改进型鱼骨图和层次分析法在油库火灾爆炸事故分析中的应用*

高建丰 王焱 金卷华 何笑冬 周韶彤

1浙江海洋大学石化与能源工程学院

2临港石油天然气储运技术国家地方联合工程实验室

油库是石油及其副产品（主要是液体化工产品）的存储基地，油库中储藏和周转的原油、汽油、煤油、柴油以及少部分液体化工产品都具有易燃、易爆、易挥发等特点，并且存储的量都是以千吨来计量，大型油库的储油量甚至会达到万吨级[1]。如此条件之下，油库的安全性至关重要。一旦油库发生爆炸事故，必然会引起人员伤亡以及巨大的经济损失。“7·16”大连油库爆炸、“11·22”青岛油库爆炸，以及英国邦斯菲尔德油库火灾爆炸都造成了人员伤亡以及上亿元的财产损失，其中英国邦斯菲尔德事故造成的直接经济损失高达35亿人民币[2]。通过研究英国邦斯菲尔德油库火灾爆炸事故，发现该事故中由于传感器未检测出油量，工作人员也未及时发现进油量超额导致原油泄漏，从而引发火灾爆炸。若引进物联网技术，将整个油库的实时数据都存储到云端进行分析，当油库进油但未显示增加时则会提前预警，可以降低事故发生的可能性。

目前，对于油库爆炸安全评价方面的研究主要是根据典型油库爆炸事故进行分析、总结，提出相应的油库爆炸防护措施，从而减小其发生的可能性。赵利程、高建丰等人研究了模糊层次分析法在油库火灾及爆炸评价中的应用，总结出了石油自身特性对于火灾爆炸事故的重要性[3-7]。张晓伟等人研究了道化学火灾爆炸指数法在某油库安全性评价中的应用，得出了消防设备对于火灾控制的重要性[8-9]。李卫东等人进行了基于故障树分析的油库火灾爆炸研究，提出了预防点火源的安全措施[10-11]。刘华烨等人研究了预先危险性分析法在油库火灾爆炸事故分析中的应用，分析了人为因素对于火灾爆炸的影响[12-15]。上述研究都是从单个方法去分析事故，对于结合定性与定量角度去分析油库火灾爆炸事故的研究较少，考虑到油库爆炸事故的原因具有复杂性、多层次性以及不确定性等一系列特点，将鱼骨图分析法结合层次分析法从定性以及定量两个角度综合分析问题。通过鱼骨图结合实例，从人机环管以及爆炸机理方面，分析出引发油库爆炸事故的主要因素，分层绘制出油库爆炸事故鱼骨图。绘制完成后，将其转换成层次分析法的层次结构模型并用MATLAB计算各个指标对于评估目标的重要程度，确定出主要因素与次要因素的权重，并且数据需要满足二八定律[16]，从而可以针对权重值最大的因素制定预防对策。

1 鱼骨图分析法及其应用

1.1 鱼骨图简介

鱼骨图又名石川图，特点是简洁实用，深入浅出，并且因其形似鱼骨而得名。在使用此方法时，第一步要分析问题，找出影响问题的因素，要求尽可能列出所有原因；第二步绘制鱼骨图，将所要分析的问题绘制为鱼头，指向鱼脊的箭头代表导致问题发生的主要因素，在各个鱼刺上的小箭头则是主要因素的子因素。

改进部分是按照因素对问题的影响程度排列主鱼刺，影响程度越高，则越靠近鱼头部分；影响程度高的因素，鱼骨要做加粗处理，看起来更加直观。通过鱼骨图，决策者可以对整体问题有清晰的把握，了解各个因素的相对重要性，发现产生问题的根本原因。

1.2 鱼骨图在油库爆炸事故中的应用

油库爆炸事故从其发生的机理上可以简要表述为：油气在存储过程中，因其流动、搅拌、沉降、灌注等导致气体达到可燃的浓度，又因油气是处在油罐以及管道等具有固定体积的容器内，当其接触到火花甚至是明火等火源时则会被点燃，产生爆沸现象，长时间会引起罐内的原油燃烧，导致罐壁无法承受压力破裂。作者收集分析了101例油罐火灾起火占比案例[17]，如表1所示。结合油库爆炸的机理、油库安全管理的实际情况以及其他文献的分类标准，从5个主因素和20个子因素来分析油库爆炸事故，鱼骨图如图1所示。

表1 101例油罐火灾起火原因统计Tab.1 101 fire cause statistics of oil tank fire

其中，石油自身特性是发生火灾的本质因素，因此作为单独的主因素来考虑，这一部分无法控制，但可以通过其他方式减少其发生的可能性。环境因素中，雷电也属于自然灾害，但是通过表1的案例统计发现雷电对火灾的影响较大，因此单独列为一个子因素。油库内的杂草等易燃物也是一些国内油库管理容易忽视的部分，需要重视。点火源中的静电是需要重点研究的方面，可以通过规范的操作和工艺减少其产生的概率。在英国邦斯菲尔德油库爆炸事件中，设备因素占了较大的成分，系统因为部分传感器未正常工作而无法正常运行。国内很多油库的系统相较于国外要落后一些，因此积极地使用物联网技术改进系统是油库需要考虑的一个方面。最后，人为因素是最靠近油库爆炸的“鱼骨”，也是影响最大的因子，大部分的火灾爆炸都可以通过人为操作避免其发生。

图1 油库火灾爆炸事故鱼骨图Fig.1 Fishbone diagram of oil depot fire and explosion accident

2 层次分析法及其应用

2.1 建立层次结构模型

层次分析法（简称AHP）是一种层次权重决策分析方法，优点是系统化分析，简洁实用，结果容易为决策者所了解掌握。根据所绘制的油库爆炸事故的鱼骨图，结合层次结构模型，其原理都是定性分析，因此可以将鱼骨图转化为层次结构模型，如图2所示。整个系统分为三层，最高层（A层）为油库爆炸事故，中间层（B层）为5个主因素，最底层（C层）为5个主因素下面的子因素。

图2 油库火灾爆炸事故的层次结构模型Fig.2 Hierarchical structure model of oil depot fire and explosion accidents

2.2 油库爆炸事故层次单排序的计算

通过收集油库爆炸事故的实际数据以及专家意见，将中间层（B层）的5个因素结合表2中的1～9标度进行两两对比，若环境因素（B1）比设备因素（B2）稍微重要，则取标度值3来表示。

表2 1～9标度Tab.2 1-9 scale

通过表2中1～9标度表把中间层（B层）各因素之间的关系用数字化表示，构造出判断矩阵，如表3所示。根据表3中的数据可以得出，λmax=5.301， CI=0.075 2， CR=0.067＜0.1，矩阵满足一致性检验，其中λmax是矩阵的最大特征值；CI为一致性指标，当CI=0时是完全的一致性，CI接近于0时是满意的一致性，当CI越大，一致性越差；CR为随机一致性比率，当CR＜0.1时，则可以判断出矩阵通过了一致性检验。

表3 中间层判断矩阵及权重结果Tab.3 Middle level judgement matrix and weight result

分析表3数据可知，人为因素是火灾爆炸事故的主要因素，设备因素次之，两者的权重值相加高达0.742。从而可以得出，油库爆炸事故主要与人员和设备有关，油库部门应该加强人员的安全意识教育并且提高工作人员的技术水平和素质。管理层需要合理地制定规章制度并严格实施，定期检查设备状态，减少设备失效的概率。油库也应该积极引进物联网技术，运用大数据处理，提前预知危险，降低油库系统发生故障的可能性，从而将爆炸事故发生的概率尽可能减少为零。

2.3 油库爆炸事故层次总排序的计算

求取事故综合权重的方法可以分为两步：第一步是使用MATLAB计算出最底层（C层）对于中间层（B层）的单层权重；第二步将单层权重与上一级单层权重相乘，其中上一级单层权重为中间层（B层）对于最高层（A层）的权重，两者乘积所得数据为综合权重。并且矩阵需要通过一致性检验，所得数据才是有效数据。层次总排序的计算结果如表4～表8所示，表9为最底层判断矩阵一致性检验。

表4 环境因素B1的最底层判断矩阵及综合权重Tab.3 Lowest level judgement matrix and comprehensive weight of environment factorB1

表5 设备因素B2的最底层判断矩阵及综合权重Tab.5 Lowest level judgement matrix and comprehensive weight of equipment factorB2

表6 人为因素B3的最底层判断矩阵及综合权重Tab.6 Lowest level judgement matrix and comprehensive weight of human factorB3

表7 石油特性B4的最底层判断矩阵及综合权重Tab.7 Lowest level judgement matrix and comprehensive weight of petroleum characteristic factorB4

表8 火源B5的最底层判断矩阵及综合权重Tab.8 Lowest level judgement matrix and comprehensive weight of fire resource factorB5

表9 最底层判断矩阵一致性检验Tab.9 Lowest level judgment matrix consistency test

通过分析表4～表9的数据可以得知，管理不当(C10)、业务技能水平不足(C11)的综合权重都超过了0.1，其中管理不当的综合权重甚至达到了0.284，这是需要重点关注的部分。油库需要建立严谨科学的规章制度，加强管理，也可以与高校合作，让技术人员及时掌握最新的技术。对于技术要求高的岗位，可以招聘高知识水平的工作人员。设备老旧(C8)以及安全意识匮乏(C12)的综合权重都接近于0.1，这两个部分也需要投入足够的关注。设备老旧(C8)问题部分是国外技术封锁的原因，但是此问题的权重如此之大，主要还是因为较大部分油库的设施落后，管理层不愿意花费大量时间和高额成本来采用先进材料、加固设备、提高设备精度与稳定性。安全意识匮乏(C12)权重高，也是体现了人在安全事故中的重要性[18]。表1中的101例油库火灾超过半数以上的事件都是与人的安全意识匮乏有关，因此管理层需要定期为员工宣讲安全知识，提高员工的安全意识。

油库静电(C18)和人体静电(C19)的综合权重分别为0.041和0.07，静电因素一直以来都是困扰油库安全的一个重要因素，应采取有效方法减少静电危害。例如：油库加装接地设备，工作人员穿着防静电服上岗，油品中加入防静电溶剂等[19]，对于已发现可能造成危险的因素需要及时防范。气候潮湿腐蚀设备(C4)、设备被干扰失灵(C6)、消防设备不全(C7)、易燃易爆(C15)4个因素的综合权重介于0.02～0.035之间，其中有3个因素都与设备有关，因此定期检修设备是保障油库安全的基础，做到防患于未然。

3 结论

通过鱼骨图与层次分析法在油库火灾爆炸分析中的应用得到以下结论：

（1）定性分析过程中，使用鱼骨图分析法将油库火灾爆炸原因中复杂的因素，从人机环管与爆炸机理两方面综合考虑，归结为5个主因素和20个子因素，简洁直观。

（2）定量分析过程中，通过将鱼骨图转化为层次机构模型，使用MATLAB软件计算各个因素的权重，能够高效、客观地发现主要因素中的人为因素与设备因素对于预防油库火灾爆炸的重要性最高，子因素中的管理不当(C10)、业务技能水平不足(C11)、设备老旧(C8)、安全意识匮乏(C12)、油库静电(C18)综合权重之和高达0.634，需要有针对性地制定相关措施去预防。其中影响最大因素管理不当(C10)的综合权重为0.284，与非重要因素相比，基本符合二八定律，成果在实际油库中也有应用的价值。

（3）分析油库火灾爆炸事故的过程中，将鱼骨图与层次分析法结合，既可从定性与定量的角度分析问题，又可以直观、科学地获得结果，此方法值得在其他领域继续推广。