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1、第 1 6 卷 第 6 期2 0 0 6 年 6 月中国安全科学学报ChinaSafetyScienceJournalVol .1 6 No .6Jun .2 0 0 6 基于突变理论的油库火灾爆炸分析与:兰壑苋僖1讲师黎忠文2教授牛会永1(1 湖南科技大学能源与安全工程学院, 湘潭 411201 2 深圳市地铁有限公司质安部, 深圳 518026)学科分类与代码:620 .30中图分类号:X932文献标识码:A【摘要】 通过对目前油库常用评价方法的分析, 这些方法存在的缺点主要是评价中参数值的选取、各评价指标权重的确定以及评价因素重要性的确定等问题 , 因易受到参评人员主观的影响,
2、而导致评价难以获得客观结果。笔者提出了基于突变理论的:兰鄯椒。介绍了突变理论的基本原理;建立油库火灾爆炸尖点突变模型, 并对油库火灾爆炸现象进行突变分析;重点研究基于突变理论的油库:兰鄣幕舅枷牒头椒, 通过对评价目标进行多层次分解, 根据突变论归一公式进行量化递归运算, 分别计算出不同时期油库安全总突变隶属函数值, 从而实现对油库安全状态的:治鲇肫琅。该方法的优点就在于各指标的重要性及其量化是根据突变论中归一公式本身的内在机理决定的, 既避免了评价指标权重的确定问题, 又减少了评价人员主观因素的影响。因而, 评价结果客观、准确。示例表明 , 该方法是合理可行的。【关键
3、词】 突变理论; 油库; 火灾爆炸; :; 动态评价Analysis of Fire and Explosion and Fuzzy Dynamic Safety Assessment for Oil Depot Based on Mutation TheoryZHOU Rong-yi1 , LecturerLI Zhong-wen2 , Prof. NIU Hui-yong1(1 School of Energy &Safety Engineering , Hunan University of Science &Technology , Xiangtan 41 201,China 2 D
4、epartment of Quality &Safety , Shenzhen Metro Co ., Ltd , Shenzhen 518026 , China)Abstract : Through the analysis of current safety assessment methods for oil depot , it is found that the main defects exist in the choice of parameter values in as essment , in determination of weight of assessment in
5、dexes and in determination of importance of as essment factors .The above-mentioned parameters are easily and sub- jectively influenced by personnel involved in asses ment , thus making the as essment is hard to obtain objective consequence .A new fuzzy dynamic as essment based on mutation theory is
6、 proposed .Mutation theory is intro- duced ;then a mutation model of needlepoint for fire &explosion is established , by which the phenomenon of fire &explosion is explained .Fuzzy dynamic safety asses ment for oil depot based on the mutation theory is em- phatically studied by decomposing as essmen
7、t target into multi-stages and doing recursion operation according to some formula to calculate safety general mutating subjection function values for oil depot of different periods . Fuzzy dynamic safety as essment for oil depot is realized .The advantages of this method are that the method avoids
8、the quantification of assessing indexes and the choice of parameter values , so the as essed result is objec- tive and accurate .Exemplified example shows that the method is rationally feasible .Key words : mutation theory ; oil depot ; fire and explosion ; fuzzy ; dynamic assessment文章编号:1003 -3033(
9、2006)06 -0097 -05 ; 收稿日期:2005 -11-26 ; 修稿日期:2006 -04 -22中 国 安 全 科 学 学 报第1 6卷 98 ChinaSafetyScienceJournal200 6年引言油库火灾爆炸是一种严重的意外灾害事故, 目前对油库进行分析与评价的主要方法有美国道化学 公司DOW 法 、英国帝国化学公司 MOND 法、层次分析法 、:琅蟹、因子分析法等。该类方法虽各有特点, 从不同的思路对油库火灾爆炸问题进行分析与评价, 但其均存在一些缺陷。如DOW 法和MOND 法, 由于参数取值域较大, 因此, 选取的数值随评价人员主观因素不同而有较大的差别
10、 1 , 从而对评价的结果产生较大影响, 容易出现因人而异的状况;层次分析法和:兰鄯, 在确定权重时常常通过专家评分法或者两两比较的方式确定层次中诸因素的 相对重要性, 过分地依赖调查对象的主观感觉, 对客观分析处理不足, 因此, 对权重的科学确定问题难以正确解决, 也存在一个主观因素影响的问题;而因子分析法, 计算较繁, 且要求样本数较大, 一般大于变量个数 2 , 因此, 在应用上受到局限。笔者基于突变理论, 并在结合:У幕∩, 建立了突变模型:兰鄯, 以解决上述评价方法的不足。该方法根据评价的目标, 通过系统的内在作用机理, 首先将评价目标进行多层次分解, 建立系统安
11、全评价的多层指标体系 ;然后利用突变理论同:嘟岷喜耐槐淠:ナ艉,统的势函数将系统的临界点分类, 研究分类临界点附近状态变化的特征, 从而归纳出若干个初等突变模型, 并以此为基础探索自然和社会中的突变现象。对于突变模型(系统)的热函数 f (x), 它的所有临界点集合成一平衡曲面。通过对 f (x)求一阶导数, 并令 f(x)=0 , 即可得到该平衡曲面方程。该平衡曲面的奇点集可以通过二阶导数 f(x)=0 求得。由 f(x)=0 和 f(x)=0 可得到由状态变量表示的反映状态变量与各控制变量之间关系的分解形 式的分歧方程。通过分解形式的分歧方程可导出归一公式, 该公式将系统内
12、部各控制变量不同的质态归化为可比 较的同一种质态, 它是利用突变理论进行综合分析评判的基本运算公式。利用归一公式, 对系统进行量化递归运算, 可求出表征系统状态特征的系统总突变隶属函数值。利用突变理论进行:酆掀兰凼, 常用的3 种突变模型的归一公式如下 3 , 其中 x 为状态变量, a 、b 、c 、d 为控制变量。尖点突变模型归一公式:xa =a1/ 2xb =b1/ 3燕尾突变模型归一公式:xa =a1/ 2xb =b1/ 3xc =c1/ 4cdab蝴蝶突变模型归一公式:根据突变模型的归一公式进行综合量化递归运算;x =a1/ 2x=b1/ 3x=c1/ 4x=d1/ 5最后归一为
13、一个参数值, 即系统安全总突变隶属函数值, 通过计算出不同时期的安全总突变隶属函数值, 分析其变化规律, 从而实现对系统的动态:酆掀琅。该方法的优点就在于避免了对指标采用权重, 但考虑了各评价指标的相对重要性, 对各指标重要性的确定与量化是根据各指标在归一公式本身中的 内在作用机理决定的, 从而减少主观性又不失科学性和合理性;同时, 该方法不仅计算简便, 而且由于没有牵涉到参数值的选取问题, 故减少了评价人员主观因素的影响, 所以评价结果客观、准确, 避免了造成因人而异的评价结果的弊端。突变理论原理突变理论是由法国数学家雷内托姆(Rene Thom)在20 世纪 60 年代创立的一门研究突
14、变现象的新兴学科, 它是关于系统状态变量的特征对控制变量的依从关系的数学理论。其基本特点是根据一个系油库火灾爆炸的突变分析可燃性气体或液体蒸气发生燃烧与爆炸的充分条件是 :可燃气体或蒸气浓度在燃烧爆炸极限内 ;具有一定的含氧量;存在超过最小点火能量的着火源; 并且它们发生了相互作用 4 。由于油库中的油泄漏后蒸发进入空气中, 空气中始终具有一定的含氧量。因此, 油库的火灾爆炸原因, 可以归结为两个方面的因素:其一是泄漏后的浓度, 其二是存在着火源, 若将浓度 u 和着火源v 作为两个控制参数, 以 x 表示油库的火灾爆炸安全状态参数, 则油库的火灾爆炸安全状态参数 x 是由这两个控制参数综合作
15、用的结果。图 1 即为火灾爆炸原因分析尖点突变模型的突变流形曲面与分歧点集, 其中, 曲面是由 f(x)=0组成, 流形投射到平面上的部分为其分歧, 由 f(x)=0 和 f(x)=0 组成 5 , 这样曲面折叠部分代表了发生火灾爆炸的灾变区域。第 6 期周荣义等:基于突变理论的油库火灾爆炸分析与:兰 99 该区域将系统安全状态分成了上 、中、下 3 部分。上叶表示系统的功能状态好, 没有火灾爆炸事故发生;下叶表示系统功能状态差 , 从上叶到下叶系统的功能状态发生突跳, 即为火灾爆炸事故的发生。利用此突变模型可对油库火灾爆炸事故发生的原因作出合理的解释。图 1 火灾爆炸的尖点突变模型图
16、中曲线 abcd 表示了系统火灾爆炸的变化过程。ab 是可燃物浓度的积聚过程, 当可燃物浓度 u 到达f(b)时, 系统处于火灾爆炸的极限点, 当由于不确定因素导致了着火源的产生时, 系统的安全状态就会由 b 点突变到 c 点, 表现为油库火灾爆炸事故的不幸发生。反映在空间上, 曲线 obh 范围为火灾爆炸的突变区域。相应的在分歧点集上便是一条经过分歧点集两个边缘的曲线 ;若对曲线 st 和sr 分析, 可进一步发现, 当突变流形上的曲线在发展时, 如果不经过折叠线, 尽管着火源逐渐变大(sr 曲线), 但由于浓度没有达到可燃爆炸范围之内, 也不会有火灾爆炸事故的发生。或者尽管可燃物浓度逐渐变
17、大并达到可燃爆炸范围之内(st 曲线), 但由于点火能量不存在或者不够也不会有火灾爆炸事故的 发生。这两种情况, 反映到分歧点集上, 则为不通过分歧点集边缘线的曲线。油库:兰塾涂獍踩兰壑副昀猛槐淅砺鄱杂涂饨衅兰凼, 必须根据评价的目的, 对评价总指标进行多层次逐渐分解, 排列成倒树状目标层次结构。原始数据只需要知道最底层指标的数据就可以了。一个指标进行分解, 是为了得到更具体的指标, 以便进行量化, 分解到一般可以计量的子指标时, 分解就可以停止。考虑到一般突变模型中某状态变量的控制变量不超过 4 个, 所以, 相应的一般各指标(单指标的子指标)分解也不要超过 4 个。油库作为一
18、个复杂的大系统, 影响其安全状况的因素和环节很多。所以必须运用安全系统工程的观点进行总体考察, 通过分析可知, 油库的安全状况可以从设备设施、防灾系统以及安全管理 3 方面予以考察 6 :设备设施可以分解为安全设计 、施工质量、设备维修以及周边环境 4 个子指标;防灾系统又可以分解为安全设施、监测系统以及应急救援3 个子指标;安全管理又可以分解为人员素质、安全检查 、安全培训和安全规章 4 个子指标。其多层次安全评价指标体系如图 2 所示。图 2 油库安全评判体系评价过程与步骤在油库安全评价中, 通常将安全状态划分为:安全 、较安全 、危险 3 个等级, 分别代表了油库不同质的安全状况。因此,
19、 可以利用突变理论对油库安全进行综合分析与评价。首先, 按突变理论分别计算出不同时期油库安中 国 安 全 科 学 学 报第1 6卷 100 ChinaSafetyScienceJournal200 6年全总突变隶属函数值, 分析其变化规律;然后与油库安全检查评语集(安全、较安全、危险)进行对照, 从而可对油库安全状态作出动态:酆戏治鲇肫兰。基于突变理论的动态:兰鄣幕静街枞缦 3 :步骤 1 :对评价对象进行研究与分析 , 按系统的内在作用机理, 将系统分解为由若干指标组成的多层系统。步骤 2 :底层指标(控制变量)进行原始数据规格化, 得到初始的:ナ艉。在归一公式中, 控制变
20、量 a , b , c , d 表征的是状态变量 x 的不同方面的特征, 其原始数据取值范围和度量单位各不相同, 它们之间无法进行相互比较。因此, 在使用归一公式之前, 应依据突变理论综合评判的要求, 将控制变量的原始数据转化到0 1 范围内的越大越好型无量纲可比较数值, 即对控制变量进行原始数据规格化。由于底层指标大多属于:淞, 底层指标原始数据规格化也存在着一定的:, 因此, 将这种定义在 0 1 范围内的控制变量的原始数据规格化值称为初始:ナ艉。步骤 3 :利用归一公式进行量化递归运算, 求出油库安全总突变隶属函数值。根据初始:ナ艉, 按归一公式计算出各控制变量的
21、相应中间值(称为突变级数值)和油库安全总突变隶属函数值。同时, 在整个计算过程中考虑两个原则, 即“ 互补”与“ 非互补” 原则。若一个系统的诸控制变量(如 a , b , c , d 等)之间不存在明显的相互关联作用, 则按归一公式计算系统状态变量 x 时, 应从诸控制变量相应的突变级数值(如 xa , xb , xc , xd)中选取最小值作为系统的 x 值, 即“ 大中取小”的“ 非互补”原则。若一个系统的诸控制变量之间存在明显的相互关联作用, 则应遵循“ 互补” 原则, 即取诸控制变量相应的突变级数值的平均值作为系统的 x 值, 如对蝴蝶突变模型, 取 x =(xa +xb+xc +x
22、d)/ 4 。可以从理论上证明, 只有遵循上述原则, 才能满足突变理论中分歧方程的要求。步骤4 :重复步骤1 步骤 3 , 分别计算出不同时期的油库安全总突变隶属函数值。步骤 5 :分析不同时期的油库安全总突变隶属函数值及其变化规律, 从而对油库的实际状态作出动态:酆戏治鲇肫琅。由于在整个突变理论综合评判过程中, 系统诸控制变量的初始:ナ艉屯槐浼妒稻 0 , 1 间的越大越优型, 因此, 最终的总突变隶属函数值也越大越优。若对油库在 n 个不同时期的安全状态分别进行了评判, 得出了 n 个总突变隶属函数值, 记为 xi(t)(i =1 , 2 , , n), 则可分析 xi
23、(t )随 t 的变化趋势。当 xi (t)较大且随时间 t 的推移而增大, 或较大且随时间 t 的推移基本持平时, 说明油库的安全状况在向好的方向发展或基本稳定, 因而可以认为该油库是安全的 ;当 xi(t)较小 , 或 xi (t)虽较大但随时间 t 的推移而明显减小时, 说明该油库的安全状态在变坏, 油库为危险油库。实例对某石油公司储运厂油库进行安全状况的动态评价。先按照图 2 建立的评价指标体系, 聘请多位专家对底层指标评分, 其中 2000 年度的评分结果列于表 1 , 按照评价过程和步骤, 由归一公式分别计算出各指标的突变级数值(见表 1)。其中, A1 , A2 , A3 和 A
24、4 为互补型蝴蝶突变模型 ;B 1 , B2 和 B3 为非互补型燕尾突变模型;C1 , C2 , C3 和 C4 为互补型燕尾突变模型。油库安全评判第一层系统 A , B 和C 属于燕尾型非互补突变模型。表 1 油库 2000 年安全评价指标及评价结果指标设备设施(A)防灾系统(B)安全管理(C)安全设计施工质量设备维修周边环境安全设施监测系统应急救援人员素质安全检查安全培训安全规章底层指标代号A1A2A3A4B1B2B3C1C2C3C4评分0 .980.860 .920.850.790 .840.750 .830.920 .850.94底层指标突变级数代号xA1x A2xA3xA4x B1
25、xB2x B3xC1xC2xC3xC4底层指标突变级数值0 .990.950 .980.970.890 .940.910 .910.970 .960.99第 6 期周荣义等:基于突变理论的油库火灾爆炸分析与:兰 101 续表指标设备设施(A)防灾系统(B)安全管理(C)安全设计施工质量设备维修周边环境安全设施监测系统应急救援人员素质安全检查安全培训安全规章中间变量指标值0.97(A)0 .89(B)0 .96(C)中间变量突变级数值0.98(x A)0 .96(xB)0.99(x C)油库安全总突变隶属函数值x =min(xA , x B , xC)=0 .96同理, 可以分别计算出该
26、油库在 2001 2005 间各年的油库安全总突变隶属函数值, 计算结果如表2 所示。可以看出, 在2000 2005 年间, 该油库的安全总突变隶属函数值均较大, 且基本稳定, 没有大的波动, 据此判断该油库是安全的。此评价结果与运用其他方法进行评价的结果相同。表 2 油库 2001 2005 年间安全总突变隶属函数值2001 年2002 年2003 年2004 年2005 年0.960.970 .960 .980 .97结论通过油库火灾爆炸的尖点突变模型分析表明, 利用突变理论来解释油库火灾爆炸是符合事故致因理论和燃烧爆炸理论的, 是合理的。基于突变理论的油库:兰 , 是将突变理论
27、和:治鼋岷掀鹄, 对油库进行多层目标分解, 然后通过归一公式进行量化递归运算, 得到油库安全总的突变隶属函数值, 并通过对不同时期的油库安全总突变隶属函数值分析判断, 从而动态地得到评价的结果。由于这一方法对各目标重要性的确定量化是根据各目标在归一公式本身中的内在作 用机理决定的, 因而相对地减少了主观性, 使评判更趋于实际, 且计算简单。事例表明, 此方法用于评价是合理可行的。由于笔者利用突变理论进行评价还是一种尝试, 研究也很肤浅, 因此, 在某些环节上还存在一些不足, 主要表现在:一是如何保证底层指标评分值的准确性问题, 因为它是进行评价的基础原始数据,直接关系到后续的计算问题和评价
28、结果的准确性问题 ;二是如何对评判指标体系进行分解及对同层指标的重要性进行排序问题, 它决定了突变模型归一公式的选择以及评判系统的机理, 故也将对评判结果产生重大影响。因此, 笔者只是对利用突变论进行动态:兰厶峁┝艘恢炙悸, 但如何保证评价过程中某些步骤的正确实现还需作进一步的探讨和研究。参 考 文 献 1何琪, 李津愚等.企业劳动安全评价方法的选择 J .工业安全与环保 , 2003 , 29(5):39 42 2程毛林 .突变模型在综合评价中的应用 J .苏州科技学院学报 , 2004 , 21(4):23 27 3何金平, 李珍照.基于突变理论的大坝安全动态:酆戏治鲇肫琅 J .
29、系统工程 , 1997 , 15(5): 39 43 4杨泗霖 .防火与防暴 M .北京:首都经济贸易大学出kok电子竞技社, 2000 5魏引尚, 张俭让等 .瓦斯爆炸的突变模型 J .西安科技学院学报 , 2002 , 22(3):250 252 6蒋军成 .突变理论及其在安全工程中的应用 J .南京化工大学学报 , 199 , 21(1):24 28杜红兵中国民用航空大学安全科学与工程学院安全管理教研室主任, 副教授, 中国职业安全健康协会会员, QMS 实 习审 核员。1967 年 11 月 生, 山 西 河 津人。1989 年毕业于太原理工大学, 获工学学士学位, 1999 年和2002 年毕业
30、于中国矿业大学, 获硕士和博士学位。现主要研究方向为建筑火灾 、民航安全管理和飞行品质监控等 。参与完成了国家自然科学基金 1 项、省部级项目3 项, 目前主持省部级项目2 项, 另有横向课题2 项。在国内外公开发表学术论文20 余篇, 参编教材2 部, 编译教材 1 部。阳生权 副教授, 岩土与隧道工程系主任, 博士。1968 年 7 月生, 1994 年 7 月19 8 年 8 月在冶金部长沙矿冶研究院爆破研究所从事科研工作, 2002 年 11 月在湖南科技大学土木工程学院从事科研与教学工作至今。2003 年 9 月进入同济大学土木工程博士后流动站。主要从事安全 工程 、岩石动力学、地下
31、工程施工测试技术方面的工作。已完成或在研主要项目包括湖南省 2002 年科技计划项目 、湖南省 2004 年科技计划重点项目 、湖南省 2005 年自然科学基金资助项目等。在岩石力学与工程学报 、爆炸与冲击和地下空间与工程学报等刊物上发表论文近 30 篇。郭文兵 河南理工大学能源科学与工程学院副院长, 副教授, 工学博士。1969 年10 月生, 19 4 年获采矿工程专业硕士学位, 2004 在中国矿业大学获大地测量学与测量工程专业博士学位。河南省优秀中青年骨干教师, 河南省杰出青年科学基金获得者。曾获得“河南省优秀青年科技专家” 、“ 焦作市优秀青年科技专家” 、校“ 十大青年科技标兵”等
32、称号。一直从事“ 三下” 采煤、条带开采方面的研究工作。近年来主持或参加科研项目 30 多项, 其中国家、省部级科研项目 10 余项, 企业委托项目 20 余项, 获省部级科技进步奖3 项。发表学术论文 40 余篇, 其中被EI 收录 10 余篇, 出kok电子竞技专著 1 部。周荣 义 讲师。 湖南汉寿人, 1973 年 12 月生, 20 3 年毕业于中国地质大学(武汉)安全技术及工程专业, 获硕士学位。主攻安全评价、企业安全文化以及职业安全健康管理体系方面的研究工作。先后参加了新加坡诺卫(NOVO)公司对中石化胜利石油管理局的HSE 管理体系的组建工作和西北石油交通运输安全管理信息系统的开发 工作。近年来, 参与编写了企业安全管理实务丛书等书籍数本, 在中国安全科学学报等核心期刊上发表论文数篇。中 国 科 技 核 心 期 刊 中 国 安 全 科 学 学 报 CHINA SAFETY SCIENCE JOURNAL(CSSJ)安全科学技术高层次学术刊物欢 迎 来 稿敬请订阅国内外公开发行常年办理订阅(The Whole Country &World Circulation)
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