基于层次分析的化工机械运行安全评价

任峰涛，胡卓华，康晓光，张妙苗

（众诚安环（天津）科技有限公司，天津 300457）

化工企业往往为了追求高效益，使得机械超负荷工作，并且没有准时对机械进行维护和保养，导致有些机械存在故障不能及时发现，从而给化工企业带来重大损失。为了提高化工机械的安全性，国内学者对其进行了不同研究，比如通过监控的方式对机械设备进行实时监控，从而及时发现存在问题，或者是使用一些方式对机械进行安全评价。层次分析法由于其优势较多，能够将定性问题变为定量问题，对于一些复杂问题的求解具有一定作用。本文将基于层次分析对化工机械运行安全进行评价。

1 基于层次分析的安全评价模型分析

1.1 层次分析法的基本原理

层次分析法简称AHP，属于一种系统评价方法，其将定性分析和定量分析相结合使用，使得复杂系统的评价过程变得数学化，有利于简化复杂决策问题，这种评价方法更适合于决策结构难于直接准确计量的场合，比如多目标、多因素、多准则和多层次的复杂问题，通过使用层次分析法能够简化应用过程，是一种非常有效的方法。这种方法的优势较多，比如思路清晰、实用性、系统性强、应用简单、灵活性高等，所以能够在很多领域中进行使用。

层次分析法的基本原理如下：

首先通过对复杂问题进行分析，将其划分为目标、准则、方案等不同层次的系统，复杂问题分层之后，使用相应的准则对每一层的元素进行逐对比较，对其进行标度定量化，然后形成相应的矩阵。

（1）通过矩阵计算其正价化特征向量和最大特征值，目的在于计算出该元素对该准则的权重；

（2）通过上述计算权重方式，能够计算出每层元素对目标准则的比重，最终即可得到问题的解；

（3）通过上述分析，层次分析也就是对复杂问题进行简化，然后再进行综合分析，并将定性的因素使用定量化的方式进行表述，使得该因素更加具体化、可比化，尤其适用于无结构特性的问题评价中，或者是对多目标、多时期和多准则的系统进行评价；

1.2 层次分析法的基本步骤

层次分析法的基本步骤如图1所示，其中主要包含5个重要步骤。

图1 层次分析法的基本步骤Fig.1 The basic steps of analytic hierarchy process

首先对问题进行详细分析，主要分析不同问题之间的因果关系，在此基础之上，建立层次结构，层次分析结构图如图2所示，其中主要包含3个层次，分别为目标层、指标层和方案层，每一个指标层都可以对其进行细分为不同的子指标层。合理的建立层次结构分析模型，有助于提高评价结果。

图2 层次分析结构图Fig.2 The structure diagram of hierarchical analysis

该步骤属于层次分析法中非常关键的一步，主要是根据不同指标的重要程度建立矩阵。比如一共存在个指标，分别用{…A}进行表示，对不同指标进行比较，即指标A相对于指标A的重要程度为a，也被称为比例标度值。比例标度值可以使用表1的方式的进表示。

表1 指标的比例标度值Tab.1 Proportional scale value of the index

通过经验丰富的专家对指标进行打分，即得到比例标度值，于是可得判断矩阵：

通过该判断矩阵能够知道其满足下面公式：

层次单排序就是通过判断矩阵，计算出相对重要度权值，然后对其进行从大到小的排序，表示的本层次中所有指标相对于上一层次的重要。计算权重的方式本文选择比较简单的特征值法。首先计算出最大特征值和与之相对应的特征向量，然后根据下述公式即可得到本层次指标的相对权重。

还需要对矩阵进行一致性检验，防止指标之间出现逻辑混乱，一致性验证公式如下：

其中表示的是一致性指标。当计算出的值越小时，说明判断矩阵的一致性越好，如果该值为0，则说明具有完全一致性。

两两之间进行比较的一致性一般情况下会使用一致性比率，一致性比率也就是一致性指标除以随机一致性指标得到的结果，然后随机一致性指标和判断矩阵阶数的关系如表2所示。

表2 随机一致性指标 (RI)Tab.2 Random index (RI)

当计算的值小于0.1时，说明判断矩阵具有满意一致性，否则一致性不符合标准，需要对判断矩阵进行重新调整，直至使其满足小于0.1的要求。

通过上述步骤之后已经完成了层次单排序，然后还需要完成层次总排序，也就是从下而上逐层开始，直至计算到最高层，此时得到的排序也就是总排序。比如第-1层上的n个因素相对于中目标的重要度权值向量已经计算出来，其表达方式如下：

然后第层上的n个因素对于下一层上的每个因素重要度权值可以用矩阵W 进行表示，如下：

于是第层上的n个因素相对于总目标的重要度权值向量如下所示：

在层次总排序中进行一致性检验的方式和第三步中的一致性检测差不多，但是在实际情况中，由于整体上对判断矩阵进行一致性检验比较复杂，而且由于单排序时进行的一致性检验依据符合要求，最后在整体上获得一致性往往也满足要求，可以不进行层次总排序的一致性检验。

上述分析即为层次分析法的一般步骤。层次分析法的应用非常广泛，但是往往需要和其他方法进行结合使用，能够发挥其良好的使用效果。经过国内外对层次分析法几十年的研究，该方法和不同的方法进行结合使用具有不同的应用效果。研究表明层次分析法和模糊集理论进行结合使用，能够将边界不清、不易量化的事件进行定量化处理。由于化工机械运行中存在不同的影响因素，对其进行安全评价属于一个复杂问题，如果结合使用模糊集理论和层次分析法对其进行安全评价，将有助于降低问题的求解难度。本文接下来将基于层次分析法进行化工机械运行安全评价，通过实例分析，从而表明层次分析法的重要作用，能够高效率、准确地对化工机械安全进行评价。

2 化工机械运行安全评价

化工机械的种类非常丰富，在使用层次分析法进行安全评价时，由于不同的机械设备的性能和影响因素等存在差别，在构建递阶层次结构模型时，每种化工机械的构建方式不一样，但是使用层次分析法对不同化工机械运行安全进行评价的方式和方法大同小异。本文主要对化工机械离心泵作为研究对象，该机械属于化工中常用的一种输送和提升液体动力机械，通过结合使用模糊集理论和层次分析法对其进行安全评价，不仅可以分析影响离心泵运行的各种不同因素，还可以对其工作状态进行及时了解，以防出现严重故障，在预防故障上具有重要作用；另外，使用层次分析法，能够对离心泵进行综合全面分析，能够提高其安全评价的准确性和可靠性。

2.1 认识问题

首先对离心泵运行状态进行了解，分析其可能出现的故障。本文将某化工公司的一套离心泵作为研究对象，分析该公司中近6年的故障数据，将其进行汇总，并且结合相关文献资料，总结离心泵可能会出现的故障位置，并且还需要分析其发生故障的可能性。对问题有了一个深入认识之后，再对其进行安全评价，将会更有利于评价的可靠性。

2.2 构建层次结构模型

通过对离心泵的综合分析之后，其出现故障的主要原因有3个方面，分别为离心泵的本质安全性、安全管理和水力，分析离心泵出现故障的原因，同时还需要分析出离心泵出现的各种故障结果，即对离心泵出现故障的因果进行分析，最后将分析的结果构建层次分析模型，如图3所示。

图3 离心泵运行层次分析模型Fig.3 Analytic hierarchy model of centrifugal pump operation

2.3 构造判断矩阵

邀请8位关于离心泵安全研究的专家对其安全性转进行评价指标打分，然后构建的判断矩阵，判断矩阵构建完成之后还需要对每个评价指标的权重进行计算，然后得到如表3所示的准则层a相对于目标层的判断矩阵和权重，其中最大特征值为3.02，并且通过相关公式进行一致性检测，一致性指标的结果为0.007 7，随机一致性指标为0.013 5，结果表明满足一致性要求。

表3 判断矩阵及对应权重值Tab.3 Judgment matrix and corresponding weight value

使用同样的方式分析下一层对上一层的权重分配集，并且对每一个判断矩阵进行一致性检测之后发现，均能够满足一致性要求。

2.4 综合评价计算

在离心机运行安全状态下面一共包含3个方面，对该层进行单排序的方式如下；

首先对安全管理评价进行分析：

针对职工素质的单因素模糊评价矩阵和权重值如下：

于是可以根据评价模糊集=·计算出如下：

根据这种计算方式得到维修管理的评价模糊集和制度的制定执行评价模糊集分别如下：

于是通过上述得到的、、，然后结合、能够组成一个指标层的评价矩阵，如下：

参照上述方式，能够对另外两个方面进行计算，然后得到本质安全性评价的、、矩阵和水力的、、矩阵。然后根据上述计算的3个模糊综合评价B即可得到离心泵系统的模糊综合评价和权重值。最后就可以计算出评价模糊集。

2.5 确定离心泵的安全等级

表4为安全级别评价，然后根据该表可以计算出离心泵的总得分为70分，即可说明离心泵的安全状况等级为中等。

表4 安全级别评价Tab.4 Evaluation of security level

3 结语

本文主要分析了层次分析法的步骤，然后结合模糊集理论应用到化工机械运行安全评价中。化工机械在运行过程中容易出现各种问题，如果没有及时发现，将会造成较大的经济损失。通过对离心泵进行安全评价，发现安全等级为中等，检验结果正好与其实际情况相符，所以能够说明基于层次分析法的化工机械运行安全评价准确度较高。本文只对离心泵进行了安全评价，如果需要对其他化工机械进行安全评价，一样可以使用该方法，并且使用方法原理相同，所以，还能够对其他化工机械进行安全评价。