基于集值统计和模糊数学的CNG加气站安全评价

夏 宇　许联锋首都经济贸易大学安全与环境工程学院



基于集值统计和模糊数学的CNG加气站安全评价

夏 宇许联锋
首都经济贸易大学安全与环境工程学院

【摘 要】应用集值统计与模糊综合评价相结合的模型对压缩天然气（CNG）加气站进行安全评价。建立了CNG加气站安全评价指标体系，运用集值统计法确定评价指标的权值，并对得出的权值进行可靠性分析，采用加权平均模型确定CNG加气站安全性总的相对隶属度。将该方法应用于北京市某CNG加气站的安全评价中，计算结果表明：售气系统的可靠性、车载气瓶的质量、对设备的管理情况等是影响CNG加气站安全性的主要因素，并得出了该CNG加气站的安全等级为较安全。

【关键词】集值统计法；模糊综合评价；可靠性分析；压缩天然气加气站

早在2011年底，北京市已建成加气站29座，大部分位于六环以内。由于压缩天然气是一种易燃易爆的气体，并且CNG加气站大多数位于城市人口相对稠密地区。如果发生火灾爆炸事故，其火势蔓延很快、扩散能力极强[1]。国内关于CNG加气站的事故并不少见，例如：2004年2月，河南省郑州市一座天然气加气站发生爆炸事故，并燃起大火，造成1人当场死亡，至少3人受伤，正在加气的一辆公交车和四辆出租车被烧毁，加气站被毁坏；2005年，四川省某加气站发生储气井筒体喷出的重大事故，事故原因为储气井制造质量不合格，储存的CNG气质不符合标准；2006年4月16日，重庆气矿鱼洞CNG加气站内发生爆炸，车主炸伤。由此可见，对城市CNG加气站进行安全评价具有重要意义。

以往对CNG加气站评价采用的方法有灰色关联分析法、故障树分析法、模糊综合评价法等，虽然安全评价的技术与方法种类繁多，但是CNG加气站的评价有其特殊性，其评价指标权重的确定具有模糊性，对权值准确定量地描述往往比较困难，只能给出一个大致的描述范围。为了更加合理地确定评价指标权值，减少由于人为因素而导致的偏差，本文利用集值统计的原理来确定指标权值，结合模糊综合评价法来进行安全评价。

1　CNG加气站安全评价指标体系的建立

根据CNG加气站事故发生的条件，以及对一些事故案例的深入分析，在查阅了相关文献[2-4]及参考前人提出的诸多指标体系后，从人、环境、设备、管理四个方面来构建CNG加气站安全评价指标体系，见表1。

表1　CNG加气站安全评价指标体系U

2　指标权重的确定

CNG加气站安全评价中常用的是专家打分法，但是对于相同的评价体系，不同的加气站所确定的指标权重往往会有很大差异，这主要是由于加气站自身的情况不同，同时还与评价人员自身素质和采用的评价方法有关。在生产实际中，因受客观条件的限制，若每次评价都欲得到一个具体的确定值会有难度，因而不能准确地对评价对象做出合理判断；相反，只给出一个大概的范围却能够更好地描述评价对象，这便是集值统计的思想[5]。为了更合理的确定指标权值，减少人为因素引起的偏差，下面将利用集值统计法来确定各指标的权值。

设某一评价指标体系中评价指标有m个，它所构成的集合为U={u1，u2，…，ur，…，um}。参加权值评判的专家有n个，其集合为P={p1，p2，…，pr，…，pn}。对某一指标ui专家确定的权值区间为：[a1i,bli],[a2i,b2i],…,[ari,bri],…,[ani,bni]。统计各评价指标并给出区间值，见表2。

由如下计算模型得评价指标ui的相对权值：

表2　评价指标权值的估计区间

若在此过程中考虑各个专家的学历、年龄、从事工作情况等因素，设每位专家的自身权值为kr，

则评价指标ui的相对权值为：

按式（3）依次求出ui的相对权值后再将其归一化即可得出ui的权值：

由此可得评价体系中各个评价指标的权值向量：A=｛ω1,ω2，...，ωr，...，ωm｝。

3　指标权重的可靠性分析

对于通过集值统计法得到的权值，还应该对其可靠程度进行分析。权值估计区间越大，说明对该指标的描述越模糊，对其评价的把握性越小；反之，则描述的越精确，对其评价的把握性越大。

本文采用区间方差法来确定权重的可靠性。对于指标ui的权值，笔者以区间方差Fi来表示其可靠程度[6]。定义：

Fi值越大，说明评价的把握程度越小，相对的可靠性越低；Fi值越小，说明评价的把握程度越大，相

对的可靠性越高。对于得出的较大Fi值，需要专家对估计区间进行调整。

4　用二级模糊综合评判确定加气站安全性等级

4.1 模糊评判模型

模糊综合评价的主要步骤有：

（1）建立评价对象的指标集U。根据上述指标体系可得一级指标集U={U1，U2，U3，U4}，一级指标集又由更加基本的二级指标集决定。

（2）建立评语集。本文建立的评语集为C={安全，较安全，一般，较危险，危险}。

（3）判断矩阵R。R是单因素评价的结果，即单因素评价矩阵。模糊综合评价所综合的对象正是R。

（4）综合评价。设因素的权值分配向量为A，则该评价对象的模糊综合评价B=AR。

4.2 安全等级的划分

按照前面已设的评语集C，将CNG加气站的安全等级划分为5类，参考相关文献[7]，建立加气站安全等级论域及取值范围，见表3。

表3　CNG加气站安全等级划分

4.3 确定安全评价结果

结合CNG加气站安全等级划分表，根据专家的意见，取相应的等级参数向量V，向量V中元素对应于表4中取值范围的中间值，则安全评价结果为：

5　应用实例

以北京市某CNG加气站为例，进行应用。

5.1 权重确定

由CNG加气站安全评价指标体系可知，第一层指标有4个，第二层指标20个。为了方便专家确定每个评价指标权值的估计区间，设区间的下限大于0，上限小于30。综合考虑各位专家对现场的评估能力及自身的学历水平，依据式（2）得出每位专家自身的权重为 ：

K={0.250，0.335，0.175，0.125，0.115}，然后计算评价指标的区间估计值，见表4。

表4　评价指标区间估计值

依照式（1）可求出第一层评价指标Ui（i=1，2，3，4）的相对权值为：

A={0.301，0.107，0.381，0.211}。同理，求得第二层的权重结果为：

A1={0.190，0.196，0.218，0.202，0.194}；

A2={0.283，0.192，0.170，0.164，0.191}；

A3={0.461，0.210，0.149，0.072，0.108}；

A4={0.228，0.402，0.153，0.112，0.105}。

依照式（5）求得各评价指标Ui(i=1，2，3，4)的区间方差：

Fi={97.510，18.309，169.023，63.943}

从得出地结果发现F1，F2，F4值较小，说明相应的指标权值可靠性相对较高。F3值较大，说明相应的指标权值可靠性相对较低。这说明各专家对设备因素这项指标的认知程度存在差异，其权重可靠性相比其他几项要低。

5.2 模糊评价计算

经5位从事现场工作专家评判，得到一级指标的评判矩阵如下：

第二层指标的权重分配已知。可得：

对人员因素的评价为：B1=A1R1={0.1572，0.4452，0.2816，0.1160，0}

对环境因素的评价为：B2=A2R2={0.1618，0.3154，0.3450，0.1578，0}

对设备因素的评价为：B3=A3R3={0.2800，0.3486，0.2780，0.0514，0.0420}

对管理因素的评价为：B4=A4R4={0.1334，0.3320，0.1904，0.2986，0.0456}

由上述一级指标的评价结果可以得到CNG加气站总体的评判矩阵

R= {B1，B2，B3，B4}T

而由U1，U2，U3和U4各自的权重构成的集合为A。通过计算得到总体的评价结果：

B=AR={0.1995，0.3706，0.2678，0.134 4，0.0256}

5.3 总得分确定及安全等级确定

根据上述内容，取相应的等级参数向量为V={95.5，75.5，50.5，25.5，5.5}T，依照式（6）得到等级参数评价结果为：

I=BV=64.12445

由F的值，对照表3判定该加气站的安全状况为较安全。

6　结论

采用集值统计法确定的CNG加气站影响因素权重与传统的层次分析法相比更加准确和高效，便于计算，并且避免了矩阵的一致性检验，有益于实际应用。通过得到的CNG加气站指标权重可以看出，在一级影响因素中，设备因素是影响CNG加气站安全性的主要影响因素，二级影响因素中，售气系统的可靠性、车载气瓶的质量、设备的管理情况等是影响CNG加气站安全性的主要因素，虽然该加气站的最终评定等级为“较安全”，但是在其日常管理中仍需要对这几个方面给予足够的重视。可以通过给加气软管管路设置安全拉断阀，进气管管道上设置防撞事故自动截断阀等来提高售气系统的安全性；对在站加气的司机进行安全教育，保证加气车辆车载气瓶的材质符合有关标准，并且未超过使用年限；设备的管理方面应设置严格的规章制度，特别是对阀门和安全附件的管理上要保证其稳定可靠性。

CNG加气站的安全评价是一个复杂的过程，采用定性分析的方法得到的结论往往不够直观，而采用基于模糊综合评价和集值统计法的安全评价模型，可以将定性的问题以及人们的某些主观判断用定量的形式表达出来，使得到的评价结果更加客观和科学，可为改进加气站的安全状况和指导加气站的安全生产提供参考。

参考文献

[1] 刘海燕.天然气加气站安全评价[D].四川:西南石油大学, 2007

[2] 陈杰,李求进,吴宗之.100起CNG加气站事故的统计分析及对策研究[J].中国安全生产科学技术,2009,5(1):71-75

[3] 杨晓欣.CNG加气站储气罐安全评价方法研究[D].新疆:新疆大学,2012

[4] 伊燕莉.CNG加气站安全评价技术研究及软件开发[D].四川:西华大学,2006

[5] 贾进章,董晓雷.基于模糊综合评价—集值统计法的煤矿外因火灾危险性分析[J].安全与环境学报,2015,15(2):11-14

[6] 王志亮,吴兵,邢书人,等.模糊集值统计法在煤矿安全评价指标权值中的应用[J].中国安全科学学报,2004,14(1):71-73

[7] 刘业娇,曹庆贵,林晓飞.煤矿内因火灾事故的2级模糊综合评判[J].安全与环境学报,2006,6(S1):156-158