基于熵權理論的管道風險評分法的研究與應用

戴 光，苗婷婷，趙俊茹

(東北石油大學機械科學與工程學院，黑龍江大慶 163318)

0 引言

管道風險評分法是目前較為完整與系統(tǒng)的一種風險評價方法［1］。該方法由美國學者肯特提出，主要將影響管道的失效因素劃分為第三方損壞、腐蝕、設計因素、誤操作四大方面，同時這四方面又分別細化分了幾方面影響因素，并按照一定規(guī)則對細化因素進行了逐項評分［2］，將各分值相加得到影響因素的指數(shù)和，指數(shù)和的大小與管道的危險性成反比［3］，最后根據求得的指數(shù)和與泄漏沖擊指數(shù)計算出相對風險數(shù)，通過相對風險數(shù)對管道的風險狀況進行風險評價［4］。在管道風險評分法中，各因素權重是相同的，而管道實際情況卻是復雜多變的，因此各因素對管道風險影響程度不同，導致評價結果的準確性有所下降［5］，所以有必要對管道風險評分法作適當?shù)母倪M，確定各因素在影響管道失效中所占的比重，使其更真實地反映出管道所具有的風險。為此將熵權理論應用到管道風險評分法中，通過計算事故因素熵權值的大小進行風險排序，得出各個事故因素在整個管道系統(tǒng)事故因素中所占比例的大小，這樣得出的風險數(shù)值所反映管道的風險情況更為真實、合理。

1 基于熵權理論的管道風險評分法的研究

1.1 熵權理論的數(shù)學模型

德國物理學家克勞修斯最早提出了熵的概念，隨后熵這一概念被廣泛應用于各方面［6］。在信息論里，熵表示出了信息的價值，它反映了信息的多少及其對系統(tǒng)的影響，這為人們在判斷決策過程中提供了重要信息［7］。它依據各因素的樣本數(shù)據，通過計算其熵權值的大小，來判斷各因素對系統(tǒng)的影響程度。如果一個因素提供給決策者的有用信息較大，對系統(tǒng)影響也較大，那么由此得出的權值也較大［8］;反之則較小。因此，在改進的管道風險評分法中，應用熵權值來確定各風險因素的權重。

(1)對m個管段的n個因素進行專家打分，則xij為第i個管段的第j個因素的打分值(i=1，2，…，n;j=1，2，…，m)。

(2)指標的標準化處理。

為消除量綱影響，對數(shù)據要進行標準化處理，其標準化處理公式如下:

(3)求因素熵Hj。

其中:

(4)求熵權。

且有:

1.2 基于熵權理論的管道風險評分法的評價步驟

由于管道風險評分法中4類因素所占比重相同，而管道環(huán)境復雜各異，這樣的比重分配會直接影響管道風險評價的準確性，影響管理者對后續(xù)部分管道維修和防護的決策?；陟貦嗬碚摰墓艿里L險評分法更加科學合理地確定出各因素所占權重，符合管道實際風險評價過程。把熵權理論引入管道的風險評分法中，其步驟如下:

(1)管道分段。根據對管道的歷史維修記錄的研究以及對其沿途環(huán)境的實地考察分析，將管道適當分段［9－11］。

(2)根據現(xiàn)場調研，采集的數(shù)據，將所分的各管段進行專家評分。

(3)計算各事故因素的熵權值。根據式(2)，(3)中Hj與wj的計算公式，分別計算各事故因素所對應的熵權值，并對其進行排序，了解各因素對管道的影響程度。

(4)根據權重調整各因素的風險評分，計算各因素的最后得分，其計算公式如下［12］:

式中 Pj——改進后的第j項因素得分

rj——原風險評分法中第j項因素的得分

(5)根據新的各因素所得分，計算新的指數(shù)和。

(6)計算各管段的相對風險值。

本方法只對原管道評分法權重做出合理的改進，其評價原理沒有改變，因此其最終指數(shù)和仍然在0～400分之間，最后再與泄漏沖擊指數(shù)結合，得到最終的相對風險值。該方法易于實現(xiàn)，且能較好地反映出管道的真實風險程度。

2 基于熵權理論的管道風險評分法的應用

2.1 北一線輸油管道概況

以北一線輸油管道為例，此管道已服役42年，只有兩座輸油站，即首站北油庫和末站南三油庫。全程無閥室，在距離北油庫4 km處有1個閥門。全程穿越公路6條、鐵路1條、河流1條。自運行以來管線均未做過內檢測。

北一線輸油管道沿線情況較為復雜，管道總體走向為由西向東，沿途多為農舍草地，同時途經高壓桿附近以及人口密集處。

2.2 北一線管道的風險評估

通過對管道的概況仔細研究以及對其沿途環(huán)境的實地考察分析，把管道劃分為9個管段，并通過現(xiàn)場調研、數(shù)據采集、對9個管段的4個事故因素下的各次級因素進行逐級評分，最后整理出這四類事故因素中每項因素最終的得分，同時采用了評分法計算此時的相對風險值，其結果如表1所示。

表1 原始評分法各管段指數(shù)和

首先，根據式(1)將數(shù)據進行標準化處理，處理后的數(shù)據如表2所示。

表2 標準化處理數(shù)據

然后，根據式(2)計算出各指標對應的因素熵為:H1=0.895507，H2=0.782485，H3=0.924577，H4=0.956543;按照式(3)計算得出各熵權值為:第三方破壞權重w1=0.237005、腐蝕權重 w2=0.493357、設計權重 w3=0.171071、誤操作權重w4=0.098567。通過計算可知，在北一線管道中，腐蝕因素對管道影響最大;其次是第三方破壞、設計;而誤操作對管道影響最小。由北一線輸油管道的概況可知，其途經多處草地、水泡，因此其管道腐蝕情況較重，同時其途經多處村屯，人口較密集，因此第三方的破壞因素對其影響也較大。鑒于北一線注重于員工的風險培訓，因此其誤操作因素影響較小，由此可知新方法確定的權重符合管道實際情況。

最后，根據新的權重值重新計算了指數(shù)和，并計算了各管段相應的相對風險值，其結果如表3所示。

根據結果繪制兩種方法的相對風險值柱形圖，如圖1所示。

表3 調整權重后各指數(shù)和

圖1 各管道相對風險值

管道風險與相對風險數(shù)的數(shù)值成反比，即當管道的相對風險數(shù)值較高時，表明管道的風險較低，管道的運行狀況較好，較安全。從圖1中可以看出，改進的評分方法計算的風險值與原評分法計算的風險值相近，但均略有下降，根據文獻［9］中管段風險劃分的原則可知，管段 1，2，6，8，9 相對風險系數(shù)較低，屬高風險管段;管段3，4，5，7相對風險系數(shù)較高，屬中等風險管段［13］;新的管段的風險排序為:6＞1＞9＞8＞2＞4＞3＞5＞7，同時，通過圖1相對風險值的對比可知，計算后的相對風險值均有所降低，且對于中等風險的3，4，5，7管段其值降低相比較大，表明管段的實際風險較大。

鑒于新方法中對管道的風險因素在結合管道實際情況下，進行了權重確定，而非原評分法的對風險因素權重均等的處理，因此其表明的風險狀態(tài)更加接近實際風險狀態(tài)，同時明確化的權重有助于管道管理者更加準確地了解管道失效的主要因素，有針對性地根據各因素造成的影響程度，采取相應的維修保護等措施對管道進行管理，保障管道的安全，延長管道的壽命。

3 結語

對管道現(xiàn)場情況復雜多變的問題，采用風險評分法對其進行風險評價時各事故因素應用的權重相同，不能很好地反映出管道的真實風險狀態(tài)，針對風險評分法的這一缺點，對其進行了改進，引入了熵權理論對其各事故因素重新確定了權重，明確了各因素對管道的影響程度。該方法在北一線輸油管道中進行了應用，結果表明由此得出的新的指數(shù)和更為合理，有利于管理者對管道進行維護和管理。

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