周德紅，王浩然，2，李文，馮豪

1.武漢工程大學資源與土木工程學院，湖北 武漢 430074；2.仙桃職業(yè)學院計算機科學技術學院，湖北 仙桃 433000

基于層次分析法和模糊理論的液氨泄漏風險研究

周德紅1，王浩然1，2，李文1，馮豪1

1.武漢工程大學資源與土木工程學院，湖北 武漢 430074；2.仙桃職業(yè)學院計算機科學技術學院，湖北 仙桃 433000

采用層次模糊數學理論評價法對液氨企業(yè)進行定性和定量的風險評估，從員工的不安全行為、設備設施的不安全狀態(tài)、安全管理的缺陷、不良的作業(yè)環(huán)境4個方面構建液氨泄漏事故原因的階級層結構模型，研究分析事件發(fā)生泄漏原因的影響水平，并進行綜合性的評判.以液氨使用企業(yè)為例，運用該模型可分析出不同企業(yè)的安全優(yōu)劣等級和共同存在的泄漏風險特征.提出應完善企業(yè)法律法規(guī)定性指標檢測的方法、提升員工的專業(yè)知識和技術水平、強化生產工藝系統和儲罐系統定期與不定期安全檢查的力度、建立設備的維修及更新淘汰機制、加強人工智能化檢測的建設實現人與科技的雙控防范的措施.

液氨泄漏；階層結構模型；模糊理論；層次分析法風險評估

液氨是企業(yè)生產的基礎材料，使用非常普遍，在各個行業(yè)都有重要的應用.由于市場的需求量大，企業(yè)生產的自動化、連續(xù)化，給液氨企業(yè)帶來巨大經濟效益.同時，液氨泄漏的事故每年也層出不窮.由于液氨獨有的特性，發(fā)生泄漏能給周圍很大范圍內的人員、財產、生態(tài)環(huán)境帶來十分嚴重的后果.由于液氨泄漏的事故發(fā)生的偶然性、不確定性、泄漏原因的復雜性，給人們的安全生產、生活帶來了極其的不便［1］.針對液氨泄漏的事故進行全面的分析、考慮各類影響的因素，構建可靠的階級層次結構模型，并結合MATLAB程序編程計算確定各評價指標的權重［2］.最后結合模糊數學理論構建風險評判模型.該評價方法全面評價了液氨泄漏風險的可能性.既體現了評價過程對客觀事物復雜性、多樣性的定性和定量分析，又盡可能減少了個人的主觀性和局限性.

1 層次模糊數學理論構建的風險評判模型

1.1 評價指標體系的選取

依據液氨泄漏的致因全面分析，盡量選取少的定量、定性指標來反映全面的信息.指標的選取遵循國家的標準、法規(guī)以及企業(yè)規(guī)章制度等，還需詳細理解保護對象的主要特點［3-4］.

可以從人員的不安全行為、設備的不安全狀態(tài)、安全管理的缺陷、環(huán)境的不良因素四個方面分析建立指標體系：

一是人員（P1），可從業(yè)務技術水平（X1）、職業(yè)素質（X2）、安全意識（X3）、違章操作（X4）、崗位變動（X5）等來分析.

二是設備設施（P2），可從生產工藝系統（X6）、消防系統（X7）、儲罐系統（X8）、安全輔助系統（X9）、設備安全使用規(guī)范（X10）、應急報警系統（X11）、濃度檢測預警系統（X12）等來分析.

三是安全管理（P3），可以從安全投入（X13）、安全教育（X14）、專職安全的規(guī)章制度（X15）、安全預案的演練（X16）、安全專職機構的業(yè)務能力（X17）、安全組織和培訓（X18）等來分析.

四是環(huán)境（P4），可從車間布局（X19）、作業(yè)環(huán)境（X20）、工作環(huán)境（X21）、企業(yè)文化（X22）等來分析.

在現實的評價操作過程中，選取應按照實際情況隨機應變的運用，對上述的指標，適當的增減.

1.2 評價指標權重的確定

在全面評價中，各因素成分的權重的分配關乎整個評價成效的高低.利用層次分析法原理來實現決策過程中各個因素的權重的有效分配，從而構建出科學、合理的評價模型.在模型中把難以解決的問題具體化，這些成分又根據本身的屬性和從屬關系形成階級層.層次分析分為單層和多層，這里研究二級層次分析［5-6］.

判斷矩陣A=(aij).aij反映元素i與元素j對比的標度.判斷矩陣的定義如表1所示.

表1 判斷矩陣的定義Tab.1Definition of judgment matrix

針對液氨泄漏風險評價的目標，構造出準則層各成分依據表1量化出上一級層次的某成分對下一級層次相關成分的相對重要性［7］.按照兩兩元素比較的結果，即用數字直觀的表達出來，并寫出判斷距陣.

按行計算矩陣元素的乘積Mi（i=1，2，…，n），運算公式為然后計算Mi的n次方根值，公式為

式（3）中：wi為各個元素的權重值.

判斷距陣A的λmax.利用MATLAB進行程序的編程計算λmax.

判斷距陣是評判者依靠本身的認知、履歷的積累給出的判斷，很難避免誤差的存在.因此，需要對評價指標進行一致性的查驗.公式為

再計算CR，計算公式為式（5）中CR=0時，矩陣A能完全滿足設計的要求.當CR<0.1時，矩陣A較好的完成一致性的查驗要求.如果矩陣不能完成上述指標查驗的條件，應重新對各個因素進行再次相對重要度評價，直到判斷矩陣完成一致性指標查驗為止.

RI平均隨機一致性如表2所示.

表2 平均隨機一致性Tab.2Average random consistency

1.3 模糊數學評價

該模型方法是憑借模糊數學的理論，把難以量化的、模糊不清的、非定量的問題等價為定量的評價.即用該模型解決受多成分互相影響的對象或目標，給定一個針對性強、成果清晰的綜合評判.本文建立二階的評價模型.

1.3.1 建立因素集按照液氨評價風險指標選取的原則，成立因素集，即

評價集是決策者對對象或目標可能做出評判結果的集合.從研究實際情況出發(fā)，取n=5，即評價的結果主要分為5類

V1（0.85～1）為優(yōu)秀可以認為達到本質安全的級別.

V2（0.75～0.85）為良好（可以認為達到較（非常）安全的級別.

V3（0.60～0.75）為及格可以認為達到安全生產的級別.

V4（0.55～0.60）為不及格可以認為存在安全隱患，需要排除隱患.

V5（0～0.55）為差可以認為必須停產整頓，責令整改.

1.3.2 各因素的權重（w）的確定利用階層結構模型，來進行諸多因素的權重集w的構建.

1.3.3 隸屬矩陣的建立隸屬度函數的構建包含定性與定量指標的運算.

1）對于非定性或可量化的指標構建的隸屬矩陣是指對n個不同的涉氨企業(yè)m個指標組成的：

非定性的指標或可量化的指標可采用梯形分布函數的升半梯形分布歸一化處理，從而獲得對象或者目標相對隸屬度矩陣U.計算公式如下：

式（6）中Xmin，Xmax各自為第i評價指標中的最小值和最大值.

采用公式（6）進行歸一化處理，可得矩陣U為

2）對于非定量的指標和難以量化的指標，運用相對二元比較法［8-10］.

目標集中的目標元素Xi與Xj相比：

①若Xi比Xj重要，則令排序標度eij=1，eji=0；

②若Xj比Xj同等重要，則令eij=0.5，eji=0.5；

由此可得到二元比較矩陣E.

當0≤eij≤1，eij+eji=1，eij=eji=0.5(i=j)時，稱矩陣E為二元比較矩陣.eij為目標i對j作二元比較時，目標i對于j的重要性模糊標度；eji為目標j對于i的重要性模糊標度.目標集中的不同元素在進行最優(yōu)評價時，無法精確的定量描述.因此只有用模糊語言來形容優(yōu)劣的概念.因此需借助排序，查語氣算子與定量標度表（見表3）.令語氣算子標度為u，隸屬度選取為（1-u）/u.

表3 相對隸屬度關系表Tab.3Relative membership degree

1.4 綜合評價

由上述評價指標構建的隸屬度距陣U、因素權重分配集采用矩陣的運算可得到目標集的綜合評價向量為：

式（7）中，W為階層結構模型確定權重值，U為評價指標構建的模糊矩陣，B為綜合評價向量.

綜合評價方法的模型，可以針對合成氨企業(yè)液氨泄漏的風險進行評價、安全等級的劃分，為預測事故發(fā)生的可能性做出依據.綜合評價結果可根據評價語集進行安全類型排序的劃分.

2 工程實例

以湖北省某化工園區(qū)的合成氨企業(yè)為例，采用上述綜合模型的方法對4家企業(yè)（企業(yè)M、企業(yè)N、企業(yè)O、企業(yè)Q）進行液氨泄漏風險的評價［10-13］.研究區(qū)域不同涉氨企業(yè)專家評價打分的結果，如表4所示.

表4 不同涉氨企業(yè)綜合評價的結果Tab.4Results of comprehensive evaluation of different ammonia related enterprises

2.1 評價指標權重的確定

利用階層結構模型，成立上下層不同成分的相互評比結果如表5所示.

表5 相互評比結果Tab.5Judgment matrix

根據式（1）和式（2）計算因素權重的近似值wi：

利用公式（3）作規(guī)范歸一化可得評價因素權重即

再采用MATLAB計算判斷矩陣A的λmax，可得4.009 8.根據公式（4）、（5）進行一致性指標判斷.

通過查表2可得RI=0.89，則一致性比率為

由此可知，各個權重滿足一致性的要求，可以接受.

同理，可得各二級指標的權重如下：

對上述指標進行查驗，均滿足要求.因此各項指標權重均可接受.即可得出綜合指標的權重值如表6所示.

表6 綜合指標的權重Tab.6Weight of comprehensive index

2.2 隸屬矩陣的確定

評價體系由定量和定性指標組成的特征向量矩陣［14-15］.

1）采取相對二元比較法，對不同涉氨企業(yè)綜合評價的結果中的定性指標進行量化：

①根據不同涉氨企業(yè)的員工的職業(yè)素質高低，可得特征向量矩陣.

②根據各企業(yè)的員工安全意識高低，可得

③根據各企業(yè)的專職規(guī)章制度完善的情況，可得

④根據安全專職機構的業(yè)務能力的大小，可得

⑤根據工作環(huán)境的氛圍的好壞，可得

⑥根據企業(yè)文化的建設和底蘊，可得

2）采用公式（6）對可量指化指標歸一化處理，在結合上述定性指標的隸屬度距陣，可得出總的隸屬度矩陣.

2.3 研究區(qū)域風險的綜合評價

根據公式（7）可得不同涉氨企業(yè)的綜合評價的結果為

綜上所述可知不同涉氨企業(yè)的綜合評價的安全優(yōu)劣等級為：企業(yè)Q為0.758 4處于較安全的級別，（良好）.企業(yè)O為0.647 7處于安全生產的級別（及格）.企業(yè)M和企業(yè)N分別為0.574 1、0.558 2，處于存在安全隱患的階段，需要排除和治理隱患，進一步達到安全生產的級別.

3 結語

液氨泄漏的二級風險評價綜合模型，能完全實現多屬性、多樣本、多目標的定性和定量指標的綜合性評判.該評價模型優(yōu)于其它模型.

運用該模型建立了4個一級指標，22個二級指標.系統的分析引起合成氨企業(yè)發(fā)生液氨泄漏產生的問題的主要原因是人員業(yè)務技術水平和職業(yè)素質與安全意識的高低，主要的隱患和缺陷為生產工藝系統和儲罐系統，并按相互的關聯研究了各個因素的危害程度，綜合地評估出合成氨企業(yè)液氨泄漏的風險大小.

運用此方法可知：應加強員工的專業(yè)知識和技術水平、崗前的培訓和職場的教育、企業(yè)安全文化教育專欄的設置、增加安全機構的業(yè)務能力、完善法律法規(guī)企業(yè)定性指標的檢測方法形成高目標、高質量、高要求的標準，以便降低企業(yè)的泄漏風險，達到人們可接受的安全范圍.

加強生產工藝系統和儲罐系統的定期與不定期的檢查力度、實施設備的維修及更新淘汰機制、加強人工智能化檢測的建設，達到人與科技的雙控防范措施，對于提高合成氨企業(yè)安全生產目標的控制、應急救援、編寫應急預案的水平有著重要的作用，也為降低風險達到可接受的水平提供決策和技術指導.

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本文編輯：陳小平

Risk Analysis of Liquid Ammonia Leakage Based on Analytic Hierarchy Process and Fuzzy Theory

ZHOU Dehong1，WANG Haoran1，2，LI Wen1，FNEG Hao1
1.School of Resources and Civil Engineering，Wuhan Institute of Technology，Wuhan 430074，China；2.School of Computer Science and Technology，Xiantao Vocational College，Xiantao 433000，China

The hierarchical-fuzzy theory was executed in liquid ammonia enterprises for qualitative and quantitative risk assessment.The class layer structure model of accident causes was built from four aspects，the unsafe behavior of employees，the unsafe condition of equipment and facilities，safety management deficiencies and poor working environment.The affect level of incident cause was evaluated.The safety merits order and existence of leakage risk characteristics were analyzed by using the models of some ammonia enterprises.It is suggested that we should implement the corporate legal law，develop the professional knowledge and technology of staffs，improve the regular and irregular safety inspection for production process system and storage tank system，establish equipment maintenance and update mechanism，strengthen the artificial intelligence detection to realize the dual control of people and technology.

liquidammonialeakage；classstructuremodel；fuzzytheory；analytichierarchyprocessriskassessment

TD853，TD325

A

10.3969/j.issn.1674?2869.2017.03.013

1674-2869（2017）03-0281-07

2016-05-20

2015年安全生產重大事故防治關鍵技術科技項目（hubei-0008-2015AQ）；湖北省安全生產監(jiān)督管理局2015年安全生產專項資金（鄂安監(jiān)發(fā)［2015］73號）；湖北省安全生產監(jiān)督管理局2016年安全生產專項資金（鄂安監(jiān)發(fā)［2016］54號）；武漢工程大學第二批校級課程綜合改革項目（校教［2016］6號）；武漢工程大學研究生教育創(chuàng)新基金（CX2015038）；武漢工程大學2016年研究生教育改革研究項目（yjg201601）

周德紅，博士，副教授.E-mail：zhoudehongwuhan@163.com

周德紅，王浩然，李文，等.基于層次分析法和模糊理論的液氨泄漏風險研究［J］.武漢工程大學學報，2017，39（3）：281-287. ZHOU D H，WANG H R，LI W，et al.Risk analysis of liquid ammonia leakage based on analytic hierarchy process and fuzzy theory［J］.Journal of Wuhan Institute of Technology，2017，39（3）：281-287.