基于軟系統(tǒng)的加油站云重心理論安全評價研究

陳圓超 戴劍勇,2

〔1 南華大學(xué) 環(huán)境保護與安全工程學(xué)院 湖南衡陽 421001；2 南華大學(xué) 研究生處 湖南衡陽 421001〕

我國加油站數(shù)量龐大。據(jù)統(tǒng)計，截至2015年底，全國加油站數(shù)量約在9.68萬座，其中中石油下屬加油站有2.07萬座，占比21.38 %；中石化下屬加油站有3.06萬座，占比31.61 %；其他社會加油站4.55萬座。加油站基數(shù)大，加油站事故對社會的危險性也大。加油站是儲存大量燃料油的危險源，且多設(shè)于交通發(fā)達、人員密集的繁華地段，若不慎發(fā)生事故后果十分嚴重，因此，運用系統(tǒng)評價方法對加油站的安全狀況作出科學(xué)的評價意義重大。

早在2004年便有學(xué)者將道化法這樣的系統(tǒng)評價法運用在加油站安全評價工作中[1]。此后，學(xué)者們陸續(xù)提出用各種各樣的新型評價方法進行加油站安全情況的評價。如Kai N等首次將灰色關(guān)聯(lián)分析法運用在加油站安全評價中，從設(shè)備設(shè)施、人員、管理、環(huán)境因素四個方面建立了評價指標并對加油站進行了評價[2]。羅通元等運用突變理論對加油站火災(zāi)爆炸事故進行了分析與安全評價[3]。曹偉偉綜合運用故障樹分析法、安全檢查表法和作業(yè)條件危險性評價法，對加油站進行了定性和定量評價并給出了安全預(yù)控措施和建議[4]。吳為權(quán)、陳保成等采用IAHP—FCE模型分析影響加油站安全的主要危險因素，建立加油站安全評價體系，利用改進層次分析法確定各指標權(quán)重，結(jié)合模糊綜合評價法對加油站進行安全評價，得出安全等級[5]。

現(xiàn)有的加油站安全評價研究基本都考慮到了加油站系統(tǒng)內(nèi)的安全因素，但重點放在硬系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)化的要素上，甚少考慮社會層面、經(jīng)濟層面的非結(jié)構(gòu)化要素。如某學(xué)者在對加油站進行安全評價時，將評價指標分為人員因素、設(shè)施設(shè)備因素、安全管理因素、環(huán)境衛(wèi)生因素[6]，未涉及到社會、經(jīng)濟層面的指標。事實上，加油站是一個人類活動的系統(tǒng)，人們在利益、價值觀等方面存在著差異，且時刻受到外界的影響，是一個邊界模糊、結(jié)構(gòu)不良的軟系統(tǒng)。因此，要客觀地對加油站進行安全評價，須將經(jīng)濟層面、社會層面的因素考慮在內(nèi)。為達到這個目的，運用切克蘭德軟系統(tǒng)方法論(SSM)，構(gòu)建新的加油站安全評價體系。

目前常用于加油站安全評價的傳統(tǒng)方法，如模糊綜合評價法，一般較難為定性指標給出較準確的定量描述，評價不夠客觀?，F(xiàn)使用云重心評價法對體系中定性指標進行定量轉(zhuǎn)換，以云重心的位置動態(tài)反映加油站的安全狀況。此方法綜合考慮了模糊性與隨機性，為定性與定量相結(jié)合的信息處理提供了有力手段[7]。實例分析表明，將基于軟系統(tǒng)的評價指標和云重心評價法運用在加油站安全評價中有助于提高評價的客觀性。

1 基于軟系統(tǒng)方法論的加油站安全分析

SSM認為，系統(tǒng)工程處理的問題結(jié)構(gòu)是清楚的，而結(jié)構(gòu)不清楚的管理與社會問題(經(jīng)濟層面與社會層面)的復(fù)雜性遠遠超過人們目前的認識能力，這種問題便無法用系統(tǒng)工程方法論去解決。但系統(tǒng)的目的是清楚的，因此要作的是，用比較討論的方法，去尋找期望與可行的變化，來改善問題的情景[8]。SSM包括七個邏輯步驟(圖1)。

圖1 SSM研究過程

圖中第1，2階段是感知和表達現(xiàn)有系統(tǒng)存在的問題。目前進行加油站評價的缺陷是缺少對社會、經(jīng)濟層面的考慮；第3，4階段是根據(jù)問題的表達提出用以改進問題的新系統(tǒng)，即新評價體系，對其下定義并構(gòu)建出來；第5階段是通過新構(gòu)建的系統(tǒng)與原系統(tǒng)的比較，找出問題所在；第6，7階段是針對查出的問題對原系統(tǒng)作出變革，即運用新評價指標對加油站進行評價。

1.1 加油站安全評價指標體系的情景感知和表達

目前，加油站安全評價對軟系統(tǒng)的問題考慮甚少。加油站這樣的人類活動系統(tǒng)有著社會的特征，無論是來自系統(tǒng)內(nèi)部還是系統(tǒng)外部，社會、經(jīng)濟方面對其安全的影響均不容忽視。中國人民大學(xué)教授鄭杭生、洪大用指出，社會安全主要受兩個方面因素的影響：一是環(huán)境因素，二是系統(tǒng)內(nèi)部因素。其中，環(huán)境因素又包括了自然環(huán)境因素和社會環(huán)境因素，而系統(tǒng)內(nèi)部因素又包括了經(jīng)濟、政治、社會生活和思想文化等因素及其之間的協(xié)調(diào)[9]。

現(xiàn)將加油站看作一小型社會，運用SSM對加油站社會安全作如下分析(圖2)。安全評價應(yīng)該將圖中因素體現(xiàn)在評價指標中。為獲取確切的評價指標，有必要咨詢廣大加油站工作人員以及相關(guān)專家。經(jīng)調(diào)研，獲取了若干軟問題評價指標(見1.2節(jié))。

圖2 應(yīng)用SSM分析加油站安全

1.2 基于SSM的加油站安全評價指標體系概念模型

為明確評價模型目的，為其下根定義：為完善原有安全評價體系、改善加油站安全的社會性問題，感知表達和討論影響其安全運行的軟因素，包括經(jīng)濟子系統(tǒng)、制度子系統(tǒng)和思想文化子系統(tǒng)的系統(tǒng)內(nèi)部因素，以及包括自然環(huán)境因素和社會環(huán)境因素的環(huán)境因素，形成軟系統(tǒng)評價體系，用以對加油站進行安全評價。

根據(jù)根定義建立基于SSM的加油站安全評價指標體系概念模型。把對加油站安全因素分為三類：

外部軟系統(tǒng)因素。指自然環(huán)境和社會環(huán)境對加油站安全的影響，包括周邊居民安全素質(zhì)、周邊構(gòu)建筑物安全度、周邊犯罪事件安全度、周邊事故安全度、周邊自然災(zāi)害安全度等。此處的安全度與危險度相對，比如犯罪率越高，犯罪事件安全度越低。

內(nèi)部軟系統(tǒng)因素。指加油站內(nèi)部的經(jīng)濟狀況、制度建設(shè)和思想文化建設(shè)對加油站安全的影響。包括油品業(yè)務(wù)經(jīng)營狀況、非油品業(yè)務(wù)經(jīng)營狀況、安全投入科學(xué)程度、安全制度合理程度、安全組織合理程度、安全文化建設(shè)等。要特別指出的是安全活動必然要資金投入，若生產(chǎn)經(jīng)營單位經(jīng)營不善，其安全不可能得到保障，故加油站內(nèi)部經(jīng)濟子系統(tǒng)，即經(jīng)營狀況，亦需要列入評價范圍。

硬系統(tǒng)因素。根據(jù)現(xiàn)有研究[4,5,6]，將其分成三種因素：加油站內(nèi)部人員、設(shè)施設(shè)備和工作環(huán)境因素。以上因素可作以下細分：人員因素：身體狀況和業(yè)務(wù)素質(zhì)、安全意識。設(shè)施設(shè)備：消防系統(tǒng)、防靜電設(shè)備、防暴設(shè)備、防雷設(shè)備、卸油作業(yè)系統(tǒng)、加油作業(yè)系統(tǒng)。工作環(huán)境因素：油罐安全間距、加油機安全間距、工業(yè)衛(wèi)生。

根據(jù)以上安全因素建立評價指標體系(表1)。

表1 基于SSM的加油站安全評價指標體系

1.3 評價指標的權(quán)重確定

根據(jù)層次分析法原理來確定權(quán)重。為得到較客觀的數(shù)據(jù)，在湖南省內(nèi)向15位安全工程領(lǐng)域?qū)＜?、石油領(lǐng)域?qū)＜乙约百Y深的石油公司管理者發(fā)放含指標體系的調(diào)查問卷，請求專家們分別為表1中的指標列出一、二級比較矩陣，以決定權(quán)重?；厥战Y(jié)果后的操作步驟：①為各專家的比較矩陣作一致性檢驗，將不通過的矩陣剔除；②計算比較矩陣的特征向量，歸一化，得出單個比較矩陣權(quán)重；③把同一指標的比較矩陣的權(quán)重進行算術(shù)平均，得到綜合考慮專家們意見的權(quán)重。

比如，某專家為一級指標列出了如下比較矩陣。

U1U2U3U111/21/3U2211/2U3321

矩陣中，第一行表示U1相對于U2重要度為1/2，相對于U3重要度為1/3，其他行同理。先運用公式CR =CI/RI為對比矩陣U進行一致性檢驗，確保U中的比較不一致情況在允許范圍內(nèi)。CR為隨機一致性比率，CI為判斷矩陣一致性指標，CI=(λmax-n)/(n -1)，RI為隨機一致性指標。通過Matlab軟件計算得矩陣U的λmax=3.0092，λmax的特征向量為(0.256 5,0.466 0,0.846 8)T。經(jīng)計算CR=0.007 9<0.1，因此U的一致性符合要求。對λmax的特征向量進行歸一化，得到該專家為U1、U2、U3給出的權(quán)重比例W=(0.16，0.30，0.54)。同理，計算出其他專家一級指標比較矩陣的權(quán)重(表2)。

表2 專家們?yōu)橐患壷笜私o出的權(quán)重

表2中均值為綜合專家們意見的一級權(quán)重比例W=(0.12，0.29，0.59)。同理，計算出二級指標權(quán)重比例W1=(0.42，0.26，0.16，0.10，0.06)，W2=(0.35，0.26，0.15，0.15，0.09)，W3=(0.54，0.30，0.16)。與傳統(tǒng)安全評價方法相比，此指標體系完整地考慮了軟系統(tǒng)與硬系統(tǒng)因素，在保留了傳統(tǒng)方法對硬系統(tǒng)分析的優(yōu)點上進行了創(chuàng)新。以上分析是SSM第1-5階段，得到新評價的指標體系。下面以云重心評價法進行第6和第7的實踐階段研究，探討運用此評價法對指標體系進行評價。

2 云重心評價法[6]

2.1 云模型概述

云是用語言值表示某個定性概念與定量之間的不確定性轉(zhuǎn)換模型[10]。定性的概念可以通過云的模型以定量的形式來表示。比如，人們對一個商品“合理價格”的看法用一維正態(tài)云描述(圖3)。圖3中，Ex為期望值，是“合理價格”云重心的位置，是最能表示該模糊定性概念的值，云模型中的“云滴”橫坐標對應(yīng)的價格越靠近1 500元的Ex豎線，其縱坐標對應(yīng)的隸屬度就越靠近1，也就越接近“合理價格”的概念；En為熵，反映“合理價格”這個定性概念的模糊度；He為超熵，是熵En的熵，反映熵的離散程度。

圖3“合理價格”云模型(Ex=1500，En=167，He=12.5)

2.2 云重心評價法的步驟

云重心是云重心位置和云重心高度的乘積，其變化可以反映系統(tǒng)狀況的變化。以一個云重心向量來表示系統(tǒng)的現(xiàn)實狀態(tài)，再計算出現(xiàn)實狀態(tài)相對理想狀態(tài)的加權(quán)偏離度，最后將該加權(quán)偏離度置于實現(xiàn)設(shè)置的定性評測云發(fā)生器中，即可得出對系統(tǒng)現(xiàn)實狀態(tài)的評估。

2.2.1 求評價指標的云模型表示

對于定量指標，設(shè)有n位專家，每位專家為每個指標給出一個評價數(shù)值期望，從n位專家中得出n個期望值Exi(i=1,2,…n)后，將這個定量指標用一維云模型來表示(式1，2)。

(1)

(2)

對于定性指標，設(shè)有n位專家，每位專家根據(jù)評語集為各指標選擇評語，按照定性評測云發(fā)生器將定性的評語轉(zhuǎn)換成對應(yīng)定量的期望和熵(比如，第一位專家為某指標打出評語“好”，根據(jù)圖4，可得該專家給出的期望Ex1為0.7，熵En1為0.33)，從n位專家中得出n個期望Exi(i=1,2,…n)與熵Eni(i=1,2,…n)后，將這個定性指標的n組評語用一維云模型來表示(式3，4)。

(3)

熵En=En1+En2+…+Enn

(4)

評價完所有指標，若體系有p個指標，則可得到1個p維綜合云表示，這個綜合云就是各指標的云重心位置向量g=(g1,g2,…gp)。

2.2.2 云重心高度的確定

根據(jù)1.3節(jié)中一級指標與二級指標的權(quán)重，將13個二級指標的權(quán)重歸一化，得到云重心的高度向量h=(0.05,0.031,0.019,0.012,0.007,0.102,0.075,0.044,0.044,0.026,0.319,0.177,0.094)。

2.2.3 用p維綜合云表示有p個評價指標的系統(tǒng)狀態(tài)

有p個指標的評價體系的系統(tǒng)狀態(tài)可以用一個p維的綜合云S=(S1,S2,…Sp)表示，Si=gi·hi(i=1,2…,p)。其中g(shù)i為第i個指標的云重心的位置；hi為第i個指標的云重心的高度。若一些指標的云重心位置或高度發(fā)生變化，系統(tǒng)的綜合云重心也會隨之變化：S’=(S’1,S’2,…S’p)。

2.2.4 求加權(quán)偏離度，衡量云重心的變化

(5)

以歸一化后的云重心向量Sg乘以云重心高度，求和，得到加權(quán)偏離度(式6)。

(6)

2.3 設(shè)計定性評測的云發(fā)生器

設(shè)定評語集構(gòu)成云發(fā)生器。設(shè)定加油站安全評價指標的評語集為V={V1,V2,…,V11}={極差，非常差，很差，差，稍差，一般，稍好，好，很好，非常好，極好}，構(gòu)成定性評測云發(fā)生器(圖4)。將加權(quán)偏離度θ輸入到定性評測云發(fā)生器中，觀察θ與“極好”對應(yīng)的數(shù)值“1”的距離，找到激活的云對象，得出評價結(jié)果。

圖4定性評測云發(fā)生器

3 實例分析

某加油站位于湖南省衡陽市，該站占地面積約2 000 m2，設(shè)加油機4臺，站內(nèi)員工8人(含站長)，主營93號、97號汽油和柴油，汽油儲量100 m3，柴油儲量50 m3，油罐總?cè)莘e為150 m3，屬二級加油站。

本次安全評價活動有5位評價員。根據(jù)表1中的評價指標和評價依據(jù)參考，對該加油站的外部軟系統(tǒng)、內(nèi)部軟系統(tǒng)、內(nèi)部硬系統(tǒng)的狀況作了安全檢查或調(diào)研。之后，5位評價員用評語集V={極差，非常差，很差，差，稍差，一般，稍好，好，很好，非常好，極好}，評價各二級指標，然后根據(jù)圖4的云發(fā)生器將定性評價轉(zhuǎn)化為表3的定量值。(以表3第2行第2列的數(shù)值為例，0.4是云發(fā)生器中“稍差”評語的期望值，即一號評價員為U11指標作了“稍差”的評價。)

表3 13個指標的評價定量值

由式4、5和表3，各指標的云重心位置向量g=(0.4,0.26,0.8,0.28,0.76,0.28,0.56,0.68,0.24,0.54,0.72,0.26,0.4)，由2.2小節(jié)可知各指標的云重心高度向量h=(0.05,0.031,0.019,0.012,0.007,0.102,0.075,0.044,0.044,0.026,0.319,0.177,0.094)，由Si=gi·hi(i=1,2…,p)，得出現(xiàn)實狀態(tài)系統(tǒng)的各指標的云重心向量為S=(S1,S2,…S13)=(0.02,0.0081,0.0152,0.0034,0.0053,0.0286,0.042,0.0299,0.0106,0.014,0.2297,0.046,0.0376)，已知理想狀態(tài)下各指標的云重心位置均為1，故理想狀態(tài)下云重心向量S0=(0.05,0.031,0.019,0.012,0.007,0.102,0.075,0.044,0.044,0.026,0.319,0.177,0.094)，將S和S0代入式(6)，得到歸一化云重心向量：Sg=( -0.6000,-0.7400,-0.2000,-0.7200,-0.2400,-0.7200,-0.4400,-0.3200,-0.7600,-0.4600,-0.2800,-0.7400,-0.6000)，將Sg代入式(7)，得到加權(quán)偏離度θ=-0.509 7，表示該加油站的安全狀況與“極好”對應(yīng)的標度“1”相差0.509 7，即安全狀況的評價分值為0.490 3，此分值可激活圖4的定性評測云發(fā)生器的“稍差”和“一般”兩個云對象，十分接近“一般”云對象的“0.5”，所以本次評價結(jié)果為該加油站的安全狀況屬于“一般”級別，結(jié)果偏差很小。

評價過程中發(fā)現(xiàn)，目前加油站主要存在下列問題：外部軟系統(tǒng)方面，加油站建于低洼地帶，常在下雨時站內(nèi)積水嚴重；常出現(xiàn)外來人員站內(nèi)用手機、吸煙、載客加油等行為；外來車輛常于站內(nèi)穿行。內(nèi)部軟系統(tǒng)方面，站內(nèi)缺少加油站安全宣傳欄和安全文化教育；不注重發(fā)展非油品業(yè)務(wù)，無足夠經(jīng)濟能力改進安全狀況。內(nèi)部硬系統(tǒng)方面，站內(nèi)危險區(qū)域劃分不當(dāng)，危險區(qū)域配置非防爆電氣設(shè)備；滅火器過期服役；加油站常堆滿商品。加油站今后應(yīng)多加注意內(nèi)、外軟系統(tǒng)帶來的安全問題，針對可能出現(xiàn)或已經(jīng)出現(xiàn)的問題持續(xù)健全安全管理制度，將制度貫徹落實到每一位員工。對于站內(nèi)的硬系統(tǒng)，應(yīng)主動學(xué)習(xí)先進安全管理措施、技術(shù)措施，做好日常安全檢查工作和人員培訓(xùn)工作，不斷提高站內(nèi)安全水平，讓加油站逐步靠近本質(zhì)安全狀態(tài)。

4 結(jié)語

(1)基于切克蘭德軟系統(tǒng)方法論的研究方法，將加油站視為一個小型社會，增加了對其外界自然因素、外界社會因素，站內(nèi)經(jīng)濟因素、制度因素及思想文化因素對其安全的影響，建立了集內(nèi)外部軟系統(tǒng)和硬系統(tǒng)于一體的加油站評價指標體系，為傳統(tǒng)的加油站安全評價范圍提出了建議。

(2)嘗試使用云重心評價法對基于SSM的評價指標體系中的定性指標作了向定量的轉(zhuǎn)換，并將其用于某加油站的安全評價，給出較客觀的加油站系統(tǒng)安全度，并指出主要問題和整改建議，評價加油站安全度的同時提高了加油站的安全水平。

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