模糊層次分析法在火電廠安全評價中的應用

摘要：安全評價是火電廠科學管理制度的重要組成部分，為決策部門進行宏觀調控提供科學的依據。本文從火電廠管理-設備-環境三個方面考慮，采用改進的模糊層次分析法建立火電廠安全評價模型，通過模糊一致判斷矩陣和模糊隸屬度函數，得到各指標對火電廠安全的影響程度，并計算出該火電廠的綜合評分。該方法降低了層次分析法中專家判斷的主觀隨意性，避免了一致性檢驗。該方法提高了安全評價的科學性和客觀性，為電廠安全管理部門提供決策的依據。

關鍵詞：安全評價；層次分析法；模糊層次分析法

一、引言

火力發電廠是電力工業的重要組成部分，為各行各業的順利運轉提供著源源不斷的優質能源，一旦發生事故，輕則造成電網振蕩，重則毀壞系統設備，給社會和家庭帶來不可估量的損失。如何對火電廠安全生產現狀做出科學的評價，有效地提高火電廠安全生產水平，預防和控制重大事故發生，具有重要的研究意義。安全評價是火電廠科學管理制度的重要組成部分，為決策部門進行宏觀調控提供科學的依據。因此對火電廠安全評價具有重大現實意義。

安全評價是基于安全工程的原理和方法對系統中存在的風險進行識別和評價的過程，這一過程包括危險因素識別及危險程度評價兩部分[1]。常見的安全評價方法有事故樹分析法、模糊綜合評價法、層次分析法等。每種方法都有其特點及適用的范圍。事故樹分析法能夠描述事故原因及其相互之間的邏輯關系，及時發現系統中存在的潛在危險因素并從中找出不安全狀態的關鍵環節，但它難以對系統的整體功能進行綜合評價。層次分析法（ Analytic HierarchyProcess，簡稱AHP）是一種定性與定量相結合的多準則、多層次決策的綜合評價方法，但AHP在構造判斷模型時沒有考慮到人的判斷模糊性，評價結果在一定程度上受到專家主觀判斷的影響[2]。模糊層次分析法（FAHP）將模糊理論和層次分析法相結合，克服了層次分析法的局限和人類思維的主觀性，提高了評價的科學性。本文采用模糊層次分析法建立火電廠安全評價模型并進行了實例分析。

二、模糊層次分析法

（一）層次分析法概述

美國數學家Saaty，T. L 于70年代提出了層次分析法（AHP）。通常AHP由四步構成：建立遞階層次結構、構造兩兩比較判斷矩陣、判斷矩陣并進行一致性檢驗、計算各指標的相對權重。AHP 方法強調人的思維判斷在科學決策過程中的作用，把人的主觀判斷過程數學化，從而幫助人們對一些復雜的、難以精確定量描述的決策問題進行量化。但是這種標度未能很好地反映人類判斷的模糊性。

（二）模糊層次分析法

模糊層次分析法是層次分析法與模糊數學結合的產物。FAHP和AHP的區別在于FAHP 通過元素的兩兩比較構造模糊判斷矩陣，再由模糊判斷矩陣求各元素相對重要性的權重。其分析過程是：

1.建立層次結構模型和評語集

利用FAHP解決問題時，首先應建立層次結構模型。層次結構分為三類：目標層——分析問題的預定目標或理想結果；準則層——包含為實現目標所涉及的中間環節，可以由若干個層次組成；方案層——包括為實現目標可供選擇的各種措施、決策方案等。假設被評估的系統A由n個指標（B1，B2，…，Bn）構成。

按照評價指標的等級值采用相應的評語集，例如將安全等級分為很安全、安全、一般、危險和很危險五個等級， 記為W ={W1， W2， W3， W4，W5 }。其中分，W1>90，80

2.構造模糊判斷矩陣

以層次分析法為基礎，根據火電廠專家意見和運行工況，應用表1所示標度法表征各指標的相對重要性，測量結果記為gij，以此構造模糊互補判斷矩陣G=（gij）n×n。

其中0？燮gij？燮1，gij=0.5，gij+gij=1，（i，j=1，2，…，n），G=（gij）n×n為模糊互補矩陣。

G=g11 g12 … g1ng11 g12 … g1n… …g11 g12 … g1n（1）

3.構造模糊一致判斷矩陣

求行和fi=■gij，（i=1，2，…，n）列和fj=■gij，（i=1，2，…，n），根據公式（1）將矩陣G=（g）n×n轉換為模糊一致判斷矩陣F=（f）n×n。

fij=■+0.5（2）

4.確定權重集

在安全評價中，用權重值來衡量風險指標的重要程度。模糊一致判斷矩陣 的元素與權重 的關系是：fij=a（pi-pj+0.5） [6]。由此計算出各指標的權重pi，并得到權重集p=（p1，p2，…，pn）。

pi=■-■+■■fk（3）

5.建立模糊隸屬度矩陣

設指標Bi（i=1，2，…，n）對評價等級Wj（j=1，2，…，m）的隸屬度是rij，即評價指標ai以隸屬度rij屬于評價等級Wj。由此可以得出隸屬度矩陣R（rij）n×n，（i=1，2，…，n；j=1，2，…，m）

6.綜合評價

先進行一級模糊評判，把模糊隸屬度矩陣R與各因素的權重矩陣P進行模糊運算，并進行歸一化運算。然后進行二級指標的模糊綜合評價 得到總的評價向量。

（三）基于模糊層次分析法的火電廠安全綜合評價

1.層次結構模型的建立

本文從管理—環境—設備三個方面建立火力發電廠安全評價體系。模型的縱向層次結構由總目標A、準則層B 和指標層C 組成，建立了兩級綜合評價層次結構，如表2所示。

2.模糊一致判斷矩陣的構造

將模糊評價模型應用于火電廠的安全評價中。利用matlab進行計算，得到各個指標的權重。根據（2）（3）步驟，構造火力發電廠安全層次結構中準則層和指標層的模糊判斷矩陣

G■=0.5 0.6 0.7 0.8 0.80.4 0.5 0.6 0.7 0.70.3 0.4 0.5 0.6 0.60.2 0.3 0.4 0.5 0.50.2 0.3 0.4 0.5 0.5G■=0.5 0.5 0.6 0.8 0.80.5 0.5 0.6 0.7 0.80.4 0.4 0.5 0.6 0.70.3 0.3 0.4 0.5 0.60.2 0.2 0.3 0.4 0.5

G■=0.5 0.5 0.5 0.6 0.6 0.7 0.80.5 0.5 0.5 0.6 0.6 0.7 0.80.5 0.5 0.5 0.6 0.6 0.7 0.80.4 0.4 0.4 0.5 0.5 0.6 0.70.4 0.4 0.4 0.5 0.5 0.6 0.70.3 0.3 0.3 0.4 0.4 0.5 0.60.2 0.2 0.2 0.3 0.3 0.4 0.5GA0.5 0.5 0.70.3 0.5 0.60.2 0.4 0.5

3.權重的計算

通過公式（1）得到火力發電廠安全評價指標權重向量。

準則層對目標層的權重向量為PA={pB1，pB2，pB3}={0.617，0.237，0.146}

指標層對準則層的權重向量為：

PB1={pC1，pC2，pC3，pC4，pC5}=

{0.426，0.238，0.125，0.093，0.08}

PB2={pC6，pC7，pC8，pC9，pC10}=

{0.352，0.246，0.121，0.125，0.057}

PB3={pC11，pC12，pC13，pC14，pC15}=

{0.235，0.235，0.235，0.100，0.100，0.065，0.040}

通過上式計算出指標層對目標層的權重向量為：

PAC={0.275，0.163，0.079，0.05，0.05，0.074，

0.074，0.039，0.025，0.012，0.032，0.032，0.032，0.011，0.011，0.010，0.004}

數據表明，各指標對火力發電廠安全影響較大的依次是安全生產方針的貫徹（0.275），安全責任制（0.163），安全監督體系（0.079），勞動安全（0.074），防火防爆（0.074）。

4.模糊隸屬度矩陣

R■=0.35 0.4 0.15 0.1 00.35 0.25 0.15 0.15 0.10.4 0.3 0.2 0.1 00.3 0.25 0.2 0.15 0.10.25 0.35 0.2 0.1 0.1

R■=0.3 0.45 0.10 0.10 0.050.35 0.25 0.2 0.1 0.10.3 0.4 0.2 0.1 00.25 0.3 0.25 0.2 00.2 0.35 0.25 0.15 0.05

R■=0.35 0.3 0.25 0.1 00.4 0.3 0.2 0.1 00.3 0.35 0.25 0.05 0.050.2 0.4 0.2 0.15 0.50.25 0.3 0.25 0.1 0.10.3 0.3 0.2 0.2 00.1 0.3 0.25 0.2 0.15

5.綜合評價

分別對準則層B1，B2，B3進行模糊綜合評價， Z■=P■×R■（0.3875，0.2543，

0.2039，0.0981，0.0561）

評語集W取中間值，計算相應的分值為： Z■′= Z■×VT =89.2

Z■′=Z■×VT =83.5

ZB3′= ZB3×VT =87.6

Z■= [ZB1，ZB2，ZB3]T ，為指標層隸屬度矩陣。

則該火力發電廠的綜合評分為： z=（PA×ZB）×WT=89.2

數據表明，該火電廠總體狀況處于安全等級，準則層中安全生產管理方面（B1）和生產設備管理（B3）相對較好，勞動安全和作業環境（B2）接近一般水平，應采取改進措施。

三、結論

火力發電廠安全評價指標具有較強的模糊性，涉及因素眾多，評價體系從管理-設備-環境三個方面考慮，采用模糊層次分析法建立模糊一致性判斷矩陣。該方法降低了層次分析法中專家判斷的主觀隨意性，避免了一致性檢驗，提高了安全評價的科學性，方便地確定了各指標的權重排序，得到各指標對火電廠安全的影響程度。在此基礎上，運用模糊綜合評價法獲得風險值。從總的數據來看，該電廠在安全生產管理方面和生產設備管理相對較好，而勞動安全和作業環境處于薄弱環節。火力發電廠可以此為依據，有的放矢地采取改進措施，提高企業的整體安全水平。

參考文獻：

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2.Yang Zongxiao，Yuan Xiaobo，Feng Zhiqiang，et al.A fault prediction approach for process plants using fault tree analysis in sensor malfunction[C].Proceedings of IEEE_ ICMA，Luoyang，2006.

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7.袁小勃，楊宗霄，劉剛.系統分析法在火電廠安全評價中的應用[J].電網技術，2007（2）.

（作者單位：賈益普，盧建昌系華北電力大學；梁娜系石家莊職業技術學院）