基于FAHP-FCE的天然氣管網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法

徐 媛 魚永強(qiáng) 高崗崗 王慶輝

(1.中國(guó)石油集團(tuán)安全環(huán)保技術(shù)研究院有限公司；2.中國(guó)石油慶陽石化公司)

0 引 言

因天然氣具有熱值高、安全環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，目前已經(jīng)在國(guó)內(nèi)各城市居民生活中得到廣泛使用。但伴隨著天然氣管道建設(shè)的增多，若不重視安全防控，有發(fā)生著火爆炸、中毒等事故的風(fēng)險(xiǎn)，并有可能造成災(zāi)難性的后果，如2017年“7·4”天然氣管道泄漏爆炸事故造成7人死亡(當(dāng)場(chǎng)死亡5人，住院醫(yī)治無效死亡2人)，85人受傷(重傷13人，輕傷72人)，事故造成直接經(jīng)濟(jì)損失4 419萬元[1]。臺(tái)灣的“8·1”高雄市天然氣泄漏爆炸事故[2]等，均造成災(zāi)難性的后果。因此，對(duì)天然氣管網(wǎng)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)并找出可能事故原因?qū)ΡＵ瞎芫W(wǎng)安全平穩(wěn)運(yùn)行具有重要意義。

目前，常用的風(fēng)險(xiǎn)分析方法有事故樹(Fault Tree，F(xiàn)T)分析、事件樹分析及層次分析法等[3]。其中因事故樹分析過程思路清晰、表現(xiàn)形式直觀、結(jié)果合理可靠，而得到廣泛應(yīng)用[4-5]。但該方法更適用于具體事故的分析，難以應(yīng)用于系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。事件樹分析法主要是用于具體事故后果演化推理分析，同樣不適用于系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)分析和評(píng)價(jià)。而層次分析法是一種通過構(gòu)建指標(biāo)體系從而實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析的方法，該方法原理簡(jiǎn)單，又能克服傳統(tǒng)方法中評(píng)價(jià)人員主觀性影響分析結(jié)果的不足[6]。但該方法主要用于識(shí)別系統(tǒng)中主要風(fēng)險(xiǎn)影響因素，不能進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)量化，且存在評(píng)價(jià)矩陣一致性差的問題。本文針對(duì)目前存在的問題提出了基于FAHP-FCE的天然氣管網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法。通過構(gòu)建天然氣管網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)體系，識(shí)別系統(tǒng)各風(fēng)險(xiǎn)因素的重要程度，并量化系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)水平，以期能夠?yàn)樘烊粴夤芫W(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)管控、事故預(yù)防等提供參考依據(jù)。

1 FAHP-FCE評(píng)價(jià)模型

1.1 模糊層次分析法

模糊層次分析方法主要用于復(fù)雜系統(tǒng)的量化分析，根據(jù)分析對(duì)象的特點(diǎn)將分析目標(biāo)整理成若干條關(guān)鍵要素，再將這些要素進(jìn)行逐層分析，形成一個(gè)多層分析模型，利用因素間的邏輯關(guān)系得到各因素重要度的過程[7-9]。傳統(tǒng)的層次分析法在求解過程中會(huì)存在難以滿足一致性的問題，因此本文對(duì)該方法進(jìn)行了改進(jìn)，利用模糊數(shù)學(xué)來規(guī)范判斷矩陣的構(gòu)造，以保證求解結(jié)果的可靠性，該方法的主要流程如下。

1.1.1 建立指標(biāo)體系

指標(biāo)體系構(gòu)建是將所分析的問題進(jìn)行整理，明確分析的總目標(biāo)，并歸納與總目標(biāo)相關(guān)的獨(dú)立子因素，再進(jìn)行逐層分析，最終形成一個(gè)多層次的結(jié)構(gòu)模型，并將該層次結(jié)構(gòu)按照邏輯關(guān)系分為目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和指標(biāo)層。

1.1.2 構(gòu)建模糊判斷矩陣

將指標(biāo)體系中目標(biāo)層下的準(zhǔn)則層、準(zhǔn)則層各因素下對(duì)應(yīng)的指標(biāo)層因素分別進(jìn)行兩兩對(duì)比，形成的對(duì)比矩陣稱為判斷矩陣，如某因素C的子因素集包括(a1，a2，…，an)，則C-a的判斷矩陣可表示為：

Ca1a2…ana1r11r12…r1na2r21r22…r2n……………anrn1rn2…rnn

其中因素rij表示的是一種相對(duì)重要度的比較關(guān)系，即表示兩個(gè)子因素ai和aj相對(duì)于其上層指標(biāo)C進(jìn)行比較時(shí)這兩個(gè)因素的相對(duì)重要度。為了使比較結(jié)果能夠進(jìn)行定量描述和計(jì)算，在實(shí)際應(yīng)用中將相互間的重要度按照表1所示的0.1～0.9標(biāo)度給予數(shù)量標(biāo)度。

表1 0.1～0.9標(biāo)度及含義

為了保證所構(gòu)建的判斷矩陣求解結(jié)果滿足一致性的要求(本質(zhì)是人員對(duì)事物認(rèn)知的一致性)，需要保證矩陣中任意行間對(duì)應(yīng)因素的絕對(duì)差值為常數(shù)，當(dāng)為非常數(shù)時(shí)按照少數(shù)服從多數(shù)的原則進(jìn)行調(diào)整。

1.1.3 計(jì)算各因素相對(duì)權(quán)重

通過對(duì)所構(gòu)建的模糊判斷矩陣進(jìn)行求解得到各因素對(duì)應(yīng)的權(quán)重值，即因素集{a1，a2，…，an}所對(duì)應(yīng)的權(quán)重值集{W1，W2，…，Wn}，為了保證各子因素集在同一尺度下比較，需要進(jìn)行歸一化處理，即可求得評(píng)價(jià)因素權(quán)重向量。

1.1.4 風(fēng)險(xiǎn)因素層次總排序

為了判斷指標(biāo)層因素相對(duì)于目標(biāo)層因素的相對(duì)重要度，還需要進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)因素的總排序。這一求解過程是由指標(biāo)層相對(duì)于準(zhǔn)則層權(quán)重和準(zhǔn)則層相對(duì)于目標(biāo)層權(quán)重組合計(jì)算得到，計(jì)算過程如公式(1)所示。

W=W0·L0

(1)

式中：W0為準(zhǔn)則層因素對(duì)于目標(biāo)層的權(quán)重向量，L0為各指標(biāo)層因素相對(duì)于上一層準(zhǔn)則層的權(quán)重組合。

1.2 模糊綜合評(píng)價(jià)法

模糊綜合評(píng)價(jià)法[10-11]是一種基于模糊數(shù)學(xué)進(jìn)行系統(tǒng)總體狀態(tài)評(píng)價(jià)的分析方法，通過行業(yè)專家對(duì)分析系統(tǒng)所建立指標(biāo)體系的底層因素進(jìn)行狀態(tài)判定，再結(jié)合這些因素的權(quán)重值得到系統(tǒng)的總體狀態(tài)得分，從而判斷系統(tǒng)的當(dāng)前狀態(tài)。該方法的模型見公式(2)。

F=C·ST

(2)

式中：F為系統(tǒng)總得分；C為系統(tǒng)的判斷矩陣；S為各因素安全等級(jí)加權(quán)值。

C=A·B

(3)

式中：A為各因素權(quán)重分配集，由各因素影響決定；B為總評(píng)價(jià)矩陣。

Bi=Ai·Ri

(4)

式中：Ri為各因素的評(píng)價(jià)矩陣，通常由若干專家進(jìn)行打分得到。另外，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[12-13]制定了相應(yīng)的安全等級(jí)加權(quán)值和安全等級(jí)判斷標(biāo)準(zhǔn)，分別見表2和表3。

表2 安全等級(jí)加權(quán)值S

表3 安全等級(jí)判斷

1.3 評(píng)價(jià)分析

首先根據(jù)計(jì)算結(jié)果確定所分析天然氣管網(wǎng)系統(tǒng)的安全等級(jí)。其次，按照風(fēng)險(xiǎn)因素權(quán)重大小進(jìn)行總排序，找出對(duì)系統(tǒng)安全性影響較大的因素集(權(quán)重越大，影響越大)。最后再根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)系統(tǒng)的安全狀況作出客觀綜合評(píng)價(jià)，并依此為安全管理的依據(jù)，可以針對(duì)性地提出風(fēng)險(xiǎn)管控措施。

2 實(shí)例分析

以某市天然氣管網(wǎng)系統(tǒng)為例，對(duì)所提出的方法進(jìn)行實(shí)例驗(yàn)證。將該市天然氣管網(wǎng)系統(tǒng)中涉及安全的因素從人、機(jī)、環(huán)、管4個(gè)方面進(jìn)行全方位的分析，確定該市天然氣管網(wǎng)系統(tǒng)的安全等級(jí)，并找出主要影響因素，進(jìn)行針對(duì)性地處理。

2.1 指標(biāo)體系建立

通過對(duì)天然氣管網(wǎng)系統(tǒng)中人、機(jī)、環(huán)、管4個(gè)方面的細(xì)化分析，以天然氣管網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)系統(tǒng)為目標(biāo)層構(gòu)建了風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，體系中共包括25個(gè)指標(biāo)層因素，見圖1。

圖1 天然氣管網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

2.2 指標(biāo)權(quán)重計(jì)算

通過行業(yè)從業(yè)人員或領(lǐng)域內(nèi)專家對(duì)各指標(biāo)因素間的相對(duì)重要度進(jìn)行兩兩對(duì)比，得到各層次間的判斷矩陣，其中準(zhǔn)則層相對(duì)于目標(biāo)層的T-D判斷矩陣如下所示：

TD1D2D3D4D10.50.40.60.5D20.60.50.70.6D30.40.30.50.4D40.50.40.60.5

由上述判斷矩陣可求得向量W0，歸一化處理后為：W0=(0.250，0.301，0.199，0.250)。

同理，分別求得指標(biāo)層相對(duì)準(zhǔn)則層歸一化的權(quán)重向量W1、W2、W3、W4。最終得到指標(biāo)層因素相對(duì)與目標(biāo)層的權(quán)重：

W=(0.067 7，0.033 4，0.056 3，0.067 7，0.044 8，0.052 6，0.026 0，0.052 6，0.038 9，0.030 6，0.019 9，0.018 6，0.019 9，0.041 9，0.038 0，0.037 3，0.026 3，0.029 9，0.045 8，0.021 7，0.046 0，0.063 5，0.054 7，0.054 7，0.031 1)。

從計(jì)算結(jié)果可以得出，各因素對(duì)天然氣管網(wǎng)安全性影響的重要度如下所示：

I1>I4>I22>I3>I23>I24>I6>I8>I21>I19>I5>I14>I9>I15>I16>I2>I25>I10>I18>I17>I7>I20>I11>I13>I12。

2.3 系統(tǒng)安全等級(jí)確定

首先對(duì)專家打分結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到各因素的評(píng)價(jià)矩陣(共邀請(qǐng)了10位專家進(jìn)行打分，打分結(jié)果按照比例關(guān)系進(jìn)行歸一化處理)，再依據(jù)公式(4)和表3求得各因素綜合評(píng)判向量Bi，將Bi進(jìn)行組合得到系統(tǒng)的總評(píng)價(jià)矩陣B，B=(B1，B2，B3，B4，B5)T。某市天然氣管網(wǎng)安全性綜合評(píng)價(jià)結(jié)果見表4。

利用公式(3)求得系統(tǒng)的安全評(píng)價(jià)矩陣C=(0.219 1，0.346 2，0.254 7，0.149 9，0.030 1)，計(jì)算可得該市天然氣管網(wǎng)系統(tǒng)安全總得分為81.31。依據(jù)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，該市的天然氣管網(wǎng)系統(tǒng)的當(dāng)前安全等級(jí)為“較好”。

經(jīng)驗(yàn)證，基于本文所提出的FAHP-FCE模型進(jìn)行的天然氣管網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果與該市天然氣管網(wǎng)當(dāng)前狀態(tài)一致，同時(shí)可以得到目前對(duì)該市天然氣管網(wǎng)系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)影響較大的因素有“領(lǐng)導(dǎo)安全意識(shí)”“安全規(guī)章制度”“安全教育和培訓(xùn)”“管網(wǎng)設(shè)計(jì)”和“管道完整性”。表明了這幾個(gè)方面是影響該市天然氣管網(wǎng)系統(tǒng)安全水平的主要因素，需要重點(diǎn)關(guān)注。

分析發(fā)現(xiàn)影響天然氣管網(wǎng)安全的關(guān)鍵因素主要集中在人員因素和管理因素上，說明在當(dāng)前階段，加強(qiáng)人員安全意識(shí)培養(yǎng)和提高管理水平更能降低天然氣管網(wǎng)的風(fēng)險(xiǎn)水平。

表4 某市天然氣管網(wǎng)安全性綜合評(píng)價(jià)

3 結(jié) 論

本文主要針對(duì)天然氣管網(wǎng)安全系統(tǒng)具有多層次、多因素、復(fù)雜性的特點(diǎn)，提出基于FAHP-FCE模型的風(fēng)險(xiǎn)綜合評(píng)價(jià)模型。基于該模型既能定量評(píng)價(jià)系統(tǒng)的總體安全狀態(tài)，同時(shí)又能找出影響系統(tǒng)安全的主要因素，為天然氣管網(wǎng)安全管理人員提供科學(xué)指導(dǎo)。最后論文以某市天然氣管網(wǎng)為例，從人、機(jī)、環(huán)、管4個(gè)方面多方位進(jìn)行了綜合分析，分析結(jié)果與實(shí)際狀態(tài)一致，驗(yàn)證了模型的實(shí)用性。