改進型魚骨圖和層次分析法在油庫火災(zāi)爆炸事故分析中的應(yīng)用*

高建豐 王焱 金卷華 何笑冬 周韶彤

1浙江海洋大學(xué)石化與能源工程學(xué)院

2臨港石油天然氣儲運技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實驗室

油庫是石油及其副產(chǎn)品（主要是液體化工產(chǎn)品）的存儲基地，油庫中儲藏和周轉(zhuǎn)的原油、汽油、煤油、柴油以及少部分液體化工產(chǎn)品都具有易燃、易爆、易揮發(fā)等特點，并且存儲的量都是以千噸來計量，大型油庫的儲油量甚至?xí)_到萬噸級[1]。如此條件之下，油庫的安全性至關(guān)重要。一旦油庫發(fā)生爆炸事故，必然會引起人員傷亡以及巨大的經(jīng)濟損失?！?·16”大連油庫爆炸、“11·22”青島油庫爆炸，以及英國邦斯菲爾德油庫火災(zāi)爆炸都造成了人員傷亡以及上億元的財產(chǎn)損失，其中英國邦斯菲爾德事故造成的直接經(jīng)濟損失高達35億人民幣[2]。通過研究英國邦斯菲爾德油庫火災(zāi)爆炸事故，發(fā)現(xiàn)該事故中由于傳感器未檢測出油量，工作人員也未及時發(fā)現(xiàn)進油量超額導(dǎo)致原油泄漏，從而引發(fā)火災(zāi)爆炸。若引進物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將整個油庫的實時數(shù)據(jù)都存儲到云端進行分析，當(dāng)油庫進油但未顯示增加時則會提前預(yù)警，可以降低事故發(fā)生的可能性。

目前，對于油庫爆炸安全評價方面的研究主要是根據(jù)典型油庫爆炸事故進行分析、總結(jié)，提出相應(yīng)的油庫爆炸防護措施，從而減小其發(fā)生的可能性。趙利程、高建豐等人研究了模糊層次分析法在油庫火災(zāi)及爆炸評價中的應(yīng)用，總結(jié)出了石油自身特性對于火災(zāi)爆炸事故的重要性[3-7]。張曉偉等人研究了道化學(xué)火災(zāi)爆炸指數(shù)法在某油庫安全性評價中的應(yīng)用，得出了消防設(shè)備對于火災(zāi)控制的重要性[8-9]。李衛(wèi)東等人進行了基于故障樹分析的油庫火災(zāi)爆炸研究，提出了預(yù)防點火源的安全措施[10-11]。劉華燁等人研究了預(yù)先危險性分析法在油庫火災(zāi)爆炸事故分析中的應(yīng)用，分析了人為因素對于火災(zāi)爆炸的影響[12-15]。上述研究都是從單個方法去分析事故，對于結(jié)合定性與定量角度去分析油庫火災(zāi)爆炸事故的研究較少，考慮到油庫爆炸事故的原因具有復(fù)雜性、多層次性以及不確定性等一系列特點，將魚骨圖分析法結(jié)合層次分析法從定性以及定量兩個角度綜合分析問題。通過魚骨圖結(jié)合實例，從人機環(huán)管以及爆炸機理方面，分析出引發(fā)油庫爆炸事故的主要因素，分層繪制出油庫爆炸事故魚骨圖。繪制完成后，將其轉(zhuǎn)換成層次分析法的層次結(jié)構(gòu)模型并用MATLAB計算各個指標(biāo)對于評估目標(biāo)的重要程度，確定出主要因素與次要因素的權(quán)重，并且數(shù)據(jù)需要滿足二八定律[16]，從而可以針對權(quán)重值最大的因素制定預(yù)防對策。

1 魚骨圖分析法及其應(yīng)用

1.1 魚骨圖簡介

魚骨圖又名石川圖，特點是簡潔實用，深入淺出，并且因其形似魚骨而得名。在使用此方法時，第一步要分析問題，找出影響問題的因素，要求盡可能列出所有原因；第二步繪制魚骨圖，將所要分析的問題繪制為魚頭，指向魚脊的箭頭代表導(dǎo)致問題發(fā)生的主要因素，在各個魚刺上的小箭頭則是主要因素的子因素。

改進部分是按照因素對問題的影響程度排列主魚刺，影響程度越高，則越靠近魚頭部分；影響程度高的因素，魚骨要做加粗處理，看起來更加直觀。通過魚骨圖，決策者可以對整體問題有清晰的把握，了解各個因素的相對重要性，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生問題的根本原因。

1.2 魚骨圖在油庫爆炸事故中的應(yīng)用

油庫爆炸事故從其發(fā)生的機理上可以簡要表述為：油氣在存儲過程中，因其流動、攪拌、沉降、灌注等導(dǎo)致氣體達到可燃的濃度，又因油氣是處在油罐以及管道等具有固定體積的容器內(nèi)，當(dāng)其接觸到火花甚至是明火等火源時則會被點燃，產(chǎn)生爆沸現(xiàn)象，長時間會引起罐內(nèi)的原油燃燒，導(dǎo)致罐壁無法承受壓力破裂。作者收集分析了101例油罐火災(zāi)起火占比案例[17]，如表1所示。結(jié)合油庫爆炸的機理、油庫安全管理的實際情況以及其他文獻的分類標(biāo)準(zhǔn)，從5個主因素和20個子因素來分析油庫爆炸事故，魚骨圖如圖1所示。

表1 101例油罐火災(zāi)起火原因統(tǒng)計Tab.1 101 fire cause statistics of oil tank fire

其中，石油自身特性是發(fā)生火災(zāi)的本質(zhì)因素，因此作為單獨的主因素來考慮，這一部分無法控制，但可以通過其他方式減少其發(fā)生的可能性。環(huán)境因素中，雷電也屬于自然災(zāi)害，但是通過表1的案例統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)雷電對火災(zāi)的影響較大，因此單獨列為一個子因素。油庫內(nèi)的雜草等易燃物也是一些國內(nèi)油庫管理容易忽視的部分，需要重視。點火源中的靜電是需要重點研究的方面，可以通過規(guī)范的操作和工藝減少其產(chǎn)生的概率。在英國邦斯菲爾德油庫爆炸事件中，設(shè)備因素占了較大的成分，系統(tǒng)因為部分傳感器未正常工作而無法正常運行。國內(nèi)很多油庫的系統(tǒng)相較于國外要落后一些，因此積極地使用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)改進系統(tǒng)是油庫需要考慮的一個方面。最后，人為因素是最靠近油庫爆炸的“魚骨”，也是影響最大的因子，大部分的火災(zāi)爆炸都可以通過人為操作避免其發(fā)生。

圖1 油庫火災(zāi)爆炸事故魚骨圖Fig.1 Fishbone diagram of oil depot fire and explosion accident

2 層次分析法及其應(yīng)用

2.1 建立層次結(jié)構(gòu)模型

層次分析法（簡稱AHP）是一種層次權(quán)重決策分析方法，優(yōu)點是系統(tǒng)化分析，簡潔實用，結(jié)果容易為決策者所了解掌握。根據(jù)所繪制的油庫爆炸事故的魚骨圖，結(jié)合層次結(jié)構(gòu)模型，其原理都是定性分析，因此可以將魚骨圖轉(zhuǎn)化為層次結(jié)構(gòu)模型，如圖2所示。整個系統(tǒng)分為三層，最高層（A層）為油庫爆炸事故，中間層（B層）為5個主因素，最底層（C層）為5個主因素下面的子因素。

圖2 油庫火災(zāi)爆炸事故的層次結(jié)構(gòu)模型Fig.2 Hierarchical structure model of oil depot fire and explosion accidents

2.2 油庫爆炸事故層次單排序的計算

通過收集油庫爆炸事故的實際數(shù)據(jù)以及專家意見，將中間層（B層）的5個因素結(jié)合表2中的1～9標(biāo)度進行兩兩對比，若環(huán)境因素（B1）比設(shè)備因素（B2）稍微重要，則取標(biāo)度值3來表示。

表2 1～9標(biāo)度Tab.2 1-9 scale

通過表2中1～9標(biāo)度表把中間層（B層）各因素之間的關(guān)系用數(shù)字化表示，構(gòu)造出判斷矩陣，如表3所示。根據(jù)表3中的數(shù)據(jù)可以得出，λmax=5.301， CI=0.075 2， CR=0.067＜0.1，矩陣滿足一致性檢驗，其中λmax是矩陣的最大特征值；CI為一致性指標(biāo)，當(dāng)CI=0時是完全的一致性，CI接近于0時是滿意的一致性，當(dāng)CI越大，一致性越差；CR為隨機一致性比率，當(dāng)CR＜0.1時，則可以判斷出矩陣通過了一致性檢驗。

表3 中間層判斷矩陣及權(quán)重結(jié)果Tab.3 Middle level judgement matrix and weight result

分析表3數(shù)據(jù)可知，人為因素是火災(zāi)爆炸事故的主要因素，設(shè)備因素次之，兩者的權(quán)重值相加高達0.742。從而可以得出，油庫爆炸事故主要與人員和設(shè)備有關(guān)，油庫部門應(yīng)該加強人員的安全意識教育并且提高工作人員的技術(shù)水平和素質(zhì)。管理層需要合理地制定規(guī)章制度并嚴格實施，定期檢查設(shè)備狀態(tài)，減少設(shè)備失效的概率。油庫也應(yīng)該積極引進物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，運用大數(shù)據(jù)處理，提前預(yù)知危險，降低油庫系統(tǒng)發(fā)生故障的可能性，從而將爆炸事故發(fā)生的概率盡可能減少為零。

2.3 油庫爆炸事故層次總排序的計算

求取事故綜合權(quán)重的方法可以分為兩步：第一步是使用MATLAB計算出最底層（C層）對于中間層（B層）的單層權(quán)重；第二步將單層權(quán)重與上一級單層權(quán)重相乘，其中上一級單層權(quán)重為中間層（B層）對于最高層（A層）的權(quán)重，兩者乘積所得數(shù)據(jù)為綜合權(quán)重。并且矩陣需要通過一致性檢驗，所得數(shù)據(jù)才是有效數(shù)據(jù)。層次總排序的計算結(jié)果如表4～表8所示，表9為最底層判斷矩陣一致性檢驗。

表4 環(huán)境因素B1的最底層判斷矩陣及綜合權(quán)重Tab.3 Lowest level judgement matrix and comprehensive weight of environment factorB1

表5 設(shè)備因素B2的最底層判斷矩陣及綜合權(quán)重Tab.5 Lowest level judgement matrix and comprehensive weight of equipment factorB2

表6 人為因素B3的最底層判斷矩陣及綜合權(quán)重Tab.6 Lowest level judgement matrix and comprehensive weight of human factorB3

表7 石油特性B4的最底層判斷矩陣及綜合權(quán)重Tab.7 Lowest level judgement matrix and comprehensive weight of petroleum characteristic factorB4

表8 火源B5的最底層判斷矩陣及綜合權(quán)重Tab.8 Lowest level judgement matrix and comprehensive weight of fire resource factorB5

表9 最底層判斷矩陣一致性檢驗Tab.9 Lowest level judgment matrix consistency test

通過分析表4～表9的數(shù)據(jù)可以得知，管理不當(dāng)(C10)、業(yè)務(wù)技能水平不足(C11)的綜合權(quán)重都超過了0.1，其中管理不當(dāng)?shù)木C合權(quán)重甚至達到了0.284，這是需要重點關(guān)注的部分。油庫需要建立嚴謹科學(xué)的規(guī)章制度，加強管理，也可以與高校合作，讓技術(shù)人員及時掌握最新的技術(shù)。對于技術(shù)要求高的崗位，可以招聘高知識水平的工作人員。設(shè)備老舊(C8)以及安全意識匱乏(C12)的綜合權(quán)重都接近于0.1，這兩個部分也需要投入足夠的關(guān)注。設(shè)備老舊(C8)問題部分是國外技術(shù)封鎖的原因，但是此問題的權(quán)重如此之大，主要還是因為較大部分油庫的設(shè)施落后，管理層不愿意花費大量時間和高額成本來采用先進材料、加固設(shè)備、提高設(shè)備精度與穩(wěn)定性。安全意識匱乏(C12)權(quán)重高，也是體現(xiàn)了人在安全事故中的重要性[18]。表1中的101例油庫火災(zāi)超過半數(shù)以上的事件都是與人的安全意識匱乏有關(guān)，因此管理層需要定期為員工宣講安全知識，提高員工的安全意識。

油庫靜電(C18)和人體靜電(C19)的綜合權(quán)重分別為0.041和0.07，靜電因素一直以來都是困擾油庫安全的一個重要因素，應(yīng)采取有效方法減少靜電危害。例如：油庫加裝接地設(shè)備，工作人員穿著防靜電服上崗，油品中加入防靜電溶劑等[19]，對于已發(fā)現(xiàn)可能造成危險的因素需要及時防范。氣候潮濕腐蝕設(shè)備(C4)、設(shè)備被干擾失靈(C6)、消防設(shè)備不全(C7)、易燃易爆(C15)4個因素的綜合權(quán)重介于0.02～0.035之間，其中有3個因素都與設(shè)備有關(guān)，因此定期檢修設(shè)備是保障油庫安全的基礎(chǔ)，做到防患于未然。

3 結(jié)論

通過魚骨圖與層次分析法在油庫火災(zāi)爆炸分析中的應(yīng)用得到以下結(jié)論：

（1）定性分析過程中，使用魚骨圖分析法將油庫火災(zāi)爆炸原因中復(fù)雜的因素，從人機環(huán)管與爆炸機理兩方面綜合考慮，歸結(jié)為5個主因素和20個子因素，簡潔直觀。

（2）定量分析過程中，通過將魚骨圖轉(zhuǎn)化為層次機構(gòu)模型，使用MATLAB軟件計算各個因素的權(quán)重，能夠高效、客觀地發(fā)現(xiàn)主要因素中的人為因素與設(shè)備因素對于預(yù)防油庫火災(zāi)爆炸的重要性最高，子因素中的管理不當(dāng)(C10)、業(yè)務(wù)技能水平不足(C11)、設(shè)備老舊(C8)、安全意識匱乏(C12)、油庫靜電(C18)綜合權(quán)重之和高達0.634，需要有針對性地制定相關(guān)措施去預(yù)防。其中影響最大因素管理不當(dāng)(C10)的綜合權(quán)重為0.284，與非重要因素相比，基本符合二八定律，成果在實際油庫中也有應(yīng)用的價值。

（3）分析油庫火災(zāi)爆炸事故的過程中，將魚骨圖與層次分析法結(jié)合，既可從定性與定量的角度分析問題，又可以直觀、科學(xué)地獲得結(jié)果，此方法值得在其他領(lǐng)域繼續(xù)推廣。