基于區(qū)間層次分析法的城市天然氣供應系統(tǒng)風險評價

同濟大學 劉東京 周偉國 潘新新

基于區(qū)間層次分析法的城市天然氣供應系統(tǒng)風險評價

同濟大學 劉東京 周偉國 潘新新

用區(qū)間數(shù)描述城市天然氣供應系統(tǒng)的復雜性、模糊性及不確定性，對評價體系各層因素進行群體判斷，得出群決策判斷區(qū)間上三角矩陣；以區(qū)間層次分析法確定評價體系各底層因素的權重值，通過權重的分配率計算出各底層因素的最大評分區(qū)間，并得到系統(tǒng)的相對風險區(qū)間。再以城市天然氣輸配系統(tǒng)為例，構建了區(qū)間指數(shù)風險評價模型，通過系統(tǒng)靈敏度分析建立風險決策系統(tǒng)。

燃氣 風險評價 層次分析法 區(qū)間指數(shù) 群決策

0 前言

關于城市天然氣供應系統(tǒng)的風險評價方法，國內外已進行了較多研究，提出了故障樹法、KENT評分法等風險評價技術，并將各種方法進行組合運用，形成了很多新的評估方法，如模糊層次分析法、模糊綜合評價法等。管道風險指數(shù)法是各種風險評價技術的綜合，部分隸屬于主觀風險評價方法類。由于傳統(tǒng)評價方法如指數(shù)評分法、故障樹法等，無法全面合理地表達系統(tǒng)的復雜性以及不確定性，本文在管道風險指數(shù)法的基礎上提出了區(qū)間指數(shù)分析法，并采用這種方法對城市燃氣輸配系統(tǒng)進行不確定性風險管理。

1 群決策判斷區(qū)間

在進行系統(tǒng)評判時，由于系統(tǒng)的模糊性以及不確定性，評價結果很難用精確的數(shù)值進行表示，如果專家給出一個評判區(qū)間，則可以很好地表達系統(tǒng)評價的客觀性。評判區(qū)間可以用區(qū)間數(shù)來表達，記為，該區(qū)間表示不確定性因素導致評價對象的可能判斷范圍，當時，評價結果為唯一值。

假設m位專家對某一評價對象分別做出判斷，判斷結果x={xi}={x1,x2,···xm}，xi=[xi-,xi+]，i=1,2,···m。

建立區(qū)間數(shù)判斷矩陣

設評價結果的目標權重向量W1={wi1}，i=1,2,···m，則區(qū)間判斷矩陣目標權重的計算公式可用矩陣形式(式(2)、(3))表示：

求解可得專家意見的目標權重向量：

綜合各專家意見的過程中必須反映各專家評判水平的差異，因此在計算系統(tǒng)評價綜合權重的過程中需要探討各專家的評判水平，即專家權重，記為wi2。專家權重向量表示為W2={wi2}，i=1,2,···m，。專家權重可通過對專家的職稱、本專業(yè)工齡、學歷、年齡等屬性進行綜合評分并歸一化處理求得。

區(qū)間判斷矩陣的綜合權重向量為W={wi}，i=1,2,···m，wi由下式計算得到：

群決策做出的判斷p可由下式計算得到：

2 層次分析法確定指標權重

層次分析法在確定系統(tǒng)各層因素權重的過程中采用兩兩比較的方法。設P=(pij)m×m為上三角區(qū)間數(shù)判斷矩陣，pij表示評判者認為方案Pi、Pj相對重要性程度存在的范圍，pij取值范圍在1/9和9之間，則區(qū)間層次分析法的區(qū)間數(shù)權重可由下式計算得到：

3 區(qū)間指數(shù)評價法

根據(jù)城市天然氣供應系統(tǒng)的風險因素，先通過聚類分法確定評價系統(tǒng)的風險指標（評價對象），評價對象的層次可以根據(jù)實際情況調整，層數(shù)越多，操作越復雜，經(jīng)濟性越差，一般以2~3層為宜。以3層為例，首先對系統(tǒng)各層因素進行群體判斷，求出群決策判斷區(qū)間，然后由層次分析法計算評價系統(tǒng)各底層(第3層)因素的權重值：

對于燃氣供應系統(tǒng)的輸配子系統(tǒng)來說，其風險指數(shù)、燃氣危害、泄漏狀況、環(huán)境影響的各底層子因素最大評分值分別表示為、推薦值分別為400、7、6、4。

G、L、V分別表示燃氣危害評分、泄漏狀況評分以及環(huán)境影響評分。

燃氣種類不同，相對風險區(qū)間也不相同。城市高壓天然氣輸配系統(tǒng)的運行階段，根據(jù)推薦值計算可知，相對風險區(qū)間為[0，330]；設計階段風險評價，由于不考慮施工運行缺陷的影響，相對風險區(qū)間為[22，330]。相對風險值越大，系統(tǒng)越安全，所以設計階段的相對風險最小值要大于運行階段，即設計階段的安全可靠性比運行階段要高。

為增強風險評價結果的可比性，建議將風險分值統(tǒng)一在[0，100]之間：

同理可得城市天然氣供應系統(tǒng)其他子系統(tǒng)的相對風險值。假設風險有n 個等級風險等級Rank屬于第i級，如果，則風險等級可由下式計算判斷：

4 系統(tǒng)靈敏度分析

系統(tǒng)靈敏度主要考察系統(tǒng)各底層評價指標的評分變化對城市燃氣輸配系統(tǒng)的相對風險貢獻度，即反映了風險可變因素在現(xiàn)有基礎上采取更安全的措施后，評價對象安全性提高的程度。對風險可變因素各指標在現(xiàn)有分值的基礎上，通過實施相應的有效風險緩解措施后，發(fā)生的評分變化，稱之為評分增益

則靈敏度βijk可由下式計算得到：

靈敏度最高的風險可變因素必須優(yōu)先進行風險管理，及時有效地執(zhí)行風險管理措施，緩解風險的發(fā)生，最大程度降低系統(tǒng)存在的風險。

5 實例分析

以運行階段的上海浦西天然氣供應系統(tǒng)中燃氣輸配子系統(tǒng)為例，建立風險指標評價體系，如圖1所示。圖中列出系統(tǒng)1層因素(第三方損壞等)及部分2層風險因素(如覆蓋層)，3層風險因素略。

圖1 城市天然氣輸配系統(tǒng)風險評價體系

城市天然氣輸配系統(tǒng)的風險因素很多，構成指標體系也比較龐大，各項指標共邀請3位專家(均為高級工程師，工齡20年以上，專家水平很高，α=0.9)進行群決策系統(tǒng)評價，得出上三角區(qū)間數(shù)判斷矩陣。由式(6)~(8)進行群判斷，以式(9)~(10)計算指標權重，本文給出第三方損壞下一級指標(覆蓋層)的權重及評分結果(表1、2)，其他各級指標在此就不一一描述。覆蓋層的子因素包括：覆蓋層性質、最小埋深、最大跨距、管溝情況、地形情況、管道轉彎情況。

表1 群判斷區(qū)間建立層次分析上三角矩陣

表2 覆蓋層權重及評分

假設燃氣輸配系統(tǒng)風險等級為：

對上海浦西天然氣輸配系統(tǒng)的運行現(xiàn)狀進行風險分析(表3)，由式(13)~(17)計算得出系統(tǒng)的相對風險為[34.3，42.0]，并通過風險等級確定系統(tǒng)的風險程度屬于中等風險；以式(18)~(19)計算系統(tǒng)各因素的靈敏度，其中建筑活動的靈敏度最大，需要及時地實施相應的風險管理措施“消除違章建筑活動，制定合乎規(guī)范的建設活動，加強法制宣傳教育活動”，以提高系統(tǒng)的安全可靠度。

表3 上海浦西天然氣輸配系統(tǒng)風險評價及決策管理

6 結語

提出了區(qū)間指數(shù)評價法，利用區(qū)間數(shù)學理論，對傳統(tǒng)的風險評價方法進行了修正和改進。該法可以解決故障樹分析法時效差的問題，并能充分考慮評價過程中的復雜性、模糊性以及不確定性，減少了評價中的人為因素，保證了評價結果的客觀性。區(qū)間指數(shù)評價法適用于設計階段、新建成階段以及運行初期的城市天然氣供應系統(tǒng)，即事故發(fā)生概率未知，依賴于專家判斷的風險評價系統(tǒng)。對于在專家評價的同時，存在部分可靠的系統(tǒng)風險因素歷史數(shù)據(jù)，或者詳盡數(shù)據(jù)的情況，如已運行一段時間的城市天然氣供應系統(tǒng)，則最好結合實際情況充分考慮數(shù)據(jù)信息與專家評價的綜合影響。

Risk Assessment for Urban Natural Gas Supply System Based on I AHP

Tongji University Liu Dongjing Zhou Weiguo Pan Xinxin

Interval mathematics was used to describe the complexity, fuzziness and uncertainty of city natural gas supply system. Judgment interval upper triangular matrix based on group decision was obtained by the group judgment of each system factor whose weight value was determined by AHP (Analytic Hierarchy Process). The maximum grading intervals of each lower layer factor were computed by the appointment ratio of weight, and then the system relative risk intervals can be ensured. An interval index risk assessment model based on city natural gas transmission and distribution system was presented, the risk decision system was developed by sensitivity analysis.

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