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鱼骨图和风险矩阵分析法及其在天然气球罐安全评价中的应用
摘要：天然气球罐泄漏会导致严重的火灾和爆炸事故，造成巨大的经济损失和对社会安全构成巨大威胁。结合改进的鱼骨图和风险矩阵模型，我们研究了一个全面的风险评估方法。定量计算发生概率：首先，我们建立了一个鱼骨图模型来分析所有的球形储罐泄漏事件的原因。然后利用熵层次分析法对这些专家的能力进行权重分配，利用模糊数学理论将语言描述转化为模糊概率值，最后，利用故障树模型计算合成事件的发生概率。定量计算后果概率：从人员伤亡、经济损失和环境损害等方面考虑泄漏事故造成的总损失，并结合发生概率定量计算事故损失。在对经典风险矩阵进行修正后，在考虑发生概率和严重度的情况下，对球罐泄漏水平进行了分析。同时，我们提出了专门针对原因事故的措施，这些措施具有更大的发生概率用以消除或降低后果的风险。
关键词：鱼骨图；改良风险矩阵；模糊数学理论；综合风险评价；天然气球罐
1 介绍
随着清洁能源越来越受到人们的青睐，天然气及其附属气体使用越来越频繁，同时也存在着潜在的风险。易燃和易爆是两个最危险的性质。甲烷是天然气的主要成分，是易燃和爆炸性气体中的一种。球罐在天然气工业中发挥着重要的作用。这是天然气的三种储存方式：加压状态下的气态储存(20.7-24.8 MPa)、常压冷却(162oC)和固体水合物形式(Ge，2003)。前两种形式的天然气称为压缩天然气(CNG)和液化天然气( LNG)。我国常用的储气形式是气、液两种，而天然气则以气的形式储存在球罐内。随着储罐运行时间的延长，储罐内气体的连续蒸发将增加储罐的压力，球面设计不仅需要一定的承载能力，同时是具有良好的隔热性能(王小明等,2011)。
本文的研究对象是球罐天然气气体形式，具有开发量和泄漏危险性很大。一旦运作业出现泄漏，火灾和爆炸就很难避免。因此，应加强天然气球罐的安全管理，防止火灾和爆炸事故的发生。提高安全，延长安全使用寿命，对天然气的储存和国民经济的稳定发展具有重要意义。近年来，天然气球罐火灾和爆炸事故的发生，造成了重大人员伤亡和经济损失。为了将球罐的风险保持在可接受的水平，需要对球罐进行全面的风险评估。风险评估分为定性评价和定量评价两种，都具有优势。在储罐风险定量评价过程中于米特·科尔克马兹(于米特·科尔克马兹等，2011)也进行了地震风险性能评价。通过建立固体和浓缩质量弹簧的模型，对罐体结构的地震反应数据进行了分析，然后在历史数据和脆弱性分析的基础上，得出储罐地震危险性的概率值。史磊(史磊等，2014)运用改进的层次分析法和模糊集理论，对储罐火灾和爆炸事故进行了故障树分析，建立了模糊故障树，定量计算了油罐泄露导致火灾和爆炸事故发生的概率，为了真实地预测液化天然气储罐的瞬态压力变化，在动态过程模拟中，利用蒙特卡罗方法实现了基于风险信息的储罐压力设计。他们克服了由于模拟过程受到随机因素的影响难以获得准确的压力预测数据的缺点。汉斯·帕斯曼和威廉·罗杰斯(帕斯曼和罗杰斯，2012)使用贝叶斯网络模型进行定量风险分析，建立了成本比蒙特卡罗方法更好的支持决策系统，并对天然气的压缩液化过程进行了风险评价和比较。王大庆(王大庆等，2013)将模糊集与故障树相结合，对油罐发生火灾和爆炸的风险进行了定量评价。我们可以通过定量计算确定导致储罐破裂和爆炸的最易受影响的因素，然后提出控制措施，以降低储罐事故的风险，提高运营效率。EiSooKim和Seung-kyumChoi(Kim和Choi，2013)研究了CNG罐体失效的组织断裂金相和材料性能。通过有限网元分析，得出了天然气储罐失效的主要原因。并且提出了相应的防治措施，马汀先生和Schleder，Am(Martins等人，2014)提出了一种基于混合贝叶斯网络的六种迭代风险分析方法，该方法利用贝叶斯网络和储罐历史数据，通过连续变量建模计算概率值。该方法对于解决现有的风险事件概率中缺乏或不存在的数据是非常有用的。郭（郭等，2015)用TNT等效法计算了天然气储气罐蒸汽云探测的冲击波超压。运用人的脆弱性模型计算死亡概率，得到天然气储罐的个人风险模型，确定了储气罐的安全指标，为制定安全规划和保护措施提供科学合理的依据。严家伟和宋文华(严家伟等., 2011)介绍了某加油站的基本情况，并采用陶氏化学指数评价法对加油站内球罐进行了定量风险评价。为了有效地减少事故的损失，对储罐安全采取了安全措施。对于操作人员来说，这是对整个油罐风险状况更全面了解的参考。有利于天然气储罐区的规划、管理和事故预防。姚(姚，2014)学会了使用阳离子软件并对对天然气储罐进行事故模拟。采用泄漏扩散模型、池火模型和爆炸模型对模型进行了模拟。研究结果表明，不同事故的火灾损伤范围和范围可以为事故救援和防灾减灾提供理论依据。
定性风险和定量风险没有全面整合，研究方法相对传统、片面。传统的风险矩阵(RM)是从风险发生的概率和严重程度来度量的，而风险矩阵的粗糙性也导致了企业的经营绩效不佳。规定的低、中、高风险等级不能满足公司对天然气球罐诸多危险因素的管理和管理。鱼骨图分析可以将复杂系统组织起来，定性地分析风险产生的原因。但它不能实现对风险的定量评估。故障树分析本身存在的问题是，基本事件概率是用函数精确量化，且结果不准确。因此，可以考虑将FD、模糊数学和改进的RM相结合，弥补三者的不足，实现综合定量的风险评价。这不仅是为了实现对深层次原因和后果风险的定量描述、事故树的发生概率以及RM的再处理，而且还可以降低主观性，提高风险评估的准确性。
2 材料和方法
2.1 技术路线图
为了对天然气球罐进行定量风险评估，提出了一种FD与RM相结合的定量风险评价方法。实现定量结论模型，尽可能减少主观性。定量评价包括基本事件的概率排序、导致油罐泄漏、火灾和爆炸以及事故发生的严重程度。同时，根据风险模型给出了球罐的风险等级。本研究的目的是建立一种综合的方法来识别和评估事故的风险和严重程度。文章的第二部分描述了评价的过程和方法。该过程包括四个步骤：FD模型的建立、模糊概率计算、事故后果分析和RM分析。第三部分提出了天然气球罐风险分析与后果评价的方法。第四部分是对评价结果的讨论和分析，给出了该方法的技术路线图1.
2.2 FD模型的构建
2.2.1FD
FD又称为因果分析和分支图分析。日本管理大师石川浩郎(KaoruIshikawa)发明了它，是为了找出问题的根源。它指出了一个问题与其根本原因之间的关系，即在定性分析中经常使用的表达和因果分析的定性分析工具(罗等，2007；Xing，2004)。通过逐步深入分析其在影响因素中的作用，可以将复杂的事故原因系统化。在开始进行分析时，我们首先对影响安全性的因素进行了分析，然后从大原因到中原因、小原因和少原因出发，对主要原因进行了检测和确定（邓等，2013)。从无花果中你可以看到。箭头表示小原因、中间原因、主要原因以及它们与某一特定结果之间的关系。它之所以被称为FD，是因为它的分析画出了一幅完整的带刺鱼骨的图片。鱼骨需要一步一步地分析，根据逻辑绘制。我们可以通过以下步骤得到它：
确定要分析的事故或问题，然后用简明准确的语言描述，将事故或问题视为“结果”，并将其放在FD的右侧，然后用箭头指向右侧画出骨架；
确定事故的主要原因，如安全管理、人员操作、设计与建设、环境等，并将其作为鱼骨的主要依据；
（3）深入挖掘上述项目，用中间小腿指示相应项目造成事故的原因，其中一个原因对应于一个小腿，并在胫骨附近进行文字描述；
（4）扩大上述原因的层次性，直至其无法分割；
（5）通过对各种问题因素的综合分类，我们可以逐个地沿着主要原因中的骨架、中间原因和小原因进行分支，然后用简洁、准确的语言来描述每个原因的名称，并用箭头表示因子的值，将它们放在合适的位置。
2.2.2.故障树分析
故障树分析是一种演绎分析。它是安全工程中一种重要的分析方法。它从一个可能开始，逐步寻找事故的触发事件，既有直接原因，也有间接原因。 然后，我们可以分析这些事件之间的逻辑关系，并绘制一棵逻辑树来表示这些关系(王，2009)。从上到下逐步建立故障树，并根据事件进行联系，它采用图形化的“模型”路径方式，系统可以通过图形化的“模型”路径来失效可预测和不可预测的故障事件。这些事件和路径交集处的状态被表示为标准的逻辑信号“和”或“或”。在故障树中，最基本的构造块是门和事件。故障树分析的特点（ 等人，2012）：
（1）既可以发现事故的直接原因，也可以揭示事故的根本原因，总结导致事故的情况；
（2）它具有较高的逻辑性和fl的实用性，应用范围广，既考虑了环境因素，又考虑了人员的失误，不仅可以用来分析事故发生，而且可以用来预测事故发生的可能性；
（3）它可以定性地分析事故的直接原因，还可以分析复杂的系统，定量地预测事故发生的可能性；
（4）无论人们是否有较高的教育水平，都可以使用它；
本文将FD和故障树相结合，对天然气球罐泄漏及其后果进行了综合分析，为以后的分析奠定了基础。
2.3.模糊概率的计算
在1965，L.A.Zadeh发表了一篇关于模糊集的文章，并提出了“模糊集理论”.其基本思想是用某种程度的归属感代替“归属”和“不属于”，并描述差异之间的过渡。模糊数是模糊化的近似，模糊数是模糊信息的处理工具，由于概率是[0，1]之间的实数，所以这些模糊数的区域是[0，1]。在计算结果事件的概率时，需要基本事件的失效概率。获得详细的统计概率数据来自鱼骨图。对于基本事件，我们采用模糊逻辑系统来描述失效概率，首先得到风险事件发生概率的本质语言，然后将其转化为模糊数，最后我们可以用模糊数来计算失效概率。
来自不同领域的专家根据经验用自然语言描述事件基础。自然语言通常包括“非常低”、“低”、“相对低”、“中等”、“相对高”、“高”、“非常高”等。 我们可以记录VL、L、RL、M、RH、H和VH。 考虑到专家之间的差异和主观性，我们需要许多专家的评分。 这些专家的能力将通过熵层次分析法(AHP)分配权重。 为了将自然语言转换为数学语言，它需要基于模糊数的模糊语言和模糊推理(Yang等人，2011)。 模糊关系函数用于给出模糊数。模糊函数有很多，如三角模、梯形模糊数、正规模糊数等，本文选用梯形函数来描述专家语言与模糊函数之间的映射关系，方程(1)给出了关系函数和图形的对应表达式，下标表示7个不同层次的语言描述。
本文采用德尔菲法咨询了三位油气储运专家的意见，不同的专家对一个基本事件有不同的感受，因此有必要对不同的观点进行整合，积分结果可以从以下方程中得到(Wang等人，2013)：Pi是事件I的积分模糊数；Wj是专家j的权重；pij是专家j给事件i的模糊数；n是事件的数量；m是专家数。
将模糊数向失效概率的转换分为模糊数向模糊概率的转换和模糊概率向失效概率的转换两部分，将模糊数转化为模糊概率的最优方法是最大和最小集方法(Chen和Hwang，1991)，本文采用了最大-最小集成排序和最大-最小模糊集：右和左有效分数的对应表达式：
FMR和FML是模糊数lsquo;左右有效分数，方程(5)和(6)中的符号“sup”表示frsquo;和fmax(fmin)右(左)相交的纵坐标，由此可以将鱼骨模糊概率定义为方程(7)：
在计算模糊概率得分后，根据经验方程(Onisawa，1988，1990)求出失效概率，将专家语言看作模糊数，或者用相应的逻辑集计算，从而将自然语言转化为概率。
2.4。计算结果
天然气储罐发生火灾和爆炸的后果一般可以考虑从人员伤亡、经济损失和环境损害。事故发生时，会对设备造成损坏，不仅是储罐和邻近管道，甚至其他设备也会被破坏，如设备报废、无计划停机、停工等，造成直接经济损失和间接经济损失巨大，企业因此会负债或面临破产。环境破坏主要与污染的水、土壤和大气、爆炸产生的有毒气体有关。造成局部持续污染的空气，会沿空气扩散到各处。环境污染是公众关注的焦点，事故发生的顺序可能有其他方面，如犯罪企业、销售骤降等。本文从三个主要方面对事故后果进行了分析，指出在表1中的后果评估中应考虑基本因素。事故后果的总损失可以参照表2(Weng，2004)计算，可以将计算公式作为方程(9)。 C是事故的总损失；i是事故的后果；pi是后果i的概率；Hi是由后果i造的伤亡损失；MI是由后果i造成的经济损失；Ei是由后果i造成的环境损失。
2.5.修正RM
RM方法是一种确定项目风险在项目管理中的重要性的结构化方法，它是由美国空军电子系统中心采购项目组于1995提出的一种简单的项目风险评价方法，它是一种定量和定量分析相结合的简单操作方法(陈，2008；楚，2003)。传统的RM风险水平是由风险概率和后果严重程度的组合决定的，确定RM只需要两个输入变量，风险指数的值完全取决于发生概率和后果的严重程度。将风险等级划分为不同的等级，它对应于各自的定性描述和价值范围。在传统的风险量表中，风险水平的概率和潜在后果的风险为5级，但基于此，风险水平只有“高、中、低”三个层次，关于的风险等级和后果的潜在风险水平，风险等级的划分显然
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