改進型魚骨圖和層次分析法在油庫火災爆炸事故分析中的應用*

高建豐 王焱 金卷華 何笑冬 周韶彤

1浙江海洋大學石化與能源工程學院

2臨港石油天然氣儲運技術國家地方聯合工程實驗室

油庫是石油及其副產品（主要是液體化工產品）的存儲基地，油庫中儲藏和周轉的原油、汽油、煤油、柴油以及少部分液體化工產品都具有易燃、易爆、易揮發等特點，并且存儲的量都是以千噸來計量，大型油庫的儲油量甚至會達到萬噸級[1]。如此條件之下，油庫的安全性至關重要。一旦油庫發生爆炸事故，必然會引起人員傷亡以及巨大的經濟損失。“7·16”大連油庫爆炸、“11·22”青島油庫爆炸，以及英國邦斯菲爾德油庫火災爆炸都造成了人員傷亡以及上億元的財產損失，其中英國邦斯菲爾德事故造成的直接經濟損失高達35億人民幣[2]。通過研究英國邦斯菲爾德油庫火災爆炸事故，發現該事故中由于傳感器未檢測出油量，工作人員也未及時發現進油量超額導致原油泄漏，從而引發火災爆炸。若引進物聯網技術，將整個油庫的實時數據都存儲到云端進行分析，當油庫進油但未顯示增加時則會提前預警，可以降低事故發生的可能性。

目前，對于油庫爆炸安全評價方面的研究主要是根據典型油庫爆炸事故進行分析、總結，提出相應的油庫爆炸防護措施，從而減小其發生的可能性。趙利程、高建豐等人研究了模糊層次分析法在油庫火災及爆炸評價中的應用，總結出了石油自身特性對于火災爆炸事故的重要性[3-7]。張曉偉等人研究了道化學火災爆炸指數法在某油庫安全性評價中的應用，得出了消防設備對于火災控制的重要性[8-9]。李衛東等人進行了基于故障樹分析的油庫火災爆炸研究，提出了預防點火源的安全措施[10-11]。劉華燁等人研究了預先危險性分析法在油庫火災爆炸事故分析中的應用，分析了人為因素對于火災爆炸的影響[12-15]。上述研究都是從單個方法去分析事故，對于結合定性與定量角度去分析油庫火災爆炸事故的研究較少，考慮到油庫爆炸事故的原因具有復雜性、多層次性以及不確定性等一系列特點，將魚骨圖分析法結合層次分析法從定性以及定量兩個角度綜合分析問題。通過魚骨圖結合實例，從人機環管以及爆炸機理方面，分析出引發油庫爆炸事故的主要因素，分層繪制出油庫爆炸事故魚骨圖。繪制完成后，將其轉換成層次分析法的層次結構模型并用MATLAB計算各個指標對于評估目標的重要程度，確定出主要因素與次要因素的權重，并且數據需要滿足二八定律[16]，從而可以針對權重值最大的因素制定預防對策。

1 魚骨圖分析法及其應用

1.1 魚骨圖簡介

魚骨圖又名石川圖，特點是簡潔實用，深入淺出，并且因其形似魚骨而得名。在使用此方法時，第一步要分析問題，找出影響問題的因素，要求盡可能列出所有原因；第二步繪制魚骨圖，將所要分析的問題繪制為魚頭，指向魚脊的箭頭代表導致問題發生的主要因素，在各個魚刺上的小箭頭則是主要因素的子因素。

改進部分是按照因素對問題的影響程度排列主魚刺，影響程度越高，則越靠近魚頭部分；影響程度高的因素，魚骨要做加粗處理，看起來更加直觀。通過魚骨圖，決策者可以對整體問題有清晰的把握，了解各個因素的相對重要性，發現產生問題的根本原因。

1.2 魚骨圖在油庫爆炸事故中的應用

油庫爆炸事故從其發生的機理上可以簡要表述為：油氣在存儲過程中，因其流動、攪拌、沉降、灌注等導致氣體達到可燃的濃度，又因油氣是處在油罐以及管道等具有固定體積的容器內，當其接觸到火花甚至是明火等火源時則會被點燃，產生爆沸現象，長時間會引起罐內的原油燃燒，導致罐壁無法承受壓力破裂。作者收集分析了101例油罐火災起火占比案例[17]，如表1所示。結合油庫爆炸的機理、油庫安全管理的實際情況以及其他文獻的分類標準，從5個主因素和20個子因素來分析油庫爆炸事故，魚骨圖如圖1所示。

表1 101例油罐火災起火原因統計Tab.1 101 fire cause statistics of oil tank fire

其中，石油自身特性是發生火災的本質因素，因此作為單獨的主因素來考慮，這一部分無法控制，但可以通過其他方式減少其發生的可能性。環境因素中，雷電也屬于自然災害，但是通過表1的案例統計發現雷電對火災的影響較大，因此單獨列為一個子因素。油庫內的雜草等易燃物也是一些國內油庫管理容易忽視的部分，需要重視。點火源中的靜電是需要重點研究的方面，可以通過規范的操作和工藝減少其產生的概率。在英國邦斯菲爾德油庫爆炸事件中，設備因素占了較大的成分，系統因為部分傳感器未正常工作而無法正常運行。國內很多油庫的系統相較于國外要落后一些，因此積極地使用物聯網技術改進系統是油庫需要考慮的一個方面。最后，人為因素是最靠近油庫爆炸的“魚骨”，也是影響最大的因子，大部分的火災爆炸都可以通過人為操作避免其發生。

圖1 油庫火災爆炸事故魚骨圖Fig.1 Fishbone diagram of oil depot fire and explosion accident

2 層次分析法及其應用

2.1 建立層次結構模型

層次分析法（簡稱AHP）是一種層次權重決策分析方法，優點是系統化分析，簡潔實用，結果容易為決策者所了解掌握。根據所繪制的油庫爆炸事故的魚骨圖，結合層次結構模型，其原理都是定性分析，因此可以將魚骨圖轉化為層次結構模型，如圖2所示。整個系統分為三層，最高層（A層）為油庫爆炸事故，中間層（B層）為5個主因素，最底層（C層）為5個主因素下面的子因素。

圖2 油庫火災爆炸事故的層次結構模型Fig.2 Hierarchical structure model of oil depot fire and explosion accidents

2.2 油庫爆炸事故層次單排序的計算

通過收集油庫爆炸事故的實際數據以及專家意見，將中間層（B層）的5個因素結合表2中的1～9標度進行兩兩對比，若環境因素（B1）比設備因素（B2）稍微重要，則取標度值3來表示。

表2 1～9標度Tab.2 1-9 scale

通過表2中1～9標度表把中間層（B層）各因素之間的關系用數字化表示，構造出判斷矩陣，如表3所示。根據表3中的數據可以得出，λmax=5.301， CI=0.075 2， CR=0.067＜0.1，矩陣滿足一致性檢驗，其中λmax是矩陣的最大特征值；CI為一致性指標，當CI=0時是完全的一致性，CI接近于0時是滿意的一致性，當CI越大，一致性越差；CR為隨機一致性比率，當CR＜0.1時，則可以判斷出矩陣通過了一致性檢驗。

表3 中間層判斷矩陣及權重結果Tab.3 Middle level judgement matrix and weight result

分析表3數據可知，人為因素是火災爆炸事故的主要因素，設備因素次之，兩者的權重值相加高達0.742。從而可以得出，油庫爆炸事故主要與人員和設備有關，油庫部門應該加強人員的安全意識教育并且提高工作人員的技術水平和素質。管理層需要合理地制定規章制度并嚴格實施，定期檢查設備狀態，減少設備失效的概率。油庫也應該積極引進物聯網技術，運用大數據處理，提前預知危險，降低油庫系統發生故障的可能性，從而將爆炸事故發生的概率盡可能減少為零。

2.3 油庫爆炸事故層次總排序的計算

求取事故綜合權重的方法可以分為兩步：第一步是使用MATLAB計算出最底層（C層）對于中間層（B層）的單層權重；第二步將單層權重與上一級單層權重相乘，其中上一級單層權重為中間層（B層）對于最高層（A層）的權重，兩者乘積所得數據為綜合權重。并且矩陣需要通過一致性檢驗，所得數據才是有效數據。層次總排序的計算結果如表4～表8所示，表9為最底層判斷矩陣一致性檢驗。

表4 環境因素B1的最底層判斷矩陣及綜合權重Tab.3 Lowest level judgement matrix and comprehensive weight of environment factorB1

表5 設備因素B2的最底層判斷矩陣及綜合權重Tab.5 Lowest level judgement matrix and comprehensive weight of equipment factorB2

表6 人為因素B3的最底層判斷矩陣及綜合權重Tab.6 Lowest level judgement matrix and comprehensive weight of human factorB3

表7 石油特性B4的最底層判斷矩陣及綜合權重Tab.7 Lowest level judgement matrix and comprehensive weight of petroleum characteristic factorB4

表8 火源B5的最底層判斷矩陣及綜合權重Tab.8 Lowest level judgement matrix and comprehensive weight of fire resource factorB5

表9 最底層判斷矩陣一致性檢驗Tab.9 Lowest level judgment matrix consistency test

通過分析表4～表9的數據可以得知，管理不當(C10)、業務技能水平不足(C11)的綜合權重都超過了0.1，其中管理不當的綜合權重甚至達到了0.284，這是需要重點關注的部分。油庫需要建立嚴謹科學的規章制度，加強管理，也可以與高校合作，讓技術人員及時掌握最新的技術。對于技術要求高的崗位，可以招聘高知識水平的工作人員。設備老舊(C8)以及安全意識匱乏(C12)的綜合權重都接近于0.1，這兩個部分也需要投入足夠的關注。設備老舊(C8)問題部分是國外技術封鎖的原因，但是此問題的權重如此之大，主要還是因為較大部分油庫的設施落后，管理層不愿意花費大量時間和高額成本來采用先進材料、加固設備、提高設備精度與穩定性。安全意識匱乏(C12)權重高，也是體現了人在安全事故中的重要性[18]。表1中的101例油庫火災超過半數以上的事件都是與人的安全意識匱乏有關，因此管理層需要定期為員工宣講安全知識，提高員工的安全意識。

油庫靜電(C18)和人體靜電(C19)的綜合權重分別為0.041和0.07，靜電因素一直以來都是困擾油庫安全的一個重要因素，應采取有效方法減少靜電危害。例如：油庫加裝接地設備，工作人員穿著防靜電服上崗，油品中加入防靜電溶劑等[19]，對于已發現可能造成危險的因素需要及時防范。氣候潮濕腐蝕設備(C4)、設備被干擾失靈(C6)、消防設備不全(C7)、易燃易爆(C15)4個因素的綜合權重介于0.02～0.035之間，其中有3個因素都與設備有關，因此定期檢修設備是保障油庫安全的基礎，做到防患于未然。

3 結論

通過魚骨圖與層次分析法在油庫火災爆炸分析中的應用得到以下結論：

（1）定性分析過程中，使用魚骨圖分析法將油庫火災爆炸原因中復雜的因素，從人機環管與爆炸機理兩方面綜合考慮，歸結為5個主因素和20個子因素，簡潔直觀。

（2）定量分析過程中，通過將魚骨圖轉化為層次機構模型，使用MATLAB軟件計算各個因素的權重，能夠高效、客觀地發現主要因素中的人為因素與設備因素對于預防油庫火災爆炸的重要性最高，子因素中的管理不當(C10)、業務技能水平不足(C11)、設備老舊(C8)、安全意識匱乏(C12)、油庫靜電(C18)綜合權重之和高達0.634，需要有針對性地制定相關措施去預防。其中影響最大因素管理不當(C10)的綜合權重為0.284，與非重要因素相比，基本符合二八定律，成果在實際油庫中也有應用的價值。

（3）分析油庫火災爆炸事故的過程中，將魚骨圖與層次分析法結合，既可從定性與定量的角度分析問題，又可以直觀、科學地獲得結果，此方法值得在其他領域繼續推廣。