基于层次分析的油库区静电风险模糊综合评价方法

刘金玉，王殿生，胡玉琴

(中国石油大学(华东) 理学院，山东 青岛 266580)

引 言

静电是油库火灾爆炸事故的主要成因[1-3]，合理评估油库区的静电风险具有重要的现实意义。于格非[4]研究了轻质油品在装卸和运输过程中静电产生的主要因素以及静电放电和静电点火的条件等，但没有采用定量的安全评价方法对油库静电安全性进行评估，无法为运营中的油库提供行之有效的安全评价模型；绍虎[5]利用事故树评价方法分析了储罐静电安全的影响因素，但仅适用于原油储罐安全评价，无法运用于整个油库；易俊[6]、李凌峰[7-8]等人构建了二阶综合模糊评估模型，该模型虽将静电作为油库火灾风险的一个影响因素进行研究，但并未深入分析静电事故诱因。因此，目前关于油库区静电安全性的系统化评价研究还很少。

1 油库静电事故评价指标体系

油库系统中，石油因为流动、沉降、晃动、喷射、冲击、过滤等运动，时刻在产生电荷[9-10]，由于油品是电的不良导体，油品中电荷逸散的速度远远小于静电产生的速度，静电荷不断积累，积累到一定程度就易发生静电放电，导致油库系统发生静电火灾爆炸事故[11]。除此之外，人体静电也是油库的一大安全隐患，易产生静电的衣物、鞋子会因为人体运动摩擦起电，甚至人体会与其它带电体发生感应带电[12]。

在全面分析油库区静电事故诱发因素的基础上，参考国内外油库区静电安全评估标准，结合油库区日常管理经验，综合考虑影响油库区静电安全的因素，建立适用于油库系统的静电安全评价指标体系。该体系确定静电产生、可燃油气和静电放电3个一级指标，选取了25个二级评价指标，分别为油品易产生静电、管壁粗糙、油品流速过快、油品过滤产生静电、油水混合、鞋子与地面摩擦、化纤品与人体摩擦、油液内杂质、绝缘材质容器装油、油雾与空气摩擦、油品撞击罐壁、喷溅式装卸油品、油品挥发、阀门泄漏、设备腐蚀漏油、油品混装、通风不良、装卸油品后未静置、空气湿度低、作业中与导体接触、取样和测量操作错误、未静电接地、静电接地电阻不达标、接地装置损坏和设备漆层导电性差。

2 油库区静电安全的模糊综合评价模型

针对油库区静电安全问题的多准则、多目标、模糊性的特点，联用层次分析和模糊评价法建立多层次模糊综合评价模型(图1)。该模型的层次结构分为3层：目标层A，即油库区静电事故；准则层B，即影响静电事故发生的3大主要因素，静电产生B1、可燃油气B2和静电放电B3；指标层C，即静电安全评价体系中选择的25个二级指标，依次分别记为C1、C2、C3、…、C25。考虑到静电产生、积累到放电过程难以定量区分，因此在所构建的层次模型中，每个二级指标不一定只作用于一个一级指标，有的二级指标会作用于多个一级指标。例如，喷溅式装卸油品，不仅会产生静电，还会产生可燃的油气混合物，甚至会发生火花放电，因此该指标同时作用于3个准则层指标。

2.1 建立评价指标集合和评语集

因素集就是决策系统各评价指标的集合，用U表示，U=[u1,u2,…,un]。在所建立的油库区静电安全多层次模糊评价模型中，因素集分为准则层因素和指标层因素两层，准则层因素即3个一级指标；指标层因素即25个二级指标。

评价集是给予评价的专家学者或工作人员对所评价对象可能做出的各种总的评估结果所组成的集合，通常用V表示，V=[v1,v2,…,vm]，从v1到vm每个评估等级都对应着1个模糊子集。实际安全评价中，评价等级数m一般取3到7中的整数。如果m取值较大，难以给出准确分明的评估等级描述语言，且给出的判定等级归属有效性低；反之，又无法达到模糊评价的目的。m一般取奇数，具体的等级划分可以根据评价对象自定义[13]。

2.2 确定指标权重

复杂的多因素油库区静电安全评价问题往往梳理成多层次单目标问题，通过构建两两比较矩阵来定量判断因素的相对重要性[14-15]。按照标度法给予一定的分值，建立比较判断矩阵；通过求判断矩阵的最大特征值及其对应的特征向量来确定单层次权重；对求取的最大特征值进行一致性检验，确保所求权重值的正确性[16]。n个因素的判断矩阵C一般可表示为

C=[cij]n×n。

(1)

式中：Ci表示处于同一层次上的隶属于同一因素X的各指标，cij矩阵中表示Ci与Cj相对于因素X的重要程度；i，j=1，2，…，n。求解矩阵的最大特征值和对应特征向量的公式为

CW=λmaxW。

(2)

式中：λmax为判断矩阵C的最大特征值；W为λmax对应的特征向量，W=[W1,W2,…,Wn]，Wi代表其对应元素的单权重。

通过归一化处理判断矩阵C中的列向量得到新矩阵，再计算新矩阵行向量的算术平均值，即为权重向量的近似值，最后求解最大特征值，亦即

(3)

(4)

在两两比较判断的过程中，可能会出现所构造的判断矩阵并不一定具有一致性。为保证求得特征向量的正确性，判断矩阵需要进行一致性程度检验。一致性指标为

(5)

式中：λmax为最大特征值，n为矩阵的阶。引入平均随机一致性指标RI，则随机一致性比率

CR=CI/RI。

(6)

CR作为衡量判断矩阵一致性的标准，当CR<0.1时，一致性检验即可通过。

计算综合权重，综合权重又称为层次总排序，指的是同一层次中所有因素对目标层的相对重要性标度。从上而下逐层求解综合权重，假设已经计算出了第k-1层m个指标相对于最高层的权重向量为

(7)

第k层上有n个因素，其对于k-1层的某个指标j的单层权重向量为

(8)

(9)

2.3 确定评价隶属度矩阵

通过单因素的模糊评价来确定隶属度矩阵R，单因素模糊评价是指评判某个指标因素对于评价集的独立隶属度。因素ui的单因素评判方法：给出ui对评价集合V中每一个评价等级的隶属度，将ui对V中第j个元素的隶属度记为rij，ui，则单因素评价模糊集合Ri可表示为

Ri=[ri1,ri2,…,rim]。

(10)

式中：i=1，2，…，n；j=1，2，…，m。Ri为评价集V上的模糊子集，rij为关于因素ui具有评价Vj的程度。

n个因子的单因素评价集组成矩阵，得到一个总的评价矩阵即为综合模糊评价矩阵R，可表示为

(11)

2.4 确定模糊综合评判结果

单因素的模糊评价反映的是某个因素对评价指标的影响效果，想要得到全面的评价结果，需要综合考虑所有因素对评价目标的影响，即模糊综合评价。确定了指标因子的权重集合W和综合模糊评判矩阵R之后，利用R作模糊线性变换，将W转化成评价集V上的模糊子集B，则代表系统评判集诸因素的相对权重的集合为

B=W*R=[b1,b2,…,bm]。

(12)

式中，*代表广义模糊矩阵的合成运算。针对油库区静电安全评价体系的特点，选用取小上界和型的评价模型M(·,⨁)来处理综合隶属度运算，即

(13)

根据所建立的油库区静电安全评价层次结构模型，需要进行两级模糊综合评判，最终求解出综合隶属度B=[b1,b2,…,bm]；再按照最大隶属度原则，确定出模糊综合评价集B中最大的元素bj所对应的评语vj，从而得出模糊综合评价结果。

3 实例分析

以某石油公司油库为例，采用所建立的模糊综合评价模型和方法分析评估静电风险。该油库装备20台大型设备，其中输油泵机组12套，输油管线12条，轻油储罐、重油储罐两组储罐共12个，储油能力3×104m3，储存油品主要有柴油、汽油、燃料油等。油库系统中还装备了输油泵监测仪、储油罐液位计、在线石油含水分析仪以及管线监测系统等辅助设备。整个油库系统是根据“石油库设计规范”(GBJ 74-84)建设的，按照“石油化工静电接地设计规范”(SH3097-2000)和“液体石油产品静电安全规程”(GB 13348-92)采取了相应的静电预防措施。调研时，该油库处于正常运营状态。

3.1 评价指标权重的计算分析

根据图1所示层次结构模型，准则层对目标层的判断矩阵记为矩阵A，其特征向量记为W；指标层对“静电产生”、“可燃油气”、“静电放电”这3个准则的判断矩阵及其特征向量分别记为B1和W1、B2和W2、B3和W3；指标层对目标层的综合权重记为WZ。两两比较各层因素的相对重要性，采用标度法赋值给出的判断矩阵A及B1、B2、B3分别见表1—表4，特征向量的计算结果分别为：

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)

根据已计算出的单层排序和式(9)，可计算出指标层对目标层的综合权重

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)

由此可得出评价指标层对目标层的综合权重排序(表5)。 因此，喷溅式装卸油品C12、未静电接地C22、装卸油品后未静置C18、油品撞击罐壁C11这4个因素的权重皆大于0.09，对该油库区的静电安全具有非常重要的影响。

表1 准则层对目标层A的判断矩阵Tab.1 Judgment matrix of criteria layer to target layer A

表2 指标层对准则层因子B1的判断矩阵Tab.2 Judgment matrix of index layer to criteria layer factor B1

表3 指标层对准则层因子B2的判断矩阵Tab.3 Judgment matrix of index layer to criteria layer factor B2

表4 指标层对准则层因子B3的判断矩阵Tab.4 Judgment matrix of index layer to criteria layer factor B3

表5 指标层因素的综合权重排序和隶属度估计Tab.5 Comprehensive weight and fuzzy membership degree estimation of index layer factors

3.2 模糊评价的隶属度矩阵

采取安全、较安全、轻微危险、较高危险、高危险5个等级的评价方式建立评语集V=[v1,v2,v3,v4,v5]，采用专家打分法来确定隶属度矩阵。邀请10位专家对评价模型中各指标对应各个评价等级的隶属度给出估计值，分值取0～1，且每个指标对应各个评价等级的隶属度之和为1。对10位专家给出的估计值进行统计，取平均值作为各指标的最终隶属度估计值(表5)。

3.3 模糊综合评价结果

由表5中C1～C12的隶属度行组成评价矩阵R1，即为B1准则的综合隶属度矩阵；C10～C18的隶属度行组成评价矩阵R2，即为B2准则的综合隶属度矩阵；C9、C11、C12、C18—C25的隶属度行组成评价矩阵R3，即为B3准则的综合隶属度矩阵。式(15)—(17)的权重向量W1、W2、W3分别对应地转化成评价集V上的模糊子集B1、B2、B3。由式(13)则有：

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)

根据式(13)、式(14)和式(22)，计算出的最终模糊评价隶属度为

B=W*R=[0.1630.5210.2000.0850.031]。

(23)

由式(23)可知，参照最大隶属度原则，可知该油库为较安全等级，这与该油库的实际情况一致。尽管该油库现阶段可以正常运行，但是存在一定的静电安全隐患。需要加强管理，根据表5中的影响因素分析，采取对应措施提高预防静电事故的安全防范力度。

4 结 论

(1)采用层次分析和模糊分析相结合的方法，建立了油库区静电安全的多层次模糊综合评价模型。该模型的评价指标体系由3个一级指标和25个二级指标组成。

(2)应用所建立的多层次模糊综合评价模型，对一个实例油库进行了静电安全评价，静电安全等级的评定结果为较安全，即危险性一般，与实际情况相符。

(3)实例分析表明，所建立的油库区静电安全评价模型能够有效地评价油库区静电安全的现状，可解决静电安全评价的复杂性、多层次性和不确定性难题。