基于區(qū)間直覺模糊數(shù)和灰色關(guān)聯(lián)的輸油站場安全性評估

蔣 毅，安兆暾，吳 森，薛 廉，張 宏

基于區(qū)間直覺模糊數(shù)和灰色關(guān)聯(lián)的輸油站場安全性評估

蔣 毅1，安兆暾2，吳 森3，薛 廉3，張 宏4

（1.中國石油西南管道分公司技術(shù)中心，成都 610037；2.西南石油大學(xué)土木工程與測繪學(xué)院，成都 610500；3.四川省地質(zhì)工程勘察院集團(tuán)有限公司，成都 610072；4.四川省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局區(qū)域地質(zhì)調(diào)查隊，成都 610213）

輸油站場所涉及的設(shè)施及附屬部件較多、且多種工藝流程之間相對獨(dú)立又相互聯(lián)系，為降低安全評估難度，通過風(fēng)險區(qū)塊劃分原則將輸油站場分為了壓力管道區(qū)、清管器收發(fā)區(qū)、閥組區(qū)、儲罐區(qū)等8大風(fēng)險區(qū)塊，基于認(rèn)識的不確定性，從支持、反對和猶豫三方面的區(qū)間直覺模糊數(shù)表述專家的評判信息，并改進(jìn)了一種考慮風(fēng)險偏好的區(qū)間記分函數(shù)（p-α計分函數(shù)），并從其工作經(jīng)驗、知識水平程度以及從眾心理程度三方面進(jìn)行了量化分析；且在單一賦權(quán)法的基礎(chǔ)上，考慮了主觀因素和客觀因素對評價結(jié)果的影響，從最優(yōu)關(guān)聯(lián)系數(shù)和最劣關(guān)聯(lián)系數(shù)兩方面綜合確定了站場各風(fēng)險區(qū)塊的安全風(fēng)險系數(shù)，并與傳統(tǒng)記分函數(shù)的結(jié)果進(jìn)行了比較，其評價結(jié)果符合實(shí)際情況，該方法為輸油站場的安全管理工作提供了有益參考。

輸油站場；區(qū)塊劃分；區(qū)間直覺模糊數(shù)；灰色關(guān)聯(lián)分析；安全風(fēng)險系數(shù)

隨著我國油氣管道里程數(shù)的持續(xù)增加，油氣站場建設(shè)成為了國家和社會所關(guān)注的焦點(diǎn)問題，而作為能源供應(yīng)的轉(zhuǎn)輸站，其安全、高效運(yùn)行逐漸面臨巨大的挑戰(zhàn)（董紹華等，2013）。

近年來，越來越多的學(xué)者致力于油氣站場的風(fēng)險評價技術(shù)研究工作，并取得了一系列的成果。周立國通過對成品油站場工藝管道風(fēng)險機(jī)理研究，提出基于KENT法和RBI的風(fēng)險評價方法（周立國等，2019）。邢金朵運(yùn)用危險與可操作性分析(HAZOP)和失效模式分析(AMEA)理論對站場安全風(fēng)險狀況進(jìn)行研究（邢金朵等，2015）。姚安林基于模糊集理論改進(jìn)了傳統(tǒng)的風(fēng)險評價技術(shù)，建立了站場綜合風(fēng)險評價模型（姚安林等，2015）。廖柯熹基于風(fēng)險量化評價流程對川氣東送管道典型站場進(jìn)行風(fēng)險評價進(jìn)行研究（廖柯熹等，2012）。黃亮亮運(yùn)用潛在失效模式及后果分析方法和基于GO法的運(yùn)算機(jī)理進(jìn)行了站場典型設(shè)備的失效可能性分析，建立了模糊推理系統(tǒng)風(fēng)險計算模型（黃亮亮，2015）。張慧娟基于AHP層次分析法構(gòu)建輸氣站場風(fēng)險評價模型，突出了定量分析在該模型中的重要作用（張慧娟，2017）。崔凱燕采用定量的基于風(fēng)險的檢驗(RBI)技術(shù)對輸氣站場風(fēng)險綜合評價（崔凱燕等，2016）。曹濤通過HAZOP分析對油氣站場風(fēng)險進(jìn)行研究（曹濤等，2011）。曹建國基于RBI、RCM和SIL技術(shù)對輸氣首站進(jìn)行定量風(fēng)險評價（曹建國，2014）。

本文基于認(rèn)識的不確定性，在建立輸油站場風(fēng)險區(qū)塊劃分的基礎(chǔ)上，將區(qū)間直覺模糊數(shù)引入了站場安全評估中，從支持、反對和猶豫3個方面全面表述了專家對各風(fēng)險區(qū)塊安全事故發(fā)生、不發(fā)生、以及可能發(fā)生的概率區(qū)間。并定義了新的區(qū)間記分函數(shù)和充分考慮了決策者的風(fēng)險偏好，從工作經(jīng)驗、知識水平程度以及從眾心理程度方面進(jìn)行了定量分析；為避免忽略部分因素的重要程度，綜合考慮了權(quán)重確定的主觀因素和客觀因素對評價結(jié)果的影響；從最優(yōu)關(guān)聯(lián)系數(shù)和最劣關(guān)聯(lián)系數(shù)兩方面確定了站場各風(fēng)險區(qū)塊的安全風(fēng)險系數(shù)。

1 區(qū)間直覺模糊集理論

設(shè)論域為U，稱A={?x，A(x)，A(x)>|x∈U}為直覺模糊集，其中A(x)和A(x)分別表示為A的隸屬度函數(shù)和非隸屬度函數(shù)，及論域U→[0，1]且對于論域上任意的元素x都滿足0≤A(x)+A(x)≤1；為表示信息決斷者的猶豫程度定義了論域中元素x屬于A的猶豫度，及ΠA(x)=1-A(x)-A(x)（謝建明,2018）。

由于受客觀環(huán)境的復(fù)雜性、決策者的專業(yè)技能等認(rèn)識的不確定性的影響，且直覺模糊集中的隸屬度和非隸屬度難以用精確的數(shù)值描述，為準(zhǔn)確表達(dá)決策者對決策方案的精確偏好信息，采用區(qū)間形式更能反映問題的本質(zhì)特點(diǎn)、詳細(xì)的描述了事物的本質(zhì)屬性.

設(shè)論域為U，稱={?x，μ(x)，ν(x)>|x∈U}為區(qū)間直覺模糊集，其中μ(x)，ν(x)分別為的隸屬度區(qū)間μ(x)=[μ1，μ2]?[0,1]和非隸屬度區(qū)間ν(x)=[ν1，ν2]?[0,1]，則Π(x)=[1-μ1-ν1，1-μ2-ν2]，且論域上上任意的元素x都滿足μ1(x)?μ2(x)、ν1(x)?ν2(x)、μ2(x)+ν2(x)≤1。特別地，對任意的元素x，若μ1(x)=μ2(x)、ν1(x)=ν2(x)，則區(qū)間直覺模糊集a退化為直覺模糊集A。而論域中元素x屬于a的隸屬度和非隸屬度組成的序列<μ(x)，ν(x)>稱為區(qū)間直覺模糊數(shù)。

1.1 區(qū)間計分函數(shù)

在實(shí)際的決策問題中，決策者對風(fēng)險偏好的差異是一個客觀存在、不得忽略的情況，基于風(fēng)險偏好的思想，從工作經(jīng)驗α1、知識水平程度α2以及從眾心理程度α3三個方面對決策者的風(fēng)險偏好進(jìn)行考慮，并在帶猶豫度放縮的精確記分函數(shù)（P-記分函數(shù)）（高建偉等，2014）和相關(guān)系數(shù)定義的基礎(chǔ)上，引進(jìn)新的計分函數(shù)(簡稱p-α計分函數(shù))：

表1 工作經(jīng)驗α1

1.2 風(fēng)險偏好下取值研究

表2 知識水平程度α2

風(fēng)險偏好的取值主要從工作經(jīng)驗1、知識水平程度2以及從眾心理程度3三個方面進(jìn)行考慮，而工作經(jīng)驗的衡量大多是基于工作時間長短進(jìn)行判斷，忽略了工作質(zhì)量程度，故從工作時間11和工作質(zhì)量程度12兩方面進(jìn)行判定，見表1。

知識水平程度2主要從專業(yè)知識21和學(xué)術(shù)知識22兩個方面進(jìn)行考慮，實(shí)現(xiàn)了對應(yīng)用和理論的雙側(cè)重，更為精準(zhǔn)地反映了人的學(xué)識水平，見表2。

而眾心理程度3的取值從一般從眾、中等從眾和完全從眾三個方面進(jìn)行取值研究，見表3。

2 站場各區(qū)塊安全風(fēng)險系數(shù)計算模型

表3 從眾心理程度α3

油氣站場作為油品管道系統(tǒng)的基本組成部分，是由多種相互獨(dú)立和相互聯(lián)系的工藝流程組成。由于各工藝流程所涉及的設(shè)施及附屬部件較多，其失效形式復(fù)雜多樣。為減少風(fēng)險計算過程的繁瑣，可考慮將油氣站場按照一定的原則劃分不同的風(fēng)險區(qū)塊（趙新好等，2012）。

輸油站場區(qū)塊的劃分不僅依托于一定的劃分原則，還得結(jié)合現(xiàn)場的實(shí)際需求、空間環(huán)境等，以保證其劃分結(jié)果有利于后續(xù)的風(fēng)險評價可以高效順利進(jìn)行。故將輸油站場劃分為8大風(fēng)險區(qū)塊：壓力管道區(qū)、清管器收發(fā)區(qū)、閥組區(qū)、泵區(qū)、儲罐區(qū)、消防區(qū)、分離區(qū)、加熱區(qū)。

2.1 矩陣歸一化處理

基于改進(jìn)的得分函數(shù)p-α計分函數(shù),從而得到安全矩陣S=(s)，并對其進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，計算公式為:

把各風(fēng)險區(qū)塊對輸油站場正常運(yùn)行的影響程度權(quán)重=(1,2,···,n)代入到矩陣Y中, 可得到加權(quán)隸屬度矩陣：

X=(x)m×n=(w·y)m×n（3）

并綜合考慮了決策者的主觀性和基于數(shù)學(xué)理論依據(jù)的客觀因素對權(quán)重的影響，采用組合賦權(quán)的方法，求取各風(fēng)險區(qū)塊的相對權(quán)重。運(yùn)用主觀賦權(quán)法和客觀賦權(quán)法分別對同層因素進(jìn)行權(quán)重計算，再通過組合賦權(quán)方法求得綜合權(quán)重（鮑學(xué)英等，2016）:

式中：β為權(quán)重折衷系數(shù)，0≤β≤1；β越大表示主觀賦權(quán)法權(quán)重占綜合權(quán)重的影響越大，通過β的變化以適應(yīng)不同的場所。

2.2 基于灰色關(guān)聯(lián)的安全風(fēng)險系數(shù)

基于綜合關(guān)聯(lián)系數(shù)矩陣和取分辨系數(shù)ρ=0.5（錢隼馳和仇蕾，2019），可求得各風(fēng)險區(qū)塊的安全風(fēng)險系數(shù)：

3 實(shí)例分析

以輸油站場為例，組織一支專家評價小組，對輸油站風(fēng)險區(qū)塊的安全性進(jìn)行評價。小組成員為對輸油站場設(shè)施非常熟悉的3位專家，包括教授、設(shè)計院工程師、施工技術(shù)人員等權(quán)威人士，其分別采用層次分析法（馮文斌，2017）和熵值法（李根等，2017）進(jìn)行各風(fēng)險區(qū)塊的相對權(quán)重計算，區(qū)間直覺模糊矩陣見表4。

表4 區(qū)間直覺模糊矩陣

考慮到各專家的風(fēng)險偏好，擬取專家1的工作經(jīng)驗1=0.6、知識水平程度2=0.5以及從眾心理程度3=0.1，專家2的工作經(jīng)驗1=0.7、知識水平程度2=0.6以及從眾心理程度3=0.1，專家3的工作經(jīng)驗1=0.8、知識水平程度2=0.4以及從眾心理程度3=0.5，由式（1）可得單一值矩陣：

主觀賦權(quán)法中采用層次分析法，設(shè)8大風(fēng)險區(qū)塊對輸油站場正常運(yùn)行的影響程度排序為:

Q5＞Q4＞Q8= Q1＞Q2= Q3＞Q6= Q7

按照以上各風(fēng)險區(qū)塊的相對重要程度排序構(gòu)造判斷矩陣，并進(jìn)行各風(fēng)險區(qū)塊的權(quán)重計算及一致性檢驗。經(jīng)計算其輸油站場各風(fēng)險區(qū)塊的AHP權(quán)重計算結(jié)果為：

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，滿足一致性檢驗條件。

在本文實(shí)例中，專家基于客觀賦權(quán)法選用了熵值法，其中熵值法主要用以度量系統(tǒng)狀態(tài)的不確定性，判斷某指標(biāo)基于系統(tǒng)的離散程度；離散型越大，其熵值越小，則相對權(quán)重越大，反之亦然，設(shè)由熵值法求得的各區(qū)塊客觀權(quán)重分別為w。

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

取權(quán)重折衷系數(shù)β=0.5，計算綜合權(quán)重:

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

將安全矩陣標(biāo)準(zhǔn)化處理后乘以權(quán)重，得到加權(quán)后的標(biāo)準(zhǔn)化隸屬度矩陣：

基于加權(quán)矩陣的正理想點(diǎn)X+和負(fù)理想點(diǎn)X-，通過式(5)計算最優(yōu)關(guān)聯(lián)系數(shù)r+和最劣關(guān)聯(lián)系數(shù)r-：

由式(6)計算關(guān)聯(lián)系數(shù)矩陣：

基于式(7)計算各區(qū)塊的安全危險系數(shù)：

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

根據(jù)危險系數(shù)的大小進(jìn)行區(qū)塊危險性排序可得：5>4>8>1>327>6

其危險性排序表明對輸油站場風(fēng)險影響最小的是消防區(qū)，危險性系數(shù)為0.25，其次是分離區(qū)和清管器收發(fā)區(qū)、閥組區(qū)、壓力管道區(qū)、加熱區(qū)、泵區(qū)，最大是儲罐區(qū)；因此，在輸油站場中應(yīng)加大對儲罐區(qū)的安全防范，以降低事故發(fā)生概率。采用未改進(jìn)的P-記分函數(shù)計算各區(qū)塊的危險系數(shù)，并與改進(jìn)的記分函數(shù)對比，見表5。

通過表5可知p-α計分函數(shù)和P-記分函數(shù)所得安全性系數(shù)相差不大，其安全性排序結(jié)果也基本一致，表明改進(jìn)方法具有一定的可行性與準(zhǔn)確性。

表5 不同記分函數(shù)的危險性排序

4 結(jié)論

采用區(qū)間直覺模糊數(shù)和灰色關(guān)聯(lián)分析結(jié)合的方法，以及引入新的區(qū)間記分函數(shù)和充分考慮信息使用者的風(fēng)險偏好，得出了輸油站場各風(fēng)險區(qū)塊的安全風(fēng)險系數(shù)，提高了評價結(jié)果精度以及可實(shí)現(xiàn)針對性地預(yù)防風(fēng)險，加大高風(fēng)險區(qū)域防范措施投入；改進(jìn)的p-α計分函數(shù)與P-記分函數(shù)進(jìn)行比較，結(jié)果表明：改進(jìn)方法具有一定的可行性，評價結(jié)果符合實(shí)際情況，較好地解決了站場風(fēng)險評價的不確定性問題，拓寬了區(qū)間直覺模糊數(shù)和灰色關(guān)聯(lián)分析的應(yīng)用領(lǐng)域，為各區(qū)塊的安全防范提供了理論依據(jù)。

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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

蔣毅（1982-），男，四川廣安人，博士，高級工程師，從事管道完整性技術(shù)研究工作

TE88

A

1006-0995（2021）01-0146-05

10.3969/j.issn.1006-0995.2021.01.028