基于區間直覺模糊數和灰色關聯的輸油站場安全性評估

蔣 毅，安兆暾，吳 森，薛 廉，張 宏

基于區間直覺模糊數和灰色關聯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中心，成都 610037；2.西南石油大學土木工程與測繪學院，成都 610500；3.四川省地質工程勘察院集團有限公司，成都 610072；4.四川省地質礦產勘查開發局區域地質調查隊，成都 610213）

輸油站場所涉及的設施及附屬部件較多、且多種工藝流程之間相對獨立又相互聯系，為降低安全評估難度，通過風險區塊劃分原則將輸油站場分為了壓力管道區、清管器收發區、閥組區、儲罐區等8大風險區塊，基于認識的不確定性，從支持、反對和猶豫三方面的區間直覺模糊數表述專家的評判信息，并改進了一種考慮風險偏好的區間記分函數（p-α計分函數），并從其工作經驗、知識水平程度以及從眾心理程度三方面進行了量化分析；且在單一賦權法的基礎上，考慮了主觀因素和客觀因素對評價結果的影響，從最優關聯系數和最劣關聯系數兩方面綜合確定了站場各風險區塊的安全風險系數，并與傳統記分函數的結果進行了比較，其評價結果符合實際情況，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；區塊劃分；區間直覺模糊數；灰色關聯分析；安全風險系數

隨著我國油氣管道里程數的持續增加，油氣站場建設成為了國家和社會所關注的焦點問題，而作為能源供應的轉輸站，其安全、高效運行逐漸面臨巨大的挑戰（董紹華等，2013）。

近年來，越來越多的學者致力于油氣站場的風險評價技術研究工作，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險機理研究，提出基于KENT法和RBI的風險評價方法（周立國等，2019）。邢金朵運用危險與可操作性分析(HAZOP)和失效模式分析(AMEA)理論對站場安全風險狀況進行研究（邢金朵等，2015）。姚安林基于模糊集理論改進了傳統的風險評價技術，建立了站場綜合風險評價模型（姚安林等，2015）。廖柯熹基于風險量化評價流程對川氣東送管道典型站場進行風險評價進行研究（廖柯熹等，2012）。黃亮亮運用潛在失效模式及后果分析方法和基于GO法的運算機理進行了站場典型設備的失效可能性分析，建立了模糊推理系統風險計算模型（黃亮亮，2015）。張慧娟基于AHP層次分析法構建輸氣站場風險評價模型，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險的檢驗(RBI)技術對輸氣站場風險綜合評價（崔凱燕等，2016）。曹濤通過HAZOP分析對油氣站場風險進行研究（曹濤等，2011）。曹建國基于RBI、RCM和SIL技術對輸氣首站進行定量風險評價（曹建國，2014）。

本文基于認識的不確定性，在建立輸油站場風險區塊劃分的基礎上，將區間直覺模糊數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險區塊安全事故發生、不發生、以及可能發生的概率區間。并定義了新的區間記分函數和充分考慮了決策者的風險偏好，從工作經驗、知識水平程度以及從眾心理程度方面進行了定量分析；為避免忽略部分因素的重要程度，綜合考慮了權重確定的主觀因素和客觀因素對評價結果的影響；從最優關聯系數和最劣關聯系數兩方面確定了站場各風險區塊的安全風險系數。

1 區間直覺模糊集理論

設論域為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的隸屬度函數和非隸屬度函數，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）。

由于受客觀環境的復雜性、決策者的專業技能等認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值描述，為準確表達決策者對決策方案的精確偏好信息，采用區間形式更能反映問題的本質特點、詳細的描述了事物的本質屬性.

設論域為U，稱={?x，μ(x)，ν(x)>|x∈U}為區間直覺模糊集，其中μ(x)，ν(x)分別為的隸屬度區間μ(x)=[μ1，μ2]?[0,1]和非隸屬度區間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)>稱為區間直覺模糊數。

1.1 區間計分函數

在實際的決策問題中，決策者對風險偏好的差異是一個客觀存在、不得忽略的情況，基于風險偏好的思想，從工作經驗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險偏好進行考慮，并在帶猶豫度放縮的精確記分函數（P-記分函數）（高建偉等，2014）和相關系數定義的基礎上，引進新的計分函數(簡稱p-α計分函數)：

表1 工作經驗α1

1.2 風險偏好下取值研究

表2 知識水平程度α2

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

知識水平程度2主要從專業知識21和學術知識22兩個方面進行考慮，實現了對應用和理論的雙側重，更為精準地反映了人的學識水平，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行取值研究，見表3。

2 站場各區塊安全風險系數計算模型

表3 從眾心理程度α3

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

輸油站場區塊的劃分不僅依托于一定的劃分原則，還得結合現場的實際需求、空間環境等，以保證其劃分結果有利于后續的風險評價可以高效順利進行。故將輸油站場劃分為8大風險區塊：壓力管道區、清管器收發區、閥組區、泵區、儲罐區、消防區、分離區、加熱區。

2.1 矩陣歸一化處理

基于改進的得分函數p-α計分函數,從而得到安全矩陣S=(s)，并對其進行標準化處理，計算公式為:

把各風險區塊對輸油站場正常運行的影響程度權重=(1,2,···,n)代入到矩陣Y中, 可得到加權隸屬度矩陣：

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學理論依據的客觀因素對權重的影響，采用組合賦權的方法，求取各風險區塊的相對權重。運用主觀賦權法和客觀賦權法分別對同層因素進行權重計算，再通過組合賦權方法求得綜合權重（鮑學英等，2016）:

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

2.2 基于灰色關聯的安全風險系數

基于綜合關聯系數矩陣和取分辨系數ρ=0.5（錢隼馳和仇蕾，2019），可求得各風險區塊的安全風險系數：

3 實例分析

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

表4 區間直覺模糊矩陣

考慮到各專家的風險偏好，擬取專家1的工作經驗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：

主觀賦權法中采用層次分析法，設8大風險區塊對輸油站場正常運行的影響程度排序為:

Q5＞Q4＞Q8= Q1＞Q2= Q3＞Q6= Q7

按照以上各風險區塊的相對重要程度排序構造判斷矩陣，并進行各風險區塊的權重計算及一致性檢驗。經計算其輸油站場各風險區塊的AHP權重計算結果為：

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。

在本文實例中，專家基于客觀賦權法選用了熵值法，其中熵值法主要用以度量系統狀態的不確定性，判斷某指標基于系統的離散程度；離散型越大，其熵值越小，則相對權重越大，反之亦然，設由熵值法求得的各區塊客觀權重分別為w。

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

取權重折衷系數β=0.5，計算綜合權重:

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

將安全矩陣標準化處理后乘以權重，得到加權后的標準化隸屬度矩陣：

基于加權矩陣的正理想點X+和負理想點X-，通過式(5)計算最優關聯系數r+和最劣關聯系數r-：

由式(6)計算關聯系數矩陣：

基于式(7)計算各區塊的安全危險系數：

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

根據危險系數的大小進行區塊危險性排序可得：5>4>8>1>327>6

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

通過表5可知p-α計分函數和P-記分函數所得安全性系數相差不大，其安全性排序結果也基本一致，表明改進方法具有一定的可行性與準確性。

表5 不同記分函數的危險性排序

4 結論

采用區間直覺模糊數和灰色關聯分析結合的方法，以及引入新的區間記分函數和充分考慮信息使用者的風險偏好，得出了輸油站場各風險區塊的安全風險系數，提高了評價結果精度以及可實現針對性地預防風險，加大高風險區域防范措施投入；改進的p-α計分函數與P-記分函數進行比較，結果表明：改進方法具有一定的可行性，評價結果符合實際情況，較好地解決了站場風險評價的不確定性問題，拓寬了區間直覺模糊數和灰色關聯分析的應用領域，為各區塊的安全防范提供了理論依據。

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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研究工作

TE88

A

1006-0995（2021）01-0146-05

10.3969/j.issn.1006-0995.2021.01.028