原油庫D/I-SD集成模型風險分析方法*

陳利瓊，馮雨翔，孔令圳，馬劍琳

(1.西南石油大學 石油與天然氣工程學院，四川 成都 610500；2.中國石油西南管道分公司，四川 成都，610041)

0 引言

由于油庫中儲存著大量易燃易爆物質，一旦發生火災爆炸事故，易引發災難性后果，如2005年在英國邦斯菲爾德油庫發生的火災爆炸事故[1]和2009年印度齋普爾油庫[2]的火災事故，分別燒毀油罐23座和11座，造成的經濟損失數以億計。海因里希因果連鎖論認為，盡管事故的傷害可能在某瞬間突然發生，但是傷亡事故的發生不是一個孤立的事件，是一系列事件相互作用的結果[3]。因此，有必要系統的研究造成油庫發生事故的本質風險因素，采取相應風險管理措施降低總體風險水平，為社會防災減災提供理論依據。

近年來，針對原油庫風險分析的研究主要是以事故樹法、模糊綜合評價法為主。王海等[4]利用FSA方法的理念對油庫安全管理過程中的客觀危險因素進行識別；賈濤[5]利用安全檢查表法識別某油庫的風險因素并給出了應對措施；王金亮等[6]采用模糊綜合分析法對油庫進行了安全評價，分析各個因素的對油庫安全的影響大小。雖然對于油庫風險分析的問題，前人已經進行了大量的研究，但是目前針對油庫風險因素的研究主要是將其當作孤立的事物，而未考慮因素間的耦合作用。因此，有必要從系統安全角度對原油庫的風險分析進行全面研究。

系統動力學于20世紀50年代末由美國麻省理工學院教授弗雷斯特Forrester提出[7]，自創立以來，在處理環境、能源、管理等諸多問題中發揮了重要作用。賈一偉[8]基于系統動力學對高校科技產業可持續發展進行了研究，對政策優化提出了針對性建議；唐韜[9]建立了坑口電廠低碳經濟發展的系統動力學模型，篩選出最適合坑口電廠低碳發展模式。自周德群等[10]提出DEMATEL和ISM法存在一定共性，可形成集成DEMATEL/ISM法后，許多研究人員將其用于影響因素分析中，如吳彪等[11]以集成DEMATEL-ISM方法構建了高速公路作業區交通安全影響因素辨識模型，確定了影響高速公路作業區交通安全的最直接因素。總之，集成DEMATEL/ISM法能夠將具有耦合關系的風險因素解構為直觀的層次遞階模型，從而為系統動力學模型的建立奠定基礎。

基于此，論文提出一種基于DEMATEL/ISM及SD的原油庫風險分析方法：D/I-SD集成模型。該方法基于集成DEMATEL/ISM法確定因素間的因果關系，并指出導致事故發生的直接和根本風險因素，利用Vensim軟件構建了系統動力學模型，研究各風險子系統的風險發展趨勢以及各風險因素對總風險水平的影響。將系統動力學思想引入至風險管理中，從而為決策者掌握關鍵風險因素，從根本上防止原油庫事故的發生提供了科學合理的依據。

1 D/I-SD集成模型算法

1.1 算法思路

D/I-SD集成模型算法思路如下：首先，通過DEMATEL法建立直接影響矩陣；其次，通過矩陣運算推導出綜合影響矩陣和可達矩陣；然后，利用ISM法整理出具有因果關系和層次結構的多級遞階模型；隨后，在得到風險因素間因果關系的基礎上，繪制出因果關系圖，建立系統動力學模型；最終，利用系統動力學軟件對研究對象進行具體研究。

1.2 解釋結構模型的構建

為確定風險因素間的因果關系，采用集成DEMATEL/ISM法建立油庫風險因素解釋結構模型，并確定各風險因素的權重，從而為系統動力學模型的構建奠定基礎。

1.2.1 風險因素的遴選

根據中國化學品安全協會網站、國家安全生產監督管理部門網站及相關文獻，收集了近100例原油庫事故，且按照我國關于事故分級的有關規定，這些事故等級均為一般以上事故。將其作為統計資料源，通過統計分析可見，雖然導致各類事故的原因不同，但所有原因均可歸納為“人的因素、物的因素、管理因素以及環境因素”4個方面。然后，基于頻度統計法，將頻度不小于3作為風險因素，最終選出了18個因素并編號，如圖1所示。

1.2.2 層次結構的確定

集成DEMATEL/ISM法具體算法步驟如下：

1)構建直接影響矩陣。通過調研行業專家的意見，根據一定的指標建立起直接影響矩陣S。

2)計算綜合影響矩陣。按照式(1)將直接影響矩陣規范化，再按式(2)計算出綜合影響矩陣T。

(1)

T=G(I-G)-1

(2)

式中：sij為因素ai對因素aj的直接影響程度，G為規范后的直接影響矩陣，I為單位陣。

3)確定中心度和原因度。因素ai的影響度fi和被影響度ei，中心度(表示某因素在系統中所起作用的大小[12])mi和原因度(若原因度大于零則表示該因素對其他因素影響較大，為原因因素；若原因度小于零表示該因素受其他因素影響較大，為結果因素)ni的計算公式如下：

(3)

(4)

mi=fi+ei(i=1,2,…,n)

(5)

ni=fi-ei(i=1,2,…,n)

(6)

式中：tij為矩陣T中第i行第j列因素，tji為矩陣T中第j行第i列因素。

4)確定可達矩陣。為簡化系統的層次結構，需要給定閾值λ，當hij≥λ時，可達矩陣中對應的元素kij=1；hij<λ時，kij=0。閾值λ的取值直接影響后續系統中因素的因果關系和層次結構的確定。

圖1 原油庫風險因素Fig.1 Large crude oil depot risk factors

5)建立解釋結構模型。為建立起多層遞階結構模型，首先應按式(7)和式(8)確定可達矩陣K的可達集合Ri和前項集合Li，然后驗證式(9)是否成立，若該式成立則說明該因素為底層因素，重復以上步驟，直至所有因素的層次關系均已確定。

Ri={xj|xj∈A,kij≠0},(i=1,…,n)

(7)

Li={xj|xj∈A,kji≠0},(i=1,…,n)

(8)

Ri=Ri∩Li,(i=1,…,n)

(9)

1.3 系統動力學模型的構建

油庫風險問題是1個復雜的管理問題，是多重矛盾綜合作用的結果。現在已有對油庫風險問題有一定認識，但是對油庫風險動態性把握不足[13]，從而預期的管理措施實施效果與實際效果會產生一定偏差。因此，鑒于油庫風險系統的系統變量間存在動態、非線性的反饋因果關系的特點，采用系統動力學的思想和方法對造成油庫事故的風險因素進行分析，通過建立系統動力學模型，找出對油庫風險影響顯著的子系統以及導致油庫發生事故的本質影響因素，從而在根本上控制油庫事故的發生。

2 案例分析

四川省某原油庫建成于21世紀初，庫區場地及周邊范圍內無特殊巖土，無崩塌、滑坡、地裂、泥石流等不良地質災害，場地內無活動斷裂帶通過，歷史上未發生過強烈地震。此案例基礎數據的獲取是基于油庫風險管理專家的意見，并結合了該原油庫的實地調研數據。

2.1 解釋結構模型的確定

參考行業專家的意見構建的直接影響矩陣S如表1所示，其中，數值0代表風險因素xi對xj無影響，1代表弱影響、2代表中度影響、3代表強影響。

表1 油庫風險因素的直接影響矩陣Table 1 The direct influence matrix of the risk factors

續表1

根據該系統的實際情況，通過對行業專家和決策者的咨詢取閾值為0.02，在坐標系中繪制出各因素的中心度和原因度如圖2所示，最終構建的該油庫風險因素解釋結構模型如圖3所示。

圖2 油庫風險因素的中心度和原因度Fig.2 The centrality and causality of the risk factors

圖3 油庫風險因素體系Fig.3 Interpretative structural model of safety risk factors for oil depots

由圖2和圖3可以看出：

1)表層直接因素位于解釋結構模型的最高層，系統中其他風險因素的變化均會對它們造成影響。其中，表層直接因素包括了人和物的影響，說明在風險管理中既要注重作業人員綜合素質的提升，也要留意物的不安全狀態。具體而言，就是需要對作業人員進行定期體檢和考核；對設備進行定期檢測，并及時將分析檢測數據反饋給決策者。

2)中間間接因素將受到深層根本因素的影響，并將影響傳遞給表層直接因素。其中，規章制度(a18)直接影響作業人員的文化程度(a2)、設備的使用時間(a11)、油庫布局的合理性(a12)，而設備的使用時間將影響到設備的可靠性(a6，a7，a8，a9)，從而直接影響到事故的發生；管理人員素質(a15)影響作業人員的連續工作時間(a4)和作業人員數目(a5)，從而影響到作業人員的綜合職業素質(a3)。

3)深層根本因素位于解釋結構模型的最底層，不受其他因素的影響，可在下文建立的系統動力學模型中作為初始輸入參數[14]。同時，它們又屬于根本性因素，對原油庫風險系統的影響最大，應該作為關鍵因素重點對待。對于該油庫而言，深層根本因素為企業的安全氛圍(a14)以及監管部門的監督力度(a17)，其中企業的安全氛圍的好壞將直接決定規章制度的合理性以及執行力度，而監管力度的強弱將直接影響企業決策者對安全的重視程度，從而督促決策者營造良好的安全氛圍。因此，油庫風險管理的關鍵在于營造良好的企業安全氛圍并加強有關部門的監管力度。

4)該原油庫風險系統的原因因素(原因度大于零的因素)重要程度依次是：監管力度(a17)、規章制度合理性(a18)、安全氛圍(a14)、管理人員素質(a15)、自然環境(a13)等。從圖3中可以看出以上因素在模型中占據非常重要的位置，與其他因素連接緊密并影響較大；結果因素(原因度小于零的因素)重要程度依次是：連續工作時間(a4)、作業人員數目合理性(a5)、綜合職業素質(a3)、消防系統可靠性(a8)、供電系統可靠性(a9)、油庫布局合理性(a12)等，從圖3可以看出以上因素受其他因素的影響較大。

2.2 系統動力學仿真分析

2.2.1 模型建立

結合集成DEMATEL/ISM法確定的風險因素間的因果邏輯關系，運用系統動力學模擬軟件Vensim構建的油庫風險系統存量流量圖如圖4所示。

2.2.2 油庫總體風險及各子系統風險仿真分析

通過運行該油庫風險系統的系統動力學模型，得到仿真時間段內的總體風險、安全投入以及各風險子系統的變化趨勢，如圖5所示。

圖4 油庫風險系統存量流量Fig.4 Stockpile safety risk stock flow chart

圖5 總風險及各子系統風險仿真結果Fig.5 Overall risk and each subsystem risk simulation results

仿真結果表明：

1)在所有風險子系統中，只有物的風險子系統的風險水平不斷增加，其余3個風險子系統的風險水平均呈下降趨勢。這是由于設備隨著使用時間的增長其損耗是不可逆的，而其他3個風險子系統均可通過增加對其安全投入改善風險水平。在這3個風險子系統中，管理風險子系統的風險水平降低速率最大，其次是人的風險子系統，最后是環境風險子系統。這是由于管理子系統中的監管力度日益增大，油庫的規章制度日趨合理，在兩者的共同作用下，管理子系統風險水平下降較快。而對于環境子系統，由于自然環境的惡劣性一直影響著其風險水平，且較難被改變，因此即使增加對其安全投入，其風險水平降低量仍然不大。不同子系統風險水平的變化量共同加權構成了系統總風險水平的變化量，從而影響著總風險水平的變化趨勢；

2)油庫總體風險水平在安全投入的負反饋調節下，在第18個月達到既定風險目標值。由于風險水平和安全投入之間存在一定的反饋關系，因此當風險水平達到目標值后，安全投入會降為0，此時風險水平只受各風險子系統的風險水平的影響；

3)在風險發展前期，只有環境風險子系統和物的風險子系統的風險水平略微增長，其余風險子系統風險水平均下降，故總風險水平降低趨勢較緩主要是受環境風險子系統的影響。這是由于風險發展初期，自然環境的惡劣性風險水平的累積使得環境風險水平上升，而隨著后期安全投入的增加，安全氛圍的改善，通過系統中負反饋的調節作用，環境風險水平下降，不再為總風險水平的主要影響因素。在系統風險發展后期，只有物的風險子系統的風險水平不斷增加，其余子系統風險水平均不斷降低，且其中風險水平下降速率最快的是管理風險子系統，說明此時總風險水平受物的風險和管理風險影響程度較大。這是由于風險發展的后期，設備磨損的問題日益凸顯，且在此階段管理風險水平對其他風險子系統的影響極為重要。

2.2.3 人的風險子系統仿真分析

為進一步研究各因素與子系統的相互作用關系，找出各子系統中的本質風險因素，遂對各風險子系統進行仿真。采用控制變量法對人的風險子系統中各風險因素進行單因素變動模擬，即在其他風險因素不變的情況下，分別將風險因素s1～s5風險水平降低為基本方案的50%。其中，Current0為基本方案，Current1～Current5分別對應風險因素s1～s5的風險水平變化。仿真結果如圖6-8所示。

圖6 各方案風險水平降低量隨時間變化曲線Fig.6 Curves of risk level reduction of various program

圖7 各方案人的風險水平隨時間變化曲線Fig.7 Curves of human risk levels of various programs

圖8 各方案安全投入隨時間變化曲線Fig.8 Curves of the safety input of each project

由仿真結果可見：

1)對人的風險水平降低量而言，由于作業人員連續工作時間是時間的隨機函數，因此其值隨時間存在一定的波動，但總體趨勢是當各影響因素均降低相同值時，風險水平相對基本方案變化幅度最大的是方案3，其次是方案4和6，變化幅度最小的是方案2和5。即對該油庫而言，提高員工職業綜合素質和選用文化程度更高的作業人員對降低人的風險子系統的風險水平的效果最好。

2)各個方案對系統風險總水平以及安全投入的影響均不大。這是因為一方面該子系統中的風險因素均是結果因素中重要度較大的因素；另一方面人的風險子系統中的因素為解釋結構模型中的中間間接因素或表層直接因素，其中僅1個因素的變化對系統中其他因素的影響不大，因此對系統總風險水平影響較小。

3)運用系統動力學的仿真結果與運用集成DEMATEL/ISM法得到的各因素權重(綜合職業素質的權重最大，其次是作業人員數目和作業人員文化程度，然后是工作強度和作業人員從業時間)存在一定差別。這說明系統中各因素的重要度不能僅依靠常規的權重確定方法得出，還需考慮系統中的其他因素對其耦合作用。考慮系統各因素之間耦合作用確定的因素重要度為實際作用率[15]。對該油庫而言，實際作用率最高的風險因素是作業人員文化程度，其次是綜合職業素質，即選用文化程度更高的員工，定期培訓以提高員工職業素質對改善該油庫人的風險子系統的風險水平效果較好。

總之，由于油庫風險系統的復雜性，各個因素之間存在著促進和制約的關系，單單依靠＂權重＂來反映因素對系統的實際作用程度具有一定的局限性。因此在實際風險管理中，決策者應對實際作用率較高的因素采取更有針對性的風險管理措施，方能保證決策的科學合理性。

2.2.4 其他風險子系統仿真分析

相似的，對其他3個風險子系統分別進行仿真分析，仿真結果表明：設備使用時間、安全氛圍和監管力度分別為物、環境和管理風險子系統的關鍵風險因素；對原油庫風險系統總風險水平和安全投入影響較大的因素均為在上述建立的解釋結構模型中占據了較為重要的地位且為中心度較大的風險因素。

3 結論

1)將集成DEMATEL/ISM法與SD法相結合對原油庫風險進行分析，能夠挖掘出風險因素間相互耦合的因果關系，并確定風險動態發展趨勢和關鍵風險因素，找出原油庫發生事故的關鍵問題，有利于從根本上防止原油庫事故的發生。

2)案例分析表明，導致該油庫事故發生的直接因素中涵蓋了人和物的影響，說明在風險管理中，需針對人和物雙管齊下才能取得良好的效果；造成事故發生的深層根本因素為企業的安全氛圍以及監管部門的監督力度，它們的影響是基礎而深遠的；對該油庫而言，員工文化程度、設備使用時間、安全氛圍和監管力度分別為人、物、環境和管理風險子系統的關鍵風險因素。

3)在風險發展前期，環境風險對油庫總體風險的影響顯著；在風險的成熟發展階段，物和管理風險子系統的發展完善對油庫總體風險的影響程度最大。

4)系統中的各因素重要度會受到系統中其他因素的耦合作用的影響，僅依靠傳統的權重確定方法判斷某因素的重要度具有局限性，通過系統動力學確定的各因素實際作用率將更有效的指導決策者針對實際作用率高的因素采取相關措施。

[1] GHASEMI A M, NOURAI F. A framework for minimizing domino effect through optimum spacing of storage tanks to serve in land use planning risk assessments[J]. Safety Science, 2017, 97(SI): 20-26.

[2] SHARMA R K, GURJAR B R, SINGHAL A V, et al. Automation of emergency response for petroleum oil storage terminals[J]. Safety Science, 2015, 72(2): 262-273.

[3] 陳寶智, 吳敏. 事故致因理論與安全理念[J]. 中國安全生產科學技術, 2008, 4(1):42-46.

CHEN Baozhi, WU Min. Accident causation theory and safety concept [J]. Journal of safety science and technology, 2008, 4 (1): 42-46.

[4] 王海, 楊鵾鵬, 楊建,等. 用FSA方法優化油庫安全管理[J]. 中國安全生產科學技術, 2007, 3(4):128-131.

WANG Hai, YANG Kunpeng, YANG Jian, et al. Optimization of oil depot safety management by FSA method [J]. Journal of safety science and technology, 2007, 3 (4): 128-131.

[5] 賈濤. 天府國際機場油庫風險評價[D]. 成都: 西南石油大學, 2016.

[6] 王金亮，陳全．模糊層次綜合分析法在油庫安全評價中的應用[J]．安防科技，2011(10)：56-59.

WANG Jinliang, CHEN Quan. Application of fuzzy analytic hierarchy process in safety evaluation of oil depot [J]. Security science and technology, 2011(10)：56-59.

[7] RICARDO SAAVEDRA M M, FONTES C H, FREIRES F G. Sustainable and renewable energy supply chain: A system dynamics overview[J]. Renewable & Sustainable Energy Reviews, 2018, 82(1): 247-259.

[8] 賈一偉. 基于系統動力學的高校科技產業可持續發展研究[D]. 北京: 北京交通大學, 2013.

[9] 唐韜. 坑口電廠低碳經濟發展系統動力學仿真研究[D]. 武漢: 中國地質大學(武漢), 2014.

[10] 周德群, 章玲. 集成DEMATEL/ISM的復雜系統層次劃分研究[J]. 管理科學學報, 2008, 11(2): 20-26.

ZHOU Dequn, ZHANG Ling. Study on hierarchical division of complex systems integrated with DEMATEL/ISM method[J]. Journal of management science, 2008, 11 (2): 20-26.

[11] 吳彪，許洪國，戴彤焱．基于DEMATEL-ISM的高速公路作業區交通安全影響因素辨識[J]．交通運輸系統工程與信息，2010，10(5)：130-136．

WU Biao, XU Hongguo, DAI Tongyan. Differentiation of traffic safety factors affecting freeway work area based on DEMATEL-ISM [J]. Transport System Engineering & Information, 2010, 10 (5): 130-136.

[12] 張文會，趙軍芳，羅文文，等．基于DEMATEL-ISM事故路段行車風險因素辨識模型[J]．交通運輸工程與信息學報，2015(1)：13-17.

ZHANG Wenhui, ZHAO Junfang, LUO Wenwen, et al. Identification model of traffic factors based on DEMATEL-ISM accident section [J]. Journal of traffic and transportation engineering and information, 2015 (1): 13-17.

[13] ZHENG F, ZHANG M G, SONG J, et al. Analysis on risk of multi-factor disaster and disaster control in oil and gas storage tank[J]. Procedia Engineering, 2018, 211:1058-1064.

[14] 劉驊宇. 基于系統動力學的建筑行業BIM技術應用研究[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工業大學, 2016.

[15] 肖楚陽, 宋守信. 地鐵電氣火災中機械方面影響因子系統動力學仿真分析[J]. 中國安全生產科學技術, 2016, 12(8): 81-86.

XIAO Chuyang, SONG Shouxin. Simulation analysis of influence factors on mechanical dynamics in subway electrical fire[J]. Journal of safety science and technology, 2016, 12(8): 81-86.