模糊综合评价法在往复泵安全评价中的应用

2015-11-15罗通元中国石油大学机械与储运工程学院北京102249

化工管理 2015年30期

罗通元（中国石油大学机械与储运工程学院，北京 102249）

模糊综合评价法在往复泵安全评价中的应用

罗通元（中国石油大学机械与储运工程学院，北京 102249）

往复泵系统是非常复杂而风险很高的动力系统，有必要对往复泵运行过程中的安全状况进行评价，以控制降低事故风险。笔者将优序图法与模糊综合评价法相结合，建立起基于优序图-模糊综合评价法的安全评价模型。根据往复泵自身结构特点，针对运行过程中的诸多不安全因素，建立起安全评价指标体系，通过优序图法确定了各因素权重值，利用模糊综合评价对往复泵系统进行了安全评价，得出评价等级。结果表明：该方法操作方便、评价效果准确可信，可在往复泵系统中应用推广。

往复泵系统评价指标体系优序图模糊综合评价安全评价

往复泵系统在油田应用非常广泛，油田注水采油系统中动力系统中使用的高压注水泵就是一个重点监控对象。随着油田开采进入中后期，因地质条件劣化或油层压力降低而产生油田开发速度下降、采收率下降、效益下降等一系列问题，油田注水的压力也越来越大，而高压往复注水泵是往复泵产品中使用工况很苛刻的油田设备，高压注水泵机组的正常运行对于注水作业非常重要，机组的任一部件的发生故障时就得停机修理。需要投入人力、物力和财力，同时油井停产造成的损失也是非常大的。事实上，往复注水泵系统是一个非常复杂的系统，其安全问题涉及到诸多方面，往往要考虑各指标的相对重要性，通过综合评价来确定影响系统运行的重要因素同时采取预防措施是非常重要的。

目前，针对往复泵单一装置的安全评价应用较少，主要的评价方法：安全检查表、事故树分析法、危险性和可操作研究等方法应用于化工系统非常普遍，但是涉及人员、环境、装置及社会影响各方面的的评价却很少，这些针对企业内部的评价方法也很少对装置进行关注［1］。

模糊综合评价方法是利用模糊线性变换原理和最大隶属度原则，考虑与被评价事物相关的各个因素，对其做出合理的综合评价。它以隶属函数为桥梁，将不确定性在形式上转化为确定性［2］。通过对系统进行全方位考察，综合得出系统的安全等级及对系统影响最大的指标因素，帮助人们针对性改善系统安全水平；优序图作为一种简单高效的权重计算方法，能很好的表示各因素相对上层指标的权重关系，同时与模糊综合评价法相结合能准确的对系统进行等级评价。

1 评价方法介绍

1.1 优序图法

优序图法（Precedence Chart，简称PC）是美国人穆蒂）于1983年提出并应用的，它是用矩阵图示的办法分析各因素对目标的重要程度，为管理决策提供依据［3］。优序图是一个n×n棋盘式图形，图的左侧和上方均表示比较对象的名称，图的左侧列和上方列分别是比较者和被比较者。在进行两两比较时，“1”表示两两相比中的相对“打的”、“优的”、“重要的”，而用“0”表示相对“小的”、“劣的”、“不重要”，用“0.5”表示“同等重要的”［4，5］。根据多位专家比较赋值的不一致性，在构造优序图和计算权重时引入多输入加权优序图，它是简单优序图相应格子上数字相加得到的，汇总后可以算出每个指标的权重。优序图的互补检验很方便，通过比较对角线两边对称方格里数字，若对称的两方格里是“1”和“0”，或者均为“0.5”，则满足互补无需修改。在计算指标权重时将优序图中每行数字相加，再分别与总数相除就得到各指标的权重，其计算公式为：T=∑n/n（n-1）m/ 2。其中∑n是每个指标的得分总和，n为指标总数，m为参评人数。

1.2 模糊综合评价法

模糊综合评价法是应用模糊关系合成的原理，从多个因素对评判事物隶属度等级状况进行综合评判的一种方法［6］。模糊综合评价的思路是首先将n个评价指标的评价对象U=｛u1，u2，…un｝，通过隶属函数映射到对指标有m种评语的评价集V=｛v1，v2，…vm｝上，构成模糊矩阵R。再将n个指标的模糊权重向量与R进行模糊合成运算就得出了评价集上的综合权重向量B。再建立好评价指标体系后就可以进行模糊综合评价了，模糊综合评判包括以下几个步骤［7］：

1.2.1 建立因素集和评价集

评价集U是评判者对评判对象的各种评判结果为元素组成的集合，U=｛u1，u2，…，um｝，它是一个由评价指标组成的指标集，ui（i=1，2，…m）是评判指标；评价集V是评判者对评判对象等级程度的模糊语言描述组成的集合用V=｛v1，v2，…vn｝，vj（j=1，2，…n）表示各等级的评语。

1.2.2 确定评价指标体系的权重集A=｛a1，a2，…，am｝，是一个表示各个指标在指标体系中重要程度的集合，其中ai＞0，权重是归一化的。

1.2.3 模糊隶属度矩阵

对第i个指标ui的评价Ri=｛ri1，ri2，…，rin｝，它是V上的模糊子集。rij表示第i个指标对第j个等级的隶属度。由单个指标评价向量Ri（i=1，2，…m）构成一级评判矩阵：

1.2.4 利用模糊矩阵的合成运算，得到综合评价模型B=A∘R，R=（b1，b2，…，bn），其中模糊运算在实际中根据情况选用。例如采用M（·，⊕）算子时：

1.2.5 设F=（f1，f2，…，fn）T是数据集，其中fj（j=1，2，…，n）表示第j级评语的实际数据。利用向量的乘积，计算最终评价结果Z，Z=B·F。

2 实例分析

2.1 确定评价指标集及评语集

以某油田往复注水泵为研究对象，分析往复泵系统特点及结构，对往复泵进行安全评价。往复泵系统安全评价指标体系如图1所示。

图1 往复泵系统安全评价指标体系

2.2 计算指标权重

优序图法提供了指标权重的简便而高效的计算方法，在构建两两比较矩阵时，通过40位专家打分确定各层指标之间的相对重要程度的量化值，“1”、“0”和“0.5”分别表示重要、不重要和同等重要。通过优序图构建两两比较矩阵，进行一致性检验并调整归一化后得出判断矩阵，同理也可以构建出准则层4个指标的判断矩阵，矩阵构建及权重计算结果见表1和表2所示。

表1 优序图构建的判断矩阵

表2 各指标权重计算结果

2.3 构造模糊评价矩阵

由专家打分确定指标层18个因素等级矩阵，本文采用5等级标度来表达安全等级，即V=｛危险、较危险、一般、较安全、安全｝，计算过程中由安全等级量化值1-5来定性表示风险等级大小，即v1=1、v2=2、v3=3、v4=4、v5=5。根据模糊数学中的半梯形分布函数计算隶属度，见公式（1）。将专家确定的等级矩阵各行求平均值作为各因素的实际值xi，通过公式（1）计算出各指标的模糊隶属度值［8］。为准则层下18个因素所构建的4个模糊关系矩阵R1、R2、R3和R4见式2所示。

2.4 求取综合评价向量

由公式B=A∘R可以计算出下一层各组元素相对于上一层的权重向量，先由Aij（i=1，2，3，4；j=1，2，3，4，5，6）与Ri进行模糊关系合成运算，求得权重向量Bi后再组成模糊关系矩阵R与权重Ai合成运算，最终得到综合评价向量B，结果见表3所示。

表3 模糊综合评价结果

3 结果讨论

从综合隶属度向量中根据“最大隶属度”原则可知，往复泵的安全等级为4级“较安全”级别状况。说明该泵系统目前运行状态较符合安全要求，继续保持现有安全监测及操作要求即可。从权重分配情况看，人员操作和环境影响占总权重的51%，这两个因素对往复泵的安全状态影响较为显著和突出，在运行期间要重点对人员及环境进行监护评估。

4 结语

优序图与模糊综合评价法结合对往复泵系统进行安全评价具有简单准确高效的特点，从现场应用方面来讲可以更好的为设备维护人员提供参考依据，帮助他们进行维护和安全分析。对于往复泵这样复杂重要的设备系统，通过模糊综合评价还可以系统化的了解设备结构、状态和防护措施，得到的安全评价等级可以为设备寿命预测提供参考。在量化安全状态时关键要正确建立指标体系，将主观和客观评价中很好的统一起来，反映了往复泵系统的安全状态，评价结果对于往复泵的安全运行具有重要意义。

［1］程凌，华洁，周晓柱.基于层次分析-模糊综合评判的化工园区安全评价研究［J］.中国安全科学学报，2008，08：125-130.

［2］沈进昌，杜树新，罗祎，罗季阳，杨倩，陈志锋.基于云模型的模糊综合评价方法及应用［J］.模糊系统与数学，2012，06：115-123.

［3］丰朴春，陈大勇，杨蕾馨.优序图法在投标项目选择中的应用研究［J］.价值工程，2011，28：62-63.

［4］夏萍，汪凯，李宁秀，吴大嵘.层次分析法中求权重的一种改进［J］.中国卫生统计，2011，02：151-154+157.

［5］李洪兴，汪培庄.模糊数学［M］.北京：国防工业出版社，1994.

［6］吴丽萍.模糊综合评价方法及其应用研究［D］.太原理工大学，2006.

［7］Luo J.Integrating Fuzzy Logic with Data Mining Methods for IntrucsionDetection［D］.Mississippi State University，1999.

［8］万中，梁文冬，卢宗娟.模糊数的隶属度区间分布函数［J］.重庆理工大学学报（自然科学版），2011，01：107-112.