基于層次分析的油庫區(qū)靜電風(fēng)險(xiǎn)模糊綜合評(píng)價(jià)方法

劉金玉，王殿生，胡玉琴

(中國石油大學(xué)(華東) 理學(xué)院，山東 青島 266580)

引 言

靜電是油庫火災(zāi)爆炸事故的主要成因[1-3]，合理評(píng)估油庫區(qū)的靜電風(fēng)險(xiǎn)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。于格非[4]研究了輕質(zhì)油品在裝卸和運(yùn)輸過程中靜電產(chǎn)生的主要因素以及靜電放電和靜電點(diǎn)火的條件等，但沒有采用定量的安全評(píng)價(jià)方法對油庫靜電安全性進(jìn)行評(píng)估，無法為運(yùn)營中的油庫提供行之有效的安全評(píng)價(jià)模型；紹虎[5]利用事故樹評(píng)價(jià)方法分析了儲(chǔ)罐靜電安全的影響因素，但僅適用于原油儲(chǔ)罐安全評(píng)價(jià)，無法運(yùn)用于整個(gè)油庫；易俊[6]、李凌峰[7-8]等人構(gòu)建了二階綜合模糊評(píng)估模型，該模型雖將靜電作為油庫火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)的一個(gè)影響因素進(jìn)行研究，但并未深入分析靜電事故誘因。因此，目前關(guān)于油庫區(qū)靜電安全性的系統(tǒng)化評(píng)價(jià)研究還很少。

1 油庫靜電事故評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

油庫系統(tǒng)中，石油因?yàn)榱鲃?dòng)、沉降、晃動(dòng)、噴射、沖擊、過濾等運(yùn)動(dòng)，時(shí)刻在產(chǎn)生電荷[9-10]，由于油品是電的不良導(dǎo)體，油品中電荷逸散的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于靜電產(chǎn)生的速度，靜電荷不斷積累，積累到一定程度就易發(fā)生靜電放電，導(dǎo)致油庫系統(tǒng)發(fā)生靜電火災(zāi)爆炸事故[11]。除此之外，人體靜電也是油庫的一大安全隱患，易產(chǎn)生靜電的衣物、鞋子會(huì)因?yàn)槿梭w運(yùn)動(dòng)摩擦起電，甚至人體會(huì)與其它帶電體發(fā)生感應(yīng)帶電[12]。

在全面分析油庫區(qū)靜電事故誘發(fā)因素的基礎(chǔ)上，參考國內(nèi)外油庫區(qū)靜電安全評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合油庫區(qū)日常管理經(jīng)驗(yàn)，綜合考慮影響油庫區(qū)靜電安全的因素，建立適用于油庫系統(tǒng)的靜電安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。該體系確定靜電產(chǎn)生、可燃油氣和靜電放電3個(gè)一級(jí)指標(biāo)，選取了25個(gè)二級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)，分別為油品易產(chǎn)生靜電、管壁粗糙、油品流速過快、油品過濾產(chǎn)生靜電、油水混合、鞋子與地面摩擦、化纖品與人體摩擦、油液內(nèi)雜質(zhì)、絕緣材質(zhì)容器裝油、油霧與空氣摩擦、油品撞擊罐壁、噴濺式裝卸油品、油品揮發(fā)、閥門泄漏、設(shè)備腐蝕漏油、油品混裝、通風(fēng)不良、裝卸油品后未靜置、空氣濕度低、作業(yè)中與導(dǎo)體接觸、取樣和測量操作錯(cuò)誤、未靜電接地、靜電接地電阻不達(dá)標(biāo)、接地裝置損壞和設(shè)備漆層導(dǎo)電性差。

2 油庫區(qū)靜電安全的模糊綜合評(píng)價(jià)模型

針對油庫區(qū)靜電安全問題的多準(zhǔn)則、多目標(biāo)、模糊性的特點(diǎn)，聯(lián)用層次分析和模糊評(píng)價(jià)法建立多層次模糊綜合評(píng)價(jià)模型(圖1)。該模型的層次結(jié)構(gòu)分為3層：目標(biāo)層A，即油庫區(qū)靜電事故；準(zhǔn)則層B，即影響靜電事故發(fā)生的3大主要因素，靜電產(chǎn)生B1、可燃油氣B2和靜電放電B3；指標(biāo)層C，即靜電安全評(píng)價(jià)體系中選擇的25個(gè)二級(jí)指標(biāo)，依次分別記為C1、C2、C3、…、C25。考慮到靜電產(chǎn)生、積累到放電過程難以定量區(qū)分，因此在所構(gòu)建的層次模型中，每個(gè)二級(jí)指標(biāo)不一定只作用于一個(gè)一級(jí)指標(biāo)，有的二級(jí)指標(biāo)會(huì)作用于多個(gè)一級(jí)指標(biāo)。例如，噴濺式裝卸油品，不僅會(huì)產(chǎn)生靜電，還會(huì)產(chǎn)生可燃的油氣混合物，甚至?xí)l(fā)生火花放電，因此該指標(biāo)同時(shí)作用于3個(gè)準(zhǔn)則層指標(biāo)。

2.1 建立評(píng)價(jià)指標(biāo)集合和評(píng)語集

因素集就是決策系統(tǒng)各評(píng)價(jià)指標(biāo)的集合，用U表示，U=[u1,u2,…,un]。在所建立的油庫區(qū)靜電安全多層次模糊評(píng)價(jià)模型中，因素集分為準(zhǔn)則層因素和指標(biāo)層因素兩層，準(zhǔn)則層因素即3個(gè)一級(jí)指標(biāo)；指標(biāo)層因素即25個(gè)二級(jí)指標(biāo)。

評(píng)價(jià)集是給予評(píng)價(jià)的專家學(xué)者或工作人員對所評(píng)價(jià)對象可能做出的各種總的評(píng)估結(jié)果所組成的集合，通常用V表示，V=[v1,v2,…,vm]，從v1到vm每個(gè)評(píng)估等級(jí)都對應(yīng)著1個(gè)模糊子集。實(shí)際安全評(píng)價(jià)中，評(píng)價(jià)等級(jí)數(shù)m一般取3到7中的整數(shù)。如果m取值較大，難以給出準(zhǔn)確分明的評(píng)估等級(jí)描述語言，且給出的判定等級(jí)歸屬有效性低；反之，又無法達(dá)到模糊評(píng)價(jià)的目的。m一般取奇數(shù)，具體的等級(jí)劃分可以根據(jù)評(píng)價(jià)對象自定義[13]。

2.2 確定指標(biāo)權(quán)重

復(fù)雜的多因素油庫區(qū)靜電安全評(píng)價(jià)問題往往梳理成多層次單目標(biāo)問題，通過構(gòu)建兩兩比較矩陣來定量判斷因素的相對重要性[14-15]。按照標(biāo)度法給予一定的分值，建立比較判斷矩陣；通過求判斷矩陣的最大特征值及其對應(yīng)的特征向量來確定單層次權(quán)重；對求取的最大特征值進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，確保所求權(quán)重值的正確性[16]。n個(gè)因素的判斷矩陣C一般可表示為

C=[cij]n×n。

(1)

式中：Ci表示處于同一層次上的隸屬于同一因素X的各指標(biāo)，cij矩陣中表示Ci與Cj相對于因素X的重要程度；i，j=1，2，…，n。求解矩陣的最大特征值和對應(yīng)特征向量的公式為

CW=λmaxW。

(2)

式中：λmax為判斷矩陣C的最大特征值；W為λmax對應(yīng)的特征向量，W=[W1,W2,…,Wn]，Wi代表其對應(yīng)元素的單權(quán)重。

通過歸一化處理判斷矩陣C中的列向量得到新矩陣，再計(jì)算新矩陣行向量的算術(shù)平均值，即為權(quán)重向量的近似值，最后求解最大特征值，亦即

(3)

(4)

在兩兩比較判斷的過程中，可能會(huì)出現(xiàn)所構(gòu)造的判斷矩陣并不一定具有一致性。為保證求得特征向量的正確性，判斷矩陣需要進(jìn)行一致性程度檢驗(yàn)。一致性指標(biāo)為

(5)

式中：λmax為最大特征值，n為矩陣的階。引入平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RI，則隨機(jī)一致性比率

CR=CI/RI。

(6)

CR作為衡量判斷矩陣一致性的標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)CR<0.1時(shí)，一致性檢驗(yàn)即可通過。

計(jì)算綜合權(quán)重，綜合權(quán)重又稱為層次總排序，指的是同一層次中所有因素對目標(biāo)層的相對重要性標(biāo)度。從上而下逐層求解綜合權(quán)重，假設(shè)已經(jīng)計(jì)算出了第k-1層m個(gè)指標(biāo)相對于最高層的權(quán)重向量為

(7)

第k層上有n個(gè)因素，其對于k-1層的某個(gè)指標(biāo)j的單層權(quán)重向量為

(8)

(9)

2.3 確定評(píng)價(jià)隸屬度矩陣

通過單因素的模糊評(píng)價(jià)來確定隸屬度矩陣R，單因素模糊評(píng)價(jià)是指評(píng)判某個(gè)指標(biāo)因素對于評(píng)價(jià)集的獨(dú)立隸屬度。因素ui的單因素評(píng)判方法：給出ui對評(píng)價(jià)集合V中每一個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)的隸屬度，將ui對V中第j個(gè)元素的隸屬度記為rij，ui，則單因素評(píng)價(jià)模糊集合Ri可表示為

Ri=[ri1,ri2,…,rim]。

(10)

式中：i=1，2，…，n；j=1，2，…，m。Ri為評(píng)價(jià)集V上的模糊子集，rij為關(guān)于因素ui具有評(píng)價(jià)Vj的程度。

n個(gè)因子的單因素評(píng)價(jià)集組成矩陣，得到一個(gè)總的評(píng)價(jià)矩陣即為綜合模糊評(píng)價(jià)矩陣R，可表示為

(11)

2.4 確定模糊綜合評(píng)判結(jié)果

單因素的模糊評(píng)價(jià)反映的是某個(gè)因素對評(píng)價(jià)指標(biāo)的影響效果，想要得到全面的評(píng)價(jià)結(jié)果，需要綜合考慮所有因素對評(píng)價(jià)目標(biāo)的影響，即模糊綜合評(píng)價(jià)。確定了指標(biāo)因子的權(quán)重集合W和綜合模糊評(píng)判矩陣R之后，利用R作模糊線性變換，將W轉(zhuǎn)化成評(píng)價(jià)集V上的模糊子集B，則代表系統(tǒng)評(píng)判集諸因素的相對權(quán)重的集合為

B=W*R=[b1,b2,…,bm]。

(12)

式中，*代表廣義模糊矩陣的合成運(yùn)算。針對油庫區(qū)靜電安全評(píng)價(jià)體系的特點(diǎn)，選用取小上界和型的評(píng)價(jià)模型M(·,?)來處理綜合隸屬度運(yùn)算，即

(13)

根據(jù)所建立的油庫區(qū)靜電安全評(píng)價(jià)層次結(jié)構(gòu)模型，需要進(jìn)行兩級(jí)模糊綜合評(píng)判，最終求解出綜合隸屬度B=[b1,b2,…,bm]；再按照最大隸屬度原則，確定出模糊綜合評(píng)價(jià)集B中最大的元素bj所對應(yīng)的評(píng)語vj，從而得出模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果。

3 實(shí)例分析

以某石油公司油庫為例，采用所建立的模糊綜合評(píng)價(jià)模型和方法分析評(píng)估靜電風(fēng)險(xiǎn)。該油庫裝備20臺(tái)大型設(shè)備，其中輸油泵機(jī)組12套，輸油管線12條，輕油儲(chǔ)罐、重油儲(chǔ)罐兩組儲(chǔ)罐共12個(gè)，儲(chǔ)油能力3×104m3，儲(chǔ)存油品主要有柴油、汽油、燃料油等。油庫系統(tǒng)中還裝備了輸油泵監(jiān)測儀、儲(chǔ)油罐液位計(jì)、在線石油含水分析儀以及管線監(jiān)測系統(tǒng)等輔助設(shè)備。整個(gè)油庫系統(tǒng)是根據(jù)“石油庫設(shè)計(jì)規(guī)范”(GBJ 74-84)建設(shè)的，按照“石油化工靜電接地設(shè)計(jì)規(guī)范”(SH3097-2000)和“液體石油產(chǎn)品靜電安全規(guī)程”(GB 13348-92)采取了相應(yīng)的靜電預(yù)防措施。調(diào)研時(shí)，該油庫處于正常運(yùn)營狀態(tài)。

3.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重的計(jì)算分析

根據(jù)圖1所示層次結(jié)構(gòu)模型，準(zhǔn)則層對目標(biāo)層的判斷矩陣記為矩陣A，其特征向量記為W；指標(biāo)層對“靜電產(chǎn)生”、“可燃油氣”、“靜電放電”這3個(gè)準(zhǔn)則的判斷矩陣及其特征向量分別記為B1和W1、B2和W2、B3和W3；指標(biāo)層對目標(biāo)層的綜合權(quán)重記為WZ。兩兩比較各層因素的相對重要性，采用標(biāo)度法賦值給出的判斷矩陣A及B1、B2、B3分別見表1—表4，特征向量的計(jì)算結(jié)果分別為：

W=[0.25，0.25，0.50]T；

(14)

W1=[0.078，0.129，0.203，0.129，0.078，0.021，0.030，0.030，0.048，0.048，0.078，0.129]T；

(15)

W2=[0.043，0.130，0.216，0.074，0.074，0.074，0.043，0.216，0.130]T；

(16)

W3=[0.078，0.078，0.047，0.133，0.029，0.133，0.133，0.213，0.029，0.078，0.047]T。

(17)

根據(jù)已計(jì)算出的單層排序和式(9)，可計(jì)算出指標(biāo)層對目標(biāo)層的綜合權(quán)重

WZ=(0.019，0.032，0.051，0.032，0.019，

0.005，0.008，0.008，0.051，0.022，0.091，0.110，0.018，0.018，0.018，0.011，0.054，0.099，0.015，0.067，0.067，0.107，0.015，0.039，0.023)T。

(18)

由此可得出評(píng)價(jià)指標(biāo)層對目標(biāo)層的綜合權(quán)重排序(表5)。 因此，噴濺式裝卸油品C12、未靜電接地C22、裝卸油品后未靜置C18、油品撞擊罐壁C11這4個(gè)因素的權(quán)重皆大于0.09，對該油庫區(qū)的靜電安全具有非常重要的影響。

表1 準(zhǔn)則層對目標(biāo)層A的判斷矩陣Tab.1 Judgment matrix of criteria layer to target layer A

表2 指標(biāo)層對準(zhǔn)則層因子B1的判斷矩陣Tab.2 Judgment matrix of index layer to criteria layer factor B1

表3 指標(biāo)層對準(zhǔn)則層因子B2的判斷矩陣Tab.3 Judgment matrix of index layer to criteria layer factor B2

表4 指標(biāo)層對準(zhǔn)則層因子B3的判斷矩陣Tab.4 Judgment matrix of index layer to criteria layer factor B3

表5 指標(biāo)層因素的綜合權(quán)重排序和隸屬度估計(jì)Tab.5 Comprehensive weight and fuzzy membership degree estimation of index layer factors

3.2 模糊評(píng)價(jià)的隸屬度矩陣

采取安全、較安全、輕微危險(xiǎn)、較高危險(xiǎn)、高危險(xiǎn)5個(gè)等級(jí)的評(píng)價(jià)方式建立評(píng)語集V=[v1,v2,v3,v4,v5]，采用專家打分法來確定隸屬度矩陣。邀請10位專家對評(píng)價(jià)模型中各指標(biāo)對應(yīng)各個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)的隸屬度給出估計(jì)值，分值取0～1，且每個(gè)指標(biāo)對應(yīng)各個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)的隸屬度之和為1。對10位專家給出的估計(jì)值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，取平均值作為各指標(biāo)的最終隸屬度估計(jì)值(表5)。

3.3 模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果

由表5中C1～C12的隸屬度行組成評(píng)價(jià)矩陣R1，即為B1準(zhǔn)則的綜合隸屬度矩陣；C10～C18的隸屬度行組成評(píng)價(jià)矩陣R2，即為B2準(zhǔn)則的綜合隸屬度矩陣；C9、C11、C12、C18—C25的隸屬度行組成評(píng)價(jià)矩陣R3，即為B3準(zhǔn)則的綜合隸屬度矩陣。式(15)—(17)的權(quán)重向量W1、W2、W3分別對應(yīng)地轉(zhuǎn)化成評(píng)價(jià)集V上的模糊子集B1、B2、B3。由式(13)則有：

B1=W1*R1=[0.1300.4900.2420.0940.044] ；

(19)

B2=W2*R2=[0.1910.4570.2270.0890.036] ；

(20)

B3=W3*R3=[0.1660.5680.1660.0770.023]。

(21)

(22)

根據(jù)式(13)、式(14)和式(22)，計(jì)算出的最終模糊評(píng)價(jià)隸屬度為

B=W*R=[0.1630.5210.2000.0850.031]。

(23)

由式(23)可知，參照最大隸屬度原則，可知該油庫為較安全等級(jí)，這與該油庫的實(shí)際情況一致。盡管該油庫現(xiàn)階段可以正常運(yùn)行，但是存在一定的靜電安全隱患。需要加強(qiáng)管理，根據(jù)表5中的影響因素分析，采取對應(yīng)措施提高預(yù)防靜電事故的安全防范力度。

4 結(jié) 論

(1)采用層次分析和模糊分析相結(jié)合的方法，建立了油庫區(qū)靜電安全的多層次模糊綜合評(píng)價(jià)模型。該模型的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系由3個(gè)一級(jí)指標(biāo)和25個(gè)二級(jí)指標(biāo)組成。

(2)應(yīng)用所建立的多層次模糊綜合評(píng)價(jià)模型，對一個(gè)實(shí)例油庫進(jìn)行了靜電安全評(píng)價(jià)，靜電安全等級(jí)的評(píng)定結(jié)果為較安全，即危險(xiǎn)性一般，與實(shí)際情況相符。

(3)實(shí)例分析表明，所建立的油庫區(qū)靜電安全評(píng)價(jià)模型能夠有效地評(píng)價(jià)油庫區(qū)靜電安全的現(xiàn)狀，可解決靜電安全評(píng)價(jià)的復(fù)雜性、多層次性和不確定性難題。