楊勇虎，李穎，劉丙新，朱雪媛（.大連海事大學(xué)　航海學(xué)院，遼寧　大連　6026；2.大連東軟信息學(xué)院　計(jì)算機(jī)系，遼寧　大連　6023）

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一種沿海石油儲(chǔ)運(yùn)基地溢油風(fēng)險(xiǎn)智能評(píng)價(jià)系統(tǒng)

楊勇虎1，2，李穎1，劉丙新1，朱雪媛1
（1.大連海事大學(xué)航海學(xué)院，遼寧大連116026；2.大連東軟信息學(xué)院計(jì)算機(jī)系，遼寧大連116023）

摘要：對(duì)于沿海石油儲(chǔ)運(yùn)基地，由于石油在儲(chǔ)存、裝卸及運(yùn)輸過程中存在潛在的風(fēng)險(xiǎn)，一旦發(fā)生突發(fā)事故，其后果就難以估量。因此，對(duì)其進(jìn)行溢油風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)就顯得尤為重要。此文通過在中石油大連新港的實(shí)際調(diào)研，參照歷史資料和相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行逐一分析，建立了風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系；將本體與風(fēng)險(xiǎn)分析相結(jié)合，分析風(fēng)險(xiǎn)的可能原因、演變規(guī)律、規(guī)避措施和建議，建立了基于領(lǐng)域本體的風(fēng)險(xiǎn)分析模型；運(yùn)用了多級(jí)模糊評(píng)價(jià)方法和領(lǐng)域本體模型對(duì)沿海石油儲(chǔ)備基地進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)和智能分析；最后開發(fā)了風(fēng)險(xiǎn)智能評(píng)價(jià)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)的管理、權(quán)重的計(jì)算、風(fēng)險(xiǎn)分析和評(píng)價(jià)等功能，最終得到評(píng)估結(jié)果，給出對(duì)策和建議。并以中石油大連新港為實(shí)例，對(duì)模型和系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證，效果良好。

關(guān)鍵詞：多級(jí)模糊評(píng)價(jià)；石油儲(chǔ)運(yùn)；風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)；溢油；本體

沿海石油儲(chǔ)運(yùn)基地溢油事故是指儲(chǔ)油罐、輸油管道、油碼頭、船舶及其有關(guān)作業(yè)活動(dòng)發(fā)生油類和油性混合物泄漏造成的海洋環(huán)境污染事故（劉勝，2012）。隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)快速發(fā)展，社會(huì)對(duì)能源需求與日俱增，尤其是石油及其產(chǎn)品的需求量。依靠?jī)?yōu)越的海運(yùn)交通條件，我國(guó)在沿海地區(qū)建立了多處大型石油儲(chǔ)備庫，能在一定程度滿足石油儲(chǔ)運(yùn)需求量快速增長(zhǎng)。然而石油在儲(chǔ)存、裝卸及運(yùn)輸過程中存在潛在的風(fēng)險(xiǎn)，一旦發(fā)生突發(fā)事故，會(huì)造成海洋的環(huán)境污染（劉勝，2012）。因此，通過對(duì)沿海石油儲(chǔ)運(yùn)基地進(jìn)行溢油風(fēng)險(xiǎn)分析和評(píng)價(jià)，識(shí)別石油儲(chǔ)運(yùn)過程中的事故隱患，分析產(chǎn)生的原因和演變的規(guī)律，對(duì)事故后果和危害程度進(jìn)行預(yù)測(cè)和評(píng)估，制定切實(shí)可行預(yù)防的措施，從而確保石油儲(chǔ)備基地正常運(yùn)營(yíng)和環(huán)境安全。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)溢油事故的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)進(jìn)行了大量的研究。在國(guó)外已經(jīng)有很多風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估軟件應(yīng)用到海洋溢油風(fēng)險(xiǎn)管理中，美國(guó)Palisade Corporation的“Analytical Power Tools”軟件、英國(guó)的“RiskNet”軟件、芬蘭的“Riskman”等（Price et al，2003）。而國(guó)內(nèi)溢油風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方面的研究起步較晚，許多研究學(xué)者主要利用各種模型和數(shù)理方法對(duì)事故的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行定性和定量的評(píng)價(jià)，對(duì)船舶、海底輸油管道、石油平臺(tái)、碼頭溢油進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和應(yīng)對(duì)措施的研究，基本以環(huán)境因素、人員因素和設(shè)施狀況作為主要評(píng)價(jià)因子，通過分層分析，研究得出相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)（曹濤等，2012）。但是，在這些模型和算法的運(yùn)用過程中，存在評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取不夠全面，可操作性較差，主觀因素較多，對(duì)風(fēng)險(xiǎn)的分析不夠智能等缺點(diǎn)。本文根據(jù)各類海洋溢油事故發(fā)生的特點(diǎn)和中石油大連新港的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，分析事故的發(fā)生原因和關(guān)鍵決定因素，對(duì)其儲(chǔ)運(yùn)過程進(jìn)行全面的危險(xiǎn)辨識(shí)，構(gòu)建風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。利用層次分析法計(jì)算指標(biāo)體系中各因素的權(quán)重，建立多級(jí)模糊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型和基于本體的智能風(fēng)險(xiǎn)分析模型，編寫了溢油風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的軟件。并以中石油大連新港石油儲(chǔ)備基地為例，通過專家對(duì)溢油風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)體系中各因素的評(píng)分，計(jì)算該沿海石油儲(chǔ)運(yùn)基地的溢油風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別，依據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果，提出了沿海石油儲(chǔ)運(yùn)溢油風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)及風(fēng)險(xiǎn)管理工作的建議。

1　沿海石油儲(chǔ)運(yùn)溢油風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)的構(gòu)建

在沿海石油儲(chǔ)運(yùn)基地，裝卸和儲(chǔ)運(yùn)過程極為復(fù)雜，主要具備以下特點(diǎn)。首先，在油品儲(chǔ)存方面，擁有各類石油的儲(chǔ)運(yùn)罐和輔助設(shè)施，具有布局、設(shè)計(jì)和維護(hù)不一致的特點(diǎn)。其次，在裝卸和儲(chǔ)運(yùn)過程，由于工藝流程繁多，設(shè)備作業(yè)點(diǎn)多、量大、線長(zhǎng)、面廣、人員相對(duì)分散的特點(diǎn)。第三，在油船的航行過程，具有油船自身?xiàng)l件和通航環(huán)境復(fù)雜的特點(diǎn)。因此石油儲(chǔ)運(yùn)基地在日常的生產(chǎn)作業(yè)及安全管理方面變得困難。調(diào)研和現(xiàn)場(chǎng)踏勘是進(jìn)行沿海石油儲(chǔ)運(yùn)基地溢油風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)工作的基礎(chǔ)。通過大連港石油儲(chǔ)運(yùn)基地的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，利用現(xiàn)狀分析的結(jié)果和收集到的資料，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研和踏勘情況，根據(jù)儲(chǔ)油罐、輸油管道、碼頭和油船在日常儲(chǔ)存、裝卸過程、進(jìn)出港及其他作業(yè)過程中（例如漆層防腐、閥門密封性檢查、清艙、洗艙、油料供受、污染清除、日常檢查作業(yè)等）導(dǎo)致溢油事故的原因進(jìn)行危險(xiǎn)性識(shí)別。對(duì)風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行逐一分析，篩選出主要的風(fēng)險(xiǎn)因素。根據(jù)分析出的主要風(fēng)險(xiǎn)因素，建立風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系（何天平等，2007）。如表1-4所示：

表1　沿海石油儲(chǔ)運(yùn)溢油風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系（油罐）

表2　沿海石油儲(chǔ)運(yùn)溢油風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系（輸油管道）

表3　沿海石油儲(chǔ)運(yùn)溢油風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系（油碼頭）

表4　沿海石油儲(chǔ)運(yùn)溢油風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系（船舶）

2　沿海石油儲(chǔ)運(yùn)溢油風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型

2.1基于領(lǐng)域本體的風(fēng)險(xiǎn)分析模型

本文將本體與風(fēng)險(xiǎn)分析相結(jié)合，研究了基于領(lǐng)域本體的場(chǎng)景化知識(shí)識(shí)別，分析港區(qū)儲(chǔ)運(yùn)過程中可能發(fā)生的安全事故類型和規(guī)模，研究影響儲(chǔ)罐集中區(qū)域安全風(fēng)險(xiǎn)的因素，揭示安全事故產(chǎn)生原因、事故機(jī)理以及事故演變規(guī)律，確定港區(qū)安全風(fēng)險(xiǎn)管理對(duì)象和環(huán)節(jié)。對(duì)于風(fēng)險(xiǎn)分析，主要是針對(duì)提取的風(fēng)險(xiǎn)影響因素進(jìn)行分析。因此，本體的抽取構(gòu)造是基于風(fēng)險(xiǎn)因素模板的構(gòu)造，基于場(chǎng)景的構(gòu)造。

本研究將本體分為事故本體、原因本體、表現(xiàn)本體三大類，三類本體之間的關(guān)系如圖1所示。采用七步法構(gòu)造模板本體。七步法的具體步驟為：全面認(rèn)識(shí)本體領(lǐng)域范圍；重用已有本體；枚舉領(lǐng)域本體關(guān)鍵術(shù)語；定義類和類層次；定義類屬性；定義屬性約束；創(chuàng)建實(shí)例（徐建強(qiáng)等，2013）。

圖1　本體之間關(guān)系

利用字符串的模式匹配和樹形搜索算法，根據(jù)模版中的概念和關(guān)系，從評(píng)價(jià)對(duì)象的特征集抽取關(guān)鍵詞與模版本體進(jìn)行匹配，分析風(fēng)險(xiǎn)的可能原因、演變規(guī)律、規(guī)避措施和建議等。

2.2基于多級(jí)模糊理論的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型

沿海石油儲(chǔ)運(yùn)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系結(jié)構(gòu)如圖2所示，第一層為目標(biāo)層，第二層為指標(biāo)層，從儲(chǔ)油罐、輸油管道、油碼頭、船舶4個(gè)方面進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。第三層為因素層，以設(shè)備、環(huán)境和人為因素等方面進(jìn)行考慮。第四層為分因素層，具體描述各項(xiàng)指標(biāo)的屬性。

圖2　沿海石油儲(chǔ)運(yùn)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系結(jié)構(gòu)圖

利用多級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)模型，分析沿海石油儲(chǔ)運(yùn)設(shè)施的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。多級(jí)模糊評(píng)價(jià)方法是運(yùn)用模糊集合變換的原理，在確定評(píng)價(jià)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)、評(píng)價(jià)層次指標(biāo)和權(quán)值的基礎(chǔ)上，通過構(gòu)造模糊隸屬度函數(shù)來描述各個(gè)指標(biāo)的模糊界線，建立模糊評(píng)判矩陣。然后使用多層逐級(jí)的復(fù)合運(yùn)算，確定評(píng)價(jià)對(duì)象所屬等級(jí)（王江平等，2008）。具體步驟和數(shù)學(xué)表達(dá)如下：

（1）建立評(píng)價(jià)因素集：設(shè)因素U =｛U1，U2，…，Un｝。Ui表示被評(píng)價(jià)的溢油風(fēng)險(xiǎn)因子。本研究中，指標(biāo)集的劃分如表1所示，其中Uiik表示第i子集的第j個(gè)方面影響因素子集的第k個(gè)影響因素。

（2）建立評(píng)價(jià)集：評(píng)價(jià)集通常用V表示，即V =｛V1，V2，…，Vm｝，Vi表示評(píng)判的結(jié)果。對(duì)于分析的結(jié)構(gòu)等級(jí)的劃分，應(yīng)充分考慮指標(biāo)的性質(zhì)特點(diǎn)，不宜過細(xì)，一般以4-5個(gè)為適中。本研究中，采用五級(jí)評(píng)價(jià)結(jié)果，記為：V =｛V1（可能性極?。琕2（可能性?。?，V3（可能性中），V4（可能性大），V5（可能性極大）。

（3）建立權(quán)重集：由于各因素影響評(píng)價(jià)對(duì)象取值的重要程度不同，為此，對(duì)各因素要賦予相應(yīng)的權(quán)重，記為：A =｛a1，a2，…，an｝。

本研究根據(jù)構(gòu)建的層次評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，采用主客觀綜合賦權(quán)方法對(duì)統(tǒng)一層次的指標(biāo)進(jìn)行兩兩比較，得出判斷矩陣。采用層次分析法得出不同層次各指標(biāo)的權(quán)重，確定模糊權(quán)重集。如表5構(gòu)建船舶指標(biāo)判斷矩陣：

表5　船舶指標(biāo)判斷矩陣

用Matlab計(jì)算最大特征值λmax= 4.117，它所對(duì)應(yīng)的特征向量為W =｛0.1847，0.0869，0.8880，0.4121｝，進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，CI = 0.0390，CR = 0.0672＜0.1，表明船舶指標(biāo)判斷矩陣滿足一致性要求，歸一化處理后，權(quán)重為A =｛0.1175，0.0553，0.5650，0.2622｝。同理，通過此方法可計(jì)算其他因素權(quán)重。

（4）評(píng)價(jià)指標(biāo)模糊隸屬度子集表：U的任一指標(biāo)Ui對(duì)于V中的每一種評(píng)價(jià)結(jié)果的隸屬度組成了V上的模糊子集，記為R（Ui）=（ri1，ri2，…，rin）。根據(jù)評(píng)價(jià)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，依據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)以及判斷準(zhǔn)則得到的各個(gè)指標(biāo)的具體評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)與評(píng)價(jià)集對(duì)應(yīng)的關(guān)系，利用待定系數(shù)法，構(gòu)建隸屬度函數(shù)，然后計(jì)算出每個(gè)指標(biāo)的隸屬度值組成評(píng)價(jià)矩陣。本研究中，構(gòu)造的隸屬度函數(shù)如下式1所示：

其中fi（x）為指標(biāo)對(duì)評(píng)價(jià)集中Vi的隸屬度計(jì)算函數(shù)，x為根據(jù)指標(biāo)值對(duì)不同評(píng)價(jià)等級(jí)的貢獻(xiàn)度給出的分值。表6為陰極保護(hù)對(duì)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的隸屬度子集表。

表6　陰極保護(hù)對(duì)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的隸屬度子集表

（5）一級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)：通常各因素權(quán)重不等，需要做模糊矩陣運(yùn)算，B1= A1·R1，其中B1為一級(jí)評(píng)判的結(jié)論向量。

（6）多級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)：多級(jí)綜合評(píng)價(jià)是將上一級(jí)綜合評(píng)價(jià)的結(jié)論向量所組成的矩陣作為本級(jí)評(píng)判的隸屬度模糊矩陣，如式2所示：

則本級(jí)評(píng)價(jià)的結(jié)論向量為：

最終求得目標(biāo)層的評(píng)價(jià)結(jié)論向量，按最大隸屬度原則對(duì)沿海石油儲(chǔ)運(yùn)溢油風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)進(jìn)行評(píng)價(jià)，得出評(píng)價(jià)結(jié)果。

3　風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)由知識(shí)表示與存儲(chǔ)模塊、多級(jí)模糊評(píng)價(jià)模塊和專家系統(tǒng)安全風(fēng)險(xiǎn)分析模塊組成。系統(tǒng)的框架設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3　系統(tǒng)框架圖

使用Visual studio .Net開發(fā)工具，實(shí)現(xiàn)了對(duì)沿海石油儲(chǔ)運(yùn)中各評(píng)估項(xiàng)目的評(píng)估，最終得到評(píng)估結(jié)果，并通過分析給出對(duì)策和建議，如圖4所示。

圖4　評(píng)估系統(tǒng)的頁面截圖

4　評(píng)價(jià)實(shí)例

中石油大連新港廠區(qū)是處于大連開發(fā)區(qū)黃海岸邊的現(xiàn)代化深水油港，是大連7.16溢油事件發(fā)生的港口石油儲(chǔ)運(yùn)基地。課題組通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研和咨詢相關(guān)的專家，得到現(xiàn)階段和7.16溢油前期各評(píng)價(jià)指標(biāo)的屬性值，如表7所示為現(xiàn)在各評(píng)價(jià)指標(biāo)的屬性值。

表7　中石油大連新港評(píng)價(jià)指標(biāo)屬性值表

使用本文的評(píng)估系統(tǒng)對(duì)該港口進(jìn)行評(píng)估，對(duì)于7.16溢油事故發(fā)生前期，綜合評(píng)估的結(jié)果為：該港口發(fā)生溢油的可能性為小，存在安全隱患。2010 年7月16日由于工作人員操作失誤，消防設(shè)施檢修不及時(shí)等原因?qū)е螺斢凸艿辣ǎ灾劣诖罅渴土魅牒Ｖ?，造成了巨大的?jīng)濟(jì)損失和環(huán)境污染。同年10月24日，工作人員在清理103號(hào)罐底的過程中，不慎點(diǎn)燃了罐里的剩油發(fā)生火災(zāi)，由于消防撲救及時(shí)，未造成較大損失。2011年7月16日，中石油大連石化公司廠區(qū)內(nèi)1000萬噸常減壓蒸餾裝置換熱器發(fā)生泄漏并引起大火。2011年8月29日，油品罐區(qū)一個(gè)可存儲(chǔ)數(shù)千噸柴油的罐體發(fā)生火災(zāi)，著火點(diǎn)系連接兩罐體之間管線爆裂引發(fā)。2011 年11月22日，大連的大港集團(tuán)油品碼頭海濱北罐區(qū)31、32號(hào)兩個(gè)十萬噸級(jí)原油罐因雷擊密封圈著火。對(duì)于現(xiàn)階段，綜合評(píng)估的結(jié)果為：該港口發(fā)生溢油的可能性極小，與實(shí)際情況吻合。自2011年以來，為吸取事故教訓(xùn)，該港口加強(qiáng)了港口石油裝卸和儲(chǔ)存過程的安全管理，持續(xù)開展了隱患排查治理工作，提高了重特大事故的應(yīng)對(duì)與處置能力，至今未發(fā)生重大溢油爆炸等事故。

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（本文編輯：袁澤軼）

An intelligent risk assessment system for the oil spill in the coastal oil storage base

YANG Yong-hu1，2，LI Ying1，LIU Bing-xin1，ZHU Xue-yuan1
（1. Navigation College，Dalian Maritime University，Dalian，116026，China；2. Computer Science and Technology Department，Dalian Neusoft Institute of Information，Dalian，116023，China）

Abstract：There is a potential risk during the oil storage，handling and transport in coastal oil storage bases. If an accident occurs，the consequences are enormous. So the oil spill risk assessment is particularly important. The paper analyzes the risk factors，and then establishes the risk evaluation indicator system based on historical data，related specifications and standards，actual research in Dalian New Port. The risk analysis model based on the domain ontology is established by combining the ontology with the risk analysis，and analyzing the possible causes，evolution，preventive measures and recommendations of risks. The multi-level fuzzy evaluation model is applied in the risk evaluation for the oil spill in coastal oil storage bases. Finally，an intelligent evaluation system is developed for implementing some functions such as the management of the risk evaluation index，weight calculation，risk analysis and evaluation，and the evaluation results are gained with giving the countermeasures and suggestions. This paper takes Dalian New Port for example to validate the models and system with good results.

Keywords：multi-level fuzzy evaluation；oil storage and transportation；risk assessment；oil spill；ontology

中圖分類號(hào)：X55

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1001-6932（2016）02-0235-06

Doi：10.11840/j.issn.1001-6392.2016.02.015

收稿日期：2015-03-23；

修訂日期：2015-06-01

基金項(xiàng)目：海洋公益性行業(yè)科研專項(xiàng)（2012418012－02）；遼寧省教育廳一般項(xiàng)目（L2014577）。

作者簡(jiǎn)介：楊勇虎（1977－），男，碩士，副教授，主要從事溢油風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和遙感圖像處理研究。電子郵箱：yangyonghu@neusoft.edu.cn。

通訊作者：李穎，博士，教授。電子郵箱：yldmu@126.com。