王軍防，矯捷，李皓，宮敬，李曉平，何智杰，孫小晴

1.國家管網(wǎng)集團(tuán)東部原油儲(chǔ)運(yùn)有限公司，江蘇徐州 221000；2.中國石油大學(xué)（北京）機(jī)械與儲(chǔ)運(yùn)工程學(xué)院，北京 102249

0 引言

近年來，中國石化行業(yè)向著智能化方向迅速邁進(jìn)。在油庫智能化發(fā)展方面，萬波［1］和趙志海等［2］對(duì)智能油庫建設(shè)面臨的問題進(jìn)行分析并給出相應(yīng)建議，還有些學(xué)者［3-8］為實(shí)現(xiàn)油庫智能化設(shè)計(jì)出了許多智能化系統(tǒng)，例如：岳斌等［7］設(shè)計(jì)了一套基于智能視覺物聯(lián)網(wǎng)的油庫人員行為識(shí)別與監(jiān)測系統(tǒng)，可根據(jù)監(jiān)控拍攝的畫面分析人員的行動(dòng)，判斷是否有危險(xiǎn)行為，并做出警告；Niu 等［8］設(shè)計(jì)了一套基于射頻技術(shù)的自動(dòng)收發(fā)油控制與管理系統(tǒng)，通過采集業(yè)務(wù)流程數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場過程控制。但總體來說，油庫的智能化發(fā)展相對(duì)緩慢。

成熟度理論將一系列發(fā)展過程分為多個(gè)階段，每一個(gè)階段為一個(gè)成熟度等級(jí)，每個(gè)成熟度等級(jí)都有明確的等級(jí)劃分、定義、要求和達(dá)成該等級(jí)的必要條件［9］。成熟度理論已應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域［10-11］，特別是在智能制造領(lǐng)域，智能成熟度評(píng)價(jià)已經(jīng)較為成熟［12-15］。近年來，石化行業(yè)中智慧管網(wǎng)的成熟度評(píng)價(jià)體系已相對(duì)成熟［16-19］，但智能油庫作為智慧管網(wǎng)中的重要部分，目前尚未建立起成熟的智能油庫成熟度評(píng)價(jià)體系。本文結(jié)合智慧管網(wǎng)全方位感知、一體化管控、自適應(yīng)優(yōu)化和智慧化決策四大能力，采用成熟度理論［20］對(duì)智能油庫進(jìn)行評(píng)價(jià)。該評(píng)價(jià)體系可以指導(dǎo)智能油庫的建設(shè)，提升油庫智能化程度，從而進(jìn)一步提升智慧管網(wǎng)的智能化程度［21］。

AHP（層次分析法）被廣泛應(yīng)用于石化行業(yè)內(nèi)有關(guān)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)、可靠性分析和成熟度評(píng)價(jià)［22-25］。EWM（熵權(quán)法）被廣泛應(yīng)用于智能化評(píng)價(jià)和石化行業(yè)內(nèi)有關(guān)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)和可靠性分析［26-30］。本文采用AHP 和EWM，結(jié)合成熟度評(píng)價(jià)，建立智能油庫成熟度評(píng)價(jià)模型，通過模糊綜合評(píng)價(jià)確定智能油庫成熟度等級(jí)，為油庫管理者和設(shè)計(jì)人員提供參考。

1 智能油庫成熟度評(píng)價(jià)模型

1.1 智能油庫成熟度等級(jí)劃分

油庫的運(yùn)轉(zhuǎn)依托于油庫內(nèi)的業(yè)務(wù)。當(dāng)油庫所涉及的業(yè)務(wù)均已實(shí)現(xiàn)智能化，則該油庫整體實(shí)現(xiàn)智能化。鑒于此，本文基于業(yè)務(wù)層面對(duì)智能油庫成熟度進(jìn)行評(píng)價(jià)。根據(jù)對(duì)油庫現(xiàn)場業(yè)務(wù)的調(diào)研并結(jié)合文獻(xiàn)［31-34］，將油庫業(yè)務(wù)分為生產(chǎn)運(yùn)行管理、環(huán)保安全管理和巡檢設(shè)備管理三大類。生產(chǎn)運(yùn)行管理主要涉及油品的收、發(fā)、存操作；環(huán)保安全管理主要涉及油庫的環(huán)保和安全方面；巡檢設(shè)備管理主要涉及設(shè)備裝置的巡檢和維護(hù)操作。

參考智慧管網(wǎng)的概念和總體架構(gòu)［35-40］，從生產(chǎn)運(yùn)行管理、環(huán)保安全管理和巡檢設(shè)備管理3 個(gè)業(yè)務(wù)層面，在全方位感知、一體化管控、自適應(yīng)優(yōu)化、智慧化決策等4 層維度建立智能油庫成熟度評(píng)價(jià)等級(jí)。智能油庫成熟度評(píng)價(jià)等級(jí)反映了油庫智能化建設(shè)的階段和水平，由低至高分別為一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)、四級(jí)、五級(jí)，具體內(nèi)涵見圖1，每個(gè)等級(jí)的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 智能油庫成熟度等級(jí)劃分評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)

圖1 智能油庫成熟度等級(jí)及內(nèi)涵

1.2 智能油庫成熟度評(píng)價(jià)體系

以智能油庫為目標(biāo)層，基于智能油庫所涉及的三大業(yè)務(wù)構(gòu)建其指標(biāo)體系，具體見圖2。

圖2 智能油庫成熟度評(píng)價(jià)體系

生產(chǎn)運(yùn)行管理主要涉及油品的收、發(fā)、存操作，因此將其劃分為收油作業(yè)智能率、發(fā)油作業(yè)智能率和庫存及其他作業(yè)智能率3 個(gè)三級(jí)指標(biāo)。收油作業(yè)和發(fā)油作業(yè)包括公路、鐵路、水路和管道4 種運(yùn)輸方式，庫存及其他作業(yè)包括儲(chǔ)罐清洗作業(yè)、倒罐作業(yè)和儲(chǔ)罐排水作業(yè)。

環(huán)保安全管理主要涉及油庫的環(huán)保和安全方面，因此環(huán)保安全管理劃分為環(huán)保智能率和安全智能率兩部分。由于站場安全管理和消防安全管理在油庫管理中均非常重要，并且所屬領(lǐng)域不同，因此將安全智能率進(jìn)一步細(xì)分為站場安全智能率和消防安全智能率。最終將環(huán)保安全管理劃分為站場安全智能率、消防安全智能率和環(huán)保智能率3 個(gè)三級(jí)指標(biāo)。其中環(huán)保智能率包括油氣回收作業(yè)和含油污水處理作業(yè)兩部分。

巡檢設(shè)備管理主要涉及油庫中設(shè)備裝置的巡檢和維護(hù)操作，因此將巡檢設(shè)備管理劃分為巡檢智能率和設(shè)備維護(hù)智能率2 個(gè)三級(jí)指標(biāo)。

2 智能油庫成熟度評(píng)價(jià)流程

合理確定各個(gè)指標(biāo)的權(quán)重是建立智能油庫成熟度評(píng)價(jià)體系的基礎(chǔ)。本文采用主客觀權(quán)重相結(jié)合的方法，主觀權(quán)重采用層次分析法得到，客觀權(quán)重采用熵權(quán)法計(jì)算，主客觀權(quán)重線性加權(quán)得到最終權(quán)重，最后利用模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)智能油庫成熟度等級(jí)進(jìn)行評(píng)估。

2.1 采用層次分析法計(jì)算指標(biāo)權(quán)重

層次分析法是一種結(jié)合定性和定量以解決多目標(biāo)復(fù)雜問題的決策分析方法。該方法首先要根據(jù)問題性質(zhì)及最終目標(biāo)，將其分解成多個(gè)相互間有關(guān)聯(lián)的有序?qū)哟巍?/p>

將二級(jí)指標(biāo)和三級(jí)指標(biāo)中同一層級(jí)的不同指標(biāo)進(jìn)行比較來構(gòu)建判斷矩陣。目標(biāo)層判斷矩陣A=(aij)n×n，其中，aij表示指標(biāo)i對(duì)比指標(biāo)j的重要程度，用數(shù)字1 ～ 3 來表示，越重要的指標(biāo)數(shù)值越高。A1、A2、A3分別為生產(chǎn)運(yùn)行管理、環(huán)保安全管理、巡檢設(shè)備管理的判斷矩陣。

采用和值法計(jì)算指標(biāo)權(quán)重，計(jì)算步驟如下。

1）將判斷矩陣按列歸一化：

式中：ωij——aij歸一化的值；n——判斷矩陣的階數(shù)。

2）計(jì)算判斷矩陣A的最大特征值：

式中：λmax——最大特征值；ω——?dú)w一化的向量；ωi——第i個(gè)指標(biāo)的歸一化值。

3）計(jì)算一致性指標(biāo)：

式中：CI——矩陣的一致性指標(biāo)。

4）根據(jù)判斷矩陣階數(shù)所對(duì)應(yīng)的RI計(jì)算一致性比率CR：

式中：CR——矩陣的一致性比率；RI——平均隨機(jī)一致性指標(biāo)。RI只與n有關(guān)，其取值見表2。

表2 平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RI 取值

若CR<0.1，則該判斷矩陣的一致性檢驗(yàn)通過，反之，則沒通過，需要對(duì)判斷矩陣進(jìn)行修改調(diào)整。

5）計(jì)算各指標(biāo)權(quán)重：

選取10 名專家對(duì)二級(jí)指標(biāo)、三級(jí)指標(biāo)中的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行打分，從而構(gòu)建出判斷矩陣A、A1、A2、A3。

根據(jù)專家評(píng)分可知，二級(jí)指標(biāo)中環(huán)保安全管理所得數(shù)值最高，三級(jí)指標(biāo)中消防安全智能率所得數(shù)值最高。進(jìn)行任何作業(yè)時(shí)都必須遵循安全第一的原則，因此在評(píng)價(jià)油庫智能成熟度等級(jí)時(shí)，也必須優(yōu)先考慮安全。

通過式（1）至式（6）計(jì)算得出層次分析法權(quán)重，見表3。

表3 層次分析法權(quán)重

2.2 結(jié)合熵權(quán)法確定指標(biāo)的綜合權(quán)重

熵權(quán)法是一種客觀賦權(quán)法，該方法能挖掘原始數(shù)據(jù)的內(nèi)在規(guī)律和信息量，由其得出的權(quán)重不依靠評(píng)價(jià)者的經(jīng)驗(yàn)，使得評(píng)價(jià)結(jié)果更具客觀性。通常，若某個(gè)指標(biāo)的信息熵越小，則其能提供的信息量越大，在評(píng)價(jià)中的作用也越大，其權(quán)重也越大。相反，信息熵越大，則其權(quán)重越小。

1）指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化處理：

式中：Yij——標(biāo)準(zhǔn)化處理后的指標(biāo)賦值矩陣第i個(gè)指標(biāo)被第j個(gè)指標(biāo)所賦的值；αij——指標(biāo)賦值矩陣第i個(gè)指標(biāo)被第j個(gè)指標(biāo)所賦的值；αi——指標(biāo)賦值矩陣第i個(gè)指標(biāo)的向量。

2）求信息熵：

式中：Ei——第i個(gè)指標(biāo)的信息熵；m——評(píng)價(jià)指標(biāo)的個(gè)數(shù)。

3）計(jì)算熵權(quán)法權(quán)重：

選取8 名專家對(duì)三級(jí)指標(biāo)中的8 項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行打分，用數(shù)字1 ～ 3 表示（允許小數(shù)），得分代表指標(biāo)需要智能化的重要程度，得到各指標(biāo)分?jǐn)?shù)如表4 所示，其中專家編號(hào)為Z1 ～ Z8，并通過式（7）至式（9）計(jì)算得出熵權(quán)法權(quán)重，見表5。

表4 各指標(biāo)得分情況

表5 熵權(quán)法權(quán)重

4）采用加權(quán)法計(jì)算綜合權(quán)重：

式中：wi——結(jié)合AHP 與EWM 的綜合權(quán)重值。

通過式（10）計(jì)算得出綜合權(quán)重，見表6。

表6 各指標(biāo)綜合權(quán)重

2.3 基于AHP-EWM 的智能油庫模糊綜合評(píng)價(jià)

模糊綜合評(píng)價(jià)是根據(jù)模糊數(shù)學(xué)的隸屬度理論，將其中定性評(píng)價(jià)轉(zhuǎn)變?yōu)槎吭u(píng)價(jià)，即采用模糊數(shù)學(xué)對(duì)有多種制約因素的事物或?qū)ο笞龀鲆粋€(gè)總體的評(píng)價(jià)。

2.3.1 確定參數(shù)集和評(píng)價(jià)集

確定智能油庫成熟度模型的評(píng)價(jià)集V={V1,V2,V3,V4,V5}={一級(jí)，二級(jí)，三級(jí)，四級(jí)，五級(jí)}，評(píng)語集E=[1, 2, 3, 4, 5]。根據(jù)智能油庫中生產(chǎn)運(yùn)行管理、環(huán)保安全管理和巡檢設(shè)備管理所涉及的范圍和層次，評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中二級(jí)指標(biāo)集合構(gòu)成參數(shù)集U={U1,U2,U3}={生產(chǎn)運(yùn)行管理，環(huán)保安全管理，巡檢設(shè)備管理}，三級(jí)指標(biāo)參數(shù)集U1={U11,U12,U13}={發(fā)油作業(yè)智能率，收油作業(yè)智能率，庫存及其他作業(yè)智能率}，U2={U21,U22,U23}={環(huán)保智能率，站場安全智能率，消防安全智能率}，U3={U31,U32}={巡檢智能率，設(shè)備維護(hù)智能率}。

2.3.2 構(gòu)建模糊評(píng)價(jià)矩陣

根據(jù)隸屬度函數(shù)模型，構(gòu)成模糊評(píng)價(jià)矩陣：

式中：Ri——模糊評(píng)價(jià)矩陣；rab——第a個(gè)參數(shù)做出第b個(gè)評(píng)價(jià)集的專家人數(shù)與總專家人數(shù)之比；c——專家總?cè)藬?shù)；d——評(píng)價(jià)集中參數(shù)的總數(shù)量。

將結(jié)合層次分析法與熵權(quán)法計(jì)算得出的權(quán)重向量Wi與模糊綜合評(píng)價(jià)矩陣相乘得到模糊綜合評(píng)價(jià)集：

式中：Fi——第i個(gè)指標(biāo)的模糊綜合評(píng)價(jià)集，k——權(quán)重個(gè)數(shù)。

將總模糊綜合評(píng)價(jià)集F與評(píng)語集E相乘得到相應(yīng)分?jǐn)?shù)：

式中：L——智能油庫評(píng)分。

最終，根據(jù)計(jì)算得出的分?jǐn)?shù)，對(duì)照智能油庫成熟度等級(jí)判斷區(qū)間（見表7）來判斷油庫的成熟度等級(jí)。

表7 智能油庫成熟度等級(jí)判斷區(qū)間

3 評(píng)價(jià)實(shí)例

以D 油庫為例進(jìn)行智能油庫成熟度的評(píng)價(jià)分析。D 油庫的業(yè)務(wù)流程以人工為主，自動(dòng)化程度及數(shù)字化程度均較低。

3.1 油庫現(xiàn)狀

3.1.1 生產(chǎn)運(yùn)行管理

油泵、閥門均可實(shí)現(xiàn)中心控制室（簡稱中控室）遠(yuǎn)程啟停和開關(guān)，但清罐流程無法遠(yuǎn)程操作。

收發(fā)油流程所需監(jiān)測數(shù)據(jù)均可實(shí)時(shí)采集，但由于尚未實(shí)現(xiàn)收發(fā)油過程的仿真模擬，因此無法對(duì)收發(fā)油流程進(jìn)行優(yōu)化。

3.1.2 環(huán)保安全管理

由于需要現(xiàn)場手動(dòng)開啟消防水泵、消防閥門和泡沫發(fā)生器，因此若發(fā)生火災(zāi)，無法及時(shí)啟動(dòng)消防系統(tǒng)。

油庫各處布置了大量的可燃?xì)怏w報(bào)警器，當(dāng)有氣體泄漏時(shí)，報(bào)警信號(hào)能第一時(shí)間反饋到中控室。

油罐頂部設(shè)有溫度傳感器，當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，根據(jù)溫度變化可以判斷著火位置，并自動(dòng)啟動(dòng)消防系統(tǒng)。

3.1.3 巡檢設(shè)備管理

巡檢采用人工攜帶PDA（移動(dòng)終端）的方式進(jìn)行，巡檢頻率高，會(huì)耗費(fèi)大量人力。其參數(shù)雖然能采集至中控室，但最終依舊需要靠人工錄入數(shù)據(jù)，無法做到數(shù)據(jù)的自動(dòng)導(dǎo)入導(dǎo)出。

3.2 確定油庫等級(jí)

選10 名專家對(duì)智能油庫二級(jí)指標(biāo)中的每個(gè)指標(biāo)進(jìn)行打分，R1、R2、R3分別為生產(chǎn)運(yùn)行管理、環(huán)保安全管理和巡檢設(shè)備管理的模糊綜合評(píng)價(jià)矩陣。

將各二級(jí)指標(biāo)的權(quán)重向量Wi與對(duì)應(yīng)的模糊綜合評(píng)價(jià)矩陣Ri加權(quán)計(jì)算，得到生產(chǎn)運(yùn)行管理、環(huán)保安全管理和巡檢設(shè)備管理的模糊綜合評(píng)價(jià)集F1、F2、F3：

將各評(píng)價(jià)權(quán)重向量組成二級(jí)指標(biāo)的模糊評(píng)價(jià)矩陣R與二級(jí)指標(biāo)的總權(quán)重向量W加權(quán)計(jì)算：

將評(píng)語集E與總模糊綜合評(píng)價(jià)集F加權(quán)計(jì)算，最終得到D 油庫的總得分為2.085?？梢?，D 油庫的智能化成熟度等級(jí)為二級(jí)，仍需持續(xù)改進(jìn)。通過模糊綜合評(píng)價(jià)矩陣可知，D 油庫的庫存及其他作業(yè)智能率、環(huán)保智能率、巡檢智能率和設(shè)備維護(hù)智能率的等級(jí)都集中在一級(jí)和二級(jí)，表明這4 項(xiàng)指標(biāo)的智能化程度較低，主要原因是對(duì)設(shè)備狀態(tài)的采集能力不足。

庫存及其他作業(yè)智能率方面，該油庫在清罐作業(yè)、儲(chǔ)罐排水作業(yè)中的數(shù)據(jù)采集能力不足，無法得知儲(chǔ)罐罐底油泥厚度和水的高度等。環(huán)保智能率方面，該油庫對(duì)油氣回收量和含油污水處理等數(shù)據(jù)的檢測能力不足。巡檢智能率方面，該油庫采用“人拿PDA”的方式進(jìn)行巡檢，效率低下。目前已有油庫采用了機(jī)器人、無人機(jī)巡檢，極大地提高了效率，并且減少了人為失誤。設(shè)備維護(hù)智能率方面，該油庫不能對(duì)設(shè)備內(nèi)部故障進(jìn)行準(zhǔn)確定位。目前已有油庫通過建立設(shè)備的數(shù)字孿生體，從而及時(shí)發(fā)現(xiàn)內(nèi)部故障處并進(jìn)行維護(hù)，提高了效率和安全性。

全方位感知是實(shí)現(xiàn)智能油庫的基礎(chǔ)，只有將油庫業(yè)務(wù)所涉及數(shù)據(jù)全部進(jìn)行采集，真正實(shí)現(xiàn)全方位感知，才能在此基礎(chǔ)上將管理與控制相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)一體化管控，從而實(shí)現(xiàn)智能油庫的建設(shè)。

4 結(jié)論

本文基于成熟度理論，以油庫業(yè)務(wù)為維度建立了智能油庫成熟度評(píng)價(jià)體系。結(jié)合層次分析法和熵權(quán)法得出智能油庫成熟度模型中各指標(biāo)的權(quán)重，提高了權(quán)重計(jì)算的可靠性。通過模糊綜合評(píng)價(jià)將智能油庫成熟度評(píng)價(jià)體系與AHP-EWM 的綜合權(quán)重相結(jié)合，得出油庫當(dāng)前的智能化等級(jí)，并進(jìn)一步分析出當(dāng)前的智能化短板，提出相應(yīng)的解決方案，對(duì)進(jìn)一步提升油庫智能化水平具有重要意義。