张伟军

(中国石化扬子石油化工有限公司，江苏南京 210048)

层次分析法AHP在安全评价中的应用研究

张伟军

(中国石化扬子石油化工有限公司，江苏南京210048)

针对目前安全评价中关键问题之一，即区间划分和指标权重的主观性，通过应用层次分析法，较合理地确定了指标的权值。将该方法应用于乙酸过程的反应路径优选，通过评价得到各反应路径的安全指标值，并对它们的安全等级进行了划分。

安全评价 层次分析法 指标权值

安全评价方法是定量描述化工过程本质安全的重要手段[1-5]，但存在很多不足，主要的缺点之一是指标区间划分和权重设置的主观性，导致评价结果的失真[6-8]。层次分析法(Analytic Hierarchy Process，AHP)是一种多目标决策方法，能够定性与定量相结合地获取各种决策因素权值，有效克服决策过程中的非一致性，具有系统灵活简洁的优点。本研究将AHP方法应用于安全评价，按照评价的递阶层次结构，得到各层次指标因素的权值，作为评价中指标的权重因子，并应用于乙酸过程的安全评价，表明该方法能够在过程早期安全评价中合理解决指标的权重设置问题，为过程决策提供定量依据。

1 层次分析法AHP

1.1 建立递阶层次结构模型

首先构造出有层次的结构模型，将复杂问题分解为元素的组成部分，元素按其属性及关系形成若干层次，上一层次的元素作为准则对下一层次有关元素起支配作用，可分为最高层、中间层和最底层3类。

1.2 构造判断矩阵

设比较n个因子X={x1,…,xn}对某因素Z的影响大小，采取对因子进行两两比较建立成对比较矩阵的方法，全部比较结果用矩阵A=(aij)n×n表示，A为Z-X之间的判断矩阵。

1.3 层次单排序及一致性检验

判断矩阵A对应于最大特征值λmax的特征向量W，经归一化后即为同一层次相应因素对于上一层次某因素相对重要性的排序权值。成对比较判断矩阵能减少其它因素的干扰，较客观地反映一对因子影响力的差别，但需要通过一致性检验克服其非一致性，步骤如下。

a)一致性指标CI计算：

(1)

b)用随机方法构造500个样本矩阵，随机地从1～9及其倒数中抽取数字构造正互反矩阵，求

(2)

c)计算一致性比例CR：

(3)

当CR<0.10时，认为判断矩阵的一致性是可以接受的，否则应对判断矩阵作适当修正。

d)层次总排序及一致性检验：因本质安全评价中不仅考虑指标权值，还需考虑指标本身取值，所以本研究中没有设置方案层，最后的方案决策由评价程序确定。

2 AHP在安全评价中的应用

2.1 建立安全评价的层次结构模型

根据安全评价方法的结构框架，建立了AHP层次结构模型，根据AHP建模的特点，将评价方法分为2个层次，目标层B为安全指标值，根据其值大小确定过程的本质安全水平；准则层C包括所有的评价指标，即易燃性C1、爆炸性C2、反应性C3、温度C4、压力C5、反应热C6和量值(数量)C7等因素，分别反映各变量对目标函数的影响。

2.2 构造判断矩阵

在各层次上建立针对上一层目标的判断矩阵，矩阵中各元素即为某层次因素两两比较的结果，该比较方式使主观性受到了限制，并保持层次间较好的一致性。建立C1～C7对B的判断矩阵，见表1。

表1 准则层判断矩阵

2.3 权值向量及一致性检验

通过Matlab编程，计算得到各判断矩阵相应的权值向量，并通过一致性检验得到各判断矩阵的一致性比例，如表2所示。

表2 各因素的权值向量及一致性比例

如表2所示，每层次的一致性比例均小于0.1，表明得到的权值向量具有较高的一致性。

3 实例研究

将AHP决策的安全评价法应用于乙酸过程的评价，实例中包含10条反应路径，通过安全评价进行优选。乙酸过程的反应路径如表3所示。

表3 乙酸生产各过程的详细信息

该方法是基于模糊方法建立的，在Matlab模糊工具箱中对每个指标建立其隶属度函数，通过输入、输出变量、模糊规则的设定，将指标值限于[0,1]区间。评价过程中，对反应式中所有物质进行了评价，选择指标值最大的作为该反应的最终指标值,评价结果如表4所示，表中F表示易燃性、E表示爆炸性、R表示反应性、T表示温度、P表示压力、RH表示反应热、I表示量值。

表4 乙酸反应路径的评价结果

将[0,1]区间按步长0.1依次划分为10个等级，用以区分不同指标值的安全影响。由表4可知，第7、8等级各含1条反应路径，第5等级包含5条反应路径，第6等级包含4条反应路径，其中，反应路径7的安全指标值最低，表明该路径的安全影响最小，可作为过程早期选择反应路径的定量依据。当然，反应路径的选择还须考虑工艺、设备等诸多因素的影响。

[1] Gupta J P, Edwards D W. A simple graphical method for measurement of inherent safety[J].J.Hazard.Mater., 2003,104(1):15-30.

[2] Gunasekera M Y, Edwards D W. Chemical process route selection based upon the potential toxic impact on the aquatic, terrestrial and atmospheric environments[J].J.LossPrev.ProcessInd., 2006(19):60-69.

[3] Khan F I, Amyotte P R. I2SI: a comprehensive quantitative tool for inherent safety and cost evaluation[J].J.LossPrev.ProcessInd.,2005(18) :310-326.

[4] Srinivasan R, Nhan N T. A statistical approach for evaluating inherent benign-ness of chemical process routes in early design stages[J].ProcessSaf.Environ.Prot.,2008(86):163-174.

[5] Chan T L, Shariff A M. Process route index (PRI) to assess level of explosiveness for inherent safety quantification[J].J.LossPrev.ProcessInd., 2009(22):216-221.

[6] Meel A, Seider W D, Soroush M. Game theoretic approach to multiobjective designs: focus on inherent safety[J].AIChE, 2006(52):228-246.

[7] Abedi P, Shahriari M. Inherent safety evaluation in process plants-a comparison of methodologies[J].Cent.Eur.J.Chem., 2005,3(4):756-779.

[8] Rahman M, Heikkila A M, Hurme M. Comparison of inherent safety indices in process concept evaluation[J].J.LossPrev.ProcessInd.,2005(18):327-334.

TheApplicationofAHPintheSafetyEvaluation

Zhang Weijun

(SINOPEC Yangzi Petrochemical Co., Ltd., Jiangsu, Nanjing，210048)

With one of the key issues in the current safety evaluation, namely, interval and the subjectivity of index weight and by applying the AHP (Analytic Hierarchy Process), a more reasonable way to determine the weights of indicators. The method applied to the process path preferably acetic acid, to give the safety value of each index by evaluating the reaction path, and their level of security has been divided.

safety evaluation; analytic hierarchy process; index weight

2016-06-07

张伟军，工程师，2001年毕业于江苏化工学院，供职于中国石化扬子石油化工有限公司安保部，主要从事安全技术管理工作。