一種沿海石油儲運基地溢油風險智能評價系統(tǒng)

楊勇虎，李穎，劉丙新，朱雪媛（.大連海事大學　航海學院，遼寧　大連　6026；2.大連東軟信息學院　計算機系，遼寧　大連　6023）

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一種沿海石油儲運基地溢油風險智能評價系統(tǒng)

楊勇虎1，2，李穎1，劉丙新1，朱雪媛1
（1.大連海事大學航海學院，遼寧大連116026；2.大連東軟信息學院計算機系，遼寧大連116023）

摘要：對于沿海石油儲運基地，由于石油在儲存、裝卸及運輸過程中存在潛在的風險，一旦發(fā)生突發(fā)事故，其后果就難以估量。因此，對其進行溢油風險評價就顯得尤為重要。此文通過在中石油大連新港的實際調研，參照歷史資料和相關規(guī)范和標準，對風險因素進行逐一分析，建立了風險評價指標體系；將本體與風險分析相結合，分析風險的可能原因、演變規(guī)律、規(guī)避措施和建議，建立了基于領域本體的風險分析模型；運用了多級模糊評價方法和領域本體模型對沿海石油儲備基地進行風險評價和智能分析；最后開發(fā)了風險智能評價系統(tǒng)，實現了風險評價指標的管理、權重的計算、風險分析和評價等功能，最終得到評估結果，給出對策和建議。并以中石油大連新港為實例，對模型和系統(tǒng)進行驗證，效果良好。

關鍵詞：多級模糊評價；石油儲運；風險評價；溢油；本體

沿海石油儲運基地溢油事故是指儲油罐、輸油管道、油碼頭、船舶及其有關作業(yè)活動發(fā)生油類和油性混合物泄漏造成的海洋環(huán)境污染事故（劉勝，2012）。隨著我國國民經濟的持續(xù)快速發(fā)展，社會對能源需求與日俱增，尤其是石油及其產品的需求量。依靠優(yōu)越的海運交通條件，我國在沿海地區(qū)建立了多處大型石油儲備庫，能在一定程度滿足石油儲運需求量快速增長。然而石油在儲存、裝卸及運輸過程中存在潛在的風險，一旦發(fā)生突發(fā)事故，會造成海洋的環(huán)境污染（劉勝，2012）。因此，通過對沿海石油儲運基地進行溢油風險分析和評價，識別石油儲運過程中的事故隱患，分析產生的原因和演變的規(guī)律，對事故后果和危害程度進行預測和評估，制定切實可行預防的措施，從而確保石油儲備基地正常運營和環(huán)境安全。

目前國內外對溢油事故的風險評價進行了大量的研究。在國外已經有很多風險評估軟件應用到海洋溢油風險管理中，美國Palisade Corporation的“Analytical Power Tools”軟件、英國的“RiskNet”軟件、芬蘭的“Riskman”等（Price et al，2003）。而國內溢油風險評價方面的研究起步較晚，許多研究學者主要利用各種模型和數理方法對事故的風險進行定性和定量的評價，對船舶、海底輸油管道、石油平臺、碼頭溢油進行了風險評估和應對措施的研究，基本以環(huán)境因素、人員因素和設施狀況作為主要評價因子，通過分層分析，研究得出相應的風險等級（曹濤等，2012）。但是，在這些模型和算法的運用過程中，存在評價指標的選取不夠全面，可操作性較差，主觀因素較多，對風險的分析不夠智能等缺點。本文根據各類海洋溢油事故發(fā)生的特點和中石油大連新港的現場調研，分析事故的發(fā)生原因和關鍵決定因素，對其儲運過程進行全面的危險辨識，構建風險評價指標體系。利用層次分析法計算指標體系中各因素的權重，建立多級模糊風險評價模型和基于本體的智能風險分析模型，編寫了溢油風險評估的軟件。并以中石油大連新港石油儲備基地為例，通過專家對溢油風險指標體系中各因素的評分，計算該沿海石油儲運基地的溢油風險級別，依據評價結果，提出了沿海石油儲運溢油風險評價及風險管理工作的建議。

1　沿海石油儲運溢油風險評價指標的構建

在沿海石油儲運基地，裝卸和儲運過程極為復雜，主要具備以下特點。首先，在油品儲存方面，擁有各類石油的儲運罐和輔助設施，具有布局、設計和維護不一致的特點。其次，在裝卸和儲運過程，由于工藝流程繁多，設備作業(yè)點多、量大、線長、面廣、人員相對分散的特點。第三，在油船的航行過程，具有油船自身條件和通航環(huán)境復雜的特點。因此石油儲運基地在日常的生產作業(yè)及安全管理方面變得困難。調研和現場踏勘是進行沿海石油儲運基地溢油風險評價工作的基礎。通過大連港石油儲運基地的現場調研，利用現狀分析的結果和收集到的資料，結合現場調研和踏勘情況，根據儲油罐、輸油管道、碼頭和油船在日常儲存、裝卸過程、進出港及其他作業(yè)過程中（例如漆層防腐、閥門密封性檢查、清艙、洗艙、油料供受、污染清除、日常檢查作業(yè)等）導致溢油事故的原因進行危險性識別。對風險因素進行逐一分析，篩選出主要的風險因素。根據分析出的主要風險因素，建立風險評價指標體系（何天平等，2007）。如表1-4所示：

表1　沿海石油儲運溢油風險評價指標體系（油罐）

表2　沿海石油儲運溢油風險評價指標體系（輸油管道）

表3　沿海石油儲運溢油風險評價指標體系（油碼頭）

表4　沿海石油儲運溢油風險評價指標體系（船舶）

2　沿海石油儲運溢油風險評估模型

2.1基于領域本體的風險分析模型

本文將本體與風險分析相結合，研究了基于領域本體的場景化知識識別，分析港區(qū)儲運過程中可能發(fā)生的安全事故類型和規(guī)模，研究影響儲罐集中區(qū)域安全風險的因素，揭示安全事故產生原因、事故機理以及事故演變規(guī)律，確定港區(qū)安全風險管理對象和環(huán)節(jié)。對于風險分析，主要是針對提取的風險影響因素進行分析。因此，本體的抽取構造是基于風險因素模板的構造，基于場景的構造。

本研究將本體分為事故本體、原因本體、表現本體三大類，三類本體之間的關系如圖1所示。采用七步法構造模板本體。七步法的具體步驟為：全面認識本體領域范圍；重用已有本體；枚舉領域本體關鍵術語；定義類和類層次；定義類屬性；定義屬性約束；創(chuàng)建實例（徐建強等，2013）。

圖1　本體之間關系

利用字符串的模式匹配和樹形搜索算法，根據模版中的概念和關系，從評價對象的特征集抽取關鍵詞與模版本體進行匹配，分析風險的可能原因、演變規(guī)律、規(guī)避措施和建議等。

2.2基于多級模糊理論的風險評估模型

沿海石油儲運風險評價指標體系結構如圖2所示，第一層為目標層，第二層為指標層，從儲油罐、輸油管道、油碼頭、船舶4個方面進行綜合評價。第三層為因素層，以設備、環(huán)境和人為因素等方面進行考慮。第四層為分因素層，具體描述各項指標的屬性。

圖2　沿海石油儲運風險評價指標體系結構圖

利用多級模糊綜合評價模型，分析沿海石油儲運設施的風險等級。多級模糊評價方法是運用模糊集合變換的原理，在確定評價等級標準、評價層次指標和權值的基礎上，通過構造模糊隸屬度函數來描述各個指標的模糊界線，建立模糊評判矩陣。然后使用多層逐級的復合運算，確定評價對象所屬等級（王江平等，2008）。具體步驟和數學表達如下：

（1）建立評價因素集：設因素U =｛U1，U2，…，Un｝。Ui表示被評價的溢油風險因子。本研究中，指標集的劃分如表1所示，其中Uiik表示第i子集的第j個方面影響因素子集的第k個影響因素。

（2）建立評價集：評價集通常用V表示，即V =｛V1，V2，…，Vm｝，Vi表示評判的結果。對于分析的結構等級的劃分，應充分考慮指標的性質特點，不宜過細，一般以4-5個為適中。本研究中，采用五級評價結果，記為：V =｛V1（可能性極?。?，V2（可能性?。?，V3（可能性中），V4（可能性大），V5（可能性極大）。

（3）建立權重集：由于各因素影響評價對象取值的重要程度不同，為此，對各因素要賦予相應的權重，記為：A =｛a1，a2，…，an｝。

本研究根據構建的層次評價指標體系，采用主客觀綜合賦權方法對統(tǒng)一層次的指標進行兩兩比較，得出判斷矩陣。采用層次分析法得出不同層次各指標的權重，確定模糊權重集。如表5構建船舶指標判斷矩陣：

表5　船舶指標判斷矩陣

用Matlab計算最大特征值λmax= 4.117，它所對應的特征向量為W =｛0.1847，0.0869，0.8880，0.4121｝，進行一致性檢驗，CI = 0.0390，CR = 0.0672＜0.1，表明船舶指標判斷矩陣滿足一致性要求，歸一化處理后，權重為A =｛0.1175，0.0553，0.5650，0.2622｝。同理，通過此方法可計算其他因素權重。

（4）評價指標模糊隸屬度子集表：U的任一指標Ui對于V中的每一種評價結果的隸屬度組成了V上的模糊子集，記為R（Ui）=（ri1，ri2，…，rin）。根據評價等級標準，依據專家經驗以及判斷準則得到的各個指標的具體評價標準與評價集對應的關系，利用待定系數法，構建隸屬度函數，然后計算出每個指標的隸屬度值組成評價矩陣。本研究中，構造的隸屬度函數如下式1所示：

其中fi（x）為指標對評價集中Vi的隸屬度計算函數，x為根據指標值對不同評價等級的貢獻度給出的分值。表6為陰極保護對評價標準的隸屬度子集表。

表6　陰極保護對評價標準的隸屬度子集表

（5）一級模糊綜合評價：通常各因素權重不等，需要做模糊矩陣運算，B1= A1·R1，其中B1為一級評判的結論向量。

（6）多級模糊綜合評價：多級綜合評價是將上一級綜合評價的結論向量所組成的矩陣作為本級評判的隸屬度模糊矩陣，如式2所示：

則本級評價的結論向量為：

最終求得目標層的評價結論向量，按最大隸屬度原則對沿海石油儲運溢油風險等級進行評價，得出評價結果。

3　風險評價系統(tǒng)的設計與實現

系統(tǒng)由知識表示與存儲模塊、多級模糊評價模塊和專家系統(tǒng)安全風險分析模塊組成。系統(tǒng)的框架設計如圖3所示。

圖3　系統(tǒng)框架圖

使用Visual studio .Net開發(fā)工具，實現了對沿海石油儲運中各評估項目的評估，最終得到評估結果，并通過分析給出對策和建議，如圖4所示。

圖4　評估系統(tǒng)的頁面截圖

4　評價實例

中石油大連新港廠區(qū)是處于大連開發(fā)區(qū)黃海岸邊的現代化深水油港，是大連7.16溢油事件發(fā)生的港口石油儲運基地。課題組通過現場調研和咨詢相關的專家，得到現階段和7.16溢油前期各評價指標的屬性值，如表7所示為現在各評價指標的屬性值。

表7　中石油大連新港評價指標屬性值表

使用本文的評估系統(tǒng)對該港口進行評估，對于7.16溢油事故發(fā)生前期，綜合評估的結果為：該港口發(fā)生溢油的可能性為小，存在安全隱患。2010 年7月16日由于工作人員操作失誤，消防設施檢修不及時等原因導致輸油管道爆炸，以至于大量石油流入海中，造成了巨大的經濟損失和環(huán)境污染。同年10月24日，工作人員在清理103號罐底的過程中，不慎點燃了罐里的剩油發(fā)生火災，由于消防撲救及時，未造成較大損失。2011年7月16日，中石油大連石化公司廠區(qū)內1000萬噸常減壓蒸餾裝置換熱器發(fā)生泄漏并引起大火。2011年8月29日，油品罐區(qū)一個可存儲數千噸柴油的罐體發(fā)生火災，著火點系連接兩罐體之間管線爆裂引發(fā)。2011 年11月22日，大連的大港集團油品碼頭海濱北罐區(qū)31、32號兩個十萬噸級原油罐因雷擊密封圈著火。對于現階段，綜合評估的結果為：該港口發(fā)生溢油的可能性極小，與實際情況吻合。自2011年以來，為吸取事故教訓，該港口加強了港口石油裝卸和儲存過程的安全管理，持續(xù)開展了隱患排查治理工作，提高了重特大事故的應對與處置能力，至今未發(fā)生重大溢油爆炸等事故。

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（本文編輯：袁澤軼）

An intelligent risk assessment system for the oil spill in the coastal oil storage base

YANG Yong-hu1，2，LI Ying1，LIU Bing-xin1，ZHU Xue-yuan1
（1. Navigation College，Dalian Maritime University，Dalian，116026，China；2. Computer Science and Technology Department，Dalian Neusoft Institute of Information，Dalian，116023，China）

Abstract：There is a potential risk during the oil storage，handling and transport in coastal oil storage bases. If an accident occurs，the consequences are enormous. So the oil spill risk assessment is particularly important. The paper analyzes the risk factors，and then establishes the risk evaluation indicator system based on historical data，related specifications and standards，actual research in Dalian New Port. The risk analysis model based on the domain ontology is established by combining the ontology with the risk analysis，and analyzing the possible causes，evolution，preventive measures and recommendations of risks. The multi-level fuzzy evaluation model is applied in the risk evaluation for the oil spill in coastal oil storage bases. Finally，an intelligent evaluation system is developed for implementing some functions such as the management of the risk evaluation index，weight calculation，risk analysis and evaluation，and the evaluation results are gained with giving the countermeasures and suggestions. This paper takes Dalian New Port for example to validate the models and system with good results.

Keywords：multi-level fuzzy evaluation；oil storage and transportation；risk assessment；oil spill；ontology

中圖分類號：X55

文獻標識碼：A

文章編號：1001-6932（2016）02-0235-06

Doi：10.11840/j.issn.1001-6392.2016.02.015

收稿日期：2015-03-23；

修訂日期：2015-06-01

基金項目：海洋公益性行業(yè)科研專項（2012418012－02）；遼寧省教育廳一般項目（L2014577）。

作者簡介：楊勇虎（1977－），男，碩士，副教授，主要從事溢油風險評估和遙感圖像處理研究。電子郵箱：yangyonghu@neusoft.edu.cn。

通訊作者：李穎，博士，教授。電子郵箱：yldmu@126.com。