基于模糊綜合評價法的大型原油儲罐安全狀況評估研究

閆東東

摘 要：隨著我國原油儲備基地的建設(shè)，原油儲罐呈大型化、集中化的發(fā)展趨勢，這不僅關(guān)系到我國的經(jīng)濟發(fā)展，還影響著國家的安全。在這種情況下對大型原油儲罐的安全平穩(wěn)運行工作提出了更高的要求，需要建立以風(fēng)險管理為核心的完整性管理模式，才能更有效的避免或減少事故的發(fā)生，將風(fēng)險控制在人們可接受的范圍內(nèi)，將模糊數(shù)學(xué)法和評分法相結(jié)合應(yīng)用到原油儲罐風(fēng)險評價中。運用模糊綜合評價法得到原油儲罐失效的危險等級。對以后制定相應(yīng)的風(fēng)險管理措施提供了依據(jù)，結(jié)合先進(jìn)的檢測、監(jiān)測技術(shù)以更好的完成決策響應(yīng)部分。從而可以預(yù)防危險因素的發(fā)生，保證儲罐能夠在日常生產(chǎn)中安全平穩(wěn)的運行，提高實際的風(fēng)險預(yù)測能力。

關(guān)鍵詞：完整性管理;風(fēng)險評價;故障樹;模糊綜合評價;層次分析法

1 概述

石油和石油化工產(chǎn)品是我國重要的戰(zhàn)略能源，不僅影響著國家的經(jīng)濟發(fā)展，而且還關(guān)系到國家的公共安全[1]。儲罐在石油、化工、國防以及交通運輸?shù)阮I(lǐng)域應(yīng)用比較廣泛，是儲備原料油、成品油、液體化工原料及其產(chǎn)品的專用設(shè)備[2]。

目前，我國有各種類型的儲罐數(shù)十萬臺，還有數(shù)個大型戰(zhàn)略儲油罐群正在建設(shè)中，因此它的安全性和經(jīng)濟性越來越受到國家和企業(yè)的關(guān)注[1]。大型儲罐一般指公稱體積不小于200m3的儲罐，我國在用的大型儲罐單體最大體積已達(dá)15萬m3，世界上最大的儲罐體積已達(dá)到24萬m3，如今10萬m3的儲罐已屢見不鮮[3-4]。隨著我國石油儲備戰(zhàn)略基地的建設(shè)，大型儲罐潛在的危險越來越多、越來越嚴(yán)重，使得安全、環(huán)保和長周期運行的可能性隨之減小，這種情況下便對大型儲罐的運行和安全管理工作提出了更高的要求[6]。

最初，大型儲罐的管理模式是基于事故的管理模式，之后是周期性的維修管理模式，目前逐步發(fā)展為適用性強的完整性管理模式，即借助信息技術(shù)、集儲罐群數(shù)據(jù)集成技術(shù)、檢測技術(shù)、風(fēng)險評估技術(shù)和維護檢修技術(shù)為一體的更高層次的儲罐管理系統(tǒng)。如何采取有效措施避免和減少大型儲罐事故的發(fā)生，變預(yù)防性周期檢修模式為以風(fēng)險管理為核心的完整性管理模式，是管理者所面臨的重大課題[4]。目前對儲罐的檢測，只有在儲罐退出使用時才能進(jìn)行，因此嚴(yán)重影響了儲罐的正常運行。要解決儲罐的安全性問題，就要加強以預(yù)防和檢測為基礎(chǔ)的儲罐完整性管理[7]。從長遠(yuǎn)的經(jīng)濟效益和環(huán)境保護來看，為確保儲罐的安全運行，實現(xiàn)檢維修周期的優(yōu)化及延壽，迫切需要一種既保證安全又經(jīng)濟方便的科學(xué)有序的管理模式來規(guī)范儲罐的運營，在建立儲罐完整性管理體系的基礎(chǔ)上，根據(jù)各種檢測結(jié)果，對儲罐的風(fēng)險等級進(jìn)行評價，做出科學(xué)的維修決策，對石油化工行業(yè)的發(fā)展具有重大的意義[1，5]。

2 模糊綜合評價法的安全狀況評估管理研究

2.1 模糊綜合評價法概述

模糊綜合評價法是一種基于模糊數(shù)學(xué)模型的綜合評價方法。1965年，美國伯克利加州大學(xué)的自動控制專家L.AZdah教授提出了模糊評價理論。該綜合評價法是根據(jù)模糊數(shù)學(xué)的隸屬度理論，并把定性評價轉(zhuǎn)化為定量評價，也就是用模糊數(shù)學(xué)去評價受到多種因素制約的事物或?qū)ο?。模糊綜合評價法的特點是結(jié)果清晰、系統(tǒng)性強，并且能較好地解決模糊的、難以量化的問題，適合解決各種非確定性的問題[9]。

在我們的現(xiàn)實生活中，很多客觀事物并不是都能被準(zhǔn)確形容的，相反有些事物是具有不確定性因素的，而這種不確定性表現(xiàn)在兩個方面，一是隨機性，事件是否發(fā)生是不確定的;二是模糊性，事物本身的狀態(tài)是不確定的。這種模糊概念或者說模糊現(xiàn)象沒有辦法劃出清晰的界限。比如說一件事情發(fā)生的頻率“偶爾”、“經(jīng)常”、“頻繁”等，是以一種模糊的形式來表達(dá)這件事情發(fā)生的次數(shù)，這個界限具體是怎么區(qū)分的又很難描述。模糊數(shù)學(xué)的出現(xiàn)是把精確描述延展到模糊領(lǐng)域內(nèi)，去解決更復(fù)雜的問題。模糊數(shù)學(xué)并不是把我們已知的精確的數(shù)學(xué)形式變得模糊或模棱兩可，而是通過精確的數(shù)學(xué)去處理那些無法準(zhǔn)確地用數(shù)學(xué)形式表達(dá)的模糊事物?？梢哉f，模糊數(shù)學(xué)是形式化思維和復(fù)雜系統(tǒng)之間的一座橋梁，將二者結(jié)合，使得經(jīng)典數(shù)學(xué)又上升了一個更高的層次[9，10]。

模糊綜合評價法在各領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用也是很廣泛的，借助數(shù)學(xué)概念為實際狀況中的問題提供一種可用的評價方法。準(zhǔn)確的說，模糊綜合評價就是以模糊數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)，將邊界不清、狀態(tài)模糊的因素進(jìn)行定量描述，利用多個因素指標(biāo)對事物的隸屬等級狀況進(jìn)行綜合性評價[10]。

2.2 模糊綜合評價法步驟

模糊綜合評價就是利用最大隸屬原則和模糊交換原理對評價對象做出評判，需要對各個因素進(jìn)行全面的考慮，最終對評價對象做出綜合評判。對于比較復(fù)雜的系統(tǒng)，考慮的因素會比較多，如果各因素之間有層次之分，可采用多層次模糊綜合評價法。根據(jù)實際情況的需要，本文利用二級模糊綜合評價法進(jìn)行評判，其具體步驟如下[8，9]：

①建立因素集U

將需要評價的系統(tǒng)劃分為若干個子系統(tǒng)，有多少個子系統(tǒng)便有多少個因素，則其因素集可表示為：

U={u1，u2，…um}，m為因素個數(shù)。

②建立評價集V

根據(jù)系統(tǒng)情況，選取若干評語組成集合，則稱評價集：

V={V1，V2，…Vn}，n為評語數(shù)。

③建立權(quán)重分配集

在二級模糊評價中權(quán)重分配集包含等級集的權(quán)重和因素集的權(quán)重。

等級權(quán)重系數(shù)反應(yīng)了某因素對系統(tǒng)的影響程度或隸屬程度。設(shè)某一因素uij對應(yīng)于j等級權(quán)重為aij，則對應(yīng)因素ui（i=1，2，…，n）的等級權(quán)重為：

并且上式滿足：＼1-297＼134-2.jpg＼1-297＼134-2.jpg> （2-2）

因素集權(quán)重反應(yīng)了各因素對評價結(jié)果的重要性及影響程度。表示為：

并滿足：（2-4）

④一級模糊綜合評判

用μijk表示因素uij對于評價集中Vk的隸屬度，對于每一因素ui可表示為相應(yīng)的評判矩陣＼1-297＼134-5.jpg>

其中，gi表示第i因素類中構(gòu)成因素的個數(shù)。評判矩陣＼1-297＼134-5.jpg>可通過模糊統(tǒng)計試驗得到，一級模糊綜合評判矩陣＼1-297＼134-6.jpg>為：

其中，1-297＼134-6.jpg>為[U×V]的模糊矩陣。

⑤二級模糊綜合評判。以一級模糊綜合評判為基礎(chǔ)，對因素的影響進(jìn)行二級模糊綜合評判，二級模糊綜合評判矩陣為：

利用上述方法，可進(jìn)行多級模糊綜合評判。

2.3 隸屬函數(shù)的選擇

在儲罐失效風(fēng)險評價指標(biāo)體系中，打分法存在人為的主觀性，并且有一些指標(biāo)的測算和測定本身就是一個比較模糊的概念，因此就需要引入模糊數(shù)學(xué)中的隸屬度函數(shù)，通過隸屬度函數(shù)就能得到評判矩陣。隸屬函數(shù)的確定比較依賴人的主觀性，但也不是隨意得出的，隸屬函數(shù)是對客觀事物的確切表示[9]。

2.3.1 常用隸屬函數(shù)

隸屬函數(shù)是隨著客觀事物的不同狀態(tài)而變化的，要重新建立隸屬函數(shù)是非常困難的，并且建立的模糊集合的合理性也非常不好把握。為了降低選取隸屬函數(shù)的難度，前輩們總結(jié)和歸納了一些常見模糊現(xiàn)象的通用隸屬函數(shù)，以這些通用函數(shù)為基礎(chǔ)對隸屬函數(shù)進(jìn)行適當(dāng)修改以得到適用于模糊集合的隸屬函數(shù)。常見的模糊分布有[9]：

①正態(tài)分布

圖2-1 ?正態(tài)分布圖

②三角形分布

圖2-2 ?三角形分布圖

③梯形分布

圖2-3 ?梯形分布圖

④柯西分布

圖2-4 ?柯西分布圖

⑤ Γ型分布

圖2-5 ?Γ型分布圖

2.3.2 隸屬函數(shù)的確定

根據(jù)上一章對儲罐失效的三個因素的風(fēng)險等級劃分，本文將選擇五級隸屬函數(shù)。選擇可靠的、準(zhǔn)確的、適用的隸屬函數(shù)是非常重要的，這樣才能客觀并充分的描述模糊事物。在風(fēng)險評價中，獲得的評價精度越高，需要劃分的等級就越多，因此計算量也會隨之增加。而五級隸屬函數(shù)精度較高計算量不是特別復(fù)雜，是比較理想的選擇[9]。利用之前介紹的常用隸屬函數(shù)，可在其中選取適合的隸屬函數(shù)進(jìn)行計算。

根據(jù)參考文獻(xiàn)[9]中前輩對大量數(shù)據(jù)利用Matlab軟件進(jìn)行編程計算，不斷的訓(xùn)練學(xué)習(xí)，最終得到了可靠度較高的隸屬函數(shù)。在其研究過程中，還得到了常用隸屬函數(shù)的數(shù)據(jù)不符合度，結(jié)果顯示，各隸屬函數(shù)的數(shù)據(jù)不符合度差異較大，如表2-1所示[9]。

表2-1 ?常見隸屬函數(shù)數(shù)據(jù)表[9]

[隸屬函數(shù)＼&數(shù)據(jù)不符合度＼&等差三角形隸屬函數(shù)（0.2）

等差三角形隸屬函數(shù)（0.25）

等差三角形隸屬函數(shù)（0.3）

等倍三角形隸屬函數(shù)（2倍）

正態(tài)分布隸屬函數(shù)

Γ型分布隸屬函數(shù)

柯西分布隸屬函數(shù)（a=1 c=-2）＼&29.5%

9.34%

2.24%

36.16%

11.9%

29.06%

39.68%＼&]

上表列出了部分常用隸屬函數(shù)數(shù)據(jù)不符合度的數(shù)值，通過對比分析，等差值為0.3的三角形隸屬函數(shù)的數(shù)據(jù)不符合度非常小，只有2.24%，在可接受的范圍內(nèi)。隸屬函數(shù)的選取是否準(zhǔn)確，目前還沒有一個特定的方法去進(jìn)行檢驗，只能選用近似的隸屬函數(shù)去描述現(xiàn)實中的客觀事物[9]。等差值為0.3的三角形隸屬函數(shù)的圖形如下圖所示：

圖2-6 ?因素等級對應(yīng)各等級的隸屬度函數(shù)

上圖中，橫坐標(biāo)表示的五個等級代表的是評價集V={輕微，較輕微，一般，較嚴(yán)重，嚴(yán)重}，縱坐標(biāo)表示的是各因素在不同等級的隸屬度的值。假設(shè)某因素u對評價目標(biāo)的影響程度為三級，根據(jù)上圖就可得到該因素對應(yīng)等級的隸屬度：

u：Ⅲ級=0.4/Ⅰ級+0.7/Ⅱ級+1/Ⅲ級+0.7/Ⅳ級+0.4/Ⅴ級

上式即表達(dá)因素屬于三級時，各個狀態(tài)的隸屬度。同樣當(dāng)因素隸屬于其它級別時，各等級的隸屬度也可由上圖得出。將各個狀態(tài)的等級表達(dá)式按順序依次排列，就得到了評判矩陣[9]。該隸屬函數(shù)的等級權(quán)重集為：

Ⅰ級={1.0，0.7，0.4，0.1，0.0}

Ⅱ級={0.7，1.0，0.7，0.4，0.1}

Ⅲ級={0.4，0.7，1.0，0.7，0.4}

Ⅳ級={0.1，0.4，0.7，1.0，0.7}

Ⅴ級={0.0，0.1，0.4，0.7，1.0}

由這些權(quán)重集即可得到評判矩陣：

歸一化后：

2.4 基于大型原油儲罐失效安全狀況評估

根據(jù)模糊綜合評判方法的步驟，即可求得大型原油儲罐失效的可能性大小，亦就是其危險程度。

①建立因素集U

根據(jù)第三章對儲罐失效原因的分析及故障樹的建立，將引起儲罐失效的基本事件分為三類u1（腐蝕因素）、u2（外界因素）、u3（材料缺陷）。故U={u1，u2，u3}。

②建立評價集V

V={輕微，較輕微，一般，較嚴(yán)重，嚴(yán)重}分別對應(yīng)著Ⅰ級、Ⅱ級、Ⅲ級、Ⅳ級、Ⅴ級。

③建立權(quán)重分配集

假設(shè)u1為Ⅲ級，u2為Ⅱ級，u3為Ⅳ級。即可得到不同因素對應(yīng)的不同等級狀態(tài)下的等級集權(quán)重。

對各指標(biāo)的因素權(quán)重的計算，可得到三大類因素集的權(quán)重系數(shù)。

④一級模糊綜合評判

由選定的隸屬函數(shù)即可得到評判矩陣。

因為u1為Ⅲ級，所以其等級集的權(quán)重系數(shù)

則u1的一級模糊綜合評判矩陣為：

同理可以得到u2、u3的一級模糊綜合評判矩陣：

⑤二級模糊綜合評判

二級模糊綜合評判矩陣為：

通過隸屬函數(shù)的最大隸屬原則可知數(shù)值0.2454最大，故該假設(shè)狀況的綜合等級判定為Ⅲ級，大型原油儲罐在該狀況下的危險程度為一般，亦就是其發(fā)生的可能性大小為中等。

利用模糊綜合評判法，判斷因素的風(fēng)險等級得到各因素的等級集權(quán)重，采用模糊層次分析法得到各因素集權(quán)重，通過矩陣的運算，最終求得大型原油儲罐在某狀況下的危險等級。不同狀況下的各因素的風(fēng)險等級不同，可通過第四章中建立的評分表進(jìn)行打分，得出各因素的危險等級。綜合分析各個因素的危險程度從而得到儲罐失效的風(fēng)險等級。根據(jù)評價結(jié)果，對儲罐發(fā)生的危險有了進(jìn)一步的了解，從而可以預(yù)防危險因素的發(fā)生，再對儲罐失效可能發(fā)生的危險制定相應(yīng)的應(yīng)急預(yù)案和事故處理措施，保證儲罐能夠在日常生產(chǎn)中安全平穩(wěn)運行。

3 結(jié)論

原油屬于易燃、易揮發(fā)的油品，隨著我國原油儲罐數(shù)量的大幅增長，一旦發(fā)生事故，后果將非常嚴(yán)重，因此其屬于重大危險源。本文在前輩們研究的基礎(chǔ)上，對大型原油儲罐的風(fēng)險進(jìn)行了評價，對薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行了判定，為大型原油儲罐的運行以及科學(xué)的管理提供了依據(jù)。對儲罐危險等級的判定，可辨識出失效可能性大的原油儲罐，進(jìn)行進(jìn)一步的檢測和監(jiān)測，重點預(yù)防和維護，將其危險性降到最低，節(jié)省了人力、物力、財力。通過分析，可以得到如下結(jié)論：

①對儲罐完整性管理進(jìn)行了詳細(xì)的分析與總結(jié)，借鑒相關(guān)理論，明確了儲罐完整性管理每一個環(huán)節(jié)的內(nèi)容及具體作用，對建立一個完善的儲罐完整性體系有著重要的作用，在更深層次上可以保證大型原油儲罐的本體安全，并且平穩(wěn)的運行。

②對大型原油儲罐進(jìn)行危險源辨識，從儲罐開裂、儲罐失穩(wěn)和腐蝕穿孔三個方面分析了大型原油儲罐可能存在的風(fēng)險因素。

③通過選取適合的隸屬度函數(shù)，利用二階模糊綜合評價法，得到大型原油儲罐在某狀況下的危險等級。為以后制定相應(yīng)的風(fēng)險緩解措施和風(fēng)險管理措施提供科學(xué)依據(jù)，提高實際的風(fēng)險預(yù)測能力。

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[10]燕子的博客.模糊綜合評價.http：//blog.sina.com.cn/s/blog_51e178

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