiàn)，均能夠滿足一致性要求。

2.4 綜合評價計算

在離心機(jī)運(yùn)行安全狀態(tài)下面一共包含3個方面，對該層進(jìn)行單排序的方式如下;

首先對安全管理評價進(jìn)行分析：

針對職工素質(zhì)的單因素模糊評價矩陣R11和權(quán)重值A(chǔ)11如下：

于是可以根據(jù)評價模糊集B=A·R計算出B11如下：

根據(jù)這種計算方式得到維修管理的評價模糊集B13和制度的制定執(zhí)行評價模糊集B15分別如下：

于是通過上述得到的B11、B13、B15，然后結(jié)合B12、B14能夠組成一個指標(biāo)層的評價矩陣，如下：

參照上述方式，能夠?qū)α硗鈨蓚€方面進(jìn)行計算，然后得到本質(zhì)安全性評價的R2、A2、B2矩陣和水力的R3、A3、B3矩陣。然后根據(jù)上述計算的3個模糊綜合評價B即可得到離心泵系統(tǒng)的模糊綜合評價和權(quán)重值。最后就可以計算出評價模糊集B。

2.5 確定離心泵的安全等級

表4為安全級別評價，然后根據(jù)該表可以計算出離心泵的總得分為70分，即可說明離心泵的安全狀況等級為中等。31A34332-FF5A-4E17-873D-198B4A5FC60E

3 結(jié)語

本文主要分析了層次分析法的步驟，然后結(jié)合模糊集理論應(yīng)用到化工機(jī)械運(yùn)行安全評價中?；C(jī)械在運(yùn)行過程中容易出現(xiàn)各種問題，如果沒有及時發(fā)現(xiàn)，將會造成較大的經(jīng)濟(jì)損失。通過對離心泵進(jìn)行安全評價，發(fā)現(xiàn)安全等級為中等，檢驗(yàn)結(jié)果正好與其實(shí)際情況相符，所以能夠說明基于層次分析法的化工機(jī)械運(yùn)行安全評價準(zhǔn)確度較高。本文只對離心泵進(jìn)行了安全評價，如果需要對其他化工機(jī)械進(jìn)行安全評價，一樣可以使用該方法，并且使用方法原理相同，所以，還能夠?qū)ζ渌C(jī)械進(jìn)行安全評價。

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