基于軟系統的加油站云重心理論安全評價研究

陳圓超 戴劍勇,2

〔1 南華大學 環境保護與安全工程學院 湖南衡陽 421001；2 南華大學 研究生處 湖南衡陽 421001〕

我國加油站數量龐大。據統計，截至2015年底，全國加油站數量約在9.68萬座，其中中石油下屬加油站有2.07萬座，占比21.38 %；中石化下屬加油站有3.06萬座，占比31.61 %；其他社會加油站4.55萬座。加油站基數大，加油站事故對社會的危險性也大。加油站是儲存大量燃料油的危險源，且多設于交通發達、人員密集的繁華地段，若不慎發生事故后果十分嚴重，因此，運用系統評價方法對加油站的安全狀況作出科學的評價意義重大。

早在2004年便有學者將道化法這樣的系統評價法運用在加油站安全評價工作中[1]。此后，學者們陸續提出用各種各樣的新型評價方法進行加油站安全情況的評價。如Kai N等首次將灰色關聯分析法運用在加油站安全評價中，從設備設施、人員、管理、環境因素四個方面建立了評價指標并對加油站進行了評價[2]。羅通元等運用突變理論對加油站火災爆炸事故進行了分析與安全評價[3]。曹偉偉綜合運用故障樹分析法、安全檢查表法和作業條件危險性評價法，對加油站進行了定性和定量評價并給出了安全預控措施和建議[4]。吳為權、陳保成等采用IAHP—FCE模型分析影響加油站安全的主要危險因素，建立加油站安全評價體系，利用改進層次分析法確定各指標權重，結合模糊綜合評價法對加油站進行安全評價，得出安全等級[5]。

現有的加油站安全評價研究基本都考慮到了加油站系統內的安全因素，但重點放在硬系統內部結構化的要素上，甚少考慮社會層面、經濟層面的非結構化要素。如某學者在對加油站進行安全評價時，將評價指標分為人員因素、設施設備因素、安全管理因素、環境衛生因素[6]，未涉及到社會、經濟層面的指標。事實上，加油站是一個人類活動的系統，人們在利益、價值觀等方面存在著差異，且時刻受到外界的影響，是一個邊界模糊、結構不良的軟系統。因此，要客觀地對加油站進行安全評價，須將經濟層面、社會層面的因素考慮在內。為達到這個目的，運用切克蘭德軟系統方法論(SSM)，構建新的加油站安全評價體系。

目前常用于加油站安全評價的傳統方法，如模糊綜合評價法，一般較難為定性指標給出較準確的定量描述，評價不夠客觀。現使用云重心評價法對體系中定性指標進行定量轉換，以云重心的位置動態反映加油站的安全狀況。此方法綜合考慮了模糊性與隨機性，為定性與定量相結合的信息處理提供了有力手段[7]。實例分析表明，將基于軟系統的評價指標和云重心評價法運用在加油站安全評價中有助于提高評價的客觀性。

1 基于軟系統方法論的加油站安全分析

SSM認為，系統工程處理的問題結構是清楚的，而結構不清楚的管理與社會問題(經濟層面與社會層面)的復雜性遠遠超過人們目前的認識能力，這種問題便無法用系統工程方法論去解決。但系統的目的是清楚的，因此要作的是，用比較討論的方法，去尋找期望與可行的變化，來改善問題的情景[8]。SSM包括七個邏輯步驟(圖1)。

圖1 SSM研究過程

圖中第1，2階段是感知和表達現有系統存在的問題。目前進行加油站評價的缺陷是缺少對社會、經濟層面的考慮；第3，4階段是根據問題的表達提出用以改進問題的新系統，即新評價體系，對其下定義并構建出來；第5階段是通過新構建的系統與原系統的比較，找出問題所在；第6，7階段是針對查出的問題對原系統作出變革，即運用新評價指標對加油站進行評價。

1.1 加油站安全評價指標體系的情景感知和表達

目前，加油站安全評價對軟系統的問題考慮甚少。加油站這樣的人類活動系統有著社會的特征，無論是來自系統內部還是系統外部，社會、經濟方面對其安全的影響均不容忽視。中國人民大學教授鄭杭生、洪大用指出，社會安全主要受兩個方面因素的影響：一是環境因素，二是系統內部因素。其中，環境因素又包括了自然環境因素和社會環境因素，而系統內部因素又包括了經濟、政治、社會生活和思想文化等因素及其之間的協調[9]。

現將加油站看作一小型社會，運用SSM對加油站社會安全作如下分析(圖2)。安全評價應該將圖中因素體現在評價指標中。為獲取確切的評價指標，有必要咨詢廣大加油站工作人員以及相關專家。經調研，獲取了若干軟問題評價指標(見1.2節)。

圖2 應用SSM分析加油站安全

1.2 基于SSM的加油站安全評價指標體系概念模型

為明確評價模型目的，為其下根定義：為完善原有安全評價體系、改善加油站安全的社會性問題，感知表達和討論影響其安全運行的軟因素，包括經濟子系統、制度子系統和思想文化子系統的系統內部因素，以及包括自然環境因素和社會環境因素的環境因素，形成軟系統評價體系，用以對加油站進行安全評價。

根據根定義建立基于SSM的加油站安全評價指標體系概念模型。把對加油站安全因素分為三類：

外部軟系統因素。指自然環境和社會環境對加油站安全的影響，包括周邊居民安全素質、周邊構建筑物安全度、周邊犯罪事件安全度、周邊事故安全度、周邊自然災害安全度等。此處的安全度與危險度相對，比如犯罪率越高，犯罪事件安全度越低。

內部軟系統因素。指加油站內部的經濟狀況、制度建設和思想文化建設對加油站安全的影響。包括油品業務經營狀況、非油品業務經營狀況、安全投入科學程度、安全制度合理程度、安全組織合理程度、安全文化建設等。要特別指出的是安全活動必然要資金投入，若生產經營單位經營不善，其安全不可能得到保障，故加油站內部經濟子系統，即經營狀況，亦需要列入評價范圍。

硬系統因素。根據現有研究[4,5,6]，將其分成三種因素：加油站內部人員、設施設備和工作環境因素。以上因素可作以下細分：人員因素：身體狀況和業務素質、安全意識。設施設備：消防系統、防靜電設備、防暴設備、防雷設備、卸油作業系統、加油作業系統。工作環境因素：油罐安全間距、加油機安全間距、工業衛生。

根據以上安全因素建立評價指標體系(表1)。

表1 基于SSM的加油站安全評價指標體系

1.3 評價指標的權重確定

根據層次分析法原理來確定權重。為得到較客觀的數據，在湖南省內向15位安全工程領域專家、石油領域專家以及資深的石油公司管理者發放含指標體系的調查問卷，請求專家們分別為表1中的指標列出一、二級比較矩陣，以決定權重。回收結果后的操作步驟：①為各專家的比較矩陣作一致性檢驗，將不通過的矩陣剔除；②計算比較矩陣的特征向量，歸一化，得出單個比較矩陣權重；③把同一指標的比較矩陣的權重進行算術平均，得到綜合考慮專家們意見的權重。

比如，某專家為一級指標列出了如下比較矩陣。

U1U2U3U111/21/3U2211/2U3321

矩陣中，第一行表示U1相對于U2重要度為1/2，相對于U3重要度為1/3，其他行同理。先運用公式CR =CI/RI為對比矩陣U進行一致性檢驗，確保U中的比較不一致情況在允許范圍內。CR為隨機一致性比率，CI為判斷矩陣一致性指標，CI=(λmax-n)/(n -1)，RI為隨機一致性指標。通過Matlab軟件計算得矩陣U的λmax=3.0092，λmax的特征向量為(0.256 5,0.466 0,0.846 8)T。經計算CR=0.007 9<0.1，因此U的一致性符合要求。對λmax的特征向量進行歸一化，得到該專家為U1、U2、U3給出的權重比例W=(0.16，0.30，0.54)。同理，計算出其他專家一級指標比較矩陣的權重(表2)。

表2 專家們為一級指標給出的權重

表2中均值為綜合專家們意見的一級權重比例W=(0.12，0.29，0.59)。同理，計算出二級指標權重比例W1=(0.42，0.26，0.16，0.10，0.06)，W2=(0.35，0.26，0.15，0.15，0.09)，W3=(0.54，0.30，0.16)。與傳統安全評價方法相比，此指標體系完整地考慮了軟系統與硬系統因素，在保留了傳統方法對硬系統分析的優點上進行了創新。以上分析是SSM第1-5階段，得到新評價的指標體系。下面以云重心評價法進行第6和第7的實踐階段研究，探討運用此評價法對指標體系進行評價。

2 云重心評價法[6]

2.1 云模型概述

云是用語言值表示某個定性概念與定量之間的不確定性轉換模型[10]。定性的概念可以通過云的模型以定量的形式來表示。比如，人們對一個商品“合理價格”的看法用一維正態云描述(圖3)。圖3中，Ex為期望值，是“合理價格”云重心的位置，是最能表示該模糊定性概念的值，云模型中的“云滴”橫坐標對應的價格越靠近1 500元的Ex豎線，其縱坐標對應的隸屬度就越靠近1，也就越接近“合理價格”的概念；En為熵，反映“合理價格”這個定性概念的模糊度；He為超熵，是熵En的熵，反映熵的離散程度。

圖3“合理價格”云模型(Ex=1500，En=167，He=12.5)

2.2 云重心評價法的步驟

云重心是云重心位置和云重心高度的乘積，其變化可以反映系統狀況的變化。以一個云重心向量來表示系統的現實狀態，再計算出現實狀態相對理想狀態的加權偏離度，最后將該加權偏離度置于實現設置的定性評測云發生器中，即可得出對系統現實狀態的評估。

2.2.1 求評價指標的云模型表示

對于定量指標，設有n位專家，每位專家為每個指標給出一個評價數值期望，從n位專家中得出n個期望值Exi(i=1,2,…n)后，將這個定量指標用一維云模型來表示(式1，2)。

(1)

(2)

對于定性指標，設有n位專家，每位專家根據評語集為各指標選擇評語，按照定性評測云發生器將定性的評語轉換成對應定量的期望和熵(比如，第一位專家為某指標打出評語“好”，根據圖4，可得該專家給出的期望Ex1為0.7，熵En1為0.33)，從n位專家中得出n個期望Exi(i=1,2,…n)與熵Eni(i=1,2,…n)后，將這個定性指標的n組評語用一維云模型來表示(式3，4)。

(3)

熵En=En1+En2+…+Enn

(4)

評價完所有指標，若體系有p個指標，則可得到1個p維綜合云表示，這個綜合云就是各指標的云重心位置向量g=(g1,g2,…gp)。

2.2.2 云重心高度的確定

根據1.3節中一級指標與二級指標的權重，將13個二級指標的權重歸一化，得到云重心的高度向量h=(0.05,0.031,0.019,0.012,0.007,0.102,0.075,0.044,0.044,0.026,0.319,0.177,0.094)。

2.2.3 用p維綜合云表示有p個評價指標的系統狀態

有p個指標的評價體系的系統狀態可以用一個p維的綜合云S=(S1,S2,…Sp)表示，Si=gi·hi(i=1,2…,p)。其中gi為第i個指標的云重心的位置；hi為第i個指標的云重心的高度。若一些指標的云重心位置或高度發生變化，系統的綜合云重心也會隨之變化：S’=(S’1,S’2,…S’p)。

2.2.4 求加權偏離度，衡量云重心的變化

(5)

以歸一化后的云重心向量Sg乘以云重心高度，求和，得到加權偏離度(式6)。

(6)

2.3 設計定性評測的云發生器

設定評語集構成云發生器。設定加油站安全評價指標的評語集為V={V1,V2,…,V11}={極差，非常差，很差，差，稍差，一般，稍好，好，很好，非常好，極好}，構成定性評測云發生器(圖4)。將加權偏離度θ輸入到定性評測云發生器中，觀察θ與“極好”對應的數值“1”的距離，找到激活的云對象，得出評價結果。

圖4定性評測云發生器

3 實例分析

某加油站位于湖南省衡陽市，該站占地面積約2 000 m2，設加油機4臺，站內員工8人(含站長)，主營93號、97號汽油和柴油，汽油儲量100 m3，柴油儲量50 m3，油罐總容積為150 m3，屬二級加油站。

本次安全評價活動有5位評價員。根據表1中的評價指標和評價依據參考，對該加油站的外部軟系統、內部軟系統、內部硬系統的狀況作了安全檢查或調研。之后，5位評價員用評語集V={極差，非常差，很差，差，稍差，一般，稍好，好，很好，非常好，極好}，評價各二級指標，然后根據圖4的云發生器將定性評價轉化為表3的定量值。(以表3第2行第2列的數值為例，0.4是云發生器中“稍差”評語的期望值，即一號評價員為U11指標作了“稍差”的評價。)

表3 13個指標的評價定量值

由式4、5和表3，各指標的云重心位置向量g=(0.4,0.26,0.8,0.28,0.76,0.28,0.56,0.68,0.24,0.54,0.72,0.26,0.4)，由2.2小節可知各指標的云重心高度向量h=(0.05,0.031,0.019,0.012,0.007,0.102,0.075,0.044,0.044,0.026,0.319,0.177,0.094)，由Si=gi·hi(i=1,2…,p)，得出現實狀態系統的各指標的云重心向量為S=(S1,S2,…S13)=(0.02,0.0081,0.0152,0.0034,0.0053,0.0286,0.042,0.0299,0.0106,0.014,0.2297,0.046,0.0376)，已知理想狀態下各指標的云重心位置均為1，故理想狀態下云重心向量S0=(0.05,0.031,0.019,0.012,0.007,0.102,0.075,0.044,0.044,0.026,0.319,0.177,0.094)，將S和S0代入式(6)，得到歸一化云重心向量：Sg=( -0.6000,-0.7400,-0.2000,-0.7200,-0.2400,-0.7200,-0.4400,-0.3200,-0.7600,-0.4600,-0.2800,-0.7400,-0.6000)，將Sg代入式(7)，得到加權偏離度θ=-0.509 7，表示該加油站的安全狀況與“極好”對應的標度“1”相差0.509 7，即安全狀況的評價分值為0.490 3，此分值可激活圖4的定性評測云發生器的“稍差”和“一般”兩個云對象，十分接近“一般”云對象的“0.5”，所以本次評價結果為該加油站的安全狀況屬于“一般”級別，結果偏差很小。

評價過程中發現，目前加油站主要存在下列問題：外部軟系統方面，加油站建于低洼地帶，常在下雨時站內積水嚴重；常出現外來人員站內用手機、吸煙、載客加油等行為；外來車輛常于站內穿行。內部軟系統方面，站內缺少加油站安全宣傳欄和安全文化教育；不注重發展非油品業務，無足夠經濟能力改進安全狀況。內部硬系統方面，站內危險區域劃分不當，危險區域配置非防爆電氣設備；滅火器過期服役；加油站常堆滿商品。加油站今后應多加注意內、外軟系統帶來的安全問題，針對可能出現或已經出現的問題持續健全安全管理制度，將制度貫徹落實到每一位員工。對于站內的硬系統，應主動學習先進安全管理措施、技術措施，做好日常安全檢查工作和人員培訓工作，不斷提高站內安全水平，讓加油站逐步靠近本質安全狀態。

4 結語

(1)基于切克蘭德軟系統方法論的研究方法，將加油站視為一個小型社會，增加了對其外界自然因素、外界社會因素，站內經濟因素、制度因素及思想文化因素對其安全的影響，建立了集內外部軟系統和硬系統于一體的加油站評價指標體系，為傳統的加油站安全評價范圍提出了建議。

(2)嘗試使用云重心評價法對基于SSM的評價指標體系中的定性指標作了向定量的轉換，并將其用于某加油站的安全評價，給出較客觀的加油站系統安全度，并指出主要問題和整改建議，評價加油站安全度的同時提高了加油站的安全水平。

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