基于熵權(quán)法-AHP法航空制氧制氮站安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系權(quán)重確定方法研究

胡宗順，黃之杰，朱倩，劉慎洋

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基于熵權(quán)法-AHP法航空制氧制氮站安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系權(quán)重確定方法研究

胡宗順，黃之杰，朱倩，劉慎洋

（空軍勤務(wù)學(xué)院 航空四站系，江蘇 徐州 221000）

目的提出一種改進(jìn)的航空制氧制氮站安全評(píng)價(jià)權(quán)重確立的方法。方法在構(gòu)建航空制氧制氮站安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的基礎(chǔ)上，綜合利用層次分析法、熵權(quán)法的優(yōu)點(diǎn)，將影響因素的主觀(guān)性與客觀(guān)性相結(jié)合，最后得出各指標(biāo)綜合權(quán)重。結(jié)果將本文方法所得權(quán)重與熵權(quán)法、AHP法等4種方法所得結(jié)果進(jìn)行比較，本方法適用性更高，可提高評(píng)價(jià)結(jié)果的可信性。結(jié)論通過(guò)對(duì)某制氧制氮站保障實(shí)例分析，該方法客觀(guān)合理，可為航空四站保障風(fēng)險(xiǎn)控制提供判斷依據(jù)。

航空制氧制氮站；安全評(píng)價(jià)；熵權(quán)法；層次分析法；綜合權(quán)重

制氧制氮站安全評(píng)價(jià)是航空四站保障安全評(píng)價(jià)中的重要部分，評(píng)價(jià)方法以安全檢查表法，事故樹(shù)分析法，故障類(lèi)型、影響及危險(xiǎn)度分析法[1—3]為主，但是隨著評(píng)價(jià)因素的復(fù)雜化，會(huì)時(shí)常出現(xiàn)檢查效果不穩(wěn)定的現(xiàn)象，特別是對(duì)一些潛在問(wèn)題不夠敏感，并且這一過(guò)程受主觀(guān)和經(jīng)驗(yàn)的局限大。層次分析(AHP)法被大量應(yīng)用在工業(yè)化學(xué)領(lǐng)域，但其主觀(guān)性較強(qiáng)，存在評(píng)價(jià)過(guò)程中的隨機(jī)性和評(píng)價(jià)專(zhuān)家主觀(guān)上的不確定性[4]。熵權(quán)法是一種根據(jù)評(píng)價(jià)指標(biāo)所提供信息量大小來(lái)確定權(quán)重的客觀(guān)賦權(quán)法，具有較強(qiáng)的數(shù)學(xué)理論依據(jù)，可以對(duì)人們賦權(quán)的主觀(guān)性進(jìn)行部分修正，但確定的權(quán)重有時(shí)與實(shí)際不符。為合理地評(píng)價(jià)主、客觀(guān)因素對(duì)制氧制氮站的影響，文中結(jié)合兩種方法的優(yōu)點(diǎn)，在確定制氧制氮站評(píng)價(jià)體系指標(biāo)的基礎(chǔ)上，充分考慮各風(fēng)險(xiǎn)因素的權(quán)重分配，得出綜合權(quán)重，并進(jìn)行實(shí)例分析[5]。

1 制氧制氮站評(píng)價(jià)體系指標(biāo)的構(gòu)建

制氧制氮站保障涉及到氣體的生產(chǎn)過(guò)程、存儲(chǔ)過(guò)程和運(yùn)輸過(guò)程，消防與電氣設(shè)施等結(jié)構(gòu)復(fù)雜，相互間存在指標(biāo)重疊現(xiàn)象，導(dǎo)致評(píng)價(jià)指標(biāo)過(guò)于繁瑣且不準(zhǔn)確。在廣泛搜集資料的基礎(chǔ)上，咨詢(xún)專(zhuān)家意見(jiàn)，剔除影響不大、不宜收集、相關(guān)性弱的指標(biāo)，提出了內(nèi)外場(chǎng)保障、裝備管理、設(shè)施建設(shè)等三個(gè)準(zhǔn)則層，在此準(zhǔn)則層下，細(xì)化得到13個(gè)不同的具體評(píng)價(jià)指標(biāo)，構(gòu)成一個(gè)相對(duì)完整的制氧制氮站評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。內(nèi)外場(chǎng)保障包含內(nèi)場(chǎng)秩序、內(nèi)場(chǎng)生產(chǎn)、氣體質(zhì)量及飛行等三個(gè)階段；裝備管理包含氣瓶管理、氣瓶充裝、一般性裝設(shè)備使用；設(shè)施建設(shè)包括通用設(shè)施、消防設(shè)施、工作間規(guī)范、防火防爆設(shè)施[6—7]。

2 熵權(quán)和AHP法確定權(quán)重的原理與步驟

用層次分析法解決問(wèn)題首先要確立層次結(jié)構(gòu)模型，通過(guò)兩兩比較，判斷針對(duì)上一層次某因素而言，本層次與之有關(guān)的各因素之間的相對(duì)重要性，然后計(jì)算重要性并進(jìn)行排序。層次分析法可將定性分析與定量分析相結(jié)合，有很強(qiáng)的實(shí)用性和科學(xué)性[8]。

熵是熱力學(xué)中的重要概念，它最先由Shannon引入信息論，表示一個(gè)信息源發(fā)出的信號(hào)狀態(tài)不確定的程度。用熵權(quán)表示評(píng)價(jià)指標(biāo)的相對(duì)重要程度，認(rèn)為評(píng)價(jià)差異程度越大，該指標(biāo)的信息量就越大，即指標(biāo)對(duì)應(yīng)權(quán)重也越大[9]。

2.1 熵權(quán)法確定權(quán)重的步驟

1）假設(shè)專(zhuān)家N對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)的打分結(jié)果為，則指標(biāo)的信息熵為：

3）計(jì)算第個(gè)指標(biāo)的權(quán)重為：

(3)

最后得到指標(biāo)體系的權(quán)重向量：

=(1,2,…,w) (4)

2.2 AHP法確定權(quán)重的步驟

1）建立系統(tǒng)的遞階層次結(jié)構(gòu)。建立制氧制氮站的層次結(jié)構(gòu)是運(yùn)用層次分析法確定權(quán)重中最重要的一步。在咨詢(xún)專(zhuān)家的基礎(chǔ)上，分析場(chǎng)站各因素之間的聯(lián)系和相互影響，并將它們劃分層次。一般建立指標(biāo)層X(jué)，準(zhǔn)則層V，目標(biāo)層U三級(jí)遞階層次結(jié)構(gòu)模型。

2）構(gòu)造判斷矩陣。通過(guò)專(zhuān)家評(píng)估或歷史數(shù)據(jù)，對(duì)同一層次的各元素關(guān)于上一層次中某一準(zhǔn)則的重要性進(jìn)行兩兩比較，根據(jù)1~9位標(biāo)度法[5]對(duì)不同情況的評(píng)比給出數(shù)量標(biāo)度，構(gòu)成判斷矩陣。

3）層次單排序及一致性檢驗(yàn)。所謂層次單排序是指根據(jù)判斷矩陣計(jì)算對(duì)于上一層某因素而言，本層次與之有聯(lián)系的因素的重要性次序的權(quán)值。對(duì)判斷矩陣，計(jì)算滿(mǎn)足的特征根與特征向量。max為的最大特征根，為對(duì)應(yīng)于max的正規(guī)化特征向量，的分量即是相應(yīng)因素單排序的權(quán)值。為避免出現(xiàn)前后判斷不一致的情況，需進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。

=/(5)

式中：為一致性指標(biāo)，=(max－)/(－1)；為隨機(jī)一致性指標(biāo)，查表可得[5]。當(dāng)<0.10時(shí)，便認(rèn)為判斷矩陣具有滿(mǎn)意的一致性。否則，就需要調(diào)整判斷矩陣，使之滿(mǎn)足式（5），從而達(dá)到滿(mǎn)意的一致性[10—11]。

4）層次總排序及一致性檢驗(yàn)。計(jì)算同一層次所有因素對(duì)于總目標(biāo)相對(duì)重要性的排序權(quán)值的過(guò)程稱(chēng)為層次總排序，下一層次各因素的權(quán)重既要考慮本層次的相互關(guān)系，還要考慮到上一層次的權(quán)因子。通過(guò)從最高級(jí)到最低級(jí)逐層計(jì)算求出組合權(quán)重，再進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。

3 綜合權(quán)重的確定

運(yùn)用熵權(quán)法求得的權(quán)值大小取決于各指標(biāo)相對(duì)競(jìng)爭(zhēng)的激烈程度，所提供的客觀(guān)信息差異大，則相對(duì)重要性就高，因此會(huì)出現(xiàn)不太重要的指標(biāo)因?yàn)榭陀^(guān)數(shù)據(jù)浮動(dòng)大而得到較小的權(quán)重，而重要的指標(biāo)由于一致性高而權(quán)重偏小，顯然不合理。層次分析法能進(jìn)行層次化、數(shù)量化分析并用數(shù)學(xué)工具提供定量依據(jù)，特別在涉及大量相關(guān)因素，數(shù)據(jù)收集量大時(shí)，能利用人的經(jīng)驗(yàn)簡(jiǎn)化問(wèn)題，優(yōu)勢(shì)明顯，但很難排除個(gè)人因素對(duì)指標(biāo)權(quán)重的影響。同時(shí)，將系統(tǒng)劃分為遞階層次結(jié)構(gòu)時(shí)，只考慮了上層元素對(duì)下層元素的支配作用，同層元素被認(rèn)為是彼此獨(dú)立的，這限制了它在復(fù)雜決策問(wèn)題中的應(yīng)用[12]。

將兩種方法結(jié)合，經(jīng)過(guò)一定方法的運(yùn)算規(guī)整，得到的數(shù)據(jù)更能反映實(shí)際情況。目前確定綜合權(quán)重方法多為以下兩種：

1）將熵權(quán)法求得的客觀(guān)權(quán)重α與層次分析法得到的主觀(guān)權(quán)重β相結(jié)合，得到綜合權(quán)重ω[13]。

這種方法在求綜合權(quán)重時(shí)，只是將兩種方法求得的指標(biāo)簡(jiǎn)單糅合進(jìn)行歸一化處理，并沒(méi)有將兩種方法求取權(quán)重的中間過(guò)程有機(jī)地融合起來(lái)。而且可能將權(quán)重的差異性擴(kuò)大，使綜合權(quán)重失調(diào)，不能體現(xiàn)指標(biāo)的實(shí)際重要程度。

2）設(shè)定折中系數(shù)ε，將求得指標(biāo)再次進(jìn)行權(quán)重分配[14]。

(7)

其中ε越大，則代表熵權(quán)法確定的數(shù)值對(duì)綜合權(quán)重的影響更大；反之，AHP法確定的數(shù)值對(duì)綜合權(quán)重影響更大。大多數(shù)情況取ε=0.5，即重要性對(duì)等。這種方法能適應(yīng)不同環(huán)境需求，但對(duì)于折中系數(shù)如何確定依然帶有強(qiáng)烈的主觀(guān)性。

3）在參考以上兩種方法的基礎(chǔ)上，提出一種新的權(quán)重綜合法。具體步驟為：①設(shè)有指標(biāo)體系共有個(gè)準(zhǔn)則層，個(gè)指標(biāo)層，準(zhǔn)則層對(duì)應(yīng)指標(biāo)個(gè)數(shù)分別為1，2，…，m，且1+2+…+m=。用AHP法確定的準(zhǔn)則層的權(quán)重為={1，2，…，φ}，指標(biāo)層確定的權(quán)重為={1，2，…，β}。②熵權(quán)法確定的權(quán)重為={1，2，…，α}，將同準(zhǔn)則層內(nèi)的指標(biāo)進(jìn)行歸一化處理得，如。③將歸一化所得權(quán)重′與對(duì)應(yīng)準(zhǔn)則層權(quán)重相乘得到權(quán)重，，其中，=1，2，…，；=1，2，…，，∈（1，2，…，m）。④將所得權(quán)重重新整理得，并與層次分析法得到的主觀(guān)權(quán)重β相結(jié)合，得到綜合權(quán)重。

4 算例分析

邀請(qǐng)5位四站裝備修理廠(chǎng)的專(zhuān)家、航空四站系教授組成評(píng)價(jià)小組，對(duì)制氧制氮站的評(píng)價(jià)指標(biāo)賦予分值。評(píng)價(jià)以問(wèn)卷形式開(kāi)展，按照百分制進(jìn)行，分值越高說(shuō)明該指標(biāo)在保障中存在的風(fēng)險(xiǎn)因素越大。專(zhuān)家評(píng)分結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 專(zhuān)家評(píng)分

4.1 AHP權(quán)重計(jì)算

根據(jù)2.2節(jié)AHP法計(jì)算步驟，結(jié)合文獻(xiàn)[5]中計(jì)算公式，綜合專(zhuān)家的評(píng)判結(jié)果，內(nèi)外場(chǎng)保障的6個(gè)二級(jí)指標(biāo)的數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

由于數(shù)據(jù)計(jì)算量大，調(diào)用MATLAB函數(shù)可對(duì)矩陣計(jì)算得出權(quán)重值。同理，裝備管理、設(shè)施建設(shè)的二級(jí)指標(biāo)計(jì)算數(shù)據(jù)見(jiàn)表3和表4。

表2 內(nèi)外場(chǎng)保障AHP分析

表3 裝備管理AHP分析

表4 設(shè)施建設(shè)AHP分析

表5 綜合權(quán)重分析

4.2 熵權(quán)計(jì)算

由2.1節(jié)熵權(quán)法的計(jì)算步驟，利用Excel工具，計(jì)算出各指標(biāo)的數(shù)據(jù)權(quán)重見(jiàn)表5。

4.3 綜合權(quán)重計(jì)算

按照綜合權(quán)重運(yùn)算步驟分別計(jì)算三種綜合權(quán)重的權(quán)值見(jiàn)表5。

4.4 綜合權(quán)重分析

1）從熵權(quán)法確定的權(quán)重來(lái)看，內(nèi)場(chǎng)生產(chǎn)所占權(quán)重少，權(quán)重最高的是飛行講評(píng)階段，這是由評(píng)價(jià)小組意見(jiàn)一致程度決定的。如飛行講評(píng)階段打分為23，30，24，24，25，處于風(fēng)險(xiǎn)較小階段，但由于極差大，導(dǎo)致所得權(quán)值大，顯然不合理。

2）在使用AHP法計(jì)算時(shí)，前4個(gè)指標(biāo)權(quán)重超過(guò)0.4，可見(jiàn)評(píng)估小組較重視內(nèi)場(chǎng)保障，除此之外其他指標(biāo)比較均衡。參考近幾年的10個(gè)安全事故案例，因電路問(wèn)題導(dǎo)致制氧終止的案例有3個(gè)，可見(jiàn)通用設(shè)施也應(yīng)重點(diǎn)考慮，層次分析法更多的反映專(zhuān)家的主觀(guān)意見(jiàn)，與現(xiàn)實(shí)有較大差距。

3）兩種常用的綜合權(quán)重，是將權(quán)重值簡(jiǎn)單地綜合，并沒(méi)有在考慮內(nèi)部指標(biāo)聯(lián)系的基礎(chǔ)上進(jìn)行著重的強(qiáng)化或者弱化。對(duì)于綜合權(quán)重1，其指標(biāo)權(quán)重?cái)?shù)值幾乎在0.070.09之間，沒(méi)有針對(duì)性，與客觀(guān)實(shí)際相差甚大，不能作為安全評(píng)估的依據(jù)。由綜合權(quán)重2可以看出，裝備管理的各指標(biāo)權(quán)重偏高，氣瓶管理與氣瓶充裝的權(quán)重排名分別為第3與第5，高于內(nèi)外場(chǎng)保障的大部分指標(biāo)。導(dǎo)致的原因?yàn)?，在熵?quán)法的權(quán)重中的指標(biāo)占了更大的比重，使得最后結(jié)果偏向了熵權(quán)法的結(jié)果。參考規(guī)范化材料匯總，在設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)分值中，內(nèi)場(chǎng)200分、外場(chǎng)180分、裝備管理120分，且記錄的10起典型案例中只有1起因切換閥損壞導(dǎo)致制氧工作終止。由此可見(jiàn)，有關(guān)裝備的指標(biāo)權(quán)重應(yīng)相應(yīng)弱化。

4）在綜合權(quán)重3中，通用設(shè)施、工作間規(guī)范等指標(biāo)權(quán)重較前兩種綜合權(quán)重法有所降低而比熵權(quán)法有所提升，這樣一定程度上避免了由于人的主觀(guān)性導(dǎo)致最終結(jié)果不合理的情況。同時(shí)將層級(jí)之間與同層各元素間的關(guān)聯(lián)進(jìn)行了整合，既重點(diǎn)考慮了內(nèi)外場(chǎng)保障，又兼顧了裝備及設(shè)施建設(shè)，在一定程度上做到了主觀(guān)和客觀(guān)的結(jié)合，具有較強(qiáng)的可信度。

5 結(jié)語(yǔ)

底層指標(biāo)權(quán)重的確定是進(jìn)行安全評(píng)價(jià)的重要環(huán)節(jié)，文中在了解多種方法優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，創(chuàng)新改進(jìn)了熵權(quán)-AHP綜合權(quán)重法，既體現(xiàn)了專(zhuān)家對(duì)不同指標(biāo)的經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)也客觀(guān)反映了各指標(biāo)數(shù)據(jù)的全部信息。實(shí)例驗(yàn)證表明，此方法優(yōu)化了指標(biāo)屬性，結(jié)果符合客觀(guān)實(shí)際，具有較強(qiáng)的科學(xué)性和合理性，并具有一定的推廣使用價(jià)值。

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Weight Determination of Safety Evaluation Indicator System of the Aerial Oxygen and Nitrogen Station Based on AHP-Entropy Weight Method

HU Zong-shun, HUANG Zhi-jie, ZHU Qian, LIU Shen-yang

(Department of Aviation Four Stations, Air Force Logistics College, Xuzhou 221000, China)

Objective To proposean improved weight determination method for safety evaluation of aerial oxygen and nitrogen station. Methods Based on constructing a safety evaluation indicator system of an aerial oxygen and nitrogen station, AHP and entropy method were used comprehensively to combine subjectivity and objectivity of influencing factors, to obtain the comprehensive weight of each indicator. Results After comparing this result with that obtained by other 4 methods such as entropy weight method, APH, etc., this method was more applicable and can improve the creditability of results. Conclusion Through an example analysis of one aerial oxygen and nitrogen station, this method is objective and reasonable, it could be used as a judgment basis for risk control on protection of the four stations.

aerial oxygen and nitrogen station; safety evaluation; entropy weight method; AHP; comprehensive weight

10.7643/ issn.1672-9242.2017.04.016

TJ85；X913.4

A

1672-9242(2017)04-0077-05

2016-10-18；

2016-11-28

胡宗順（1992—），男，河南信陽(yáng)人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)楹娇账恼颈Ｕ霞夹g(shù)與信息化。