基于集值統(tǒng)計(jì)和模糊數(shù)學(xué)的CNG加氣站安全評(píng)價(jià)

夏 宇　許聯(lián)鋒首都經(jīng)濟(jì)貿(mào)易大學(xué)安全與環(huán)境工程學(xué)院

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基于集值統(tǒng)計(jì)和模糊數(shù)學(xué)的CNG加氣站安全評(píng)價(jià)

夏 宇許聯(lián)鋒
首都經(jīng)濟(jì)貿(mào)易大學(xué)安全與環(huán)境工程學(xué)院

【摘 要】應(yīng)用集值統(tǒng)計(jì)與模糊綜合評(píng)價(jià)相結(jié)合的模型對(duì)壓縮天然氣（CNG）加氣站進(jìn)行安全評(píng)價(jià)。建立了CNG加氣站安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，運(yùn)用集值統(tǒng)計(jì)法確定評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)值，并對(duì)得出的權(quán)值進(jìn)行可靠性分析，采用加權(quán)平均模型確定CNG加氣站安全性總的相對(duì)隸屬度。將該方法應(yīng)用于北京市某CNG加氣站的安全評(píng)價(jià)中，計(jì)算結(jié)果表明：售氣系統(tǒng)的可靠性、車載氣瓶的質(zhì)量、對(duì)設(shè)備的管理情況等是影響CNG加氣站安全性的主要因素，并得出了該CNG加氣站的安全等級(jí)為較安全。

【關(guān)鍵詞】集值統(tǒng)計(jì)法；模糊綜合評(píng)價(jià)；可靠性分析；壓縮天然氣加氣站

早在2011年底，北京市已建成加氣站29座，大部分位于六環(huán)以內(nèi)。由于壓縮天然氣是一種易燃易爆的氣體，并且CNG加氣站大多數(shù)位于城市人口相對(duì)稠密地區(qū)。如果發(fā)生火災(zāi)爆炸事故，其火勢(shì)蔓延很快、擴(kuò)散能力極強(qiáng)[1]。國內(nèi)關(guān)于CNG加氣站的事故并不少見，例如：2004年2月，河南省鄭州市一座天然氣加氣站發(fā)生爆炸事故，并燃起大火，造成1人當(dāng)場(chǎng)死亡，至少3人受傷，正在加氣的一輛公交車和四輛出租車被燒毀，加氣站被毀壞；2005年，四川省某加氣站發(fā)生儲(chǔ)氣井筒體噴出的重大事故，事故原因?yàn)閮?chǔ)氣井制造質(zhì)量不合格，儲(chǔ)存的CNG氣質(zhì)不符合標(biāo)準(zhǔn)；2006年4月16日，重慶氣礦魚洞CNG加氣站內(nèi)發(fā)生爆炸，車主炸傷。由此可見，對(duì)城市CNG加氣站進(jìn)行安全評(píng)價(jià)具有重要意義。

以往對(duì)CNG加氣站評(píng)價(jià)采用的方法有灰色關(guān)聯(lián)分析法、故障樹分析法、模糊綜合評(píng)價(jià)法等，雖然安全評(píng)價(jià)的技術(shù)與方法種類繁多，但是CNG加氣站的評(píng)價(jià)有其特殊性，其評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重的確定具有模糊性，對(duì)權(quán)值準(zhǔn)確定量地描述往往比較困難，只能給出一個(gè)大致的描述范圍。為了更加合理地確定評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)值，減少由于人為因素而導(dǎo)致的偏差，本文利用集值統(tǒng)計(jì)的原理來確定指標(biāo)權(quán)值，結(jié)合模糊綜合評(píng)價(jià)法來進(jìn)行安全評(píng)價(jià)。

1　CNG加氣站安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的建立

根據(jù)CNG加氣站事故發(fā)生的條件，以及對(duì)一些事故案例的深入分析，在查閱了相關(guān)文獻(xiàn)[2-4]及參考前人提出的諸多指標(biāo)體系后，從人、環(huán)境、設(shè)備、管理四個(gè)方面來構(gòu)建CNG加氣站安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，見表1。

表1　CNG加氣站安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系U

2　指標(biāo)權(quán)重的確定

CNG加氣站安全評(píng)價(jià)中常用的是專家打分法，但是對(duì)于相同的評(píng)價(jià)體系，不同的加氣站所確定的指標(biāo)權(quán)重往往會(huì)有很大差異，這主要是由于加氣站自身的情況不同，同時(shí)還與評(píng)價(jià)人員自身素質(zhì)和采用的評(píng)價(jià)方法有關(guān)。在生產(chǎn)實(shí)際中，因受客觀條件的限制，若每次評(píng)價(jià)都欲得到一個(gè)具體的確定值會(huì)有難度，因而不能準(zhǔn)確地對(duì)評(píng)價(jià)對(duì)象做出合理判斷；相反，只給出一個(gè)大概的范圍卻能夠更好地描述評(píng)價(jià)對(duì)象，這便是集值統(tǒng)計(jì)的思想[5]。為了更合理的確定指標(biāo)權(quán)值，減少人為因素引起的偏差，下面將利用集值統(tǒng)計(jì)法來確定各指標(biāo)的權(quán)值。

設(shè)某一評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中評(píng)價(jià)指標(biāo)有m個(gè)，它所構(gòu)成的集合為U={u1，u2，…，ur，…，um}。參加權(quán)值評(píng)判的專家有n個(gè)，其集合為P={p1，p2，…，pr，…，pn}。對(duì)某一指標(biāo)ui專家確定的權(quán)值區(qū)間為：[a1i,bli],[a2i,b2i],…,[ari,bri],…,[ani,bni]。統(tǒng)計(jì)各評(píng)價(jià)指標(biāo)并給出區(qū)間值，見表2。

由如下計(jì)算模型得評(píng)價(jià)指標(biāo)ui的相對(duì)權(quán)值：

表2　評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)值的估計(jì)區(qū)間

若在此過程中考慮各個(gè)專家的學(xué)歷、年齡、從事工作情況等因素，設(shè)每位專家的自身權(quán)值為kr，

則評(píng)價(jià)指標(biāo)ui的相對(duì)權(quán)值為：

按式（3）依次求出ui的相對(duì)權(quán)值后再將其歸一化即可得出ui的權(quán)值：

由此可得評(píng)價(jià)體系中各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)值向量：A=｛ω1,ω2，...，ωr，...，ωm｝。

3　指標(biāo)權(quán)重的可靠性分析

對(duì)于通過集值統(tǒng)計(jì)法得到的權(quán)值，還應(yīng)該對(duì)其可靠程度進(jìn)行分析。權(quán)值估計(jì)區(qū)間越大，說明對(duì)該指標(biāo)的描述越模糊，對(duì)其評(píng)價(jià)的把握性越??；反之，則描述的越精確，對(duì)其評(píng)價(jià)的把握性越大。

本文采用區(qū)間方差法來確定權(quán)重的可靠性。對(duì)于指標(biāo)ui的權(quán)值，筆者以區(qū)間方差Fi來表示其可靠程度[6]。定義：

Fi值越大，說明評(píng)價(jià)的把握程度越小，相對(duì)的可靠性越低；Fi值越小，說明評(píng)價(jià)的把握程度越大，相

對(duì)的可靠性越高。對(duì)于得出的較大Fi值，需要專家對(duì)估計(jì)區(qū)間進(jìn)行調(diào)整。

4　用二級(jí)模糊綜合評(píng)判確定加氣站安全性等級(jí)

4.1 模糊評(píng)判模型

模糊綜合評(píng)價(jià)的主要步驟有：

（1）建立評(píng)價(jià)對(duì)象的指標(biāo)集U。根據(jù)上述指標(biāo)體系可得一級(jí)指標(biāo)集U={U1，U2，U3，U4}，一級(jí)指標(biāo)集又由更加基本的二級(jí)指標(biāo)集決定。

（2）建立評(píng)語集。本文建立的評(píng)語集為C={安全，較安全，一般，較危險(xiǎn)，危險(xiǎn)}。

（3）判斷矩陣R。R是單因素評(píng)價(jià)的結(jié)果，即單因素評(píng)價(jià)矩陣。模糊綜合評(píng)價(jià)所綜合的對(duì)象正是R。

（4）綜合評(píng)價(jià)。設(shè)因素的權(quán)值分配向量為A，則該評(píng)價(jià)對(duì)象的模糊綜合評(píng)價(jià)B=AR。

4.2 安全等級(jí)的劃分

按照前面已設(shè)的評(píng)語集C，將CNG加氣站的安全等級(jí)劃分為5類，參考相關(guān)文獻(xiàn)[7]，建立加氣站安全等級(jí)論域及取值范圍，見表3。

表3　CNG加氣站安全等級(jí)劃分

4.3 確定安全評(píng)價(jià)結(jié)果

結(jié)合CNG加氣站安全等級(jí)劃分表，根據(jù)專家的意見，取相應(yīng)的等級(jí)參數(shù)向量V，向量V中元素對(duì)應(yīng)于表4中取值范圍的中間值，則安全評(píng)價(jià)結(jié)果為：

5　應(yīng)用實(shí)例

以北京市某CNG加氣站為例，進(jìn)行應(yīng)用。

5.1 權(quán)重確定

由CNG加氣站安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系可知，第一層指標(biāo)有4個(gè)，第二層指標(biāo)20個(gè)。為了方便專家確定每個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)值的估計(jì)區(qū)間，設(shè)區(qū)間的下限大于0，上限小于30。綜合考慮各位專家對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的評(píng)估能力及自身的學(xué)歷水平，依據(jù)式（2）得出每位專家自身的權(quán)重為 ：

K={0.250，0.335，0.175，0.125，0.115}，然后計(jì)算評(píng)價(jià)指標(biāo)的區(qū)間估計(jì)值，見表4。

表4　評(píng)價(jià)指標(biāo)區(qū)間估計(jì)值

依照式（1）可求出第一層評(píng)價(jià)指標(biāo)Ui（i=1，2，3，4）的相對(duì)權(quán)值為：

A={0.301，0.107，0.381，0.211}。同理，求得第二層的權(quán)重結(jié)果為：

A1={0.190，0.196，0.218，0.202，0.194}；

A2={0.283，0.192，0.170，0.164，0.191}；

A3={0.461，0.210，0.149，0.072，0.108}；

A4={0.228，0.402，0.153，0.112，0.105}。

依照式（5）求得各評(píng)價(jià)指標(biāo)Ui(i=1，2，3，4)的區(qū)間方差：

Fi={97.510，18.309，169.023，63.943}

從得出地結(jié)果發(fā)現(xiàn)F1，F(xiàn)2，F(xiàn)4值較小，說明相應(yīng)的指標(biāo)權(quán)值可靠性相對(duì)較高。F3值較大，說明相應(yīng)的指標(biāo)權(quán)值可靠性相對(duì)較低。這說明各專家對(duì)設(shè)備因素這項(xiàng)指標(biāo)的認(rèn)知程度存在差異，其權(quán)重可靠性相比其他幾項(xiàng)要低。

5.2 模糊評(píng)價(jià)計(jì)算

經(jīng)5位從事現(xiàn)場(chǎng)工作專家評(píng)判，得到一級(jí)指標(biāo)的評(píng)判矩陣如下：

第二層指標(biāo)的權(quán)重分配已知。可得：

對(duì)人員因素的評(píng)價(jià)為：B1=A1R1={0.1572，0.4452，0.2816，0.1160，0}

對(duì)環(huán)境因素的評(píng)價(jià)為：B2=A2R2={0.1618，0.3154，0.3450，0.1578，0}

對(duì)設(shè)備因素的評(píng)價(jià)為：B3=A3R3={0.2800，0.3486，0.2780，0.0514，0.0420}

對(duì)管理因素的評(píng)價(jià)為：B4=A4R4={0.1334，0.3320，0.1904，0.2986，0.0456}

由上述一級(jí)指標(biāo)的評(píng)價(jià)結(jié)果可以得到CNG加氣站總體的評(píng)判矩陣

R= {B1，B2，B3，B4}T

而由U1，U2，U3和U4各自的權(quán)重構(gòu)成的集合為A。通過計(jì)算得到總體的評(píng)價(jià)結(jié)果：

B=AR={0.1995，0.3706，0.2678，0.134 4，0.0256}

5.3 總得分確定及安全等級(jí)確定

根據(jù)上述內(nèi)容，取相應(yīng)的等級(jí)參數(shù)向量為V={95.5，75.5，50.5，25.5，5.5}T，依照式（6）得到等級(jí)參數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果為：

I=BV=64.12445

由F的值，對(duì)照表3判定該加氣站的安全狀況為較安全。

6　結(jié)論

采用集值統(tǒng)計(jì)法確定的CNG加氣站影響因素權(quán)重與傳統(tǒng)的層次分析法相比更加準(zhǔn)確和高效，便于計(jì)算，并且避免了矩陣的一致性檢驗(yàn)，有益于實(shí)際應(yīng)用。通過得到的CNG加氣站指標(biāo)權(quán)重可以看出，在一級(jí)影響因素中，設(shè)備因素是影響CNG加氣站安全性的主要影響因素，二級(jí)影響因素中，售氣系統(tǒng)的可靠性、車載氣瓶的質(zhì)量、設(shè)備的管理情況等是影響CNG加氣站安全性的主要因素，雖然該加氣站的最終評(píng)定等級(jí)為“較安全”，但是在其日常管理中仍需要對(duì)這幾個(gè)方面給予足夠的重視?？梢酝ㄟ^給加氣軟管管路設(shè)置安全拉斷閥，進(jìn)氣管管道上設(shè)置防撞事故自動(dòng)截?cái)嚅y等來提高售氣系統(tǒng)的安全性；對(duì)在站加氣的司機(jī)進(jìn)行安全教育，保證加氣車輛車載氣瓶的材質(zhì)符合有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，并且未超過使用年限；設(shè)備的管理方面應(yīng)設(shè)置嚴(yán)格的規(guī)章制度，特別是對(duì)閥門和安全附件的管理上要保證其穩(wěn)定可靠性。

CNG加氣站的安全評(píng)價(jià)是一個(gè)復(fù)雜的過程，采用定性分析的方法得到的結(jié)論往往不夠直觀，而采用基于模糊綜合評(píng)價(jià)和集值統(tǒng)計(jì)法的安全評(píng)價(jià)模型，可以將定性的問題以及人們的某些主觀判斷用定量的形式表達(dá)出來，使得到的評(píng)價(jià)結(jié)果更加客觀和科學(xué)，可為改進(jìn)加氣站的安全狀況和指導(dǎo)加氣站的安全生產(chǎn)提供參考。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉海燕.天然氣加氣站安全評(píng)價(jià)[D].四川:西南石油大學(xué), 2007

[2] 陳杰,李求進(jìn),吳宗之.100起CNG加氣站事故的統(tǒng)計(jì)分析及對(duì)策研究[J].中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù),2009,5(1):71-75

[3] 楊曉欣.CNG加氣站儲(chǔ)氣罐安全評(píng)價(jià)方法研究[D].新疆:新疆大學(xué),2012

[4] 伊燕莉.CNG加氣站安全評(píng)價(jià)技術(shù)研究及軟件開發(fā)[D].四川:西華大學(xué),2006

[5] 賈進(jìn)章,董曉雷.基于模糊綜合評(píng)價(jià)—集值統(tǒng)計(jì)法的煤礦外因火災(zāi)危險(xiǎn)性分析[J].安全與環(huán)境學(xué)報(bào),2015,15(2):11-14

[6] 王志亮,吳兵,邢書人,等.模糊集值統(tǒng)計(jì)法在煤礦安全評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)值中的應(yīng)用[J].中國安全科學(xué)學(xué)報(bào),2004,14(1):71-73

[7] 劉業(yè)嬌,曹慶貴,林曉飛.煤礦內(nèi)因火災(zāi)事故的2級(jí)模糊綜合評(píng)判[J].安全與環(huán)境學(xué)報(bào),2006,6(S1):156-158