風(fēng)險綜合評價中指標(biāo)權(quán)重確定方法對比研究

李 成，吳 謙，胡 滿

1.中國石油大學(xué)（華東）石油工程學(xué)院（山東青島266580）

2.中海油能源發(fā)展股份有限公司安全環(huán)保分公司（天津300456）

風(fēng)險綜合評價中指標(biāo)權(quán)重確定方法對比研究

李 成1，吳 謙1，胡 滿2

1.中國石油大學(xué)（華東）石油工程學(xué)院（山東青島266580）

2.中海油能源發(fā)展股份有限公司安全環(huán)保分公司（天津300456）

指標(biāo)權(quán)重的確定是風(fēng)險綜合評價的關(guān)鍵技術(shù)之一，權(quán)重構(gòu)成是否合理直接影響評價的科學(xué)性。通過對20多年來的450余篇風(fēng)險評價文獻進行調(diào)查研究，從十余種權(quán)重確定方法中遴選出5種最常用的方法用于油氣鉆井井控風(fēng)險定量評價實例研究，提出一種主客觀組合權(quán)重計算方法，并將其運用到實例中進行檢驗。結(jié)果表明，單一的權(quán)重確定方法有一定的缺陷，組合權(quán)重法比單一的指標(biāo)權(quán)重確定方法更加合理、準確，且研究成果可以用于多指標(biāo)風(fēng)險綜合評價指標(biāo)權(quán)重的確定，更適用于具有高風(fēng)險的油氣井鉆井井控風(fēng)險的評估。

指標(biāo)權(quán)重；風(fēng)險評價；組合法；熵權(quán)法

近年來風(fēng)險評價工作正受到越來越廣泛的關(guān)注及重視，進行風(fēng)險評價的目的是預(yù)防和減少事故，很多學(xué)者對風(fēng)險評價進行了大量的研究[1-8]，從單因素到多因素，從定性向定量發(fā)展。目前，多指標(biāo)綜合評價是風(fēng)險評價常用的、有效的評價方法，而指標(biāo)權(quán)重的確定是綜合評價中的核心之一。指標(biāo)的權(quán)重是指這個指標(biāo)對于整體而言的重要程度[1]。指標(biāo)權(quán)重確定方法直接關(guān)系到風(fēng)險綜合評價結(jié)果是否合理。目前，風(fēng)險指標(biāo)權(quán)重確定方法各有優(yōu)缺點，適用條件也各不同。通過大量統(tǒng)計遴選出常用的權(quán)重確定方法，比較不同的權(quán)重確定方法的原理，闡述其適用范圍及優(yōu)缺點，并運用各種權(quán)重確定方法對實例井?dāng)?shù)據(jù)進行計算和對比分析，提出更加合理的主客觀組合權(quán)重法。

1 指標(biāo)權(quán)重確定方法的遴選

在中國知網(wǎng)數(shù)據(jù)庫及萬方數(shù)據(jù)庫中以“綜合評價”、“權(quán)重”為關(guān)鍵詞進行查找，查閱了自1990至 2013年涉及多指標(biāo)綜合評價指標(biāo)權(quán)重確定方法的450多篇文獻，從十幾種權(quán)重確定方法中遴選出了專家調(diào)查法、層次分析法、熵權(quán)法、標(biāo)準離差法及關(guān)聯(lián)函數(shù)法5種最常用的方法，各種方法的引用次數(shù)及所占百分比見表1。

表1 權(quán)重確定方法統(tǒng)計

由表1可看出，層次分析法和專家調(diào)查法所占比例較大，分別占了約37.02%、30.80%，這說明在風(fēng)險綜合評價中層次分析法和專家調(diào)查法能得到充分利用；關(guān)聯(lián)函數(shù)法、熵權(quán)法、標(biāo)準離差法3種方法所占比例相對較小，主要原因是其使用條件相對苛刻。

2 指標(biāo)權(quán)重確定方法對比分析

目前，指標(biāo)權(quán)重的確定方法可分為兩類：一類是由專家根據(jù)知識、經(jīng)驗判斷各評價指標(biāo)相對于評價目的或者其他指標(biāo)而言的相對重要程度，然后經(jīng)過綜合處理獲得指標(biāo)權(quán)重的主觀權(quán)重確定法，如：專家調(diào)查法、層次分析法等；另一類是直接依據(jù)各被評對象指標(biāo)數(shù)據(jù)的特征來確定各評價指標(biāo)權(quán)重的客觀權(quán)重確定法，如：標(biāo)準離差法、灰色關(guān)聯(lián)法、熵權(quán)法等。

2.1 主觀權(quán)重確定法

2.1.1 專家調(diào)查法

專家調(diào)查法又稱德爾斐法(Delphi)，依靠專家的知識和經(jīng)驗，由專家通過調(diào)查研究對問題作出判斷、評估和預(yù)測的一種方法[2-3]。這是最常用的一種方法，特別適合數(shù)據(jù)缺乏或原始信息量極大、涉及相關(guān)因素多的情況下指標(biāo)權(quán)重的確定。

具體步驟如下：匿名征求專家意見→歸納、統(tǒng)計→匿名反饋→歸納、統(tǒng)計→若干輪后直至得到一致的意見。

2.1.2 層次分析法（AHP法）

層次分析法[4]是將與決策總是有關(guān)的元素分解成目標(biāo)、準則、方案等層次，在此基礎(chǔ)之上進行定性和定量分析的方法。20世紀70年代由著名運籌學(xué)家T.L.Saaty提出的，該方法對指標(biāo)結(jié)構(gòu)復(fù)雜而且缺乏必要數(shù)據(jù)情況下的指標(biāo)權(quán)重的確定非常實用。

具體步驟：建立層次結(jié)構(gòu)模型→構(gòu)造成對比較矩陣→計算權(quán)向量并做一致性檢驗→計算組合權(quán)向量并做組合一致性檢驗。

2.2 客觀權(quán)重確定法

2.2.1 熵權(quán)法

熵權(quán)法由美國數(shù)學(xué)家Shannon[5]1948年提出，利用衡量指標(biāo)變異性程度的信息熵來確定權(quán)重[6]。熵權(quán)法要求樣本中風(fēng)險指標(biāo)屬性數(shù)據(jù)齊全，只適用于指標(biāo)層的賦權(quán)而不適用于中間層的賦權(quán)。

由m個對象，n個評價指標(biāo)建立的評價集中，運用熵權(quán)法計算指標(biāo)權(quán)重的基本步驟如下：

1）把實測數(shù)據(jù)標(biāo)化后轉(zhuǎn)為標(biāo)化數(shù)據(jù)。

2）計算第j項指標(biāo)的信息熵。

3）計算各指標(biāo)權(quán)重。

式中n為指標(biāo)數(shù)目。

2.2.2 標(biāo)準離差法

標(biāo)準離差法[5]的原理與熵權(quán)法相似，只不過標(biāo)準離差法以樣本中指標(biāo)的標(biāo)準離差衡量變異程度，其適用情況也同熵權(quán)法。其計算公式為：

式中σj為第j項評價指標(biāo)樣本數(shù)據(jù)計算出的標(biāo)準差。

2.2.3 關(guān)聯(lián)函數(shù)法

物元可拓法[6]具有評價客觀、計算簡便，能定性定量判斷的優(yōu)點，在風(fēng)險評價中得到很好的應(yīng)用。其自帶的權(quán)重計算方法為關(guān)聯(lián)函數(shù)法，其基本思想是指標(biāo)的數(shù)據(jù)落入的等級標(biāo)準級別越大，風(fēng)險越大，則該指標(biāo)應(yīng)賦予的權(quán)重越大。關(guān)聯(lián)函數(shù)法要求先建立指標(biāo)風(fēng)險等級標(biāo)準，樣本中風(fēng)險指標(biāo)數(shù)據(jù)齊全，同樣只適用于指標(biāo)層的賦權(quán)而不適用于中間層的賦權(quán)。

設(shè)有n個評價指標(biāo)，指標(biāo)Cj（1≤j≤n）的權(quán)重為dj；將風(fēng)險分為t個等級，指標(biāo)Cj的第k（1≤k≤t）等級風(fēng)險標(biāo)準為[ajk,bjk]，則：

式中：j=1，2，…，n；k=1，2，…，t；vj∈[ajk,bjk]。令

根據(jù)可拓評價的理論，令

式中：kmax是rjkmax屬于的風(fēng)險等級。

則各指標(biāo)的權(quán)重可以確定為

對比分析上述幾種權(quán)重確定方法，其優(yōu)缺點比較見表2。

3 指標(biāo)權(quán)重確定方法計算分析

油氣鉆井井控風(fēng)險具有嚴重性、多樣性、變化性、隱蔽性等特征，在各類風(fēng)險中尤為突出，目前常用多指標(biāo)綜合評價方法對其進行評價[7-8]。下面以一口實例井的鉆井井控風(fēng)險定量評價中指標(biāo)權(quán)重確定為例，分別運用以上幾種方法計算指標(biāo)權(quán)重，對比分析結(jié)果。

3.1 鉆井井控風(fēng)險評價指標(biāo)體系及實例建立

針對鉆井井控的特點，根據(jù)現(xiàn)場事故井的基本參數(shù)，結(jié)合專家經(jīng)驗建立鉆井井控風(fēng)險評價指標(biāo)體系：地層因素（包括地層流體、高產(chǎn)、井身結(jié)構(gòu)、高壓、井漏、特殊巖性）、鉆井條件因素（包括防噴器失效、內(nèi)防噴工具、套管磨損）、人為因素（包括抽汲、灌漿不足）。參考石油天然氣行業(yè)標(biāo)準將鉆井井控風(fēng)險分為四級，建立指標(biāo)評價等級標(biāo)準并提取羅家16H井[9]的各指標(biāo)數(shù)據(jù)，見表3。

表2 各權(quán)重確定方法優(yōu)缺點比較

表3 指標(biāo)評價等級標(biāo)準及羅家16H井賦值

3.2 指標(biāo)權(quán)重確定方法計算

利用以上權(quán)重確定方法計算鉆井井控風(fēng)險評價中各指標(biāo)權(quán)重，為保證每種方法輸入、輸出一致，現(xiàn)做以下處理：

1）層次分析法根據(jù)鉆井井控風(fēng)險評價指標(biāo)層次結(jié)構(gòu)，比較矩陣請經(jīng)驗豐富的專家運用1-9標(biāo)度法構(gòu)造[10]。

2）客觀權(quán)重確定法的計算與樣本數(shù)據(jù)有關(guān)，由于上述風(fēng)險等級范圍的劃分是參考現(xiàn)場大量事故井的基本參數(shù)，故各個指標(biāo)的同一個風(fēng)險等級標(biāo)準可以看作一個典型樣本。

3）不同的客觀權(quán)重確定法的計算需要的樣本數(shù)據(jù)略有區(qū)別，關(guān)聯(lián)函數(shù)法可以直接應(yīng)用表3中數(shù)據(jù)，對于熵權(quán)法及標(biāo)準離差法，先將區(qū)間數(shù)取中值后才能用來計算指標(biāo)權(quán)重。

運用各權(quán)重確定方法計算出的指標(biāo)權(quán)重及排序見表4。

4）計算不同權(quán)重方法確定下權(quán)重排序的兩兩之間的偏差平方和Qrs：

式中：crj、csj分別為指標(biāo)cj在2種不同方法計算下指標(biāo)權(quán)重的排序。

3.3指標(biāo)權(quán)重確定方法計算結(jié)果分析

比較不同方法下的權(quán)重排序兩兩之間的偏差平方和Q，除了Q熵-標(biāo)=22比較小之外，其他的數(shù)值均比較大；再對比表4，以“高壓”和“井漏”2個指標(biāo)為例，在不同方法下計算的權(quán)重排序分別為3、1、6、7及7、10、1、1。由此得出，除了熵權(quán)法和標(biāo)準差法的結(jié)果十分接近（Q熵-標(biāo)=22），其他不同的權(quán)重確定方法結(jié)果之間相差較大。這是由于每種方法的側(cè)重點不盡相同，AHP反映專家的意向，熵權(quán)法和標(biāo)準離差法均是通過指標(biāo)的變異程度來確定指標(biāo)的權(quán)重，關(guān)聯(lián)函數(shù)法對落入越高等級標(biāo)準的指標(biāo)賦權(quán)越大。

因此，單純采用主觀或者客觀權(quán)重確定法的結(jié)果是有缺陷的。故提出將主客觀權(quán)重組合，取長補短，盡量減少單一方法產(chǎn)生的偏差，提高綜合評價結(jié)果的準確度。

表4 各權(quán)重確定方法計算出的指標(biāo)權(quán)重及排序

4 主客觀組合權(quán)重確定法及步驟

當(dāng)樣本數(shù)據(jù)齊全，容易獲得專家打分時，適合采用主客觀組合權(quán)重確定方法。運用不同的方法分別計算出主、客觀權(quán)重，選取指標(biāo)權(quán)重排序偏差平方和最小的一對主、客觀權(quán)重法進行有機的組合。此時，主觀權(quán)重確定法考慮了專家的學(xué)識、經(jīng)驗，能宏觀地把握指標(biāo)權(quán)重的大小排序，客觀權(quán)重確定法反映了指標(biāo)的特征使指標(biāo)權(quán)重確定更精確。具體步驟如下：

1）先結(jié)合專家意見運用m種不同的主觀權(quán)重確定法，分析計算各指標(biāo)權(quán)重并按大小排序。

2）運用n種不同的客觀權(quán)重確定法求出指標(biāo)權(quán)重并排序。

3）利用（8）式計算步驟1）得出的各個主觀權(quán)重排序與步驟2）得出的各個客觀權(quán)重排序的兩兩之間的偏差平方和Q，共計m×n個。

4）選擇權(quán)重排序偏差平方和Q最小的一對主觀權(quán)重確定法、客觀權(quán)重確定法并進行組合。

5）主客觀組合權(quán)重確定法計算：

a）當(dāng)樣本數(shù)據(jù)不全或者過于復(fù)雜而只能采用主觀權(quán)重確定法時，α=0，β=1。

b）當(dāng)無法獲得專家打分而只能采用客觀權(quán)重確定法時，α=1，β=0。

c）當(dāng)樣本數(shù)據(jù)、專家打分均滿足，采用客觀權(quán)重確定法修飾主觀權(quán)重確定法進行組合時，0.5≤α< 1，0<β≤0.5，α+β=1。

d）當(dāng)樣本數(shù)據(jù)、專家打分均滿足，采用主觀權(quán)重確定法修飾客觀權(quán)重確定法進行組合時，0<α≤0.5，0.5≤β<1，α+β=1。

如表4所示比較各客觀法與AHP權(quán)重排序的偏差平方和Q，發(fā)現(xiàn)QAHP-關(guān)=163最小，故關(guān)聯(lián)函數(shù)法與層次分析法最吻合，故采用這兩種方法組合。上述計算中層次分析法的專家打分較為全面，故令α= 0.5，β=0.5，運用（9）式計算得組合權(quán)重確定法的權(quán)向量為(0.141，0.076，0.123，0.070,0.078,0.084，0.087, 0.074，0.052，0.102，0.114），指標(biāo)權(quán)重由大到小排序依次為：地層流體、高壓、灌漿不足、抽汲、防噴器密封失效、井身結(jié)構(gòu)、特殊巖性、高產(chǎn)、內(nèi)防噴工具、井漏、套管磨損。

業(yè)內(nèi)專家調(diào)查組對羅家16H井井噴事故調(diào)查與分析[10]得，引起井噴的主要原因依次為硫化氫氣層（地層流體）、高壓、油氣高產(chǎn)、抽汲壓力大、缺少鉆具回壓閥。與實際比較，組合客觀權(quán)重確定法與其他權(quán)重確定方法相比更符合、更準確，驗證了主客觀權(quán)重組合法的可靠性。

5 結(jié)論

1）通過查閱分析20年來的風(fēng)險定量評價450多篇文獻，遴選出最常用的5種指標(biāo)權(quán)重確定方法。

2）將權(quán)重確定法分為主觀和客觀兩類，對比介紹了每種方法的原理、使用條件及優(yōu)缺點。

3）運用權(quán)重確定法對實例進行指標(biāo)權(quán)重計算并排序，結(jié)果表明單一的采用主觀或者客觀權(quán)重確定法是有缺陷的。

4）提出了主客觀組合權(quán)重法，并說明其適用條件及具體計算步驟，通過實例計算驗證了組合權(quán)重確定法更加合理、準確。

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本文編輯：王梅

The determination of index weight is one of the key technologies in the comprehensive evaluation of risk,and whether the index weights are reasonable or not directly affects the science of the evaluation.Through the investigation and study of more than 450 literatures on risk assessment in 20 years,five most commonly used risk evaluation methods are selected from more than ten weight determining methods and they are applied to the case study of the quantitative assessment of oil and gas well drilling risk.A subjective-objective combination weighting calculation approach is put forward and it is verified by the cases.It is shown that single weight determination method has some defects,and the subjective-objective combination weight determination method is more reasonable and accurate than any single index weight determination method.The study result can be used for the determination of the index weights in the multi-index comprehensive risk evaluation,and it is more suitable for the assessment of high risk such as in oil and gas well drilling.

index weight;risk assessment;combination method;entropy weight method

2015-08-09

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金“完井井控安全評估體系研究”（編號：10CX04035A）

李成（1991-），男，在讀碩士，主要從事井控風(fēng)險評價方面的研究工作。