基于三角模糊數(shù)和AHP的海洋平臺風(fēng)險評價方法

姜　峰,曹　康,楊旭兵

(蘭州理工大學(xué) 石油化工學(xué)院,甘肅 蘭州　730050)

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基于三角模糊數(shù)和AHP的海洋平臺風(fēng)險評價方法

姜峰,曹康,楊旭兵

(蘭州理工大學(xué) 石油化工學(xué)院,甘肅 蘭州730050)

摘要采用三角模糊數(shù)和AHP綜合的評價方法對海洋平臺風(fēng)險進(jìn)行評估。首先簡述了三角模糊數(shù)理論和運用AHP方法確定權(quán)重的步驟,并建立了基于三角模糊數(shù)和AHP的綜合評價模型。然后以渤海某海洋平臺為實例,建立了風(fēng)險評價指標(biāo)體系,采用AHP法確定了各因素權(quán)重。最后進(jìn)行了三角模糊綜合評價,結(jié)果為GB=2.815,確定了風(fēng)險等級為“一般”,并針對評價結(jié)果提出了相應(yīng)的預(yù)防管理措施,從而驗證了該方法的可行性。

關(guān)鍵詞三角模糊數(shù);AHP;海洋平臺;風(fēng)險評價

隨著海洋經(jīng)濟時代的到來,人類在海洋上的作業(yè)越來越多,隨之而來的災(zāi)難性事故也不斷發(fā)生。這些災(zāi)難的發(fā)生,不但使很多人死于非命,而且造成了巨大的經(jīng)濟損失和嚴(yán)重的環(huán)境污染[1]。目前,挪威、英國等海上石油強國已經(jīng)擁有了比較完善的海洋石油平臺風(fēng)險評價體系。我國海上石油工業(yè)起步較晚,但隨著渤海二號翻沉(72人死亡),Jeve Sea鉆井船在鶯歌海的傾覆(81人死亡),珠江口惠州鋪管船翻沉(22人死亡),以及其他海難事故的不斷發(fā)生,海洋平臺風(fēng)險評價越來越受到人們的重視[2]。

如今,早期所建海洋平臺逐漸趨于結(jié)構(gòu)老化,因此海洋平臺領(lǐng)域的安全評估被提上議程,一些新的評估方法也得到了發(fā)展和應(yīng)用。近年來,英國在海洋平臺的安全評估方面發(fā)展較快,方法也比較完善和先進(jìn)。與國外相比,國內(nèi)在該方面的研究尚有較大的差距[3]。由于海洋平臺風(fēng)險的評價往往不是以精確的數(shù)字出現(xiàn),其評價邊界具有一定的模糊性,而采用模糊綜合比較的方法能夠?qū)⒛：脑u價轉(zhuǎn)為精確的數(shù)字比較,故這一方法在海洋石油工程風(fēng)險評估中得到了廣泛運用。但是,一般的模糊綜合評價法在量化過程中選擇的是平均數(shù),會造成許多有用信息丟失,最終可能導(dǎo)致評價結(jié)果不符合實際情況。此外,海洋平臺風(fēng)險因素具有復(fù)雜性和多層次性,評判中各因素權(quán)重分配往往不太合理。為了彌補這兩大缺陷,研究提出采用基于三角模糊數(shù)和AHP的綜合評價模型對海洋平臺風(fēng)險進(jìn)行評估。

1AHP和三角模糊數(shù)的綜合評價模型

1.1AHP方法步驟

美國運籌學(xué)家Saaty于20世紀(jì)70年代提出了層次分析法(AHP,analytic hierarchy process)。這是一種定量和定性相結(jié)合的決策方法,它把復(fù)雜的問題分解成各個組成因素,通過兩兩比較的方式確定層次中諸因素的相對重要性,然后通過綜合判斷決定諸因素相對重要性的總順序。運用AHP方法計算權(quán)重大體分為以下幾個步驟[4-8]：

(1)采用“1～9標(biāo)度法”表示因素間的相對重要程度,構(gòu)造判斷矩陣。標(biāo)度及含義如表1所列。

(2)計算n階判斷矩陣的最大特征值λmax和特征向量A=(a1,a2,…,as),并判斷隨機一致性指標(biāo)C.R,其中：

(1)

(2)

一致性指標(biāo)R.I可通過查表得到[6]。

當(dāng)C.R<0.1時,認(rèn)為判斷矩陣一致性良好,說明權(quán)重分配合理,用最大特征值λmax對應(yīng)的特征向量A=(a1,a2,…,as)作為權(quán)重向量w=(w1,w2,…,wn);否則需要調(diào)整判斷矩陣,直到具有良好的一致性為止。

1.2三角模糊數(shù)

若模糊數(shù)A可由(a,b,c)決定,且隸屬函數(shù)值為[9]

則稱A為三角模糊數(shù),記為A=(a,b,c),當(dāng)a=b=c時,A為一個精確數(shù)。三角模糊數(shù)的分布如圖1所示。

1.3三角模糊數(shù)綜合評價

三角模糊數(shù)綜合評價分為以下幾個步驟[9-13]：

(1)確定指標(biāo)體系權(quán)重

在模糊綜合評判中,因素權(quán)重集的確定是否恰當(dāng)直接影響綜合評價的結(jié)果。為了減少主觀因素的影響,采用AHP確定因素權(quán)重,記為

W=[w1w2… wn]。

(2)建立三角模糊數(shù)矩陣

設(shè)有n個評價指標(biāo),有p個專家參與評價決策,對于第j個指標(biāo),第i個專家給出的評價結(jié)果為[aij,bij,cij],其中:aij表示第i個專家對第j個指標(biāo)給出的最保守的評價;bij表示第i個專家對第j個指標(biāo)給出的最可能的評價;cij表示第i個專家對第j個指標(biāo)給出的最樂觀的評價。由p個專家對n個評價指標(biāo)進(jìn)行打分,從而形成了基于三角模糊數(shù)的初始綜合評判矩陣：

(3)集合專家打分

首先確定參加評價打分專家的權(quán)重,記為

其中:ei表示第i個專家給出的評價打分在綜合評價中所占的比重。

然后根據(jù)下式集合各位專家的評價打分：

(3)

其中:(aibici)為第i個指標(biāo)的模糊綜合評價值;ai為對第i個指標(biāo)的最保守評價;bi為對第i個指標(biāo)的最可能評價;ci為對第i個指標(biāo)的最樂觀評價;顯然有ai≤bi≤ci。

(4)綜合評價

首先根據(jù)下式將各個指標(biāo)的模糊綜合評價結(jié)果進(jìn)行綜合：

(abc),

(4)

其中:(abc)為安全評價的模糊綜合評價結(jié)果。

再根據(jù)三角模糊數(shù)的分布特點,運用公式[11]

(5)

將三角模糊數(shù)(abc)化為單值,即可得到最終評價結(jié)果。

2實例應(yīng)用

以渤海某導(dǎo)管架采油平臺為例進(jìn)行三角模糊綜合評價。此平臺1998年建成投產(chǎn),設(shè)計服役年限30年。首先通過調(diào)查研究建立風(fēng)險評價指標(biāo)體系,并采用AHP法確定各指標(biāo)權(quán)重。然后請四位專家打分,建立三角模糊數(shù)矩陣。最后集合專家打分,進(jìn)行單模塊評價和綜合評價,并與現(xiàn)場專家判斷結(jié)果比較。

(1)建立評價指標(biāo)體系

通過對國內(nèi)外海洋平臺事故資料的統(tǒng)計分析并結(jié)合眾多學(xué)者的研究[14-17],發(fā)現(xiàn)人員、平臺、管理、環(huán)境四大因素是引起海洋平臺事故的主要誘因。鑒于此,我們將這四大類作為評價模型的一級指標(biāo),并選取其中11個主要風(fēng)險因素作為二級指標(biāo),最終確定的風(fēng)險評價指標(biāo)體系如表2所列。

(2) 確定指標(biāo)權(quán)重

請業(yè)內(nèi)專家和現(xiàn)場安全管理人員對表2中所列指標(biāo)進(jìn)行兩兩比較打分,構(gòu)造判斷矩陣,再根據(jù)1.2所述AHP 法及式(1)、式(2)確定各層次指標(biāo)的權(quán)重,具體數(shù)據(jù)和結(jié)果見表3。

(3)建立三角模糊數(shù)矩陣

以人員因素B1模塊為例,請四位行業(yè)專家按照表4所述的“1～5分”評分等級和三角模糊數(shù)的定義,根據(jù)該海洋平臺安全管理工作的實際情況對B1模塊中的指標(biāo)進(jìn)行評價打分,建立三角模糊數(shù)矩陣：

(4)集合專家打分

首先根據(jù)專家們的工作背景與經(jīng)驗,將參加評價打分的四位專家的權(quán)重確定為

E=[e1e2e3e4]=[0.20.30.30.2]。

然后根據(jù)式(3)集合各位專家的評價打分:

(5)進(jìn)行綜合評價

首先根據(jù)式(4)將人員因素B1模塊中各個指標(biāo)的模糊評價結(jié)果進(jìn)行綜合：

再根據(jù)式(5)對評價結(jié)果進(jìn)行單值化處理,可得

由3.23∈[3,4)可知,人員因素B1模塊的綜合評價結(jié)果為“較安全”。

同理,通過上述過程可以將其他三個模塊中各個指標(biāo)的模糊評價結(jié)果進(jìn)行綜合：

TB2= [1.87,2.16,2.44],

TB3= [3.79,4.12,4.41],

TB4= [2.58,2.96,3.23]。

這三個模塊的最終評價結(jié)果分別為

平臺因素B2模塊GB2= 2.16∈[2,3),即“一般”;

管理因素B3模塊GB3= 4.11∈[4,5),即“安全”;

環(huán)境因素B4模塊GB4= 2.94∈[2,3),即“一般”。

通過式(4)可得該海洋平臺安全評價的總模糊綜合評價結(jié)果為

利用公式可得該海洋平臺安全評價的最終結(jié)果為

通過最終的總評價結(jié)果可知2.815∈[2,3),即該海洋平臺安全狀況為“一般”。這一結(jié)果與現(xiàn)場專家判斷一致。

此外,由每個模塊評價結(jié)果可知,平臺因素和環(huán)境因素安全狀況等級為“一般”,是該海洋平臺的主要風(fēng)險因素,應(yīng)該加強這兩方面的安全管理。

3結(jié)論

(1)利用AHP法確定海洋平臺風(fēng)險因素權(quán)重,充分減少了主觀因素對權(quán)重的影響,有效地解決了權(quán)重分配困難的問題,使得權(quán)重更加客觀合理,評價結(jié)果更加符合實際情況。

(2)采用的三角模糊數(shù)綜合評價充分考慮了專家主觀評價、判斷的模糊性,擴大了可利用信息的范圍,使最終的計算結(jié)果更貼近實際。同時,又利用三角模糊數(shù)分布特點,采用其平均值大小來比較模糊三角數(shù)大小,將模糊比較轉(zhuǎn)化為精確數(shù)的比較,既簡化了計算步驟,又?jǐn)U大了有效信息量,在多指標(biāo)安全評價問題上為決策者提供了一種更加簡便、實用的方法。

(3)以渤海某海洋平臺為例對該評價模型進(jìn)行了實證分析,最終評價結(jié)果為GB=2.815,得到該海洋平臺的整體安全狀況為“一般”。此外,根據(jù)各個模塊的評價結(jié)果得出平臺因素和環(huán)境因素安全狀況等級為“一般”,是該海洋平臺的主要風(fēng)險因素,為管理工作者及時掌握海洋平臺安全管理狀況、采取有效措施提升安全管理水平提供了依據(jù)。

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Risk Evaluation Method of Ocean Platform Based on Triangular Fuzzy Number and AHP

Jiang Feng,Cao Kang,Yang Xubing

(College of Petrochemical Engineering,Lanzhou University of Technology,Lanzhou 730050,China)

Key wordsTriangular fuzzy number;AHP;Ocean platform;Risk evaluation

AbstractRisk evaluation on ocean platform based on a comprehensive evaluation methodology of triangular fuzzy number and AHP(analytic hierarchy process) is proposed.First,theory of triangular fuzzy number and steps of applying AHP to determine weight are briefly introduced,and comprehensive evaluation model based on triangular fuzzy number and AHP is built.Then,risk evaluation index system is built by taking one ocean platform of Bohai Sea as living example,and weight of each factors id determined by adopting AHP.At last,a comprehensive evaluation of triangular fuzzy number is conducted.The results show that GB=2.815.The risk grade is determined as "general".Relevant measures of prevention and management are proposed against evaluation results,which verify the viability of this method.

doi:10.16468/j.cnki.issn1004-0366.2016.03.014.

收稿日期：2015-04-07;修回日期：2015-05-14.

基金項目:國家質(zhì)檢公益項目(201310152):基于風(fēng)險管理的油氣集輸壓力容器安全評定關(guān)鍵技術(shù)研究.

作者簡介:姜峰(1969-),女,湖南寧鄉(xiāng)人,碩士,教授,碩士生導(dǎo)師,研究方向為承壓設(shè)備.E-mail:921238461@qq.com.

中圖分類號:P751

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1004-0366(2016)03-0067-05

引用格式:Jiang Feng,Cao Kang,Yang Xubing.Risk Evaluation Method of Ocean Platform Based on Triangular Fuzzy Number and AHP[J].Journal of Gansu Sciences,2016,28(3):67-71.[姜峰,曹康,楊旭兵.基于三角模糊數(shù)和AHP的海洋平臺風(fēng)險評價方法[J].甘肅科學(xué)學(xué)報,2016,28(3):67-71.]