一种沿海石油储运基地溢油风险智能评价系统

杨勇虎，李颖，刘丙新，朱雪媛（.大连海事大学　航海学院，辽宁　大连　6026；2.大连东软信息学院　计算机系，辽宁　大连　6023）



一种沿海石油储运基地溢油风险智能评价系统

杨勇虎1，2，李颖1，刘丙新1，朱雪媛1
（1.大连海事大学航海学院，辽宁大连116026；2.大连东软信息学院计算机系，辽宁大连116023）

摘要：对于沿海石油储运基地，由于石油在储存、装卸及运输过程中存在潜在的风险，一旦发生突发事故，其后果就难以估量。因此，对其进行溢油风险评价就显得尤为重要。此文通过在中石油大连新港的实际调研，参照历史资料和相关规范和标准，对风险因素进行逐一分析，建立了风险评价指标体系；将本体与风险分析相结合，分析风险的可能原因、演变规律、规避措施和建议，建立了基于领域本体的风险分析模型；运用了多级模糊评价方法和领域本体模型对沿海石油储备基地进行风险评价和智能分析；最后开发了风险智能评价系统，实现了风险评价指标的管理、权重的计算、风险分析和评价等功能，最终得到评估结果，给出对策和建议。并以中石油大连新港为实例，对模型和系统进行验证，效果良好。

关键词：多级模糊评价；石油储运；风险评价；溢油；本体

沿海石油储运基地溢油事故是指储油罐、输油管道、油码头、船舶及其有关作业活动发生油类和油性混合物泄漏造成的海洋环境污染事故（刘胜，2012）。随着我国国民经济的持续快速发展，社会对能源需求与日俱增，尤其是石油及其产品的需求量。依靠优越的海运交通条件，我国在沿海地区建立了多处大型石油储备库，能在一定程度满足石油储运需求量快速增长。然而石油在储存、装卸及运输过程中存在潜在的风险，一旦发生突发事故，会造成海洋的环境污染（刘胜，2012）。因此，通过对沿海石油储运基地进行溢油风险分析和评价，识别石油储运过程中的事故隐患，分析产生的原因和演变的规律，对事故后果和危害程度进行预测和评估，制定切实可行预防的措施，从而确保石油储备基地正常运营和环境安全。

目前国内外对溢油事故的风险评价进行了大量的研究。在国外已经有很多风险评估软件应用到海洋溢油风险管理中，美国Palisade Corporation的“Analytical Power Tools”软件、英国的“RiskNet”软件、芬兰的“Riskman”等（Price et al，2003）。而国内溢油风险评价方面的研究起步较晚，许多研究学者主要利用各种模型和数理方法对事故的风险进行定性和定量的评价，对船舶、海底输油管道、石油平台、码头溢油进行了风险评估和应对措施的研究，基本以环境因素、人员因素和设施状况作为主要评价因子，通过分层分析，研究得出相应的风险等级（曹涛等，2012）。但是，在这些模型和算法的运用过程中，存在评价指标的选取不够全面，可操作性较差，主观因素较多，对风险的分析不够智能等缺点。本文根据各类海洋溢油事故发生的特点和中石油大连新港的现场调研，分析事故的发生原因和关键决定因素，对其储运过程进行全面的危险辨识，构建风险评价指标体系。利用层次分析法计算指标体系中各因素的权重，建立多级模糊风险评价模型和基于本体的智能风险分析模型，编写了溢油风险评估的软件。并以中石油大连新港石油储备基地为例，通过专家对溢油风险指标体系中各因素的评分，计算该沿海石油储运基地的溢油风险级别，依据评价结果，提出了沿海石油储运溢油风险评价及风险管理工作的建议。

1　沿海石油储运溢油风险评价指标的构建

在沿海石油储运基地，装卸和储运过程极为复杂，主要具备以下特点。首先，在油品储存方面，拥有各类石油的储运罐和辅助设施，具有布局、设计和维护不一致的特点。其次，在装卸和储运过程，由于工艺流程繁多，设备作业点多、量大、线长、面广、人员相对分散的特点。第三，在油船的航行过程，具有油船自身条件和通航环境复杂的特点。因此石油储运基地在日常的生产作业及安全管理方面变得困难。调研和现场踏勘是进行沿海石油储运基地溢油风险评价工作的基础。通过大连港石油储运基地的现场调研，利用现状分析的结果和收集到的资料，结合现场调研和踏勘情况，根据储油罐、输油管道、码头和油船在日常储存、装卸过程、进出港及其他作业过程中（例如漆层防腐、阀门密封性检查、清舱、洗舱、油料供受、污染清除、日常检查作业等）导致溢油事故的原因进行危险性识别。对风险因素进行逐一分析，筛选出主要的风险因素。根据分析出的主要风险因素，建立风险评价指标体系（何天平等，2007）。如表1-4所示：

表1　沿海石油储运溢油风险评价指标体系（油罐）

表2　沿海石油储运溢油风险评价指标体系（输油管道）

表3　沿海石油储运溢油风险评价指标体系（油码头）

表4　沿海石油储运溢油风险评价指标体系（船舶）

2　沿海石油储运溢油风险评估模型

2.1基于领域本体的风险分析模型

本文将本体与风险分析相结合，研究了基于领域本体的场景化知识识别，分析港区储运过程中可能发生的安全事故类型和规模，研究影响储罐集中区域安全风险的因素，揭示安全事故产生原因、事故机理以及事故演变规律，确定港区安全风险管理对象和环节。对于风险分析，主要是针对提取的风险影响因素进行分析。因此，本体的抽取构造是基于风险因素模板的构造，基于场景的构造。

本研究将本体分为事故本体、原因本体、表现本体三大类，三类本体之间的关系如图1所示。采用七步法构造模板本体。七步法的具体步骤为：全面认识本体领域范围；重用已有本体；枚举领域本体关键术语；定义类和类层次；定义类属性；定义属性约束；创建实例（徐建强等，2013）。

图1　本体之间关系

利用字符串的模式匹配和树形搜索算法，根据模版中的概念和关系，从评价对象的特征集抽取关键词与模版本体进行匹配，分析风险的可能原因、演变规律、规避措施和建议等。

2.2基于多级模糊理论的风险评估模型

沿海石油储运风险评价指标体系结构如图2所示，第一层为目标层，第二层为指标层，从储油罐、输油管道、油码头、船舶4个方面进行综合评价。第三层为因素层，以设备、环境和人为因素等方面进行考虑。第四层为分因素层，具体描述各项指标的属性。

图2　沿海石油储运风险评价指标体系结构图

利用多级模糊综合评价模型，分析沿海石油储运设施的风险等级。多级模糊评价方法是运用模糊集合变换的原理，在确定评价等级标准、评价层次指标和权值的基础上，通过构造模糊隶属度函数来描述各个指标的模糊界线，建立模糊评判矩阵。然后使用多层逐级的复合运算，确定评价对象所属等级（王江平等，2008）。具体步骤和数学表达如下：

（1）建立评价因素集：设因素U =｛U1，U2，…，Un｝。Ui表示被评价的溢油风险因子。本研究中，指标集的划分如表1所示，其中Uiik表示第i子集的第j个方面影响因素子集的第k个影响因素。

（2）建立评价集：评价集通常用V表示，即V =｛V1，V2，…，Vm｝，Vi表示评判的结果。对于分析的结构等级的划分，应充分考虑指标的性质特点，不宜过细，一般以4-5个为适中。本研究中，采用五级评价结果，记为：V =｛V1（可能性极小），V2（可能性小），V3（可能性中），V4（可能性大），V5（可能性极大）。

（3）建立权重集：由于各因素影响评价对象取值的重要程度不同，为此，对各因素要赋予相应的权重，记为：A =｛a1，a2，…，an｝。

本研究根据构建的层次评价指标体系，采用主客观综合赋权方法对统一层次的指标进行两两比较，得出判断矩阵。采用层次分析法得出不同层次各指标的权重，确定模糊权重集。如表5构建船舶指标判断矩阵：

表5　船舶指标判断矩阵

用Matlab计算最大特征值λmax= 4.117，它所对应的特征向量为W =｛0.1847，0.0869，0.8880，0.4121｝，进行一致性检验，CI = 0.0390，CR = 0.0672＜0.1，表明船舶指标判断矩阵满足一致性要求，归一化处理后，权重为A =｛0.1175，0.0553，0.5650，0.2622｝。同理，通过此方法可计算其他因素权重。

（4）评价指标模糊隶属度子集表：U的任一指标Ui对于V中的每一种评价结果的隶属度组成了V上的模糊子集，记为R（Ui）=（ri1，ri2，…，rin）。根据评价等级标准，依据专家经验以及判断准则得到的各个指标的具体评价标准与评价集对应的关系，利用待定系数法，构建隶属度函数，然后计算出每个指标的隶属度值组成评价矩阵。本研究中，构造的隶属度函数如下式1所示：

其中fi（x）为指标对评价集中Vi的隶属度计算函数，x为根据指标值对不同评价等级的贡献度给出的分值。表6为阴极保护对评价标准的隶属度子集表。

表6　阴极保护对评价标准的隶属度子集表

（5）一级模糊综合评价：通常各因素权重不等，需要做模糊矩阵运算，B1= A1·R1，其中B1为一级评判的结论向量。

（6）多级模糊综合评价：多级综合评价是将上一级综合评价的结论向量所组成的矩阵作为本级评判的隶属度模糊矩阵，如式2所示：

则本级评价的结论向量为：

最终求得目标层的评价结论向量，按最大隶属度原则对沿海石油储运溢油风险等级进行评价，得出评价结果。

3　风险评价系统的设计与实现

系统由知识表示与存储模块、多级模糊评价模块和专家系统安全风险分析模块组成。系统的框架设计如图3所示。

图3　系统框架图

使用Visual studio .Net开发工具，实现了对沿海石油储运中各评估项目的评估，最终得到评估结果，并通过分析给出对策和建议，如图4所示。

图4　评估系统的页面截图

4　评价实例

中石油大连新港厂区是处于大连开发区黄海岸边的现代化深水油港，是大连7.16溢油事件发生的港口石油储运基地。课题组通过现场调研和咨询相关的专家，得到现阶段和7.16溢油前期各评价指标的属性值，如表7所示为现在各评价指标的属性值。

表7　中石油大连新港评价指标属性值表

使用本文的评估系统对该港口进行评估，对于7.16溢油事故发生前期，综合评估的结果为：该港口发生溢油的可能性为小，存在安全隐患。2010 年7月16日由于工作人员操作失误，消防设施检修不及时等原因导致输油管道爆炸，以至于大量石油流入海中，造成了巨大的经济损失和环境污染。同年10月24日，工作人员在清理103号罐底的过程中，不慎点燃了罐里的剩油发生火灾，由于消防扑救及时，未造成较大损失。2011年7月16日，中石油大连石化公司厂区内1000万吨常减压蒸馏装置换热器发生泄漏并引起大火。2011年8月29日，油品罐区一个可存储数千吨柴油的罐体发生火灾，着火点系连接两罐体之间管线爆裂引发。2011 年11月22日，大连的大港集团油品码头海滨北罐区31、32号两个十万吨级原油罐因雷击密封圈着火。对于现阶段，综合评估的结果为：该港口发生溢油的可能性极小，与实际情况吻合。自2011年以来，为吸取事故教训，该港口加强了港口石油装卸和储存过程的安全管理，持续开展了隐患排查治理工作，提高了重特大事故的应对与处置能力，至今未发生重大溢油爆炸等事故。

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（本文编辑：袁泽轶）

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

中图分类号：X55

文献标识码：A

文章编号：1001-6932（2016）02-0235-06

Doi：10.11840/j.issn.1001-6392.2016.02.015

收稿日期：2015-03-23；

修订日期：2015-06-01

基金项目：海洋公益性行业科研专项（2012418012－02）；辽宁省教育厅一般项目（L2014577）。

作者简介：杨勇虎（1977－），男，硕士，副教授，主要从事溢油风险评估和遥感图像处理研究。电子邮箱：yangyonghu@neusoft.edu.cn。

通讯作者：李颖，博士，教授。电子邮箱：yldmu@126.com。