王君莉

(鄭州工業(yè)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院 機電工程學(xué)院, 鄭州 451150)

基于層次—集對分析法的工業(yè)企業(yè)電氣安全可靠性評價

王君莉

(鄭州工業(yè)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院 機電工程學(xué)院, 鄭州 451150)

為了有效地評價工業(yè)企業(yè)電氣系統(tǒng)的安全可靠性, 降低因電氣事故造成的人員傷亡及財產(chǎn)損失, 提高工業(yè)電氣安全系統(tǒng)管理工作的科學(xué)性和針對性, 綜合考慮工業(yè)電氣系統(tǒng)因素較多、模糊性強和復(fù)雜多變等特點, 提出了層次分析與集對分析相結(jié)合的安全評價方法. 從“人-機-環(huán)-管”出發(fā), 結(jié)合層次分析模型, 建立電氣安全可靠性評價指標(biāo)體系并確定各評價指標(biāo)權(quán)重; 以多元聯(lián)系數(shù)為基礎(chǔ)構(gòu)建集對分析評價模型, 結(jié)合專家賦值, 確定電氣系統(tǒng)安全可靠性等級. 運用該綜合評價方法, 對某工廠電氣系統(tǒng)進行評價. 結(jié)果表明: 該工廠電氣安全等級處于“中”等級, 集對勢為“微同勢”, 存在一定的風(fēng)險性. 針對該工廠電氣安全系統(tǒng)存在的問題提出了相應(yīng)的整改措施, 為企業(yè)的電氣安全管理提供科學(xué)參考.

安全工程; 工業(yè)電氣; 安全評價; 層次分析; 集對分析; 聯(lián)系數(shù)

引言

近年來, 隨著我國工業(yè)化進程的加快, 工業(yè)生產(chǎn)的機械化、自動化程度不斷提高, 電氣安全問題變得日益突出. 因此, 消除電氣安全隱患、防止電氣傷亡事故的發(fā)生已變成工業(yè)企業(yè)安全運營的重要工作內(nèi)容[1].企業(yè)對電氣安全的監(jiān)管、應(yīng)急等工作做得是否到位, 將直接關(guān)系到職工的健康、電器設(shè)備完好等, 一旦發(fā)生電氣事故, 極可能釀成職工傷亡、廠房及設(shè)備嚴(yán)重受損等重大事故. 鑒于此, 結(jié)合工業(yè)電氣安全現(xiàn)狀,對企業(yè)電氣系統(tǒng)進行科學(xué)、有效的評價顯得尤為必要和迫切.

許多學(xué)者在工業(yè)電氣安全評價方面進行了研究. 靳江紅[2]等提出了模糊綜合評價法, 并將該方法應(yīng)用于工業(yè)企業(yè)電氣安全評價中, 得出工業(yè)企業(yè)的電氣系統(tǒng)安全等級. 岳麗宏[3]等從電氣設(shè)備本質(zhì)安全性、工業(yè)企業(yè)環(huán)境因素及電氣安全管理出發(fā)建立了工業(yè)電氣安全評估指標(biāo)體系, 并基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測了企業(yè)的電氣系統(tǒng)安全狀況. 黃巧云[4]分析了工業(yè)企業(yè)電氣安全現(xiàn)狀, 設(shè)想將電氣安全檢查表與模糊綜合評判結(jié)合起來對企業(yè)的電氣安全總體狀況進行評價. 目前常用的安全評價方法, 諸如預(yù)先危險性分析(PHA)、危險可操作性研究(HAZOP)、故障樹分析(FTA)、事件樹分析(ETA)等[5], 也適用于電氣安全評價. 這些評價方法雖然得到了廣泛的應(yīng)用, 但也有各自的不足. 比如模糊綜合評判法可以較好地解決企業(yè)電氣評價系統(tǒng)的模糊性問題, 并能較為客觀地反映客觀事物的本質(zhì), 但存在的問題也顯而易見: 模糊隸屬度的確定、模糊算法的選擇以及評判專家對評價對象認(rèn)識的差異所帶來的評價結(jié)果的不同. BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為一種客觀的、定量的安全預(yù)測方法, 具有較強的非線性映射、推廣、概括能力, 但BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)速度慢, 易陷入局部極限, 從而導(dǎo)致訓(xùn)練失敗. 另外, 這些常規(guī)的評價方法大多是定性的、單一的,容易造成研究的膚淺, 評價結(jié)果不夠客觀.

工業(yè)企業(yè)電氣系統(tǒng)具有多因素、多層次、模糊性強、復(fù)雜多變等特點. 傳統(tǒng)的、單一的評價方法不能夠全面、客觀地反映企業(yè)電氣系統(tǒng)安全狀況. 為此, 基于電氣安全系統(tǒng)的特點, 筆者將層次—集對分析的集成評價方法應(yīng)用到工業(yè)電氣安全評價中, 該集成方法能夠從定性與定量兩方面對企業(yè)電氣安全現(xiàn)狀進行客觀、系統(tǒng)的評價.

1 理論與算法

1.1 層次分析

層次分析法[6～8]是美國運籌學(xué)專家Thomas L. Saaty于20世紀(jì)70年代提出的一種定性與定量相結(jié)合的系統(tǒng)決策方法. 該方法能夠有效、系統(tǒng)地處理準(zhǔn)則決策問題, 在管理、經(jīng)濟、工程等眾多領(lǐng)域, 得到了廣泛地應(yīng)用. 此外, 運用層次分析法也能夠合理地確定系統(tǒng)指標(biāo)權(quán)重, 具體步驟如下:

第1步 建立比較矩陣. 基于1-9標(biāo)度準(zhǔn)則, 結(jié)合行業(yè)專家語義, 對指標(biāo)層各集合的評價指標(biāo)分別兩兩比較其相對于準(zhǔn)則層的重要程度, 從而構(gòu)建指標(biāo)層的比較矩陣

其中n為對應(yīng)的比較指標(biāo)個數(shù)或比較矩陣階數(shù); ann為比較指標(biāo)重要程度對應(yīng)的標(biāo)度值, 標(biāo)度值分類參見文[8].

第2步 確定指標(biāo)權(quán)重. 在比較矩陣的基礎(chǔ)上, 采用方根法求出矩陣的特征向量, 并對特征向量做歸一化處理, 歸一化后的特征向量即為各指標(biāo)的權(quán)重向量ω=(ω,ω,…,ω)T, 具體計算式如下:

第3步 驗證一致性. 客觀事物的復(fù)雜性和專家認(rèn)識的多樣性會導(dǎo)致在指標(biāo)相互比較時出現(xiàn)差異, 但這種差異性不宜過大, 否則會導(dǎo)致求得的指標(biāo)權(quán)重不合理. 因此, 需要對比較矩陣進行一致性檢驗. 比較矩陣的一致性是由一致性指標(biāo)CI與平均隨機一致性指標(biāo)RI(RI取值見表1)的比值決定的.

1) 一致性指標(biāo)CI

其中λmax為比較矩陣的最大特征值, 其計算式為

其中(Aω)i為向量Aω的第i個分量.

2) 一致性比例CR

研究結(jié)果表明: 當(dāng)CR＜0.1時, 比較矩陣滿足一致性要求, 否則應(yīng)對比較矩陣進行修正直到滿足CR＜0.1為止.

表1 平均隨機一致性指標(biāo)RI值

1.2 集對分析

集對分析[9～11]是處理系統(tǒng)確定性與不確定性相互作用的數(shù)學(xué)理論, 是在多元聯(lián)系數(shù)的基礎(chǔ)上分析系統(tǒng)因素的確定性和不確定性. 它主要從同勢、異勢、反勢三個方面研究兩事物的相互聯(lián)系、相互影響、相互制約的內(nèi)在關(guān)聯(lián). 集對分析模型采用聯(lián)系數(shù)來描述系統(tǒng)的模糊性、隨機性和信息不完整帶來的不確定性,可以將模糊、隨機的因素具體化、定量化, 能夠很好地對復(fù)雜的系統(tǒng)工程進行科學(xué)、有效地評價.

1.2.1 集對分析基本理論

給定兩個集合P、Q, 由集合P、Q組成集對W,即W={P, Q}. 假設(shè)集對W包含N個元素, 其中集對W中存在R個相同特征的元素為集合P、Q所共有, 存在S個元素在集合P、Q上關(guān)系不確定, 存在T( T=N-R-S)個元素在集合P、Q上表征為對立關(guān)系. 不妨設(shè)在集對分析理論中a為同一度, b為差異度, c為對立度. 通常用μ表示集對聯(lián)系數(shù), 其表達(dá)式為

其中i為差異度系數(shù), i∈[-1 , 1]; j為對立度系數(shù), 一般地取j=-1; a、b、c滿足歸一化條件: a+b+c=1; i、j有時僅作差異度、對立度的標(biāo)記符號.

式(6)為三元聯(lián)系數(shù), 實際應(yīng)用中通常將bi項分解為bi=b1i1+b2i2+…+bn-2in-2(n ＞3), 則式(6)成為n元聯(lián)系數(shù), 其中b1, b2,…,bn-2為差異度分量; i1, i2,…,in-2為差異度分量系數(shù). 若考慮各元素的權(quán)重, 式(6)轉(zhuǎn)化為

其中ωk為元素權(quán)重, 滿足

通常用集對勢表征兩個集合的集對聯(lián)系度, 當(dāng)式(6)中c≠0時, 定義為集對在指定背景下的集對勢,記作其中shi(H)＞1為同勢, shi(H)=1為均勢, shi(H)＜1為反勢. 同勢、均勢、反勢可以進一步劃分, 詳見表2.

表2 集對勢等級劃分

1.2.2 集對分析適用條件

集對分析法在使用過程中有其適用條件, 一旦脫離適用條件, 所得結(jié)果就不再可靠. 舉例加以說明:首先將工業(yè)電氣系統(tǒng)劃分為四個等級, 其中一級為差、二級為中、三級為良、四級為優(yōu), 應(yīng)用四元聯(lián)系數(shù)集對分析對某工廠電氣系統(tǒng)進行安全評價, 得到集對聯(lián)系數(shù)為: μ=0.2+0.15i1+0.2i2+0.45j . 依據(jù)集對分析理論和系統(tǒng)等級劃分易知: 20%屬于“差”等級; 15%屬于“中”等級; 20%屬于“良”等級; 45%屬于“優(yōu)”等級. 由于“優(yōu)”等級所占比例最大, 最后得出系統(tǒng)安全等級為優(yōu). 然而其他等級所占比例之和大于“優(yōu)”等級的比例, 顯然, 評價結(jié)果失真. 基于此, 有必要探究一下集對分析的適用條件.

設(shè)在[0, 1]上的連續(xù)兩個極點之間任取n( n≥3)個等級點(含兩端點), 記作a, b1,b2,…,bn-2,c . 若則可得a≤0.5, 此即集對分析在系統(tǒng)評價中不適用條件. 因而其適用條件為a＞0.5.

以上假設(shè)中a為n個等級點中的最大值, 若其他等級點為最大值, 只需替換即可. 若系統(tǒng)不滿足集對分析條件, 可以使用系統(tǒng)變量級別與對應(yīng)的等級點之積的總和確定系統(tǒng)的安全狀況. 系統(tǒng)變量級別及等級點劃分見表3.

表3 系統(tǒng)變量級別及等級點劃分

把等級點看作系統(tǒng)變量的權(quán)重, 其與系統(tǒng)變量級別之積的總和作為系統(tǒng)總的級別值μ′, 即

1.3 基于層次—集對分析的系統(tǒng)評判模型

依據(jù)層次分析法求得評價系統(tǒng)各指標(biāo)的權(quán)重, 邀請業(yè)內(nèi)n位專家對評價系統(tǒng)指標(biāo)打分, 即可得出各專家的聯(lián)系數(shù)表達(dá)式, 從而確定聯(lián)系數(shù)矩陣

由于專家水平不一, 需賦予n位專家應(yīng)有的權(quán)值w, 其中w=(w1,w2,…,wn)T. 又集對聯(lián)系數(shù)分量為E, 其中E=(1,i1,i2,…,in-2,j )T, 于是可得到系統(tǒng)的綜合聯(lián)系數(shù)表達(dá)式為

求出系統(tǒng)綜合聯(lián)系數(shù)表達(dá)式后, 需要驗算其是否滿足集對分析理論的適用條件, 若滿足適用條件, 則運用集對分析理論計算系統(tǒng)的等級, 若不滿足適用條件, 應(yīng)參照式(9)進行計算, 以確定系統(tǒng)的安全級別.

2 實例應(yīng)用

為了說明層次—集對分析模型對電氣安全評價的合理、有效性, 筆者選取某工廠電氣安全評價項目作為應(yīng)用實例. 基于文[2]提出的電氣安全評價指標(biāo), 結(jié)合該工廠電氣安全現(xiàn)狀, 對評價因素進行修正, 最終確定準(zhǔn)則層包含3個因素, 指標(biāo)層包含20個因素. 采用層次分析法構(gòu)建比較矩陣, 在此基礎(chǔ)上通過MATLAB軟件求得各評估因素的權(quán)重. 運用四元聯(lián)系數(shù)集對分析對該廠電氣安全狀況進行綜合評判, 首先邀請4位業(yè)內(nèi)專家對該工廠電氣安全狀況進行打分, 其中差是1分、中是2分、良是3分、優(yōu)是4分, 由于專家水平不一, 需賦予4位專家相應(yīng)的權(quán)值w, w =(0.25,0.4,0.15,0.2)T. 專家打分情況見表4.

表4 某工廠電氣安全可靠性評價

由式(7)得出4位專家的評價結(jié)果分別為

μ1=0.3642+0.2018i1+0.4247i2+0.0120j ; μ2=0.4093+0.2966i1+0.1924i2+0.1044j ;

μ3=0.0787+0.4718i1+0.3158i2+0.1364j ; μ4=0.3354+0.3288i1+0.3220i2+0.0165j .

從而得到形如式(10)的四元聯(lián)系數(shù)矩陣

由式(11)可得該廠電氣評價系統(tǒng)的綜合聯(lián)系數(shù)μs, 即

因為max(a, b1,b2,c)=0.3328≤0.5, 顯然不滿足集對分析的適用條件, 此時應(yīng)利用式(9)進行計算該工廠電氣系統(tǒng)的安全分值. 由式(9)得

可見該工廠電氣系統(tǒng)的安全現(xiàn)狀介于“中”和“良”等級之間, 但更趨于“中”等級, 其集對勢

由表2易知, 該工廠電氣系統(tǒng)處于“微同勢”態(tài)勢, 說明該工廠電氣系統(tǒng)存在一定的風(fēng)險性, 需要企業(yè)安全管理人員加強工廠電氣系統(tǒng)安全管理. 針對4位專家評分較低的安全裝置、防護性能、靜電、電磁輻射、觸電危險環(huán)境、登記建檔工作制度、思想業(yè)務(wù)狀況、電氣安全檢查等應(yīng)重點進行整改及監(jiān)管. 筆者就該廠電氣安全評價結(jié)果提出一些整改建議: 電氣安全裝置應(yīng)當(dāng)齊全、合格, 并進行定期檢修維護; 工廠使用的電氣設(shè)備的型號、類別及外殼防護等級必須符合工廠環(huán)境要求, 電氣設(shè)備安裝接線應(yīng)當(dāng)達(dá)到規(guī)范要求; 防靜電接地和跨接應(yīng)完好、齊全, 并且易產(chǎn)生靜電的物質(zhì)流速應(yīng)控制在合理范圍內(nèi), 工作人員必須穿著防靜電工作服; 工廠中的潮濕場所、高溫場所、導(dǎo)電粉塵場所容易發(fā)生觸電事故,必須對其進行重點治理; 針對工廠中的總電氣平面布置圖、電氣系統(tǒng)圖、防雷和接地電氣工程圖、電力和照明電氣工程圖等有關(guān)圖紙必須建立檔案, 電氣設(shè)備的改造、檢修和試驗應(yīng)詳細(xì)記錄備案, 電氣設(shè)備故障也應(yīng)該登記建檔; 強化工人的安全意識和業(yè)務(wù)水平, 使工人嚴(yán)格執(zhí)行操作規(guī)程, 能夠做到積極發(fā)現(xiàn)問題并解決問題; 堅決杜絕電氣安全檢查過程中的形式主義, 電氣安全檢查應(yīng)做到全面、合理, 必須做到定期電氣安全檢查并將檢查結(jié)果詳細(xì)記錄建檔, 同時及時排除檢查出的電氣安全隱患.

3 結(jié)論

本文結(jié)合工業(yè)電氣安全特點, 基于層次—集對分析法從定性和定量兩方面對工業(yè)企業(yè)電氣安全進行客觀、準(zhǔn)確地評價. 將該綜合評價方法應(yīng)用到某工廠電氣安全系統(tǒng)評價中, 通過調(diào)研該工廠電氣安全現(xiàn)狀,確定了3類20項安全評價指標(biāo), 評價結(jié)果表明該工廠電氣安全等級為2級, 屬于“中”狀態(tài), 集對勢表征為“微同勢”, 系統(tǒng)存在一定的風(fēng)險性. 針對實例評價結(jié)果, 提出電氣安全預(yù)防對策, 指導(dǎo)著該工廠電氣安全管理工作的進行, 同時也為其它工業(yè)企業(yè)電氣安全管理提供了科學(xué)參考.

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Evaluation of Industrial Electric Safety Based on Analytic Hierarchy Process and Set Pair Analysis

WANG Jun-li
(School of Mechanical and Electrical Engineering, Zhengzhou University of Industrial Technology, Zhengzhou 451150, China)

In order to appraise the safety and reliability of electric system in industrial enterprises effectively, reduce casualties and property losses for electric accident, and improve the scientificity and pertinence in systematic management of industrial electric safety. Considering the characteristic of electric safety system, which is multi-factorial, fuzzy, complex and changeable, an evaluation model was built by combining analytic hierarchy process with set pair analysis. The evaluation index of electric safety system was determined through the analysis of various factors that had effects on safety operation of industrial electric by analytic hierarchy process. The condition level of industrial electric safety was obtained through expert evaluating method and set pair analysis model based on multi-element connection number. To prove the feasibility and practicality of the integrated evaluation method, this method was applied to a practical example. The results showed that the level of electric safety system for the example was 2-level, with serious problems existing in this practical example, and the corresponding measures were proposed, which can provide scientific reference for industrial electric safety management.

safety engineering; industrial electric; safety evaluation; analytic hierarchy process; set pair analysis; connection number

X946

A

1672-5298(2015)03-0058-06

2015-07-02

河南省高等學(xué)校重點科研項目(15A470023)

王君莉(1989- ), 女, 河南開封人, 碩士, 鄭州工業(yè)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院機電工程學(xué)院教師. 主要研究方向: 電氣安全理論與技術(shù)