基于区间直觉模糊数和灰色关联的输油站场安全性评估

蒋 毅，安兆暾，吴 森，薛 廉，张 宏

基于区间直觉模糊数和灰色关联的输油站场安全性评估

蒋 毅1，安兆暾2，吴 森3，薛 廉3，张 宏4

（1.中国石油西南管道分公司技术中心，成都 610037；2.西南石油大学土木工程与测绘学院，成都 610500；3.四川省地质工程勘察院集团有限公司，成都 610072；4.四川省地质矿产勘查开发局区域地质调查队，成都 610213）

输油站场所涉及的设施及附属部件较多、且多种工艺流程之间相对独立又相互联系，为降低安全评估难度，通过风险区块划分原则将输油站场分为了压力管道区、清管器收发区、阀组区、储罐区等8大风险区块，基于认识的不确定性，从支持、反对和犹豫三方面的区间直觉模糊数表述专家的评判信息，并改进了一种考虑风险偏好的区间记分函数（p-α计分函数），并从其工作经验、知识水平程度以及从众心理程度三方面进行了量化分析；且在单一赋权法的基础上，考虑了主观因素和客观因素对评价结果的影响，从最优关联系数和最劣关联系数两方面综合确定了站场各风险区块的安全风险系数，并与传统记分函数的结果进行了比较，其评价结果符合实际情况，该方法为输油站场的安全管理工作提供了有益参考。

输油站场；区块划分；区间直觉模糊数；灰色关联分析；安全风险系数

随着我国油气管道里程数的持续增加，油气站场建设成为了国家和社会所关注的焦点问题，而作为能源供应的转输站，其安全、高效运行逐渐面临巨大的挑战（董绍华等，2013）。

近年来，越来越多的学者致力于油气站场的风险评价技术研究工作，并取得了一系列的成果。周立国通过对成品油站场工艺管道风险机理研究，提出基于KENT法和RBI的风险评价方法（周立国等，2019）。邢金朵运用危险与可操作性分析(HAZOP)和失效模式分析(AMEA)理论对站场安全风险状况进行研究（邢金朵等，2015）。姚安林基于模糊集理论改进了传统的风险评价技术，建立了站场综合风险评价模型（姚安林等，2015）。廖柯熹基于风险量化评价流程对川气东送管道典型站场进行风险评价进行研究（廖柯熹等，2012）。黄亮亮运用潜在失效模式及后果分析方法和基于GO法的运算机理进行了站场典型设备的失效可能性分析，建立了模糊推理系统风险计算模型（黄亮亮，2015）。张慧娟基于AHP层次分析法构建输气站场风险评价模型，突出了定量分析在该模型中的重要作用（张慧娟，2017）。崔凯燕采用定量的基于风险的检验(RBI)技术对输气站场风险综合评价（崔凯燕等，2016）。曹涛通过HAZOP分析对油气站场风险进行研究（曹涛等，2011）。曹建国基于RBI、RCM和SIL技术对输气首站进行定量风险评价（曹建国，2014）。

本文基于认识的不确定性，在建立输油站场风险区块划分的基础上，将区间直觉模糊数引入了站场安全评估中，从支持、反对和犹豫3个方面全面表述了专家对各风险区块安全事故发生、不发生、以及可能发生的概率区间。并定义了新的区间记分函数和充分考虑了决策者的风险偏好，从工作经验、知识水平程度以及从众心理程度方面进行了定量分析；为避免忽略部分因素的重要程度，综合考虑了权重确定的主观因素和客观因素对评价结果的影响；从最优关联系数和最劣关联系数两方面确定了站场各风险区块的安全风险系数。

1 区间直觉模糊集理论

设论域为U，称A={˂x，A(x)，A(x)>|x∈U}为直觉模糊集，其中A(x)和A(x)分别表示为A的隶属度函数和非隶属度函数，及论域U→[0，1]且对于论域上任意的元素x都满足0≤A(x)+A(x)≤1；为表示信息决断者的犹豫程度定义了论域中元素x属于A的犹豫度，及ΠA(x)=1-A(x)-A(x)（谢建明,2018）。

由于受客观环境的复杂性、决策者的专业技能等认识的不确定性的影响，且直觉模糊集中的隶属度和非隶属度难以用精确的数值描述，为准确表达决策者对决策方案的精确偏好信息，采用区间形式更能反映问题的本质特点、详细的描述了事物的本质属性.

设论域为U，称={˂x，μ(x)，ν(x)>|x∈U}为区间直觉模糊集，其中μ(x)，ν(x)分别为的隶属度区间μ(x)=[μ1，μ2]⊂[0,1]和非隶属度区间ν(x)=[ν1，ν2]⊂[0,1]，则Π(x)=[1-μ1-ν1，1-μ2-ν2]，且论域上上任意的元素x都满足μ1(x)˂μ2(x)、ν1(x)˂ν2(x)、μ2(x)+ν2(x)≤1。特别地，对任意的元素x，若μ1(x)=μ2(x)、ν1(x)=ν2(x)，则区间直觉模糊集a退化为直觉模糊集A。而论域中元素x属于a的隶属度和非隶属度组成的序列<μ(x)，ν(x)>称为区间直觉模糊数。

1.1 区间计分函数

在实际的决策问题中，决策者对风险偏好的差异是一个客观存在、不得忽略的情况，基于风险偏好的思想，从工作经验α1、知识水平程度α2以及从众心理程度α3三个方面对决策者的风险偏好进行考虑，并在带犹豫度放缩的精确记分函数（P-记分函数）（高建伟等，2014）和相关系数定义的基础上，引进新的计分函数(简称p-α计分函数)：

表1 工作经验α1

1.2 风险偏好下取值研究

表2 知识水平程度α2

风险偏好的取值主要从工作经验1、知识水平程度2以及从众心理程度3三个方面进行考虑，而工作经验的衡量大多是基于工作时间长短进行判断，忽略了工作质量程度，故从工作时间11和工作质量程度12两方面进行判定，见表1。

知识水平程度2主要从专业知识21和学术知识22两个方面进行考虑，实现了对应用和理论的双侧重，更为精准地反映了人的学识水平，见表2。

而众心理程度3的取值从一般从众、中等从众和完全从众三个方面进行取值研究，见表3。

2 站场各区块安全风险系数计算模型

表3 从众心理程度α3

油气站场作为油品管道系统的基本组成部分，是由多种相互独立和相互联系的工艺流程组成。由于各工艺流程所涉及的设施及附属部件较多，其失效形式复杂多样。为减少风险计算过程的繁琐，可考虑将油气站场按照一定的原则划分不同的风险区块（赵新好等，2012）。

输油站场区块的划分不仅依托于一定的划分原则，还得结合现场的实际需求、空间环境等，以保证其划分结果有利于后续的风险评价可以高效顺利进行。故将输油站场划分为8大风险区块：压力管道区、清管器收发区、阀组区、泵区、储罐区、消防区、分离区、加热区。

2.1 矩阵归一化处理

基于改进的得分函数p-α计分函数,从而得到安全矩阵S=(s)，并对其进行标准化处理，计算公式为:

把各风险区块对输油站场正常运行的影响程度权重=(1,2,···,n)代入到矩阵Y中, 可得到加权隶属度矩阵：

X=(x)m×n=(w·y)m×n（3）

并综合考虑了决策者的主观性和基于数学理论依据的客观因素对权重的影响，采用组合赋权的方法，求取各风险区块的相对权重。运用主观赋权法和客观赋权法分别对同层因素进行权重计算，再通过组合赋权方法求得综合权重（鲍学英等，2016）:

式中：β为权重折衷系数，0≤β≤1；β越大表示主观赋权法权重占综合权重的影响越大，通过β的变化以适应不同的场所。

2.2 基于灰色关联的安全风险系数

基于综合关联系数矩阵和取分辨系数ρ=0.5（钱隼驰和仇蕾，2019），可求得各风险区块的安全风险系数：

3 实例分析

以输油站场为例，组织一支专家评价小组，对输油站风险区块的安全性进行评价。小组成员为对输油站场设施非常熟悉的3位专家，包括教授、设计院工程师、施工技术人员等权威人士，其分别采用层次分析法（冯文斌，2017）和熵值法（李根等，2017）进行各风险区块的相对权重计算，区间直觉模糊矩阵见表4。

表4 区间直觉模糊矩阵

考虑到各专家的风险偏好，拟取专家1的工作经验1=0.6、知识水平程度2=0.5以及从众心理程度3=0.1，专家2的工作经验1=0.7、知识水平程度2=0.6以及从众心理程度3=0.1，专家3的工作经验1=0.8、知识水平程度2=0.4以及从众心理程度3=0.5，由式（1）可得单一值矩阵：

主观赋权法中采用层次分析法，设8大风险区块对输油站场正常运行的影响程度排序为:

Q5＞Q4＞Q8= Q1＞Q2= Q3＞Q6= Q7

按照以上各风险区块的相对重要程度排序构造判断矩阵，并进行各风险区块的权重计算及一致性检验。经计算其输油站场各风险区块的AHP权重计算结果为：

w=(0.113，0.061，0.061，0.218，0.384，0.025，0.025，0.113)

其中，λ= 8.388，=0.0554，=0.04<0.1，满足一致性检验条件。

在本文实例中，专家基于客观赋权法选用了熵值法，其中熵值法主要用以度量系统状态的不确定性，判断某指标基于系统的离散程度；离散型越大，其熵值越小，则相对权重越大，反之亦然，设由熵值法求得的各区块客观权重分别为w。

w=(0.102，0.081，0.072，0.185，0.341，0.032，0.035，0.152)

取权重折衷系数β=0.5，计算综合权重:

=(0.1075，0.071，0.0665，0.2015，0.3625，0.0285，0.030，0.1325)

将安全矩阵标准化处理后乘以权重，得到加权后的标准化隶属度矩阵：

基于加权矩阵的正理想点X+和负理想点X-，通过式(5)计算最优关联系数r+和最劣关联系数r-：

由式(6)计算关联系数矩阵：

基于式(7)计算各区块的安全危险系数：

（0.3789，0.2904，0.301，0.5145，0.7404，0.2500，0.2527，0.3965）

根据危险系数的大小进行区块危险性排序可得：5>4>8>1>327>6

其危险性排序表明对输油站场风险影响最小的是消防区，危险性系数为0.25，其次是分离区和清管器收发区、阀组区、压力管道区、加热区、泵区，最大是储罐区；因此，在输油站场中应加大对储罐区的安全防范，以降低事故发生概率。采用未改进的P-记分函数计算各区块的危险系数，并与改进的记分函数对比，见表5。

通过表5可知p-α计分函数和P-记分函数所得安全性系数相差不大，其安全性排序结果也基本一致，表明改进方法具有一定的可行性与准确性。

表5 不同记分函数的危险性排序

4 结论

采用区间直觉模糊数和灰色关联分析结合的方法，以及引入新的区间记分函数和充分考虑信息使用者的风险偏好，得出了输油站场各风险区块的安全风险系数，提高了评价结果精度以及可实现针对性地预防风险，加大高风险区域防范措施投入；改进的p-α计分函数与P-记分函数进行比较，结果表明：改进方法具有一定的可行性，评价结果符合实际情况，较好地解决了站场风险评价的不确定性问题，拓宽了区间直觉模糊数和灰色关联分析的应用领域，为各区块的安全防范提供了理论依据。

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Safety Evaluation of Oil Station Based on Interval-Valued Intuitionistic Fuzzy Number and Grey Correlation

JIANG Yi1AN Zhao-tun2WU Sen3XUE Lian3ZHANG Hong4

(1-Technical Center of Southwest Pipeline Company, PetroChina, Chengdu 610037; 2-School of Civil Engineering and Mapping, Southwest Petroleum University, Chengdu 610500; 3-Regional Geological Surveying Team, BGEEMRSP, Chengdu 610072; 4-Regional Geological Surveying Team, BGEEMRSP, Sichuan Rongda Jiuzhou Tourism Technology Co.,Ltd Chengdu 610213;)

In view of the fact that there are many facilities and accessory parts involved in the oil transmission station place, as well as a variety of technological processes independent but meanwhile interrelated, the oil transmission station site is divided into eight risk blocks based on the principle of risk block division, such as pressure pipe zone, pigging receiver and launcher zone (pipeline pig transceiving zone), valve group zone, tank zone and etc. Considering the uncertainty of knowledge, the interval-valued intuitionistic fuzzy numbers of support, oppose and hesitation are used for expressing interval judgment information of experts and has carried out the quantitative analysis of conformity from the degree of work experience, knowledge level and group psychology. The yard security risk coefficients of each risk blocks are determined comprehensively on the basis of a single method, considering the subjective factors and objective factors influence on the evaluation results, the optimal correlation coefficient and the worst correlation coefficient and are compared with the traditional scoring function which verifies the feasibility and the practicability of the evaluation mode.

oil transmission sttion; process units division; interval-valued intuitionistic fuzzy number; grey correlation analysis; safety risk factor

2020-07-20

蒋毅（1982-），男，四川广安人，博士，高级工程师，从事管道完整性技术研究工作

TE88

A

1006-0995（2021）01-0146-05

10.3969/j.issn.1006-0995.2021.01.028