基于AHP-模糊综合评价集成法的氧枪系统综合安全评价*

樊冰婕 许开立 徐晓虎 姚锡文 鞠欣亮 李季硕

(1.东北大学资源与土木工程学院 沈阳 110004; 2. 中国安全生产科学院 北京 100000)

0 引言

转炉炼钢过程中供氧设备必不可少，其包括供氧管路、计量仪表、氧枪及升降机构等，其中氧枪起着关键性作用[1]。氧枪出现异常情况时，若控制不当，往往会导致钢水喷溅爆炸等重大生产事故，并造成重大人员伤亡。在转炉炼钢过程中，吹氧是控制该生产过程的主导因素，氧枪系统的安全性不仅对钢水的质量和产量造成直接影响[2]，若发生事故还会导致人员伤亡和设备损坏。故对转炉炼钢氧枪系统进行综合安全性研究是十分必要的。

目前，诸多学者对炼钢企业频发事故的原因进行了研究，运用安全系统工程原理和作业条件风险评价法，对冶金企业典型事故的原因和主要作业活动场所的风险进行了分析, 并提出预防措施[3-5]。同时，也有很多学者对转炉炼钢氧枪系统开展了一系列研究工作，从不同方面论述转炉氧枪的可靠性问题[6]，并运用故障类型及影响分析法分析转炉炼钢过程中氧枪易出现的各种故障[7]。为了优化氧枪的性能，通过对氧枪喷头或吹炼过程控制的参数和设计做了优化[8-10]，进而减少事故的发生，提高氧枪使用寿命。

然而，经过分析可知，上述对于氧枪系统的研究多集中于故障诊断和氧枪工艺控制两方面，并未从事故预防角度对氧枪系统进行全面深入研究，且当前转炉炼钢氧枪系统也缺少全面综合的安全评价方法，因此，为提升转炉炼钢氧枪系统事故预防水平，对转炉炼钢氧枪系统进行安全综合评价研究是当务之急。

层次分析法(AHP)可以通过比较两个因素的相对重要性解决多因素问题[11]，在企业管理、资源分配、环境和生产决策等领域应用较广泛[12]。 虽然该方法是一种系统性分析决策方法，但其主观性较强。而模糊综合评价法综合多个评价主体的判断，可弱化层次分析法的缺点。所以两种方法结合的AHP-模糊综合评价集成分析模型不仅能系统地考虑被评价对象的影响因素，还能减少主观臆断给评价和决策过程带来的影响。故本文应用AHP-模糊综合评价集成分析法对氧枪系统的综合安全性进行评价，可以为减少氧枪系统事故的发生以及氧枪系统设备管理提供理论指导，从而为预防氧枪系统事故提供依据。

1 AHP-模糊综合评价集成分析法

该模型中模糊综合评价是在层次分析法的基础上进行的。AHP-模糊综合评价集成分析模型评价氧枪系统的综合安全性的过程如图1所示。

第一步，明确影响氧枪系统综合安全性的因素，建立氧枪系统综合安全评价指标体系。

第二步，运用层次分析法确定氧枪系统综合安全评价指标体系中各个指标的权重。

第三步，确定氧枪系统综合安全评价指标体系评价等级的标准集合，并根据专家打分结果和隶属度函数模型确定指标体系中各个指标的隶属。

第四步，根据第二、三步中所得每个指标的权重和隶属度，进行多级综合评价，由最后一级指标可依次得到上一级指标的评价结果。

第五步，得出氧枪系统综合安全性评价结果。

图1 AHP-模糊综合评价集成分析程序

2 AHP-模糊综合评价集成法实例应用

2.1 确定氧枪系统综合安全性评价指标体系

为构建一个全面、合理的氧枪系统综合安全评价指标体系，本文从硬件设施、安全装置、安全管理和运行环境4方面入手，将指标体系分为4个层次，分别为目标层A；一级指标层B，共4个评价指标；二级指标层C，共10个评价指标；三级指标层D，共29个评价指标。该指标体系中的指标均为定性指标。氧枪系统综合安全评价指标体系见表1。

表1 氧枪系统综合安全评价指标体系指标权重及评价结果汇总

续表1

2.2 层次分析法确定指标权重

邀请专家对氧枪系统综合安全评价指标体系中各个指标进行两两比较，考查B、C、D层指标的相对重要性。采用1～9的标度法[13]，得到量化的判断矩阵。例如，由B层指标对A层指标的相对重要性可得A-B判断矩阵，见表2。

表2 A-B判断矩阵

对A-B判断矩阵，求得矩阵每行的平均值，得到向量：

进行归一化处理得B对A的权重：

矩阵A-B的最大特征值：

λmax=4.0310

判断矩阵的一致性指标CI和一致性比CR，检验其一致性，一般对于n≥3阶的判断矩阵，当CR≤0.1时，一般认为判断矩阵的一致性是可以接受的，RI取值见文献[13]。

A-B判断矩阵的CR值小于0.1，则通过一致性检验。同理，可依次求得各级指标的权重。由此可得氧枪系统综合安全评价指标体系中各指标的权重，计算结果见表1。

2.3 模糊综合评价法确定安全等级

(1)划分评价等级。本文将氧枪系统安全性划分为5个等级，每个等级对应的分数范围见表3。

表3 评价等级划分

(2)专家打分，计算隶属度。以某钢厂120 t转炉炼钢系统为例。首先，专家打分。5位专家分别打分，将每位专家给出的指标特征值乘以其权重，各位专家之和则为一个指标特征值。其次，确定指标标准矩阵Ω。取各等级对应分数范围的中间值作为指标标准矩阵每一行的元素，即标准矩阵Ω中每一行元素均为9，7，5，3，1。再利用三角形隶属函数模型确定各指标隶属度。由隶属度计算可得C1的模糊综合评价矩阵：

(3)综合评价。查阅表2，可知C1层下级各个指标(即D1，D2，D3)相对于C层的权重分别为0.634，0.269，0.097，记作W1=[0.634 0.269 0.097]。

重复上述步骤，分别计算C、B层指标和目标层的评价结果，将计算结果汇总于表1。

(4)确定评价等级。

通过多级模糊综合评价可知目标层A的隶属度为[0.187 0 0.504 0 0.175 5 0.128 5 0.005]，则总分：

因为6 < 6.48 < 8，所以氧枪系统的安全性等级属于“较安全”。

2.4 评价结果分析

由上述计算结果可知，该厂转炉炼钢氧枪系统的综合安全性属于“较安全”。其中，4个一级指标的评价结果均为“较安全”。

在硬件设施方面，大部分二、三级指标的评价结果为“安全”或“较安全”，说明该厂在选择氧枪系统结构本体及其安装和维修方面的工作落实得比较到位。

在安全装置方面，氧枪快慢速转换装置(D16)、氧枪与横移小车位置联锁装置(D17)和煤气回收与放散联锁装置(D21)这3个指标的评价结果为“一般”，其余指标的评价结果为“安全”或“较安全”，说明该厂还需加强对联锁装置的定期检维修工作。

在安全管理方面，安全生产责任制(D22)、安全教育培训制度(D26)和应急救援演练及评估(D29)的评价结果为“较危险”，说明这3个指标需要立即整改，要进一步完善安全生产责任制度和安全教育培训制度，并提高对应急管理的重视程度，定期进行救援演练和评估。

在运行环境方面，钢渣冲刷(C7)的评价结果是“一般”，其他3个指标均为“安全”或“较安全”，表明该厂氧枪系统的运行环境还有待完善，应重点关注高温钢渣对氧枪喷头的冲刷作用，可以通过合理设计喷头、采用质量和性能较好的喷头或优化工艺等措施避免喷头的损坏。

3 结论

(1)应用AHP-模糊综合评价集成分析法建立了转炉炼钢氧枪系统综合安全评价指标体系，该指标体系分为4个层次，分别为目标层A；一级指标层B，共4个评价指标；二级指标层C，共10个评价指标；三级指标层D，共29个评价指标。

(2)在应用AHP-模糊综合评价集成分析法过程中首先采用层次分析法确定了氧枪系统综合安全评价指标体系中各级指标的权重，然后利用模糊综合评价数学模型对某钢厂氧枪系统进行综合安全评价，结果表明，该厂转炉炼钢氧枪系统的综合安全性属于“较安全”等级。

(3)氧枪系统出现故障易导致钢水喷溅和火灾爆炸事故，若要进一步提高氧枪系统的安全性，需在安全等级较低的指标上采取措施，如：加强氧枪系统联锁装置的检维修工作，完善安全生产责任制度和安全教育培训制度，对应急预案进行定期的演练和评估，以及采取合理措施改善钢渣对氧枪喷头的冲刷问题等。